【正文】 ABBCCDDAAB ）， 八 拍（ AABBBCCCDDDAA）。每一個(gè)脈沖信號對應(yīng)步進(jìn) 電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個(gè)步距角）。 步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48 型是四相八拍電機(jī)，實(shí)物圖如圖 10所示，輸入電壓為 DC5VDC12V。在歐美等發(fā)達(dá)國家 80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。 步進(jìn)電機(jī)分為三類：永磁式（ PM），反應(yīng)式（ VR）和混合式（ HB）。步進(jìn)電機(jī)可以直 接用數(shù)字信號驅(qū)動(dòng)，使用非常方便，一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)移動(dòng)的，而步進(jìn)電機(jī)則有電動(dòng)機(jī) 11 則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。 VCC2接 5V電源，芯片外接 晶振，為芯片提供計(jì)時(shí)脈沖。 圖 8 DS1302的引腳分布圖 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路原理圖如圖 8 所示 ， DS1302 與單片機(jī)的連接需要 3 條線： CE 引腳、 SCLK串行時(shí)鐘引腳、 I/O 串行數(shù)據(jù)引腳。 DS1302 用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。工作電壓寬達(dá) ～ 。 時(shí)鐘電路 DS1302 時(shí)鐘芯片介紹 DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、 低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加 31字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號和 RAM 數(shù)據(jù)。標(biāo)稱值為 的基準(zhǔn)電壓，以及 AVCC，都位于器件之內(nèi)。 AVCC 與 VCC 之間的偏差不能超過 177。 ADC 包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。兩路差分輸入 (ADC ADC0 與 ADC ADC2)有可編程增益級，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0dB(1x)、 20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大級。單端電壓輸入以 0V (GND) 為基準(zhǔn)。 ATmega16 單片機(jī)有一個(gè) 10 位的逐次逼近型 ADC。 9 VCCGND10KR21KR7光敏電阻PA0VCCGND10KR31KR8光敏電阻PA1VCCGND10KR41KR9光敏電阻PA2VCCGND10KR51KR10光敏電阻PA3VCCGND10KR61KR11光敏電阻PA4 圖 7 光強(qiáng)度檢測電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換模塊 使用 ATmega16內(nèi)部自帶的 A/D轉(zhuǎn)換器， ADC具有專門的時(shí)鐘。當(dāng)平板沒有對正太陽時(shí)對稱的兩個(gè)光敏電阻的光照強(qiáng)度就會(huì)不一樣，則流過電阻的電流就會(huì)不相同，這樣獲取的電壓值也不相同。光敏電阻 R R R10 和 R11 用于檢測太陽能板是否對準(zhǔn)太陽。電路用了光敏電阻（ R7R11）與負(fù)載電阻（ R2R6）相接，再接到 ATmega16 單片機(jī)的輸入口 PA0（ ADC0）、 PA1（ ADC1）、 PA2（ ADC2）、 PA3（ ADC3）和 PA4（ ADC4）進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 圖 6 金屬封裝的硫化鎘光敏電 阻結(jié)構(gòu)圖 光強(qiáng)檢測電路 本設(shè)計(jì)中的光強(qiáng)檢測電路如圖 7 所示。 光敏電阻的類型按半導(dǎo)體材料分為本征型光敏電阻和摻雜型光敏電阻。它是在 一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面 8 薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 如圖 6 所示。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為 2到 50ms。半導(dǎo)體材料受到光照時(shí) 會(huì)產(chǎn)生電子一空穴對，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小，光線越強(qiáng)，阻值越低。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。 1 23 45 67 89 10P1ISPPB5RESETGNDPB7PB6VCC 圖 5 ISP下載線路 光強(qiáng)度檢測電路 光敏電阻介紹和工作原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng) (半導(dǎo)體材料受光照射后，其導(dǎo)電率發(fā)生變化的現(xiàn)象）。 ISP 下載接口不需要任何的外圍零件。 ISP 下載線路 ISP 下載線路如圖 5 所示。不過一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾， ATmega16 7 單片機(jī) 芯片有獨(dú)立的 AD 電源供電。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部 RC 振蕩，這部分不需要任何的外圍零件。 ATmega16單片機(jī) 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M、 2M、 4M、 8M 的振蕩頻率。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不需要復(fù)位按鈕，復(fù)位腳可以不接任何的零件 ， AVR 芯片也能穩(wěn)定工作。 D1(1N4148)的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將 R1(10K)電阻短路，讓 C5快速放電，讓下一次來電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。 ATmega16 單片機(jī) 已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)，并且 在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故 AVR外部的復(fù)位線路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡單：直接拉一只 10K 的電阻到 VCC 即可 (R1)。 ATmega16 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) ATmega16 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 4 所示， 圖中包括復(fù)位電路、晶振電路和 AD 轉(zhuǎn)換濾波電路。 AVR 大部分的 I/O 端口都具備雙重功能（有的還有第三功能）。 ATmega16 有 4 個(gè) 8位的雙向 I/O 端口 PA、 PB、 PC、 PD，他們對外對應(yīng) 32 個(gè) I/O 引腳，每一位都可以獨(dú)立地用于邏輯信號的輸入和輸出。 工作于空閑模式時(shí) CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換 器、 SRAM、 T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè) 5 時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止 CPU 和終止除了異步定時(shí)器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。 圖 2 光敏電阻分布圖 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ATmega16 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 ATmega16 單片機(jī)的簡介及引腳功能說明 ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié) 構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。其中光敏電阻 1 和光敏電阻 2 對水 平方向光線進(jìn)行檢測，單片機(jī)通過計(jì)算光敏電阻 1 和光敏電阻 2 的電壓差值，判斷光強(qiáng)度較強(qiáng)的方向，控制水平步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽光的水平跟蹤。圖中光敏電阻 0 用于檢測當(dāng)前是否為黑夜。 圖 2 是太陽跟蹤系統(tǒng)中的光敏電阻分布圖的俯視簡圖，一共由 5 個(gè)光敏電阻組成。圖 1 為系統(tǒng)的總體框圖。采用太陽能充電管理專用充電芯片 CN3063 對鋰電池充電。時(shí)鐘模塊采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。 3 2 總體方案確定 方案簡述 本方案的太陽能跟蹤充電系統(tǒng)以 ATmega16 單片機(jī)為主控 芯片，由光電檢測模塊、時(shí)鐘模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。 （ 3） 編寫軟件程序，實(shí)現(xiàn)太陽能跟蹤和充電控制等要求。設(shè)計(jì)的主要工作包括 : （ 1） 分析跟蹤原理，選擇合適的光電傳感電路。近年來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的 飛速發(fā)展與制造成本的不斷降低，實(shí)現(xiàn)對太陽方位角和高度角精確跟蹤的雙軸跟蹤技術(shù)已成為人們研究與運(yùn)用的熱點(diǎn)。雙軸跟蹤，雙軸跟蹤彌補(bǔ)了單軸跟蹤方式的不足之處，它是一種全方位的跟蹤技術(shù)。這類跟蹤方式具有結(jié)構(gòu)相對簡單，控制較為容易的特點(diǎn)，比較合適在光照強(qiáng)度充足和光照比較穩(wěn)定的地區(qū)。 目前國內(nèi)外常見的跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。另一種是傳感器跟蹤法。一種是視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法，太陽相對與地球上某一點(diǎn)的位置，是可以近似計(jì)算的。高精度的太陽跟蹤器可以大大提高太陽接收效率，在太陽能發(fā)電中有著重要的作用。雖然，太陽能有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在太陽光的密度低、空間分布不斷變化、輻照時(shí)間間歇性等缺點(diǎn)，因此收集和利用的難度較大、成本較高。太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的一個(gè)重要領(lǐng)域。太陽能具有這么多優(yōu)點(diǎn)，開放和利用太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化為其他可利用能源將對我們?nèi)祟惖目沙掷m(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。太陽能的分布廣泛，在偏遠(yuǎn)地區(qū)及地理環(huán)境相對惡劣的山區(qū)、農(nóng)村等地方提供太陽能所轉(zhuǎn)化的各種能量，可以降低運(yùn)輸壓力，而且能緩解能源供應(yīng)的矛盾。太陽能作為一種可再生能源，可以說取之不盡，用之不竭，在新能源利用發(fā)展中具有很多優(yōu)勢。這時(shí) 候，大家把目光投向新能源的開發(fā)和利用。 經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，石化能源大量使用的同時(shí)也加劇了環(huán)境的污染和危害，這種危害表現(xiàn)為大量溫室氣體排放引起全球溫度升高加劇、南極臭氧層空洞擴(kuò)大、酸雨和暴雪等極端氣候出現(xiàn)以及各種疾病的復(fù)活等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在 2020 年國內(nèi)一次性能源消耗結(jié)構(gòu)中，煤炭占 70%，原油占 18%，天然氣占 4%，非石化能源（水電、核能和可再生能源）消費(fèi)比重上升到 %。 中國國民生產(chǎn)總值持續(xù)幾年高速的增長受到世人矚目，同時(shí)受到關(guān)注的還有中國能源消耗的迅速增長。從工業(yè)時(shí)代開始，到 21 世紀(jì)的今天，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展下，傳統(tǒng)能源越來越少，迅速地接近枯竭。 采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的 太陽能雙軸追蹤系統(tǒng)能有效提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，而且實(shí)時(shí)性好，成本較低，具有較廣泛的 應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制中心，采用太陽能雙軸跟蹤裝置充電，可在兩個(gè)自由度中上對太陽進(jìn)行跟蹤，有效的提高太陽能的利用率。但是，目前太陽能的利用率較低，制約了其發(fā)展。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的太陽能跟蹤充電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長，傳統(tǒng)的燃料能源正在不斷減少，同時(shí)對環(huán)境的危害越來越嚴(yán)重。太陽能是一種可再生能源，并且具有清潔、豐富等獨(dú)特優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。目前，大多數(shù)太陽能發(fā)電是采用固定式的跟蹤系統(tǒng)，無法隨著太陽的運(yùn)行進(jìn)行轉(zhuǎn)變，所以電能轉(zhuǎn)化效率較低。 本 系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，光電傳感器將采集到的光線強(qiáng)弱信息傳送到單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過分析處理后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在兩個(gè)自由度上對 太陽能電池板的角度進(jìn)行調(diào)整， 達(dá)到太陽光雙軸跟蹤的效果，同時(shí)對充電進(jìn)行控制。 關(guān)鍵詞 ：單片機(jī) 雙軸跟蹤 太陽能 充電 Design of Twoaxe Solar Tracking and Charging System Based on MCU Tan Xueqing (College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract: With the rapid growth of social economy, the traditional fuel sources is decreasing quickly, and the harm of environment is more and more serious at the same time. Solar energy is on