【正文】 第 1 頁(yè) 1 緒論 該設(shè)計(jì)采用 TI 公司的超低功耗的 MSP430F149 單片 機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，點(diǎn)光源檢測(cè)模塊，電源轉(zhuǎn)換模塊等模塊組成。當(dāng)水平方向上的 2 路光敏三極管測(cè)量數(shù)值相對(duì)接近，同時(shí)豎直方向上的 2 路光敏三極管測(cè)量數(shù)值也相對(duì)接近時(shí)，位于豎直傳感器中間的激光筆將精確的指向點(diǎn)光源。本系統(tǒng)可以擴(kuò)展為以后的太陽(yáng)的跟蹤。然而它也存在著間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問題，這就對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用提出了更高的要求。據(jù)實(shí)驗(yàn)，在太陽(yáng)能光發(fā) 電中，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高 35%，因此在太陽(yáng)能利用中，進(jìn)行跟蹤是十分必要的。 第 2 頁(yè) 2 點(diǎn) 光源跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 本設(shè)計(jì)是一個(gè)點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)，主要由傳感器來對(duì)光照檢測(cè)與處理，控制器分析與處理，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行和模塊顯示這幾個(gè)部分構(gòu)成。當(dāng)水平方向上的兩傳感器的測(cè)量數(shù)值相對(duì)接近，同時(shí)豎直方向上的兩傳感器的測(cè)量數(shù)值也相對(duì)接近時(shí)，位于豎直傳感器中間的激光筆將精確的指向點(diǎn)光源。達(dá)到跟蹤點(diǎn)光源的目的。具體方框圖如圖 21所示。 16位低功耗單片機(jī)，性能良好。（ 2）超低功耗： 擁有 5種低功耗模式(LPM0LPM4)。（ 4）高速的運(yùn)算能力 ： 16位 RISC架構(gòu)，125ns指令周期。（ 6） FLASH存儲(chǔ)器 ： 采用先下載程序到 FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行；（ 7） MSP430芯 第 4 頁(yè) 片上包括 JTAG接口 ： 仿真調(diào)試通過一個(gè)簡(jiǎn) 單的 JTAG接口轉(zhuǎn)換器就可以方便的實(shí)現(xiàn)如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、讀寫寄存器等調(diào)試；（ 8）快速靈活的變成方式 ： 可通過 JTAG和 BSL兩種方式向 CPU內(nèi)裝在程序。 通過上面的比較本系統(tǒng)選取 MSP430系列 MSP430F149單片機(jī)作為控制器，MSP430F149的穩(wěn)定性很好且功能要比 C51系列的強(qiáng)大的多，所以選取方案一。在非超載的情況下，電機(jī)的 轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。 方案二：直流減速電機(jī)。 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求可知，直流減速電機(jī)存在的明顯缺陷速度不容易控制，而步進(jìn)電機(jī)的控制和實(shí)現(xiàn)是相對(duì)簡(jiǎn)單一些。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇 本系統(tǒng)中選的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)有一下三種方案可選擇： 方案一：采用功率三極管作為功率放大器的控制步進(jìn)電機(jī)。 方案二：采用由達(dá)林頓晶體管陣列 ULN2021。單驅(qū)動(dòng)能力比較弱。驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單，使用方便。 傳感器的選擇 本系統(tǒng)的傳感器主要是檢測(cè)光照度，可考慮的傳感器如下列方案： 方案一：光敏電阻。 方案二：硅光電池。 方案三：光敏二極管。 方案四：光敏三極管。用四個(gè)光敏三極管組成四象限感光面，上下 左右各一個(gè)光敏三極管。當(dāng)距離比較大時(shí)，兩者的靈敏度大大降低。 LCD 液晶顯示器的選擇 本系統(tǒng) LCD顯示器主要顯示的是傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，可選用以下方案： 方案一： FYD128640402B是一種具有 4位 /8位并行、 2線或 3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示 分辨率為 128 64, 內(nèi)置 8192個(gè) 16*16點(diǎn)漢字，和 128個(gè) 16*8點(diǎn) ASCII字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。系統(tǒng)方框圖如下圖 22所示： 第 6 頁(yè) 圖 22 系統(tǒng) 硬件 方框圖 單 片機(jī) MSP430 本系統(tǒng)中我們選的是 MSP430系列單片機(jī)下面介紹一下 MSP430系列單片機(jī)： MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器 (TI)1996年開始推向市場(chǎng)的一種 16位超低功耗的混合信號(hào)處理器 (Mixed Signal Processor)。如今， MSP430單片機(jī)已經(jīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是儀器儀表、監(jiān)測(cè)、醫(yī)療器械以及汽車電子等領(lǐng)域。（ 2）超低功耗，擁有 5種低功耗模式 (以后會(huì)詳細(xì)介紹 )。（ 4）高速的運(yùn)算能力， 16位 RISC架構(gòu)， 125ns指令周期。（ 6） FLASH 第 7 頁(yè) 存儲(chǔ)器，采用先下載程序到 FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行；（ 7）MSP430芯片上包括 JTAG接口，仿真調(diào)試通過一個(gè)簡(jiǎn)單的 JTAG接口轉(zhuǎn)換器就可以方便的實(shí)現(xiàn)如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、讀寫寄存器等調(diào)試；（ 8）快速靈活的變成方式，可通過 JTAG和 BSL兩種方式向 CPU內(nèi)裝在程序。還有能夠觸發(fā) POR 和 PUC 的信號(hào)： 5種來在看門狗， 1種來自復(fù)位管腳， 1種來自寫 FLASH 鍵值出現(xiàn)錯(cuò)誤所產(chǎn)生的信號(hào)。 PUC 信號(hào)產(chǎn)生的條件：（ 1） POR 信號(hào)產(chǎn)生；（ 2）看門狗有效時(shí)，看門狗定時(shí)器溢出；（ 3）寫看門狗定時(shí)器安全鍵值出現(xiàn)錯(cuò)誤；（ 4）寫 FLASH 存儲(chǔ)器安全鍵值出現(xiàn)錯(cuò)誤。而 PUC 信號(hào)不會(huì)引起 POR 信號(hào)的產(chǎn)生。觸發(fā) PUC 信號(hào)的條件中，除了 POR 產(chǎn)生觸發(fā) PUC 信號(hào)外，其他的豆科一通過讀取相應(yīng)的中斷向量來判斷是何種原因引起的 PUC 信號(hào)，以便作出相應(yīng)的處理。 典型的復(fù)位電路有一下 3 種：（ 1）在 RST/NMI 管腳上接 100K 歐的上拉電阻。（ 3）再（ 2）的基礎(chǔ)上，再在電阻上并接一個(gè)型號(hào)為 IN4008 的二極管，可以可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)斷電后立即上電。我們可以根據(jù)需要選擇合適的振蕩頻率，并可以在不需要時(shí)隨時(shí) 關(guān)閉振蕩器，以節(jié)省功耗。它在芯片內(nèi)部，不用時(shí)可以關(guān)閉。但 DCO 的調(diào)節(jié)功能可以改善它的性能，他的調(diào)節(jié)分為以下 3 步： a：選擇 確定時(shí)鐘的標(biāo)稱頻率； b：選擇 在標(biāo)稱頻率基礎(chǔ)上分段粗調(diào)； c：選擇 的值進(jìn)行細(xì)調(diào)。典型為接 32768HZ 的時(shí)鐘振蕩器，此時(shí)振蕩器不需要接負(fù)載電 容。 第 8 頁(yè) （ 3） XT2 接 450KHZ~8MHZ 的標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩器。 低頻振蕩器主要用來降低能量消耗，如使用電池供電的系統(tǒng)，高頻振蕩器用來對(duì)事件做出快速反應(yīng)或者供 CPU 進(jìn)行大量運(yùn)算。 （ 1） MCLK 系統(tǒng)主時(shí)鐘。 MCLK 可以選擇任何一個(gè)振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)并進(jìn)行 8分頻作為其信號(hào)源。供外圍模塊使用。 SMCLK 可以選擇任何一個(gè)振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)并進(jìn)行 8 分頻作為其信號(hào)源。供外圍模塊使用。但 ACLK 只能由 LFXT1 進(jìn)行 8 分頻作為信號(hào)源。 ACLK的信號(hào)源為 LFXT1。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)丟失 50us 時(shí)，監(jiān)測(cè)電路捕捉到振蕩器失效。但 MSP430不對(duì)工作在低頻模式的 LFXT1進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 首先， MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 電壓。 其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器（ 32768Hz ） ， 有的使用兩個(gè)晶體振蕩器）。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（ AM ）和五種低功耗模式（ LPM0LPM4 ）。 步進(jìn)電機(jī) 本系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向點(diǎn)光源。重量 ，外形尺寸（ 56*56*45）mm。該芯片采用 15腳封裝。 內(nèi)含兩個(gè) H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。 （ 1） 兩相四拍的工作模式時(shí)序圖（如表 21所示）： 表 21 兩相四拍的工作模式時(shí)序圖 步進(jìn)電機(jī) 信號(hào)輸入 第一步 第二步 第三步 第四步 返回第一步 正轉(zhuǎn) IN1 0 1 1 1 返回 IN2 1 0 1 1 返回 IN3 1 1 0 1 返回 IN4 1 1 1 0 返回 反轉(zhuǎn) IN1 1 1 1 0 返回 IN2 1 1 0 1 返回 IN3 1 0 1 1 返回 IN4 0 1 1 1 返回 （ 2）控制換相順序 兩相四線 步進(jìn)電機(jī)的 四 拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?(ABA’ － B’ )依次循環(huán)。 （ 3）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相 通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。 （注意：如果脈沖頻率的速度大于了電機(jī)的反 第 10 頁(yè) 應(yīng)速度，那么步進(jìn)電機(jī)將會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象）。 分別為 M1 和 M2。 （如果無(wú)須調(diào)速可將兩引腳接 5V，使電機(jī)工作在 最高速狀態(tài)，既將短接帽短接）實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)就更容易了，輸入信號(hào)端 IN1 接高電平輸入端 IN2 接低電平，電機(jī) M1 正轉(zhuǎn)。）控制另一臺(tái)電機(jī)是同樣的方式，輸入信號(hào)端 IN3 接高電平，輸入端 IN4 接低電平，電機(jī) M2 正轉(zhuǎn)。可參考下表 22： 表 22 驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī) 控制信號(hào) 電機(jī) 旋轉(zhuǎn)方式 控制端IN1 控制端IN2 控制端IN3 控制端IN4 輸入 PWM 信號(hào)改變脈寬可調(diào)速 調(diào)速端A 調(diào)速端B M1 正轉(zhuǎn) 高 低 / / 高 / 反轉(zhuǎn) 低 高 / / 高 / 停止 低 低 / / 高 / M2 正轉(zhuǎn) / / 高 低 / 高 反轉(zhuǎn) / / 低 高 / 高 停止 低 低 / / / 高 液晶顯示器 本系統(tǒng)中顯示器是用來顯示光敏三極管檢測(cè)到的信號(hào)，是需要顯示漢字的。 FYD128640402B是一種具有 4位 /8 位并行、 2 線或 3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn) 體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128 64, 內(nèi)置8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集 .利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。 *注釋 2：模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場(chǎng)合可將該端懸空。 （ 1） RS， R/W 的配合選擇決定控制界面的 4種模式（如表 24 所示）： 表 24 四種模式 RS R/W 功能說明 L L MPU 寫指令到指令暫存器（ IR） 第 13 頁(yè) L H 讀出忙標(biāo)志（ BF）及地址記數(shù)器（ AC）的狀態(tài) H L MPU 寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（ DR） H H MPU 從數(shù)據(jù)暫存器（ DR）中讀出數(shù)據(jù) （ 2） E 信號(hào)（如表 25所示） 表 25 E 信號(hào) E 狀態(tài) 執(zhí)行動(dòng)作 結(jié)果 高 —— 低 I/O 緩沖 —— DR 配合 /W進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或指令 高 DR—— I/O 緩沖 配合 R進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或指令 低 /低 —— 高 無(wú)動(dòng)作 忙標(biāo)志 :BF BF標(biāo)志提供內(nèi)部工作情況 .BF=1表示模塊在進(jìn)行內(nèi)部操作 ,此時(shí)模塊不接受 外部指令和數(shù) 據(jù) .BF=0 時(shí) ,模塊為準(zhǔn)備狀態(tài) ,隨時(shí)可接受外部指令和數(shù)據(jù)。 字型產(chǎn)生 ROM（ CGROM） 字型產(chǎn)生 ROM（ CGROM）提供 8192 個(gè)此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。 DFF 的狀態(tài)是指令 DISPLAY ON/OFF 和 RST 信號(hào)控制的。 字型產(chǎn)生 RAM(CGRAM) 字型產(chǎn)生