【正文】 效率低。 本設(shè)計主要以超低功耗的 AT89C51 為控制核心，由光源檢測、電機驅(qū)動等組成。通過單片機的運算和處理來確定運動趨勢，同時將信號傳給步進電機，使其與光源運動，最終達到高效利用太陽能的目的。 關(guān)鍵詞 ： 單片機 AT89C51；雙軸跟蹤；傳感器 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 Abstract As the future of solar energy is an ideal clean energy in recent years due to growing concerns about energy and environmental issues. Solar weakens over time or bee strong, so this made for the utilization of solar energy higher requirements. Many solar panel array is not efficient use of solar energy resources, low power generation efficiency. This design is to change the fixed axis tracking solar PV modules into a source of solar PV modules, photo voltaic ponents by tracking the light source to maintain a high output power. This design mainly for the control of ultralowpower AT89C51 core, from light detection, motor drive and other ponents. With the light sensors to detect the position of the light source, and the detected signal is transmitted to the micro controller enlarged AT89C51. To determine the source of the movement trends in puting and processing by the micro controller, while the signals to the motor, so that the light source movement, and ultimately achieve efficient use of solar energy purposes. The design of the light source tracking control system to make the solar energy utilization device always keep vertical to sunlight, which has the advantages of simple structure, low cost and high tracking accuracy, not only can be used for photo voltaic power generation, small place also can be used for solar cooker, solar water heaters and each other kind of solar equipment, has a certain practical value. Keywords: SCM AT89C51； Sources； Automatic tracking； Sensor； 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 1 第 1 章 前言 本設(shè)計的意義及目的 本設(shè)計是利用光源跟蹤技術(shù)提高對太陽能的利用率 。并且其結(jié)構(gòu)相對簡單，不需太多的人工干預(yù)，特別適合天氣狀況較復(fù)雜的地域和無人值守的情況，有較好的推廣應(yīng)用價值。通過對積累的經(jīng)驗和所學(xué)的知識的分解與組合，實現(xiàn)產(chǎn)品的新功能，另一方面提高了動手能力和實驗?zāi)芰?，這樣才有足夠的能力去設(shè)計新的產(chǎn)品。 本設(shè)計的主要內(nèi)容 太陽的位置在一天內(nèi)不是固定的，因此太陽能電池板需要盡可能地跟隨太陽運動來獲得充足的陽光。 本畢業(yè)設(shè)計包括系統(tǒng)設(shè)計要求、方案的比較、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。方案比較部分是為了選取更適合此次設(shè)計的器件。軟件部分設(shè)計是在了解電路設(shè)計原理之后，根據(jù)原理和目的畫出流程圖、編寫程序。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 2 第 2 章 系統(tǒng)方案設(shè)計 設(shè)計要求 （ 1）自動跟蹤的實現(xiàn)： 所設(shè)計的雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的核心部分是單片機，需設(shè)計合理的程序從而對電動機進行控制，適時改變電池板的角度。 設(shè)計思路 對 光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng) 的設(shè)計要求進行分析，其主要 傳感器 電路、 電機驅(qū)動 電路、 按鍵 電路、 單片機的復(fù)位電路 、光強檢測電路電路、單片機最小構(gòu)成電路組成。通常按照性價比最高來設(shè)計。 圖 系統(tǒng)設(shè)計思路圖 光源跟蹤設(shè)計方案 本設(shè)計是以單片機為控制核心，通過四個光敏傳感器來對光照進行檢測。當(dāng)水平方向上的兩傳感器的測量數(shù)值相對接近，同時豎直方向上的兩傳感器的測量數(shù)值也相對接近時，位于豎直傳感器中間的激光筆將精確的指向光源。我們知道光照越充足，電池板產(chǎn)生的能量就越大而太陽每天都是東升西落沒有固定的點，太陽能組件被固定在一個方向的話，就不能更有效的利用太陽能。 根據(jù)圖 的系統(tǒng)框圖，可以設(shè)計一個太 陽跟隨系統(tǒng)的模擬，電路中四個光敏器件 A,A39。構(gòu)成兩組，用于檢測光線，經(jīng)過 NE555 構(gòu)成的單穩(wěn)對信號整形后分別送到單片機的 和 。 圖 系統(tǒng)框圖 當(dāng)檢測到太陽能電池板上的光線不足時，單片機將通過 L298 驅(qū)動 X 軸和 Y軸電動機 MX 和 MY 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，形成支架的組合運動直到兩個軸的光敏傳感器都獲得最大的太陽光為止。 根據(jù)光電池的本身特性我們知道其微電池的短路電流與光照強度呈線性關(guān)系，當(dāng)光照強度連續(xù)變化時，為了光電池在接近短路的狀態(tài)工作，我們應(yīng)當(dāng)盡量減少負載電阻。其優(yōu)點是調(diào)節(jié)較為精確，電路也比較簡單。當(dāng)太陽轉(zhuǎn)到兩個微型光電池中間時，此時由于這兩路光電池輸出相等，也能判斷太陽的方位而進行跟蹤。假設(shè)我們需要的跟蹤范圍是 150 度，那么其可識別的精度則為 150/（ 2N1）度，因此我們可以通過選擇 N 的值來方便調(diào)整需要的精度。 為了提高綜合 跟蹤的利用效率，我們采用了分級跟蹤。當(dāng)光強度達到下限值時，停止跟蹤。這樣便減小了系統(tǒng)在陰雨和多云天氣下還進行跟蹤的運行功耗。片內(nèi)的 Flash 存貯器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存貯器編程器來編程。其 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。由于 AT89C51 單片機有較強的功能和靈活性，價格方面又很合理，它被應(yīng)用于 各種控制領(lǐng)域。不僅有五種低功耗模式還有靈活的時鐘使用模式?？焖凫`活的變成方式：可通過 JTAG 和 BSL 兩種方式向 CPU 內(nèi)裝在程序。 電動機的選擇 本系統(tǒng)選擇電機 主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向光源。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。使得在速度、位置等控制 領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。其優(yōu)點如下： （ 1） 是過載性好。 （ 2）是控制方便。容易實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和啟、停控制，啟、停時間短。步進電機實際步距角與理論步距角總有一定的誤差，且誤差可以累加， 但是當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)過一周后，總的誤差被清零了。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進電機后，使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。 此電機在正常通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，控制簡單方便。因而選用方案一。步距角就是步進電機輸 入一個脈沖所轉(zhuǎn)過的角度。 /（ m k） 式中， m為定子繞組的相數(shù)； z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； k為通電方式系數(shù)，整部方式k=1，半步方式 k=論設(shè)計的步距角之差，以分（ ′）表示。引起誤差的原因主要是定子和轉(zhuǎn)子沖片的精度，齒槽分布不均勻或氣隙不均勻等。注意，步進電機的步距角累計誤差在 360176。 2) 靜態(tài)距角特性 在空載狀態(tài)下，給步進電機通電，則轉(zhuǎn)子齒的中心線和 定子齒的中心線重合，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)子處在靜止?fàn)顟B(tài)。失調(diào)角 θ和靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩 Tj之間滿足 : Tj=Tjmaxsinθ 式中 Tjmax──最大靜轉(zhuǎn)矩， N 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 6 圖 步進電機的單相距角特性 圖 。上失調(diào)角 θ在 π～π之間，如果去掉外載，則轉(zhuǎn)子仍然能夠回到初始穩(wěn)定平衡位置。在圖所示的距角特性曲線族中，曲線 A和曲線 AB的交點所對應(yīng)的力矩稱之為步進運行狀態(tài)的最大起動轉(zhuǎn)矩。分析可知，最大負載力矩不能超過 Tq，否則電機不能啟動。通過計算，可以得到下表 21。隨著輸入脈沖的增加，步進電機的轉(zhuǎn)矩減小。它反映了電動機跟蹤的快速性。目前，步進電機的啟動頻率為 1000～ 3000Hz。慣性越大，則啟動頻率越小。一常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 7 般情況下，連續(xù)運行頻率遠遠大于啟動頻率。同樣，采用降速策略從運行頻率降到啟動頻率以下，在停止控制脈沖。四個象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號。由于各象限的光功率 與各象限的光斑面積成正比，每個象限被光斑覆蓋的面積不同，因此各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同。單片機通過驅(qū)動設(shè)備可控制俯仰角電機和方位角電機轉(zhuǎn)動，直到 Vx=Vy=0，即 x=0， y=0，則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對準(zhǔn)太陽，根據(jù)以上原理即可對太陽能板位置誤差進行校正。從光照特性來看，隨著光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降，可以反映光照的變化，但該特性大多數(shù)情況為非線性，部分光照區(qū)間內(nèi)，特 性變化不靈敏。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，根據(jù)硅光電池光照強度曲線特性可知：硅光電池的開路電壓或短路電流與光強呈很好的線性關(guān)系。光敏二極管具有單向?qū)щ娦?，無光照時，有很小的暗電流，當(dāng)受到光照時，光電流隨射光強度的變化而變化。光敏三極管靈敏度遠高于光電池 ,但受外界環(huán)境影響飄動比較嚴重 ,用兩個光敏三極管采集點光源兩側(cè)的光強差 ,可以有效消除外界環(huán)境光的干擾 .光敏三極管接收面不僅小而且是一個有聚光功能的透鏡 ,更容易確定點光源的位置。光敏三極管常用來檢測可見光或紅外光，有光照射或光強變化時，集電極產(chǎn)生的光伏感生電流直接流入基極，并被器件本身所放大，因此光敏三極管有較高的靈敏度。當(dāng)距離比較大時，兩者的靈敏度大大降低。本系統(tǒng)設(shè)計時采用了光敏三極管 3DU5作為光強檢測傳感器?？梢燥@示 8 4行 16 16點陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗又是其中的一個顯著特點。 方案二：七段數(shù)碼管顯示，顯示的范圍比較小，一般只能顯示數(shù)值和字母。 綜上所述：方案一相對比較有優(yōu)勢，所以選 LCD液晶顯示。達到跟蹤點光源的目的。具體方框圖如圖 。AT89C51單片機電路設(shè)計和制作簡單，功耗低。這 2臺步進電機同時驅(qū)動同一個對象，使對象在一個平面上以任意曲線運動。在功能上，該系列單片機有基本型和增強型兩大類。 AT89C5l是一種低功耗、高性能的 8位單片機，片內(nèi)帶有 4KB的 Flash可編程可擦除只讀存貯器，它采用 CMOS工 藝和高密度非易失性存貯器技術(shù)，而且引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS51兼容。 AT89C5l是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。 存儲器系統(tǒng)： 4KB的程序存儲器（ ROM/EPROM/Flash，可外擴至 64KB）；128KB的數(shù)據(jù)存儲器（ RAM,可在外擴 64KB）；特殊功能寄存器 SFR。 外接晶體引腳 XTAL1和 XTAL2： (1)XTAL1:接外部晶體的一個引腳。當(dāng)采用外部振蕩信號源時，該引腳接收外部振蕩源的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。在單片機內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。 89C51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生 ：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部始終方式。在 89C51單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的 XTAL1和 XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。晶振 CYS的振蕩頻率范圍在 ～12MHZ間選擇，典型值為 12MHZ和 6MHZ。如下圖： 圖 晶振電路 單片機的復(fù)位電路 RST：復(fù)