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1、-123 基于单片机的太阳能跟踪控制毕业设计论文_学士学位论文-第 31 页4 摘要能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率，太阳能电池板接受太阳光的直射，由此得到太阳最大光照强度，从而最大限度的采集太阳能。针对提高太阳能的利用率问题的研究，设计一种基于单片机的光电比较式太阳能自动跟踪控制器。以AT89S52单片机作为核心控制元件，通过将两个光电传感器采集到的信号经过比较电路和A/D，将比较结果输出至单片机，由单
2、片机分析处理数据并输出至ULN2003A从而控制五线四相步进电机来实现对太阳位置的跟踪。该系统具有低成本的优点，且具有较好的抗干扰能力，提高了对太阳光能的利用率。在设计中首先完成对该方案的仿真验证，而后主要通过编辑器，利用C语言编制程序，并完成程序设计，通过下载器将程序烧写到单片机中。最后通过搭建硬件实验来实现预先设计跟踪目标。关键词：光电传感器；单片机；C语言；跟踪；步进电机ABSTRACTEnergy shortage is an important issue facing many countries, solar energy as a clean and non-polluting
3、 energy, has great development prospects. Ours is a country rich in solar energy resources are more full use of solar energy resources, energy strategy has far-reaching significance. Use of solar energy is the key to increase solar collection efficiency of solar energy panels, solar panels receiving
4、 direct sunlight, thereby obtaining the maximum solar illumination intensity, so as to maximize solar collection. For the problem of improving the utilization of solar energy research, design a microcontroller-based photovoltaic solar automatic tracking controller comparison. The AT89S52 microcontro
5、ller as the core control elements, by two photoelectric sensor to the signal through the comparison circuit and A / D, will compare the results to the MCU, the MCU analytical processing data and output to the ULN2003A to control the five-line four-phase stepper motor to achieve the position of the s
6、un tracking. The system has the advantages of low cost, and has good anti-jamming capability, improved the utilization of solar energy. Finished first in the design simulation of the program, and then mainly through the editor, using C language programming, and complete the program design, by downlo
7、ading device will be programmed into the microcontroller. Finally, to achieve the pre-built hardware experiments designed to track the target. Keywords: photoelectric sensor; MCU; C language; tracking; stepper motor目录1绪论31.1 太阳能跟踪的背景及意义31.2 太阳能跟踪控制器研究现状及发展趋势31.3 太阳能跟踪控制器概念及原理31.4 太阳能跟踪控制器的研究内容与过程32
8、太阳能跟踪控制器设计方案32.1 功能描述32.2 方案论证32.2.1 主控系统选择32.2.2 电机选择32.2.3 步进电机励磁方案选择32.2.4 步进电机驱动系统选择32.2.5 A/D转换方案选择32.2.6 跟踪器方案设计32.2.6 单片机控制系统方案33 太阳能跟踪控制器硬件电路设计33.1 系统组成原理33.2 单片机供电电源33.3 单片机最小系统33.4 跟踪器设计33.5 A/D采集电路设计33.6步进电机驱动设计34 太阳能跟踪控制器软件设计34.1 程序流程图34.2 太阳能跟踪控制器程序设计34.2.1 主函数34.2.2 定时器1中断初始化函数34.2.3 延
9、时函数34.2.4 按键扫描函数34.2.5 定时器1中断子程序控制步进电机正反转34.2.6 TLC1543采集函数35 太阳能跟踪控制器调试36 结论与展望38 致 谢3参考文献3附录A 英文原文3附录B 中文翻译3太阳能跟踪系统3附录C proteus仿真图3附录D 程序31 绪论1.1 太阳能跟踪的背景及意义能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率，太阳能电池板接受太阳光的直射，由此得到太阳最大光照强度，
10、从而最大限度的采集太阳能。目前太阳能电池板普遍采用半自动单轴跟踪方式和电池板固定朝南安装的方式。这些方法存在的缺点是：转换效率较低、跟踪适应能力弱、跟踪精度低。因此太阳能电池板如能配合基于单片机的太阳能跟踪控制器的设计，该系统能够跟踪太阳的实时位置，精度高，适应性强，有望在光伏发电中使用。1.2 太阳能跟踪控制器研究现状及发展趋势目前国内外跟踪太阳能的方法有很多，但不外乎采用这两种方式：光电跟踪和根据日运动轨迹跟踪：前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1光电跟踪目前，国内常用的光电跟踪有重力式，电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。在这些装置中，光电管的安装靠近遮
11、光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳，硅电池处于阴影区，当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳关直射输出一定值的微电流。作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服电机调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高，但结构设计较为方便。但受天气的影响较大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至引起执行结构的误动作。2. 视日运动轨迹跟踪根据跟踪系数的轴数，视日运动轨迹系统可分为单轴和双轴两种。视日运动跟踪原理：计算机现根据天文学中太阳运行规律的公式计算出一天内某时刻太阳高度角和方位角的理论值，然后运行控制程序调整定日镜装置的高
12、度和方位角，完成对太阳能的实时跟踪。此类跟踪控制的优点是控制简单，不受天气影响，可靠性强。缺点是在计算太阳角度的过程中会产生累积误差，而且其自身无法消除，需要定期校正。(1)单轴跟踪单轴跟踪一般采用：1倾斜布置东西跟踪；2焦线南北水平布置，东西跟踪；3焦线东西水平态置，南北跟踪。这三种都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理相似。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与光采集面垂直，此时热量最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。(2)双轴跟踪如果能能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以
13、获得最大的太阳能，全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求设计的。极轴式全跟踪是一种双轴跟踪方式。极轴式全跟踪原理如图1.1所示，聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向方向相反用以跟踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤纬轴作仰俯运动是为了适应赤纬角的变化。通常根据季节的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。图1.1 极轴式跟踪1.3 太阳能跟踪控制器概念及原理本设计以AT89S52单片机作为核心控制元件，通过将两个光电传感器采集
14、到的信号经过比较电路和A/D，将比较结果输出至单片机，由单片机分析处理数据并输出至ALN2003A从而控制五线四相步进电机来实现对太阳位置的跟踪。该系统具有低成本的优点，且具有较好的抗干扰能力，提高了对太阳光能的利用率。1.4 太阳能跟踪控制器的研究内容与过程第一步：分析太阳跟踪装置的结构特点和运动分析及可能的工作状态，提出合理的控制策略。第二步：根据所需要完成的任务选取控制芯片，并分析系统的软硬件需求。第三步：根据所提出的控制策略设计控制系统，选择合适的控制执行部件及电机。第四步：根据软硬件需求和芯片资源进行软硬件设计，选择适当的传感器，编制控制程序，实现精确跟踪。2 太阳能跟踪控制器设计方
15、案2.1 功能描述本设计以AT89S52单片机作为核心控制元件，跟踪器由两个光敏电阻组成的电路板搭成45度结构，并由步进电机控制底座转动。通过将两个光敏电阻采集到的信号经过比较电路和A/D，将比较结果输出至单片机，由单片机分析处理数据并输出至ALN2003A从而控制五线四相步进电机来实现对太阳位置的跟踪。该系统具有低成本的优点，且具有较好的抗干扰能力，提高了对太阳光能的利用率。2.2 方案论证2.2.1 主控系统选择 方案一：采用高性能嵌入式系统，比如ARM。如果采用此方案，可以很好的解决数据处理和控制功能，但是ARM价格昂贵且本科阶段很少接触，在短时间内完成困难比较大。 方案二：采用大规模可
16、编程逻辑器件，如FPGA，CPLD但本题属于控制类，FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interc
17、onnect）三个部分。方案三：采用单片机来实现。考虑到方案的可实行性和性价比，我们采用STC89C52 51单片机作为控制芯片，十分适用于太阳能跟踪。表现在：主要控制参数通过设置寄存器变量来实现，修改方便；成本低廉，性能与相对简单的太阳能跟踪装置系统匹配；数字化的控制系统，可以达到较高的精度，并有可能通过串行通信实现远程监控和模块化处理；可处理多个中断，系统运行后可能出现以前没有考虑到的特殊情况，相应的扩充政策十分简单。结合本次设计的任务要求，以及上诉两种方案的参照对比，我决定采用方案2。具体采用STC89C52控制芯片，下面介绍一下STC89C52。其管脚图如图2.1所示：图2.1 TC8
18、9C52 引脚图STC89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器俗称单片机。STC89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,STC89C52是一种高效微控制器。STC89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
19、 STC89C52主要功能模块： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 STC89C52管角说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口
20、作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或
21、16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，如下所示： 管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口） P3.2
22、 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
23、然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间
24、内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2.2 电机选择方案一：选择普通直流电机，通过减速齿轮增大扭力，提高带负载能力。直流电机的优点是价格便宜，控制容易，但难以精确控制是其一大弱点。方案二：选择步进电机。步进电机的特点是可以精确控制电机选择步数和角度，缺点就是力矩比较小，容易失步，而且价格比较昂贵。步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁机械装置。它具有快速启，停能力在电机的负荷不超过它提供的动态转矩时，可以通过输入脉冲来控制它在一瞬间的起动
25、和停止。步进电机的步距角和转速只和脉冲频率有关，和温度，气压，振动无关，也不受电网电压的波动和负载变化的影响。因此，步进电机多应用在需要精确定位的场合。本设计中执行需要进行角度控制，不需要连续旋转，综上所述选择方案2。下面介绍一下步进电机的基本内容。步进电机分类步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR），和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度，或15度。 反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰。混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相，两相步进角一般为1.8
26、度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机技术指标步进电机是一个典型开环控制系统，其原理可由Error! Reference source not found.表示：转角脉冲分配器功率分配器输出轴功率分配器输入脉冲方向脉冲图2.2 步进电机控制系统框图步进电机的静态指标：相数：电机内部的线圈组数。目前常用的有二相，三相，四相，五相步进电机。电机相数不同，其步进角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8度，三相为0.75/1.5度，五相为0.36/0.72度。在使用细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得
27、没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。步距角：表示控制系统每发出一个步进脉冲控制信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可称为“电机固有步距角“，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。拍数：完成一个磁场周期性变化所需要的脉冲数或导电状态，或指电机转过一个步距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB;四相八拍运行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步进电机的动态指标：步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值和理论值的误差，用百分比表示：误差/步距角 100%。不同运
28、行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。失步：电机运行时的步数不等于理论上的步数，称为失步。失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度。电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载起动频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电压下，在不加载负载的情况下能够直接起动的最大频率。2.2.3 步进电机励磁方案选择步进电机的励磁方式分为全步励磁和半步励磁两种。其中全步励磁方式又有一相励磁和二相励磁之分；半步励磁又称一二相励磁。假设每旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电机前进1,8度。方案一：在每一瞬间，步进电机只有一个线
29、圈导通，每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8度，这是三种励磁方式中最简单的一种。其特点是：精确度好 ，消耗电力少，但输出转矩小，振动较小。如果以该方式控制步进电机正转。若励磁信号反向传送，则该步进电机反转。方案二：在每一瞬间，步进电机有两个线圈同时导通，每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8度。其特点是：输出转矩大，振动小，因而成为目前使用最多的励磁方式。如果以该励磁方式控制步进电机正转。若励磁信号反向传递，则步进电机反转。方案三：一二相励磁:为一相励磁与二相励磁交替导通的方式。每送一个励磁信号，步进电机旋转0.9度。其特点是：分辨率高，运行平滑，故应用范围也很广泛。如果以该方式控制步进电机正转
30、。若励磁顺序方向传递，则步进电机反转。结合本次设计的任务要求属于缓慢精确跟踪，要求跟踪过程平稳，运行平滑，我决定采用方案3。步进电机AIRPAX简介本次设计采用APIRPAX步进电机。工作电压：5V。绕组内阻：20.4欧姆。步进角：15度。永磁4相。其接线图如图2.3所示：图2.3 步进电机接线图 该步进电机励磁方案选择一二相励磁方式，以实现平稳跟踪的目的。其励磁顺序表如表2.1所示：表2.1 一二相励磁顺表STEPABCD1100021100301004011050010600117000181001 2.2.4 步进电机驱动系统选择 方案一：通过晶体三极管等分立元件搭H桥。优点是价格便宜，
31、结构简单，控制简单。但由于晶体三极管的承载电流比较小，驱动能力受到限制，因为是分立元件，稳定性不敢保证，且体积比较大。方案二：步进电机的驱动可以选用专用的电机驱动模块，如L298,FT5754等，这类驱动模块接口简单，操作方便，他们既可以驱动步进电机，也可驱动直流电机。方案三：采用集成芯片，ULN2003A。达林顿管ULN2003A,该芯片最多可一次驱动八块步进电机，当然如果只有四线或者六线的也是没有问题的。本次设计中我就是采用这种方法。下面介绍一下ULN2003A的基本内容。 ULN2003A简介步进电机模块中使用的驱动芯片为 ULN2003A，它是由七对6达林顿管组成的，是集电极开路输出的
32、功率反相器，并且每个输出端都有一个连接到共同端（COM）的二极管，为断电后的电机绕组提供一个放电回路，起放电保护作用。内部逻辑如图2.4所示。因此，ULN2003A 非常适合驱动小功率的步进电机。图2.4 ULN2003A内部逻辑图2.2.5 A/D转换方案选择方案一：并行输出A/D转换器，如ADC0809。此类A/D接线复杂，占用单片机I/O口资源较大。方案二：串行输出A/D转换器，如TLC1543。此类A/D只需34位数据线和控制线即可控制，而并行口A/D需8根数据线，816位地址线，23位控制线，因而这类A/D的使用可以简化电路设计，省掉了很多常规电路中的接口器件，提高了设计的可靠性。结
33、合本次设计的任务要求，以及上诉两种方案的参照对比，我决定采用方案2。下面介绍一下TLC1543的基本内容。 TLC1543简介5TLC1543美国TI司生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统 。 TLC1543为20脚DIP装的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图1 所示。其中A0A10（19 、11、12脚）为11 个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控
34、制和使能ADDRESS、I/O CLOCK （18脚）和DATA OUT（16脚）。ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个1的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATA OUT 为A/D换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/O CLOCK数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（10S转换时间），高精度（10分辨率，最
35、大1LSB不可调整误差）和低噪声的特点。TLC1543管脚图如图2.5所示：TLC1543工作时序： TLC1543工作时序如图2.6所示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或禁止，工作时CS必须置低电平。CS为高电平时，I/O CLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATA OUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脱离高阻状态。随后，CPU向图2.5 TLC1543管脚图ADDRESS提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1 路送到采
36、样保持电路。同时，I/O CLOCK输入时钟时序，CPU从DATA OUT 端接收前一次A/D转换结果。I/O CLOCK从CPU 接收10时钟长度的时钟序列。前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道图2.6 TLC1543时序图后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4个I/O CLOCK下降沿，而采样一直持续6个I/O CLOCK周期，并一直保持到第10个I/O CLOCK下降沿。转换过程中，CS的下降沿使DATA OUT引脚脱离高阻状态并起动一次I/O CLOCK工作过程。CS上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATA OUT引
37、脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。TLC1543通道地址如表2.2示：表2.2 TLC1543通道地址模拟输入通道选择输入寄存器地址（2进制）A00000A10001A20010A30011A40100A50101A60110A70111A81000A91001A101010内部测试电压选择输入地址输出结果（2进制）（Vref+Vref+）/21011200Vref1100000Vref+11013ff注：Vref+为加到TLC1543REF+端的电压，Vref是加到REF端的电压2.2.6 跟踪器方案设计本次设计采用两个光敏电阻搭成45度的跟踪
38、结构，光敏电阻将光强大小转换为电阻大小，再通过惠斯通电桥将电阻的变化转化为电压的变化，通过比例运放电路转化成适合的A/D模拟输入量。下面详细介绍一下这一过程所用的器件。 光敏电阻简介少介绍一点光敏电阻的工作原理就行，主要分析一下需求，精度要求，常用的光敏电阻性能比较，所以我选用什么型号的光敏电阻。技术指标少介绍或不介绍。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电
39、阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般 光敏电阻器结构如下图所示。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。基于本次设计的要求，我选用CDS光敏电阻GL3537，其暗阻是10K。 惠斯通电桥简介可以有电桥电路图电桥法测量是一种很重要的测量技术。由于电桥法线路原理简明，仪器结构简单，操作方便，测量的灵敏度和精确度较高等优点，使它广泛应用于电磁测量，也广泛应用于非电量测量。【4】电桥可以测量电阻、电容、电感、频率、压力、温度等许多物理量。同时，在现代自动控制及仪器仪表中，常利用
40、电桥的这些特点进行设计、调试和控制。 电桥分为直流电桥和交流电桥两大类。直流电桥又分为单臂电桥和双臂电桥，单臂电桥又称为惠斯通电桥，主要用于精确测量中值电阻。双臂电桥又称为开尔文电桥，主要用于精确测量低值电阻。本次设计主要是应用惠斯通电桥将电阻变化转化成电压变化。如图2.7所示：图2.7 惠斯通电桥由于所选光敏电阻的暗阻是10K,当R1=R3,R2=R4时电桥的输出电压灵敏度最高，称为等臂电桥，这时电桥输出是VOUT=R1/R1*U，所以R1，R3，R4也选用10k电阻。运放LM358简介通过光敏电阻采集到的信号需要通过运算放大电路转化成适合单片机处理的信号，因此用到集成运算放大器。本次设计选
41、择LM358运算放大器。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组、音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。特性： 内部频率补偿。直流电压增益高(约100dB) 。单位增益频带宽(约1MHz) 。电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5一15V) 。低功耗电流，适合于电池供电。 低输入偏流。低输入失调电压和失调电流。共模输入
42、电压范围宽，包括接地。差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 。 参数：输入偏置电流45nA。输入失调电流50nA。输入失调电压2.9mV。输入共模电压最大值VCC1.5 V。共模抑制比80dB。电源抑制比100dB。LM358管脚图2.8所示：图2.8 LM358管脚图2.2.6 单片机控制系统方案单片机在控制过程应用的特点是以控制理论为基础的系统自动化控制，所以一般有较明确的系统组成结构，有严谨的数学算法和较复杂的响应过程，这主要是因为在过程控制中对速度，时间，精度有严格的要求，特别是对过渡过程要求是十分严格的。单片机在过程控制中，通常是对一个过程的直
43、接数字控制，也即是DDC控制，很少涉及管理，其原因在于单片机的内存容量，速度，字长都不适应于管理目的。现代计算机控制系统中最基本的控制是DDC控制，然后才是监视控制，管理等层次。各种层次往往采用不同结构的计算机。在DDC控制中适宜采用单片机。 单片机在DDC控制中有着显著的特点。它体积小，可以做成体积极小的控制器用于一些体积不大的设备和空间有效的生产过程，控制过程，在现代化的汽车中就有不少单片机的控制器，包括点火控制，节油控制等。单片机还有温度范围宽，抗干扰能力强的特点，故在强电场，强磁场的工业环境中有良好的工作性能，在温度变化范围大的恶劣条件下仍能正常工作；在钢铁工业的冶炼，轧钢过程中普遍应
44、用单片机进行过程控制。航天航空，军事装置，航海，交通设备中，单片机的应用也越来越广泛。本设计跟踪控制装置属于典型的闭环控制系统，需要控制的对象是两片感光电路板。被控量是跟踪器的转角位置，执行元件是步进电机，反馈元件是光电传感器，而步进电机的转动状态及传感器的反馈信号都是在单片机控制系统的控制下完成的。具体框图如图2.9所示：单片机步进电机光敏电阻输入量控制量输出量偏差图2.9 单片机控制系统框图3 太阳能跟踪控制器硬件电路设计3.1 系统组成原理本系统由STC89C52单片机，ULN2003A,光敏电阻，TLC1543,LM358等组成。如图3.1所示：跟踪器步进电机驱动器单片机传感器信号处理
45、A/D转换器图3.1 硬件框图3.2 单片机供电电源通过7805稳压芯片和电容的滤波作用组成5V稳压电路主要给单片机供电，电路原理图如图3.2所所示：图3.2 5V稳压电路原理图3.3 单片机最小系统最小系统原理图如图3.3所示图3.3 单片机最小系统原理图3.4 跟踪器设计跟踪器设计设计原理图如图3.4所示：图3.4 跟踪器原理图3.5 A/D采集电路设计TLC1543三个控制输入端CS,I/O,CLOCK,ADDRESS和一个数据输入端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口。但本次设计中采用51系列单片机中未置SPI接口，需要通过软件模拟SPI协议以便和TLC
46、2543接口。本次设计中P1.0与CLOCK相连，P1.1与ADDR相连，P1.3CS与相连，P1.4与DATAOUT相连。本次设计只使用两个通道 ，即A1和A2，因此通道地址为0000B和0001B。REF+接5V电源，REF-接地。如图3.5所示：图3.5 A/D采集电路原理图3.6步进电机驱动设计单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。 单片机的P2.0-P2.3输出的脉冲信号送到ULN2003A的 IN1-IN4 输入端，经ULN2003A 放大和倒相后的输出脉冲信号驱动步进电机作相应的作。ULN2003A的 COM 端和步进电机的 COM1、COM2 连接到 VCC。ULN2003A驱动步进电机模块原理图如图3.6所示： 调整单片机输出的步进脉冲频率的方法： A、软件延时方法 改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法使 CPU 长时间等待