光源跟踪控制系统的设计李建芬

1、南通纺织职业技术学院 光源跟踪控制系统的设计南通纺织职业技术学院毕业设计（论文）光源跟踪控制系统的设计作者：李建芬 班 级： 09电子信息 专 业： 电子信息工程技术 教 学 系： 机 电 系 指导老师： 张 新 亮 完成时间2011年2月10日至2011年5月10日40摘 要与其他能源相比, 太阳能具有独特的优点, 向太阳这个取之不尽的能源宝库索取能量,实现人类历史上的能源变革,已成为今后能源开发的主要趋向。用现代化方法大规模地开发利用太阳能,已成为摆在人们面前的一项重要任务。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题, 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能

2、电池板阵列没有充分利用太阳能资源, 发电效率低下。据实验, 在太阳能光发电中, 相同条件下采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右，因此在太阳能利用中进行跟踪是十分必要的。光源跟踪技术是一项实用的技术,在很多领域均有应用,尤其是在太阳能设备上,能够使其工作效率更高,能量吸收率更高。本设计给出了一种基于单片机的光源自动跟踪系统设计方案, 该设计使用TI公司的超低功耗的AT89C51单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动，光源检测等组成。利用4路光敏传感器来检测光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制器AT89C51单片机，经过单片机的运算和处理来确定光源的运动趋势，并将

3、运算的控制信号传给两台步进电机，使其跟随光源运动。当水平方向上的2路光敏传感器管测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏传感器测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向光源。同时将光敏传感器检测的信号显示在LCD液晶屏幕上。关键词：AT89C51单片机，光源，自动跟踪，检测，传感器目 录摘 要I目 录II1 绪 论11.1概述11.2太阳能的应用11.3光源跟踪系统发展现状21.4本文主要内容32系统设计32.1系统设计要求32.1.1跟踪光源设计32.1.2太阳光角度的计算42.1.3太阳光强度检测系统82.2方案比较92.2.1主控芯片的选择92.2.2电动机的选择92

4、.2.3电动机驱动电路的选择122.2.4传感器的选择122.2.5显示器的选择132.2.6太阳能电池板143硬件设计153.1硬件方框图和电路设计153.2主控系统163.3步进电机驱动电路设计183.4按键设计213.5液晶显示器设计223.6信号采集处理234软件设计254.1主流程图254.2子程序流程图265系统调试和结果分析305.1仿真305.2 调试与分析31总 结33致 谢33参考文献34附录135附录2361 绪 论1.1概述该设计采用Intel公司的超低功耗的AT89C51 单片机作为整个系统的核心，主要由电机驱动，光源检测，采集信号等组成。利用4路光敏传感器来检测光源

5、的位置并将检测到的信号经过放大传给控制AT89C51单片机，经过单片机的运算和处理来确定光源的运动趋势，并将运算的控制信号传给两台步进电机，使其跟随光源运动。当水平方向上的2路光敏传感器测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏传感器测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向光源。同时将光敏传感器检测的信号显示在LCD液晶屏幕上。本系统可以扩展为以后的太阳的跟踪。太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，

6、发电效率低下。据实验，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的。本文给出一种基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案，该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向, 结构简单、成本低, 而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐

7、标位置, 不必人工干预, 特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况, 有效地提高了太阳能的利用率, 可以推广具有很实用的价值。1.2太阳能的应用据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史了。周代，咱们的祖先就能利用凹面镜的聚光焦点向日取火，太阳能在医学方面也有应用，在黄帝内经和本草纲目中记载着我们祖先在公元前35世纪就掌握了日光疗法。在近代，太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯发明第一台太阳能驱动的发电机算起。之后又出现太阳能动力装置。渐渐的出现了实用型硅太阳电池、太阳能热水器等。这些都为我们的合理的利用太阳能这宝贵资源打下了结实的基础。太阳能的利用

8、途径：1. 直接利用太阳光照射，直接获取太阳光的热量，使水分蒸发。2. 光合作用。3. 通过光热转换，把太阳光转换成热能嫁衣利用。4. 进行光电转换，把太阳光转换成电能加以利用。如今太阳能应用在各种不同领域，在我们的生活中太阳能的运用几乎随处可见，如热水器、开水器、干燥器、路灯、采暖和制冷，温室与太阳房，太阳灶和高温炉，海水淡化装置、水泵、热力发电装置及太阳能医疗器具等。1.3光源跟踪系统发展现状太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、具有极大开发潜能的清洁能源。对人类缓解能源危机有现实意义。在太阳能电池、太阳能热水器等这些领域都要对光源进行跟踪。研究提高太阳能发电系统的太阳能利用率、降低发电系统建

9、造成本，并采用相关电力电子装置实施这些技术，是太阳能应用领域面临的主要难题。牵着可以通过采用太阳光源跟踪技术提高太阳能的接受效率和利用率；后者可以在组建实物系统之前，通过仿真来发现问题，避免由于设计不当所带来的较大浪费，进而一定程度上降低系统建造成本。国内外实现太阳能跟踪的方法很多，按照跟踪自由度的多少，太阳光源跟踪伺服系统可以分为两类：单轴和双轴。单轴跟踪是在一根轴上做简单的旋转，在一天的时间内，方位角从东向西运移，其实现方式简单，但跟踪误差较大；双轴跟踪可以从东西以及垂直方向旋转，结构相对比较复杂，但跟踪精度明显优于单轴跟踪，现已被普遍采用。下图1.1是双轴太阳能跟踪系统： 图1.1 双轴

10、太阳能跟踪系统而且，现在太阳能开发利用工作正处于前所未有的大发展时期，各国都加强了对太阳能研究工作的计划性，不少国家还制定了近期和远期的阳光计划。开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家也开始积极参与太阳能开发利用工作去。等到太阳能技术的突破，将会有大量消费者去购置。1.4本文主要内容太阳能跟踪系统的目的是在太阳有阳光的天气时，全天候使太阳能电池板垂直于太阳，这样大大提高了太阳能电池板的发电量。本文采用了独特设计的太阳光跟踪定位传感器、跟踪控制器及传动执行机构。当阳光照射到太阳能电池板上，电池板就会产生电能。阳光越充足，电池板产生的电能也就越大，但是

11、太阳东升西落，其位置在一天内并不是固定的，因此太阳能电池板需要尽可能地跟随太阳运动才能获得充足的阳光。本文以基于步进电机的双轴跟踪系统为基础，对其进行仿真分析，明确系统参数对跟踪性能的影响，为太阳光源跟踪系统的进一步优化设计提供了理论依据，具有很好的使用价值。其主要内容如下：1.系统设计要求，方案比较；2.硬件电路设计；3.软件设计以及流程图的绘制；4.系统调试和结果分析。2系统设计2.1系统设计要求2.1.1跟踪光源设计本设计是一个光源跟踪系统，主要由传感器来对光照检测与处理，控制器分析与处理，运行和显示这几个部分构成。整个系统是以单片机为控制核心，通过四个光敏传感器来检测光照，依据光照度的

12、变化、大小来判断出点光源的位置与运动趋势，并将光源运动分解为水平和竖直方向的二维运动，借以来控制水平电机与竖直电机的旋转角度。当水平方向上的两传感器的测量数值相对接近，同时竖直方向上的两传感器的测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向光源。太阳跟随系统常常用在太阳能发电站里。当阳光照射到太阳能电池板上，电池板就会产生电能。阳光越充足，电池板产生的电能也就越大，但是太阳东升西落，其位置在一天内并不是固定的，因此太阳能电池板需要尽可能地跟随太阳运动才能获得充足的阳光。 根据图2.1.1的系统框图，可以设计一个太阳跟随系统的模拟，电路中四个光敏器件A,A'和B,B'

13、;构成两组，用于检测光线，经过NE555构成的单稳对信号整形后分别送到单片机的P3.0和P3.1。如果光线变暗，则光敏器件阻值增大，达到翻转阈值后单稳输出端出现高电平，单片机的P3.0和P3.1接收到这个高电平就知道太阳能电池板光线不足。图2.1.1 系统框图当检测到太阳能电池板上的光线不足时，单片机将通过L298驱动X轴和Y轴电动机MX和MY正转和反转，形成支架的组合运动直到两个轴的光敏传感器都获得最大的太阳光为止。2.1.2太阳光角度的计算太阳光入射角产生的余弦效应和解决措施由于存在一个约23.5度的黄赤交角,并且随着地球的自转与公转，便产生了太阳每天时角和四季赤纬角的变化，如果用固定式光

14、伏组件收集太阳能，只有在每一年的某个瞬间，太阳的光线才真正垂直地照射在太阳能收集器上，此时光伏组件接收太阳能的效率才是最高，其它时间太阳的光线与光伏组件的法线都存在一个小于90°的太阳光入射夹角（在跟踪装置的设计中定义为跟踪角）。如下图2.1.2所示，设OCFG平面为光伏组件的表面，OZ为其法线，EO为太阳的入射光线，角为入射角，和角分别是光线入射角在东西立面OADG和南北立面OABC上的投影角,把和角分别定义为东西入射角和南北入射角，这里将角分解为和角，对简化双轴跟踪装置的设计具有一定的意义。图2.1.2 跟踪角 已知和角求得角为： 因所以 如图2.1.3，太阳光倾斜照射在M面上的

15、能量只相当于垂直照射在其投影面M上的能量，而Sm=Sm cos准，所以当光线倾斜照射时的能量只有垂直照射在相同面积的cos倍，造成收集太阳能的效率降低，这就是有关太阳能收集中的“余弦效应”。图2.1.3 余弦效应如果设计一装置使东西入射角和南北入射角接近于0，则光线入射角也接近于0，光伏组件接收太阳能效率就能得到提高，以下的双轴跟踪方式都能实现这一目的。跟踪装置的类型主要有单轴跟踪和双轴跟踪两大类别。其中双轴自动跟踪装置按机械结构可以概括分类为固定的方位轴旋转及仰角跟踪、随仰角转动的方位轴旋转及仰角跟踪、立式旋转及仰角跟踪、纬度方向自旋及仰角跟踪四种类型，按自动控制可以分为主动控制和被动控制，

16、其中被动控制方式的设计较多，设计是利用光电效应控制电机运转，他们是属于被动跟踪方式，这种控制方式易受多变天气的影响。一种新型双轴自动跟踪装置设计的控制部分是采用主动与被动相结合的方式，方位角为时间控制的主动跟踪方式，而仰角是采用光电控制的被动跟踪方式。这种跟踪方式不需要步进电机和复杂的电路，跟踪时也不受多变天气的影响。固定式太阳能光伏组件全年累计接收的能量由于太阳在东西向方位角和南北方向仰角时刻在发生变化，同时由于角度的变化而使太阳辐射所穿越地球大气层的厚度不一样，部分太阳能被大气层吸收、散射和反射掉，由此使得到达地面的太阳能也时刻发生着变化。所以如果要较准确地计算出地球上太阳能光伏组件接收的

17、能量的多少就很复杂，但可以近似计算出太阳能光伏发电系统因自动跟踪太阳而增效的百分比。由于式中的角和角的变化是独立的，因而计算时将它们依次作不跟踪的假设，利用积分逐步求出两个方向都不跟踪时全年能量的累积，和有自动跟踪的光伏组件全年收集的太阳能量比较，可求出自动跟踪增效的百分比。图2.1.4 方位角假设南北向（仰角）太阳能光伏组件已有自动跟踪装置，全年跟随太阳运动，即=0，而光伏组件东西向（方位角固定在正午的位置）没有自动跟踪，计算光伏组件每天接收的能量Qd。设太阳辐射能量为Mcal/m2.h,东西向由于太阳入射角的变化，在某天的某个很短的时间段t内，1m2太阳能光伏组件接收的太阳能量:Q=Mtc

18、os 如图2.1.4，设每天太阳能光伏组件接收的日照时间为10小时，时间t1在中午12：00时，入射角约为0度，根据地球的日运动规律，时间t和日运动角的关系式为：=12t- （7<t<17） 所以式中量： 则在一天的10小时内，固定式太阳能光伏组件接收太阳能累计为： 一天接收能量的累积为： 两个方向都不跟踪的情况下，太阳能光伏组件全年接收能量的累计由于极轴与黄道面不是垂直相交，而是呈66.5°角，这是造成每天太阳高低角不相同的原因。全年太阳赤纬角（日地中心的连线与赤道面之间的夹角）的变化在夏至和冬至时刻出现极值，分别为正负23.5°，这就造成太阳全年南北入射角的

19、变化约为47°，因而在南北方向太阳能的收集也存在余弦效应。图2.1.5 极限位置以下按赤纬角在365天内均匀变化时收集能量的近似计算，则每天南北入射角的变化为：2×47°365天=0.258°=0.00143设南北入射角为0°时的那个时刻为第0天，则当南北入射角为0.1306时，是第91天，也就是图2.1.5中的上极限位置，所以南北入射角和天数N的关系式是：=0.00143所以在某几天的时段N里收集的太阳能量为： Q=7.38MNcos0.00143VN一年中1m2固定的光伏组件收集的总能量为：2.1.3太阳光强度检测系统由于检测系统由传感器和

20、各个环节组成，为了保证检测过程中能够忠实地把所需信息从信号源通过其载体信号传输到输出端，整个过程中不失真且不受干扰。因此对传感器和检测系统的基本要求如下：1) 精度、灵敏度和分辨率高；2) 线性、稳定性和重复性好，工作可靠；3) 静动态特性好，测量范围大；4) 抗干扰能力强；5） 体积小，质量轻，操作简便，价格便宜。各方位检测由于微型光电池的短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用。其优点为调节较为精确，电路也比较简单。结构上，采用

21、N路微型光电池均匀分布在一个半圆弧上，当太阳正对某一个微型光电池时，此时它的输出最大，系统就能判断此时太阳的位置而进行跟踪。当太阳转到两个微型光电池中间时，此时由于这两路光电池输出相等，也能判断太阳的方位而进行跟踪。由于每2个微型光电池之间就有一个中间位置，所以共有N-1个这样的位置，这样N路微型光电池共能判别2N-1个太阳方位。假设我们需要的跟踪范围是150度，那么可识别的精度则为150/（2N-1）度，我们可以通过选择N的值来方便调整需要的精度。这样太阳任何时间出现在圆弧的任意位置上，只要在可检测的那2N-1个方位上，电池板便可以迅速跟踪。处理器检测到跟踪信号后驱动电机正反转，无需在每晚回

22、到初始位置等候太阳，避免每天开始阴天时系统多做无用的跟踪，而是随时根据那N路微型光电池检测太阳的方位，从而将系统运行功耗降到最低。考虑到跟踪系统在多云和阴雨天还进行跟踪会加大系统运行功耗，综合跟踪利用效率不高，故我们采用分级跟踪。当光照强度达到上限值时，实行密跟踪。当光强度达到下限值时，停止跟踪。而在中间状态时实行疏跟踪。这样不仅充分利用太阳光光照强度大是的获得更多的能源。在光照强度一般但还可以发电时，放慢跟踪幅度，这样可以有效降低系统运行功耗而对输出功率没太大影响。当光照强度达到下限值时，停止跟踪，这样就避免无效的跟踪从而降低系统运行功耗，二档光照强度满足要求是在迅速检测方位并跟踪。2.2方

23、案比较2.2.1主控芯片的选择根据本题的要求，整个系统中必须要有一个主控芯片来处理数据和控制操作，主要考虑以下两种方案：方案一：MSP430单片机。16低功耗单片机，性能良好。低电源电压范围：1.8-3.6V。超低功耗：拥有5种低功耗模式(LPM0-LPM4)。灵活的时钟使用模式。高速的运算能力：16位RISC架构，125ns指令周期。丰富的功能模块：这些功能模块包括 A 多通道1014位AD转换器；B 双路12位DA转换器；C 比较器；D 液晶驱动器；E 电源电压检测；F 串行口USART(UART/SPI）；G 硬件乘法器；H 看门狗定时器，多个16位、8位定时器（可进行捕获，比较，PWM

24、输出）；I DMA控制器。FLASH存储器：采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行；MSP430芯片上包括JTAG接口：仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；快速灵活的变成方式：可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。功能虽多，但是很多都用不到，其电压范围小；结构太过复杂，不太适合。方案二：AT89C51单片机是一种低功耗、高性能8位单片机。其指令是采用被称为“CISC”的复杂指令，共有111条指令。自身电压5V，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。AT89C5l是片内带有4KB的Flash可编程可擦

25、除只读存贮器，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存贮器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存贮器编程器来编程。AT89C5l是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。由于它是最早进入中国的单片机，人们对它最熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造开发了不少适合我们使用开发的工具。其价格低廉，使用方法简单。通过上面的比较本系统选取AT89C51系列，即选取方案二。2.2.2电动机的选择本文中电机的主要作用是调整激光笔的位置，指向光源，可选取的类型如下方案：方案一：步进电机。在非超载的情况下，电机

26、的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。每给一次脉冲信号，电机能够转过一个步距角。步进电机也叫脉冲电机，是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移数字/模拟装置。其优点有很多，因而广泛应用于机械、冶金、轻工、计算机外围设备、仪器仪表、军工产品等领域。具体来讲，其优点如下：1 输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步。步进电机的步距角不受各种干扰因素，如电压的大小、电流的数值、波形等的影响，转子的速度主要取决于脉冲信号的频率，总的位移量则取决于总脉冲数。2 容易实现正、反转和启、停控制，启、停时间短。3 输出转角的精度高，无积累误差。步进电机实际步距角与理论步

27、距角总有一定的误差，且误差可以累加，但是当步进电机转过一周后，总的误差又回到零了。4 直接用数字信号控制，与计算机接口方便。5 维修方便，寿命长。方案二：直流减速电机。此电机在正常通电状态下，转速平稳，角度的变化也近乎连续，控制简单方便。根据设计的要求可知，直流减速电机存在的明显缺陷速度不容易控制，而步进电机的控制和实现是相对简单一些。因而选用方案一。步进电机的性能指标1) 步距角精度（）在讨论步距角精度之前,先介绍步距角的概念。步距角就是步进电机输入一个脉冲所转过的角度。步距角为:=360°/（m·z·k）式中，m为定子绕组的相数；z为转子的齿数；k为通电方式系

28、数，整部方式k=1，半步方式k=2.步距角精度是指步进电机在空载时每步实际转过的角度与理论设计的步距角之差，以分（）表示。步进电机的静态步进误差一般在10之内。引起误差的原因主要是定子和转子冲片的精度，齿槽分布不均匀或气隙不均匀等。在实际使用中，常以累计误差表示步距角精度。注意，步进电机的步距角累计误差在360°后清零。2) 静态距角特性在空载状态下，给步进电机通电，则转子齿的中心线和定子齿的中心线重合，转子上没有转矩输出，转子处在静止状态。当电动机轴上外加一个负载转矩后，转子则要产生一个抗衡负载的电磁力矩，此时转子相对于定子按一定方向转动一个角度，该角度称之为失调角。失调角和静态电

29、磁转矩Tj之间满足: Tj=Tjmaxsin式中Tjmax 最大静转矩，N·m； 失调角，=2/m（m为一个通电顺序内的拍数）。图2.2.1 步进电机的单相距角特性图2.2.1为步进电机的单相距角特性。静态转矩越大，自锁力越大，静态误差越小。上失调角在-之间，如果去掉外载，则转子仍然能够回到初始稳定平衡位置。因此，称-<<的区域为步进电机的静态稳定区。在图所示的距角特性曲线族中，曲线A和曲线AB的交点所对应的力矩称之为步进运行状态的最大起动转矩。采用不同的运行方式和增加步进电机相数可以提高最大启动转矩。分析可知，最大负载力矩不能超过Tq，否则电机不能启动。不同相数的电机，

30、启动转矩不同。通过计算，可以得到下表2-2-1：表2-2-1 步进电机的启动转矩项目数据运行方式相数3456拍数3648510612Tq/Tjmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8663) 动态转矩和距频特性在不同频率下步进电机产生的转矩，称为动态转矩。随着输入脉冲的增加，步进电机的转矩减小。4) 启动频率和惯频特性步进电机从静止状态突然启动而不失步的频率，称为启动频率。它反映了电动机跟踪的快速性。若控制脉冲频率大于启动频率，则电机会出现失步，不能正常工作。目前，步进电机的启动频率为10003000Hz。电动机启动频率与转子和负载的惯性有关。惯性越大，则

31、启动频率越小。5) 最高运行频率运行频率是指电动机在额定状态下逐升速，达到不失步的连续工作频率。一般情况下，连续运行频率远远大于启动频率。因此，步进电机在以较低的启动频率启动后，应采用升速控制策略达到运行频率。同样，采用降速策略从运行频率降到启动频率以下，在停止控制脉冲。2.2.3电动机驱动电路的选择本系统中选的是步进电机，步进电机驱动有一下三种方案可选择：方案一：采用功率三极管作为功率放大器的控制步进电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，但是电路比较复杂。方案二：采用由达林顿晶体管阵列ULN2003。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。单驱动

32、能力比较弱。方案三：采用恒压桥式驱动芯片L298N。驱动能力强，电路简单，使用方便。故选择此方案。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片

33、驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。2.2.4传感器的选择当光轴对准太阳时，光斑的中心在光轴上。四个象限接收到相同的光功率，输出相同的电压信号。当光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角度时，光线经光学系统照射到四象限光电池上形成的光斑必然发生偏移即(xO，yO)。由于各象限的光功率与各象限的光斑面积成正比，每个象限被光斑覆盖的面积不同，因此各象限光电池产生的电压不尽相同。根据上述将Vx，Vy进行模数转换，然后送入单片机。单片机通过驱动设备可控制俯仰角电机和方位角电机转动，直到Vx=Vy=0，即x=0，y=0，则表明系统光轴已经对准太阳，根据以上原理即可

34、对太阳能板位置误差进行校正。本系统的传感器主要是检测光照度，可考虑的传感器如下列方案：方案一：光敏电阻。从光照特性来看，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降，可以反映光照的变化，但该特性大多数情况为非线性，部分光照区间内，特性变化不灵敏。方案二：硅光电池。硅光电池是一种直接把光能转换为电能的半导体器件，根据硅光电池光照强度曲线特性可知：硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。方案三：光敏二极管。光敏二极管具有单向导电性，无光照时，有很小的暗电流，当受到光照时，光电流随射光强度的变化而变化。方案四：光敏三极管。光敏三极管灵敏度远高于光电池,但受外界环境影响飘动比较严重,用两

35、个光敏三极管采集点光源两侧的光强差,可以有效消除外界环境光的干扰.光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜,更容易确定点光源的位置。用四个光敏三极管组成四象限感光面，上下左右各一个光敏三极管。光敏三极管常用来检测可见光或红外光，有光照射或光强变化时，集电极产生的光感生电流直接馈人基极，并被器件本身所放大，因此光敏三极管有较高的灵敏度。在测试光敏电阻与硅光电池时，发现光源的距离限制了两者的应用范围。当距离比较大时，两者的灵敏度大大降低。经实践测定，光敏二级管与光敏三极管满足要求，但在反映速度，及变化的灵敏、快速性方面，光敏三极管更胜一筹，因此传感器选择方案四。本系统设计时采用了光敏三极管

36、 3DU5 作为光强检测传感器。2.2.5显示器的选择本系统显示器主要显示的是传感器检测到的信号，可选用以下方案：方案一：FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形LCD液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗又是其中的一个显著特点。由该模块构成的液晶显示与同类型

37、的图形点阵液晶显示相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。方案二：七段数码管显示，显示的范围比较小，一般只能显示数值和字母。数码管多时连线也会随之复杂。综上所述：方案一相对比较有优势，所以选LCD液晶显示。2.2.6太阳能电池板太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。可靠稳定的功率输出以及长达25年的使用寿命

38、;组件有效防止热斑效应。组件的良好的外观。具有良好的耐候性和抗紫外线、冰雹、防水能力;结构合理便于安装;可靠的电气连接;组件具有的优良品质。成本低廉，转换效率高。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。1.电池充电的工作原理人们研制和开发了太阳能电池.制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础,其工作原理是利用光电材料吸收光能后生光电于转换反应,根据所用材料的不同,太阳能电池可分为硅太阳能电池;以无机盐如砷化镓-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;功能高分子材料制备的太阳能电池;纳米晶太阳能电池等。太阳能电池是将太阳能直接转换成电能的器件。它的基

39、本构造是由半导体的PN结组成。此外,异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。当晶片受光后,PN结中,N型半导体的空穴往P型区移动,而P型区中的电子往N型区移动,从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差,这就形成了电源。2.电池板的结构太阳能电池阵列的电路结构如图2.2.6.1所示，是由太阳能电池组件集合的太阳能电池组件串、防止逆流元件、旁路元件和接线箱等构成的。这里所谓的太阳能电池组件串，是指由太阳能电池组件串联连接构成的太阳能电池阵列满足所需输出电压的电路。在电路中个太阳能电池组件串通过防止逆流元件相互并联连接。DsDbDbLP（a）基本电路构成 （b）电路构成框图

40、图2.2.6.1 太阳能电池阵列Ds:防止逆流元件，Db：旁路元件，LP：避雷元件太阳电池组件的结构主要包括： 太阳能电池单元 前罩（透光玻璃） 一般采用能确保90%以上透光率且具有高抗冲击力的约3mm厚的经过物色透明热处理后的玻璃。 填充材料 后罩 框架 一般采用经过耐酸、耐腐蚀处理的铝材料表面上涂覆丙烯的框架材料。 密封材料3硬件设计3.1硬件方框图和电路设计本系统是有控制核心的单片机对传感器检测的光源的信号进行分析和处理然后控制电机，使其跟随点光源移动。达到跟踪点光源的目的。系统的硬件主要有控制器单片机，电机驱动模块，显示模块，键盘等模块组成的。具体方框图如图3.1.1所示。图3.1.1

41、 硬件方框图3.2主控系统本设计采用TI公司的AT89C51单片机分别作为发送部分和接受部分的控制核心，完成信号发送和接收、电流检测、控制电机、键盘输入及液晶显示等功能。AT89C51单片机电路设计和制作简单，功耗低。文中所述系统为地平坐标系的双轴自动跟踪控制系统，因此采用双坐标步进电机控制，双坐标步进电机控制就是在x轴方向控制1台步进电机，在y轴方向控制1台步进电机。这2台步进电机同时驱动同一个对象，使对象在一个平面上以任意曲线运动。 1）AT89C51系列单片机主要特点：是由ATMEL公司生产的一个单片机。在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类。在片内程序存储其的配置上，该系列的单片

42、机有三种形式：掩膜ROM、EPROM、ROMLess（无片内程序存储器）。AT89C5l是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有4KB的Flash可编程可擦除只读存贮器，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器技术，而且引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存贮器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存贮器编程器来编程。AT89C5l是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。2）基本结构89C51单片机主要有以下部分组成：1. CPU系统：8位CPU,含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。2. 存储器系统：4KB的程序存储器（ROM/EPROM/F

43、lash，可外扩至64KB）；128KB的数据存储器（RAM,可在外扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。3. I/O口和其他功能单元：4个并行I/O；2个16为定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源、2个优先级）。3）89C51的时钟产生方式外接晶体引脚XTAL1和XTAL2：(1)XTAL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。(2)XTAL2:接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡信号源源时，

44、此引脚应悬浮不连接。89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部始终方式。内部时钟方式如图所示。在89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在530pF，典型值为30pF。晶振CYS的振荡频率范围在1.212MHZ间选择，典型值为12MHZ和6MHZ。这也是最常用的晶振电路。如下图3.2.1所示：图3.2.1 晶振电路4）单片机的复位电路RST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将

45、使单片机复位。在对Flash存贮器编程期间，该引脚也用于施加编程语序电源。当在89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。在实际应用中，复位操作有两种形式：一种是上电复位，另一种是上电复位与按键均有效的复位。如下图3.2.2所示。 （a）上电复位 （b）上电复位与按键图3.2.2 复位电路上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图3.2.2（a）所示。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个

46、机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为12MHZ时，C1为10uF，R1为8.2；晶振为6MHZ时，C1为22uF,R1为1K。上电与按键均有的复位电路如图3.3.2（b）所示。上电复位原理与图（a）相同，另外在单片机运行期间，还可以利用按键完成复位操作。晶振为6MHZ,R2为200。5）单片机复位后的状态单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。初始化后，程序计数器PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行。单片机启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变内RAM的内容。3.3步进电机驱动电路设计两相混合式步进电机A、B两个绕组中的通电状

47、态每经过一个循环,步进电机的转子就转过一个齿距角，的大小与步进电机的结构有关，即：=360°Zr其中：Zr由电机结构决定的转子齿数。步进电动机每次换相转过的角度称为步距角。用s表示，其计算公式为：s=N=360°N·Zr其中：N控制方式的拍数。对于两相混合式步进电机当Zr =50时,在两相混合式步进电机四拍驱动模式下N =4,s =1.8°,此时称步进电机每转过1.8°为一整步,而在八拍驱动模式下N =8,s =0.9°此时称步进电机每转过0.9°为一个半步。四拍或八拍驱动方式是两相混合式步进电机通常采用的驱动方式,在这两种

48、驱动模式下,每当电机绕组换相时,电机绕组中的电流是不受控制的,在八拍驱动模式下绕组的电流从0变化到最大值,或从最大值变化到0,而在四拍驱动模式下绕组中的电流是在正向电流最大值与反向电流最大值之间交替变化,在步进电机每个驱动脉冲到来时由于绕组电流的剧烈变化就造成了电机驱动力矩的大幅波动,从而使电机在驱动过程中产生振动,并且电机每一步的运行过程是处于一种自由运行状态,无法控制电机的精确位置,从而使控制精度降低。步进电机在单单仅给予电压时，电机是不会动作的，必须由脉冲产生器提供位置(脉波数)、速度的脉冲信号指令，以及驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转。所以欲使步

49、进电机动作的必要系统组成有：（1）脉冲产生器：给予角度(位置移动量)、动作速度及运转方向之脉冲信号的电机驱动指令。（2）步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作。（3）步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器、位置传感器，即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制。步进电机的速度控步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。电机的运转速度(RPM)与脉冲速度(PPS，又称 Hz)间的关系式如下：电机的运转速度(RPM

50、) 脉冲速度(PPS或 Hz)×60÷步进电机分割数/圈说明：（1）RPM 为一般电机的速度单位，即每分钟电机所转的圈数；PPS 为步进、伺服电机的速度单位，即每秒所送出的脉冲数。（2）由于 RPM 与 PPS 的单位不同，所以于转换的过程中要先将 PPS 的秒钟乘以 60变为分钟 。（3）步进电机分割数/圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。（4）上述公式拆解后之单位表示为RPM=PPS×60×1/分割数步进电机的控制步进电机不需要位置传感器(SENSOR)，就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确的送达指定位置点上。而移动量的大小，是

51、依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数来决定。脉冲数(PULSE)与移动量间的关系式如下：位置移动量(°)步进电机分辨率(°)×输入脉冲数 (1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频

52、率，就可以对步进电机进行调速。该电路采用恒压桥式驱动芯片L298N。L298N芯片可以驱动一个四相电机输出电压可高达50V，可以直接通过电源来调节输出电压。桥式整流电路虽然用了四肢二极管，但却克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点。驱动芯片和电路本系统中步进电机的主要作用是调整激光笔的位置，指向点光源。我们选的是两相混合式步进电机，型号是56BYG250B-0241，步距角0.9/1.8度，相电流2.4A，保持转矩0.65N*m，转动惯量180g*cm²，重量0.48kg，外形尺寸（56*56*45）mm。本系统由 AT89C51单片机产生相应的脉冲信号，

53、通过 P2 口（P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，P2.5，P2.6）输出，送到驱动芯片 L298N 对相脉冲信号进行处理，驱动步进电机转动。LM298N 有十五个引脚，其控制信号IN1-IN4由单片机I/O口输出，LM298的四个输出端OUT1-OUT4分别接步进电机的两相绕组，步进电机上的接线柱分别为 A，A和 B，B。详细硬件连接示意图如下图3.3.1所示： 图3.3.1 步进电机驱动电路采用L298驱动芯片组成驱动电路，可以通过控制中心输出的高低电平对电动机的方向进行控制，并且可以通过PWM波直接控制电动机的速度。电路较为简单，容易实现，驱动能力和抗干扰能力强，性价比高。注意：E

54、NA和EN B必须接与输入到驱动芯片中完全相同的脉冲信号，否则就无法转动。步进电机旋转所需要的脉冲信号如下图3.3.2所示。图3.3.2 脉冲信号由上图我们可以得到每转动一个角度所需要的脉冲信号，如需连续转动，单片机只需依次向L298N输出上述信号即可。例如状态1时从P2口输出00101011，然后调用延时20ms子程序，以此类推，具体程序略。说明：（1）改变DELAY子程序中的时间参数就可以改变步进电机的运行转动速度。（2）改变P2口的输出信号也能改变步进电机的转动方向，由此实现正转、反转的变化。3.4按键设计本系统中键盘的作用是调整。如果点光源不在光敏三极管检测的范围就不能检测点光源的光照

55、，所以需要手动调整步进电机使其寻找到点光源。键盘就在这个过程中应用。电路图如下图3.3.1所示：图3.3.1 按键电路3.5液晶显示器设计本系统中显示器是用来显示光敏三极管检测到的信号，是需要显示汉字的。所以我们选用的是LCD液晶显示器，型号：FYD12864-0402B。FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。1.基本特性:（1）低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）（2）显示分辨率:128×64点（3）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)（4）内置 128个16