基于单片机的太阳能采光系统控制器设计毕业论文

第一章绪论1.1前言太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、太阳能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池；二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术的突破，为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制订可持续发展战略的重要内容。自“六五”计划以来，我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。20多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。1.2设计任务本设计为太阳能采光系统控制器部分,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,控制器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。不仅在晴朗、多云的时候正常工作,而且在阴天、自然光照不理想的情况也能实现最大限度的采光。1.3设计要求控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电动机的转动,驱动机械装置实现采光；为了精确定位太阳方位,以角度传感器测出转动误差,经A/D转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；微处理器通过PC获得设置参数及上传信息；实时时钟提供控制器所需的时间信息；1.4设计参数各参数要求为:转动角度：0°～+120°；误差不大于±0.2°；电动机扭矩：4Nm；电动机功率：200W；上传信息发送周期=1次/1小时；1.5理论依据太阳能采光系统控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电动机的转动,驱动机械装置实现采光；为了精确定位太阳方位，每隔10分钟以角度传感器测出转动误差,经A/D转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；微处理器通过PC获得设置参数及上传信息；实时时钟提供控制器所需的时间信息,并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理器。AT89C51PCAT89C51PC实时时钟电源A/D转换位移传感器电动机驱动图1.1太阳能采光系统控制器组成框图该系统主要由微处理器、反馈控制模块（电动机驱动，角度传感器，A/D转换器）、电源和实时时钟组成。如上图1.1所示。1.6方案设计微处理器采用ATMEL公司的高性能,低电压的8位CMOS处理器AT89C51为核心,片内有4k的Flash,128字节的RAM；32个可编程的I/O口；具2种省电的休眠模式,特别是在掉电模式下,芯片功耗很小,符合本系统低功耗的要求。采用RS-232接口与上位PC机进行串行通信,从而实现对相关数据的存储、分析和处理，用MAX232S实现RS-232的电平转换。电动机驱动部分由驱动器和电动机两部分组成，用AT89C51来控制步进电动机的转动,驱动机械装置实现采光。驱动器驱动器MS-2H090H步进电动机34HS300C图1.2电动机驱动模块微处理器的主要功能计算功能：计算每天日出与日落的时间,每十分钟计算太阳所在的角度，计算电动机转动的角度；通信功能：通过串口(RS232)与PC进行通信；控制功能：读取及写入实时时钟的时间,读取各个通道的A/D转换值,控制电动机转动,进行相关功能处理。系统的实时时钟采用了PHILIPS公司的低功耗实时时钟芯片PCF8563。该芯片采用IIC通信协议，特别是其具有定时中断功能,将芯片的中断输出脚与AT89C51的外部中断引脚相连,可用来将微处理器从掉电模式下唤醒,这对整个系统实现低功耗是必不可少的。反馈控制模块此模块由微型电动机、角度传感器、A/D转换器组成。微型电动机转动带动采光装置,以跟踪太阳方位为精确控制电动机的转动角度；用角度传感器采样,经A/D转换后组成反馈回路,以调节电动机转动位置。A/D转换器拟采用低通滤波器逐次逼近ADC0809，角度传感器拟采用四块光电池组成测试系统。

第二章硬件设计本设计分七部分，以AT89C51为核心，以及A/D转换电路、实时时钟电路、串行输出RS-232电路、步进电动机驱动电路、位移传感器电路、电源电路。2.1AT89C51AT89C51是一种低功耗，高性能含有4K字节快闪可编程/擦除只读存贮器的8位微控制器，使用高密度非易失性的存贮技术制造，并且与80C51指令完全兼容，芯片上的E2PROM允许在线或采用非易失性存贮编程器对程序存贮器重复编程。2.1.1AT89C51的主要性能片内有4K字节可重复编程快闪擦写存贮器（FLASHROM）。从而能缩短擦除或写入数据吞吐的时间，能满足需要高速数据吞吐的场合。编程所需要的所有时序及电压场均无需外部电路提供。存贮器可以重复写入1000次。宽工作电压范围，电压可以由2.7V—6V提供。全静态工作，可由0HZ—16HZ。程序存贮器具有三级锁存保护。128³8B位内部ROM。32条可编程I/O口线。两个16位定时器/计数器。中断结构具有5个中断源和2个优先级。可编程全双工串行通道。2.1.2AT89C51引脚介绍VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一组8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路。对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。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FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须外接上拉电阻。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4个TTL逻辑门电路。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入口，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逻辑门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻把端口拉到高电平，且作为输入口。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。图2.1AT89C51引脚图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AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：端口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（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。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。I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚，读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。2.1.3AT89C51的极限参数工作温度：-55℃～+125℃储藏温度：-65℃～+15℃任一引脚对地电压：-1.0V～+7.0V最高工作电压：6.6V直流输出电流：15.0mA2.1.4时钟电路AT89C51片内设有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器引脚，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，如图2.2所示.。C2C1C2C1XTAL1XTAL2GND图2.2内部振荡器XTAL1XTAL2XTAL1XTAL2GND外部振荡信号输入NC图2.3外部振荡器外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF＋10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF+10pF。当然也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图2.3所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。2.2A/D转换电路2.2.1A/D转换电路器件选型A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件，根据起转换原理，常用的A/D器件有逐次逼近式A/D和双积分A/D两类。逐次逼近式A/D器件速度快，使用方便，但价格高，抗干扰性差。双积分A/D精度高，抗干扰性好，价格低，但速度慢。介于对快速响应的要求这里选择逐次逼近式转换器ADC0809，则相对于其匹配性选择外围芯片触发器74LS74、锁存器74LS373。1）ADC0809主要性能指标及技术指标ADC0809芯片是CMOS、8位、8通道、逐次比较型A/D转换器.1）为逐次比较型;2）为单电源供电;无需外部进行0点和满度调整;可锁存3态输出,输出与TTL兼容;具有锁存控制的8路模拟开关;分辨率:8位;功耗:15mW;转换时间(fCLK=500kHz):128μs;转换精度:±0.4％.2)ADC0809引脚分布ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：1)IN7～IN0——8路输入通道的模拟量输入端口。2)ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。3)START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间,START应保持低电平。本信号有时简写为ST.4)CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。IN3INININ2IN4IN1IN5ADDA0IN6ADDB7STARTADDCEOCALEDDOE3D7CLOCKD6VD5123456712345678910111213141516171819202122232425262728ADC0809D1DHEF2 图2.4ADC0809引脚图5)EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。6)D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。7)OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。8)Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V)。9)VCC,GND:Vcc——+5V电源,VCC为主电源输入端,GND为接地端.一般REF(+)与VCC连接在一起,REF(-)与GND连接在一起。3)ADC0809的内部逻辑VretVret8位8位模拟开关地址锁存与译码8位A\D转换器三态输出锁存缓冲器1234578111213141516171819202122232425262728ADC0809EOCMsbD7D0VGNDIN0IN7ADDBADDCALECC 6 10 9 START CLK OE图2.5ADC0809的内部逻辑结构图图2.5多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，ADDA,ADDB,ADDC:8路模拟开关的3位地址选通输入端,以选择对应的输入通道.其对应关系如下:CBA选择的通道。00IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN611IN74）74LS7474LS74为带预置和清除端的两组D型触发器，fmax=33MHz,P=20Mw.CLK1、CLK2为时钟输入端:D1、D2为数据输入端,Q1、Q2、Q1、Q2为输出端,CLR1、CLR2为直接复位端（低电平有效）,PR1、PR2为直接致位端（低电平有效）,工作电压为+5V。CLR1CLR11D12CLK13PR14Q15/Q16GND7VCC14CLR213D212CLK211PR210Q29/Q28*74LS74图2.674LS74引脚图5）74LS37374LS373功能EGDQLHHHLHLLLLXQL——低电平；H——高电平；X——不定态；Q0——建立稳态前Q的电平；G——输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE——使能端，接地。当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；当G为下降沿时，将输入数据锁存。74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器。TPd=17ns,PD=120Mw。Q1GED1Q1GED1D8Q1Q8G1256201916151412Q1Q8D1D8GE...Q8EVQ1Q8CC 数据打入端 输出允许端 D13 18D8 (a)74LS373结构原理图 D24 17D7Q2Q7P0.0A0D3Q6 Q37 D6 .. D48 13D5P0.7A7 Q49 Q5 ALEGND10 11G (b)74LS373电路连续图(c)74LS373引脚图图2.774LS373外部引脚图74LS373的输出端Q0～Q7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存器允许端LE为高电平时,Q随数据D而变。当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号：D0～D7数据输入端OE三态允许控制端（低电平有效）LE锁存器允许端Q0～Q7输出端VCC接+5V电源2.2.2A/D转换电路图此模块采用中断方式查询，模拟量经IN0—IN3端口进入A/D转换器，经A/D转换器进行模/数转换，转换后数字量进行分类，溢出量进行另行处理，非溢出量存入单片机RAM中，再经单片机计算，转为控制步进电动机所需脉冲。如图2.8A/D转换电路模。 U2 VCCD0D1D0D1D2D3D4D5D6D7OEGNDVCCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7G3579131517191102024681214161811ADDAADDBADDCALEP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.774LS373ADDAD0D1D2D3D4D5D6D7OEEOCCLKIN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0VCCVref(+)Vref(-)GNDADDAADDBADDCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7>=1>=179226212019188151417232425P3.310543212827IN126IN0VCC11121613C14IN1R13R18100D154CW210KP3.6P2.3P3.7ADDBSTARTALEIN2IN3ADC0809ICLRIDICLKPRIQIQGNDVCCU4123456714VCC74LS74图2.8A/D转换电路模块2.3实时时钟电路2.3.1实时时钟器件选型本设计中，实时时钟起到记录时间的作用，根据性价比及通用性等指标，选择低功耗的实时时钟芯片PCF8563。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，PCF8563的多种报警功能定时器功能时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能内部时钟电路内部振荡电路，内部低电压检测电路（1.0V）以及两线制I2C总线通讯方式，不但使外围电及其简洁而且也增加了芯片的可靠性同时每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动生增量。特性宽电压范围1.0～5.5V,复位电压标准值Vlow=0.9V超低功耗典型值为0.25A,VDD=3.0V,Tamb=25可编程时钟输出频率为32.768KHz,1024Hz,32Hz,1Hz四种报警功能和定时器功能内含复位电路振荡器电容和掉电检测电路开漏中断输出400kHzI2C总线(VDD=1.8～5.5V)其从地址读0A3H;写0A2HPCF8563的基本原理PCF8563有16个位寄存器：一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32.768KHz的振荡器，带有一个内部集成的电容，一个分频器用于给实时时钟RTC提供源时钟，一个可编程时钟输出一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHzI2C总线接口。本设计主要用到PCF8563的定时器功能，8位的倒计数器由定时器控制寄存器控制，定时器控制寄存器用于设定定时器的频率，以及设定定时器有效或无效，定时器从软件设置的8位二进制数倒计数，每次到计数结束，定时器设置标志位TF，定时器标志位TF只可以用软件清除，TF用于产生一个中断，每个到计数周期产生一个脉冲作为中断信号。T1/TP控制中断产生的条件，当读定时器时，返回当前到计数的数值。同时PCF8563包含一个片内复位电路，当震荡器停止工作时，复位电路开始工作，在复位状态下，I2C总线初始化，寄存器TF、VL、TD1、TD0、TESTC、AE被置逻辑1，其它的寄存器和地址指针被请0。PCF8563还内嵌一个掉电检测器，当VDD低于VLOW时，位VL被置1，用于指明可能产生不准确的时钟/日历信息，VC标志位只可以用软件清楚，当VDD慢速降低达到VLOW时，标志位VL被设置，这时可能会产生中断。2.3.2PCF8563与单片机的连接按I2C总线协议规约PCF8563有唯一的器件地址0A2H，如图2.9所示为PCF8563和单片机的连接图。初始化完成后此芯片开始工作，计数器开始计时，当一个小时到时，启动报警功能，将这段时间内信息写入输出缓存器中，外部中断INT0打开，将信息经端口SAD上传到单片机中。该电路有一个备用电源，它的作用是在系统掉电的情况下，它仍能继续保持时钟的工作，等电来之后不用再调节时钟，这样保持了时间的连续性。而两个电容的作用则是为了滤波和退藕。由于芯片内部有一个电容需要接一个外部电容。VCCOSC1OSCOOSC1OSCOINTVssVddCLKSCLSDAU20C17pF151234PCF85635678uF0.01C21D3IN4001P1.6P2.0R155.1KR165.1KC18C22uF0.0110uFD4IN4001图2.9PCF6563与单片机的连接图2.4串行输出RS-232电路在单片机应用系统中，数据通信主要采用异步串行通信方式。在设计通信接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采用标准接口后，能够方便地把单片机、外设、测量仪器等有机的连接起来，从而构成一个测控系统。异步串行通信常用的标准借口有三类：RS-232C（RS-232A，RS232B）、RS-422和RS-485。2.4.1通信速度和通信距离通常的标准串行接口的电气特性，都有满足可靠传输时的最大通信速度和传输距离指标。但这两个指标之间具有相关性，适当地降低通信速度，可以提高通信距离，反之亦然。例如：采用RS-232C标准进行单向数据传输时，最高数据传输速率为19.2kb/s,最大传送距离为15m。改用RS-422标准时，最大传输速率可达10Mb/s,最大传送距离为300m，适当降低数据传输速率，传送距离可达到1200m2.4.2抗干扰能力通常选择的标准接口，在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中，通信环境往往十分恶劣，因此在通信介质选择、接口标准选择时要充分注意其抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施。例如在长距离传输时，使用RS-422标准，能有效地抑制共模信号干扰。在高噪声污染环境中，通过使用光纤介质减少噪声干扰，通过光电隔离提高通信系统的安全性都是一些行之有效的办法。RS-232C是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机、计算机与外设之间的数据通信。RS-232C串行接口总线适用于设备之间的通信距离不大于15m，传输速率最高为19.2kb/s的场合。RS-232C属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制的共模干扰等问题，因此一般用于短距离通信。本系统是PC机与外设的连接，需要其与单片机之间通信。在PC机系统内部都装有异步通信适配器，利用它可以实现异步串行通信。该适配器的核心元件是可编程的Intel250芯片，它使PC机有能力与其他具有标准的RS-232C接口的计算机或设备进行通信。而AT89C51本身具有一个全双工的串行接口，因此只要配以电平转换的驱动电路、隔离电路就可以组成一个简单可行的通信接口。PC机与单片机最简单的连接是零调制三线经济型，这是进行全双工通信所必须的最少线路。由于AT89C51单片机的输入、输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS-232C标准串行接口，二者电气规范不一致，因此要完成PC机与单片机的数据通信，必须进行电平转换。2.4.3器件选型根据通信速度和通信距离及抗干扰能力本设计选用串行接口芯片MAX232实现AT89C51单片机和PC机的RS-232C接口通信电路。MAX232是一种双组驱动器/接受器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接受器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5VTTL/CMOS电平。这些接受器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接受±30V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。MAC232的工作温度范围为0℃至70℃，MAX232工作范围为-40℃至85℃。特点：单5V电源工作LinBiCMOSTM工艺技术两个驱动器及两个接受器±30V输入电平低电源电流：典型值是8mA符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V2.8可与MAXim公司的MAX232交换ESD保护大于MIL-STD-883标准的2000V2.4.4采用MAX232接口的串行通信电路VCCVCCVs+VCCVs+Vs-GNDT1OUTT2OUTR1INR2INC1+C2+C1-C2-T1INT2INR1OUTR2OUTC9C10VCCC13U3MAX23211223344556677889910111213141516uF1uF1uF11uFuF1C11C12P3.0P3.1图2.10MAX232串行通信电路此通信中单片机通过中断方式接受PC机发送的数据，并将所需信息发送到PC机。单片机串行接口工作在方式1，定时器1按方式2工作，定时器预置初值为0FDH，SMOD=1波特率为9600b/s。单片机P3.0口即串行输入口通过T2IN口接受数据，当检测到输入口引脚由1到0的跳变时开始接受过程，并复位内部16分频计数器，以实现同步。单片机P3.1口即串行输出口通过R2OUT口发送数据，CPU执行任何一条以SBUF为目标寄存器的指令就启动发送。先把起始位输出到TXD，然后把移位寄存器的输出位送到TXD。接着发出第一个移位脉冲，使数据右移一位，并从左端补入0。此后数据将逐位由TXD端发送，而其左面不断补入0。当发送完数据位时，置位中断标志位TI。2.5步进电动机驱动电路步进电动机驱动器与步进电动机的选型主要依据设计任务中对参数的要求:转动角度：0°～+120°；误差不大于±0.2°；电动机扭矩：4Nm；电动机功率：200W；2.5.1步进电动机的工作原理步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲，步进电动机就转一个角度，因此非常适合单片机控制。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的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，电动机则转过一个步距角，同时步进电动机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电动机具有控制和机械结构简单的优点。步进电动机特点：1)步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。2)由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，叉非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3)步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。4)速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。5)步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。6)步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。步进电动机的工作方式：步进电动机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1.8°四相混合式步进电动机为例，在整步方式下，步进电动机每接收一个脉冲，旋转1.8°，旋转一周，则需要2OO个脉冲。在半步方式下，步进电动机每接收一个脉冲，旋转0.9°，旋转一周，则需要4OO个脉冲。控制步进电动机旋转必须按一定时序对步进电动机引线输入脉冲。步进电动机动态指标：1)步距角精度：步进电动机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2)失步：电动机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3)失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电动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。4)最大空载起动频率：电动机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5)最大空载的运行频率：电动机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电动机不带负载的最高转速频率。6)运行矩频特性：电动机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电动机诸多动态曲线中最重要的，也是电动机选择的根本依据。其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电动机一旦选定，电动机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电动机的动态力矩取决于电动机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电动机输出力矩越大，即电动机的频率特性越硬。7)电动机的共振点：步进电动机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电动机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电动机驱动电压越高，电动机电流越大，负载越轻，电动机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电动机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8)电动机正反转控制：当电动机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。2.5.2步进电动机选型步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。即当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。选择步进电动机时，首先要保证步进电动机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电动机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电动机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电动机，负载力矩大。选择步进电动机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电动机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电动机的固有特性所决定。选择功率步进电动机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电动机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。步进电动机分三种：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1.5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度而五相步进角一般为0.72度，山洋步进电动机均为这种步进电动机。步进电动机精度为步进角的3-5%,只有周期性的误差，且不累积。步进电动机的外表温度:步进电动机温度过高首先会使电动机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步，因此电动机外表允许的最高温度应取决于不同电动机磁性材料的退磁点。步进电动机的力矩会随转速的升高而下降:当步进电动机转动时,电动机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电动机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电动机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。本设计系统所需步进电动机参数为电动机扭矩：4Nm，电动机功率：200W，所以只要计算出其转速就可选择符合其指标的电动机型号。步进电动机扭矩与功率的换算公式为：P=Ω²M=2π²n/60²M=2πnM/60其中P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿²米。所以：n=（200³60）/（2π³4）≈273转/分【10】故我们选相近电动机其型号为34HS300C。34HS300C工作环境：-25°C-+55°C（温度）10-85%不结露（湿度）无腐蚀性、易燃易爆、导电性气体或液体、无金属粉尘绝缘电阻：500VDC100MMin轴向间隙：0.10.3mm径向跳动：0.02mmMax温升：85°CMax绝缘强度：B电动机电动机尺寸数据45.53269.269.2861.58.573d86L8686图2.11电动机尺寸34HS300C为两相混合式步进电动机，步距角为1.8°，相电流是5.0A，驱动电压为AC40V，最大静转矩为4.0Nm,相电阻为0.75Ω,相电感是7.0Mh,转动惯量是3.0㎏²cm2,重量为2.3㎏,空载启动转速为252转/分。2.5.3步进电动机驱动器的选型步进电动机型号确定了相关配套驱动器型号也就确定了,这里选择MS-2H090M为其驱动器。驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电动机能够接受的强电流信号，控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三路：步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电动机驱动器的原理就是要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移，或者说,驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电动机旋转一步距角，CP的频率和步进电动机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电动机旋转的角度。这样控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电动机调速和定位的目的。方向电平信号DIR：此信号决定电动机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电动机为顺时针旋转，此信号为低电平时电动机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接受两路脉冲信号（标注为CW和CCW），当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电动机正向运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电动机反向运行。由拨位开关的第5位决定使用何种方式。使能信号EN：此信号在不连接时默认为有效状态，这时驱动器正常工作。当此信号回路导通时，驱动器停止工作，这时电动机处于无力矩状态,此信号为选用信号。为了使控制系统和驱动器能够正常的通信，避免相互干扰，我们在驱动器内部采用光耦器件对输入信号进行隔离，三路信号的内部接口电路相同，常用的连接方式为①共阳方式：把CP+、DIR+和EN+接在一起作为共阳端接外部系统的+5V，脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端，使能信号接入EN-端；输入信号为开集门电路时须采用此方式。②共阴方式：把CP-、DIR-和EN-接在一起作为共阴端接外部系统的GND，脉冲信号接入CP+端，方向信号接入DIR+端，使能信号接入EN+端；③差动方式：直接连接。如果驱动器输入信号为电压信号，要求：3.6V≤高电平≤5.5V；-5.5V≤低电平≤0.3V，最常用的为TTL电平;如果驱动器输入信号为电流信号，要求：7mA≤高电流≤18mA；-18mA≤低电流≤0.2mA.不管是电压信号还是电流信号，最终转化为光耦器件的输入电流以达到信号传输的目的，如果电压信号的幅值超出以上要求的范围须在外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供7-18mA的驱动电流。这里我们选用电压信号为其输入信号。步进电动机的运行是由脉冲信号控制的，步进电动机在脉冲信号的有效沿到来的时刻移动一个步距角，此驱动器的有效沿是指：脉冲信号电流“由小到大”的时刻，或者说脉冲电平“由低到高”的时刻脉冲信号的频率要求不大于200KHz；脉冲信号的宽度要求不小于2μS;脉冲信号的驱动电流要求为7-18mA脉冲宽度2us脉冲频率200KHz占空比任意此沿为有效沿脉冲电平=高电平此沿为有效沿脉冲电平=低电平图2.12步进电动机脉冲信号前一个方向的最前一个方向的最后一个CP脉冲大于5us大于0us下一个方向的第一个CP脉冲负脉冲方式换相信号DIR换相信号DIR此时即启用图2.13电动机换向脉冲信号电动机换向时，一定要在电动机降速停止后再换向。换向信号要求在前一个方向的最后一个脉冲有效沿结束至少5μS以上才能改变换向信号，且不滞后下一个脉冲信号的有效沿。如果使用双脉冲CW/CCW方式，则要求下一个方向的第一个脉冲（如CCW）在前一个方向的最后一个脉冲（CW）有效沿后至少5μs才能有效。MS-2H090MCP+步进脉冲信号正端CP-步进脉冲信号负端DIR+方向电平信号正端DIR-方向电平信号负端EN+使能电平信号正端EN-使能电平信号负端CW+正向步进脉冲信号正端CW-正向步进脉冲信号负端CCW+反向步进脉冲信号正端CCW-反向步进脉冲信号负端AC40V交流电源供电(功率不小于140W，50～60Hz)，允许误差：-%15～+%10。2.5.4步进电动机驱动电路AC1AC2P1.0P1.1P1.0P1.1P1.2CP+/CW+DIR+CCW+ENCP-/CWVCC1VCC2A/A/BBM...DIR-/CCW-EN-MS-2H090M图2.14步进电动机驱动电路图端口P1.0接驱动器正转控制端，端口P1.1接驱动器反转控制端，且此端口还具有确定正反转方向的作用，其中换向信号要求在前一个方向的最后一个脉冲有效沿结束至少5μS以上才能改变换向信号，且不滞后下一个脉冲信号的有效沿。当确定为正转是P1.0接收脉冲信号进行步调，每当发送一次脉冲，则电动机转动一步；反转亦同。2.6位移传感器电路此处我们选用四块光电池作为位移传感器,四块光电池为两两平行放置,既分成两组,一组水平放置,一组竖直放置,且一组内两块光电池是交错的,没有重叠。当太阳光垂直照射一组电池板时,电势差为0,即不会有电流导出,当阳光不是垂直照射时,两平行板间因接受照射面积的不同,就会产生电势差,进而就会有电流流出,通过对其电流的调整,使其输出电压范围与A/D转换器的参考电压范围进行匹配,A/D转换器根据其输出电压的大小来判断位移量,实现一种闭环控制。2.6.1光电池的选型光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件,电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处.电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转化为直流电,有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。光电池是太阳能电力系统内部的一个组成部分，太阳能电力系统在替代现在的电力能源方面正有着越来越重要的地位。最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的，掺杂的目的是为了影响电子或空穴的行为。其它的材料，例如CIS，CdTe和GaAs，也已经被开发用来作为光电池的材料。选择晶体硅光电池作为传感器电路部分的主要元件。基于光电池产生的电量与A/D转换器的参考电压不匹配,进而增加放大电路对光电池的输出电压进行调整,使其输出电压的变化在范围0～5V。2.6.2放大器选型运算放大器的结构形式主要有三种:模块、混合电路和单片集成电路。1.模块目前使用几种工艺生产运算放大器,性能最高的放大器是以模块的形式有分立元件构成的.因为使用分立元件,所以可选用像高压输出晶体管、超低电流的FET管以及阻值很高的电阻等等这类专门制作的元件.在模块的设计中,在电气测试时通过对直流参数或交流参数进行细调的方法来选择电阻和电容是可能的。模块工艺的缺点是实际的尺寸较大和价格高。由于每个模块都是单独构成的，大量加工制造是不现实的，并且制造成本相对地也是很高的，但是对于那些对性能有极高级别要求的特殊应用来说，由于模块运算放大器的规范由生产厂来保证，所以它们还是有吸引力的。模块运算放大器包括斩波稳定放大器、可变电抗静电计放大器和宽带高速放大器。1)斩波稳定放大器当需要放大（或缩小）电平极低的电压信号时，要使用斩波放大器。斩波放大器的内部是交流耦合的有效的差动输入信号被斩波成方波，这个方波被解调和放大。交流耦合消除了许多与运放有关的误差，因此失调和漂移极低。斩波放大器的主要性能指标:低失调电压10A低失调漂移0.1V/℃长期稳定性1V/年高开环增益107V/V低温升漂移3V2)静电计放大器当需要尽可能高的输入阻抗和最低的偏置电流时，要使用静电计放大器。静电计放大器内部也是交流耦合的，输入信号被加到包括低漏流的变容二极管（电压可变电容）的电桥上，该电桥由高频载波信号所激励。输入电压引起电桥的不平衡，合成的交流误差信号被交流耦合到下一级，在那里被同步解调和放大。使用低漏流可变电容产生的输入电流低至10fA（1fA=10-15A），获得这样的低电流是以较高的失调电压为代价的。3)高速放大器用模块的形式可以很容易地构成高速放大器，集成电路结构的许多限制在这里不适用。例如，集成电路放大器由生产厂制作工艺造成的晶体管缺陷而引起的速度限制就不存在，模块的设计就可以使用具有所要求频响的经挑选的晶体管，由于许多宽带放大器被用在驱动75负载的视频领域，所以必须提供大的输出电流。对于这样输出特性所要求的功率，靠模快的较大热媒质来耗散要容易得多。超高速放大器性能如下：快的建立时间100ns(到0.01%)转换速率1000V/s全功率带宽10MHz输出电流10mA2.单片集成运算放大器使用最广的运放是单片集成电路型，各种各样的集成电路运放是由许多不同的卖主处得到的，这些年来，设计和工艺方面的改善促使很高性能运放的形成，由于供特定应用所要求的运放规范常常支配选择最好的运放工艺，所以对于运放的选择来讲，至少要了解在集成电路运放制作中所采用的各种工艺，是很有用的。考虑经济性及功耗、功能等要求选择模块放大器LM358作为放大电路元件。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、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合.特性:内部频率补偿;直流电压增益高;单位增益频带宽;电源电压范围宽:单电源(3—30V)双电源(±1.5--±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)；输出1VCC134871348765_++_输入1+输入2-VEE输入2+图2.15LM358引脚图2.6.3传感器电路图图2.16中BT1是光电池，运放前者是电压跟随器，用于阻抗匹配。后者实现电压放大，调整R1，能调整电路放大倍数，可以在规定光线强度内，使输出电压的范围为0-5V。C1、C3用于旁路高频干扰信号，抑制干扰。硅光电池产生电压不超过1V，故对其进行放大5倍处理。计算R1为5K。+_+__+LM358VCCR1VCCR5R3LM358C15K1K1K0.1uFC30.1uF图2.16传感器电路图2.7电源电路2.7.1电源电路元器件及设备的选型电源电路分两部分,一部分产生+5V电,给各+5V芯片供电.一部分产生交流40V电压给步进电动机及其驱动器供电,另产生+12V给ADC0809做基准电压用。根据系统电路中所需功率以及步进电动机和其驱动器匹配性，此处采用北京斯达微步控制技术有限公司的变压器B90提供AC40V/3.5A、AC17V/1A电压。AC40V给步进电动机及其驱动器供电，AC17V经整流、稳压处理后输出DC12V给ADC0809基准电压供电。而DC5V则是AC220V经变压、整流后得到的。日常设计中，我们常选用7805稳压器产生+5V电压，但7805有一个明显的缺陷就是当输入大压大于12V时，发热会很厉害，最大的输入电压也只能到15V左右，原因在于7805属于线性稳压。即如果输入12V，几有7V电压是完全的发热浪费掉。为此系统选用LM2575芯片作为DC5V电源芯片，而DC12V电源芯片仍采用常用的7812【13】。下面重点介绍一下LM2575的特性有3.3、5、12、15伏，及可以调整输出电压的版本可供选择。比如本文介绍的LM2575T-5.0P+,就是固定输出5V电压；可调整输出的电压版本输出电压是1.37到37伏(HV版本可达57V)；最大输出电流1A；输入电压最高40V(HV版本最高60V)；只需要4只外围元件；内部振荡频率为52K；TTL关闭功能，待机状态极低功耗；使用高可靠的标准电感(330uH)；温度及电流限制保护；版本提供增加的测试功能。2.7.2电源电路图+V+V1nFBOPLM2575IN5819Inductor330uHC24VCC20VC23100uf142330ufT250HZ781212781212vR14910DSILED0C180.1ufC22100ufC170.33uf40VD217V图2.17电源电路第三章软件设计3.1软件设计分析及软件结构软件系统分为上位软件系统与下位软件系统两部分。上位软件主要负责用户输入设置参数，读取调试信息等功能。下位软件系统包括计算、通信和控制三部分。下位软件系统负责与上位PC机的通信；及驱动电动机转动，读取电位器值以取得转动误差，实现闭环控制；计算日出日落时间以及某一时刻的太阳方位；配合硬件系统作低功耗设计；另外，为了方便以后的软件更新及安装、调试，软件系统还兼容正常工作模式与调试模式，并可在两者之间切换。通信部分系统通过RS232接口与PC机相连，以接受当地经度，纬度，高度，时区，日期，时间，本地时间或GMT时间等参数和上传调试信息。系统的通信功能只在系统的安装与调试时有效，在系统正常工作期间是不能应用的。为此，软件系统必须兼容正常工作模式与调试模式两种工作方式，当系统安装时设成调试模式，以从上位PC机得到不要参数,设置完毕，将系统转为正常工作模式。控制部分VCC的开/关，CPU正常工作模式与掉电模式的切换。一般在白天时每十分钟将VCC打开，将CPU唤醒为正常工作模式，到日落时间后，也关掉VCC，CPU设为掉电模式，将唤醒时间设成第二天日出的时间。3.2程序流程图3.2.1主程序流程图主程序流程图完成对系统初始化，然后对角度的检测以及调用各子程序完成相应的功能。开始系统初始化启动十分钟定时调用开始系统初始化启动十分钟定时调用A/D转换子程序十分钟定时到？定时六十分钟调用驱动步进电动机子程序关掉VCC，将MCU置于掉电模式，十分钟后唤醒上传信息3.2.2A/D转换子程序角度传感器导入模拟量经A/D转换器转换成数字信号,由计数器计数,对角度进行测量,再经AT89C51控制步进电动机定量转动.3.2.2.1中断初始开始开始设地址指针设中断优先级开总中断开外部中断设中断方式启动A/D图3.2A/D转换中断初始程序流程图3.2.2.2A/D转换中断子程序流程图测角度需要用到一个A/D转换器，A/D转换的结果存入AT89C51，经计算给出步进电动机的驱动脉冲。其流程框图如下：中断入口保护现场读入一位数中断入口保护现场读入一位数中断返回有溢出？送入内存R0-1置溢出标志第五位数据？停止A/D压缩BCD码恢复现场恢复R0图3.3A/D转换中断子程序流程图3.2.3串行通信子程序流程图AT89C51单片机通过中断方式接受PC发送过来的数字符并送回给主机，程序约定：波特率设置T1以方式2工作，计数常数0FDH，SMOD=1，波特率为9600b/s。串行接口初始化方式1，允许接收。中断服务程序入口8000H主程序开始定时器T1主程序开始定时器T1初始化串行口初始化转入主程序开中断启动定时器中断服务子程序关中断接收PC机发来的数据开中断、恢复现场将所需数据回送PC机保护现场清接收中断标志返回图3.4串行通信子程序流程图3.2.4步进电动机驱动子程序流程图进入中断步进数赋值判断是否正转进入中断步进数赋值判断是否正转步进数减1送正向脉冲步进数是否为零？中断返回偏差出栈步进数赋值步进数是否为零？送反向脉冲步进数减13.2.5实时时钟子程序流程图开始初始化开始初始化报警计时是否到1小时？上传信息返回3.6实时时钟子程序流程

第四章设计总结本系统基本完成了以微处理器为核心，用它来控制微电动机的转动，驱动机械装置实现采光，以角度传感器测出转动误差，经A/D转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制，微处理器通过PC获得设置参数及上传信息，实时时钟提供控制器所需的时间信息。同时满足了电动机转动角度为0°～+120°,误差不大于±0.2°以及电动机扭矩为4Nm，电动机功率为200W等性能指标的要求。此次设计用到了微处理器芯片AT89C51、实时时钟芯片PCF8563、ADC0809、以及34HS300C型步进电动机等器件。设计过程中对设备及元器件的选型困难较大，其中需要考虑各器件的兼容性，以及为了减少成本对器件的选型必须控制其工作电压范围电，流功耗等情况。最后将电源部分成本降到最低，产生DC5V、DC12V、AC40V即可满足系统工作要求。本设计中对步进电动机的选择比较苛刻故由，于信息匮乏不能够达到很精确的程度，只能进行合理化配制。同时，硅光电池中电源的浪费也是相当严重的，所以有待加强系统节能方面的设计。参考文献郑守深.于洁太阳能电源[M].河南人民出版社，2004沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2004沙占友.智能传感器系统设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2005单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京：国防工业出版社，2005冯英.传感器电路原理与应用[M].成都：电子科技大学出版社，第一版，2007黄继昌.传感器工作原理及应用实例[M].北京：人民邮电出版社，第一版，2006李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，第二版，2009.1张道德.单片机接口技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007彭为.单片机典型系统设计实例精讲.北京：电子工业出版社，2006.5三恒星科技.MCS-51单片机原理与应用实例[M].北京:电子工业出版社，2008.1谢宜仁.单片机实用技术问答[M].北京：人民邮电出版社，2005刘必虎.中小规模集成电路的原理与应用[M].上海：上海科技出版社，2008张萌.单片机应用系统开发综合实例[M].北京：清华大学出版社，2007.7MEYER2BAESEU.DigitalSignalProcessingwithFieldProgrammableGateArraysSpringer2Verlag[D].BerlinHeidelbergNewYork,2002.

致谢为期一个学期的毕业设计已接近尾声了，我的四年大学生涯也即将圈上一个句号。此刻我的心中却有些怅然若失，因为那些熟悉的恩师们和各位可爱的同学们，我们也即将挥手告别了。时光荏苒，岁月如梭，美好的大学生活即将结束，从此我们将要踏上新的征程，开创新的生活。回忆四年的大学生活，有兴奋，也有失落；有激情，也有惆怅；有目标，也有彷徨；有欢笑，也有泪水„„在学校领导和老师的亲切关怀下，尤其是在这个大家庭里，通过老师的悉心教导和热心帮助，我不断成长，一点点进步，一步步提升，使自己渐渐变强。在校期间，我还积极参加学校组织的各项活动和社会实践，我通过这些实践活动，丰富了自己的校园生活，增强了自学能力、沟通能力、团队合作能力和吃苦耐劳的精神。四年间，每次走进本院教学楼都会让我感受到一种亲切热情的氛围。无论是学习、工作生活上的问题，恩师们都会悉心给以指导解答，让我倍受感动。也就是在这里，给我的大学生涯设计点上了第一个逗号。我的毕业设计创作的开始，也是从这里起步的。从某种意义上可以说，今日的毕业设计其实从大一时已经开始了。本院系的老师们，给我四年的学习、成长创造了一个良好的环境，引导我充分利用学校的学习资源，去发展、充实自我，而不曾虚度光阴。在此，我真诚的向你们道一声：“谢谢！”。祝愿他们身体健康，工作顺利，事业上取得更大成功。此次设计首先感谢指导老师王宗刚老师，因为此设计是在的老师的细心指导下完成的。王老师在单片机及计算机软件方面的渊博学识、严谨的治学态度、孜孜以求的敬业精神深深地影响了我，激励着我在以后的学习和工作中不断的进取。三个月来，王老师为指导我的毕业设计付出了辛勤的劳动，我的每一点进步都凝聚着老师的心血和汗水。感谢四年来与我朝夕共处的同窗好友在学习和生活上给予我的关心和帮助，与他们在一起的生活令我难忘。在此表示衷心的感谢！特别致谢关心、鼓励和帮助过我的王宗刚老师！附录程序清单：****************************************************************主程序**************************************************************ORG0000HAJMPSTARTORG0030HSTARTMOVR0，#34H；置内存地址指针MOVDPTP，#7FOOH；置数据指针SETBIT1；INT1为边沿触发方式SETBEX1；开放外部中断INT1SETBEA；开放总中断MAIN:MOVTMOD,#16H；定时器T1初始化MOVTH1,#0F3H；设置预值MOVTL1,#0F3HSETBTR1；启动定时器T1MOVTH1,#0FFHMOVTL1,#0FFHSETBTR0LCALLRCV8563JBTR1,CLAD；有溢出吗？是转溢出处理AJMPMAIN；否，跳回JBTR0,SEND8563；有溢出吗？是上传信息AJMPREADY；否，调用步进电动机驱动程序AJMPMAIN****************************************************************A/D转换子程序：**************************************************************CLAD:MOVR0，#34H；置内存地址指针MOVDPTP，#7FOOH；置数据指针SETBIT1；INT1为边沿触发方式SETBEX1；开放外部中断INT1SETBEA；开放总中断SETBP3.3；启动A/DINT1:PUSHPSW；保护现场，将PSWPUSHACC；ACCPUSHDPL；DPTRPUSHDPH；推入堆栈MOVA,@DPTP；读入一位BCD码JBACC7,OVER；有溢出吗？是，转溢出处理MOV@R0,EX1；否，数据送内存DECR0；地址指针减1CJNER0,#2FH,EX1；是第5位数据吗？否转出CLRP3.3；是，停止A/DMOVR0.34H；恢复R0初值EXIT:POPDPH；恢复现场POPDPLPOP00HPOPACCPOPPSWRETI；从中断返回****************************************************************实时时钟子程序：**************************************************************RCV8563：；读时钟MOVSLA，#0A2H；取器件地址MOVSUBA，#02H；取读时间的首字节地址MOVNUMBYTE，3070H；读七个时间信息LCALLIRDNBYTE；读取时间并放入接受缓冲区中MOVA，MRD；取秒字节ANLA，#7FH；屏蔽无效位MOVMRD，AMOVA，MRD+1；取分钟字节ANLA，#7FH；屏蔽无效字MOVMRD+1，AMOVA，MRD+2；取小时字节ANLA，#3FH；屏蔽无效位MOVMRD+2，AMOVA，MRD+3；取天字节ANLA，#3FHMOVMRD+3，AMOVA，MRD+4；取星期字节ANLA，#070HMOVMRD+4，AMOVA，MRD+5；取月字节ANLA，#1FHMOVMRD+5，ARETSEND8563：；写时钟ACALLLOAD8563；将时间装入发送缓冲区MOVSLA，#0A2H；取器件地址MOVSUB，#00H；取写入寄存器的首字节地址MOVNUMBYTE，#090H；写七个时间信息和2个控制命令LCALLIWRNBYTE；写时间RET