基于52单片机太阳能自动跟踪系统设计说明

...摘太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富，而且分布围广，具有非常广阔的利用前景但太阳能利用效率低这一问题一直影响和阻碍着太阳能技术的普与太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径从而大大提高了太阳能的利用效率本设计采用光电跟踪的方法利用步进电机双轴驱动由光电传感器根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到微机处理器微机处理器运行程序通过对跟踪机构进行水平俯仰两个自由度的控制调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪用单片机来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。关键词太阳能；跟踪；光敏二极管；单片机；步进电机I/

...Solarenergyknownasmostprimitiveenergy,andisclean,renewable,widedistributionofuse.thesolarenergyutilizationefficiencyislow;theproblemhasbeeninfluencingandhinderingthepopularityofsolarenergytechnology.Solarbeautomatictrackingsystemproblemprovidethenewgreatlyimprovetheefficiencyintheuseofsolarusestrackingandthesteppingmotordriver,byphotoelectricsensorincident,thenthestrengthof’stoprocessor,andcomputerprocessorwillruntheprogram,throughthehorizontaltrackingmechanismandpitchtwodegreesoffreedomcontroltoadjusttheangleofsolarpanelstoachievethetrackingofthesun.Solarbychiptheefficiencyofconversionofphotoelectricsolarpanels,andhasabroadprospectofapplication.KeySolarenergy；Tracking；Photosensitivediode；SCMSteppingmotor

；II/40

...目录1论11.1课题景1.1.1源现状与展11.1.2国太阳能源11.1.3前太阳能开发和利21.1.4阳能的特21.1.5阳能的应领域21.2课题研的目的和意义31.2.1题研究的的31.2.2究课题的义31.3太阳追系统的国外研究现状41.4论文主要研究42统体计52.1系统体设计要52.2系统总设计分析63系的件设83.1器件选型83.1.13.1.23.1.3

AT89C51单片机特点与作原理8ADC0808芯片的用与简1174LS373芯片的用与简133.1.4ULN2003芯片的用与简介143.2光电转电路设计153.3AD转换模块路设计183.4电机驱电路设计203.5系统硬电路与机械部分设计214统软设4.1程序法的简单绍274.2系统件程序设274.3软件调子程序5论34致35参文36III/40

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...1绪论1.1题景1.1.1能源现状与发展众所周之人类进入世纪发展的快车道而能源是人类发展的根本动力。同时能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础当前包括我国在的绝大多数国家都以石油天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源随着矿物燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化很多国家都在认真探索能源多样化的途径积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。虽然在可预见的将来煤炭石油天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以与太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增l%而太阳能发电每年增长达20%，风力发电的年增长率更是高达。预计在未来5至10年，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。而太阳能具有其他能源不具备的优势[1.1.2我国太阳能资源我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018kJ全国各地太阳年辐射总量达～837kJ/cm2·a，中值为586kJ/cm2·a。我国的国土跨度从南到北、自西至东，距离都在5000km以上，总面积达，占世界总面积的，居世界第三位。从全国太阳年辐射总量的分布来看，、北部西部、中部和西南部、东南部、东南部、岛东部和西部以与省的西南部等广区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8，年平均云量为，太阳总辐射为816kJ/cm2·a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以和两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的市，年平均日照时1/40

...数仅为1152.2h，相对日照为，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达。其它地区的太阳年辐射总量居中1.1.3目前太阳能的开发和利用

[3,4]

。人类直接利用太阳能有三大技术领域光热转换转换和光化学转换，此外，还有储能技术。太热转换技术的产品很多，如热水器、开水器、干燥器、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力发电装置与太阳能医疗器具。1.1.4太阳能的特点太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：第一，它是人类可以利用的最丰富的能源，据估计，在过去漫长的亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说是取之不尽，用之不竭。第二，地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三，太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。太阳能的利用有它的缺点：第一：能量密度较低，日照较好时，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置占地面积大、用料多，成本增加。第二：天气影响较大，到达某一地面的太阳辐射强度，因受地区、气候、季节和昼夜变化等因素影响，时强时弱，时有时无给使用带来不少困难，为了克服推广应用中的困难，人们对水箱保温从选择合适的材料和最佳厚度方面作了很大改进，可以做到在短期使水温降低控制在最小围。另外，增加辅助热源使太阳热水器在任何情况下均可应用，成为全天候太阳热水器[6]

。1.1.5太阳能的应用领域人类利用太阳能有三大技术领域，即光热转换、光电转换和光化转换，此外，还有储能技术。太化学转换包括：光合作用、光电化学作用、光敏化学作用与光分解反应目前该技术领域尚处在实验研究阶段太电转换主要是各种规格类型的太阳电池板和供电系统太阳电池是把太直接转换成电能的一种器件太阳电池的光电效率约为10-14%，其产品类型主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅。国产品（指光电装置全部费用）价格约60-80%元峰瓦。太阳电池的应用围很广。例2/40

...如人造卫星、无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号灯。太热转换技术的产品最多。如热水器、开水器、干燥器、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、热力发电装置与太阳能医疗器具[1.2课研的的意1.2.1课题研究的目的本课题研究一种基于光电传感器的太线自动跟踪装置装置能自动跟踪太线的运动保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太线垂直提高设备的能量利用率。1.2.2研究课题的意义1.新环保能源长期以来世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料而这些矿物作为一次性不可再生资源储量有限而且燃烧时产生大量的二氧化碳造成地球气温升高生态环境恶化据国际能源机构预测类正面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机迫使各国政府投入大量的人力和财力研究和开发新能源，如太阳能等。能源危机环境保护成为当今世界关注的热点问题据联合国环境规划署资料目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%且其使用在世界围以每年20%的速度增长这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源按照可持续发展的目标模式决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用中具有独特优势的太阳能开发前景广阔本经济企划厅和三泽公司合作研究认为年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一人类面临的最大威胁的严重问题本课题的目的是为了更充分的利用太阳能提高太阳能的利用率进行太阳追踪系统的开发研究对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源加强太阳能的开发对节约能源保护环境也有重大的意义。2.提高太阳能的利用率太阳能是一种低密度间歇性空间分布不断变化的能源这就对太阳能的3/40

...收集和利用提出了更高的要求管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器太阳能干燥器太阳能电池等等但太阳能的利用还远远不够其原因，主要是利用率不高就目前的太阳能装置而言如何最大限度的提高太阳能的利用率仍为国外学者的研究热点解决这一问题应从两个方面入手一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究而后者利用现有的技术则可解决太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太垂直，并且收集更多方向上的太么可以在有限的使用面积收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着集热装置若想收集更多方向上的太那就必须要跟踪太阳大学建筑系的教授研究了太照角度与太阳能接收率的关系理论分析表明:阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高进而提高了太阳能装置的太阳能利用率拓宽了太阳能的利用领域[8]。1.3太追系的外究状在太阳能跟踪方面，我国在年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量使效率进一步提高2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。目前太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多但是不外乎采用如下两种方式一种是光电追踪方式另一种是根据视日运动轨迹追踪前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统[9]。1.4文主研容本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电追踪方式实现大围精度跟踪。论文的主要工作包括:(l)分析太阳运行规律，以与四季气候变化，提出合理的跟踪策略。(2)分析传感器工作原理分析该传感器大围高精度跟踪的可行性还要4/40

...设计光电转换电路。(3)选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计控制系统。(4)设计控制方案，步进电动机以与驱动电路。2系统总体设计2.1统体计求本系统研制的出发点是更加有效的利用太阳能。对太阳能的利用一般都是5/40

...采用太阳能采集装置把太阳能量转化为其他类型的可用能源而加以利用本研究中确定了使用太阳能电池板把太阳能量转化为电能对太阳能进行电能转换的时候由于太阳的位置是随着时间的变化而改变的如果采用固定式的太阳能接收装置，此装置的位置无法随太阳改变，只能在固定时段有效的吸收太阳能，在其他时段的吸收效率就十分低下因此要使太阳能的吸收效率提高采用太阳跟踪系统对太阳进行实时跟踪是可行和有效的本课题中采用的是双轴跟踪的方法对太阳进行即时跟踪使太阳能接收装置能够始终正对太阳从而提高吸收效率。本系统的整体研发要经济、结构简单、性能可靠。根据本系统的整体要求，装置的各组成部分应该选用常用而且性价比与可靠性较高的构件分考虑其经济性.在结构设计中，要使系统机构尽量简洁，避免过于复杂和昂贵，要便于安装和维护在控制部分的设计中要考虑到系统的全天候性要求选用耐用和抗干扰性强的执行元件，避免频繁发生系统故障。设计要求如下：1.系统能根据天气条件进行选择性工作，晴天自动跟踪，阴天或黑夜停止跟踪，避免电能消耗。2.晴天时系统能保证太阳能电池板与太垂直。充分吸收光能。3.系统设计的硬件部分和软件部分能够无故障、准确、合理地运行。4.为了减少电能过多消耗，系统每十分钟跟踪一次太，误差不超过度。2.2系总设分本设计主要包过光电转换电路，换电路，单片机控制电路，电机驱动电路的设计该部分主要从整体上进行系统的总体设计分析本部分首先主要介绍各个模块的硬件电路，以与机械设计部分原理简介，然后再从整体上分析。太阳能自动跟踪总体框图如下：6/40

...比较差太阳际位置

电控元

电机

传动置光电感器图2-1太能自动跟踪总体框图硬件设计流程图如下：

太阳利用装置光电换

数转

单片机

电机动

步进机图2-2硬设计流程图图2-2是本太阳能自动跟踪装置的原理框图太阳能自动跟踪装置设计成双轴跟踪系统,同时在方位角和高度角两个方向上跟踪,由传感器号处理与控制电路位角与高度角调整构组成感器把接收到的光信号转换成电信号电信号经过信号处理与控制电路后,由控制电路输出相应的控制信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整。7/40

...3系统的硬件设计3.1件选3.1.1AT89C51单片机的特点与工作原理为了使用方便系统要求可以进行在线改写并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源同时使系统使用尽可能少的外围扩展芯片提高系统运行的可靠性要求使用的单片机具有片电擦除可编程只读存储器基于以上原因选用AT89C51单片机。AT89C51单片机是ATMEL公司推出的一种新型的低功耗性能并且含k字节闪电存储器（Memory）的位CMOS控制器，与工业标准CS-51指令系列和引脚完全兼容[43,44]它除了具有256字节的RAM条I/O线两个6位定时器/计数器、一个五源两级的中断结构、一个双工的串行口0.5Hz的全静态工作方式、片上振荡器与时钟电路等一般标准特性外，还具有以下特点：AT89C51完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能且本身带有2K存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点，具体如下：AT89C51单片机是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采CMOS艺的8位单片机。它在硬件资源和功能、软件指令与编程上Intel80C3X单片机完全一样在应用中可直接替换在T89C51部有FLASH程序存储器既可用常规的编程器编程也可用在线使之处于编程状态对其编程编程速度很快擦除时也无需紫外线，非常方便AT89C5x系列可认为是ntel80C3X的核与FLASH技术的结合体。它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。1．主要性能与MCS-51产品指令系统完全兼容片集成4KB的FLASH存储器可反复编程／擦除1000次；（1）数据保留时间：年；（2）全静态设计，时钟频率围为～24MHz、33MHz；（3）三个程序存储器位；（4）128×8字节的部RAM；（5）32条可编程的I／O口线；（6）2个可工作于4种模式的16位定时／计数器；（7）5个中断源／2个中断优先级；8/40

...（8）可编程串行通道；（9）具有4种工作模式的全双工串行口；（10）低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；（11）片振荡器和时钟电路；2．管脚说明图3-1AT89C51管封装图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8个TTL门电流当Pl口的管脚第一次写“”时，被定义为高阻输入。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。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0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8双向I／O口，P1缓冲器能接收输出个4TTL门电流。Pl口管脚入后，被部上拉为高，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部上拉的缘故在LASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个部上拉电阻的位双向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输出电流是由于部上拉的缘故。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口输出地址的高八位。在给出地址“”时，它利用部上拉优势，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容。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口管脚是个带部上拉电阻的双向I口，可接收输出4个TTL门电9/40

...流。当P3写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，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，P3口管脚备选功能：P3．0RXO(串行输入口)；P3．1TXD(串行输出口)；P3．2INTO(外部中断0)；P3．3INTI(外部中断1)；P3．4TO(计时器O外部输入)；P3．5T1(计时器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时保持ST脚两个机器周期的高电平时间。ALE：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低八位字节。编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时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／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FR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC令时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读取指令期间每个机器周期两次丽有效但在访问外部数据存储器时这两次有效的丽信号将不出现。EA／VPP当EA保持低电平时则在此期间外部程序存储器(0000H—FFFFH)，不管是否有部程序存储器注意加密方式1时EA将部锁定为RESET当EA端保持高电平时此间部程序存储器在FLASH编程期间此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTALl：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3．振荡器特性XTALI和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出反向放大器可以配置为片10/

...振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件XTAL2应不接由于输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4．芯片擦除整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平lOms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。5．编程算法(1)地址线上输入欲编程的存储单元地址；(2)在数据线上输入编程数据：(3)加正确的控制信号组合；(4)在“高压”模式下使VPP为12V；(5)在ALE引脚上加一次负脉冲对FLASH储器的一个字节或位进行编程。编程一个字节的周期是部自定时的典型时间不会超过1．5ms改变编程的存储单元地址和编程数据重复步骤(1)～(5)，直到编程文件最后。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但AM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保RAM的容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.2ADC0808芯片的选用与简介ADC0808和ADC0809除精度略有差别外前者精度为位精度为7)，其余各方面完全一样。它们都是器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单“数据采集系统利用它可直接输入个单端的模拟信号分时进行A/D转换在多点巡回检测和过程控制运动控制中应用十分广泛所以本设计采用ADC0808作为转换电路的处理芯片。1.ADC0808的简单介绍ADC0808是采样分辨率为位的、以逐次逼近原理进行/转换的器件。其部有一个8通道多路开关它可以根据地址码锁存译码后的信号只选通路模拟输入信号中的一个进行A/D转换ADC0808是ADC0809的简化版本功能基本一样。一般在硬件仿真时采用进行/D转，实际使用时采用行A/D11/40

...转换。2.ADC0808的引脚功能图3-2ADC0808引图ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下：1～5和26（IN0～IN7路模拟量输入端。8、14、15和17～21：8位数字量输出端。22（ALE址锁存允许信号，输入，高电平有效。6（START转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0808复位，下降沿启动A/D换7（EOCA/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）9（OE据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。10（CLK钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12（VREF（+16（VREF电压输入端11（Vcc电源输入端。13（GND地。23～25（ADDA、ADDB、ADDC位地址输入线，用于选通8模拟输入中的一路通道选择。12/

23(ADDA)

...表3-1ADC08088通选择表地址码24(ADDB)25(ADDC)

对应的输入通道00001111

00110011

01010101

IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7电源电压（控制端输入电压：-0.3V其它输入和输出端电压：-0.3V～Vcc+0.3V贮存温度：℃+150℃功耗（T=+25引线焊接温度：①气相焊接（℃；②红外焊接(15s)：220℃抗静电强度：3.输出端注意out7最低位-out0最高位，out7-out0分别接单片机的P0.0到P0.7端。3.1.374LS373芯片的选用与简介由于51系列单片机的口和口在读片外存储器时分别是地址线的低位和高，同时口还是据线。为了能够使单片机的接口能达到地址数据复用的目的必须选择合适的地址锁存器而是比较常用的一个地址锁存器芯片，使用较为广泛，所以本设计中采用了该芯片。1.简要说明74LS373一个八D锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)。373三态输出的八D透明锁存器，共有54S373和74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别：型号TPDPD54S373/74S3737ns525mW54LS373/74LS37317ns120mW13/

...373的输出端O0可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7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，但锁存器部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时随数据D而变LE为低电平时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。2.74LS373的部引脚图3-374LS373引图引出端符号：D0～D7数据输入端OE三态允许控制端（低电平有效）LE锁存允许端Q0～Q7输出端3.1.4ULN2003芯片的选用与简介ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产,有电流增益高、工作电压高、温度围宽、带负载能力强等特,适应于各类要求高速大功率驱动的系统由于用此芯片设计驱动电路较为简单实用有很多优点所以本系统驱动电路设计部分就采用了此芯片。1.功能简单介绍ULN2003是大电流驱动阵列用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达。ULN2003是高耐压、大电流达林顿,由七个硅NPN达林顿管组成。电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻在5V的工作电压下它能与和CMOS路直接相连可以直接处理原先需要标准逻辑缓14/

...冲器来处理的数据。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产,有电流增益高、工作电压高、温度围宽、带负载能力强等特,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。2.ULN2003芯片引脚介绍图3-4ULN2003芯引脚图引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚2：CPU脉冲输入端。引脚3：CPU脉冲输入端。引脚4：CPU脉冲输入端。引脚5：CPU脉冲输入端。引脚6：CPU脉冲输入端。引脚7：CPU脉冲输入端。引脚8：接地。引脚9：该脚是部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10：脉冲信号输出端，对应脚信号输入端。引脚11：脉冲信号输出端，对应脚信号输入端。引脚12：脉冲信号输出端，对应脚信号输入端。引脚13：脉冲信号输出端，对应脚信号输入端。引脚14：脉冲信号输出端，对应脚信号输入端。引脚15：脉冲信号输出端，对应脚信号输入端。引脚16：脉冲信号输出端，对应脚信号输入端。3.2光转电设光电转换电路由八个一样基本电路组成，每个基本电路由光敏二极管，电15/

...阻（含可变电阻容，运算放大器组成。运用运放放大光敏二极管采集到的光电流并将其转换成0~5V的电压信号输入到的模拟信号输入端。1.光敏二极管的分布设计在这个设计电路中，光敏二极管的分布起到了不可或缺的作用，只有合理的分布光敏二极管才能有效采集光强信号并将东西南北四个方向的微小信号放大将信号处理后才能精确控制电机的转动从而实现太阳能电池板和太线呈垂直方向。其中光敏二极管的分布图如下：B电池D1D5

TD4D8D7D3

D:光敏二极管空心圆筒：电池板光敏二极管分布图图3-5光二极管分布图光敏二极管D1，D2，D3，D4别分布在圆筒的外侧主要用于初步对准，其中D1，D3分布在南北两侧D2，D4分布在东西两侧；D5，D6，D8别分布在圆筒的侧主要用于精确校准，其中D5，D7分布在圆筒部南北两侧，D6，D8布在圆筒部东西两侧。光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件的核心部分也是一个结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且的结深很浅，一般小于1微米。光敏二极管是在反向电压作用之下工作的没有光照时反向电流很（一般小于0.1微安为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电---空穴对称为光生载流子它们在反向电压作用下参加漂移运动使反向电流明显变16/

1i:..1i:大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下所产生的电流叫光电流如果在外电路上接上负载负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。2.光电转换电路设计如下图所示我们采用光敏二级管即可准确采集光照强度并通过这个电路来得到所需要的模拟电压信号，并将模拟电压信号送到AD转换电路。图3-6光转换基本电路光敏二极管光电流与照度的关系曲线如下图：光电流mA）0.050.040.030.020.01020040060080010001200

照度）图3-7光敏二极管光电流与照的关系曲线根据太光照强度和特性曲线可知光敏二极管的光电流大约在0~100uA;电路中的LM324是个四集成运算放大器，工作在负反馈状态。由电路可推得其1端(AD输入）电压为：U

i

i*(12)

（3-1）1光敏二极管D1产生的光电流。1:50K可调电阻。17/

...R2定值电阻。通过调节可调电阻使得随着光照强度的变化输出电压控制在中并联电容C1是防止由于外界影响而导致输出电压持续变化。3.3AD转模电设针对由光强检测电路得到的模拟电压信号，我们采用了换器，将模拟电压信号转换成数字信号，然后通过单片机进行处理AD转换电路包括电压信号输入部分锁存器部分转换器部分和单片机处理电路组成。由于AD转换精度较高，保证了太阳能自动跟踪系统的流畅运行。1.AD转换的原理A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。

模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位10位、12位和位等。A/D换器的工作原理主要有三种方法：逐次逼近法、双积分法和电压频率转换法。A/D换主要有四个步骤：采样、保持、量化、编码。而本次设计中用到的是逐次逼近型的ADC0808芯片ADC0808非常适用于过程控制、微控制器输入通道的接口电路、智能仪器和机床控制等。2.AD转换模块电路设计本部分通过ADC080874LS373完成从检测电路检测到的电压模拟信号转化成八位二进制编码的数字信号，然后把数字信号通过单片机的口送人到单片机中并进行处理。如图所示：18/

...图3-8AD转模块电路设计图从光强检测电路得到的电压信号通过ADC0808的IN0～IN7送入ADC0808芯片中，P2.7（地址总线最高位作为片选信号，在启动转换时，由微控制器的写信号WR和P2.7通过与非（74LS02连接到的ALE端，来启动模数转换。由微控制器的读信号RD和P2.7控制ADC的数据输出。将单片机的P0.0、P0.1和P0.2通过74Ls373地址锁存器ADC0808的ADDA、ADDB和ADDC相连接，以选通采集通IN0～IN7的一个通道。的地址由P0口和P2口提供，即P0口作为地址/数据复用口，提供低8位地址；P2口提供高8位地址。通过将单片机中引脚74LS373的LE引脚相连和单片机中P0和74LS373的Di引脚相连能使在读写片外存储器时，74LS373能够输出低8位地址。ADC0808CLK上的时钟频率为。为了得到此频率，AT89C51采用12MHz时钟频率然后经过74LS74芯片4分频得到此时的转换速度为。在程序运行时，利用测的接，判断是否转换结19/

...束若EOC输出一个正脉冲则申请中断此时取出转换地址里面的转换数据进行处理控制。3.4电驱电设前面介绍了光电转换电路，转换电路，和单片机电路设计部分，其最终目的也就是要控制电机的正反转本系统用到的是四相步进电动机四相步进电动机是将电信号转变成角位移或线位移的开关控制元件其转速停止位置只与脉冲信号的频率和脉冲数有关有误差小易控制等特点广泛用于仪器设计。1.电机基本原理与介绍布距角：每给一个电脉冲信号电动机转子所应所转过的角度理论值。布角距

b

360z1r

。式中z为转子齿数；运行拍数，通常等于相数或相数r的整数倍。即。m为电动机相数。齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，1360通常定子和转子具有一样的齿距角。齿距角。r步进电机通常采用单双八拍工作方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A(一个脉冲信号转3.75度)使太阳能电池板能够在最合适的位置采集最大光照强度五线式步进电机脉冲电流来驱动每旋转一圈以个激励信号来计算ULN2003驱动一个5V直流电机ULN20038接地9脚接七路输入，假如用第一路,那么就是输入16是输出.将直流电机电源一端接另一端接16脚.这样1脚接5V高电平时电机就转了.1脚接地时电机就无工作电流。ULN2003是反向的芯片，管脚1-7作为输入，接单片机引脚，脚接地，作为输出9脚接12V电源，基本工作原理：如1脚输入高电平1，16脚输出低电平0，反之一样！一般来说，步进电动机的工作电压5V，对应芯片的9脚接步进电动机的工作电压5V。输入接上拉。输入接单片机引脚。引脚输入低电平，ULN2003就输出高电平，正反转跟输入电平有关。2.单片机驱动电机电路设计步进电机接口单片机电路图如下。20/

...图3-9单机驱动电机电路原理图由上图可知，由单片机的接口p1.0-p1.7输出数字信号，在信号的传输中可能产生各种干扰，或输出的信号不稳定，所以为使电机工作在稳定的状态，采用6施密特触发反相器，将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。用p端口的p1.0-p1.3接电机，p1.4-p1.7接电机B。通过改变P0口电平的高低和变化时间来控制步进电机的正反转、转角和转速。如图在电机的驱动芯片ULN2003A上外加5V电压，使电机正常工作。控制电机

逻辑电路

驱动电路

M步进电动机电路用电用直电源图3-10步进电动机系统框图3.5系硬电与械分计1.主板电路原理图21/

...图3-11光转换电路22/

...图3-12系信号处理电路2.机械设计部分太阳自动跟踪装置结构示意图如图-13所示,其主要功能是固定支撑太阳能电池板,实现对其高度角和方位角的调节控制。图3-13太阳自动跟踪装置结构意图23/

...B电池D1D5

TD4D8D7D3

D:光敏二极管空心圆筒：电池板光敏二极管分布图图3-14光二极管分布图太阳能电池板高度角的调节是由步进电机A带动丝杠转动,改变与螺母之间的有效丝杠长度完成的。有效丝杠长度与高度角之间的关系如图-14所示。图有丝杠长度与太阳能电池板高度角关系示意图在调节太阳能电池板高度角时可根据勾股定理和余弦定理得出有效丝杠长度公式当前高度角算得有效丝杠长度再换算成步进电机A转轴转动的圈数从而达到调节太阳能电池板高度角的目的取太阳能电池板与地面平行,即高度角为90%时,作为系统高度角的复位基准,由光电门开关控制。太阳能电池板方位角的调节是由步进电机B带动齿轮转动,改变太阳能电池板的方位角。太阳能电池板方位角如图3-16所示。选取太阳能电池板朝向东北方向,即方位角为-135%,作为系统方位角的复位基准。

A24/

...图3-16太能电池板方位角示意图3.系统原理分析图是传感器光敏二极的分布结构图设置一个圆筒形的外壳,在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4个光敏二极管,其中光敏二极管D2D4东西对称安装在圆筒的外侧,用来粗略的检测太阳由东向西运动的偏转角度即方位角;另一对光电二极管D1、D3北对称安装在圆筒的外侧,用来粗略检测太阳的南北方向的偏转角度即高度角。光敏二极管D6、D7则安装在侧用于精确校准侧装有一片滤光片防止夏天时日照强度过大使光敏二极管饱和。从8光敏二极管输出的信号经过预处理后,分别得到电压信号U1、U3、U4、U5、U6、U7、U8，将放大后的信号送入到中,把模拟信号转换成数字信号,然再送入微处理器AT89C51中,在AT89C51中,先判断各路信号的值来确定天气状况果是阴天或黑夜则停止跟踪,如果有则由软件计算出南北方向初步跟踪控制信号Ux=U1-U3，东西方向初步控制信号Uy=U2-U4,以与南北方向精确跟踪控制信号Upx=U5-U7，东西方向精确跟踪控制信号Upy=U6-U8;对于方位角跟踪而言,当太与电池板垂直的方向照射到传感器上时,、D4接受到的光照度一样,、D8接受到的光照度也一样,则Ux=0,Upx=0;对于高度角跟踪而言,当太与电池板垂直的方向照射到传感器上时,D1、D3接受到的光照度一样,D5、D7接受到的光照度也一样,则Uy=0,Upy=0;而当太偏离电池板垂直方向一个小角度时,D2可能受到环境光强的影响,不会反映出太线的变化;而由于侧光敏二极管和D8生的光电流不一样，单片机算出差值信号,该差值信号送入控制单元,控制太阳能自动跟踪装置调整太阳能电池板的角度,直到太阳能电池与太垂直为止。而当太偏离一个较大角度时,筒的光敏二极管可能接受不到太,而筒外的光电二极管D2、D4能反映出照度差值,该信号经运算放大器后送入控制单元,制太阳能自动跟踪装置调整太阳能电池板的角度,达到太偏离电池板垂直方向一个小角度时,统自动切换到D4和D6进行探测跟踪高度角跟踪原理与方位角跟踪原理类似从而保证太阳能电池板与太线垂直。25/

...4系统的软件设计单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU机存储器RAM、只读存储器ROM、多种口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统本设计采用的是89C51单片机它是控制这个系统的核心部分软件程序也是由单片机来操作其最终目的就是正确控制电机的正反转本部分以单片机的控制为中心来将各个模块电路连接起来，使读者更明白本设计的思想。26/

...4.1序法简介本部分主要介绍软件的流程设计部分，软件程序是整个太阳能自动跟踪系统的核心部分如果程序算法不好的话将会从整体上大大限制本设计的可用性和科学严谨性程序算法是对特定问题求解过程的描述是指令的有限序列每条指令完成一个或多个操作通俗地讲就是为解决某一特定问题而采取的具体有限的操作步骤。程序算法具有以下特性：）有穷性：在有限的操作步骤完成。有穷性是算法的重要特性，任何一个问题的解决不论其采取什么样的算法其终归是要把问题解决好如果一种算法的执行时间是无限的或在期望的时间没有完成那么这种算法就是无用和徒劳的，我们不能称其为算法。）确定性：每个步骤确定，步骤的结果确定。算法中的每一个步骤其目的应该是明确的对问题的解决是有贡献的如果采取了一系列步骤而问题没有得到彻底的解决，也就达不到目的，则该步骤是无意义的。）可行性：每个步骤有效执行，得到确定的结果。每一个具体步骤在通过计算机实现时应能够使计算机完成如果这一步骤在计算机上无法实现也就达不到预期的目的，那么这一步骤是不完善的和不正确的，是不可行的。）零个或多个输入：从外界获得信息。算法的过程可以无数据输入，也可以有多种类型的多个数据输入，需根据具体的问题加以分析。）一个或多个输出：算法得到的结果就是算法的输出（不一定就是打印输出）。算法的目的是为解决一个具体问题，一旦问题得以解决，就说明采取的算法是正确的，而结果的输出正是验证这一目的的最好方式。4.2统件序计本系统设计软件程序流程图如下图所示：27/

...开始初始U1，U3U4设定N

Y

黑等待且Uy=0Y

N读并NY

Ux=0Y

N

步进停止

步进

步进Y

N

停止

停止步进正转

步进反转

读并

Uy>0

Ux>0Y

NY

N

Y

N步进停止

步进正转

步进反转

步进正转

步进反转延分钟

Y

N步进正转

步进反转软件流程图图4-1软流程图28/

...本部分主要介绍该系统的软件部分，上图为软件运行流程图，其主要完成以下工作:(1)制A/D转换的启停,ADC0808的A/D转换控制信号由AT89C51提供,采用中断方式传送数据;(2)AT89C51中,对A/D转换后的光敏二极管输出的信号进行处理步骤如下:第1步判断U1，U2，U3，U4与设定值比较,如果差值小于零,则表示已经到了傍晚或者是阴雨天气,停止跟踪，等待照射。第2步:如果差值大于零，则表示有照射。然后再判断方位角初步控制信号Ux（U2-U4度角初步控制信号是否同时为零。第3步如果不同时为零，然后判断Ux是否为零。如果Ux=0，则控制高度角调整步进电机A停止。再判Ux，如果Ux>0，51片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机B转适当角度，然后再返回继续判断直至Ux=0；如Ux<0,51单片机则发出控脉冲信号控制方位角调整步进电B反转适当角度,然后返回继续判断直至Ux=0果Ux=0,51单片机则控制方位角调整步进电机B停止再判断Uy,如果Uy>0,51单片机则发出控制脉冲信号控制高度角调整步进电机A正转适当角度，然后再返回继续判断直至Uy=0;如果Uy<0，51单片机则发出控制脉冲信号控制高度角调整步进电机反转适当角度后再返回继续判断直至Uy=0；执行完第3步则完成电池板与太垂直的初步校准。然后返回。第4:如果同时为零，然后判断方位角精确调整信号Upx否为零。如果Upx≠0再判断如果，51片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机B正转一个微小角度，然后返回继续判断直至；如果Upx<0，51单片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机反转一个微小角度后返回继续判断直至Upx=0；执行完第4步则实现了方位角的精确对准。第5步:如果Upx=0,则方位角精确调整步进电机B停止然后判断高度角精确调整信号Upy是否为零。如Upy≠0，再判断。如Upy>0,51单片机则发出控制脉冲信号控制高度角调整步进电机A正转一个微小角度后再返回继续判断直至Upy=0；如Upx<0，51片机则发出控制脉冲信号控制方位角调整步进电机A反转一个微小角度，然后返回继续判断直至；执行完第5步则实现了方位角和高度角的精确校准此时太光线与电池板保持垂直由于太阳平均每小时旋转15°，为了防止电机持续工作消耗过多电能，本系统设计采用了每29/

...十分钟跟踪太一次。4.3软调子序主程序电压比Ux>0

Uy>0

Y

N

YN

Y

NY

N步进电机B调用正转大角度子程序

步进电机B调用反转大角度子程序

步进电机A调用正转大角度子程序

步进电机A调用反转大角度子程序

步进电机B调用正转小角度子程序

步进电机B调用反转小角度子程序

步进电机A调用正转小角度子程序

步进电机A调用正转小角度子程序电机旋转子程序调用规则图4-2电控制流程上图为步进电机程序调用流程。对于方位角的调节，当圆筒外侧东西方向光敏二极管产生光电流不同，转换后的电压也不同，如果初步校准信号则控制步进电机B顺时针旋转一个较大的角度，如果Ux<0则控制步进电机B逆时针旋转一个较大角度直至Ux=0然后判断Upx如果精确校准信号Upx>0则控制步进电机B顺时针旋转一个较小的角度果Upx<0控制步进电机B逆时针旋转一个较小角度。直至Upx=0。对于高度角调节同理。步进正转子程序：voidmotor1Rrun()//步进电机正转一周子程序{//MotorsbitA=P1^0;//定义管脚sbitb=P1^1;30/

...sbitC=P1^2;sbitD=P1^3;/////////////////////////////////////////步进电机驱动unsignedcharMotorStep=0;unsignedintMotorTimer=0;unsignedintMotorDelay,Speed=1,TIM,CT,CONT=5;#definespeed8//调整速度数值不要设的太低低了会引起震动。voidInitMotor(){A=1;b=1;C=1;D=1;}voidSetMotor(){//if(Speed==0)return;MotorDelay=Speed;//调整速度switch(MotorStep){case0:if(TIM)//A{A=0;//0xf1b=1;C=1;D=1;MotorStep=1;TIM=0;}break;case1://ABif(TIM){A=0;//0xf3b=0;C=1;D=1;MotorStep=2;TIM=0;}break;case2://Bif(TIM){31/

...A=1;b=0;//0xf2C=1;D=1;MotorStep=3;TIM=0;}break;case3://BCif(TIM){A=1;b=0;//0xf6C=0;D=1;MotorStep=4;TIM=0;}break;case4://Cif(TIM){A=1;b=1;//0xf4C=0;D=1;MotorStep=5;TIM=0;}break;case5://CDif(TIM){A=1;b=1;//0xfcC=0;D=0;MotorStep=6;TIM=0;}break;case6://Dif(TIM){A=1;b=1;//0xf8C=1;32/

...D=0;MotorStep=7;TIM=0;}break;case7://DAif(TIM){A=0;b=1;//0xf9C=1;D=0;MotorStep=0;TIM=0;CONT--;}break;}}voidsystem_Ini(){TMOD|=0x11;TH0=0xDC;//11.0592MTL0=0x00;IE=0x8A;TR0=1;}system_Ini();InitMotor();while(1){SetMotor();If(CONT==0)break;}voidTzd(void)interrupt1{TH0=0xfe;//11.0592TL0=0x33;if(CT++==speed){TIM=1;CT=0;}}}33/

...5结论本太阳能自动跟踪系统设计采取了传统的硬件和软件相结合的开发方法使用了AT89C51单片机作为整