太阳能；光照传感器；步进电机

IV摘要现如今，人类越来越追求节能环保的高科技系统。在\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"化石燃料日趋减少的情况下，太阳能早已经是人们还是能活中的能源使用的重要一部分，并发展很好。太阳能有\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"光能转换热能和\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"光能转换电能这两种方式，\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"可再生能源无畏是\t"/item/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD/_blank"太阳能发电。重要的就是能够将太阳能的合理利用。当今所生产的太阳能装置大多为位置不可变的固定装置。设计研究太阳能追光系统，通过光照传感器，接收到不同强度的太阳光，从而给STC89C52单片机一个脉冲；由STC89C52单片机控制步进电机在水平和垂直方向追光移动；其中装置有两个模式，包括自动与手动模式，手动模式由四个按键控制二维方向。从而最大程度的利用太阳能，增大了太阳能的利用率。关键词：太阳能；光照传感器；步进电机AbstractNowadays,humanbeingsarepursuingmoreandmoreenergy-savingandenvironmentalprotectionhigh-techsystems.Withthedecreaseoffossilfuels,solarenergyhasbecomeanimportantpartofhumanenergyuseandhasbeendevelopingcontinuously.Therearetwowaystousesolarenergy:photothermalconversionandphotoelectricconversion.Solarpowergenerationisanewrenewableenergy.Therationaluseofsolarenergyisthemostimportant.Mostofthesolarenergydevicesproducedtodayarefixeddeviceswithimmutableposition.Asolartracingsystemisdesigned,whichreceivessunlightofdifferentintensitythroughalightsensorandgivesapulsetothesinglechipcomputer.Thesinglechipcomputercontrolsthetracingmovementofsteppingmotorinhorizontalandverticaldirections.Thedevicehastwomodes,includingautomaticandmanualmodes,andthemanualmodeiscontrolledbyfourkeysintwo-dimensionaldirection.Thusthemaximumuseofsolarenergy,increasedtheutilizationofsolarenergy.Keywords：SolarEnergy；Illuminationsensor；Steppermotor目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景 11.2研究课题的目的及意义 11.3课题研究内容及设计指标 2第2章方案的论证与设计 32.1系统方案论证 32.1.1主控制器的选择 32.1.2直流电机与步进电机的选择 42.1.3光强检测模块的选择 42.1.4电压比较器的选择 52.1.5供电方式的选择 52.2系统方案的确定及系统框图 5本章小结 6第3章单元电路设计 73.1单片机最小系统 73.1.1复位电路设计 83.1.2时钟电路设计 93.2光电传感器 103.3光电转换工作原理及电路设计 103.4A/D转换模块电路设计 113.5步进电机驱动电路设计 123.5.1步进电机的介绍 123.5.2步进电机控制方式 123.5.3步进电机驱动电路 133.6单片机外围电路设计 143.7硬件系统组建 15本章小结 15第4章软件程序设计 164.1按键部分子程序 164.2指示灯部分子程序 174.3主程序模数转换 174.4驱动电路子程序 18本章小结 19第5章整机电路工作原理与调试 205.1工作原理 205.2电路的布局 205.3软件及硬件调试 215.4不足与进一步改进 23本章小结 24结论 24致谢 错误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。附录1译文 错误!未定义书签。附录2英文参考资料 错误!未定义书签。附录3整机原理图 错误!未定义书签。附录4程序代码 错误!未定义书签。附录5元件清单 错误!未定义书签。附录6实物图 第1章绪论到现在，可实现跟踪太阳旋转的仪器主要有：单轴的自动跟踪系统，步进式的自动跟踪系统，太阳灶自动跟踪。有的是有一定的缺点的，比如装置结构复杂，精度达不到要求，自动跟踪不能够实现。太阳能同时也是一次能源，但是他还是可再生得。资源非常丰富，使用还是免费的，不需要人们来想办法运输，同时对生活环境也没有什么污染。给人们创造了方便，节约资源，使社会及人类能够很好的生活在污染减少，还能无线利用太能能能源的时代，所以设计的研究的重大意义就是对太阳能的高效利用。1.1课题背景众所周知，太阳在从东方升起，向西运动者，根据这一变化，而目前接收太阳能的装置位置都是固定动不了的，对这一现象，也就不能够让太阳能完美的接收，太阳光就不能一整天的照射在太能能接收装置。因此，本文设计了一种太阳能的自动追光系统，使太阳能在这个自动装置上能提高太阳能的接收率。太阳能是一种新的可再生能源，用之不尽，能够使人们做到节能、环保，持续发展社会就应生活中对太阳能的利用有意义，节约有限能源。不管哪一种太阳能利用设备，如果它的收集热能的装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的阳光，那它就可以在有限的使用面积内收集非常多的太阳能。基于单片机双轴太阳能追光系统设计与制作这一课题，利用小的太阳能电池板来说，装置上装一些相应电子元器件，就可以在各种太阳能装置系统便可将其应用。太阳自动跟踪系统，硬件结构比较简单，成本低廉、稳定性也比较高、旋转精度高，就因为这些特点就可以提高太阳能的利用率，必然会有极大的发展潜力。理论分析表明，太阳能电池板垂直跟踪与非跟踪相比，发电效率可提高37.7%，显而易见，其环境效益与经济效益必然是巨大的。1.2研究课题的目的及意义燃烧煤炭，石油等能源不仅污染环境，而且它们属于不可再生能源，照2003年的煤炭开采速度，中国的煤炭再开采80多年即将枯竭。国内能源消耗非常多，解决能源利用的危机的可行方法就是提高太阳能得利用率。本文实现智能跟踪太能光的系统，就是可以达到提高太阳能利用率的系统。是集机电、光学，控制系统为一体的。太阳能智能跟踪太阳系统第一就是可节约资源，所以太阳能智能追光系统非常的值得各大电子设计人员研究和生活中的实际运用。以单片机为基础设计的智能追光系统，在实际应用中可靠稳定的工作，对太阳的追踪精度也比较高，使太阳能接收装置能够在一整天不断的接收，不浪费太阳能资源，使太阳能利用率达到最大限度。此装置如果能够广泛利用，那将会在发电站、太阳能电池方面、路灯、热水器等方面很好的使用。1.3课题研究内容及技术指标基于单片机的太阳能追跟踪系统设计与制作这一课题，首先利用单片机芯片及编程知识，设计并制作出太阳能追光的智能系统，可在太阳的运动轨迹位置检测系统的设计，利用步进电机控制指令对系统的运动操作（与太阳同步偏移）。研究的关键问题：本设计需要重点研究的、关键的问题及解决的思路是太阳角度跟踪的实现、太阳方位角跟踪的实现。由五个按键控制步进电机转动以及模式切换，利用光照传感器，通过单片机控制，当传感器捕捉光源时候，让步进电机自动转向，制作一种可随着太阳的运动而转动接收装置的设计。总体分析方案的设计：太阳控制系统总体方案论证主要涉及到核心控制器和设计中的器件的选择和应用，外围电路的选用，确定系统供电方案等，这些因素的确定有益于系统开发初期具体方案的实施。设计指标：1.可上下左右四个方向自动追寻光源，并控制步进电机自动转向光源。2.左右（水平）寻光角度范围0~360度，上下（竖直）寻光角度范围0~180度。3.手动模式下，可通过多个按键控制电机四个方向。4.手动模式下，状态指示灯呈红色，自动模式下，状态指示灯呈绿色。第2章方案的论证与设计2.1系统方案论证此系统由步进电机、光强度检测电路、STC89C52单片机以及外围控制电路等组成。太阳能电池板可以水平和垂直转动两个角度。控制机构通过检测光强判断后由单片机将分别调整水平角度与垂直角度。考虑到功能的实现、器件的适时性、价格和通用性等几个方面。硬件的选择是必然重要的。在设计电路的同时，要实现功能的基础上，尽量使电路能够简单化。首先对主控制器的选择，由于单片机的兼容性强，控制方便，不论输入输出都能够很好的完成，利用步进电机控制双轴使太阳能旋转角度，位置检测器主要经过选定的光敏传感器组成，通过光敏电阻实现光强的检测，控制部分主要是接受来自位置检测到的微弱信号然后经过放大后送给单片机指令，控制电机旋转方向，达到很好的追光效果。以下就对各个模块电路的详细对比。2.1.1最小系统电路方案设计整个系统的核心采用STC系列的单片机，与传统的AT89C51单片机使用方法完全相同，代码也都兼容，但是比传统的单片机运行速度快很多，内存也大了不少，功耗更低，价格也不是很贵，这款单片机还是现在市面上非常常见的，很适合电子爱好开发者或者大学生做一些小设计用。另外此系列单片机有4个IO口，都可作为双向I/O口使用，但也分别有着不同的功能，比如P3口就有第二功能，有串行口通信功能，用来程序的下载，还有定时器、计数器、外部中断等。经过介绍，以下是对单片机的选择对比。方案一：采用最经典的AT系列单片机作为主控制器，此款单片机是现如今开发者的需求高，实用性广，所以AT89S51单片机内存小，功能少，速度慢，并且目前市面上已经不常见了。方案二：采用STC系列单片机，STC系列是在AT系列的基础上进行改进，其功耗低、速度快、内存也足够一般设计者使用，使用方法都相同，程序代码上也都兼容，开发方便，比较适合这次设计中的要求，可以完全实现其功能。2.1.2电机电路方案设计太阳能追光，就会需要X轴Y轴配合着动作，也就要用到电机来控制，在之前接触中，想到电机脑子就想到了直流电机、舵机、步进电机等等，这三种也是在培训课上接触过的，都是应用到不同的设计中，都有自己的特点，直流电机可以应用于智能小车、轮式机器人等，舵机可以用于智能车的转向系统，简易机械手臂，步进电机的扭矩比较大，转速均匀，速度慢。三种电机对比，步进电机在这方面的应用比较多，也不会因为扭矩不够问题影响效果。方案一：直流减速电机：这种电机可以利用PWM脉冲宽度调制速度，应用最多的场合还是智能小车上，智能车在行驶过程太快会受到影响。另外直流电机在停的一瞬间还有惯性的缓慢停下来，这样会影响到打标的效果图案。方案二：舵机：舵机的工作电流很大，几个舵机同时工作的话就容易一下子降低总电源的电压，转动力矩比较像直流减速电机，但是控制方式不同，舵机需要控制其时间来使舵机转动一定角度，相对也会有误差，本身舵机就是可以转动最大为180°，对本文来说，这舵机根本就不用考虑了。方案三：步进电机：步进电机又通过线制不同应用也不同，大大小小都应用于不同场合，其扭矩大，控制灵活，只需要编码做好规律，即可控制，动作精准，很适合此次设计的应用。三个方案的电机都有不错的应用案例，只是不同环境下有一些区分，只要适合自己设计的就是最好的。所以选择方案三步进电机。2.1.3光照采集电路方案设计方案一：采用光敏电阻，其电阻的阻值是根据外界光的强弱使其电阻的变化，光强度大，它的电阻减小，光线弱的话，电阻就增大。根据光敏电阻的光照射下的特定波长，它的阻值将立即减小的特性。从而使光敏电阻值迅速下降。比较黑的环境下，它的阻值可到110M欧,反之，阻值(亮阻)只能有几百至数千欧姆，阻值是非常小的。光敏电阻与人眼器对光的敏感性的灵敏度很接近，只要人眼很容易感受到的光，都会影响到光敏电阻阻值变化。方案二：采用光强度传感器。采集范围大，灵敏度超高，光照度范围大，并且该传感器模块内置16位AD转换器，转换速度也很快，不许外接AD转换就可直接输出数字信号，减少电路的复杂程度，不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性，可对各种的光高精度检测，采用标准NXPIIC通信协议，块内部包含通信电平转换，可以直接用单片机IO口连接驱动，可靠稳定，但价格贵。2.1.4电压比较电路方案设计方案一：采用常接触到的电压跟随器LM324芯片，具有输入阻抗高，输出阻抗低的显著特点。起到隔离、缓冲、可提高它的带载能力。方案二：采用LM339作为电压比较器，在本设计中用作模拟电路和数字电路的接口，将正弦波变为同频率的方波或矩形波只要利用简单电压比较器即可。LM339不需要对其反馈，比较两个输入端的量就可直接判断相关信息，如比较器的同相输入大于反相输入端，既有高电平输出，否则输出低电平。2.1.5电源电路方案设计方案一：采用双电源供电。一个光采集模块专用电源其参数为5V1A，另一个电源给单片机及外围器件供电。此方案的优点在于工作电路稳定，但电路较复杂。方案二：只用一个电源模块供电即可。从光采集模块上直接引出单片机的电源线。由于单片机正常工作时所消耗的电流不大，基本上不会影响光采集模块的效果。2.2系统方案确定及系统框图经过以上反复的探讨对比决定双轴太阳能追光系统最终方案主要由STC89C52单片机作为核心控制器、步进电机、步进电机驱动模块、光敏电阻、按键控制电路、电压比较器。总体成本较低。性价比较高。同样可以很好的实现所要的功能。方框图的论述：系统主要由采用单片机作为整机的控制单元，利用光采集检测控制电机的转动角度，按键可控制电机。电路方框图如图2-1所示：单单片机最小系统按键模块电机模块光照采集模块指示模块图2-1电路方框图本章小结本章主要介绍基于单片机双轴太阳能追光系统设计与制作这一课题的方案选择，对三种方案的分析，最终确定以单片机为核心的数控稳压源，并对所选方案设计及原理给予分析。在下一章节当中，将对该课题中各单元电路的具体设计方案、元器件的选择作进一步论述。第3章单元电路设计3.1单片机最小系统整个系统的核心采用STC系列的单片机，与传统的单片机使用方法一样并且功能兼容，代码也都兼容，但是比传统的单片机运行速度快很多，内存也大了不少，功耗更低，价格也不是很贵，这款单片机还是现在市面上非常常见的，很适合电子爱好开发者或者大学生做一些小设计用。另外此系列单片机有4个I/O口，都可作为双向I/O口使用，但也分别有着不同的功能，比如P3口就有第二功能，有串行口通信功能，用来程序的下载，还有定时器、计数器、外部中断等。P1口驱动能力低，要想驱动较大电流的电路需要加上拉电阻，比如驱动接液晶显示器。如果让单片机正常工作，就需要接外围电路，在第9脚接复位电路、第18、19脚接时钟振荡电路。这样就构成了单片机最小系统，有最小系统就可以开发更多的设计。复位和时钟电路下面会做详细的介绍。其DIP封装如图3-1所示。图3-1DIP封装单片机单片机功能如表3-1所示。表3-1STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统4K可反复擦写FlashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能单片机最小系统是整个系统最主要的，以STC89C52单片机为核心，外围电路包括时钟电路、手动复位电路、供电电路等组成。主要完成数据的采集处理和转换，到控制电机。3.1.1复位电路设计复位电路：它是一种能使系统中的所有部件还原到某种特定的初始状态的电路设备。复位是单片机工作时不可缺少的组成，手动使使电路复位条件是通电后利用外围的充电电容复位电路，该电路在RST管脚上添个高电平利用电容充电，要达到系统复位的要求则需使该高电平的时间远大于两个机器期限。复位电路如图3-2所示。图3-2复位电i路系统通电的一瞬间，电容在充电的时候电流是最大的，几乎是电容短路状态，复位端此时是处于高电平，自动复位也就因此实现；电容两端的电压如果达到了电源电压的时候，此时该元件没有电流，可以看成是电容开路，RST端此时是处于低电平，程序能够实现正常运行。按键复位电路一般构成的元器件包含：微动开关、10K的电阻和1K的电阻；10μf的电解电容构成。当需要手动复位的时候，通过按下微动开关，接通两个电阻实现分压，这样呢复位端口输出就会获得一个高电压。如此就可以实现单片机复位，当松开手的时候，复位断开分不到电压就是低电压，低电压就不会复位单片机。3.1.2时钟电路设计单片机要工作就一定要有时钟电路，时钟电路在单片机最小系统中起到了给单片机运行提供基础时钟节拍的作用。如果单片机没有时钟电路就不能够正常工作，整个系统瘫痪。时钟电路：单片机有正常时钟控制信号才能安全的工作时，主要是与内部的放大器共同组成构成振荡电路，其输入端是XTAL1，输出端是XTAL2。时钟电路决定着整个系统是不是稳定。芯片外部这两个引脚分别接晶体振荡器两端并上启动电容，这样就完成了稳定的自激振荡器，能够向XTAL1和XTAL2引脚输入3V左右的正弦波，振荡电路就由此形成。如图3-3所示。单片机的外界的晶振，它的频率范围可以是1MHz到12MHz之间的一种，当频率越高时它运行的速度就越快。单片机驱动其他程序运行就快。但是也不能高于12MHZ，因为频率高于了这个上限值，单片机内部就采集不到时钟信号了，超出了单片机频率采集的最大范围。图3-3时钟电路3.2光照传感器光敏电路串接1K限流电阻。这种电阻事半导体的光电效应制成的电阻，阻值会根光强度而换；随着照射的光强度变大其电阻的阻值变小，而照射的光强度变小其电阻的阻值变大。通过其特性可以观察光照采集电路的输出转变，其输出的模拟数据送A/D转换器件转换，即可得到相应的光照度。3.3光电转换工作原理及电路设计主要用于接收太阳光，根据采集的信号，然后转换成电信号，由单片机控制的步进电机来达到太阳能装置的转动,让它与太阳光保持垂直角度。光敏电阻的分布如图3-4所示。图3-4光敏电阻分布如图中的A是对检测左面的远离光线，当太阳光远离接收板时A检测到的信号会输入给单片机，控制电机转动使其跟随太阳光左转。B检测端同理，向右转动。而检测C与D是检测垂直角度的，同理，只不过这两个检测点事实现垂直的转动带动太阳能接收板。光电转换电路如图3-5所示。图3-5光电转换电路3.4A/D转换模块电路设计主要是两个模块组成，主要是光面电阻检测光强度，将电压信号给PCF8591芯片，模数转换电路将模拟信号转换成数字信号给单片机，单片机再读取相应的数值和处理，将测得的光强度送入根据预设的对比，实现步进电机的动作。需要注意的是，通电后要等光敏电阻初始化稳定一会才可以测量。传感器其体积小，兼容性强，性价比高所以很受欢迎，其到现在为止已经很普及了。学习和使用可以懂得转换器的工作原理，也可帮助学习单片机开发技术水平的提高。其此转换器的最高分辨可以达到256级，适应大多数需要转换模拟量的要求。它芯片内部电源的输入跟参考电压值的复用，可以使它的模拟电压输入值在0V~5V之间。芯片转换时间仅为32微秒，有两数据输出可作为数据的检验，更加减少了数据的误差，不仅转换的速度快，稳定的性能还比较强。A/D转换电路如图3-6所示。图3-6A/D转换电路3.5步进电机驱动电路设计前面介绍了光电转换电路，A/D转换电路，和单片机电路部分的设计，其最终的目的也就是要控制步进电机的正反转。步进电机是将电脉冲转化为角位移的开环控制执行机构。3.5.1步进电机的介绍当驱动模块接收到单片机给出的一个脉冲信号，它就可以驱动步进电机按自己想要的设定方向转动个一定的角度，又名“步距角”，步进电机的转动时的角度是一步一步进行的，可以通过脉冲的个数来控制，因此非常精确，还可以通过控制脉冲的频率来控制电机的转动速度和加速度，达到PWM调速的目的。步进电机不像普通的直流电机那样在常规下使用。所以系统必须同时配备了步进电机驱动器来配合步进电机共同完成自动加料的过程，这样才能达到正常工作的效果，电机运行中的系统性能，除了和本身的有关系，有多半是决定于驱动电路的性能好赖，因此电机驱动和电机的搭配也是很重要的，本次加料控制的设计中电机采用的是ULN2003芯片构成的驱动模块和二相四线性步进电机。3.5.2步进电机控制方式四相步进电机是初学者最常用的电机，主要原理是将电信号转成角位移的开关控制，脉冲信号的频率和脉冲数控制步进电机的其转速、转动时间，具误差非常小，控制简单，广泛用于仪器设计。选用28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。当有单片机给步进电机连续的脉冲信号时，它就会不停的转动。四相步进电机可以在单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）这三种不同的方式下工作。3.5.3步进电机驱动电路显然如果利用改变电压来对步进电机的功率进行调节是非常困难的，但是在对许多功率器件的功率调节还有一种常用的方法PWM（脉冲宽度调制）。功率调节在生活中许多地方都有应用，如直流电机、加热器、LED等，这种方法当然可以很显然的用到步进电机上，PWM脉冲频路尽可能不小于1KHz，如果频路过低则回造成宏观抖动，从而失去调节功率的作用。根据设计方案使用ULN2003芯片驱动步进电机，ULN2003内部为大电流符合晶体管阵列，七组NPN形达林顿三极管组成，具有高耐压大电流的特点。引脚输入低电平，ULN2003就输出高电平，正反转跟输入电平有关。电路图如图3-7所示。图3-7驱动芯片3.6单片机外围电路设计1、电源模块电路其中J1是电源插头，L1为电源开关，C1、C2两个电容都起到滤波作用，是电路系统运行更加稳定，并且当开关按下时，D1电源指示灯会亮起，为使LED寿命延长，在LED一端串联一个电阻，作为限流，保护LED不烧毁。图3-8电源电路2、按键电路其中手动、自动模式S1按键控制切换，上电后默认为自动模式，S2，S3，S4，S5是手动模式下，利用手动按键来控制步进电机的正反转。图3-9按键电路3、指示灯电路系统默认为自动模式，接通电源后LED1亮，当按下S1按键时，切换成手动模式，LED2亮。图3-10指示灯电路3.7硬件系统组建硬件部分主要由转动轴，底座，电池板支架，步进电机以及驱动电路转换电路构成，电机驱动作为控制机械部分，可使太阳光接收板能够实现360度和垂直方向0～80度的转动范围。用2个步进电机控制两个方向转动，分别水平和垂直。控制水平方向方位轴与地平面垂直，；俯仰轴即为轴与方位轴垂直，垂直方向的管控，通过单片机控制两个步进电机并与驱动芯片连接。太阳跟踪器工作时由于光强度的检测会根据太阳运动的轨迹来旋转角度，水平度，以达到跟踪的目的。本章小结本章介绍了本设计各单元电路，还有各自负责的工作，工作原理，主要模块有光强度检测电路，AD转换电路，步进电机及步进电机控制电路，其中还有一些外围电路的辅助，比如，按键控制电路，LED指示灯电路，电源模块，单片机最小系统。最后介绍了实物平台的具体搭建。第4章软件程序设计设计采用常见的STC系列单片机，它是系统的控制核心，软件部分也由单片机来操作，其最终目的就是正确控制电机的正反转。本部分以单片机为核心控制器将控制操作各部分电路，按键主要有手动和自动模式两种切换，手动模式下可进行上、下、左、右四个方向来控制电机的转向，当选择为手动模式时红色指示灯亮，自动模式绿色灯亮，系统上电后默认状态为自动模式。。可设四个方向的光敏电阻的光强度值，分别为U1、U2、U3、U4，设精度为10°。主程序流程图见附录4所示。4.1按键部分子程序上电后程序开始初始化，按键去抖动，就会检测判断按键是否有人按下，如果有判断按下将执行相关功能的按键指令，如果没有按下，继续判断等待。按键程序流程图如图4-1所示。程序初始化程序初始化按键消抖判断按键按下执行相应指令等待按下YN图4-1按键子程序流程图4.2指示灯部分子程序作为指示灯电路，主要是用来在手动模式和自动模式切换的一种指示，以便于分辨当前是处于哪种模式，方便用户操作，LED1输出高电平说明此装置在自动模式下。指示灯程序流程图如图4-2所示。程序程序初始化判断按键次数LED1=1；手动模式开启if（K=1）LED1=0；自动模式开启If（K=2）图4-2指示灯程序流程图4.3主程序模数转换数模转换也是非常重要的，光电转换的电压值输入到A/D模块后，经过PCF8951芯片里的电压采样，最后输出数字信号，再把信息传送给单片机，从而控制步进电机正反转。流程框图如图4-3所示。模拟多路输入模拟多路输入输入采样保持比较器逐次比较寄存器输出驱动采样保持DAC图4-3A/D模块流程框图本设计AD转换主要用的是PCF8951模块，8位A/D输入，内含采样保持电路，1路8位输出，内含有ADC数据寄存器。意思是芯片内有四个通道，所以分为以下程序的四种情况。Case0是用来读取8951芯片第一通道所采集的到模拟量的值；0x41是控制发送的字节；IRcvByte(PCF8591)是用来接收读取AD转换的数据；本设计在AD模块中，利用芯片PCF8951，输入和输出都进行了电压保持采样，即系统内部自己进行了两次采样，所以最后输出电压得需要IRcvByte(PCF8591)*2，这才保证输入和输出数据相同，确保了数据的准确性；ADC是用来寄存每一通道输出的数据。以下通道同理。4.4驱动电路子程序设定10为精度值，制作中一共设计有上下左右四个光敏电阻，在光照下就会产生电压，上边电压大于下边电压或者两边电压值差大于10，或者选择手动模式，此时按向下旋转的按键，控制水平角度的电机则反转，若下边电压大于上边电压或者是两电压值相差大于10，或者手动模式下按下向上的按键，水平电机正转。同理，左边电压大于右边电压或者两者差值大于10，或者手动模式下按下向右的按键，方位电机右转，若右边电压大于左边或者两者差值大于10，或者手动模式下按下向左的按键，方位电机左转。电机调速原理其实就是PWM波用单片机定时器来产生一段可调时间的脉宽，来进行控制电机的转速使步进电机稳定工作。主要是通过定时器控制可调的脉冲宽度方波，方波中高电平低电平的时间宽度是一定的，通过给高电平的时间长短来形成持续的方波，电压也随之改变，所以调程序代码就可以对电机速度进行自己所需要的调整。如图4-4所示。初始化初始化读U1U2U3U4读U1＞U2或U1-U2＞10读U2＞U1或U2-U1＞10读U3＞U4或U3-U4＞10读U4＞U3或U4-U3＞10水平电机反转水平电机正转方位电机右转方位电机左转图4-4驱动子程序流程框图本章小结本章主要介绍了整个系统中各个模块的软件设计及原理，还有编写的程序，主要模块的软件编程，比如，按键模块，LED灯显示模块，步进电机驱动模块，AD转换和AD电压采样模块。第5章整机工作原理与调试5.1工作原理系统设置5个按键，手动/自动模式按键、电机控制调整按键（上、下、左、右）。在接通电源后，系统默认为自动模式，首先通过光敏电阻对光线的采集，根据光敏电阻阻值特性，然后将阻值的变化转换成信号，后将信号由运算放大器放大后传输出给单片机来处理，比较，然后通过向系统传递信号控制电机的启动和运转。单片机控制系统对数据分析进行调整，控制装置的转向，使得电机一直对着太阳转动，实现了对太阳的自动跟踪。手动模式下，根据人为操控，使太阳自动追踪系统方向的转换。整机原理图见附件3所示。5.2电路的布局将硬件电路焊接成实物的过程中，我们不能直接按照电路图进行元件的焊接，这样不仅容易导致严重错误，而且对整体产品的性能有着极大的影响。所以在焊接之前，必须考虑到整体电路的布局。在保证科学合理的基础上让整体电路更为美观。通常电路布局有如下的要求：1.能够实现整体设计指标和；2.整体电路方便检测和维护；3.避免元件之间的干扰；4.元件之间的间距适当；5.考虑到某些元件发热和电磁效应等；6.各元件之间避免交接穿插；7.在保证电路布局合理的基础上，尽量美观。元器件的焊接：在将硬件电路变成实物的过程中，元件的焊接起着不可替代的作用。在焊接过程中，一般遵循先焊接大元件再焊接小元件、先焊接集成元件再焊接分立元件的焊接原则。其中电烙铁是将焊点加热，再将焊锡放于上方将其融化，让电子元件和电路板焊接到一起。只是使用的电烙铁是内热式电烙铁，功率为20W。其功率越大，所散发出来的热量也就越大。如果功率过小，则不能很好的焊接。如果功率过大，又极容易损坏元件。在焊接的过程中，需要注意，电烙铁焊件与焊点呈一定角度。待焊点加热至合适程度之后，再将焊锡放入烙铁和元件之间进行熔化焊接。焊锡量应当适中，焊锡过多不仅浪费，而且还容易导致电路短路。焊锡太少容易导致焊接不牢固，造成虚焊。最理想的焊接质量是焊点光滑饱满，大小适中，刚好完全覆盖旱点。焊接时间保证在1.5~3秒，过长容易损坏元件，过短容易造成虚焊。当然这需要极高的技术要求，对初学者有着极大的挑战。5.3软件及硬件调试软件调试是根据软件编程时候来进行编译判断对错的过程，然后用单片机最小系统板测试编写的代码进行一点一点的程序调试，根据实物的实际操作判断程序的修改方式，直到满足设计要求。本设计采用proteus和keil软件进行仿真和调试，如图5-1和图5-2所示，首先在proteus软件中描述硬件电路，然后在keil软件源程序中编写电机控制源程序，生成汇编后的十六进制文件，最后将生成的目标文件添加到模拟调试MCU中。调试过程：首先，打开keilC51主程序，新建项目，新建文本框编写程序，保存，检查是否存在语法错误，经过反复检查无误，编译，生成51单片机可执行十六进制文件。然后将十六进制文件写入微控制器，写入软件与51开发板匹配。目前最常使用的调试方法有整机调试和部分调试。整机调试就是对整体电路看成一个系统，在上电过后看是否能够完成相应指标。如果不能完成相应指标，根据其现象分析到底是哪个模块出现问题，进行修改和调试，直至能完成各个相应的指标。这种方法对技术要求比较高，而且对电路的焊接和电路图是否合理，有着极为严格的要求。还有一种比较简单的方法，就是部分调试。即在上电过后，如果电路没有出现预期的功能。将整体电路根据原理不同分为小的区间，在一一检测各功能模块是否正常工作。如果某一个模块不能正常工作，说明该模块出现问题。在解决完所有问题过后，完成对整体电路的调试。这种调试方法工作量比较大，但是调试过程比