太阳能光跟踪装置

摘要太阳能光跟踪装置是一种通过低功耗单片机控制的光伏组件光跟踪装置，该装置通过检测光源位置，驱动步进电机，能够自动跟踪太阳光的运动，保证太阳能装置的能量转换部分所在的平面始终与太阳光保持垂直，使太阳能装置能够最大限度的利用太阳能。系统主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感器采用光敏电阻，将五个完全相同的光敏电阻分别放置于检测面板的上下左右和中心位置，当太阳光线发生偏离，光敏电阻接收到的光照强度不相同时，通过信号转换电路将信号送给单片机，由单片机分析，控制驱动步进电机正反转。步进电机分为横向步进电机和纵向步进电机两个，横向步进电机带动电池板使其能够在水平方向转动，实现电池板对太阳光的跟踪，纵向步进电机带动电池板在垂直方向能够进行仰角的调整，并通过通信接口将部分数据反馈给单片机进行程序上的修正，使其无论在什么时候都能够使电池板与太阳光保持垂直。太阳能追踪系统的开发与研究，减少了太阳能资源的浪费，大幅度提高了对太阳能的利用率。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。关键词：步进电机；太阳能跟踪；光敏传感器

AbstractThesolarenergylighttrackingdeviceisapvmoduleslighttrackingdevicethroughthelowpowerconsumptionMCUcontrol,thedevicethroughthedetectionlightsourceposition,drivesteppingmotor,themovementofthesuncanautomatictracking,ensurethatsolarenergyconversiondevicesintheplaneofthesunalwaysandkeepthevertical,makesolarpowermaximumuseofsolarenergy.Thesystemincludessensorsignalintothecircuit,part,MCUsystemandmotordrivecircuitandsoon.Thesystemadoptsphotoelectricdetectiontrackingmodeltoachievethetrackingofthesun.Sensoradoptsphotoconductiveresistance,makethefiveidenticalphotoconductiveresistancerespectivelyinplaceofthepanelup,down,leftandrightandtestingcenterposition,whenthesunlighthappendeviation,photoconductiveresistancereceivesthelightintensitythatatthesametime,throughthesignalcircuitwillsignaltoasingle-chipmicrocomputer,bytheone-chipcomputeranalysis,thecontroldrivesteppingmotorandreversing.Steppingmotorisdividedintohorizontalandverticalstepmotorsteppingmotortwo,horizontalsteppingmotordrivepanelswhichcaninhorizontaldirection,torealizethesunpanelstrackingthelight,thelongitudinalsteppingmotordrivepanelsinverticaldirectioncanbeadjustedtotheelevationof,andthroughthecommunicationinterfacewillbepartofdatabacktothefixedontheprogramMCU,makeitnomatterwhattimecanmakepanelsandthelightfromthesuntokeepthevertical.Theresearchanddevelopmentofthesolarenergytrackingsystem,reducethesolarenergywasteofresources,Improvedtheutilizationrateofthesolarenergy.Atthesametimethesolarenergyisakindofpollutionfree,tostrengthenthedevelopmentofsolarenergy,tosavetheenergy,protecttheenvironmentalsohassignificantmeaning.Keywords：steppermotor；solarpowertrack；photosensor

目录第1章绪论 11.1课题研究背景与意义 11.2太阳能光跟踪装置的现有科技水平 31.2.1太阳能利用的发展现状 31.2.2太阳能光跟踪装置的发展现状 51.3指标参数 6第2章太阳能光跟踪装置的方案论证 72.1跟踪方式的选择 72.2单片机的选择 92.3步进电机的选择 102.4步进电机驱动芯片的选择 10第3章整体电路设计 123.1系统总体框图 123.2系统总体设计方案分析 133.2.1光源检测部分设计方案分析 133.2.2单片机设计方案分析 133.2.3DC/DC转换电路设计方案分析 133.2.4光源跟踪部分设计方案分析 133.2.5通信模块设计方案分析 133.3整体电路原理说明 14第4章各单元电路的设计与分析 164.1信号转换电路的设计 164.1.1LM324功能介绍 164.1.2信号转换电路 164.2单片机及外围电路的设计 174.2.1ATmega16单片机功能简介 174.2.2ATmega16单片机引脚说明 194.2.3单片机最小系统 214.3步进电机及驱动电路的设计 224.3.1步进电机特性介绍 224.3.2THB6016H功能简介 224.3.3THB6016H引脚说明 224.3.4步进电机驱动电路 244.4DC/DC转换电路的设计 254.4.1LM2575功能简介 254.4.2LM2575引脚说明 264.4.3DC/DC转换电路 264.5通信接口的设计 284.5.1RS485通信方式的介绍 284.5.2MAX485功能简介 284.5.3MAX485引脚说明 294.5.4RS485接口定义介绍 294.5.5DB9引脚说明 304.5.6通信接口电路 31第5章系统软件说明 325.1主程序流程图 325.2步进电机控制子程序 335.3通信部分控制子程序 34第6章测试方案与测试结果 366.1对DC/DC电路的测试 366.1.1测试连线框图 366.1.2测试条件与仪器 366.1.3测试结果 366.2对步进电机的测试 376.2.1测试条件与仪器 376.2.2测试方案 376.2.3测试结果 37第7章结论 39参考文献 40致谢 42附录Ⅰ英文资料 43附录Ⅱ电路原理图 50附录Ⅲ元器件清单 51附录Ⅳ部分程序代码 53绪论课题研究背景与意义随着时代的前进，人类社会和经济的发展速度日益增加，但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础，社会经济发展得越快，人类对能源的需求就越大，利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。当前，包括我国在内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，然而长期以来，世界能源主要依靠的石油和煤炭等矿物燃料，都是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。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和开发工作。虽然如今煤炭、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，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在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长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26%。预计在未来5至10年内，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。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，目前矿物燃料提供了世界商业能源的95%，且其使用在世界范围内以每10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。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有四大优点：储量的“无限性”，太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75×1021kW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达1.73×1011kW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1×1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7×1013kW，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。存在的普遍性，虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。利用的清洁性，太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。利用的经济性，可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用己具经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。太阳能的利用也有它的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的，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，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。第二，大气影响较大，给使用带来不少困难。尽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，究其原因，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，仍为国内外学者的研究热点。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阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。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阳光，那就必须要跟踪太阳。太阳能的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差很大，固定安装方式全天平均日照有效时间约为3.5小时，而太阳能跟踪能使发电量增加45%，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。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，而进行太阳追踪系统的开发研究，这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。太阳能光跟踪装置的现有科技水平太阳能利用的发展现状太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业从1999年的201MW增加到2005年的1100MW。目前以32.1%的年平均增长率高速发展，位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划，2010年光伏发电装机容量达到5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是2010年光伏发电装机容量达到3GW。美国能源部制定了从2000年1月1日开始的5年国家光伏计划和2020～2030年的长期规划，以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度，2010年美国光伏销售达到4.7GW。发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的10%左右。预测未来10年仍将保持10%或稍高的发展水平，达到1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年发展迅速,居发展中国家领先地位,目前光伏系统的年生产量约10MW，累计安装量40～50MW。因此，到2010年世界光伏系统累计安装容量已经达到14～15GW。日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。1990年德国政府推出了“一千屋顶计划”，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量1～5千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已用4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。2005年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到2015年，美国光伏发电成本将从现在的21～40美分/千瓦时降到6美分/千瓦时，届时，太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。印度也于1997年12月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入3000万法郎资金，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南至北，自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960万平方公里，占世界陆地总面积的7%，居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能辐射量为33408400MJ/(m2.a)，中值为5852MJ/（m2·a）。我国太阳能资源丰富和比较丰富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类地区，年日照时数大于2200h，太阳辐射总量高于50165852MJ/（m2·a），面积约占全国总面积的2/3以上。太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式，随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施，太阳能光伏发电技术取得了较快发展。目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖25千瓦光伏电站，西藏安多100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场150千瓦太阳能光伏电站等。这些电站都建在光照充足，地理位置偏僻，电网不能到达的地区。近来一些几瓦到几百瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。2005年我国系统累计装机容量为70MW，《中华人民共和国可再生能源法》，承诺2010年太阳能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看，2006-2020年每年的平均装机容量约60MW。我国由建设部制定的《建筑节能“九五”计划和2010年规则》中已将太阳能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达1000余家，年产值20亿元。根据我国1996～2020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站——安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。太阳能光跟踪装置的发展现状现阶段国内外已经有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。单轴跟踪一般采用：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理基本相似。双轴跟踪又可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟踪。太阳能设备的能量转换部分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。工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角:反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，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轴线，极轴支承装置的设计比较困难。目前，国外对于太阳光线自动跟踪装置(或称为太阳跟踪器)的研究有，美国Blackace，在1997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，接收器对太阳能的热接收率提高了15%。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阳光的透镜，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。1998年美国加州成功的研究了八JM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多能量，使热收率进一步提JoeLH.Godman研制了活动太阳能方位跟踪装置，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量的获取率。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。1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置1321。捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。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收的太阳辐射能约为50×1018KJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837KJ/cm2·A，中值为586KJ/cm2·A。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地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”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，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。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4天，其它地区的太阳年辐射总量居中。在太阳能跟踪方面，我国在1997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。在国内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，1994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。指标参数本装置通过单片机的控制，可以跟随太阳的转动方向来调整采光部分的方向，使太阳光与采光部分始终保持垂直，达到最大限度利用太阳能的目的。装置能够达到以下指标：光伏组件端电压36V，蓄电池电压24V，光源位置检测精度0.25°/分钟，步进角度<0.1°，采用RS485标准通信方式。太阳能光跟踪装置的方案论证跟踪方式的选择目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但主要采用的方式有以下几种：程序控制式跟踪；时钟式跟踪；视日轨迹跟踪；光电式跟踪。下面就这两种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。方案一：程序控制式跟踪程序控制式太阳跟踪方式是与计算机相结合的。首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，最后通过电机传动装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。在美国加州建成的10MW太阳1号塔式电站，就是使用这种控制系统，在总计28万平方米的范围内分散着1818块反射镜。首先计算出太阳的位置，然后求出每个反射镜要求的位置，再通过固定在两个旋转轴(高度角和方位角跟踪轴)上的13位增量式编码器得到反射镜的实际位置，最后把反射镜要求所处的位置同实际上所处的位置进行比较，偏差信号用来驱动122.5W的支流电机，使反射装置对太阳运动进行跟踪。这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。方案二：时钟式跟踪时钟式太阳跟踪方式是一种被动式的跟踪方式，有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法。根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。双轴跟踪器的主要结构是通过电机带动反射器以每小时15度的恒速绕日轴转动，以跟踪太阳的赤经运动，另一个电机带动反射器以每天以巧分的恒速绕季轴旋转，以跟踪太阳的赤纬运动。这样反射器就能全年和入射阳光相垂直，达到跟踪太阳的目的。为了完成这两个方向上的跟踪，机构应该采用子午坐标跟踪系统。这种跟踪装置的主要优点是：结构简单，便于制造，并且该装置的控制系统也十分简单。其主要缺点是跟踪精度不够。太阳的高度角随季节的变化不是均匀的，对这种属于被动式的跟踪装置，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双轴跟踪系统累积误差比较大，需要定期进行校正。方案三：视日轨迹跟踪不论是采用极轴坐标系统还是地平坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。太阳跟踪装置采用地平坐标系较为直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。而在赤道坐标系中赤纬角和时角在日地相对运动中任何时刻的具体值却严格已知，同时赤道坐标系和地平坐标系都与地球运动密切相关，于是通过天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系。根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。由此可以看出，该种跟踪方案不论采取何种算法，算法过程都十分复杂，计算量的增大会增加控制系统的成本。而且这种跟踪装置为开环系统，无角度反馈值做比较，因而为了达到高精度跟踪的要求，不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求，而且与仪器的安装是否正确关系极为密切。工程生产中必须要求机械结构加工精度足够高。初始化安装时，仪器的中心南北线与观测点的地理南北线要求重合。同时，还要通过仪器底部的水平准直仪将底面调节到与地面保持水平，使仪器的高度角零点处于地面水平面内。方案四：光电式跟踪光电式太阳跟踪首先设置一个圆筒形外壳，在圆筒内部，东、南、西、北和中心五个位置上也分别布置5只光电阻，其中一对光电阻东西对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度，另一对光电阻南北对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度，中心位置的光电阻用来检测入射光线是否与跟踪装置主光轴平行。如此来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个值时，执行机构调整跟踪装置的位置，直到使太阳光线与跟踪装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。与前三种跟踪装置相比，光电式跟踪器可通过反馈消除误差，控制较精确，电路也比较容易实现，受到普遍关注，原则上光电式跟踪由三大部件组成：光源检测部件、控制部件、跟踪部件。光源检测部件主要由性能经过挑选的光敏传感器组成，如四象限光电池、光敏电阻等。控制部件主要接受从光源检测部件传输的微弱信号，经放大后送到单片机进行分析处理，控制部件是整个装置的核心。跟踪部件实为跟踪装置的执行元件，执行单片机发出的命令，主要由电机组成。由上述介绍可知，程序控制式跟踪存在累计误差，并且自身不能消除。时钟式跟踪属于被动式的跟踪，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双轴跟踪系统累积误差比较大，需要定期进行校正。视日轨迹跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用此跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装置的方向。而光电跟踪则不同，当跟踪装置开始运行时，光敏传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使太阳能装置得到稳定、可靠并且最大限度的利用太阳能。方案四跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多太阳能发电装置。所以选择方案四。单片机的选择目前市面上的单片机多种多样，其中AT89C51与ATmega16是其中应用比较广泛的两种，它们都具有很高的性能价格比。方案一：AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。方案二：ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16内核具有丰富的指令集和32个通用寄存器，16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。由于系统采用太阳能供电，应当把系统的功耗降到最低，ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。所以选择方案二。步进电机的选择装置的跟踪部分采用步进电机来实现，步进电机是将电脉冲信号转化成角位移的执行机构。因此非常适合单片机控制，步进电动机推动了电动机的发展，为电动机的应用开辟了广阔的前景。按励磁方式分类，步进电动机可分为3大类：反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。永磁式步进电功机永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的。转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。移或直线位移，即给一个冲信。混合式步进电动机混合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩，动态性能好，步距角小，是一种很有发展前途的步进电动机。综上所述装置选用混合式步进电机作为装置的跟踪部分。步进电机驱动芯片的选择考虑到系统的供电采用太阳能供电，太阳能电池板转化的电能不能全部用于供电，所以驱动芯片应该选取低功耗、外围电路器件较少的芯片。方案一：选用ULN2003，目前ULN2003是比较常用的步进电机驱动芯片，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TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压=50V，电流=500mA，输入电压=5V，适用于TTLCOMS，由达林顿管组成驱动电路。它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。方案二：选用THB6016H，THB6016H是低功耗、高集成的两相混合式步进电机驱动芯片，该芯片内置双全桥MOSFET驱动、温度保护及过流保护，每相额定电流2.5A、最大峰值3.5A，最大工作电压40V，最小4.5V，外围电路简单、工作可靠、使用方便。通过上述介绍可知ULN2003工作电压高，工作电流大，不适合用于本装置，相比之下THB6016H对于本装置更加适用，所以选择方案二。整体电路设计系统总体框图本设计包括传感器、步进电机、单片机、通信接口以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个转动角度，分别为水平方向和垂直仰角，由两个步进电机带动。光源的位置检测由五个光敏传感器来完成，传感器分别放置在检测面板的上下左右和中心位置，左右两个传感器负责检测太阳转动的位置，上下两个传感器负责检测太阳高度的变化，中心位置的传感器负责校准太阳光是否与采光部分的垂直。装置通过检测部分采集到的信号经过信号转换电路将检测信号传输给单片机。单片机加电复位后，并将对采样进来的电压进行判断，进而驱动步进电机分别对水平方向和垂直仰角做出相应的调整，即电压有增大和减小两种可能，如果电压增大，则电池板继续转动，反之减小，单片机将立即发出信号，让电机反转，实现对太阳光的跟踪，并通过通信接口将数据传输出来。总体框图如图3.1所示。光光敏传感器信号转换电路ATmega16主控单片电路电机驱动芯片电机驱动芯片横向步进电机纵向步进电机光伏电源DC/DC电路RS485通信模块图3.1总体框图系统总体设计方案分析光源检测部分设计方案分析光源检测部分在跟踪面板的东、南、西、北和中心五个位置上也分别布置5只光电阻，其中一对光电阻东西对称安装，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度，另一对光电阻南北对称安装，用来精确检测太阳的视高度，中心位置的光电阻用来检测入射光线是否与跟踪装置主光轴平行。检测部分采集到的信号还需要通过放大电路的放大，然后传输到单片机上分析，这样就能够准确判断出当前太阳所在位置。单片机设计方案分析主控单片机采用ATmega16单片机，ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16内核具有丰富的指令集和32个通用寄存器，支持片内调试，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器。具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。能够在降低功耗的情况下快速准确的对数据做出处理和分析。DC/DC转换电路设计方案分析单片机需要5V电压供电，所以要通过DC/DC电路将电压转换成5V直流电压，使单片机能够正常工作。电路通过LM2575芯片实现电压转换功能，LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，且内部有完善的保护电路。光源跟踪部分设计方案分析光源的跟踪部分通过步进电机来实现，步进电机是将电脉冲信号转化成角位移的执行机构。能够分步进行转动，可以准确转动到指定位置，从而对太阳位置的跟踪更加准确。步进电机驱动芯片采用THB6016H，THB6016H是低功耗，高集成混合式两相步进电机驱动芯片。具有双全桥MOSFET驱动，有多种细分运行方式可供选择，内置温度保护及过流保护，外围电路简单能将功耗降低，且使用方便。通信模块设计方案分析装置采用RS485标准通信方式，RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。接口信号电平比RS232降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。整体电路原理说明ATmega16单片机ATmega16单片机LM2575THB6016H横向步进电机光敏电阻MAX485PC机图3.2器件组成框图系统输入端接五个光敏传感器，对光源位置进行检测，通过光敏传感器采集信号，信号经过运算放大器放大，由输出端连接到主控单片机的模数转换模块。由于系统供电采用太阳能供电，所以主控单片机采用功耗较低的ATmega16单片机，ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16内核具有丰富的指令集和32个通用寄存器，支持片内调试，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器。具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口B作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流，端口B也可以用做其他不同的特殊功能。端口C作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活，端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口D作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。端口D也可以用做其他不同的特殊功能，RESET复位输入引脚。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端，XTAL2反向振荡放大器的输出端。AREFA/D的模拟基准输入引脚AVCC是端口A与A/D转换器的电源。单片机对传输进来的信号进行判断，并对步进电机做出相应的调整。由步进电机来带动电池板在水平方向和垂直方向转动，以达到对太阳光进行跟踪的目的。步进电机的驱动采用THB6016H芯片来实现，THB6016H是低功耗，高集成混合式两相步进电机驱动芯片。每相额定电流2.5A、最大峰值3.5A，最大工作电压40V、最小4.5V，外围电路简单、工作可靠、使用方便。由于采用太阳能供电，光伏组件端电压为36V，蓄电池电压为24V，而单片机工作需要5V电压供电，需要通过DC/DC转换电路将24V电压转换成5V电压给单片机供电。电路通过LM2575芯片实现电压转换功能，输入电容应大于47μF，并要求尽量靠近电路。输出电容使用的电容量为100μF～470μF，其耐压值应大于额定输出的1.5～2倍。对于5V电压输出，推荐使用耐压值为16V的电容。二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2575的最大电流限制,另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。VIN：未稳压电压输入端；OUTPUT：开关电压输出，接电感及快恢复二极管；GND：公共端；FEEDBACK：反馈输入端；ON/OFF：控制输入端，接公共端时，稳压电路工作；接高电平时，稳压电路停止。系统采用RS485标准通信方式，用MAX485芯片通过标准的DB9与PC机相连，将相关数据传输到PC机上。各单元电路的设计与分析信号转换电路的设计LM324功能介绍图4.1LM324引脚图LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，低功耗电流，适合于电池供电，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，电源电压范围宽：单电源(3—32V)，双电源(±1.5—±16V)。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。信号转换电路信号转换电路包括光源检测电路和信号放大电路两部分，输入端接由光敏传感器组成的光源检测电路，其由五个光敏电阻安装在同一块面板上构成，分别位于上下左右和中心位置，其上下为一组，检测太阳的垂直移动；左右为—组，检测太阳的水平移动；中间的一个为一组，为光线检测，提供复位触发。当阳光垂直射入时，照射不到四周的光敏电阻，只有阳光光线发生倾斜即探头不对准太阳时才有可能使光线射到四周的光敏电阻。当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，四个光敏电阻中必有一个受阳光照射，通过光敏传感器采集信号，信号经过运算放大器放大，由输出端连接到主控单片机的模数转换模块，这样就可确认太阳运动的方向了。信号放大电路由一个运算放大器组成，根据放大倍数计算公式，选取R7=100k,R8=10k,放大倍数为：（4-1）同时为了消除偏置电压，在运算放大器的正向输入端和地之间接入R6，大小选取为10k。信号转换电路如图4.2所示。图4.2信号转换电路单片机及外围电路的设计ATmega16单片机功能简介主控单片机采用功耗较低的ATmega16单片机。ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行，CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令（在本文称为预取），这个概念实现了指令的单时钟周期运行，程序存储器是可以在线编程的FLASH。快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期，从而实现了单时钟周期的ALU操作。在典型的ALU操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件，整个过程仅需一个时钟周期。寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算，ALU也可以执行单寄存器操作，运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16位或32位的指令。程序存储器空间分为两个区：引导程序区(Boot区)和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/写保护，用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器(PC)保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM的大小，在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O空间，可以进行读写访问，数据SRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。AVR存储器空间为线性的平面结构，AVR有一个灵活的中断模块，控制寄存器位于I/O空间。状态寄存器里有全局中断使能位，每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。I/O存储器空间包含64个可以直接寻址的地址，作为CPU外设的控制寄存器、SPI，以及其他I/O功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0x20~0x5F。ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlashMemory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(BootFlashMemory)的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。ATmega16单片机引脚说明ATmega16管脚图如图4.3所示。图4.3 ATmega16引脚图ATmega16单片机各管脚名称及各管脚功能如表4.1所示。表4.1ATmega16引脚功能管脚编号管脚符号功能描述1~8PB0~PB7端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。9RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。10VCC电源正11GND电源地12XTAL2反向振荡放大器的输出端13XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端14~21PD0~PD7端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。22~29PC0~PC7端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。30AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。31GND数字地32AREFA/D的模拟基准输入引脚33~40PA7~PA0端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A：端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B：其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口C：其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口D：其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。单片机最小系统单片机各功能部件的运行都以始终控制信号为基准，有条不紊的一拍一拍的工作，因此，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。内部时钟方式，通过单片机内部的一个用于构成震荡器的高增益反相放大器来实现，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。外部时钟方式使用现成的外部震荡器产生脉冲信号，外部时钟源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空。本装置采用内部时钟方式，电路中的电容C2和C3的典型值通常选择27pF，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体振荡器通常选择8MHZ，晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机运行的速度也就越快。复位是单片机的初始化操作，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，当电源接通时，只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。按钮复位有电平和脉冲两种方式，电平复位时通过/RESET端经电阻与电源Vcc接通来实现，脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。本装置采用上电自动复位，当时钟频率为8MHz时，C选取0.1μF，R选取10kΩ。单片机最小系统如图4.4所示。图4.4单片机最小系统步进电机及驱动电路的设计步进电机特性介绍步进电机特性：步距角，步距角指每给一个电脉冲信号电机转子所应转过的角度。步进电机的步距角是由转子齿数和电机的相数所决定。典型的混合式步进电机是四相200步的电机，步距角为1.9。选择步进电机时，步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于此角度。矩角特性，矩角特性是指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时，电磁转矩与失调角的关系。响应频率，在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率f作为衡量的指标。它是指在一定负载下直接启动而不失步的极限频率，称为极限启动频率或突跳频率。启动矩频特性，在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵入特性。运行矩频特性，在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。惯频特性，在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性。THB6016H功能简介THB6016H是低功耗，高集成混合式两相步进电机驱动芯片。每相额定电流2.5A、最大峰值3.5A，最大工作电压40V、最小4.5V，具有双全桥MOSFET驱动，还具有1/2细分、1/4细分、1/8细分、1/16细分运行方式可供选择，内置温度保护及过流保护，采用HZIP25-P-1.27封装，外围电路简单、工作可靠、使用方便。斩波频率说明：电容值：450P慢衰减：2细分斩波时间：40us占空比（高—低）：4—36快衰减：16细分斩波时间：40us占空比（高—低）：20—20电容值：150P慢衰减：2细分斩波时间：15us占空比（高—低）：1.5—13.5快衰减：16细分斩波时间：15us占空比（高—低）：7.5—7.5THB6016H引脚说明THB6016H管脚图如图4.5所示。图4.5THB6016H管脚图THB6016H各管脚名称及功能如表4.2所示。表4.2THB6016H引脚功能管脚编号输入/输出管脚符号功能描述1输入TQ2驱动电流大小控制端2输入TQ1驱动电流大小控制端3输入CLK脉冲输入端4输入ENABLE使能端ENABLE＝0所有输出为0，ENABLE=1正常工作5输入RESET上电复位端6—SGND地线7—OSC斩波频率控制端：C=1000PF，f=44KHz；C=330PF，f=130KHz8输入VMB驱动电源（小于40VDC）9输出OUT_BM电机绕组B相10—PGNDB地线11—NFBB相电流检测端，须大于0.2Ω12输出OUT_BP电机绕组B相13输出OUT_AM电机绕组A相14—NFAA相电流检测端，须大于0.2Ω15—PGNDA地线16输出OUT_AP电机绕组A相17输出MO18输入VMA驱动电压小于40VDC19输出Protect温度保护，芯片温度大于150℃自动断开所有输出20输入VDD5V稳压电源21输入CW/CCW正反转控制22输入M2细分数选择端23输入M1细分数选择端24输入DCY2衰减方式控制端25输入DCY1衰减方式控制端步进电机驱动电路步进电机驱动芯片采用THB6016H，电机的控制方式为抽头式控制方式，在芯片的OSC引脚连接电容对斩波频率进行选择，A相检测端与B相检测端与地之间需连接大于0.2Ω的电阻进行保护，并在电源与地之间连接两个去耦电容，以消除器件本身产生的噪声和电源携带的噪声对电路的干扰。步进电机驱动电路如图4.6所示。图4.6驱动芯片外围电路DC/DC转换电路的设计LM2575功能简介由于采用太阳能供电，光伏组件端电压为36V，蓄电池电压为24V，而单片机工作需要5V电压供电，需要通过DC/DC转换电路将24V电压转换成5V电压给单片机供电，电路通过LM2575芯片实现电压转换功能。LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。该系列分为LM1575、LM2575及LM2575HV三个系列，其中LM1575为军品级产品，LM2575为标准电压产品，LM2575HV为高电压输入产品。每一种产品系列均提供3.3V、5V、12V、15V及可调（ADJ）等多个电压档次产品。除军品级产品外，其余两个系列均提供TO-200直脚、TO-220弯脚、塑封DIP-16脚、表面安装DIP-24脚、表面安装T）-263-5脚等多种封装形式，并分别用后缀T、FlowLB3、N、M、S表示。对于5V输出的LM2575产品，不同的封装形式，其完整表示分别为LM2575T-5.0、LM2575T-5.0FlowLB03、LM2575N-5.0、LM2575M-5.0、LM2575S-5.0。LM2575的内部框图如图4.7所示，该框图对应于TO-220封装的引脚。其中R1=1kΩ（ADJ时开路），R2分别为1.7kΩ（3.3V）、3.1kΩ（5V）、8.8kΩ（12V）、11.3kΩ（15V）和0（ADJ），可以看出LM2575内含52kHz振荡器、基准电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压等电路。将稳压输出的电压接到反馈输入端的目的是同内部电压基准比较，若电压偏低，则用放大器来控制内部振荡器以提高输出占空比，从而提高输出电压。图4.7LM2575内部结构框图LM2575引脚说明图4.8是LM2575集成稳压器引脚图。图4.8LM2575稳压器引脚图LM2575引脚功能如表4.3所示。表4.3LM2575引脚功能管脚编号管脚符号功能描述1VIN未稳压电压输入端2OUTPUT开关电压输出，接电感及快恢复二极管3GROUND公共端4FEEDBACK反馈输入端5ON/OFF控制输入端，接公共端时，稳压电路工作；接高电平时，稳压电路停止DC/DC转换电路在利用LM2575设计电路时，应注意以下几点：（1）电感的选择根据输出的电压档次、最大输入电压Vin(MAX)、最大负载电流Iload（MAX）等参数选择电感时可参照相应的电感曲线图来查找所需采用的电感值如图4.9所示。图4.9电感曲线图（2）输入输出电容的选择输入电容应大于47μF，并要求尽量靠近电路。而输出电容推荐使用的电容量为100μF～470μF，其耐压值应大于额定输出的1.5～2倍。对于5V电压输出，推荐使用耐压值为16V的电容。（3）二极管的选择二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2575的最大电流限制；另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。DC/DC转换电路如图4.10所示。图4.10DC/DC转换电路通信接口的设计RS485通信方式的介绍系统采用RS485标准通信方式，RS485采用差分信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：一是共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。二是EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。MAX485功能简介单片机与通信接口之间用MAX485芯片连接，MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片。MAX485CPA、MAX485、MAX487-MAX491以及MAX1487是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。MAX483、MAX487、MAX488以及MAX489具有限摆率驱动器，可以减小EMI，并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射，实现最高250kbps的无差错数据传输。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1487的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120µ；A至500µ；A之间。另外，MAX481、MAX483与MAX487具有低电流关断模式，仅消耗0.1µ；A。所有器件都工作在5V单电源下。采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。MAX485引脚说明MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。其引脚图如图4.11所示。图4.11MAX485引脚图MAX485引脚功能如表4.4所示。表4.4MAX485引脚功能管脚编号管脚符号功能描述1RORO为接收器的输出端，与单片机的RXD端相连2/RE/RE为接收使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态3DEDE为发送使能端，当DE为逻辑1时，器件处于发送状态4DIDI为驱动器的输入端，与单片机TXD端相连5GND地6AA端为接收差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为17BB端为发送差分信号端，当A的电平低于B端时，代表发送的数据为08VCC电源RS485接口定义介绍1、连接主机端的RS485接口定义如表4.5所示。表4.5连接主机端RS485接口定义RS485接口信号含义3BRXD－接收数据4ARXD＋接收数据5YTXD＋发送数据7ZTXD－发送数据2、连接从机端的RS485接口定义如表4.6所示。表4.6连接从机端RS485接口定义RS485接口信号含义3ZTXD－发送数据4YTXD＋发送数据5ARXD＋接收数据7BRXD－接收数据DB9引脚说明通信模块与PC机之间用DB9接口连接，DB9管脚图如图4.12所示及引脚功能如下。图4.12DB9管脚图DB9引脚功能如表4.7所示。表4.7DB9引脚功能管脚编号管脚符号功能描述1DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5GND信号地6DSR信号准备好7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃提示通信接口电路通信接口电路中采用MAX485芯片作为收发器，通过DB9接口与PC机进行连接，在MAX485的VA与VB引脚之间跨接一个120Ω电阻作为匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射、噪声干扰等影响，并连接了两个二极管对电路进行保护。通信接口电路如图4.13所示。图4.13通信接口电路系统软件说明主程序流程图开机之后，上电复位，系统进行初始化，初始化之后，系统首先判断当时是白天还是黑夜，若是黑夜，则系统启用中断处理程序，进入等待状态，若是白天系统进入光电追踪模式，并根据检测信号判断电机是否需要调整，若不需要，进入等待状态，若需要调整，根据信号具体情况驱动电机进行正转或者反转。系统主程序流程图如图5.1所示。系统初始化日出？传感器跟踪系统初始化日出？传感器跟踪电机要驱动吗驱动步进电机NNYY开始图5.1主程序流程图步进电机控制子程序步进电机控制子程序流程如图5.2所示。串行口初始化步进电驱动芯片初始化串行口初始化步进电驱动芯片初始化读入控制字驱动步进电机返回光敏电阻电位是否相等YN开始图5.2子程序流程图本部分的程序设计主要是通过判断连接在单片机A/D转换模块上的五个光敏电阻的电位的不同，来判断太阳当时太阳的朝向，从而对步进电机发出命令驱动步进电机，控制其正反转，实现对太阳的跟踪。当装置开始工作时，首先对单片机串行口进行初始化，然后对步进电机驱动芯片初始化，读入检测端信号，判断检测端电位情况，若相等，进入等待，若不想等，驱动步进电机正反转。即当检测端右方传感器电位高于左方，驱动水平方向步进电机正向转动，当上方传感器电位高于下方，驱动垂直方向步进电机正转，反之则驱动其反转。若太阳光照射到中心位置的传感器，及说明太阳光与采光部分垂直，不需要进行调整，进入等待状态。通信部分控制子程序通信部分子程序流程图如图5.3所示。开始开始当前时间当前时间太阳位置太阳位置NN步进电机运行步数步进电机运行步数向单片机反馈数据向单片机反馈数据PC机继续发送数据PC机继续发送数据Y返回Y返回 图5.3通信部分子程序流程图当装置开始工作，通信部分程序主要是负责将数据传输给PC机，通过PC机计算出任意时刻太阳的位置，垂直方向步进电机仰角及水平方向步进电机的运行步数进而在PC机上反映出来，并将部分数据反馈给单片机进行程序上的修正。如果有新数据产生则继续向PC机发送数据，若没有，则进入等待状态。测试方案与测试结果对DC/DC电路的测试测试连线框图测试连线框图如图6.1所示。DC/DC模块DC/DC模块V1V2+-+-图6.1测试连线框图测试条件与仪器1、测试条件：检查多次，硬件电路系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路无