太阳位置探测器设计--毕业论文.doc

工程学院学位论文太阳方位探测器论文作者姓名：申请学位专业：电子信息工程申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：（）论文提交日期：年05月16日第III 页 共 20 页独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名： 日期： 年 5月22日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名： 日期： 年 5月22日太阳方位探测器摘 要据资料记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。但是把太阳能作为一种能源来利用则只有300多年的历史。真正将太阳能作为未来绿色能源结构的基础则是近年的事。从20世纪70年代以来，太阳能利用技术突飞猛进，太阳能科技日新月异。近代太阳能利用历史可以从法国工程师所罗门德考克斯在1615年发明的第一台太阳能驱动的发动机算起。由于当今世界能源越来越匮乏，以常规能源为基础的普通能源结构随资源的不断消耗将越来越不适应可持续发展的需要。太阳能是已知的最原始的能源，它干净、可再生、取之不尽用之不竭，具有非常广阔的利用空间。但太阳能利用率低这一问题一直影响和阻碍着太阳能利用的普及和扩张。太阳能自动跟踪系统就是为解决这一问题而设计的，它大大的提高了太阳能的利用效率。本文则阐述了采用视日运动轨迹跟踪的方法来探测太阳的方位，探测太阳的方位是跟踪太阳的基础，它由天文公式根据当地经纬度和当前时间计算太阳方位，单片机运行程序，利用步进电机双轴驱动，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和探测。以此来提高太阳能的利用率。 关键词：太阳方位；探测；单片机；步进电机Solor Tracker AbstractAccording to records,the human use of solar energy has a history of more than 3000 years.Will tries to use solar energy as a kind of energy and power,only 300 years of history.Real will solar energy as the “rencent much-needed supplement energy”,“the basis of future energy structure” is in recent years.Since the 1970s,solar energy science and technology by leaps and bounds, the changes of solar energy utilization.In the modern history of solar energy utilization can be from 1615 France engineer Solomon DE cox, invented the first solar powered engine in the world. Due to the lack of energy in modern society more and more,conventional energy-based energy structure with the continuous consumption of resources will become increasingly unsuited to the needs of sustainable development .Solar energy is known as the most primitive energy, and it is clean、renewable、rich and wide distribution and has wide prospects of use.But the solar energy utilization efficiency is low; the problem has been influencing and hindering the popularity of solar energy technology.Solar energy to be automatic tracking system designed to solve the problem provide the new way which greatly improve the efficiency in the use of solar energy. The purpose of this article is to expounds the sun trajectory tracking method is used to detect the position of the sun, calculated the sun azimuth by the astronomical formular according to local latitude and longitude,and the current time.Computer processor will run the program, through the horizontal tracking mechanism and pitch two degrees of freedom control to adjust the angle of solar panels to achieve the tracking of the sun and used it to improve the utilization rate of solar energy.Key words: solar position; detect; SCM; stepping motorI第一章 绪论1.1 课题研究背景开发新能源是当今世界正面临的重大课题，太阳能作为一种绿色能源正得到迅速的发展和应用，由于照射到地面的阳光受到气候、纬度、经度等地理自然条件的影响，存在着间歇性、光照方向和光照强度随时间不断变化的问题。因此，对太阳能的收集和利用有更高的要求。同时，太阳能发电成本过高和效率低下是制约其长期高速发展的主要原因，其中一种解决途径是提高发电系统的发电量，香港大学建筑系研究分析了太阳光照射角度与太阳能接受率的关系，理论分析表明：跟踪太阳和不跟踪太阳，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的利用效率大大提高，进而提高了太阳能发电系统的太阳能利用率，扩展了太阳能的利用领域，为我们解决能源危机和环保地球提供了希望。1.2 国内外现状新兴能源领域是当今世界发展中最具决定力和影响力的五大技术领域之一。太阳能是一种绿色、高效和永不衰竭的新能源。在实际生活中，常规能源的过度消耗和环境压力的增加，使世界上许多国家加强了对新能源和可再生能源开发的支持。很多政府都将太阳能利用作为国家可持续发展的重要内容。近几年，国际光伏发电技术迅猛发展。1973年，美国率先制定了政府级阳光发电计划；1997年美国和欧洲相继宣布百万屋顶光伏计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资共达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算多达7800多万美元，比1993年增加了23.4%，美国计划到2010年安装10003000兆瓦太阳能电池。日本也不甘示弱，1997年补贴屋顶光伏计划的经费高达9200万美元，安装目标是7600兆瓦。印度也计划19982002年太阳能电池总产量为150兆瓦，其中2002年为50兆瓦。国际光伏发电正在由边远农村向并网发电和与建筑结合供电的方向发展。到目前为止，世界太阳能电池年销售量己超过60兆瓦，电池转换效率也提高到15%以上，系统造价和发电成本已分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电；在太阳能利用方面，由于技术日益先进，应用规模越来越大，仅美国一个国家太阳能热水器年销售额就超过10亿美元。太阳能发电在技术上也有所突破，目前世界已有20多座大型太阳能发电站正在运行或正在建设。然而相对于国内来说，煤炭的巨量消耗燃烧已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、地热能、风能、生物质能和海洋能等新能源和可再生能源，开发利用前景广阔。我国太阳能光伏发电应用始于70年代，真正快速发展则是在80年代。在1983年一1987年短短的几年内，我国先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳能电池生产线，使我国太阳能电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦上升到1988年的4.5兆瓦。目前太阳能发电利用主要应用于通信系统和边远无电乡村和岛屿和边远偏辟无电地区，年销售额约1.1兆瓦，成效显著。我国西部地区是世界上地势较高的自然地区。也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一，尤其是西藏，空气稀薄，透明度高，年日照时间长达1600一3400小时，辐射强度大，年均辐射总量7000兆焦耳/平方米，资源优势得天独厚，应用前景十分广阔。处处阳光处处电。西部地区利用太阳能光伏发电在解决通信、广播、电视电源和无电人口用电等方面已经取得显著成效，我国曾成功地实施了科学之光、阳光计划、阿里光电计划等太阳能专项计划，西部地区成为全国第一个也是规模最大的实施太阳能专项计划的地区。然而这一切太阳能利用的背后都少不了太阳跟踪装置的配合，在太阳跟踪方面,美国亚利桑那大学曾推出了新型太阳能跟踪装置,该装置通过传感器和光电检测电路将光信号转换为电信号输入单片机,单片机经过处理后输出控制信号控制电机完成跟踪。捷克国家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单轴被动式太阳跟踪,中国科学院上海物理研究所研制了二维程控太阳跟踪器控制系统,该装置是通过对太阳运行轨迹的分析和研究来确定太阳跟踪器的运动数学模型,通过微机控制,实现对太阳的跟踪。赵志刚等人设计了基于CMOS图像传感器ADC2121的全自动便携式太阳辐射计,此系统具有定位精度高、可自由规定零点等优点,具有很好的应用性。1.3 跟踪方式简介跟踪太阳目前世界上有很多种方式，其中比较常用的是传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪（程序控制），同时也有单轴跟踪和双轴跟踪之分。传感器跟踪：也叫光电跟踪，利用光电传感器探测太阳的方位，将光信号的强弱转化成电信号输入单片机，单片机以此来控制电机转动，实现对太阳方位的探测和跟踪。视日运动轨迹跟踪：由于太阳的方位是极具规律的，所以人们总结了太阳的运动轨迹，此轨迹可根据天文公式的特殊算法计算出来，由处理器根据当地的经纬度和时间计算当前太阳的方位，以此控制电机转动。单轴跟踪：只在方向角上跟踪太阳，也就是只在东西方向上跟踪太阳。双轴跟踪：在方向角和高度角上同时跟踪太阳，也就是在东西方向和南北方向上同时对太阳进行跟踪，这种跟踪方式比较精确，用途广泛。1.4 跟踪器的类型 目前世界上主要存在四种类型的太阳跟踪器，跟踪器类型不同，探测太阳方位的原理也不一样： 1.压差式太阳跟踪器：压差式跟踪器的原理是：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使跟踪器重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式，和液压式。该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很低。 2.控放式太阳跟踪器 控放式太阳能跟踪器在太阳能接收器的西侧放置一偏重来作为太阳光接收器向西方的转动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是该机构不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构，而且该跟踪器只能用于单轴跟踪，精度低。 3.时钟式太阳跟踪器时钟式跟踪器是一种主动式的跟踪器，有单轴和双轴两种模式。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，从而确定出电机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。其特点是电路简单，但由于时钟累积误差不断增加，系统的跟踪精度很低，同时需外接电源，日夜不停的运转，浪费能源。 4.比较控制式太阳跟踪器利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将四个完全相同的光敏电阻分别放置于太阳光接收器的东西南北方向边沿处。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，东西（南北）两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光发生倾斜时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，信号采集电路可以采集到光敏电阻的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。但是这类跟踪器价格昂贵，且不能适应自然界中光线的变化，跟踪效果不太理想，使用较少。第二章 方案研究与确定 由前面可以知道，跟踪探测方法有两种：光电跟踪和视日运动轨迹跟踪；跟踪装置也可以选择单轴跟踪模式或者双轴跟踪模式，此处结合了本设计的任务要求以及从前面中了解到的各类方法的优缺点后，决定采用双轴跟踪探测模式，方案研究和确定如下：2.1 方案一 采用光电双轴跟踪探测方式，本方案的太阳方位探测系统是由光电二极管、AT89C51单片机、A/D转换、控制驱动电路等主要模块组成。传感器部分采用光敏二极管，将光信号变换为电信号。经过A/D转换将其转化离散的数字信号。控制电路以单片机为核心，单片机能够对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法判断出相应的太阳方位，根据程序设定驱动步进电机转动。系统框图如图2-1所示：电源模块AT89C51单片机步进电机控制方位角A/D转换光敏二极管传感器检测模块步进电机控制高度角图2-1 光电双轴跟踪系统框图方案一优缺点如下： 传感器跟踪是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线，当太阳光偏离时，传感器发出偏差信号，经放大、运算后，控制执行机构使跟踪装置重新对准太阳。这种跟踪方式的优点是灵敏度高，缺点是受天气影响大，阴雨天无法对准太阳，甚至容易引起执行机构的误动作。2.2 方案二采用视日运动轨迹双轴跟踪方式，该方式是根据太阳的实际运行轨迹，按预定的程序算法调整跟踪装置探测太阳当前位置。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，虽然精度不高，但是符合实际运行情况，因此应用较广泛。系统框图如图2-2所示：时间模块AT89C51单片机电源模块步进电机控制方位角步进电机控制高度角外部数据输入模块图2-2 方案二系统框图方案二优缺点如下：这种跟踪方式采用了计算机技术。首先用一套天文公式通过计算机算出在给定时间和地区太阳的位置，再计算出探测装置被要求对准的位置，最后通过电机驱动装置转到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的探测。此系统具有体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强，不受天气影响等优点。2.3 方案的确定比较以上两方案可知，系统的工作原理是完全不同的，方案一是通过传感器感应太阳光，并间接或直接的将光信号转换为单片机可以识别的电信号，单片机通过程序计算过后控制步进电机往相应的方位转动，此方案的难点在于将光信号转换为单片机可以判断的电信号，并且要求单片机程序可以成功的将收到的电信号转换为步进电机的驱动信号。方案二也叫程序跟踪，该方案是通过外部给单片机输入当地的纬度信息，然后单片机再调用当前时间根据固定的天文公式计算出当地当前太阳的方位角和高度角，然后将计算出的角度转化为步进电机的控制信号，由单片机控制步进电机转动相应角度。综合以上方面考虑，方案二成本低，效果好，应用广泛，相对于方案一来说功能更强大，更不容易被天气影响，符合实际情况，由此选择方案二。第三章 硬件电路设计 根据上面的内容，我们确定了方案，对方案作了简单的原理分析，接下来就对我们选择的方案进行系统性的详细设计。3.1 单片机模块 单片机是我们系统里面的核心，不但要进行太阳方位的计算，而且还要控制所有外部电路的动作，因此单片机模块电路的设计是整个系统的基础。3.1.1 单片机的选取在众多的51系列单片机中，STC公司的IT型增强系列单片机很有竞争力，因为它不但和8051系列在指令、管脚上完全兼容，而且其片内还具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，比如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K的FLASHROM,对于这种工艺的存储器，用户可以自行擦除和改写，而且STC系列单片机支持串口烧写程序。这种单片机对开发设备的要求比较低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了开发者的劳动成果。重要的一点是STC12C5A60S2目前的售价与传统51单片机差不多，市场供应也很充足，性价比高。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但运行速度要快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换。该单片机引脚图如图3-1所示：单片机各引脚功能如下： VCC：电源引脚；GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，P0做输出时外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，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。 图3-1 单片机STC12C5A60S2引脚图 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，和P1功能一样。P2口在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8个带内部上拉电阻的双向I/O口，和P1、P2功能一样。 P3口同时也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如：P3.0 RXD(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)；同时P3口也为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号； RST：复位引脚。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在访问外部程序存储器时，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现； EA/VPP：当EA为低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET，当EA为高电平时，则访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP功能)； 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；单片机STC的实物图如图3-2： 图3-2 单片机STC实物图3.1.2 单片机模块电路单片机模块电路是整个系统的核心，单片机作为系统的处理中心和控制中心，必须保证整个系统稳定的运行，单片机模块电路由单片机最小系统构成，如图3-3所示： 图3-3 单片机最小系统电路图下面就上图所示的单片机最小系统各部分电路进行详细说明。1.时钟电路：在设计时钟电路之前，我们先了解下51单片机上的时钟管脚：XTAL1（19脚）：芯片内部振荡电路输入端。XTAL2（18脚）：芯片内部振荡电路输出端。XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器或者是器件直接由外部时钟驱动。上图中采用的是内时钟模式，即利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件（一个石英晶振和两个瓷片电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振采用的是11.0592M的石英晶振。和晶振并联的两个瓷片电容的大小对振荡频率有微小的影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，瓷片电容可以在2040pF之间选择（本系统使用30pF）。2.复位电路：在单片机系统中，复位电路也是很重要的，当程序运行不正常或死机时，就需要进行复位操作。MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。上图中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容两端的按键为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机复位。3.P0口外接上拉电阻：51单片机的P0端口为开漏输出，内部无上拉电阻（见图3-4）。所以在当作普通I/O口输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。 图3-4 P0端口的1位结构 在本系统中采用的是外加一个10K的排阻。3.2 电源模块电源是整个系统的动力，为了在没有大电源的时候系统也能工作，因此本系统采用了现今非常流行的一种供电方式：USB接口供电，采用此供电方式的系统可以接在电脑的USB接口上使用，也可以接在移动电源上使用，非常方便。3.2.1 USB简介USB是英文Universal Serial Bus的缩写，其中文名称为通用串行总线，简称为“通串线”，是一个外部总线接口标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家科技公司联合提出的，USB有两个规范，即USB1.1规范和USB2.0规范。USB1.1是以前较为普遍的USB规范版本，其高速方式的传输速率为12Mbps，低速方式的传输速率为1.5Mbps（b是bit的意思），换算关系为1MB/s=8Mbps，12Mbps=1.5MB/s。USB2.0规范是由USB1.1规范演变升级而来的，目前使用的较多，它的传输速率达到了480Mbps，折算为MB为60MB/s，足以满足大多数外设的速率要求。USB2.0中的增强主机控制器接口（EHCI）定义了一个与USB1.1相兼容的架构。它可以用USB2.0的驱动程序驱动USB1.1设备。也就是说，所有支持USB1.1的设备都可以直接在USB2.0的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且像USB线、插头等等附件也都可以直接使用。3.2.2 USB供电模块单片机开发板的供电可以采用电脑的USB供电，USB接口的电压就是5V的，和单片机的供电系统相匹配。USB供电最大能提供500mA的直流电，能满足开发板上绝大多数元器件的供电要求。 1. USB接口 USB接口有很多种形状，对于供电电路来说，使用普通A型USB接口或者B型USB接口就可以了，本系统主要使用的是A型USB接口来设计供电电路。A型和B型USB接口外观形状及引脚电气特性如下图3-5所示： 图3-5 USB接口外形及引脚电气特性 A型和B型的USB接口都是四根线，其中两根一组，一组用于提供电源，另一组用来传送数据，分别定义为VCC、GND、D+、D-。2. 供电电路设计USB供电电路的电路原理图如图3-6所示，USB供电的电路简单易懂，与利用变压器产生的5V供电电路相比，USB供电电压也为5V，而且更加的安全，方便，并且制作过程要比变压器系统容易的多。 图3-6 USB供电电路图说明：电路中使用的USB接口为A型USB母口，使用的时候用一条公-公的USB线和电脑的USB相连接就可以，10uF的电容起着滤波的作用，SW1为6脚自锁按钮开关，RED是红色发光二极管，作为电源接通指示灯，1K的电阻作为LED的限流电阻以防止LED被烧坏。3.3 串口通信模块通过视日运动轨迹来探测太阳的时候，需要当地经纬度等信息参数，而这些参数由于地方的不同而不同，为了可以使系统作为一个共用的工作平台，因此需要给系统加装外部信息输入模块，此处我们选择最常用的串口传输模块。3.3.1 串口简介串行接口是一种可以将接收到的来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时也可将接收的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的接口器件。一般完成这种功能的电路，我们称为串行接口电路。串口通信是指外部设备和计算机间通过数据信号线、控制线、地线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。串口是计算机上一种非常通用的通信接口。大多数计算机都包含有串行接口。RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者键盘，同时也可以接工业仪器仪表，RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英尺。串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。虽然比并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据，且能够实现远距离通信。通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据，其他线用于握手。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配才可以进行。1：波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的位的个数。2：数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是6、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。3：停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备都有自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了很小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，同时提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。4：奇偶校验位：这是串口通信中一种简单的检错方式。3.3.2 串口通信芯片由于本系统采用的是RS-232串口电路，所以在芯片的选择上就选择了MAX232芯片。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。MAX232的外形图如图3-7；引脚图如图3-8： 图3-7 MAX232芯片外形图 图3-8 MAX232芯片引脚图MAX232芯片引脚功能如下： 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）、13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）为第一数据通道。10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）、8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。 第三部分是供电部分。15脚GND、16脚VCC（+5V）。MAX232芯片具有如下特点：1：符合所有的RS-232C技术标准。2：只需要单一的+5V电源供电。3：功耗低，典型供电电流5mA。4：内部集成2个RS-232C驱动器。5：高集成度，片外最低只需4个电容即可正常工作。3.3.3 串口通信电路设计本系统采用的串口通信模块设计电路如图3-9： 图3-9 串口通信模块电路原理图此处MAX232芯片的R2OUT引脚接单片机P3.0（RXD）引脚，对应的R2IN引脚接在串口插头的3好引脚，T2IN引脚接在单片机P3.1(TXD)引脚，对应的T2OUT接在串口插头的2号引脚。此处容易混淆接错，需格外注意。3.4 电机控制模块 太阳探测装置控制系统的控制方式是通过对电机的转动角度的控制来实现对太阳方位的探测，结构简单可靠。由于系统要实现对控制对象位置角度的控制，并且对执行机构的移动速度要求不高，因此执行机构首先考虑采用步进电机，因为步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的控制元件。在正常情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号，电机则转过一个步进角。当外部数据信息通过串口输入单片机过后，单片机通过固定程序计算出当前的太阳方位角和高度角，然后需要把这种角度信息转化为步进电机的控制脉冲来控制步进电机转动相应的角度。3.4.1 步进电机简介 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在正常情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步进角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确控制的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机不像普通的直流电机，交流电机那样在常规下就能使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动器等组成控制系统才可以使用。因此用好步进电机没有那么容易，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着电子技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都应用广泛。 步进电机在构造上有三种主要类型：反应式、永磁式和混合式。 反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性不高。 永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大，一般为7.5或15。 混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8/步，如果使用半步驱动器，则步距角减少为0.9，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。3.4.2 电机选择综合选择的方案以及对成本的考虑，本次设计选择型号为28BYJ48的步进电机，该步进电机的实物图如图3-10： 图3-10 步进电机28BYJ48实物图28BYJ48型步进电机是四相八拍减速电机，电压为DC5VDC12V。减速比为1:64，步进角度为5.625/64，只要对步进电机的各项绕组按合适的时序通电，就能使步进电机进行步进转动。如图3-11是四相步进电机步进示意图： 图3-11 四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿轮对齐，同时，转子的1号和4号齿轮就和C、D相绕组磁极产生错齿，2号和5号齿轮就和D、A相绕组磁极产生错齿。然后，当开关SC接通电源，开关SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿轮之间磁力线的作用，使转子转动，而后1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿，2、5号齿和A、D相绕组磁极产生错齿。以此类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电时，转子就会沿着A、B、C、D的方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可以分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍和双四拍的步进角相等，但是单四拍的转动力矩小，八拍工作方式的步进角是单四拍和双四拍的一半，因此，八拍的工作方式可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3-12： 图3-12 步进电机工作方式的通电时序波形图 由于单片机引脚接口输出信号不够大，所以单片机控制步进电机都需要专门的驱动器或者驱动芯片，这里我们选择ULN2003驱动芯片，单片机引脚通过ULN2003将信号放大后再连接到相应的电机接口。芯片ULN2003的实物图如下图3-13所示： 图3-13 芯片ULN2003实物图在大型仪器仪表系统中,经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件，ULN2003A电路是美国TexasInstruments公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路,ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动7组负载的能力,为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003是高电压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有工作电压高、电流增益高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。当输入5V电平时，输出可达500mA/5V。ULN2003的引脚图如图3-14所示： 图3-14 芯片ULN2003的引脚图由ULN2003驱动的步进电机电路原理图如下图3-15所示： 图3-15 ULN2003驱动步进电机原理图 芯片ULN2003的17号引脚接上单片机引脚，输入5V控制电压，9号引脚可接可不接，1016号引脚接外部需要驱动的机构器件，此处接电机。3.5 时间模块 在计算太阳方位的时候，除了需要当地的经纬度信息之外还需要当前的日期和时间，这就需要在电路中加入时间模块，此处，我们选择通用的时钟芯片DS1302，其外形图如图3-16所示： 图3-16 芯片DS1302外形图DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟日历和31字节的静态 RAM，可通过简单的串行接口与单片机进行通信，它可以提供:秒、分、时、日、日期、月、年等信息，同时每月的天数和闰年的天数可自动调整，它还可以自行决定采用24或12小时格式，DS1302在保持数据和时钟信息时功率小于1mW，只需外接一个电池即可。其引脚图如图3-17所示： 图3-17 DS1302引脚图采用DS1302的时钟模块的电路原理图设计如下图3-18所示： 图3-18 1302模块电路原理图注意：图3-18中，连接1302芯片2、3号引脚的晶振Y1的大小为32.768kHz。至此，硬件电路模块就全部设计完成，下一章将着重介绍软件设计原理和设计思路。第四章 软件模块设计太阳每天东边升西边落,站在地球表面的人能够观测到太阳的这种规律运动。视日运动轨迹跟踪探测就是利用太阳运动的规律通过单片机控制单元根据相应的公式和参数,计算出白天太阳的实时位置,再驱动伺服电机实时探测太阳,以达到对太阳进行实时探测的目的。太阳在天球上的位置可由太阳高度角s 和太阳方位角s确定。4.1 太阳高度角太阳高度角又称为太阳高度或太阳俯仰角，是指太阳光线与地表水平面之间的夹角(090)，如图4-1所示： 图4-1 太阳高度角示意图太阳高度角可以根据天文公式计算求出，公式如下4-1和4-2： （4-1） （4-2）式中各角度的单位均为度。其中，为当地纬度角，为太阳赤纬角，春分和秋分时=0度。，夏至时=23.5度，冬至时=23.5度,为时角,是用角度表示的时间，后面将详细说明并给出计算公式，n为1年中的日期序号, 从1月1日开始计算, n = 1, 每往后加一天,即n = n + 1，依此类推。4.1.1 太阳赤纬角太阳赤纬角又叫黄赤交角，黄赤交角是地球公转轨道面（黄道面）与地球赤道面（天赤道面）的交角，也称为黄赤大距。如图4-2所示，目前地球的黄赤交角大小约为2326。黄赤交角并非不变的，它一直有微小的变化，但由于变化较小，所以短时间内一般可以忽略不计。 图4-2 黄赤交角示意图地球的自转轴（地轴）与其公转的轨道面成6634的倾斜。地球的自转同它公转之间的这种关系，天文学和地理学上通常用它的余角（23.44），即赤道面与公转轨道面的交角来表示；而在地心天球上被称为黄赤交角，又称黄赤大距。如图4-3所示，黄道与天赤道的两个交点，叫白羊宫（白羊座）第一点和天秤宫（天秤座）第一点，在北半球分别称为春分点和秋分点，合称二分点。黄道上距天赤道最远的两点，叫巨蟹宫（巨蟹座）第一点和摩羯宫（摩羯座）第一点，即北半球的夏至点和冬至点，合称二至点。二至点距天赤道23.44，称黄赤大距，这是黄赤交角在地心天球上的表现。图4-3 黄赤交角示意图黄赤交角的存在具有很重要的天文和地理意义，前面已阐述到。黄赤交角是地球上四季变化和五带区分的根本原因。由于地球公转时斜着身子，地轴与黄道面的夹角（6634）基本不变，地轴的空间指向（指向北极星附近）也是基本不变，故黄赤交角（目前2326）也基本不变。黄赤交角除对地球运动的意义产生影响外，还深刻影响着与其紧密联系的其他自然地理现象。比如：黄赤交角发生变化太阳直射点移动范围变化五带范围变化和气压带、风带移动范围变化气候带分布范围变化自然带分布范围变化等。4.1.2 时角由于太阳在一年中的时角运动很复杂，日常生活中的钟表时间都采用的是平均太阳时（简称