毕业设计（论文）-基于单片机的太阳光跟踪系统.doc

摘 要针对现代社会能源越来越匮乏的现状，以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，现研究出一种单轴太阳光跟踪系统，提出了检测光强法以实现太阳光自动跟踪系统，在此基础上，结合目前应用实际，采用单轴跟踪的方式，提高了系统的光电转换效率。此外，单轴跟踪系统的方法，在结构上简单，未降低系统的抗风能力，因此，具有较好的实用性和推广价值。本文主要研究了对太阳光进行跟踪的方法及原理，数据采集接收和驱动控制设备的硬软件设计。在太阳光自动跟踪系统中，核心部件单片机通过预先计算的太阳位置进行跟踪，并通过光电传感器校正位置量可能出现的误差，该系统与模拟系统相比仅增加少量的低成本集成电路，具有精确度高，跟踪范围广，适应性好等特点，本文主要介绍单轴太阳光跟踪系统结构简单、成本低，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况。有效地提高太阳能的利用率，有效好的推广应用价值，缺点就是检测到的结果不是很精确，太阳能是已知最原始的能源，清洁，可再生，丰富和分布很广，具有广阔的前景。在太阳能的利用，如何提高太阳能设备的利用效率始终是使用太阳能过程中关注的话题，阳光跟踪的实施是必要的。主要模块有电源模块、采集模块、电机模块、转换模块、显示模块。 关键词：单轴跟踪；单片机；光电转换效；步进电机AbstractAccording to The status quo that increasingly lack of energy in modern society. Conventional energy-based energy structure with the continuous consumption of resources will become increasingly unsuited to the needs of sustainable development，is come up with a uniaxial too sun-tracking system to detect light intensity to sunlight automaticallytracking system. On this basis，combined with the actual application，the use of single-axis tracking to improve the photoelectric conversion efficiency of the system. In addition，the single-axis tracking system，the structure is simple，not to reduce the wind resistance of the system， therefore，has good practicability and value. This paper studied the sunlight tracking methods and principles，data acquisition hardware and software design to receive and drive control device.Sunlight automatic tracking system，the core components of SCM to track through the pre-calculated position of the sun by the photoelectric sensor calibration position the amount of possible errors，the system compared with the simulation system is only a small amount of low-cost integrated circuits，with precisehigh，tracking a wide range，adaptive characteristics.This paper describes the single-axis sun tracking system is too simple structure, low cost, without human intervention, especially for changes in the weather is more complex and unattended. Effectively improve the utilization of solar energy, effectively a good application value. The drawback is detected, the results are not very accurate.The main module power supply module, acquisition module, the motor module, conversion module, display module. Solar energy is the most primitive known energy, clean, renewable, abundant and very wide distribution, with a broad prospects. In the utilization of solar energy, how to improve the efficiency of utilization of solar energy devices is always a topic of concern in the use of solar energy process, the implementation of the tracking of sunlight is necessary.Keywords: Single-axis tracking; microcontroller; photoelectric conversion efficiency; stepper motor目 录引言11 太阳光跟踪系统的研究11.1 太阳光跟踪的方法11.1.1光电跟踪11.1.2时日运动轨迹跟踪介绍21.2 系统的原理叙述22 方案论证32.1 方案一32.2 方案二42.3 方案确定43 硬件电路分析53.1 AT89S52单片机模块53.1.1单片机选择及引脚功能介绍53.1.3单片机复位电路73.2 光强度检测模块83.2.1光电传感器的选择83.2.2光强度检测模块电路设计83.3 时钟模块部分93.3.1 74LS74芯片的介绍103.3.2 时钟模块电路设计103.4 太阳光跟踪控制模块113.4.1步进电机的介绍113.4.2步进电机控制电路设计153.4.3 步进电机的驱动电路原理153.5 电源模块163.6 LED数码管显示模块163.6.1LED数码管介绍163.6.2显示模块电路分析173.7 A/D转换模块173.7.1 ADC0809芯片介绍173.7.2 A/D转换模块电路计194 太阳光跟踪系统的软件设计204.1 主程序设计及工作原理204.2 光强度检测程序设计214.3 步进电机控制程序设计214.4 数码管显示电路设计215 硬软件调试215.1 硬件调试215.2 软件调试225.2.1 数码管显示的调试225.2.2 光强度检测和A/D转换部分调试225.2.3 电机控制部分调试235.3 设计中遇到的问题及其解决办法236 设计结果和数据分析236.1 设计结果236.2 数据分析247 结论24谢 辞26参考文献27附录一28附录二28附录三:29 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计（论文）说明书 第 33 页 共32页引言随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视。太阳能是已知的最原始的能源，他干净、可再生、丰富而且分布非常范围广，具有广阔的利用前景。在太阳能利用中，如何提高太阳能利用装置的效率，始终是人们关心的话题，在太阳能的利用过程中，实施太阳光跟踪是很有必要。对太阳光进行跟踪的方法很多，但不外乎为采用确定太阳位置所用的两种坐标系统，即赤道坐标系和地平坐标系，并分为双轴跟踪和单轴跟踪。本文主要介绍单轴太阳光跟踪系统结构简单、成本低，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况。有效地提高太阳能的利用率，有效好的推广应用价值。本文详细介绍了由单片机AT89S52和光敏电阻组成的环境测试仪的硬件组成和功能实现方法和软件的设计，并对结果进行了分析。第1章主要介绍了系统设计的任务要求。第2章主要对系统设计的方案进行论证。第3章对系统硬件设计和功能实现进行了详细的介绍。第4章具体介绍了系统的软件设计。第5章对系统硬件和软件的调试作了具体讲解。第6章对所测得的结果和数据进行分析。第7章对全文进行总结结论。本课题的主要研究内容:（1）选择合适的光电传感器和调理电路；（2）光电传感器合理的安装；（3）对光电信号进行多次采集，并显示出当前的光强；（4）编写软件，寻找光照最强的位置和显示当前位置的光强；（5）控制太阳能设备电路的设计。1 太阳光跟踪系统的研究1.1 太阳光跟踪的方法目前太阳能利用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换为热能，为了收集到尽可能多的太阳能，最好采取跟踪方式，使太阳光收集器的采光面始终对准太阳。传统的跟踪方式主要采用以下这两种方式:光电跟踪和视日运动轨迹跟踪;前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.1.1光电跟踪目前，国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区;当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便;但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作。1.1.2时日运动轨迹跟踪介绍根据跟踪系统的轴数，视日运动轨迹系统可分为单轴和双轴两种。（1）双轴跟踪如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。例如极轴式全跟踪极轴式全跟踪原理如图1-1所示:聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴。工作时反射镜面绕极轴运转，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的视日运动;反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，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。图1-1极轴式全跟踪（2）单轴跟踪单轴跟踪又可分为水平单轴跟踪、不同倾角单轴跟踪、最佳倾角跟踪。此作品跟踪原理是用光敏电阻代替传感器，在采集板上控制电机转速转动一角度后采集此时的光强，继续运转电机采集，在一定时间内电机转动一圈后采集的数据通过比较来寻找光强最大的位置。这种跟踪方式相对来说比较简单实用，但是在找光强位置有可能误差有点大不精准。1.2 系统的原理叙述本控制系统采用的太阳光跟踪方式跟传统的光电跟踪和视日运动轨迹跟踪方式有所不同。从前面可以了解到两种跟踪方法的优缺点，两种方法具有很强的互补性。此次设计方案就是一个简单的一个单轴跟踪系统。系统硬件上主要有以下几个模块组成，电源模块、单片机最小系统模块、A/D转换模块、光强度检测、步进电机控制模块和数码管显示模块。其主要以单片机AT89S52为核心，使步进电机控制模块转动的轨迹进行跟踪判断，通过光强度检测模块采集数据，使它能够监测周围光线状况，经过A/D模数转换后，同时用数码管显示出当时太阳的相对光照强度。例如，在一天内阳光充沛的时间段里系统采用这个方案的跟踪模式，在天气发生变化，阳光被云遮挡的情况下就要通过人工在外界设置一个比较亮的光源让这方案可以顺利进行。这种方法一定程度的解决了光电跟踪易受天气、环境干扰而发生系统紊乱或停止工作的问题。控制程序运行发送相应的脉冲信号到步进电机驱动器，步进电机带动运动执行机构按一定的方向转动相应的角度，角度的大小为开始设定的理论值，使采光光敏电阻跟随电机开始一个角度的转动后，然后程序再读取光电检测电路相连接的端口的信号，进而再次发送脉冲控制步进电机调整太阳能采光板的角度，并将调整后的预修正量储存，一直循环跟踪动作直到转完360。完成一步跟踪动作后把前面的所有数值进行一个比较，找出光照最强的位置然后通过控制程序控制步进电机反转到光强最大的位置位置。如此循环往复，实现对太阳光的跟踪。2 方案论证由前面可以知道，传统方法有两种：光电跟踪和视日轨迹跟踪；跟踪装置也可以选择单轴跟踪或者双轴跟踪；轨迹坐标计算也可以选择地平坐标或者赤道坐标。但是结合了本设计的要求以及从前面中了解到的各类方法的优缺点后，本设计系统方案做了以下选择：2.1 方案一本方案的太阳光跟踪系统是有光电二极管、AT89S52单片机、时钟电路、A/D转换、多位数码管显示电路、控制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，能够对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出相应的太阳相对的角度值送到七段数码管LED显示出来，太阳光控制电路根据太阳的位置移动。系统框图如图2-1所示。电源模块AT89S52光敏二极管检测电路A/D转换电机控制电路模块多位数码管显示时钟模块图2-1 方案一系统框图2.2 方案二本方案的太阳光跟踪系统采用以单片机STC12C5A60S2为核心，光强度检测模块，时钟模块，步进电机控制电路模块和12864液晶显示等主要模块组成。传感器采用光敏电阻，STC12C5A6S2单片机自带10位A/D，能够识别模拟信号，并内部实现模/数转换得到数字信号输出到LCD显示。控制电路以单片机为核心，能够对采集的模拟信号进行处理和判断，应用一定的算法计算出太阳相对的位置，送到LCD显示出来。并对步进电机实现控制。系统框图如图2-2所示。图2-2 方案二系统框图2.3 方案确定比较以上两方案可知，系统的工作原理是一致的，都是通过传感器采集太阳光并间接或直接将其转化成单片机能够识别的信号，通过单片机的处理将其实时显示出来，步进电机控制电路根据单片机传出的信号转动。所不同的是采用元器件差异，但从单片机方面考虑，方案一所使用的传统的单片机器件方案二所使用的系列成本低，LED七段数码管也比LCD低廉。根据实际情况方案一的元器件基本都是自己比较熟悉的器件，运用起来比较灵活，原理简单容易理解方便写程序代码。综合考虑，最后确定选择方案一。系统组成及工作原理以单片机为控制核心，采用光强度检测电路测量，以光敏电阻传感器作为测量元件，构成光电测量模块。该系统可分为电源模块电路、光电测量电路、时钟电路、步进电机控制电路、单片机、LED显示电路、A/D转换电路。选用的主要器件有:光敏电阻，时钟芯片74LS74，AT89S52，LED数码管，步进电机与转换芯片ADC0809等。 3 硬件电路分析3.1 AT89S52单片机模块3.1.1单片机选择及引脚功能介绍AT89S52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外部中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。管脚说明如下：VCC：电源。GND：地。P0 口：P0 口是一个8 位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8 个TTL逻辑电平。对P0 端口写“1”时，引脚用做高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。在程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4 个TT逻辑电平。当对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。当作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0 和P1.2 分别作为定时器/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），在Flash编程和校验时，P1口接收低8 位地址字节。P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TT逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。当作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TT逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。当作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（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。在晶振工作时，RST脚持续两个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO 位可以使此功能无效。在DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）在访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（PROG）也用做编程输入脉冲。PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH 的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在Flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。AT89S52单片机引脚功能介绍(如图3-1)：图3-1 AT89S52 DIP封装管脚分布图3.1.2 AT89S52单片机模块电路设计系统的时钟电路设计是采用的内部方式，AT89S52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C5和C6构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为20PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。如图3-2所示图3-2单片机总框图3.1.3单片机复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，复位电路的实现通常有两种方式：即专用监控电路和RC复位电路。前者电路实现简单，成本低，但复位可靠性相对较低；后者相对较高，但复位可靠性高，尤其是高可靠重复复位。对于复位要求高、并对电源电压进行监视的场合，大多采用这种方式。本设计中，时钟频率选用12MHz时，C7取10F，R5约为10K。如图3-3所示在实际中，通常电容取值为10uF以上，电阻通常取值10千欧左右。实验就会发现，电阻如果取值太小，则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。图3-3单片机总框图3.2 光强度检测模块3.2.1光电传感器的选择光敏传感器是应用半导体材料的内光电效应。它分两类，其一是光电导效应:在光作用下，电子吸收光子能量，使半导体材料电导率显著改变。基于这种效应的光电器件有光敏电阻;其二是光生伏特效应:在光作用下，使半导体材料产生一定方向的电动势。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。 在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值的下降。 光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。3.2.2光强度检测模块电路设计本设计中的光强度检测电路如图3-4所示，光敏电阻其内部电阻随光照射而变化，光度越强阻值越小，输出电流越大。电路用了光敏电阻与负载电阻相接，在接到A/D转换芯片的输入口ADC0进行转换，当平板对准了太阳后，对称的两个光敏二极管的光照强度就会相同，上下两个光敏电阻的入射光相同时取出电压，也就是说，若光敏电阻R3、R4的受光量不一样，就会显示出来的这个时候光强。通过开始设定的角度要电机转动，然后停止采集这个时候的光强后，继续转动相同的角度然后停止继续采集转换显示出来一直到找到光源为止。当平板没有对正太阳时，两个光敏电阻的光照强度就会不一样，则流过电阻的电流就会不相同，这样ADC0中获取的电压值也不相同，从而达到对正太阳、准确跟踪太阳的目的。本电路是光电跟踪的核心部分。调整步进电机的转动角度来寻找太阳光的位置。这种电路用于确定位置及光源自动跟踪装置中。电路中的负载电阻是用于补偿光敏电阻的偏差。图3-4 光强度检测模块电路设计的思路：首先通过驱动电机转动一个角度后采取光敏电阻光强然后显示出来对比，是利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一块板东西方向，如果太阳光垂直照射太阳能电池板，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，此时电动机不在转动；当太阳光方向与采光板垂直方向不平衡时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，显示的光照强度就会强于另一个，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。光敏电阻光强比较法的优点在于控制精确，电路设计比较容易实现。 当太阳辐射强度增加时，光电电阻阻值减小，1k可变电阻的压降增加，从而产生与太阳光辐射强度有直接关系的电压信号。光敏电阻的输出信号通过转换后与AT89S52单片机的输入端口连接，并对这这几组模拟信号进行比较运算，从而可以显示在数码管此时角度的光照强度。3.3 时钟模块部分由于单片机运行需要时钟支持，单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路。单片机的时钟信号由两种电路产生:内震荡电路和外震荡电路。在任一时刻，只需要一种振荡电路就可以使单片机工作正常。使用内震荡电路提供时钟脉冲，需要在XTAL1和XTAL2之间外接石英晶石振荡器或者陶瓷振荡器，这时的内部振荡电路仅相当于一个高增益放大器，和晶振接在一起形成一个正反馈的自激震荡，再经整形和分频形成单片机内各逻辑部分所需要的时钟脉冲。外震荡方式是将外部时钟信号直接从XTAL1或者XTAL2引入，这时XTAL1 和XTAL2只需要一个，另一个悬空。3.3.1 74LS74芯片的介绍 如图3-5所示图3-5 74LS74功能管脚工作原理: SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时，不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0，SD和RD通常又称为直接置1和置0端。工作过程如下： 1.CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。 2.当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。 3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的，即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS 触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用，称为置0阻塞线。因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁，三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。与主从触发器相比，同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。3.3.2 时钟模块电路设计时钟芯片74LS74在设计中，时钟芯片74LS74在本设计中的接线图如图3-6和3-7所示 图3-6时钟模块电路图3-7分频电路引脚14接5V的电源，引脚7接地；该电路在本设计中的功能是：因为ADC0809电路的正常工作需要的500KHZ，所以IN端口接入单片机的ALE端口，使得单片机本来输出的频率通过74ls74芯片的4分频后获得500KHZ频率在输出给0809芯片，这样0809芯片就可正常工作。3.4 太阳光跟踪控制模块3.4.1步进电机的介绍太阳跟踪装置控制系统的控制目标是通过对装置机械执行机构的角度的精确控制，实现对太阳运行轨迹的跟踪。并且要求整个系统能够全天候的自动运行，结构简单可靠。由于系统要实现对控制对象位置角度的精确控制，并且对控制对象的移动速度要求不高，因此控制部件首先考虑采用步进电机，因为步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电机ULN2003芯片介绍图3-8电机内部图和管脚图ULN2003A电路的管脚排列如图3-8所示，其原理和引脚功能图，各引出端的功能符号及说明如下表所列。步进电机28BYJ-48介绍如图3-9所示图3-9电机实物图步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您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28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（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）。1、步进电机的静态指标术语（1）相数：是指电动机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电动机，常用m表示。 （2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即A-B-C-D-A，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。（3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例：四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步）。八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 （4）保持转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。它是步进电动机最重要的参数之一。通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。 （5）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 2、步进电机动态指标及术语： （1）步距角精度：步进电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：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 （6）运行矩频特性：电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，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。 （7）电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，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）电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。步进电机的特征如下： 1、一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累。 2、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电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，电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。 4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。但是，步进电动机也存在如下缺点： 1、难以获得较大的转矩。 2、不宜用作高速转动。 3、在体积、重量方面没有优势，能源利用率低。 4、超过负载时会破坏同步，高速、工作时会发出振动和噪声。3.4.2步进电机控制电路设计由于在前几节已经介绍了电机的选择，而且也选择了步进电机作为本设计的驱动电机。所以本设计的驱动电路也选择步进电机的控制电路。上一节介绍步进电机的控制电路由控制芯片ULN2003控制电机的驱动，1、2、3、4管脚接入单片机的P30、P31、P32、P33，13、14、15、16输出端口接入J9的排针，电机就插在这排针口上可以控制电机的转动。如图3-10所示图3-10步进电机控制芯片电路3.4.3 步进电机的驱动电路原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。如图3-11所示图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号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。3.5 电源模块如图3-12所示为电源部分的电路：图3-12电源部分电路用一个4个排针焊接在电路板上，有一个控制电源的开关，接入电源以后准备进行检测的时候就打开开关输入电源，如果不需要的时候就可以关掉电源，避免每次都要关总电源方便。LED灯就是为了显示这电源模块是否正常通电的表示，1K的电阻就是起到一个限流的作用，电容起到一个滤波的作用，有一个是拨码开关。3.6 LED数码管显示模块3.6.1LED数码管介绍LED数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平、端接低电平时，才能发光。用万用表判断共阴和共阳的方法: 用红表笔接任一引脚，黑表笔依次接其他各引脚，若均不发光，则将红表笔接另一引脚，黑表笔依次按其他各引脚，仍不发光，则继续，直至某一线发光，为共阳极，则发光时红表笔所接的引脚为电源。如用红表笔接任一引脚，黑表笔依次接其他各引脚，若均不发光，将红表笔接另一引脚，黑表笔依次接其他各引脚，只有两个引脚发光，此时为共阴极，此两引脚为地，在调试的时候确保没有用错数码管,就会避免带来不必要的麻烦。3.6.2显示模块电路分析图3-13数码管与单片机连接图如图3-13数码管管脚A1到A8是位选接入单片机的P0口，A9到A12是段选P2.4到P2.7口。如图3-13所示LED 数码管在本次设计需要数字显示，一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点，在小型专用微机系统和单板机等场合，它是主要的显示器件，在通用微机系统中，也常用来作为状态等显示。对于共阴极显示器，要点亮的显示段引脚需接低电平1，要显示的是输出电压值为数字，它有简单、经济、易于与单片机接口等优点。3.7 A/D转换模块3.7.1 ADC0809芯片介绍ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 （1）ADC0809的内部逻辑结构 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。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A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。（2）ADC0809引脚结构 ADC0809各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）.EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线。如图3-14所示图3-14 0809实物图和管脚图ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表3-1所示。表3-1输入通道数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 2 ADC0809应用说明 （1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3）要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.7.2 A/D转换模块电路计图3-15 0809连接图如图3-15所示，11、12管脚接VCC，13、16管脚接地，23、24管脚接地意思就是接入0，根据上节0809的工作原理，C、B、A分别为000就是输入通道ADC0， C、B、A分别为001就是输入通道ADC1，输出D0D7管脚接入单片机P1口，0809的工作的频率是500kHZ，通过74LS74分频后得到500K，0809才可以正常工作， 进行A/D转换之前，ST0，EOC1，OE0产生启动转换的正脉冲信号， 进行A/D转换时，采用查询EOC的标志信号来检测A/D转换是否完毕，若完毕则把数据通过P1端口读入，经过数据处理之后在数码管上显示。4 太阳光跟踪系统的软件设计4.1 主程序设计及工作原理本系统的软件程序部分使用了AT89S52的P0.0-P0.7和P2.4-P2.7口来进行对数据的显示，使显示所测得的当时的