毕业设计（论文）-基于HYM8563定时器和单片机的低功耗太阳能自动跟踪系统.doc

本科生毕业设计（论文）摘 要能源是人类面临经济发展和环境维护平衡需要解决的最根本最重要的问题。太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通常最普遍且最方便使用的是电能。因而太阳能光伏发电是最有应用前景的太阳能利用方式。目前，光伏发电的成本太高，世界各国正在积极改进电池制造工艺。采用新技术以提高转换效率，降低光伏发电的成本。全自动跟踪太阳发电设备从控制技术出发，采用新的光伏发电装置技术，与固定式相比发电能力提高35，成本下降25。本系统以单片机为核心，构建了由光电转换，逆变电源，光电二极管检测和比较，方位角和高度角双轴机械跟踪定位系统组成的自动控制装置。这是一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统，能够按阳光照射角度自动调节电池角度，使太阳能电池发电效果最佳。采用传感器定位和太阳运行轨迹相结合，弥补了赤道架型太阳能自动跟踪系统的缺陷，具有全天候，全自动，跟踪精度高等优点，充分保证了太阳辐射观测的需要，大大减轻了观测人员的劳动强度。在晴天检测时能自动跟踪太阳并实时回存正确数据，消除因季节变化而产生的积累误差，在阴天时能自动引用晴天时的位置，控制精度高，具有广泛的应用潜力。实现了追踪太阳的效果，达到提高发电效率的目的。关键词：光电检测； 自动跟踪； 单片机； 低功耗；电机驱动AbstractEnergy is the most fadamental and important problem that people need to solve when faced with economic development and environment balance protect. Solar energy is an extreme abundant and clean sourse, and usually the most common and the most convenient one is the use of power. Therefore the solar photovoltaic application is the best way to make use of solar energy. At present, the high cost of photovoltaic power generation promotes countries around the world to actively improve the battery manufacturing process. They adopte new technologies to improve conversion efficiency and reduce the cost of photovoltaic power generation. Automatic tracking solar power generation equipment which starts from the control technology applies a new installation of photovoltaic power generation technology, and its power generation capacity raise 35 percent, 25 percent reduction in costs, compared to the fixed one.The system considers single-chip microcomputer as the core and construct a automatic control device composed by the photoelectric conversion, inverter power supply, photodiode detection and comparison, the azimuth and elevation angle biaxial mechanical positioning system. This is a new microcontroller-based automatic tracking solar system, thus able to automatically adjust the angle of battery to that of sunlight so that the solar battery can reach its top power generation. The combination of sensors and the sun track has made up the shortage of equatorial plane type of automatic solar tracking system with such advantages as all-weather, fully automated, high precision tracking, and has fully guaranteed the need for solar radiation, and has significantly reduced the labor intensity of observers.Detection in the sunny day can automatically track the sun and store real-time data back to remove the accumulated errors caused by seasonal variations. Whereas in cloudy weather, it can automatically quote sunny location, high control precision, and has a wide use potential, thus achieve the effect of tracking the sun and the increase of the power generation efficiency.Key words : Photoelectric detection; automatic tracking; singlechip; low power consumption; motor drive目 录第1章 绪 论51.1 太阳能电池自动跟踪控制器的背景51.2 国内外太阳能应用的现状51.3 太阳能电池自动跟踪控制器的功能7第2章 太阳能电池自动跟踪控制器的总体设计82.1 太阳能电池自动跟踪控制器的方案论证82.2 系统总体工作的流程图92.3系统各个模块的功能102.3.1光伏发电系统102.3.2太阳方位角探测器112.3.3系统的机械结构112.3.4巡日控制器112.3.5系统的控制功能122.3.6系统控制器的增强功能12第3章 太阳能电池自动跟踪控制器的硬件电路设计133.1 单片机控制芯片的选择133.1.1 AT89C51单片机简介143.1.2 AT89C51单片机的晶振电路143.2 传感器光电检测电路153.3 时钟电路173.3.1 时钟芯片的选择173.3.2 时钟电路的工作原理193.4 电源电路203.4.1 太阳能电池充放电控制器203.4.2 DC-DC电压转换电路213.5 键盘及显示电路223.5.1 键盘电路223.5.2 显示电路233.6 电动机驱动电路243.6.1 机械结构243.6.2 驱动电机原理与工作过程26第4章 系统的软件设计274.1 主程序流程图274.2 中断子程序流程图284.3 按键和显示子程序流程图29第5章 总结34参考文献35致 谢36附录I37附录II42附录64IV第1章 绪 论1.1 太阳能电池自动跟踪控制器的背景随着传统的煤炭、石油等燃料、能源逐渐减少，并且对全球环境造成的危害日显突出，世界各国纷纷都把目光投向可再生绿色能源的开发和利用，以期维持人类长远的可持续发展。太阳能以其独有的无污染、可自由利用、取之不尽、用之不竭的优势成为人类利用的重点。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发利用太阳能资源进行发电发热。太阳能是一种极为丰富的清洁能源，同时通常最普遍且最方便使用的是电能。因而太阳能光伏发电是最有应用前景的太阳能利用方式。目前，光伏发电的成本太高，世界各国正在积极改进电池制造工艺。采用新技术以提高转换效率，降低光伏发电的成本。但目前太阳能光伏电站系统的发电效率并不高，如何更有效地提高太阳能光伏电站整体发电效率是一个必须解决的问题。全自动跟踪太阳发电设备从控制技术出发，采用新的光伏发电装置技术，与固定式相比发电能力提高35，成本下降25。因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的。1.2 国内外太阳能应用的现状现阶段以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。1、全球太阳能电池产业现状据Dataquest的统计资料显示，目前全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中，其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发，积极生产各种相关的节能新产品。1998年，全世界生产的太阳能电池,其总的发电量达1000兆瓦，1999年达2850兆瓦。2000年，全球有将近4600家厂商向市场提供光电池和以光电池为电源的产品。 目前，许多国家正在制订中长期太阳能开发计划，准备在21世纪大规模开发太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划, 日本推出的是阳光计划。NREL光伏计划是美国国家光伏计划的一项重要的内容，该计划在单晶硅和高级器件、薄膜光伏技术、PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、 光伏应用和市场开发等5个领域开展研究工作。美国还推出了太阳能路灯计划，旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电，根据计划，每盏路灯每年可节电800度。日本也正在实施太阳能7万套工程计划， 日本准备普及的太阳能住宅发电系统，主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备，家庭用剩余的电量还可以卖给电力公司。一个标准家庭可安装一部发电3000瓦的系统。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的尤里卡高科技计划，推出了10万套工程计划。 这些以普及应用光电池为主要内容的太阳能工程计划是目前推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。日本、韩国以及欧洲地区总共8个国家最近决定携手合作，在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站，他们的目标是将占全球陆地面积约1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来，为30万用户提供100万千瓦的电能。计划将从2001年开始，花4年时间完成。目前，美国和日本在世界光伏市场上占有最大的市场份额。 美国拥有世界上最大的光伏发电厂，其功率为7MW，日本也建成了发电功率达1MW的光伏发电厂。全世界总共有23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。 20世纪90年代以来，全球太阳能电池行业以每年15%的增幅持续不断地发展。据Dataquest发布的最新统计和预测报告显示，美国、日本和西欧工业发达国家在研究开发太阳能方面的总投资，1998年达570亿美元；1999年646亿美元；2000年700亿美元；2001年将达820亿美元；2002年有望突破1000亿美元。 2、我国太阳能电池产业现状我国对太阳能电池的研究开发工作高度重视，早在七五期间，非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题。八五和九五期间，我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委光明工程将筹资100亿元用于推进太阳能发电技术的应用，计划到2005年全国太阳能发电系统总装机容量达到300兆瓦。 2002年，国家有关部委启动了西部省区无电乡通电计划，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业，国内建起了几条太阳能电池的封装线，使太阳能电池的年生产量迅速增加。我国目前已有10条太阳能电池生产线，年生产能力约为4.5MW。其中8条生产线是从国外引进的，在这8条生产线当中，有6条单晶硅太阳能电池生产线，2条非晶硅太阳能电池生产线。据专家预测，目前我国光伏市场需求量为每年5MW，20012010年，年需求量将达10MW，从2011年开始，我国光伏市场年需求量将大于20MW。目前国内太阳能硅生产企业主要有洛阳单晶硅厂、河北宁晋单晶硅基地和四川峨眉半导体材料厂等厂商，其中河北宁晋单晶硅基地是世界最大的太阳能单晶硅生产基地，占世界太阳能单晶硅市场份额的25左右。在太阳能电池材料下游市场，目前国内生产太阳能电池的企业主要有无锡尚德、南京中电、保定英利、河北晶澳、林洋新能源、苏州阿特斯、常州天合、云南天达光伏科技、宁波太阳能电源、京瓷（天津）太阳能等公司，总计年产能在800MW以上。3、太阳能电池及太阳能发电前景简析目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在目前阶段，它的成本还很高，发出1kW电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。1.3 太阳能电池自动跟踪控制器的功能目前，国内外太阳能电站主要采用固定安装方式，其全天的有效日照时间约为5小时，其余日照时间内因太阳光光强不足或阳光入射角小的原因而导致发电量大幅度下降。所以要设计一款太阳能电池自动跟踪控制系统。系统高精度实时测量并追踪太阳方位，保持入射阳光与太阳能电池板相对垂直，从而实现有效提高太阳能电站的发电效率是一个必须解决的问题。本文提出一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪器设计方案，自动跟踪器由光伏发电系统、光电检测电路、双轴机械跟踪定位系统、时钟电路、单片机控制系统等几部分组成。该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，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，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。第2章 太阳能电池自动跟踪控制器的总体设计2.1 太阳能电池自动跟踪控制器的方案论证传感器技术的发展使太阳能的使用进入了一个新的时代，一系列新型太阳能电池不断涌现，但转换效率不高，且造价十分昂贵。一般放置太阳能电池板时，朝向是固定的，而太阳的位置是不同的，无法保证太阳光始终垂直于电池板，使转换效率降低，造成所需的电池板面积增大，设备成本增加，不利于推广和应用。本文设计了4基本测试方案进行比较，分别是定时法、坐标法、电池板光强比较法和光强比较法，经比较筛选出较准确的方案。利用光敏器件和智能式传感器系统的思想，设计并构建了一个能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向的自动跟踪系统，有效地提高了太阳能的利用率。方案一：定时法根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳能电池板每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得电池板根据太阳的位置而相应变动。这种方法称为定时法，其优点是电路简单，但由于不同季节日出日落的时间不同，会降低该系统调整的精确度。方案二：坐标法将3光敏三极管放置在不同的朝向，一个竖直朝向天空，一个朝向正东方，另一个朝向正西方，太阳从不同角度照射到 3个光敏管的光强不同，它们产生的光电流强度不同。太阳光方向与正东方的夹角与光强(或光电流)的关系会发生变化。依据值调整太阳能电池板的角度，使得太阳能电池板一直朝向太阳的方向。其优点在于调整精确度较高，但实现电路过于复杂。方案三：太阳能电池板光强比较法把两块完全相同的太阳能电池板按照一定的角度连接成“人”字型，它们既用作光电转化的电池，也起光敏器件的作用。太阳光垂直照射地面时，两块电池板上得到的太阳光的能流密度完全相等，产生的光电流大小相等，此时控制它们方位的电动机不工作。入射太阳光与地面的夹角改变时，如果甲电池板得到太阳光的能流密度大于乙得到的能流密度，则甲电池板产生的光电流强度就大于乙电池板的光电流强度，利用这一信号驱动电动机转动，使得电池板与太阳光的夹角同光垂直于地面时完全相同。其优点为调节较为精确，电路也比较简单，但两个电池板之间的夹角始终存在，永远无法达到真正意义上的垂直。方案四：光电检测法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电池板东西方向边沿处的下方(光与电池板垂直时，一半可接收光，一半在下边)。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，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。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，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。对四种设计方案进行了对比筛选后认为：方案四光电检测法适合。环境亮度不影响电路的准确控制，达到预期的性能指标，且运行可靠。适宜于太阳能电池的实际应用，易于推广，为提高太阳光的利用率提供了重要的依据。2.2 系统总体工作的流程图复位电路继电器控制三相交流单片机传感器信号处理步进电机1功率接口光电隔离工作台步进电机2功率接口光电隔离键盘74LS148显示器状态指示行程开关时钟电路图2.1系统总体工作框图本系统包括光电转换器、传感器、时钟电路、控制角度的电机、系列单片机以及相应的外围电路等。其中传感器是将接受的光强进行比较经过单片机处理从而决定电机往哪个方向旋转。键盘是经过74ls148来驱动，可以根据需要在增加一些按键或者驱动显示器。太阳能电池板有两个自由度控制机构将分别对水平方向与竖直方向进行调整。单片机加电复位后，方向将处于旋转状态， 单片机将对采样进来的电压信号进行判断，电压有增大和减小两种可能。 如电压增大，则让电池板继续转动，一旦电压减小，单片机将立即发出信号，让电机反转，实现电池板对太阳的跟踪。通过显示器显示当前的状态还有一部分就是电源的提供问题太阳能储存为电能，并通过逆变器变成器件所需要的电源。当夜晚没有阳光的时候可以根据传感器提供的信息停止电动机的转动，由伏安电池供电改为蓄电池供电维持单片机的正常运行和时钟芯片。2.3系统各个模块的功能2.3.1光伏发电系统太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC 的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC 逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC 逆变器，如将24VDC 的电能转换成5VDC 的电能。2.3.2太阳方位角探测器太阳方位角探测器的功能是高精度实时为巡日控制系统提供太阳方位测量信号。本系统的太阳方位角探测器使用两个电机使太阳方位角探测器的测量指标达到：1、测量范围：1952、选装角度：3603、测量精度：1保证光照条件下的全程对日高精度测量，并将太阳方位角信号转换成电信号，传送给巡日控制器。2.3.3系统的机械结构整个传动机构和太阳能电池板装在C架上。C形架的仰角是可调的，以保持与太阳仰角一致，随季节不同该仰角通过调节前支撑支架进行调整（只需设置冬至、春分/秋分、夏至三个调节位置）。销轮盘兼作太阳能电池板的安装底座。销齿传动的主动轮为小型齿轮，从动轮为销轮，其优点是传动比大（单级最大传动比可达1：87），传动效率高（0.920.97）。此传动机构能工作于恶劣环境下，造价低廉，易于加工制造，特别是当长期摩擦等原因造成销子磨损或损坏时，只需更换销子即可，不必更换整个销轮，在偏远地区应用时其特点是齿轮无法相比的（齿轮一旦磨损则需更换整个齿轮箱）。双轴机械跟踪定位系统的蜗轮蜗杆减速机与通常的蜗轮蜗杆传动机构的最大区别在于本结构将电机和减速机直接联接。2.3.4巡日控制器 巡日控制器接收太阳方位角探测器的信号后对太阳能电池板进行如下控制：1、当太阳能电池板落后太阳角（2.5）时，巡日控制器发出控制信号使太阳能电池板自东向西旋转，直至太阳能电池板超前太阳角时停止。每次旋转约15分钟。2、当太阳能电池板旋转到西端位置时，行程开关触发使巡日控制器停止追踪太阳。当到达预先设定的返回时间时，钟控单元向控制器发出返回信号，控制器发出控制指令使太阳能电池板自西向东旋转，回复至次日太阳升起方位，以迎接次日太阳升起。2.3.5系统的控制功能太阳能自动跟踪控制系统实现对太阳的自动追踪。在C型架上安装有两个行程开关，其作用为：当太阳接近下山时，太阳能电池板转到西侧极限位置时，西侧挡板碰上西侧的行程开关，控制器使太阳能电池板自西向东反转，直至碰上东侧的行程开关，控制器使太阳能电池板停止反转，恢复追踪状态，迎接次日太阳的升起。2.3.6系统控制器的增强功能1、自动开/关机功能 在夜幕降临，太阳能电池板回复至东侧后到次日太阳升起前，控制器不再执行任何功能，若保持对控制器的供电则无效消耗电能。因此，当太阳能电池板碰上东侧的行程开关时，控制器除开机电路外完全自动断电。次日太阳升起时，由时钟信号自动触发对控制器恢复供电，以节省夜间控制器无作为期间的电能消耗。2、 小信号切除功能在太阳光强不足（如阴、雨、雾、雪天、沙尘天气）的情况下，太阳方位角探测器会对周围的其它干扰光源敏感（如信号灯、照明弹、高层建筑霓虹灯等），将其误认为是太阳光而向控制器发出错误的方位信号，使太阳能电池板误跟踪干扰光源；而且，在太阳光不够强时，太阳能电池板发电量不大，此时也没有必要实施跟踪。本系统设计考虑上述因素，巡日控制器增加了小信号切除功能：当光强没有达到设定值时，太阳能电池板不实施跟踪。3、钟控功能钟控功能由钟控单元实现。钟控单元功能上设置开机时间和关机时间。当时钟到达开机时间时，钟控单元向控制器发出开机信号；而当系统由于某种原因（如下午阴、雨、雾、雪天，控制系统不实施跟踪因而没有到达西侧行程开关位置）没有在黄昏返回东侧时，则当时钟到达关机时间时，钟控单元向控制器发出反转信号，使太阳能电池板返回东侧并实现自动关机。4、 夏季余光利用功能在夏季太阳下山时间晚，当巡日控制系统跟踪太阳到达西端行程开关位置时，正常功能则启动返回指令，而此时太阳还很高，光强也足够，为了充分利用此期间的太阳能，系统采用时钟控制方式：指令太阳板停止于西端位置不实施返回，以最大限度采集太阳光能，当时间到达预先设定的关机时间后（如晚上21：30），钟控单元向巡日控制器发出反转信号，使太阳能电池板返回东侧并实现自动关机。第3章 太阳能电池自动跟踪控制器的硬件电路设计3.1 单片机控制芯片的选择单片微型计算机（Single-chip Microcomputer）简称单片机。它是在一块芯片上集成了中央处理器（Central Processing Unit,CPU）、随机存储器（Random Access Memory,RAM）、只读存储器（Read Only Memory,ROM）、定时/计数器及I/O(Input/Output)接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。它的特点是：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，应用广泛。自单片机诞生以来的近三十年中，单片机已经有七十多个系列、近五百个机种。国际上比较有名、影响较大的公司及它们产品如下：1. Intel(美国因特尔)公司的MCS-48系列、MCS-51系列、MCS-96系列产品；2. Motorola（美国摩托罗拉）公司的6801、6802、6805、680HC11系列产品；3. Zilog（美国齐洛洛）公司的Z8、Super8系列产品；4. Atmel（美国艾特梅尔）公司的AT89系列产品；5. Fairchild（美国仙童）公司的F8和3870系列产品；6. TI（美国德克萨斯仪器仪表）公司的NS8070系列产品；上述产品既有很多共性，又各具一定的特色，因而在国际市场上都有一席之地。根据近年来国外实地考察，Intel公司的单片机在市场上占有量为67%，其中MCS-51系列单片机又占54%。在我国所用的单片机以Intel的产品为主流系列。随着一系列产品的深入开发，其主流地位还将会不断巩固。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C51单片机的性价比很高，它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除的只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失性存储器技术制造，与工业标准的MCS-51指令集合和输出管脚相兼容。结合本系统使用AT89C51即可完成系统所需要的功能，而且本系统是在外界工作，根据实验调查AT89C51抗干扰能力更强一些，因此选用AT89C51作为本系统的控制芯片。3.1.1 AT89C51单片机简介根据系统功能要求,我们选择AT89C51作为核心CPU。AT89C51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,AT89C51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。 主要功能特性： 兼容MCS51指令系统；32个双向I/O口；两个16位可编程定时/计数器；1个串行中断；5、两个外部中断源；可直接驱动LED；低功耗空闲和掉电模式；4k可反复擦写(1000次)Flash ROM；可编程UARL通道；全静态操作0-24MHz；128x8bit内部RAM；共6个中断源；3级加密位；软件设置睡眠和唤醒功能。3.1.2 AT89C51单片机的晶振电路由晶体和两个30pf电容组成,其中,XTAL1，XTAL2。输入其周期为T状态空间。晶振为11.592MHz时，T状态时间为0.167s。如图3.1所示。图3.1AT89C51晶振电路图3.2 传感器光电检测电路图3.2.2 光电检测管排列侧视图图3.2.1 光电检测管排列俯视图D1D4D3D5D7D9D6D2D8D4D3D5D7D9D6D2D8D1B10B4B2B3图3.3光电检测管排列新增图3.2 光电检测管排列太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同，因此，欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位。图3.2.1是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视简图，共由9个光电三极管组成。正中央1个，旁边8个围成一圈。将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径略大于图中的外圆。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以让光线通过 (如图3.2.2所示)。适当调整图中电阻的阻值，这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时，运放将输出低电平。此电平可对接到的输入端进行检测， 圆柱体内的每个光电二级管各用一个单片机的输入端，总共用了9个。这样就可以检测太阳光线的朝向，来决定哪个电机转动，向哪个方向转动。另外，为了增大光电二极管的检测范围，视实际情况需要，也可再增加一圈光电二极管，并与内圈的相应的光电二极管并联 (如图3.3)。将整个光电检测装置安装在太阳能光电池板上，光电二极管的检测面与电池板平行。在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方 (确保会受到光线的照射) 也安装一个光电二极管 (其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同)，用于检测环境亮度，并与圆柱体内的每个光电二级管及运放 (可用LM324 集成电路中的一个) 构成一个比较电路 (如图3.4)。图3.4检测比较电路工作参数：（1） 工作于1V至40V；（2） 0.02%/V电流调整；（3） 从1A到10mA可编程；（4） 真正的三端操作；（5） 可用作完全特定的温度传感器；（6） 3%的初始精度。3.3 时钟电路3.3.1 时钟芯片的选择常用的时钟芯片一、串行接口1I2C接口Phlilps的PCF8563，PCF8583，EPSON的RX8025 内置晶振，误差小。比较不错MAXIM-DALLAS的DS1307 RICOH的RS5C372，国内的贝岭仿制型号BL5372日本精工的S-35390，Intersil的X1288深圳威帆电子公司出的SD2000系列，晶振，电池全部内置，体积较大。2、三线接口MAXIM-DALLAS的DS1305, DS1302,其中DS1302国内有相关的仿制产品，PTI的仿制型号是PT7C4302。台湾合泰的HT1380,HT1381。二、并行接口MAXIM-DALLAS、DS12C887系列，现在已经衍生出很多型号了。主要是几个大厂MAXIM-DALLAS，PHILIPS,日本精工。现在很多常见的rtc芯片国内都有仿制的，价格还是不错的。要求不高的地方用还是不错的。很多常见的型号在这里都能找到相对应的型号，包括ds1302，ds1307,ds1337,pcf8563。在许多特殊场合，如野外、无人值守的监测站、井下、空中等，单片机系统往往只能采用电池供电。因此，如何最大限度地降低系统的功耗成了人们十分关注的问题。在多数情况下，单片机并不需要连续工作，例如定时采样系统及监视系统等，其时间间隔有时长达数分钟到数天。因此采用I2C实时时钟芯片HYM8563与89C51设计了一种低功耗系统。HYM8563是一款低功耗CMOS实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程的时钟输出，一个中断输出和一个掉电检测器，所有的地址和数据都通过I2C总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动递增。 可计时基于32.768kHz晶体的秒，分，小时，星期，天，月和年 宽工作电压范围：1.85.5V 低休眠电流：典型值为0.25A（VDD=3.0V，TA=25） 400kHz的I2C总线接口（VDD=1.85.5V时） 可编程时钟输出频率为：32.768kHz，1024Hz，32Hz，1H 报警和定时器 掉电检测器 内部集成振荡电容 片内电源复位功能 I2C总线从地址：读，0A3H；写，0A2H 漏极开路中断引脚 封装形式：DIP8和SOP8HYM8563内部有16个可寻址的8位并行寄存器(参见表2)，前两个寄存器用作控制寄存器和状态。寄存器，02H08 H用于时钟计数器(秒到年计数器)，09H0CH用于报警寄存器(定义报警条件)，0DH用于控制CLKOUT管脚的输出频率，0EH和0FH分别用作定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器的编码格式为BCD 码，星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。表3.1HYM8563内部寄存器地址寄存器名 称Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit000H控制/状态寄存器1TEST0STOP0TESTC00001H控制/状态寄存器2000TI/TPAFTFAIETIE0208H时钟计数器时钟计数器值090CH报警寄存器分时日星期月报警寄存器值0EH定时器控制寄存器TE_TD1TD00FH定时器倒计数寄存器定时器倒计数数值0FH为倒计数定时器寄存器，受定时器控制寄存器(0EH)控制，TD1、TD0用于设定定时器的频率(4096Hz，64Hz，1Hz或1/60Hz)，这样可以设定不同时间间隔的定时值。TE设定定时器开或关。当倒计数值计为0时TF位置1。TIE1为定时中断允许控制位，TI/TP=0为中断信号低电平/脉冲方式选择。HYM8563共有四种报警方式，分别为小时报警(每小时的同一分钟时刻报警)、日报警(每天的同一小时时刻报警)、月报警(每月的同一天时刻报警)和星期报警(每星期的同一天时刻报警)。HYM8563可在一个或多个报警寄存器写入合法的分钟、小时、日或星期数值并将它们相应的AE(Alarm Enable)位置0，当这些数值与当前的分钟、小时、日或星期数值相等，发生报警，标志位AF被置1。若要使HYM8563每隔一定时间产生一次中断，则可使用定时器。置TE0，在0EH中设定定时器的频率，在0FH中置入定时间隔。同时设定TIE1，TI/TP=0，这样，当报警器报警(或定时器倒计数结束)时，将设置中断申请标志位AF(或TF)，并在 脚产生一个低电平作为中断信号。中断申请标志位AF和TF只能用软件清除。当读定时器时，返回当前倒计数的数值。HYM8563采用的是串行I2C总线接口，通过两条线SDA和SCL在不同的芯片和模块间传递信息。SDA为串行数据线，SCL为串行时钟线，两条线都必须用上拉电阻与正电源相连。数据只在总线不忙时才可传送。 3.3.2 时钟电路的工作原理图3.5为系统时钟电路图。单片机可为低损耗、高性能、CMOS八位微处理器80C51系列。HYM8563的SDA和SCL与89C52的2个引脚连接，通过编程进行I2C通信。R1、R2、R3为上拉电阻，S1为手动复位开关，S2为允许唤醒单片机的按键（见总体电路图）。如有多个被允许的唤醒按键，可用多输入端与门相与。HYM8563的引脚与允许的唤醒按键相与后连接到IC3A。IC3A(74LS08)为单稳态触发器，只要A脚有一低电平信号(边沿触发)输入，就会在Q端产生一高电平输出，高电平的宽度由R26和电容决定。当唤醒按键按下时，或者HYM8563警报器、定时器引起脚产生低电平时，都会在IC4A的输出端产生低电平。该低电平触发IC3A产生具有一定宽度的高电平，最终引起单片机复位，唤醒进入掉电的单片机。图3.5时钟电路3.4 电源电路3.4.1 太阳能电池充放电控制器铅酸蓄电池已普遍应用于太阳能光伏电源系统。人们知道，铅酸蓄电池的使用寿命与是否过充电或过放电有很大关系，只要在太阳能光伏电源系统工作过程中保持蓄电池不过充电，也不过放电，就能延长使用寿命，让其正常工作5年以上。图3.6为简易太阳能电池充放电控制器，可有效地防止蓄电池过充电或过放电。一、电路如图3.6所示，双电压比较器LM393两个反相输入端脚和脚连接在一起，并由稳压管ZD1提供6.2V的基准电压做比较电压，两个输出端脚和脚分别接反馈电阻，将部分输出信号反馈到同相输入端脚和脚，这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压比较器，可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。R1、RP1、C1、A1、Q1、Q2和J1组成过充电压检测比较控制电路；R3、RP2、C2、A2、Q3、Q4和J2组成过放电压检测比较控制电路。电位器RP1和RP2起调节设定过充、过放电压的作用。可调三端稳压器LM371提供给LM393稳定的8V工作电压。被充电电池为12V65Ah全密封免维护铅酸蓄电池；太阳电池用一块40W硅太阳电池组件，在标准光照下输出17V、2.3A左右的直流工作电压和电流；D1是防反充二极管，防止硅太阳电池在太阳光较弱时成为耗电器。二、工作原理当太阳光照射的时候，硅太阳电池组件产生的直流电流经过1-1常闭触点和R1，使LED1发光，等待对蓄电池进行充电；K闭合，三端稳压器输出8V电压，电路开始工作，过充电压检测比较控制电路和过放电压检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时，A1的脚电位高于脚电位，脚输出低电位使Q1截止，Q2导通，LED2发光指示充电，J1动作，其接点J1-1转换位置，硅太阳电池组件通过D1对蓄电池充电。蓄电池逐渐被充满，当其端电压大于预先设定的过充电压值时，A1的脚电位低于脚电位，脚输出高电位使Q1导通，Q2截止，LED2熄灭，J1释放，J1-1断开充电回路，LED1发光，指示停止充电。当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时，的脚电位高于脚电位，脚输出高电位使Q3导通，Q4截止，LED3熄灭，J2释放。其常闭触点J2-1闭合，LED4发光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时，A2的脚电位低于脚电位，脚输出低电位使Q3截止，Q4导通，LED3发光指示过放电，J2动作，其接点J2-1断开，正常指示灯LED4熄灭。另一常闭接点J2-2(图中未绘出）也断开，切断负载回路，避免蓄电池继续放电。闭合，蓄电池又充电。白天，光伏电池需要为蓄电池充电，以便蓄电池能够晚间对负载供电，并且步进电机的工作电能也需要由光伏电池提供(若光伏电池的功率不足以带动电机，说明日照极差，无需转动电机)，ARM板必须连续供电，白天由光伏电池供电，夜间由蓄电池供电，这一套充放电控制电路需要用到2个继电器，一个是控制蓄电池充电和放电，另一个控制ARM板的工作电压由光伏电池提供还是蓄电池提供，电路如图3.8所示。图3.6太阳能电池充放电控制器3.4.2 DC-DC电压转换电路系统所采用光伏电池正常工作电压10-14V，工作电流1A左右，所采用的蓄电池为12V-7AH，由于 12V的蓄电池一般需要13-15V的电压为之充电，而光伏电池如果不经过DC-DC处理，无法保证为蓄电池稳压充电。因此通过BOOST升压电路将光伏电池电压升高20V(大功率步进电机需要较大电压，此处可以为将来系统升级做准备)，然后降压到14V为蓄电池稳压充电5，电路图如图3.10所示。图3.10电路左端为光伏电池，右端输出电压为Uo图3.10的Uo为图3.9的Uin)，我们需要得到右端Uo=20V。首先通过并联50K、10K电阻组成的电路,并对10K电阻两端A/D采集，采集电压Uad1，间接得到蓄电池两端电压Uin=6Uad1Uo要求为20V, 通过Uo = Uin/(1-D)可计算出需要的D(Q1的占空比),输出控制PWM1波形，由于所采用的大功率MOSFET驱动电压要求15V,所以PWM1需要经过上拉电压15V和光耦开关组合后对Q1控制，不是简单的控制Q1。通过R5、R6组成的电路采集R6两端电压Uad2，间接得到Uo=6 Uad2，将Uo与20V比较，即时调整实际的D，使得D=D-D或D=D+D(D取PMW脉冲周期的5%)，然后延时、采集、判断，直到得到精确的占空比D，能够准确输出电压Uo=20V。图3.7 DC/DC及MPPT电路在输出电压基本稳定的基础上，设置Q4的PWM2，改变R7扰动电阻的占空比，来改变输出电流，通过对R8两端电压的A/D采集，采集电压Uad3，得到电路总电流I=Uad3/R8,因此得到太阳能电池输出总功率P=UinI(因为电路是电流连续工作，电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流，C1电流可忽略，甚至电容C1可除去，且光伏电池左端的采集电阻相当大，电流极小，亦可忽略)，改变光伏电池即时输出实际功率，来实现MPPT。3.5 键盘及显示电路3.5.1 键盘电路控制器的功能选择及参数设置都是通过按键来完成的。本系统采用了74ls148优先编码器来连接按键，决定其输出。在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上编码信号。不过在设计优先编码器时，已经将所有的输入信号按优先顺序排了队。在同时存在两个或两个以上输入信号时，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先级低的信号则不起作用。74148是一个八线-三线优先级编码器。74148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚VCC(16)和GND(8)外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。其中I0I7为输入信号，A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。由74148真值表可列输出逻辑方程为：A2 = (I4