毕业设计（论文）-基于51单片机实现的太阳能电池板转向系统设计.doc

基于51单片机实现的太阳能电池板转向系统设计摘 要太阳能跟踪转向系统是针对太阳能空调、太阳能制氢、太阳辐照度测量、材料老化实验、高效太阳能光伏发电、高效太阳能热水器等需要对太阳进行实时跟踪的应用领域而设计的。太阳能跟踪系统的设计是综合运用地理学、物理学、光学，运动学、控制理论等学科体现，是当前国内外研究的热点问题之一。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。所以实现对太阳全天候跟踪，是提高对太阳能运用，利用率有重大意义。该太阳能跟踪系统可以对太阳全方位跟踪，具有两个自由度的跟踪能力。经过黑夜或阴天后，只要太阳一出即可跟踪，工作可靠稳定。该系统运用ATMEL公司AT89C52控制芯片，通过对运放器LM354N,LM358组成比较模块对光敏电阻对光线的感应强度和设定基准电压比较结果的检测，并对检测结果进行逻辑运算后，对负责方位角和高度角的步进电机进行控制，从而实现对太阳全方位跟踪。1602液晶显示模块，显示系统当前的工作状态及时间。在该论文中详细阐述了控制系统的组成结构和工作原理。该方法利用四个光敏三极管对当前环境光线强度进行感应，在不同强度亮度下，光敏三极管的阻值不一样，所以比较器的正输入电压也不同。如果跟踪板不是正对的太阳，那么四个光敏三极管的阻值也不一样，比较器正输入的电压也不一样，如果正输入电压高于设定的基准电压，比较器将输出一个信号给单片机，单片机根据比较器输入的信号进行逻辑运算，然后控制相应步进电机旋转，直到四个光敏电阻感应光线强度一样。在接受控制电路中引入单片机，通过充分利用其软、硬件资源，使系统具有优异的智能性、可扩展性、可升级性和操作方便，为对太阳全天候跟踪提供了合理、廉价的解决方案等特点。最后进行了系统联合调试，结果表明系统的软、硬件设计合理可行，为后续的研究工作奠定了基础。关键词：光敏三极管 检测元件 比较器模块 单片机（AT89C52） 液晶显示屏（1602）I河南科技大学本科毕业设计（论文）All-weather Solar Tracking SystemABSTRACTAll-weather solar tracking system for solar air conditioning、Solar hydrogen production、Solar irradiance measurements、materials aging test、solar photovoltaic、 solar water heaters and other high need for solar applications in real-time tracking designed.Solar Tracking System is a comprehensive application of physics, optics, kinematics, control theory and other disciplines reflected, is the current hot topic of research at home and abroad. Solar is an energy, is renewable energy. It is rich in resources, both free, then no transport, no pollution on the environment. To create a new human life forms, and human society into a era of energy conservation to reduce pollution. So, all-weather track to realize the sun is to improve the use of solar energy, utilization of great significance。The solar tracking system can be comprehensive tracking of the sun tracking capability, with two degrees of freedom. Through the night or cloudy days, the only one you can track the sun, reliable stability.ATMEL Corporation AT89C52 use of the system control chip, through the op amp device LM354N, LM358 module composed of relatively light on the photosensitive sensor resistance on the intensity and set the comparison reference voltage detection, and test results of logical operations, the responsible position angle and elevation angle of the stepping motor control, in order to achieve full-track the sun. 1602 LCD Module, Display System on the current work status and time. In the method described in detail the composition of the control system structure and working principle. The method uses nine photosensitive resistance on the current ambient light intensity sensor, at different intensity of light, the photosensitive resistor not the same, so the positive comparator input voltage is different. If the trackpad is not working on the sun, then the resistance of nine photosensitive not the same, the comparator input voltage is not the same, if the input voltage is higher than the set reference voltage, the comparator will output a signal to the SCM, SCM comparator input signal according to logical operations, and then control the corresponding stepper motor rotation, until 9 photosensitive resistance as light intensity sensor.In an interview with the introduction of single chip control circuit, by taking advantage of its software and hardware resources, the system has superior intelligence, scalability, scalable and easy to operatly weather Genzong the sun provides a reasonable, affordable solutions characteristics.Finally, a joint trial, the results show that: the system software and hardware design is reasonably practicable, for the follow-up research foundation.Key words: Phototransistor Detection devices Comparator module Microcontroller (AT89C52) Liquid crystal display (1602)V目录前言1第1章 总体概论21.1 太阳跟踪系统的设计思想21.1.1 检测规划21.1.2 定位21.2 国内外的发展概况及存在的问题21.3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题31.3.1 研究的目标31.3.2 研究的关键问题41.4 论文结构4第2章 系统方案设计及元器件选择52.1 元器件的选择52.1.1 传感器的选择52.1.2 主控芯片的选择52.1.3 电机的选择72.1.4 电机驱动的选择72.1.5 LCD液晶显示器的选择72.2 系统总体方案设计8第3章 硬件设计103.1 主控芯片模块103.1.1 控制器STC89C52的介绍103.1.2 89C52单片机的电源系统113.1.3 89C52单片机的储存系统113.1.4 89C2051单片机的内部I/O控制113.2 系统显示模块113.2.1 LCD1602显示器特点113.2.2 1602标准的16脚接口123.2.3 字符的显示133.2.4 1602显示电路143.3 电机驱动模块163.3.1 步进电机的介绍163.3.2 步进电机控制原理163.3.3 步进电机的特性163.3.4 步进电机驱动电路173.4 比较器及光线检测模块183.4.1 比较器设计183.4.2 光线检测设计183.5 系统电源模块设计193.6 总体系统原理图203.7 总体系统PCB版图21第4章 系统软件的设计234.1 系统软件的设计234.2 系统主流程图24第5章 测试结果26参考文献27致谢28附 录29附录一:太阳能跟踪系统原理图29附录二：控制板PCB版图30附录三 源程序31外文文献43（一）原文43（二）翻译52前言燃烧煤炭，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。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。作为能源消耗大国，如何提高对太阳能利用率是解决能源危机的可行方法之一。设计一个对太阳实现跟踪的系统，是提高太阳能利用率的一种有效方法。本设计是集机电、光学、计算机、控制理论为一体的，体现了电子信息专业多学科相结合，相互渗透的特点。科技以人为本，是为人类服务的，本人设计的太阳能全天候跟踪系统充分的体现了该特点，体现出人类与环境的和平相处，解决能源危机，造福于人类和社会，所以太阳能全天候跟踪系统是值得研究和实际运用的。本装置的研究成功，对创建能源节约型，环境友好型社会具有较大的意义，也有较好的市场发展前景本追日装置是由AT89S52单片机、光敏三极管、和步进电机等组成闭环控制系统，主要组成模块有主控模块、光能检测模块和步进电机控制模块。采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。分别将两组完全相同的光敏三极管分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。在日照环境下，两个光敏三极管接收到的光强度不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。本装置具有高效、简易的特点，能应用于太阳能领域，以提高太阳能的转换效率。本系统是将太阳能电池板一整块从中间分成四块，然后在分割线上插上3厘米的硬纸板，再在四小块的太阳能电池板上安装传感器（尽量贴着纸板）组成的四鉴探测器，较以往的单个光敏传感器跟踪或单筒光敏传感器探测器，其跟踪效果精确而又稳定，曾强了其跟踪的可靠性，蓄电电路、和供电电路都是基本的稳压电路。多传感器设计思想解决了传统的单个探测器一直存在的错误率高的问题，灵敏度低的缺点，增强了太阳能跟踪系统的可靠性。第1章 总体概论太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。所以实现对太阳全天候跟踪具有重大意义。1.1 太阳跟踪系统的设计思想1.1.1 检测规划检测规划是跟踪系统的一个重要问题。它的目标是在一个光亮强度差不多环境中，为跟踪系统寻找太阳的具体位置。一个重要的解决方法就是采用多元法三维，多元法三维就把检测系统接受板分成四个单元，太阳光线从不同角照射到接受板，检测元件感应光线强度不同。当考虑到元件误差时，跟踪系统与太阳实际位置可能会出现偏差。1.1.2 定位步进电机的步进角，是太阳跟踪系统精确定位的一个基本问题，也可以说，太阳偏移一个微小的角度，步进转动角度应该比太阳偏移角度相等，这就要求步进电机的步进角要足够小。1.2 国内外的发展概况及存在的问题在太阳能跟踪方面，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。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器16，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。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。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。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。 （一）光电追踪。目前，国内常用的光电追踪有重力式、电磁式和电动式。这些光电追踪装置利用光敏传感器，如硅光电管进行太阳光的检测。在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板。通过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追踪装置对准太阳完成追踪。光电追踪灵敏度高，结构设计较为简单；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射到三极管上，导致追踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动。 （二）视日运动轨迹追踪。视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。 （1）单轴追踪。单轴追踪一般采用：倾斜布置东西追踪；焦线南北水平布置，东西追踪；焦线东西水平布置，南北追踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪。单轴追踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。 （2）双轴追踪。如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能，全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴追踪又可以分为两种方式：极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。本系统采用光电追踪以及双轴追踪相结合的方法，向大家呈现出成本更低的太阳自动追踪装置在大家面前。1.3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题1.3.1 研究的目标本装置主要是利用单片机知识，设计一个太阳能跟踪系统，其突破点在对太阳精确位置检测的系统的设计、步进电机动作指令系统（与太阳同步偏移）的设计、实时显示系统工作状态的设计。1.3.2 研究的关键问题本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路：(1)太阳高度角跟踪的实现。(2)太阳方位角跟踪的实现。(3)经过阴雨天气后，太阳一出来立即跟踪的实现。(4)人性化界面的设计，分为人与单片机沟通和时间显示程序。1.4 论文结构第一章,绪论主要阐述了课题的研究背景、目的及意义，以及国内外太阳能的利用现状、太阳追踪方式的发展现状。第二章,主要是对太阳自动追踪系统进行元器件选择以及总体方案设计，确定了系统的追踪方式。第三章, 自动跟踪系统总体结构,光电转换器,单片机及其外围电路,步进电动机以及驱动电路模块设计。第四章, 系统软件设计及流程图。第五章, 测试结果。第2章 系统方案设计及元器件选择2.1 各模块元器件的选择2.1.1 传感器的选择本系统的传感器主要是检测光照度，可考虑的传感器如下列方案：方案一：光敏电阻。从光照特性来看，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降，可以反映光照的变化，但该特性大多数情况为非线性，部分光照区间内，特性变化不灵敏。方案二：硅光电池。硅光电池是一种直接把光能转换为电能的半导体器件，根据硅光电池光照强度曲线特性可知：硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。方案三：光敏二极管。光敏二极管具有单向导电性，无光照时，有很小的暗电流，当受到光照时，光电流随射光强度的变化而变化。方案四：光敏三极管。光敏三极管灵敏度远高于光电池,但受外界环境影响飘动比较严重,用两个光敏三极管采集点光源两侧的光强差,可以有效消除外界环境光的干扰.光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜,更容易确定点光源的位置。用四个光敏三极管组成四象限感光面，上下左右各一个光敏三极管。在测试光敏电阻与硅光电池时，发现光源的距离限制了两者的应用范围。当距离比较大时，两者的灵敏度大大降低。经实践测定，光敏二级管与光敏三极管满足要求，但在反映速度，及变化的灵敏、快速性方面，光敏三极管更胜一筹，因此传感器选择方案四。2.1.2 主控芯片的选择根据本题的要求，整个系统中必须要有一个主控芯片来处理数据和控制操作，主要考虑以下两种方案：方案一：MSP430F149系列单片机。MSP430有以下优点：（1）低电源电压范围：1.8-3.6V。（2）超低功耗：拥有5种低功耗模式(LPM0-LPM4)。（3）灵活的时钟使用模式。（4）高速的运算能力：16位RISC架构，125ns指令周期。（5）丰富的功能模块：这些功能模块包括 A 多通道1014位AD转换器；B 双路12位DA转换器；C 比较器；D 液晶驱动器；E 电源电压检测；F 串行口USART(UART/SPI）；G 硬件乘法器；H 看门狗定时器，多个16位、8位定时器（可进行捕获，比较，PWM输出）；I DMA控制器。（6）FLASH存储器：采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行；（7）MSP430芯片上包括JTAG接口：仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；（8）快速灵活的变成方式：可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。方案二：STC89C51系列作为光源跟踪系统的主控芯片STC89C52单片机的特点：STC89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。对于一些不太复杂的控制电路，我们就可以增加少量元件来实现，例如，对温度的控制，过压的控制等。通过上面的比较本系统由于结构比较简单，所以选取STC系列89C52单片机作为控制器，所以选取方案二。2.1.3 电机的选择本系统电机的主要作用是调整电池板的方向，指向太阳，可选取的类型如下方案：方案一：步进电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止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。每给一次脉冲信号，电机能够转过一个步距角。方案二：直流减速电机。此电机在正常通电状态下，转速平稳，角度的变化也近乎连续，控制简单方便。根据设计的要求可知，直流减速电机存在的明显缺陷速度不容易控制，而步进电机的控制和实现是相对简单一些。因而选用方案一。2.1.4 电机驱动的选择本系统中选的是步进电机，步进电机驱动有一下三种方案可选择：方案一：采用功率三极管作为功率放大器的控制步进电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，但是电路比较复杂。方案二：采用由达林顿晶体管阵列ULN2003。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。单驱动能力比较弱。方案三：采用恒压桥式驱动芯片ULN2003。驱动能力强，电路简单，使用方便。故选择此方案。2.1.5 LCD液晶显示器的选择本系统LCD显示器主要显示的是传感器检测到的信号，可选用以下方案：LCD1602是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。2.2 系统总体方案设计方案1：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。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2：系统总体构成包括阴影法跟踪太阳，单片机控制，步进电机、供电等几个模块。阴影法跟踪太阳：本方案选择的是将太阳能电池板一整块从中间分成四块，然后在分割线上插上3厘米的硬纸板，再在四小块的太阳能电池板上安装传感器（尽量贴着纸板）组成的四鉴探测器，较以往的单个光敏传感器跟踪或单筒光敏传感器探测器，其跟踪效果精确而又稳定，曾强了其跟踪的可靠性，蓄电电路、和供电电路都是基本的稳压电路。多传感器设计思想解决了传统的单个探测器一直存在的错误率高的问题，灵敏度低的缺点，增强了太阳能跟踪系统的可靠性。根据本次设计的要求，以及两个方案的元器件对比，选择方案2。系统总体硬件电路框图如下： 图1-1系统硬件方框本系统包括光电转换器、步进电机、89C51系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板有两个自由度。控制机构将分别对X、Y方向与Z方向进行调整。单片机加电复位后，X、Y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，则让电池板正向转动，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。本装置主要是跟踪太阳让太阳能电池板与太阳保持垂直的，一旦太阳有偏移或是突然变天（雷雨）情况时，与至相应的四个探测器(四快太阳能电池板上各一个)根据分割板的阴影来判断其太阳的方向，将四个传感器检测的信号传给单片机，在进行比较，然后作出相应的正转或者反转，电机就向太阳所在的方向转去。若检测到每个传感器都是很暗的特征，并且持续一段时间则就启动供电电路对用电器进行供电，反之当四个传感器检测的结果差异很大就单开蓄电电路，关闭供电电路。第3章 硬件设计3.1 主控芯片模块3.1.1 控制器STC89C52的介绍 89C52是一种小型单片机。其主要特点为：采用Flash储存器技术，降低了制造成本；其软件、硬件与MCS-51完全兼容，其程序的电可擦特性，使得开发与试验比较容易。图3-1 AT89C52引脚图在引脚的驱动能力上，89C52具有很强的下拉能力。P1、P3的下拉能力均可达到20mA；相比之下，89C51的端口下拉能力最大只有15 mA，而且限定9脚电流之间要小于81 mA，这样，引脚的平均电流只9 mA。89C52驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管。本系统的主要控制器件采用89C52单片机。在51系列的单片机中，目前很流行一种内含flash程序存储器的单片机。因为内有flash程序存储器，可以通过编程器十分方便的写代码或擦除代码，擦除次数达10000次以上，而且还提供了禁止读写两层保密技术，其空间大小从1KB到64KB不等，有的甚至更大。这种芯片一般都提供了片上和在线修改的功能。该系列的芯片，创建的有138B或256B的片内RAM，当处理的数据不十分复杂时，一个芯片就组成了一个最小的单片机系统。89C5X型单片机既节省了数据线和存储器等外围器件，缩小了嵌如式系统的体积，又提高了工作的可靠性、开发的方便性和程序的保密性，其价格也便宜。基于以上原因和这次研究系统的实际情况，选择该系列的89C52单片机作为全天候太阳能系统的核心控制器件。3.1.2 89C52单片机的电源系统89C52有很宽的工作电源电压，当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。89C52工作于12MHZ时，动态电路为5.5mA，空闲态电流为1 mA，掉电状态电流仅为20nA。这样小的功耗很适合电池供电的小型控制系统。3.1.3 89C52单片机的储存系统89C52单片机内含有4K字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM，与80C31内部类似。由于52内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为020MHZ，也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHZ，因为其内部的RAM是动态刷新的。3.1.4 89C2051单片机的内部I/O控制89C52有32个I/O线，在内部I/O控制上继承了MCS-31的特征：5路三级中断源结构，1个全双工串行口，3路16位定时器/计数器。3.2 系统显示模块3.2.1 LCD1602显示器特点LCD1602液晶显示模块已作为很多电子产品的显示器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在单片机系统中应用液晶显示器作为显示器件有以下几个优点：(1)显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。(2)功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。3.2.2 1602标准的16脚接口LCD1602各个管脚符号及功能说明：3.2.3 字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。本系统采用1602字符型液晶显示器，图3-2，图3-3，表3-1分别是1602的实物，显示地址，字符代码与图形对应表。 图3-2 液晶屏显示图3-3 1602LCD内部显示地址例如想要在LCD1602屏幕的第一行第一列显示一个“A”字,就要向DDRAM的00H地址写入“A”的代码就行了。表3-1 字符代码与图形对应图 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下表所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常 用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点 阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”3.2.4 1602显示电路图3-4 显示电路1602 液晶的控制管脚都接到了单片机管脚上，在功能设置指令中可以将液晶设为8 位数据接口和4 位数据接口，图中采用的是8位的数据接口，当然也可以当四位数据接口来用。液晶电源正端接5V，负端接地，背光正端接5V，负端接地。此外，液晶的偏压管脚（VO）接到一个电位器的中间抽头，电位器的两端分别接5V 和地，这样就可通过调节电位器来实现对1602 液晶对比度的调节。经实验测试， 1602 液晶的偏压管脚的电压调节到0.30.4V 时对比度效果最好，也可以将该管脚通过一个1k 的电阻下拉到地。3.3 电机驱动模块3.3.1 步进电机的介绍直流电机是日常生活中广泛使用的一个电气产品，太阳能全天候跟踪系统跟踪太阳这样的动作，需要能进行转动控制和立刻停止控制的电路，实际中通常采用微控制器和专用IC芯片。单独使用直流电机尚不能达到精确的定位控制，只有将它与旋转编码器组合起来，才能实现精确的位置控制和速度控制。步进电机是一种能够根据脉冲（通常为方波）控制转角和转速、并适合微控制器控制的电机。步进电机（也称脉冲电机）是一种跟踪给定脉冲信号转动的电机。因此，单纯向它施加电压是不会导致转动的。换句话说，要使它转动必须借助控制电路，在这个控制电路中，往往需要微控制器或专用芯片。步进电机能根据给定的脉冲信号实现精确的定位控制，而且即使在停止时也有制动转矩，这些特性全天候跟踪系统转动控制都是很有利的。由于全天候控制系统是随的太阳转动的，因为太阳离地球太远了，在很短时间内，检测系统是感觉不到太阳在移动，需过一段时间才能感觉到太阳已经偏移原来位置，所以要求电机隔一段时间转一个角度后马上停下来。综合上面对直流和步进电机的性能等进行的比较分析，我选用步进电机。3.3.2 步进电机控制原理步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：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）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。3.3.3 步进电机的特性1.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。2.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。3.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。3.3.4 步进电机驱动电路 图4-1 步进电机驱动电路本设计选用ULN2003(国产型号为5G1413)是七路达林顿驱动器阵列，是个集电极开路(OC)输出的反向器.最大驱动电流可以达到500mA。通常应用时是把负载步进电机的一端接到VDD(12V)上，另一端接到输出引脚上，如16脚。为了防止程序进入死循环，其内部的看门狗定时器监控UP/UC的工作。如果在1.6s内未检测到其工作，内部的定时器将使看门狗输出WDO处于低电平状态，WDO将保持低电平直到在WDI检测到UP/UC的工作，将WR和WDO连接可使看门狗超时产生复位。本次设计采用两片ULN2003分别驱动X、Y向的步进电机。3.4 比较器及光线检测模块3.4.1 比较器设计电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)： 当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平；电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此人们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。3.4.2 光线检测设计下图中光电转换电路是其中的一组，另一组电路与此相同。当阳光正对太阳能板时，光敏三极管Q1、Q2都是高电阻， A、B两点电压相等。四运放LM124的输出的电压相同，单片机收到的信号差为零，所以单片机不控制电动机转动。若阳光发生倾斜，使Ql被阳光射中呈低电阻，则A点电位比B点高。运算放大器U2A的作用是一个电压跟随器，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，保持采样信号的稳定。U3A是减法器，其输出为A与B的电压差值。因为A与B的电压差值可正可负，而单片机的输入端不能为负的电压值，所以U3A正的输入端接了个偏置电压电路，使U3的输出始终为正值。图3-1 光线检测电路3.5 系统电源模块设计电源供给系统是为太阳跟踪系统步进电机提供能源的装置，而在本系统中既涉及到信号电信号，又涉及到功率电信号，为了保证系统能够稳定正常的工作，电源的设计部分也是一个关键要解决的问题。综合电源的质量、重量及价格等因素，选用220V TO 5V集成电源模块组作为5V直流电源。为提高实验的可靠性，应采用尽量稳定且方便的直流电压，同时，我们知道将电容并联于电路中能够滤除交流信号。故如图所示，在电源模块的设计中直接通过USB输入5V直流电压，为单片机系统提供正常的工作电压。D1作为保护二极管，当电源接反时，电流将不能通过。同时使用100F和100nF并联组成两级滤波器进行滤波。其中采用容值较大的C1（100F）电容滤除低频，容值较小的C2（100nF）滤除高频，以此抑制外部干扰。最后并上限流电阻和LED，LED作为电源工作指示灯。 图3-1 电源电路图3.6 总体系统原理图本设计给出的基于单片机的太阳自动跟踪系统设计方案,使用STC89C52单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动模块，点光源检测模块，电源转换模块等模块组成。利用4路光敏三极管来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制器STC89C52单片机，经过单片机的运算和处理来确定点光源的运动趋势，并将运算的控制信号传给两个步进电机，使其跟随点光源运动。当水平方向上的光敏三极管测量数值相对接近，同时竖直方向上的光敏三极管测量数值也相对接近时，电池板将精确的指向太阳。同时将步进电机的转向及时间显示在LCD液晶屏幕上。3.7 总体系统PCB版图布线规则设置： 布线规则是设置布线的各个规范（象使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓朴结构等部分规则，可通过Design-Rules 的Menu 处从其它板导出后，再导入这块板）。 选Design-Rules 一般需要重新设置以下几点: 1、安全间距(Routing标签的Clearance Constraint) 它规定了板上不同网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离。一般板子可设为0.254mm，较空的板子可设为0.3mm，较密的贴片板子可设为0.2-0.22mm。0.1mm 以下是绝对禁止的。 2、走线层面和方向（Routing标签的Routing Layers） 此处可设置使用的走线层和每层的主要走线方向。请注意贴片的单面板只用顶层，直插型的单面板只用底层，但是多层板的电源层不是在这里设置的（可以在Design-Layer Stack Manager中，点顶层或底层后，用Add Plane 添加，用鼠标左键双击后设置，点中本层后用Delete 删除），机械层也不是在这里设置的（可以在Design-Mechanical Layer 中选择所要用到的机械层，并选择是否可视和是否同时在单层显示模式下显示）。 3、过孔形状（Routing标签的Routing Via Style） 它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的，下同。 4、走线线宽（Routing标签的Width Constraint） 它规定了手工和自动布线时走线的宽度。整个板范围的首选项一般取0.2-0.6mm，另添加一些网络或网络组（Net Class）的线宽设置，如地线、+5 伏电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。网络组可以事先在Design-Netlist Manager中定义好，地线一般可选1mm 宽度，各种电源线一般可选0.5-1mm 宽度，印板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1安培的电流，具体可参看有关资料。当线径首选值太大使得SMD 焊盘在