毕业设计（论文）-基于单片机的太阳能光伏发电系统设计.doc

福建农林大学本科毕业设计说明书 福建农林大学本科毕业设计说明书 目录目录 摘要 I 1 引言 1 1 1 课题的目的意义 1 1 2 课题设计的内容 2 2 太阳能光伏发电系统概述 3 2 1 太阳能光伏发电的原理及其组成 3 2 2 太阳能光伏发电系统的分类 5 2 3 太阳能光伏产业现状及发展趋势 6 2 4 光伏自动跟踪系统的基本原理 7 3 硬件设计 9 3 1 自动跟踪整体设计方案 9 3 2 光敏电阻简介及其工作原理 9 3 3 AD0809 芯片简介及工作原理 12 3 4 80C52 单片机硬件结构 13 3 5 ULN2003 的简介绍 15 3 6 步进电机简介 16 4 电路设计 19 4 1 总体电路设计 19 4 2 单片机最小系统设计 19 4 2 1 电源电路 20 4 2 2 时钟电路 20 4 2 3 复位电路 21 4 3 电压采集电路设计 21 4 4 电机驱动电路设计 22 5 软件设计 23 5 1 软件设计的整体方案 23 5 2 编程语言的选择 23 5 3 跟踪系统主程序设计 24 5 5 电机驱动程序设计 24 6 结束语 26 参考文献 27 福建农林大学本科毕业设计说明书 致谢 28 福建农林大学本科毕业设计说明书 摘要摘要 研制一种新型 低成本的跟踪系统 提高太阳能光伏电池的发电效率 采用 AD0809 芯片进行 AD 转换 控制系统采用 C8052 单片机 用 ULN2003 芯片驱动步进电机 实现自动跟踪太阳光线 这个跟踪系统基本能够满足太阳能电池板自动跟踪太阳 而 且成本低 结构简单 可操作性强 本课题研制的自动跟踪系统具有可靠性较高 成 本低等特点 关键词关键词 光敏电阻 单片机 AD 转换 步进电机 福建农林大学本科毕业设计说明书 0 1 引言引言 在 21 世纪 电能是社会发展不可或缺的重要能源 但是电能的生产 变换 使用 在很大程度上影响到环境 少一点电能的生产使用能换得少一点的环境的污染 然而 社会的生产发展必然要增加电力的需求 这便要求我们节约电力 减少电力的浪费 近年来 资源和环境问题日益成为全球关注的热点问题 随着资源的不断减少 以及环境的日益恶化 人们逐渐认识到在利用能源发展经济 满足自身需求的同时 不能以自然资源的迅速消耗和环境的恶化为代价 与此同时 世界各国对其面临的资 源和环境问题达成共识 应该大力发展 推广可再生能源的使用 研究和实践表明 丰富的太阳辐射能是重要的能源 是取之不尽 用之不竭 无污染 廉价 人类能够 自由利用的能源 以其独特的优势而成为人们重视的焦点 现在很多国家都加大了对 太阳能光伏发电技术的研究 并制定了相关的政策鼓励太阳能产业的发展 使得光伏 产业成为当今发展最迅速的高新技术产业之一 就目前而言 太阳能光伏发电成本较高 但从长远看 随着技术的进步 以及其 他能源利用形式的逐渐饱和 太阳能可能在不久的将来成为主流能源 有着不可估量 的发展潜力 因此 我们应该对光伏发电的发展充满信心 1 由于光伏发电成本太高 世界各国都在进行各种实验 以提高光伏电池的光电转 换效率 进而降低成本 其主要有以下三种方法 1 积极改进电池制造工艺 采用新的工艺以提高光伏电池转换效率 降低成本 2 2 采用自动跟踪的方法 使光电池随着太阳位置而变化 始终保持太阳能电池 板表面与太阳光垂直 这样会大大提高转换效率 理想情况下 该方法比固定太阳能 板转换效率提高了 30 以上 3 3 采用最大功率跟踪技术 使光伏电池一直工作在最大功率处 也可以提高光 伏电池的输出的能量 提高转换效率 降低了成本 本课题主要是设计一种低成本 简单易行自动跟踪的方法从而提高电池的转换效 率 以达到家用太阳能光伏系统的优化的目的 1 1 课题的目的意义课题的目的意义 众所周知 我国是一个发展中的大国 同时也是个资源消耗大国 而人均资源 储量又偏低 因此快速的工业化过程和巨大的消费性需求使我国对资源对外具有很 强的依赖性 环境污染和能源短缺已经直接威胁我国的可持续性发展 与此同时 我国很多居住在偏远地区的人们还用电困难 这些客观条件迫使我们更加努力的寻 找和开发新能源 而家用太阳能光伏发电系统就是其一 因此大力发展家用光伏发 电产业已经势在必行了 世界各国也正在研究和完善家用光伏发电系统 福建农林大学本科毕业设计说明书 1 这些年 太阳能光伏发电系统虽然发展的很快 但仍然存在很多问题需要改进 及提高 本课题将对家用光伏发电系统进行优化设计 从而提高其发电效率 1 2 课题设计的内容课题设计的内容 了解太阳能光伏发电系统的结构及种类 考虑地理位置 朝向 季节的不同 根 据家庭使用独立发电的特点 利用所学知识研制一种新型 低成本的自动跟踪系统 提高太阳能光伏电池的发电效率 设计优化方案使光能利用最大化 做到使同样的太 阳能组件发的电最多 并将该优化方案应用于家用太阳能光伏发电系统中 福建农林大学本科毕业设计说明书 2 2 太阳能光伏发电系统概述太阳能光伏发电系统概述 2 1 太阳能光伏发电的原理及其组成太阳能光伏发电的原理及其组成 地球表面接收的太阳辐射能量能够满足全球能源需求的 1 万倍 地球每平方米平 均每年接收到的辐射可产生 1700KW h 电 国际能源署数据显示 在全球现有沙漠表面 积的 4 上安装太阳能光伏系统 就足以满足全球能源需求 太阳能光伏享有广阔的发 展空间 其潜力十分巨大 4 太阳能发电又分为光伏发电 光化学发电 光生物发电等种类 光伏发电是利用 光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能 使之转化为电能的直接发电方式 光伏 发电是当今太阳能发电的主流 与常规发电和其他绿色发电技术相比 太阳能光伏发 电有以下特点和优势 5 1 太阳能光伏发电安全可靠 不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击 2 太阳能随处可得 可就近供电 不必长距离运输 因而避免了输电线路上的电 能损失 3 太阳能不用燃料 运行成本很低 4 发电部件不易损坏 维护简单 5 光伏发电不产生任何废物 没有污染 噪声等公害 对环境无不良影响 是理 想的清洁能源 安装 1KW 光伏发电系统 与燃煤电厂相比 每年可少排放二氧化碳 600 2300kg 一氧化氮 16kg 二氧化硫 9kg 及其它微粒 0 6kg 一个 4KW 的屋顶家用 光伏系统 可以满足普通家庭用电需要 每年少排放的二氧化碳的量数量相当一辆家 用轿车每年的排放量 6 光伏发电系统建设周期短 由于是模块化安装 不仅可用于小到太阳能计算器 的几个毫安 大到数十兆瓦的光伏电站 而且可以根据负荷的增减 任意添加或减少 太阳电池容量 既方便灵活 又避免了浪费 6 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应 将太阳辐射能转 换为电能的一种新型发电系统 有独立运行和并网运行两种方式 独立运行的光伏发 电系统需要蓄电池作为储能装置 主要用于无电网的边远地区和人口分散地区 成本 较高 在有公共电网的地区 光伏发电系统与电网连接并网运行 省去蓄电池 不仅 可大幅度降低成本 而且具有更高的效率和更好的环保性能 7 本课题研究的是独立运行的光伏发电系统 该系统一般是由太阳能电池板 太阳 能控制器 逆变器和蓄电池 组 构成的 图 2 1 1 就是家用太阳能光伏发电系统的 示意图 8 福建农林大学本科毕业设计说明书 3 2 1 1 家用太阳能光伏发电系统图 太阳能电池板 太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分 其作用是直 接将太阳能转化为电能 在有光照 无论是太阳光 还是其它发光体产生的光照 情 况下 电池吸收光能 电池两端出现异号电荷的积累 即产生 光生电压 这就是 光 生伏特效应 在光生伏打效应的作用下 太阳能电池的两端产生电动势 将光能转换 成电能 是能量转换的器件 太阳能电池一般为硅电池 分为单晶硅太阳能电池 多 晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种 9 太阳能控制器 太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压 快速 平稳 高效的为蓄电池充电 并在充电过程中减少损耗 尽量延长蓄电池的寿 命 同时保护蓄电池 避免过充和过放电现象的发生 由于蓄电池的循环充放电次数 及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素 因此能控制蓄电池组过充电或过放电 的控制器是必不可少的设备 10 逆变器 是将直流电转换成交流电的设备 由于太阳能电池和蓄电池是直流电源 而负载是交流负载时 逆变器是必不可少的 逆变器按运行方式 可分为独立运行逆 变器和并网逆变器 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统 为独立负 载供电 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统 逆变器按输出波型可分为 方波逆变器和正弦波逆变器 方波逆变器电路简单 造价低 但谐波分量大 一般用 于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统 正弦波逆变器成本高 但可以适用于各种负 载 逆变器保护功能 a 过载保护 b 短路保护 c 接反保护 d 欠压保护 e 过压保护 f 过热保护 蓄电池 组 其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载 供电 太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是 a 自放电率低 b 使用寿命长 c 深放电能力强 d 充电效率高 e 少维护或免维护 f 工作温度范围宽 g 价格低 廉 目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池 200Ah 以上的铅酸蓄电池 一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池 每只蓄电 池的额定电压为 2V 200Ah 以下的铅酸蓄电池 一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池 每只蓄电池的额定电压为 12V 福建农林大学本科毕业设计说明书 4 2 2 太阳能光伏发电系统的分类太阳能光伏发电系统的分类 光伏发电系统按是否与电网相连可分为独立光伏发电系统 并网光伏发电系统 混合型光伏发电系统三种 11 独立光伏发电系统是指不与电网相连的光伏发电系统 其机构框图如图 2 2 1 直流负载蓄电池 CD DC 太阳能 电池板 控制器逆变器交流负载 2 2 1 独立光伏发电系统结构框图 并网光伏发电系统是指与电网相连 可以给电网供电的光伏发电系统 其结构框 图如图 2 2 2 电网 交流负载 逆变器 CD DC 太阳能 电池板 控制器 2 2 2 并网光伏发电系统结构框图 混合型光伏发电系统区别上两个系统的是增加了一台备用的发电机组 当光伏阵 列发电不足或蓄电池储量不足时 可以启动备用发电机组 他既可以直接给交流负载 供电 又可以经整流器后给蓄电池充电 所以称为混合型光伏发电系统 其结构框图 如图 2 2 3 福建农林大学本科毕业设计说明书 5 直流负载 交流负载 蓄电池 逆变器控制器 太阳能电池板 主开关 发电机组 2 2 3 混合型光伏发电系统结构框图 2 3 太阳能光伏产业现状及发展趋势太阳能光伏产业现状及发展趋势 能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点 为了实现能源和环境的可持续性 发展 世界各国都将光伏发电作为发展的重点 在各国政府的大力扶持下 光伏产业 迅速发展 世界光伏产业和市场发展的一个突出特点是 光伏发电在能源中的替代功能越来 越大 主要表现在并网发电的应用比例增加的非常快 并成为光伏发电的主导市场 世界光伏发电市场的增长主要得益于德国 日本和美国的鼓励政策 目前 70 以上 的太阳能电池用于并网发电系统 美国 日本和欧洲都制定了各自的光伏发展路线 表 2 3 1 给出了这三个国家的光伏发展路线和发展目标的比较 表 2 3 1 光伏发电成本预测 年份 200420102020 日本 日元 KW h 302314 欧洲 欧元 KW h 0 250 180 1 美国 美元 KW h 0 180 130 1 依靠中国半导体设备行业数十年来的技术积累 通过和一流光伏电池企业的深度 合作 经过连续多年的不懈努力 中国光伏设备企业已基本具备太阳能电池制造设备 的整线装备能力 在目前国产设备及进口设备混搭的主流建线方案中 国产设备在数 量上已占多数 目前 中国光伏设备企业从硅材料生产 硅片加工到太阳能电池芯片的生产以及 相应的纯水制备 环保处理 净化工程的建设 已经初步具备成套供应能力 部分产 品如扩散炉 等离子刻蚀机 单晶炉 多晶铸锭炉等开始少量出口 可提供 10 种太阳 福建农林大学本科毕业设计说明书 6 能电池大生产线设备中的 8 种 其中有 6 种 扩散炉 等离子刻蚀机 清洗 制绒机 石英管清洗机 低温烘干炉 已在国内生产线上占据主导地位 2 种 管式 PECVD 快 速烧结炉 与进口设备并存但份额正逐步增大 此外 全自动丝网印刷机 自动分拣 机 平板式 PECVD 则完全依赖进口 组件生产用的层压机 太阳能模拟器等在行业获 得广泛应用 硅材料加工设备中单晶炉以优良的性价比占据了国内市场的绝对统治地 位并批量出口亚洲 多线切割机已取得突破 多晶硅铸锭炉已经开始大量在国内企业 中使用 进入 2009 年 在国内一些具有自主创新能力和较强的科研实力的公司的有力推动 下 光伏发电技术有了较快革新和发展 再加上二 九年七月十六日国家三部委财 政部 科技部 国家能源局联合印发了 关于实施金太阳示范工程的通知 决定综合 采取财政补助 科技支持和市场拉动方式 加快国内光伏发电的产业化和规模化发展 并计划在 2 3 年内 采取财政补助方式支持不低于 500 兆瓦的光伏发电示范项目 各 种利好都给中国光伏发电产业注入了强劲的生命活力 希望在不远的将来 我国的光 伏发电整体竞争力能够达到国际领先水平 光伏发电电力供应量在国内总电力供应中 的占比能够达到更高水平 从而更加有力的推动我国经济结构转型和能源结构优化 从长远看 太阳城光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要位置 不但 要代替部分常规能源 而且将成为世界能源供应的主体 根据欧洲 JRC 的预测 到 2030 年可再生能源在总能源结构中占到 30 以上 太阳能光伏发电在世界总电力的供 应中达到 10 以上 到 2040 年可再生能源占总能耗的 50 以上 太阳能光伏发电将占 总电力的 20 以上 到 21 世纪末可再生能源在能源结构中占到 80 以上 太阳能发电 占到 60 以上 显示出重要战略地位 12 随着技术的进步 市场开发 新的应用领域和新的产品会迅速发展 特别是国际 光伏市场的飞跃发展 拉动了我国光伏生产的快速发展 同时我国有着非常丰富的太 阳能资源 因此我国的光伏产业必将有广阔的发展前景 2 4 光伏自动跟踪系统的基本原理光伏自动跟踪系统的基本原理 光伏发电系统中 太阳能光伏电池是实现光电转换的重要器件 其发电量多少除 与电池板功率和运行状态有关外 还与能量的转换效率有关 直接影响系统性能的好 坏 因此 其安装对太阳能发电系统的效率影响非常大 传统的太阳能电池板大多采 用固定式安装 这样的结果将严重影响转换效率 而采用光线自动跟踪的方式 使太 阳能电池板的朝向精确跟随太阳位置的变化 始终保持太阳能电池板表面与太阳光垂 直 这样会大大提高效率 本课题设计的自动跟踪系统具有成本低 简单易行等特点 具有较好的应用价值 13 在采用跟踪后 光伏电池组件的产电效率的提高主要表现在两个方面 14 1 减少直射光线的入射角和提高入射辐射照度 当光线垂直入射时 光伏电池 组件的反射损失率只有 4 5 但是当入射光线的入射角增加时 反射损失也会增加 福建农林大学本科毕业设计说明书 7 光伏电池组件的朝向对散射光线不是很敏感 主要影响因素是太阳辐射中的直射部分 固定安装布置的光伏电池组件在早晚太阳光线的入射角都很大 而随太阳光线入射角 的增加 光伏电池组件上的光学损失将增大 15 而采用自动跟踪时太阳光学基本上是 直射太阳能电池组件表面 这样能极大地减少太阳光斜射时太阳电池组件上的光学损 失 2 固定安装布置的光伏电池组件在早晚由于太阳光的斜射 获得的太阳辐射 能量很低 在低辐射时 光伏电池的效率有较大的降低 严重影响光伏电池组件的发 电量 而自动跟踪系统使这个问题有了很大的改善 提高了光伏电池组件的发电量 本课题设计的自动跟踪系统的基本原理为 当利用光敏电阻传感器检测太阳能电 池板接收的光强信号 控制系统将传感器得到的信号放大 经 AD 转换保存到单片机中 由单片机进行一定的处理后发出驱动信号 控制步进电机转动 使光伏电池板随着太 阳运动而运动 进而达到跟踪的目的 福建农林大学本科毕业设计说明书 8 3 硬件设计硬件设计 3 1 自动跟踪整体设计方案自动跟踪整体设计方案 光伏自动跟踪系统主要包括机械部分和控制部分 机械部分主要由电池板支架 底座和步进电机构成 由控制部分驱动电机 由步进电机驱动机械部分 可以使电池 板随着太阳直射光线角度变化而变化 以达到跟踪目的 控制部分主要由单片机系统 组成 单片机系统具有成本低 智能化程度高 扩展性强等特点 由单片机系统配合 外围电路元件实现对光伏电池板的控制 16 单片机每隔一段时间采样光伏电池板上光敏传感器经 AD0809 芯片转换得到的信号 通过程序控制使单片机的输出引脚发生电平变化 此信号经 ULN2003 芯片放大后驱动 步进电机 使电机转动 从而带动电池板转动一定角度 以使电池板表面能与太阳光 直射方向垂直 自动跟踪系统基本结构如图 3 1 1 微 处 理 器 光敏电阻传感器 电机 驱动 电路 光伏电池 机械 传动 装置 步进 电机 3 1 1 自动跟踪系统结构框图 3 2 光敏电阻选择及其工作原理光敏电阻选择及其工作原理 光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的 电阻器 入射光强 电阻减小 入射光弱 电阻增大 光敏电阻器一般用于光的测量 光的控制和光电转换 将光的变化转换为电的变化 常用的光敏电阻器硫化镉光敏电 阻器 它是由半导体材料制成的 光敏电阻器的阻值随入射光线 可见光 的强弱变 化而变化 在黑暗条件下 它的阻值 暗阻 可达 1 10M 欧 在强光条件下 它阻值 亮阻 仅有几百至数千欧姆 光敏电阻器对光的敏感性 即光谱特性 与人眼对可 见光 0 4 0 76 m 的响应很接近 只要人眼可感受的光 都会引起它的阻值变化 根据光敏电阻的光谱特性 可分为三种光敏电阻器 紫外光敏电阻器 对紫外线 较灵敏 包括硫化镉 硒化镉光敏电阻器等 红外光敏电阻器 主要有硫化铅 碲化 铅 硒化铅 锑化铟等光敏电阻器 可见光光敏电阻器 包括硒 硫化镉 硒化镉 福建农林大学本科毕业设计说明书 9 碲化镉 砷化镓 硅 锗 硫化锌光敏电阻器等 17 通常 光敏电阻器都制成薄片结构 以便吸收更多可的光能 当它受到光的照射 时 半导体片 光敏层 内就激发出电子 空穴对参与导电 使电路中的电流增强 本课题设计的自动跟踪系统控制部分采取的是光敏电阻光强比较的控制方式 因 此选择可见光光敏电阻 本课题选择的光敏电阻 CDS 则是一种电阻值随光照强度变化 而变化的感光电阻 光敏电阻的阻值变化与光照的变化之间的关系是线性的 本课题采用一个光敏电 阻与一个普通电阻串联 阻值为 R 而且光敏电阻与太阳能电池板所在平面平行 则当 一开始时 光照到光敏电阻时 其阻值为 R1 则普通电阻会有一个对应的电压值 其 表达式为 V1 VccR R R1 然后控制电机转动一个角度 a 此时光敏电阻有对应的 阻值 为 R2 则普通电阻也有了对应的电压值 其表达式为 V2 VccR R R2 单片 机通过比较前后两个电压值的大小 控制电机转动 其电路如图 3 2 1 3 2 1 光敏电阻电压采集电路 光敏电阻的主要参数是 18 1 光电流 亮电阻 光敏电阻器在一定的外加电压下 当有光照射时 流过的 电流称为光电流 外加电压与光电流之比称为亮电阻 2 暗电流 暗电阻 光敏电阻在一定的外加电压下 当没有光照射的时候 流 过的电流称为暗电流 外加电压与暗电流之比称为暗电阻 3 灵敏度 灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值 暗电阻 与受光照射 时的电阻值 亮电阻 的相对变化值 4 光谱响应 光谱响应又称光谱灵敏度 是指光敏电阻在不同波长的单色光照 射下的灵敏度 若将不同波长下的灵敏度画成曲线 就可以得到光谱响应的曲线 如 图 3 2 1 福建农林大学本科毕业设计说明书 10 3 2 1 光敏电阻光谱响应曲线 5 光照特性 光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性 从光 敏电阻的光照特性曲线可以看出 随着的光照强度的增加 光敏电阻的阻值开始迅速 下降 若进一步增大光照强度 则电阻值变化减小 然后逐渐趋向平缓 在大多数情 况下 该特性为非线性 如图 3 2 2 3 2 2 光敏电阻光照特性曲线 6 伏安特性曲线 伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系 对 于光敏器件来说 其光电流随外加电压的增大而增大 如图 3 2 3 福建农林大学本科毕业设计说明书 11 3 2 3 光敏电阻伏安特性曲线 3 3 AD0809 芯片简介及工作原理芯片简介及工作原理 本课题中 采集的信号是模拟信号 单片机不能直接处理 需要进行 A D 转换 变为数字信号后进行处理 则需要用的 A D 转换器 本课题则用的是最常见的 ADC0809 芯片 ADC0809 是 8 位逐次逼近型 A D 转换器 它由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存 译码器 一个 A D 转换器和一个三态输出锁存器组成 见图 1 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 图 3 3 1 为其内部结构图 19 3 3 1 ADC0809 芯片内部结构图 AD0809 芯片引脚图如下 20 福建农林大学本科毕业设计说明书 12 3 3 2 ADC0809 芯片引脚图 IN0 IN7 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 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 转换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入 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 OE 1 输出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻状态 D7 D0 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 其工作过程为 首先通过 A B C 输入三位地址 并使 ALE 1 将地址存入地址锁 存器中 此地址经译码器选通 8 路模拟输入之一到比较器 ST 上升沿将主次逼近寄存 器复位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 知道 A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结果数据已存入锁存器 这个信号可 用作中断申请 当 OE 输入高电平时 输出三态门打开 转换结果的数字量经过 D7 D0 输出 3 4 80C52 单片机硬件结构单片机硬件结构 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容 一是系统扩展 即单片 机内部的功能单元 如 ROM RAM I O 口 定时 记数器 中断系统等能量不能满足应 福建农林大学本科毕业设计说明书 13 用系统的要求时 必须在片外进行扩展 选择适当的芯片 设计相应的电路 二是系 统配置 既按照系统功能要求配置外围设备 如键盘显示器 打印机 A D D A 转换 器等 要设计合适的接口电路 21 STC89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 COMOS8 的微处理 器 俗称单片机 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集合输出管脚相兼容 单片机总控制电路如图 3 4 1 3 4 1 单片机总控制电路 STC89C52 具体介绍如下 1 主电源引脚 2 根 VCC Pin40 电源输入 接 5V 电源 GND Pin20 接地线 2 外接晶振引脚 2 根 X1 Pin19 片内振荡电路的输入端 X2 Pin20 片内振荡电路的输出端 3 控制引脚 4 根 RESET Vpp Pin9 复位引脚 引脚上出现 2 个机器周 期的高电平将使单片机复位 ALE P Pin30 地址锁存允许信号 PSEN Pin29 外 部存储器读选通信号 EA Vpp Pin31 程序存储器的内部选通 接低电平从外部程序存储器读指令 若接 高电平则从内部存储器读指令 4 可编程输入 输出引脚 32 根 STC89C52 单片机有 4 组 8 位的可编程 I O 口 分别位于 P0 P1 P2 P3 口 每个口有 8 位 8 根引脚 共 32 根 P0 口 Pin39 Pin32 8 位双向 I O 口线 名称为 P0 0 P0 7 P1 口 Pin1 Pin8 8 位 准双向 I O 口线 名称为 P1 0 P1 7 P2 口 Pin21 Pin28 8 位准双向 I O 口线 福建农林大学本科毕业设计说明书 14 名称为 P2 0 P2 7 P3 口 Pin10 Pin17 8 位准双向 I O 口线 名称为 P3 0 P3 7 STC89C52 主要特性有以下几点 兼容 MCS51 指令系统 8K 可反复擦写 Flash ROM 32 个双向 I O 口 256 8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个只 读中断口线 3 级加密位 低空耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 3 5 步进电机驱动芯片选择步进电机驱动芯片选择 在本课题中要由单片机控制步进电机 但由于单片机不能直接驱动被控制元件 这需要功率电路来扩展输出电流以满足被控制元件的电流和电压 ULN2XXX 高压大电流 达林顿晶体管阵列系列产品就是这类可控大功率器件 由于这类产品功能强 应用范 围广 许多公司都生产该类产品 本课题采用的则是该系列中比较常用的 ULN2003 ULN2003 具有电流增益高 工作电压高 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 ULN2003 是高耐压 大电流复合晶体管阵列 由七个硅 NPN 复合晶体管组成 23 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 图 3 5 1 是 ULN2003 芯片示意图 3 5 1 ULN2003 芯片示意图 表 3 5 2 ULN2003 引脚及其功能 福建农林大学本科毕业设计说明书 15 引脚 1CPU 脉冲输入端引脚 9 该脚是内部 7 个 续流二极管负极 的公共端 各二 极管的正极分别 接各达林顿管的 集电极 引脚 2CPU 脉冲输入端引脚 10脉冲信号输出端 引脚 3CPU 脉冲输入端引脚 11脉冲信号输出端 引脚 4CPU 脉冲输入端引脚 12脉冲信号输出端 引脚 5CPU 脉冲输入端引脚 13脉冲信号输出端 引脚 6CPU 脉冲输入端引脚 14脉冲信号输出端 引脚 7CPU 脉冲输入端引脚 15脉冲信号输出端 引脚 8接地引脚 16脉冲信号输出端 3 6 步进电机步进电机选择及其工作原理选择及其工作原理 本课题需要让电机每隔一段时间转动固定角度 而步进电机则可非常容易达到该 要求 故本课题采用步进电机作为机械驱动部分 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 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 通俗的 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 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 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 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 步距角 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 从而达到准确定位的目的 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 现在比较 常用的步进电机包括反应式步进电机 VR 永磁式步进电机 PM 混合式步进电机 HB 和单相式步进电机等 23 永磁式步进电机 永磁式步进电机一般为两相 转矩和体积较小 步进角一般为 7 5 度 或 15 度 永磁式步进电动机输出力矩大 动态性能好 但步距角大 反应式步进电机 反应式步进电机一般为三相 可实现大转矩输出 步进角一般 为 1 5 度 但噪声和振动都很大 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成 定子 上有多相励磁绕组 利用磁导的变化产生转矩 反应式步进电动机结构简单 生产成 本低 步距角小 但动态性能差 混合式步进电机 混合式步进电动机综合了反应式 永磁式步进电动机两者的优点 它的步距角小 出力大 动态性能好 是目前性能最高的步进电动机 它有时也称作 永磁感应子式步进电动机 它又分为两相和五相 两相步进角一般为 1 8 度而五相步 福建农林大学本科毕业设计说明书 16 进角一般为 0 72 度 这种步进电机的应用最为广泛 笔者采用三相六拍步进电机进行实验 该步进电机有六根引线 排列顺序如下 1 红色 2 红色 3 橙色 4 棕色 5 黄色 6 黑色 其实物图 3 6 1 如下 3 6 1 步进电机实物图 三相六拍步进电机的驱动电压为 12V 步进角有 7 5 度 也有 15 度 这里用的为 7 5 度步进电机 步进电机转动一周为 360 度 所以这种步进电机转动一周需要 48 个 脉冲 一个脉冲包括 6 个步节拍 反转和正传是两个相反的过程 即输入的脉冲与正 传的相反 即可驱动步进电机反转 三相步进电机机构图如图 3 6 2 3 6 2 三相步进电机结构图 当 U1 相通电时 U1 相定子齿与转子齿对齐 此后 如果让 U1 V1 两相同时通电 可以发现转子转动 1 5 度 再让 U1 相断电 V1 相通电 又发现转子转动 1 5 度 所以 按照 U1 U1V1 V1 V1W2 W2 W2U1 U1 的顺序控制 电机将按顺时针方向旋转 每步转动 1 5 度 由于要经过 6 步才能走完一个齿距 所以叫三相六拍 福建农林大学本科毕业设计说明书 17 4 电路设计电路设计 4 1 总体电路设计总体电路设计 整个电路由光敏电阻电压采集模块 A D 转换模块 电机驱动模块组成 其电路如 图 4 1 1 4 1 1 自动跟踪系统总电路图 4 2 单片机最小系统设计单片机最小系统设计 要使单片机工作起来 其最小系统需要时钟电路和复位电路 其电路结构为图 4 2 1 福建农林大学本科毕业设计说明书 18 4 2 1 单片机最小系统电路图 4 2 1 电源电路电源电路 52 单片机的工作电压为 5V 通常给单片机外接 5V 的直流电源 连接方式为 VCC 40 脚 接 5V 端 VSS 20 脚 接地端 12V 直流电源采用 7805 稳压芯片 输出 5V 电源 给单片机供电 使其工作 电源电路为图 4 2 2 4 2 2 电源电路 4 2 2 时钟电路 时钟电路 单片机工作的时间基准 决定单片机的工作速度 时钟电路就是振荡电路 向单 片机提供一个正弦波信号作为基准 决定单片机的执行速度 其电路为图 4 2 3 福建农林大学本科毕业设计说明书 19 4 2 3 时钟电路 4 2 3 复位电路复位电路 确定单片机工作的起始状态 完成单片机的启动过程 单片机接通电源时产生复 位信号 完成单片机的启动 其电路如图 4 2 4 4 2 4 复位电路 4 3 电压采集电路设计电压采集电路设计 在使用 ADC0809 时因为它的内部有输出锁存器 所以它可以直接和单片机相连 模拟量输入端的选通是由 A B C 端口控制的 是否转换完毕 是我们根据 EOC 信号 判断的 当 EOC 变为高电平时 这是给 OE 为高电平 转换的数据就可以输出给单片机 处理了 电压采集电路是使用的 A D 转换芯片 ADC0809 u2 其电路连接图如图 4 3 1 福建农林大学本科毕业设计说明书 20 4 3 1 电压采集电路 4 4 电机驱动电路设计电机驱动电路设计 电机由单片机控制 ULN2003 驱动 其电路如 4 4 1 图 4 4 1 电机驱动电路 福建农林大学本科毕业设计说明书 21 5 软件设计软件设计 5 1 软件设计的整体方案软件设计的整体方案 根据本设计方案以及系统的硬件结构 系统的软件设计主要包括 跟踪系统主程序 设计 数据采集 处理程序设计 步进电机驱动程序设计 总流程如图 5 1 1 A D 转换采集电压 STC8052 单 片机 若 V1 V2若 V1 V2 控制电机 反转 a 度 后停止 控制电机 连续正转 n 个 a 度 Vn Vn 1 控制电机反 转 a 度后停 止 5 1 1 自动跟踪系统软件设计总流程图 5 2 编程语言的选择编程语言的选择 系统程序选择 C 语言进行编程 C 语言编程调试灵活方便 生成的代码编译效率高 完全模块化 C 语言的模块化开发方式 使得它开发的程序模块可不经修改的被其它项 目所用 可以很好的利用现成的大量 C 语言程序资源与丰富的函数库 从而最大程度 的实现资源共享 可移植性好 一种 C 语言环境下编写的程序 只需将部分与硬件相 关的地方进行适度的修改 就可以方便的移植到另一种系列上 即基于 C 语言环境下 的系统能基本达到平台的无关性 福建农林大学本科毕业设计说明书 22 5 3 跟踪系统主程序设计跟踪系统主程序设计 系统主程序设计主要完成系统初始化功能 初始化程序主要包括 I O 端口初始化 系统振荡器初始化 电压初始化 A D 转换器初始化 定时器初始化等 5 4 数据采集 处理程序设计数据采集 处理程序设计 数据采集是将模拟信号进行 A D 转换后送入单片机内部存储 本设计主要数据采 集步进电机连续转动不同角度时光敏电阻转化的电压信号 设初始的电压为 V1 当步 进电机正向转动一个固定角度 a 时 电压为 V2 当 V1