太阳板控制系统的设计与制作毕业论文.doc

成都科技大学 2010 届学士学位论文 太阳板控制系统的设计与制作 系 别 专 业 学 号 姓 名 指 导 教 师 指导教师职称 2010 年 5 月 10 日 太阳板控制系统的设计与制作 成都科技大学电子信息工程系 摘要 本文设计了一种通过单片机控制电动机的运转情况 从而控制太阳板随 时间转动的系统 并详细分析了其硬件和软件上的实现过程 其硬件电路可分 为控制模块 电源模块 键盘模块 显示模块 定时模块 输出模块等六部分 组成 控制模块采用 AT89S52 芯片 电源模块采用 LM7805 将 12V 电源变换 成 5V 电源供单片机及相关器件工作 键盘模块共有 5 个按键组成 其中三个 按键是用来校对时间的 两个按键是用来调整太阳板位置的 显示模块采用液 晶将实时时间显示出来 定时模块主要是由单片机本身提供的定时器定时 其 可以准确的定时 并送入液晶显示 输出模块就是四个继电器的常开触点两两 并接在一起分别接到电动机的两端 经测试 本系统运行稳定持久 完全达到 设计要求 关键词 单片机 电动机 太阳板 定时器 The Design and manufacture of solar panels Contrl System Electronic and Information Engineering Chengdu University of Science y Abstract This paper designs one kind of system which through a single chip microcomputer to control the motor s working condition thus controling the solar board rotating with the time and presents a detailed analysis of its hardware and software s implementation process Its hardware circuit can be divided into six parts the power source module the keyboard module the display module the timing module and the output module The control module uses AT89S52 chip The power source module uses LM7805 to transform the 12V power source to the 5V power source to supply for the single chip microcomputer and the related devices working The keyboard module composes of 5 buttons three of the buttons are used to proofread the time and the others to adjust the solar board position The display module uses the liquid crystal to demonstrate the real time time The timing module timing mainly by the timer which provides by the single chip microcomputer itself It can timing accuratly and sends the results to the liquid crystal display Four relay s normally open contacts connects in parallel and receives motor s both sides separately together After testing the system is stable and durable fully meet the design requirements Keywords single chip microcomputer motor solar panels timer 目次目次 1绪论 1 1 1 太阳能电池板的发展历程 1 1 2单片机简介 3 1 3设计任务 3 2硬件设计 4 2 1 系统设计方案 4 2 2 单片机系统及外围电路 6 2 3显示模块设计 9 2 4电动机外围控制模块设计 10 3软件设计 12 3 1C 语言程序的设计基础 12 3 2主程序设计 13 3 3定时器控制 14 4系统调试与性能分析 16 4 1系统调试 16 4 2测试结果分析 17 4 3电路总图 18 5 结 论 18 参考文献 19 致 谢 20 1绪论绪论 1 1 太阳能电池板的发展历程 太阳能 solar Energy 一般是指太阳光的辐射能量 在现代一般用作发电 自地球形成生物就主要以太阳提供的热合光生存 而自古人类也懂得以阳光晒 干物件 并作为保存事物的方法 如制盐和晒咸鱼等 但在化石燃料减少下 才有意把太阳能进一步发展 太阳能的利用有被动式利用 光热转换 和光电 转换两种方式 太阳能发电一种新兴的可再生能源 而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 太阳能转化为电能 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 1 1 1 1 太阳能电池板工作原理 太阳光照在半导体 p n 结上 形成新的空穴 电子对 在 p n 结电场的作用 下 空穴由 n 区流向 p 区 电子由 p 区流向 n 区 接通电路后就形成电流 这 就是光电效应太阳能电池的工作原理 太阳能发电有两种方式 一种是光 热 电转换方式 另一种是光 电直 接转换方式 1 光 热 电转换方式 通过利用太阳辐射产生的热能发电 一般是由太阳 能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气 再驱动汽轮机发电 前一个过程 是光 热转换过程 后一个过程是热 电转换过程 与普通的火力发电一样 太 阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高 估计它的投资至少要比普通火电站 贵 5 10 倍 一座 1000MW 的太阳能热电站需要投资 20 25 亿美元 平均 1kW 的投资为 2000 2500 美元 因此 目前只能小规模地应用于特殊的场合 而大 规模利用在经济上很不合算 还不能与普通的火电站或核电站相竞争 2 光 电直接转换方式 该方式是利用光电效应 将太阳辐射能直接转换成 电能 光 电转换的基本装置就是太阳能电池 太阳能电池是一种由于光生伏 特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件 是一个半导体光电二极管 当太 阳光照到光电二极管上时 光电二极管就会把太阳的光能变成电能 产生电流 当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方 阵了 太阳能电池是一种大有前途的新型电源 具有永久性 清洁性和灵活性 三大优点 太阳能电池寿命长 只要太阳存在 太阳能电池就可以一次投资而长 期使用 与火力发电 核能发电相比 太阳能电池不会引起环境污染 太阳能 电池可以大中小并举 大到百万千瓦的中型电站 小到只供一户用的太阳能电 池组 这是其它电源无法比拟的 1 1 2太阳能电池板材料 在当前 晶体硅材料 包括多晶硅和单晶硅 是最主要的光伏材料 其市 场占有率在 90 以上 而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流 材料 多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美 日 德等 3 个国家 7 个公司 的 10 家工厂手中 形成技术封锁 市场垄断的状况 多晶硅的需求主要来自于 半导体和太阳能电池 按纯度要求不同 分为电子级和太阳能级 其中 用于 电子级多晶硅占 55 左右 太阳能级多晶硅占 45 随着光伏产业的迅猛发展 太阳能电池对多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展 1994 年全 世界太阳能电池的总产量只有 69MW 而 2004 年就接近 1200MW 在短短的 10 年里就增长了 17 倍 专家预测太阳能光伏产业在二十一世纪前半期将超过 核电成为最重要的基础能源之一 1 1 3太阳能电池板分类 现在的太阳能电池板主要有单晶硅 多晶硅 非晶硅和多元化合物等 2 1 单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15 左右 最高的达到 24 这是目 前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的 但制作成本很大 以致于它 还不能被大量广泛和普遍地使用 由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂 进行封装 因此其坚固耐用 使用寿命一般可达 15 年 最高可达 25 年 2 多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多 但是多晶硅太阳能 电池的光电转换效率则要降低不少 其光电转换效率约 12 左右 2004 年 7 月 1 日日本夏普上市效率为 14 8 的世界最高效率多晶硅太阳能电池 从制作成 本上来讲 比单晶硅太阳能电池要便宜一些 材料制造简便 节约电耗 总的 生产成本较低 因此得到大量发展 此外 多晶硅太阳能电池的使用寿命也要 比单晶硅太阳能电池短 从性能价格比来讲 单晶硅太阳能电池还略好 3 非晶硅太阳能电池 非晶硅太阳电池是 1976 年出现的新型薄膜式太阳电池 它与单晶硅和多晶 硅太阳电池的制作方法完全不同 工艺过程大大简化 硅材料消耗很少 电耗 更低 它的主要优点是在弱光条件也能发电 但非晶硅太阳电池存在的主要问 题是光电转换效率偏低 目前国际先进水平为 10 左右 且不够稳定 随着时 间的延长 其转换效率衰减 3 4 多元化合物太阳电池 多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池 现在 各国研究的品种繁多 大多数尚未工业化生产 主要有以下几种 a 硫化镉太 阳能电池 b 砷化镓太阳能电池 c 铜铟硒太阳能电池 新型多元带隙梯度 Cu In Ga Se2 薄膜太阳能电池 Cu In Ga Se2 是一种性能优良太阳光吸收材料 具 有梯度能带间隙 导带与价带之间的能级差 多元的半导体材料 可以扩大太 阳能吸收光谱范围 进而提高光电转化效率 以它为基础可以设计出光电转换 效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池 可以达到的光电转化率 为 18 而且 此类薄膜太阳能电池到目前为止 未发现有光辐射引致性能衰 退效应 SWE 其光电转化效率比目前商用的薄膜太阳能电池板提高约 50 75 在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率 1 1 4太阳能电池板发展现状 美国伦斯勒理工学院研究人员 2008 年开发出一种新型涂层 将其覆盖在太 阳能电池板上能使后者的阳光吸收率提高到 96 2 而普通太阳能电池板的阳 光吸收率仅为 70 左右 新涂层主要解决了两个技术难题 一是帮助太阳能电池板吸收几乎全部的 太阳光谱 二是使太阳能电池板吸收来自更大角度的太阳光 从而提高了太阳 能电池板吸收太阳光的效率 普通太阳能电池板通常只能吸收部分太阳光谱 而且通常只在吸收直射的 太阳光时工作效率较高 因此很多太阳能装置都配备自动调整系统 以保证太 阳能电池板始终与太阳保持最有利于吸收能量的角度 1 2单片机简介单片机简介 目前计算机硬件技术向巨型化 微型化和单片三个方向高速发展 自 1974 年美国仙童公司第一片单片微型计算机芯片问世以来 在短短的三十年时间 单片机技术已经发展成为计算机技术一个非常有前途的分支 它有自己的技术 特征 规范 发展道路和应用领域 单片机是为了满足工业控制需要而诞生的 是自动控制系统的核心部件 因而也主要用于工业控制 智能化仪器仪表 家 用电器中 它具有体积小 个性突出 某些方面的性能指标大大优于通用微机 中央处理器 价格低廉等特点 应用领域不断扩大 除了工业控制 智能化仪 表 通讯 家用电器外 在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片 作为核心控制部件 单片微型计算机简称单片机 Single Chip Microcomputer 是指在一块芯 片中集成有中央处理器 存储器 RAM 和 ROM 基本 I O 接口以及定时器 计数器等部件 并具有独立指令系统的智能器件 既在一块芯片上实现一台微 型计算机的基本功能 目前单片机芯片系列 品种 规格繁多 先后经历 4 位 机 8 位机 16 位机 新一代 8 位机 32 位机等几个有代表性的发展阶段 但 在目前 甚至今后相当长的时间内 8 位单片机尤其是强化了控制接口功能的 新一代 8 位单片机 依然是单片机的主流产品 单片机经过 1 2 3 代的发展 目前单片机正朝着高性能和多品种方向发 展 它们的 CPU 功能在增强 片内存储容量增大 引脚在多功能化 它们的电 压低功耗低 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器 CPU 随机存取数据 存储 RAM 只读程序存储器 ROM 并行和串行通信接口 中断系统 定时 电路 时钟电路集成在一块单一的芯片上 增强型的单片机集成了如 A D 转换 器 PMW 脉宽调制电路 WDT 看门狗 有些单片机将 LCD 液晶 驱动电路 都集成在单一的芯片上 这样单片机包含的单元电路就更多 功能就越强大 使得数据传送距离大大缩短 运行速度更快 可靠性更高 抗干扰能力更强 由于属于芯片化的微型计算机 各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化 工作亦相对稳定 单片机属于典型的嵌入式系统 它是低端控制系统的最佳器 件 MCS 系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元 处理功能强 中央处理 单元中集成了方便灵活的专用寄存器 硬件的加 减 乘 除法器和布尔处理 机及各种逻辑运算和转移指令 并且单片机的开发环境要求较低 软件资源十 分丰富 开发工具和语言也大大简化 3 1 3设计任务设计任务 前面已经介绍了太阳能供电现在已经是一种趋势 而太阳能供电是用太阳 板把接收到的太阳光光能转化成电能送到蓄电池储能供用户使用 但是太阳每 天都是东升西落的 为了提高太阳板的效率 故在太阳板上加一个电动机 使 太阳板每天能随着太阳的运动而转动 故提出设计要求 太阳板每天上午九点到下午五点 每过一个小时 太阳 板转动向右 4 秒 在下午六点的时候太阳板又反转回到原位 如此循环 2 2 硬件设计硬件设计 2 1 系统设计系统设计方案方案 2 1 1系统总体模块图 根据单片机的工作特点 具体实现时其硬件电路可以划为五个模块 单片 机控制模块 电源模块 键盘模块 定时模块和 LED 显示模块 各模块的功能 独立 可扩充性强 具有再次开发的潜力 本方案既满足系统功能要求 又减 少了系统实现的复杂度 各模块之间的关系如图 1 所示 4 控制控制 模块模块 定时模块 键 盘 模 块 显 示 模 块 电源模块输出模块 图 1 系统模块图 2 1 2控制芯片方案 方案一 采用 FPGA 控制 优点 FPGA 的引脚数较多 功能也更强大 程序控制也比较方便 缺点 FPGA 芯片比较昂贵 外围电路连接比较复杂 用 FPGA 来控制电 动机 性价比不高 方案二 用 AT89S52 单片机控制 AT89S52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 具有低功耗空闲和掉 电模式并支持软件设置睡眠和唤醒功能 同时本设计的外围器件简单 故采用 灵活价格便宜的 52 单片机 2 1 3定时模块方案 由前面的设计要求可知电动机的转动情况是受时间控制的 因此需要一个 定时模块产生一个时钟信号 常用的定时模块有晶体振荡器和 555 定时器 但 是 555 所定时的精度不高 而且在本设计中如果用 555 定时那么必增大了硬件 的复杂性和增加了成本 由于在本设计中控制芯片采用的是 AT89S52 而 AT89S52 自身带有三个定时器 而且其采用的是外部晶振定时 其精度也很高 故在本设计中的定时模块就采用 52 单片机本身的定时器 2 1 4显示模块及电源模块 由于 52 单片机及相关器件的工作电压是 5V 而本设计的电源电压为 12V 因此这里还需要采用 LM7805 将 12V 电压转换成 5V 电源供单片机和相 关器件使用 其电路图如下图所示 5 IN 1 2 OUT 3 GND U2MC7805CT VI 12V 100uF C2 100uF C3 IN D4 IN4007 图 2 12V 转 5V 电路图 在本设计中还需要将实时时间显示出来 以便于调节 显示器有很多 常 用的有数码管显示 字符液晶显示 支持汉字的液晶显示 点阵显示等等 从 显示的美观上采用液晶显示 而从成本上要求是尽量降低成本 综合考虑在本 设计中采用了 1602 字符显示 这样即美观又降低了成本 2 1 5键盘模块 键盘是单片机应用系统中的一种常用部件 通过它向单片机输入数据 传 送命令 是人给应用系统输入信息的主要手段 单片机常用的键盘有全编码键 盘和非编码键盘两种 全编码键盘由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码 如 BCD 码键盘 ASCII 码键盘等 价格较贵 一般的单片机应用系统较少采用 非编码键盘分为独立式键盘和矩阵键盘 硬件上只提供通 断两种状态 其他 工作都靠软件来完成 经济适用 目前单片机应用系统中多采用这种方法 独立键式键盘是指直接用 I O 口线构成的单个按键电路 每个独立式按键 单独占用一根 I O 口线 每根 I O 口线的工作状态不会影响其他 I O 口得工作状 态 这是一种简单的键盘结构 独立式键盘电路的每个按键开关占用一根 I O 口线 当按键较多时 要占 用较多 I O 口线 当按键数大于 8 时 通常采用矩阵式键盘电路 在矩阵式键 盘中 每条水平线与垂直线的交叉处不直接连通 而是通过一个按键开关加以 连接 这样一个端口就可以构成 4 4 16 个按键的键盘电路 6 本设计要求用三个键盘来校对时间 用两个键盘来调整太阳板的位置 因 此在本设计中的键盘仅仅是调节功能且键盘个数较少 故采用简单的独立式键 盘 2 1 6输出模块 本设计主要是控制电动机按要求转动 故还需要有电源输出给电动机供电 在本设计中采用四个继电器 将四个继电器分成两组 将这两组的公共端交叉 接在一起 作为电源的正负极 将其常开触点分别并接在一起作为电源输出接 到电机的两端 继电器的吸合由单片机控制 2 2单片机系统及外围电路单片机系统及外围电路 2 2 1单片机的基本组成 ATC 51 系列单片机的基本功能结构如图 3 所示 7 图 3 ATC 51 单片机的内部结构 1 一个 8 位的微处理器 CPU 片内数据存储器 RAM 128B 256B 存储运算的中间结果 最终结果以及显 示的数据等 2 片内程序存储器 ROM 和 EPROM 4KB 它用来存放程序 一些原始数据 和表格 但也有一些单片机内部不带 ROM EPROM 如 8031 8032 80C3l 等单片机 3 4 个 8 位并行 I O 输入输出 接口 P0 P3 口 每个口既可用作输入 也可 以用作输出 4 两个 16 位定时器 计数器 每个定时器 计数器都可以设置成计数方式 用 来对外部事件计数 也可以设置成定时方式 并根据计数或定时的结果实现计 算机控制 5 5 个中断源的中断控制系统 6 一个全双工 UART 通用异步通信接口 可实现单片机与单片机或其他微 机之间的串行通信 7 片内振荡器和时钟产生电路 但石英晶体和微调电容需要外接 最高允许 以上各部分通过内部总线相连接 本设计中用到 AT89S52 单片机 2 2 289S52 单片机引脚及其功能 图 4 89S52 管脚图 1 主电源引脚 VCC 接 5V 电源 VSS 接电源地 2 时钟电路引脚 XTAL2 接外部晶体的一端 在单片机内部 它是反相放大器的输入端 该放大器构成了片内振荡器 在采用外部时钟电路试 对于 HMOS 单片机 此引脚必须接地 对 CHMOS 单片机 此引脚作为驱动端 XTAL2 接外部晶体的另一端 在单片机内部 它是反相放大器的输出端 若采用外部时钟电路时 对于 HMOS 单片机 该引脚输入外部时钟脉冲 对于 CHMOS 单片机 此引脚应悬空 3 控制信号引脚 RST VPD 复位 备用电源输入脚 单片机上电后 只要在该引脚上输入 24 个振荡周期 2 个机器周期 宽度以上的高电平就会时单片机复位 RST VPD 具有复用功能 可接上 5V 备用电源 当 VCC 下掉到低于规定 的电平 而 VPD 在其规定的电压范围内时 VPD 就向片内 RAM 提供备用 电源 以保持片内 RAM 中的信息不丢失 7 ALE Address Latch Enable 低 8 位地址锁存使能输出端 当 CPU 访问 外部存储器时 ALE 可向低 8 位地址锁存器输出锁存控制信号 当不访问 外部存储器时 ALE 端仍以时钟振荡频率的 1 6 固定地输出正脉冲 因此 它可用作外部定时或其他需要 但要注意的是 每当访问外部数据存储器 时会丢失一个脉冲 ALE 端可驱动 8 个 LSTTL 负载 Program Store Enable 外部程序存储器读选通信号 CPU 在访问 PSEN 外部程序存储器期间 每个机器周期 信号两次有效 当访问外部 PSEN 数据存储器时 则不会出现信号 端可以驱动 8 个 LSTTL 负 PSENPSEN 载 Enable Address 外部程序存储器地址允许使能端 当端输入高 EAEA 电平时 CPU 从片内程序村痴情开始执行程序 当程序计数器 PC 的值超 过内部程序存储器的最高地址 对于 8051 位 0FFFFH 时 将自动转向片 外程序存储器取指令并执行 当输入低电平时 CPU 仅访问片外程序存 EA 储器 对于 8031 来说 由于片内无程序存储器 所以端必须接低电平 EA 4 并行 I O 引脚 P0 0 P0 7 P0 口是一个漏极开路的 8 位双向复用 I O 端口 P1 0 P1 7 P1 口是一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I O 端口 P2 0 P2 7 P2 口是一个内部带上拉电阻的 8 位准双向复用 I O 端口 P3 0 P3 7 P3 口是一个内部带上拉电阻的 8 位多功能双向 I O 端口 P3 口除可作为通用 I O 使用外 其主要的功能是它的第二功能 P3 口的每一条 引脚均可独立定义位第一功能的输入输出或第二功能 作为第二功能使用时各 引脚的定义见表 1 所示 P3 口能驱动 4 个 LSTTL 负载 表 1 P3 各口线的第二功能表 口线第二功能名称 P3 0RXD串行数据接收端 P3 1TXD串行数据发送端 P3 2INT0外部中断 0 申请输入端 P3 3INT1外部中断 1 申请输入端 P3 4T0定时器 0 计数输入端 P3 5T1定时器 1 计数输入端 P3 6WR外部 RAM 写选通 P3 7RD外部 RAM 读选通 2 2 3复位电路 任何微机都是通过可靠复位之后才可有序执行应用程序 同时 复位电路 也是容易受噪声干扰的敏感部位之一 因此 复位电路设计要求 其一要保证 整个系统可靠复位 其二是要有一定抗干扰能力 复位电路应具有上电复位和手动复位功能 以 ATC 51 单片机为例 复位 脉冲的高电平宽度必须大于 2 个机器周期 即 24 个振荡周期 若系统选用 6MHz 晶振 则 1 个机器周期为 2us 那么复位脉冲宽度最小应为 4us 在实际 应用系统中 考虑到电源的稳定时间 参数漂移 晶振稳定时间以及复位的可 靠性等因素 必须留有足够的余量 8 在本设计中采用手动按键复位 如图 5 所示 2 2 4时钟控制电路 在单片机内有一个起协调作用的 口号 这就是时钟信号 为了保证单片 机正常工作 内部各功能电路必须在该时钟信号的同步下按时序工作 ATC 51 单片机芯片内部有一个高增益反相放大器 用于构成始终振荡电路 XTAL1 为该放大器的输入端 XTAL2 为该放大器的输出端 但要形成时钟电 路还需附加其他电路 如图 6 所示 利用 ATC 51 内部的高增益反响放大器 在 XTAL1 与 XTAL2 引脚上外界定时元件 内部振荡电路便产生自激振荡 定 时元件一般采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路 晶体可以在 1 2 12MHZ 之间任选 电容 C1 C2 容量在 5 30pF 之间 电容 C1 和 C2 的大小可起频率 微调的作用 电容大小要和晶体的容性负载阻抗相匹配 否则不易起振 一般 当电源电压为 2 7 4 5V C1 C2 典型值为 15pF 当电源电压 4 5 5 5V C1 C2 典型值为 30pF 9 图 5 单片机复位电路 图 6 单片机晶振电路 2 3 显示模块设计显示模块设计 前面已经介绍了在本设计中采用 1602 液晶显示时间 同时用三个按键来校 对时间 其接线图如图 7 所示 图 7 液晶显示接线图 同时在设计中还采用了节能控制 用单片的 P2 5 引脚去控制 1602 液晶的 背光灯的开闭状态 设计要求是当无按键超过 10s 的时候 就关闭背光灯 但 是单片机引脚的输出电流太小 故将 P2 5 管脚的输出同 VCC 相与后输出到液 晶的背光控制引脚 如图 8 所示 P25 光光光光 1 2 3 U5A M C74HC08AN VCC 图 8 液晶的背光灯控制 2 4电动机外围控制模块设计电动机外围控制模块设计 2 4 1单片机驱动继电器 根据本设计的要求就是用单片机去控制太阳板的位置 既控制 12V 电动机 的转动情况 但是单片机的输出电压只有 5V 而且电流很小 因此这里需要一 个继电器 由单片机控制继电器的吸合来控制电机电路的通断 但是单片机的 输出电流很小也不能直接驱动继电器 因此这里利用了三极管的放大作用 具 体接线图如图 9 所示 Q2D2 IN4007VCC K4 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 MOSI 6 P1 6 MISO 7 P1 7 SCK 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 P3 6 RD 16 P3 7 WR 17 PSEN 29 ALE P 30 P3 1 TXD 11 P3 0 RXD 10 VCC 40 GND 20 AT89S52 图 9 单片机驱动继电器 2 4 2电动机转动电源设计 在本设计中还有一个问题要考虑就是有 12V 直流电动机的正反转 使太阳 板每天都随着太阳转动 这里采用四个继电器 将四个继电器分成两组 将这 两组的公共端交叉接在一起 作为 12V 电源的正负极 将其常开触点并接在一 起接到电机的两端 具体接法如图 10 所示 图中的 P2 0 和 P2 1 分别是单片 机的两个端口 Q1 D1 IN4007 VCC P2 0 S5 VI 12V VI 光光光光 Q2 D2 IN4007 VCC P2 1 S6 VI VO VI 12V 光光光光 VO VO K1 K4 K2 K3 图 10 正负电源的获得 由电路图可知 在系统初始上电的一瞬间 两个三极管都会工作 使四个 继电器都吸合 便会使电源短路而无法工作 为了避免这种情况 在设计中采 用了数字逻辑控制 即在 P2 0 的输入端加上一个逻辑判断 其真值表如图 2 所 示 表 2 P2 0 的真值表 P2 0 初始值P2 1 初始值P2 0 输出 000 010 101 110 由表可知 P2 0 的表达式为 P2 0 P2 0 P2 1 故改进后的电路图如图 11 所示 Q1 D1 IN4007 VCC P2 0 S5 VI 12V VI 光光光光 Q2 D2 IN4007 VCC P2 1 S6 VI VO VI 12V 光光光光 VO VO 12 U4A MC74HC04AN 1 2 3 U3A MC74HC08AN K1 K4 K2 K3 VCC VCC 1K R4E Res Pack 2 611 1K R5F Res Pack 2 图 11 修改后的电路 3 软件设计 3 1 C 语言程序的设计基础语言程序的设计基础 3 1 1C 语言程序的设计方法 编写单片机的汇编语言程序 就是按照实际问题的要求和单片机的特点 决定应采用的计算方法和计算公式 也就是一般所说的算法 然后根据单片机 的指令系统 按照尽可能节省数据存储单元 缩短程序长度和加快运行时间三 个原则编写程序 程序设计步骤 1 对实际问题进行抽象化处理 提炼成数学模型 2 确定解决该数学模型的算法 3 程序模块分析 在分析复杂的实际问题时 往往需要把整个问题分成若 干个功能块 画出层次图 确定各模块间的通信 4 画出程序流程图 以图示形式表示解决具体问题的思路和方法 5 分配内存工作单元和寄存器 即安排数据存放和进行运算处理的地方 6 根据流程图编写程序 7 上机调试 修改 直至通过 9 3 2主主程序设计程序设计 1 主程序思想 因为本设计主要是利用单片机本身的定时功能 在控制电机正反转的语 句也放到定时函数里面 这样就大大减少了主程序的执行时间 因此在主程序 里面这需要执行一个初始化函数 和不断检查按键动作有无的函数 其流程图 如图 12 所示 开始 初始化 是否有按键 取键值 结束 是 否 图 12 主函数流程图 2 按键切换 由于按键都是利用机械触点来实现键的闭合与释放 由于弹性作用的影响 机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程 从而使键输入电压信号也出现抖动 抖动时间长短与按键的机械特性有关 一般为 5 10ms 按键的稳定闭合时间 由操作人员的按键动作所确定 一般为几百毫秒至几秒 为了保证系统对键的 一次闭合仅作一次键输入处理 必须消抖处理 一般可以用硬件或软件的办法 消抖 本设计采用软件消抖方式 所谓软件消抖 就是在第一次检测到有键按下时先不动作 延时一段时间 再次检测按键的状态 如果仍保持闭合状态 则确认真正有键按下 当检测到 按键释放后 也要给 5ms 10ms 的延时 待后沿消抖消失后才能转入按键的处 理程序 10 开始 定时器赋值 计时 时间是否是 9 点到 18 点之间的整点 是否 18 时整 启动定时器 1 和电机 电机反转 电机是否转动 32 秒 关闭定时器 1 和电机 启动定时器 1 和电机 电机正转 电机是否转动 4 秒 关闭定时器 1 和电机 否 是 否 是 否 是 是 否 返回主程序 返回主程序 图 13 定时中断流程图 3 3定时器控制定时器控制 在本设计中主要的是要有一个很精准的定时器来定时 这里采用单片机本身 带有的定时功能来定时 1 定时器的设置及初值的计算 此设计中用到的是定时器的定时功能 定时器有 4 种工作方式 11 我们利 用方式 1 计数器的由 THx 全部 8 位和 TLx 全部 8 位构成 相关参数的计算如 下 1 最大计算量 65536216 max n 2 已知要求的计算量 n 则计算器的初值为 nnx 65536216 3 最大定时时间 oscosc ff t 12 65536 12 216 max 4 已知要求的定时时间 t 则定时器的初值为 12 65536 12 216 oscosc f t f tx 这里我们需要定时 1s 我们首先是定时值为 50000 即 50ms 然后再累 加 20 次 便得到 1s 故 THx 65536 50000 256 TLx 65536 5000 256 其定时程序如下 void timer0 interrupt 1 TH0 65536 50000 256 TL0 65536 50000 256 a if a 20 a 0 miao 此时时间正好是 1s 当 miao 加到 60 的时候 使 miao 等于 0 便计 1 分钟 当 fen 加到 60 的时候 使 fen 等于 0 便计 1 小时 当 shi 加到 24 时 使 shi 等于 1 时间便过了一天 2 定时器子程序 由设计要求可知 当 shi 在 10 到 18 时候 单片机通过 P2 1 驱动继电器吸 合 使电动机正向转动 4s 当 shi 等于 18 的时候单片机通过 P2 0 驱动继电器 吸合 使电动机反向转动 32s 为了减少单片机在定时器 0 的读取时间 定时 电动机转动的定时器由单片机的定时器 1 定时 工作方式还是为工作方式 1 其流程图如图 13 所示 程序如下 if shi 10 TR1 1 启动定时器 1 定时 4s temp3 1 if shi 18 P20 P20 TR1 1 启动定时器 1 定时 32s temp4 1 4s 或 32s 后关闭定时器 1 同时停止电动机转动 其程序如下 if temp3 1 if temp1 4 temp1 0 P21 P21 4s 后停止电机正转 temp3 TR1 0 if temp4 1 if temp1 32 temp1 0 P20 P20 32s 后停止电机反转 temp4 TR1 0 4 系统调试与性能分析 4 1 系统调试系统调试 在完成所有程序后 我是先在 Proteus 7 Professional 仿真软件上进行仿真的 其仿真示意图如下图所示 图 14 仿真示意图 仿真完成后开始进行实际电路设计 在电路上开始测试 在调试时出现以下现 象 1 液晶不显示任何数据 经过反复调试检验 是液晶的电源部分焊接出现 虚焊及液晶的数据 命令选择端 读 写选择端及使能信号的引脚定义错误 2 电动机没有转动 经检查单片机 P2 0 P2 1 管脚的输出电流太小 解决 方法是在其管教上接上 1K 的上拉电阻 3 定时器定时不是很准确 长时间运行后时间会有延误 经过反复测试后 的解决方法是改变定时器的初始值 其值改为 TH0 65536 49924 256 TL0 65536 49924 256 4 实物图如下图所示 图 15 实物图 1 图 16 实物图 2 4 2 测试结果分析测试结果分析 测试的过程如下 1 首先是测试时间的准确性 就是通过三个按钮将时间和当地时间校对 观 察时间可否准确 经修改后可知时间的误差很小 2 电动机正转的测试 将时间调到 9 59 59 观察时间走到 10 点的时候电动 机是否正向转动了 4s 后停止 然后依次将时间增大 1 小时直到 16 时分别观察 3 电动机反转的测试 将时间调到 17 59 59 观察时间走到 18 点的时候电动 机是否反向转动了 32s 后停止 4 3 电路总图电路总图 本设计的总电路图如下图所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P1 104 C1 VCC IN 1 2 OUT 3 GND U4 MC7805CT 2 3 1 S7 光光光光 VCC VI 12V 100uF C5 100uF C6 IN 12 1 30p C2 30p C3 Q1 D1 IN4007VCC P2 0 S1 VI 12V 光光光光 Q2 D2 IN4007VCC P2 1 S5 VO 光光光光 VO 1 2 3 4 P2 VI 12V VO VO VO VO 12 U3A MC74HC04AN 1 2 3 U2A MC74HC08AN S2S3S4 10K R3 光光光光光光光光光光 K1 K4 K2 K3 D3 IN4007 VCC 10K R2 10uF C4 VCC P2 5 光光光光 VCC VCC 116 1K R1A Res Pack2 215 1K R1B Res Pack2 1602光光光光 4 5 6 U2B MC74HC08AN VCC EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 MOSI 6 P1 6 MISO 7 P1 7 SCK 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 P3 6 RD 16 P3 7 WR 17 PSEN 29 ALE P 30 P3 1 TXD 11 P3 0 RXD 10 VCC 40 GND 20 U1 AT89S52 GND VCC S6 SW PB GNDGND VCC VO 光光光光 P2 0 P2 1 RS RW OE RS RW OE P2 5 2 3 1 S8 光光光光 VIN VIN VIN GND GND GNDIN 图 17 总电路图 5 结结 论论 本论文是在单片机的知识和 1602 液晶显示的基础上 以 ATC89S52 单片机 为核心 外加一些简单的外围电路 设计了简单的一个太阳板控制器 其实相 当于一个时间控制器 本设计电路简单 外观美观 其作用就是通过控制电机 的运转情况可以改变太阳板的位置 这样便提高了太阳板的利用率 在太阳能 供电系统中起到了一定的作用 在太阳板转动时 可能由于环境的影响特别是 风的影响 会使太阳板不能达到理想的位置 但是可以通过本设计提供的两个 按钮来调整太阳板的位置 本设计的改进 本设计还可以采用时钟芯片计时 因为时钟芯片具有很高 的精度 这样不但可以使计时更加准确稳定 还可以节约单片机本身的定时器 以供扩展之用 基于这次毕业论文设计 我通过查阅手册和文献资料 将课程中所学的理 论知识和实验技能运用到实践当中 进一步熟悉了常用电子器件的类型和特性 并掌握了合理选用的原则 学会软件及硬件的调试 提高了设计能力和实验技 能 更为日后从事电子电路设计 研制电子产品等职业打下了良好的基础 其 次是解决问题的方法和技巧 不仅要扎实掌握基础知识 还要将知识与实际联 系起来 不能仅从理论的角度思考问题 对待问题要冷静 要多方法处理 多 角度分析 参考文献 1 段晓飞 太阳能发展前景与应用 现代商贸工业 2010 年 20 期 2 陈坤基 非晶硅 多晶硅薄膜晶体管与大面积电子学 国际学术动态 2000 年 01 期 3 陶国正 单片机与接口应用技术 M 苏州 苏州大学出版社 2004 4 朱勇 单片机原理与应用技术 M 北京 清华大学出版社 2006 5 李海玉 高建明 王雷 基于单片机控制的液晶显示电路 黑龙江科技信息 2010 年 33 期 6 曹彩萍 李钢 基于单片机的键盘接口的设计与实现 电脑知识与技术 2006 年 32 期 7 张振荣 晋明武 王毅平 MCS 51 单片机原理及实用技术 M 北京 人民邮电出版社 2000 8 史艳琼 杨国诗 常见的几种单片机复位电路分析 淮南联合大学机电系 2004 年 03 期 9 缴瑞山 韩全力 单片机控制技术及应用 M 上海 高等教育出版社 2003 10 胡健 单片机原理及接口技术 M 北京 机械工业出版社 2004 11 王幸之 单片机应用系统抗干扰技术 M 北京 北京航空航天大学出 版社 1999 致 谢 在论文完成之际 本人谨向我的导师李老师致以衷心的感谢 导师对我的 严格要求 让我学到了很多知识 掌握了科研的方法 也获得了实践锻炼的机 会 同时 他对论文中的文字斟酌 对论文要求的尽善尽美 更使我终生受益 在此祝愿他身体健康 前程似锦 葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆 艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂