基于单片机的光源自适应跟踪系统.doc

指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院综合设计报告设计题目：基于单片机的光源自适应控制系统设计单位（二级学院）： 自 动 化 学 院 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 设计时间： 年 月重庆邮电学院自动化学院制摘 要 本设计给出了一种基于单片机的点光源自动跟踪系统设计方案, 该设计使用TI公司的超低功耗的AT89C51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8路光敏二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AT89C51单片机，经过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台步进电机，使其跟随点光源运动。 本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。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。关键词：AT89C51单片机，光源，自动跟踪，DS18B20，传感器摘 要3一、设计题目41.1基于单片机的光源自适应控制系统设计41.2设计要求4二、设计报告正文52.1设计方案总体方向的选择52.1.1基本系统方案52.1.2方案选择52.1.3 设计思路52.2硬件电路的设计62.2.1 AD转换模块62.2.2 步进电机模块82.2.3电机驱动模块102.2.4检测模块：112.2.5显示模块142.2.6单片机模块142.3系统软件设计17三、设计重点18四、设计总结20五、参考文献21六、附录22一、设计题目1.1基于单片机的光源自适应控制系统设计 设计一控制系统，假设有一个太阳能电池板，为了使电池板最大限度的接受光照强度，通过控制器调节电池板的角度使电池板始终正对光线。采用步进电机作为角度调整装置，使系统能上下和左右旋转，并能够正确检测光线角度，同时可以进行温度检测和显示。1.2设计要求1、绘出电路原理图；2、制作电路图；3、编写程序；4、调试运行。 二、设计报告正文2.1设计方案总体方向的选择2.1.1基本系统方案 根据题目要求，系统可以分为支路控制部分和单元控制部分。其中支路控制部分包括：自动检测光源模块、模数转化模块、温度检测模块、液晶显示模块、步进电机驱动模块，单元控制部分包括单元控制器模块。2.1.2方案选择根据题目要求，控制支路主要用于各个模块的信号接收和辨认处理、控制路灯的开关以及显示地址等。对于控制支路的选择我们采用宏晶科技公司(STC)的STC89C52RC作为系统控制器的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。在本设计中，我们采用了单片机分别对7个单元模块进行监测和控制，提高了系统的工作效率，同时CPU分阶段地对路灯状态控制，减少了外围设备。由STC89C52RC控制两个步进电机分别竖直水平方向转动、检测光源明暗、温度检测和接受模数转换结果等功能，同时检测光源，并控制步进电机转动自适应调整对准光源，并达到显示光线角度及实时温度等功能。2.1.3 设计思路光源光电传感器放大A/D转换单片机显示步进电机键盘 图2-1 系统设计框图2.2硬件电路的设计2.2.1 AD转换模块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2-2所示图2-2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用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表2-3所示。表2-3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。 3.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。图2-4 0809连接图 如图2-4所示，IN0-IN7分别与8个光敏电阻连接，D0-D7管脚接在单片机1的P3口，ST管脚于单片机1的P1.2连接，OE、EOC分别与P1.0、P1.1连接，A、B和C与P1.4-P1.6连接，CLK接外部时钟电路，11、12管脚接VCC，13、16管脚接地。2.2.2 步进电机模块 1.驱动方法及主要参数2.步进电机的主要特性：1） 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。2）黑金刚配套的是28BYJ48、5V驱动的4相5线的步进电机，而且是减速步进电机，减速比为1：64，步进角为5.625/64度。如果需要转动1圈，那么需要360/5.625*64=4096个脉冲信号。3） 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。4）改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，电机示意图和各线圈通电顺序图2-5和表2-6所示： 图2-5步进电机原理图表2-6 各线圈通电顺序相顺序1234561001110210011131110114111100 相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过5.625度，四相四拍为0-1-2-3则称为通电一周，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如3-2-1-0将使电机同速反转。同理四相八拍的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A（本设计用的是四相八拍）。通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动。图2-7步进电机1控制芯片电路图2-8步进电机2控制芯片电路2.2.3电机驱动模块 本设计采用51单片机AT89C52（晶振频率为11.0592MHZ）对该四线八相制步进电机进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过特定芯片驱动步进电机。本文选用ULN2003构成步进电机的驱动电路，下面但见介绍下ULN2003的结构和特点： ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。该电路的特点如下： 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。 ULN2003 采用DIP16 塑料封装。 ULN2003方框图如图3-3-1所示。图2-9ULN2003内部方框图 利用ULN2003以及AT89C54RD设计的步进电机驱动电路如图2-10所示。图2-10ULN2003和AT89C52构成的驱动电路 51的25-28口接ULN2003的1-4输入端。另外，用键盘来对电机的状态进行控制。在上述设计的基础上采用AT89C52的P0口作为8位共阴数码管的显示驱动。 2.2.4检测模块： 图2-11 比较控制式太阳跟踪装置。设置一个圆筒形外壳，在圆筒外部，东、南、西、北四个方向上分别布置4只光电阻;其中一对光电阻(PI，P3)东西对称安装在圆筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;另一对光电阻(PZ，P4)南北对称安装在圆筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4只光电阻;其中一对光电阻(PS，P7)东西对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度;另一对光电阻(P6，PS)南北对称安装在圆筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度，传感器外形如图3-4-1所示。 该跟踪装置对太阳的高度角和方位角进行双轴跟踪，现在单独研究对方位角进行跟踪的工作原理，假设太阳的高度角是不变的，即假设圆筒是始终在高度方向对准太阳的。当太阳光线以与传感器板垂直的方向照射到传感器上，两组光电阻(PI，P3)，(P5，P7)接收到的光照度相同，比较电路的输出值为零。当太阳光偏离垂直方向一个较小的角度时(Pl，P3)这一对光电阻可能受环境散射光的影响，不会反应出太阳光线的变化;而(PS，P7)这一对光电阻受到了圆筒对环境散射光的屏蔽保护，它们接收的照度会出现差值，这就是偏离信号。该信号经放大后送入控制单元，控制单元开始工作，控制自动跟踪器调整太阳光接收装置的角度，直到太阳光接收装置对准太阳。当太阳光偏离了一个较大的角度时(阴雨天或者乌云过后)，筒内的传感器可能接收不到太阳光，筒外的传感器就能反应出照度差值，该信号经放大后送入控制单元，控制跟踪器开始工作。高度角的跟踪基本原理及工作雷同。为了使传感器准确的跟踪太阳运动，首先要通过试验找出较为合适的光敏电阻。当光敏电阻的阻值较小的时候，光电阻在太阳照射下可能会很快达到饱和状态，此时采集的信号就失真，不能正确反应太阳光线的变化情况，会影响到跟踪效果，跟踪精度因此降低。但提高光敏电阻的阻值，使得相应的供电电源的电压要变大才能驱动跟踪器，提高了能耗及其成本。其次要设计长度合适的圆筒。理论上讲，圆筒的长度越长，跟踪器的精度就越高。随着圆筒的增长，内部两个光电阻同时接受太阳光照的太阳光偏离角度的范围会变小;假设圆筒内部两个光电阻同时直接受到太阳光照射的情况下，长圆筒允许太阳光偏离角度的范围为A，如图1.10a所示，即太阳光线的偏离角度在A的范围内，长圆筒内部的两个光敏电阻不会出现照度差;短圆筒允许太阳光偏离角度的范围为B，如图1.10b 所示，即太阳光线的偏离角度在B的范围内，短圆筒内部的两个光敏电阻不会出现照度差。当使用长圆筒时，假设太阳光线偏离一个超出了范围A又在B的范围内的角度，如图1.10c，所示因为偏离角度超过了范围A，圆筒内部两个光电阻产生了照度差值，该信号经过处理放大，控制跟踪器跟踪上太阳；如果此时使用较短圆筒，偏离角度在B的范围内则不会使内部两个光电阻产生照度差，系统不会进行跟踪，因此此时系统的精度高于使用短圆筒的情况。太阳光线偏离角度在一个较大范围内时，长圆筒内部的两个光敏电阻不会出现照度差，系统不能连续跟踪太阳光线的角度变化。图2-12不同长度圆筒的太阳光偏离角度方位示意图图2-132.2.5显示模块 如图2-14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。图2-14数码管显示模块2.2.6单片机模块1.AT89C52的内部结构和引脚 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2-15)： 图2-15 AT89S52 DIP封装管脚分布图2.单片机1电路设计 单片机1与ADC0809连接：图2-163.单片机2电路设计：图2-172.3系统软件设计 本设计，程序采用C语言进行设计。程序中主要有以下几个主要子程序：主程序，ADC0809初始化、采集、转换数据程序，电机驱动控制程序。程序源代码见附录。三、设计重点在本次课程设计的实验中我主要负责硬件的选择和电路图绘制（电路图总图见附录）及电机驱动的设计，以及焊接电路板。本实验的硬件电路采用是两个单片机来控制，有一个单片机来控制采集的数据，并通过ADC0809转换到单片机进行比较大小。然后通过P2.4、P2.5、P2.6三个口输出到另外一个单片机。通过比较三根信号线的信号高低来控制电机正转反转工作。本设计所采用的是28BYJ48型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为5.625度。电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，电机示意图和各线圈通电顺序图3-2-1和表3-2所示： 图3-2-1步进电机原理图表3-2 各线圈通电顺序如图相顺序1234561001110210011131110114111100 相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过5.625度，四相四拍为0-1-2-3则称为通电一周，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如3-2-1-0将使电机同速反转。同理四相八拍的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A（本设计用的是四相八拍）。通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动。在设计中我们采用采用51单片机AT89C52（晶振频率为11.0592MHZ）对该四线八相制步进电机进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过特定芯片驱动步进电机。本文选用ULN2003构成步进电机的驱动电路，下面但见介绍下ULN2003的结构和特点： ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。该电路的特点如下： 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。 ULN2003 采用DIP16 塑料封装。 ULN2003方框图如图3-3-1所示。图3-3-1 ULN2003内部方框图 利用ULN2003以及AT89C52RD设计的步进电机驱动电路如图3-3-2所示。图3-3-2 ULN2003和AT89C52构成的驱动电路 我们本来打算在ULN2003前面加一个75ls14来稳压，但是我们发现不加这个芯片也能实现电机正常功能。在试验中采用10uf的电解电容以及复位开关进行复位，复位电路如下图所示 图6-1-1 复位电路 如上图所示，当开关没有闭合时电源对电解电容进行供电。当复位开关闭合时，电源和电解电容同时向单片机的rest口输出高电平，让单片机复位。 另外，在这次试验中我还负责焊接电路图，由于电机的转矩有限，因此我们选择很小的电路板焊接。在焊接检测电路的时候，怎样布局显得非常重要，要将8个带有光明电阻的放大电路焊接在一起，可以说是非常困难的，但是通过我的认真思考，最终完成了布局。四、设计总结 本次课程设计培养了我对计算机控制技术更全面的认识，以及对于PROTEL、KEIL、VISUAL C+等相关软件的深入的学习，从而提高我分析解决此类问题的能力。同时，对于使用计算机仿真的方法也有了更加深入的了解。 虽然，本设计通过两片AT89C52分别控制数模转换芯片ADC0809与电机驱动控制芯片构成数据采集转换电路与电机驱动控制电路实现光源的自适应控制。同时又利用单片机AT89C52内部计时器，节约了大量资源。但是，由于存在步进电机转角度数精度不高、ADC0809数据转换不够精确等问题，所以本设计还有待继续研究和改进。 在本次课程设计中，对我帮助最大的还是老师在我求解的整个过程中对我的悉心指导与错误纠正。完全可以说碰到困难，最快捷的方法就是问老师，这也使得我在小问题上节省了很多时间来应付更大的障碍。特在此忠心感谢我们的指导老师蒋建春老师！五、参考文献1 张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社，2010.5.2 AT89S51中文资料3 ADC0809 中文资料4 ULN2003中文资料六、附录附录一：电路图总图附录2：电机驱动模块光源检测模块：ADC转换模块：附录4：元件清单名称型号数量数值单片机STC89C52RD2步进电机28byj-482步进电机驱动芯片ULN20034六反相施密特触发器74HC142八进制3态非反转透明锁存器74HC5734电阻1010K50510 501K504.7K5010K可变电阻20三极管NPN901420电容1030pf电解电容10数字温度传感器 ds18b208复位开关24段共阴数码管2白光led40模数转换器ADC08094光敏电阻GL550620反向器CD4069 2电源稳压芯片78052万用板2底座双列直插40引脚2双列直插28引脚4双列直插20引脚4双列直插8引脚4其他焊锡一卷，排针、导线若干，小螺钉加冒若干附件5：程序单片机1程序：#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code LEDData=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code pip8 = 0x0f,0x1f,0x2f,0x3f,0x4f,0x5f,0x6f,0x7f; /通道选择uint buffer8=0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00; /数据存放char charset10 = 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;sbit P25=P25;sbit P26=P26;sbit P24=P24;sbit OE = P10;sbit EOC = P11;sbit ST = P12;sbit CLK = P33;uchar i=0;uchar s6 = |, ,=, , , ;void long_char(uchar l,char *s) *(s+3) = charsetl/100;*(s+4) = charsetl%100/10;*(s+5) = charsetl%10;void DelayM