基于单片机的太阳光跟踪系统毕业论文

摘要 针对现代社会能源越来越匮乏的现状， 以常规能源为基础的能源结构随着资源的不 断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，现研究出一种单轴太阳光跟踪系统，提出了 检测光强法以实现太阳光自动跟踪系统，在此基础上，结合目前应用实际，采用单轴跟 踪的方式，提高了系统的光电转换效率。此外，单轴跟踪系统的方法，在结构上简单， 未降低系统的抗风能力，因此，具有较好的实用性和推广价值。本文主要研究了对太阳 光进行跟踪的方法及原理，数据采集接收和驱动控制设备的硬软件设计。 在太阳光自动跟踪系统中，核心部件单片机通过预先计算的太阳位置进行跟踪，并 通过光电传感器校正位置量可能出现的误差， 该系统与模拟系统相比仅增加少量的低成 本集成电路，具有精确度高，跟踪范围广，适应性好等特点，本文主要介绍单轴太阳光 跟踪系统结构简单、成本低，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。有效地提高太阳能的利用率，有效好的推广应用价值，缺点就是检测到的结果不 是很精确，太阳能是已知最原始的能源，清洁，可再生，丰富和分布很广，具有广阔的 前景。在太阳能的利用，如何提高太阳能设备的利用效率始终是使用太阳能过程中关注 的话题，阳光跟踪的实施是必要的。 主要模块有电源模块、采集模块、电机模块、转换模块、显示模块。 关键词：单轴跟踪；单片机；光电转换效；步进电机 AbstractAbstract According to The status quo thatincreasingly lack of energyin modern society. Conventional energy-based energy structure with the continuous consumption of resources will become increasingly unsuited to the needs of sustainable development，is come up with a uniaxial too sun-tracking system to detect light intensity to sunlight automaticallytracking system. On this basis， combined with the actual application， the use of single-axis tracking to improve the photoelectric conversion efficiency of the system. In addition，the single-axis tracking system，the structure is simple ，not to reduce the wind resistance of the system ， therefore，has good practicability and value. This paper studied the sunlight tracking methods and principles，data acquisition hardware and software design to receive and drive control device. Sunlight automatic tracking system ，the core components of SCM to track through the pre-calculated position of the sun by the photoelectric sensor calibration position the amount of possible errors，the system compared with the simulation system is only a small amount of low-cost integrated circuits， with precisehigh， tracking a wide range， adaptive characteristics. This paper describes the single-axis sun tracking system is too simple structure, low cost, without human intervention, especially for changes in the weather is more complex and unattended. Effectively improve the utilization of solar energy, effectively a good application value. The drawback is detected, the results are not very accurate. The main module power supply module, acquisition module, the motor module, conversion module, display module. Solar energy is the most primitive known energy, clean, renewable, abundant and very wide distribution, with a broad prospects. In the utilization of solar energy, how to improve the efficiency of utilization of solar energy devices is always a topic of concern in the use of solar energy process, the implementation of the tracking of sunlight is necessary. Keywords:Keywords: Single-axis tracking; microcontroller; photoelectric conversion efficiency; stepper motor 目录 引言 .1 1太阳光跟踪系统的研究.1 1.1 太阳光跟踪的方法.1 1.1.1 光电跟踪.1 1.1.2 时日运动轨迹跟踪介绍.2 1.2 系统的原理叙述.2 2方案论证.3 2.1 方案一.3 2.2 方案二.4 2.3 方案确定 .4 3硬件电路分析 .5 3.1 AT89S52单片机模块.5 3.1.1 单片机选择及引脚功能介绍.5 3.1.3 单片机复位电路 .7 3.2 光强度检测模块.8 3.2.1 光电传感器的选择.8 3.2.2 光强度检测模块电路设计 .8 3.3 时钟模块部分 .9 3.3.1 74LS74 芯片的介绍 .10 3.3.2 时钟模块电路设计.10 3.4 太阳光跟踪控制模块 .11 3.4.1 步进电机的介绍 .11 3.4.2 步进电机控制电路设计.15 3.4.3 步进电机的驱动电路原理.15 3.5 电源模块 .16 3.6LED 数码管显示模块.16 3.6.1LED 数码管介绍 .16 3.6.2 显示模块电路分析.17 3.7 A/D转换模块.17 3.7.1 ADC0809芯片介绍.17 3.7.2 A/D转换模块电路计.19 4太阳光跟踪系统的软件设计.20 4.1 主程序设计及工作原理.20 4.2 光强度检测程序设计 .21 4.3 步进电机控制程序设计.21 4.4 数码管显示电路设计 .21 5硬软件调试.21 5.1 硬件调试 .21 5.2 软件调试 .22 5.2.1 数码管显示的调试.22 5.2.2 光强度检测和 A/D 转换部分调试 .22 5.2.3 电机控制部分调试.23 5.3 设计中遇到的问题及其解决办法.23 6设计结果和数据分析.23 6.1 设计结果 .23 6.2 数据分析 .24 7结论 . 24 谢辞 . 26 参考文献.27 附录一 . 28 附录二 . 28 附录三:.29 引言 随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清 洁能源，无疑受到各国的普遍重视。太阳能是已知的最原始的能源，他干净、可再生、 丰富而且分布非常范围广，具有广阔的利用前景。在太阳能利用中，如何提高太阳能利 用装置的效率，始终是人们关心的话题，在太阳能的利用过程中，实施太阳光跟踪是很 有必要。 对太阳光进行跟踪的方法很多，但不外乎为采用确定太阳位置所用的两种坐标系 统，即赤道坐标系和地平坐标系，并分为双轴跟踪和单轴跟踪。本文主要介绍单轴太阳 光跟踪系统结构简单、成本低，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。有效地提高太阳能的利用率，有效好的推广应用价值。 本文详细介绍了由单片机 AT89S52 和光敏电阻组成的环境测试仪的硬件组成和功 能实现方法和软件的设计，并对结果进行了分析。第1 章主要介绍了系统设计的任务要 求。第2 章主要对系统设计的方案进行论证。第3 章对系统硬件设计和功能实现进行了 详细的介绍。第4 章具体介绍了系统的软件设计。第5 章对系统硬件和软件的调试作了 具体讲解。第 6 章对所测得的结果和数据进行分析。第 7 章对全文进行总结结论。 本课题的主要研究内容: （1）选择合适的光电传感器和调理电路； （2）光电传感器合理的安装； （3）对光电信号进行多次采集，并显示出当前的光强； （4）编写软件，寻找光照最强的位置和显示当前位置的光强； （5）控制太阳能设备电路的设计。 1太阳光跟踪系统的研究 1.1 太阳光跟踪的方法 目前太阳能利用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换为热能， 为了收集到尽可 能多的太阳能，最好采取跟踪方式，使太阳光收集器的采光面始终对准太阳。传统的跟 踪方式主要采用以下这两种方式 :光电跟踪和视日运动轨迹跟踪 ;前者是闭环的随机系 统，后者是开环的程控系统。 1.1.1 光电跟踪 目前，国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用 光敏传感器如硅光电管。在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板，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 使跟踪装置对准太阳完成跟踪。 光电跟踪灵敏度高， 结构设计较为方便; 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到硅光电管 上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作。 1.1.2 时日运动轨迹跟踪介绍 根据跟踪系统的轴数，视日运动轨迹系统可分为单轴和双轴两种。 （1）双轴跟踪 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能， 全跟踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。 双轴跟踪又可以分为两种方式: 极轴式全跟 踪和高度角-方位角式全跟踪。 例如极轴式全跟踪 极轴式全跟踪原理如图 1-1所示: 聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴。工 作时反射镜面绕极轴运转， 其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪 太阳的视日运动; 反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化， 通常根据季节 的变化定期调整。这种跟踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线， 极轴支承装置的设计比较困难。 图 1-1极轴式全跟踪 （2）单轴跟踪 单轴跟踪又可分为水平单轴跟踪、不同倾角单轴跟踪、最佳倾角跟踪。 此作品跟踪原理是用光敏电阻代替传感器， 在采集板上控制电机转速转动一角度后 采集此时的光强，继续运转电机采集，在一定时间内电机转动一圈后采集的数据通过比 较来寻找光强最大的位置。这种跟踪方式相对来说比较简单实用，但是在找光强位置有 可能误差有点大不精准。 1.2 系统的原理叙述 本控制系统采用的太阳光跟踪方式跟传统的光电跟踪和视日运动轨迹跟踪方式有 所不同。从前面可以了解到两种跟踪方法的优缺点，两种方法具有很强的互补性。 此次设计方案就是一个简单的一个单轴跟踪系统。 系统硬件上主要有以下几个模块组成，电源模块、单片机最小系统模块、A/D 转换 模块、光强度检测、步进电机控制模块和数码管显示模块。其主要以单片机AT89S52 为核心， 使步进电机控制模块转动的轨迹进行跟踪判断， 通过光强度检测模块采集数据， 使它能够监测周围光线状况， 经过 A/D 模数转换后， 同时用数码管显示出当时太阳的相 对光照强度。 例如，在一天内阳光充沛的时间段里系统采用这个方案的跟踪模式，在天气发生变 化， 阳光被云遮挡的情况下就要通过人工在外界设置一个比较亮的光源让这方案可以顺 利进行。这种方法一定程度的解决了光电跟踪易受天气、环境干扰而发生系统紊乱或停 止工作的问题。控制程序运行发送相应的脉冲信号到步进电机驱动器，步进电机带动运 动执行机构按一定的方向转动相应的角度，角度的大小为开始设定的理论值，使采光光 敏电阻跟随电机开始一个角度的转动后， 然后程序再读取光电检测电路相连接的端口的 信号，进而再次发送脉冲控制步进电机调整太阳能采光板的角度，并将调整后的预修正 量储存，一直循环跟踪动作直到转完 360。完成一步跟踪动作后把前面的所有数值进 行一个比较， 找出光照最强的位置然后通过控制程序控制步进电机反转到光强最大的位 置位置。如此循环往复，实现对太阳光的跟踪。 2方案论证 由前面可以知道，传统方法有两种：光电跟踪和视日轨迹跟踪；跟踪装置也可以选 择单轴跟踪或者双轴跟踪；轨迹坐标计算也可以选择地平坐标或者赤道坐标。但是结合 了本设计的要求以及从前面中了解到的各类方法的优缺点后， 本设计系统方案做了以下 选择： 2.1 方案一 本方案的太阳光跟踪系统是有光电二极管、 AT89S52单片机、 时钟电路、 A/D 转换、 多位数码管显示电路、控制电路等主要模块组成。传感器部分采用光敏二极管，将光信 号变换为电信号。经过 A/D 转换将其转化离散的数字信号。控制电路以单片机为核心， 能够对采集的数字信号进行处理和判断， 运用一定的算法计算出相应的太阳相对的角度 值送到七段数码管 LED 显示出来，太阳光控制电路根据太阳的位置移动。系统框图如 图 2-1 所示。 电源模块 光敏 二极 管检 测电 路 A/D 转换 AT8 9S5 2 电机控制电路模块 多位数码管显示 时钟模块 图 2-1 方案一系统框图 2.2 方案二 本方案的太阳光跟踪系统采用以单片机 STC12C5A60S2 为核心，光强度检测模块， 时钟模块，步进电机控制电路模块和12864 液晶显示等主要模块组成。传感器采用光敏 电阻，STC12C5A6S2 单片机自带 10 位 A/D，能够识别模拟信号，并内部实现模/数转换 得到数字信号输出到 LCD 显示。控制电路以单片机为核心，能够对采集的模拟信号进 行处理和判断，应用一定的算法计算出太阳相对的位置，送到 LCD 显示出来。并对步 进电机实现控制。系统框图如图 2-2 所示。 图 2-2 方案二系统框图 2.3 方案确定 比较以上两方案可知，系统的工作原理是一致的，都是通过传感器采集太阳光并间 接或直接将其转化成单片机能够识别的信号，通过单片机的处理将其实时显示出来，步 进电机控制电路根据单片机传出的信号转动。所不同的是采用元器件差异，但从单片机 方面考虑，方案一所使用的传统的单片机器件方案二所使用的系列成本低，LED 七段数 码管也比 LCD 低廉。根据实际情况方案一的元器件基本都是自己比较熟悉的器件，运 用起来比较灵活， 原理简单容易理解方便写程序代码。 综合考虑， 最后确定选择方案一。 系统组成及工作原理以单片机为控制核心，采用光强度检测电路测量，以光敏电阻传感 器作为测量元件，构成光电测量模块。该系统可分为电源模块电路、光电测量电路、时 钟电路、步进电机控制电路、单片机、 LED 显示电路、A/D 转换电路。选用的主要器件 有:光敏电阻， 时钟芯片 74LS74， AT89S52， LED 数码管， 步进电机与转换芯片 ADC0809 等。 3硬件电路分析 3.1 AT89S52单片机模块 3.1.1 单片机选择及引脚功能介绍 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 3-1)： 图 3-1 AT89S52 DIP封装管脚分布图 3.1.2 AT89S52单片机模块电路设计 系统的时钟电路设计是采用的内部方式， AT89S52单片机内部有一个用于构成振荡 器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1和 XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这 个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。 外接晶体谐振器 以及电容 C5 和 C6 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽 然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的 快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz，电容应尽可 能的选择陶瓷电容，电容值约为 20PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可 能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。 如图 3-2 所示 图 3-2 单片机总框图 3.1.3 单片机复位电路 复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位 两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，复位电路的实现通常有两种方 式：即专用监控电路和 RC 复位电路。前者电路实现简单，成本低，但复位可靠性相对 较低；后者相对较高，但复位可靠性高，尤其是高可靠重复复位。对于复位要求高、并 对电源电压进行监视的场合，大多采用这种方式。 本设计中，时钟频率选用12MHz时，C7取10F，R5约为10K。如图3-3所示在 实际中，通常电容取值为10uF 以上，电阻通常取值10 千欧左右。实验就会发现，电阻 如果取值太小，则会导致 RST 信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。 图 3-3 单片机总框图 3.2 光强度检测模块 3.2.1 光电传感器的选择 光敏传感器是应用半导体材料的内光电效应。 它分两类， 其一是光电导效应:在光作 用下，电子吸收光子能量，使半导体材料电导率显著改变。基于这种效应的光电器件有 光敏电阻;其二是光生伏特效应:在光作用下，使半导体材料产生一定方向的电动势。 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将 其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。 用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂 敷、 喷涂、 烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极， 接出引线， 封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。 在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的 禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个 带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使 其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值的下降。 光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合， 光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通 过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻 没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导 电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。 3.2.2 光强度检测模块电路设计 本设计中的光强度检测电路如图 3-4 所示，光敏电阻其内部电阻随光照射而变化， 光度越强阻值越小，输出电流越大。电路用了光敏电阻与负载电阻相接，在接到 A/D 转 换芯片的输入口 ADC0 进行转换，当平板对准了太阳后，对称的两个光敏二极管的光照 强度就会相同，上下两个光敏电阻的入射光相同时取出电压，也就是说，若光敏电阻 R3、R4 的受光量不一样，就会显示出来的这个时候光强。通过开始设定的角度要电机 转动，然后停止采集这个时候的光强后，继续转动相同的角度然后停止继续采集转换显 示出来一直到找到光源为止。当平板没有对正太阳时，两个光敏电阻的光照强度就会不 一样，则流过电阻的电流就会不相同，这样ADC0 中获取的电压值也不相同，从而达到 对正太阳、准确跟踪太阳的目的。本电路是光电跟踪的核心部分。调整步进电机的转动 角度来寻找太阳光的位置。 这种电路用于确定位置及光源自动跟踪装置中。 电路中的负载电阻是用于补偿光敏 电阻的偏差。 图3-4 光强度检测模块电路 设计的思路： 首先通过驱动电机转动一个角度后采取光敏电阻光强然后显示出来对 比，是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 置于一块板东西方向，如果太阳光垂直照射太阳能电池板，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，此时电动机不在转动；当太阳光方向与采光板垂 直方向不平衡时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，显示的光照强度就会强于另一个， 直至两个光敏电阻上的光照强度相同。光敏电阻光强比较法的优点在于控制精确，电路 设计比较容易实现。 当太阳辐射强度增加时，光电电阻阻值减小，1k 可变电阻的压降增加，从而产生与 太阳光辐射强度有直接关系的电压信号。光敏电阻的输出信号通过转换后与AT89S52 单片机的输入端口连接，并对这这几组模拟信号进行比较运算，从而可以显示在数码管 此时角度的光照强度。 3.3 时钟模块部分 由于单片机运行需要时钟支持，单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路。 单片机的时钟信号由两种电路产生:内震荡电路和外震荡电路。 在任一时刻， 只需要一种 振荡电路就可以使单片机工作正常。使用内震荡电路提供时钟脉冲，需要在 XTAL1 和 XTAL2 之间外接石英晶石振荡器或者陶瓷振荡器，这时的内部振荡电路仅相当于一个 高增益放大器，和晶振接在一起形成一个正反馈的自激震荡，再经整形和分频形成单片 机内各逻辑部分所需要的时钟脉冲。外震荡方式是将外部时钟信号直接从 XTAL1 或者 XTAL2 引入，这时 XTAL1 和 XTAL2 只需要一个，另一个悬空。 3.3.1 74LS74 芯片的介绍 如图 3-5 所示 图 3-5 74LS74 功能管脚 工作原理: SD 和 RD 接至基本 RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端， 低电平有效。当 SD=0 且 RD=1 时，不论输入端 D 为何种状态，都会使 Q=1，Q=0，即 触发器置 1；当 SD=1 且 RD=0 时，触发器的状态为 0，SD 和 RD 通常又称为直接置 1 和置 0 端。工作过程如下： 1.CP=0 时，与非门 G3 和 G4 封锁，其输出 Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时， 由于 Q3 至 Q5 和 Q4 至 Q6 的反馈信号将这两个门打开， 因此可接收输入信号 D， Q5=D， Q6=Q5=D。 2.当 CP 由 0 变 1 时触发器翻转。这时 G3 和 G4 打开，它们的输入 Q3 和 Q4 的状 态由 G5 和 G6 的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本 RS 触发器的逻辑功能 可知，Q=D。 3.触发器翻转后，在CP=1 时输入信号被封锁。这是因为G3 和 G4 打开后，它们的 输出 Q3 和 Q4 的状态是互补的，即必定有一个是0，若Q3 为 0，则经G3 输出至 G5 输 入的反馈线将 G5 封锁，即封锁了D 通往基本 RS 触发器的路径；该反馈线起到了使触 发器维持在 0 状态和阻止触发器变为 1 状态的作用，故该反馈线称为置 0 维持线，置 1 阻塞线。Q4 为 0 时，将 G3 和 G6 封锁，D 端通往基本 RS 触发器的路径也被封锁。Q4 输出端至 G6 反馈线起到使触发器维持在 1 状态的作用，称作置 1 维持线；Q4 输出至 G3 输入的反馈线起到阻止触发器置 0 的作用，称为置 0 阻塞线。因此，该触发器常称 为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在CP 正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻 转，正跳沿后输入即被封锁，三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。与主 从触发器相比，同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。 3.3.2 时钟模块电路设计 时钟芯片 74LS74 在设计中，时钟芯片 74LS74 在本设计中的接线图如图 3-6 和 3-7 所示 图 3-6 时钟模块电路 图 3-7 分频电路 引脚 14 接 5V 的电源，引脚 7 接地； 该电路在本设计中的功能是：因为 ADC0809 电路的正常工作需要的 500KHZ，所 以 IN 端口接入单片机的 ALE 端口， 使得单片机本来输出的频率通过 74ls74 芯片的 4 分 频后获得 500KHZ 频率在输出给 0809 芯片，这样 0809 芯片就可正常工作。 3.4 太阳光跟踪控制模块 3.4.1 步进电机的介绍 太阳跟踪装置控制系统的控制目标是通过对装置机械执行机构的角度的精确控制， 实现对太阳运行轨迹的跟踪。 并且要求整个系统能够全天候的自动运行， 结构简单可靠。 由于系统要实现对控制对象位置角度的精确控制，并且对控制对象的移动速度要求不 高，因此控制部件首先考虑采用步进电机，因为步进电机是将电脉冲信号转变为角位移 或线位移的控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个 步距角。 步进电机 ULN2003 芯片介绍 图 3-8 电机内部图和管脚图 ULN2003A 电路的管脚排列如图 3-8 所示，其原理和引脚功能图，各引出端的功能 符号及说明如下表所列。 步进电机 28BYJ-48 介绍如图 3-9 所示 图 3-9 电机实物图 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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） 。 您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控 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。步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉 冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通 电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完 成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见 的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A），双（双相绕组通电）四拍 （AB-BC-CD-DA-AB-），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。 1、步进电机的静态指标术语 （1）相数：是指电动机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步 进电动机，常用 m 表示。 （2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n 表示，或指电机转 过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即A-B-C-D-A，四相 八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 （3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。 =360 度（转 子齿数*运行拍数） ，以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例： 四拍运行时步距角为 =360 度/（50*4）=1.8 度（俗称整步） 。 八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度（俗称半步） 。 （4）保持转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐 波以及机械误差造成的） 。它是步进电动机最重要的参数之一。通常步进电动机在低速 时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率 也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为衡量步进电机最重要的参数之一。 （5）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力 矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数