【《基于单片机的某太阳能追踪系统的硬件设计案例》3300字】

基于单片机的某太阳能追踪系统的硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21205基于单片机的某太阳能追踪系统的硬件设计案例 196161.1单片机控制电路 177211.1.1复位电路 292621.1.2晶振电路 3153941.2光电转换电路设计 3189301.2.1光电传感器 3257081.2.2光电转换电路工作原理及电路设计 4149571.3AD转换模块电路设计 5134501.4步进电机驱动电路设计 6195911.4.1步进电机的介绍 6167731.4.2步进电机及其控制方式 7317031.4.3步进电机驱动电路 7205861.5单片机外围电路设计 86601（1）电源模块电路 8131472、按键电路 8258023、指示灯电路 8308431.6系统实物平台搭建 91.1单片机控制电路能够简单运行，对系统特点是能够实现线上改写，在系统停电时不必须维护供电，并使用最小的外设扩充芯片，以进一步提高控制系统的工作安全性，且可片内电擦除可编程，因此选择STC89C51。STC89C51单片机是最早期和最经典的产物，而其学习板是一种使用了STC89C52RC的操作系统。STC89C52RC是使用8051内核设计的ISP，该晶片内包含8KBytes的FlashROM存储器，且其最大工作时刻频段可达80MHz，晶片内整合了通用中央处理器和储存模块，可以在系统编程，搭配PC端的程序可以直接把使用者的计算机程序直接加载到单片机控制器内，同时反应速度也更快。STC89C52RC系列，是以8051为内核的单时钟/机循环(1T)为标准的8051单片机，采用了新的流水线/简化指令集，并内置了MAX8051的专用复位集成电路。图中引脚的连接：LED1、LED2是表示手动方式和自动方式的二种指示灯；总共具有五个按钮，其中一个按钮是切换手动与自动方式，而另外四个，分别代表人工操纵电机的上下左右四个方位的旋转；上拉排阻直连驱动器件ULN2803，目的是增加输出电平，以提高驱动功能；而SCL和SDA则分别是数字和时钟电路，分别与I²C总线的连接。图1.1单片机最小系统1.1.1复位电路单片机控制器的设定与恢复，通常都是为使电路到达特定的状态，一般来说，单片或微电脑的复原电路都是将某一状态机的真空状态当作初始状态，但在单片机中，“复原”则是将寄存器与内存重新放到一定的值内。单片式微型计算机的复位电路的工作原理，是把电阻和电容器分别置于RST的复位引脚上，以完成复位。在重置电平超过2个机械循环时，重置有效。单片机的二个机械周期要比复位电平的时间短。图1.2复位电路1.1.2晶振电路在单片机系列中，通常都会有一个晶体振荡器，而晶振电路也在单片机中发挥着很重要的功能，他可以根据单片机的芯片直接产生单片机需要的时钟频谱，晶振可以让它的工作速度变得更快。单片机指令的执行，依赖于单片机提供的时钟频谱。通常的晶振频数，在正常工作状况下的绝对精确度都可以超过百万分之五十。该机的准确度较高。一些晶体振子也可以通过一个特定的电压调节，即VCO。晶振使用一种能使电子和机器能互相转换的结晶，使之达到谐振态，以便形成平稳、精确的单频率振荡。单片式微型计算机的最主要功用是提取基本的时钟信息。在一般情形下，每一个系统都共用一组晶体振荡器，以保证各个部件的同步。许多通信设备的基本信号和射频都采用了各种类型的晶振，并同时使用了电子控制的方法，以保证同步工作。为适应系统所要求的时钟信号，晶体振荡器通常与锁相环同时作用。假设各个子系统所要求的时钟工作频段不相同，可通过各种类型的锁相环与相同的晶体振子连接。STC89C51的外部只须通过与一个晶体振荡器的二个电容器连接。1.2光电转换电路设计1.2.1光电传感器光敏电阻器，当它接受光之后，在半导体收音机薄板(感光层)上就形成了一个电子-空穴结构，以提高在集成电路中的电压REF_Ref17858\w\h[15]。光敏电阻器的工作机理通常是以内光电效应为基准的。首先在半导体或感光材料的二端放置一个电极反应过程导线，然后再将其包入一个具有透光窗口的金属外壳中，这样就能够产生一个光敏电阻器了，这二个电极反应过程通常被做成梳状，可以增加光敏感度。当入射光线消失时，因为被光分激励而产生的电子-空穴对就会再次结合，使感光电阻的阻值回复到了以前的定值。然后在光敏电阻器件的二端，再增加一次电压，就会有电流产生，当光柱被照射时，输入电压就会增大，从而实现了光伏发电转化的目的。由于光敏电阻器件只是一种简单的电阻器，它可以在工作中加入DC或AC的电压REF_Ref17888\w\h[16]。1.2.2光电转换电路工作原理及电路设计该装置直接接收太阳能后，再将其变换为电子，并根据该信息，利用单片机对其进行分析，最后再利用步进电机的转动与转向，将太阳能面板垂直于入射的太阳光，以实现最大的太阳能利用率。在此，光电探测器A探测左侧的光，在光线远离时，由单片机控制驱动芯片来驱动M的正向转动，从而使电池板随着光向左转运动。通过光电传感器B可以探测右侧的光,在离开电池板的同时，B也探测到并把光信息传给单片机，由单片机的驱动芯片带动M反向旋转电池板，从而使电池板向右运动。利用光伏发电探测器C和D所监测到的和太阳垂直角的变化，由单片机处理并控制驱动芯片M进行正逆方向的控制，并实现板的竖直控制REF_Ref17920\w\h[17]。光敏电阻如图所示图1.3光敏电阻模型图1.4光电转换电路1.3AD转换模块电路设计AD变换器功能包括电压的输入输出、AD电压取样等。该方案使用了AD变换集成电路，能够将模拟信号转化成数值讯号，然后再由单片或迷你电脑完成数据处理。仿真值应该是电压、电流等，不过在AD变换之前，所输入的信息内容应该是电流讯息。AD变换后的数值讯息应该是8、10、12位等。而本设计中使用的PCF8591芯片，当与CPU实现数据信息传输时，仅需通过SCL或者SDA就能够实现。而I2C总线和传统通信方式比较，其优点是便于读出、写入、构造简洁、便于维修REF_Ref17950\w\h[18]。CMOS工艺PCF8591必须通过向外部直接供电转换参考电源。PCF8591的三个地址连接均可通过硬件地址程序，因此可以同时在同一条I²C总线接口通道上连接8个PCF8591元件。在PCF8591仪器上，进入、出口的位置、控制信息和各种数据信息，均是采用双线双向I²C线路或串行的方法来实现传送。图1.5AD转换模块1.4步进电机驱动电路设计1.4.1步进电机的介绍步进电机使用了脉冲数目对角度位置进行控制的方法和脉冲频率的监控技术，从而对电机的转速、加速度等进行了监控，达到了更准确的定位，实现了对转速的调节。在此基础上，以下所述的步位角也是与以上所述脉冲频率相对的。在一定负载容量内的工作状态下，这个关系并不能随电源压力、负荷大小、工作环境要求等的变动而改变。这也能够更高效地运用于开环控制中，使整个系统得以很大的改善。步进电动机的控制也能够在较大的工作区域内实现；该系统还能够进行高速的反转与制动，而不需要转换，可以直接将数字脉冲信号转化为小角度位移。步进电机，是一种完全用数码控制技术的电机。它可以将电脉冲信号变换为小角度位移，进而形成一个脉冲，并以此实现电动机的自转，是一种非常好的单片机控制方式。所以，步进电动机的发展方向和应用前景都非常广泛。1.4.2步进电机及其控制方式该系统使用了电流范围为DC5V—DC12V的28BYJ48型四相八拍电动机。如果一种连续的控制脉动产生在步进电机上，就可以不断转动。四相步进电机可以在任何的导电工作方式下正常工作。1.4.3步进电机驱动电路步进电动机若仅通过AC或直流供电也是无法运行的，只是在控制回路的影响下，步进电机驱动器主要是由确定变向次序的控制回路和用来调节相应的电流输出的变相回路所组成。本图为步进电机驱动器的回路原理图，可以通过ULN2803构成较多的回路。每个器件的工作方式都采用了集流控制和对二极体的暂态抑制。图1.6驱动电路1.5单片机外围电路设计（1）电源模块电路图1.7电源电路2、按键电路图1.8按键电路3、指示灯电路图1.9指示灯电路1.6系统实物平台搭建该方案的机械部分，主要由电池板托撑、驱动轴承、基座、步进电机等构成，并通过电动机引导电池板在垂直0-80°范围和水平360°范围内自主旋转。控制器部分，主要由STC89C51单片机控制器系列所组成。该设备的机械结构，大致为将一个步进电动机先用螺栓紧固在基础上，然后再将一个转动轴紧固在步进电机上，并与水平方向的步进电动机的基础连接。在竖直方向上，还装有一个旋转轴，并与太阳面板、感光电阻器等元件相连REF_Ref18159\w\h[19]。该结构通过二个步进电机，在二种方向上依次实现了高程角和方向角的调控