【《基于单片机的向日葵追光装置设计》9800字（论文）】

基于单片机的向日葵追光装置设计目录TOC\o"1-3"\h\u12192第一章绪论 314261.1课题来源及意义 3210311.2研究发展国内外现状 398811.3论文工作安排 419042第二章系统总体结构方案 5196102.1向日葵追光装置总体方案设计 5190512.1.1工作模式设计 571582.1.2追光方案选取 5320112.1.3总体设计方案 6298502.2器件选择 7106782.2.1追光装置主控器件的选择 7129222.2.2电机选择 8280552.2.3步进电机驱动系统选择 848522.2.4信号采集模块的选择 9230212.2.5实体结构框架设计 1028225第三章硬件电路设计 1026213.1单片机模块 10116023.2电源模块 1164393.3按键模块 13265843.4光线采集模块 13207103.5LCD1602显示模块 14131253.6电机及驱动模块 1673583.6.1驱动模块 16130563.6.2步进电机模块 1710980第四章软件设计 18151494.1设计思路 18273034.1.1编译语言的选取 1888794.1.2Keil程序开发环境 19125134.2软件主程序设计 191624第五章实际调试 20238065.1硬件调试 2036725.2软件调试 22274135.3调试分析 234206第六章相关国家标准 23997总结 2431852参考文献 25摘要自十九世纪五十年代的工业革命以来，短短两百多年的时间，人类文明生活在各方面成指数型的爆发变化。但随着生活改变，各种设施的使用所涉及的能源使用也在成几何倍数增长的不断消耗着。如传统的一次能源煤炭、石油等，在近百年消耗了地球近亿年所蕴藏的含量。随着近些年科学技术的发展，在可持续发展观念的影响下，人们将目光聚集在新型能源的利用发展方向上。而这也是全世界关心的重点之一。在太阳能、潮汐能、核能、风能和水能等一系列新能源之中，太阳能是被人们所公认的最具有发展潜力的无污染的绿色能源。因为它是源于太阳这一五十亿年寿命的恒星，对于人类来说，是一种永恒存在，能够一种使用的且没有任何污染和危害的新型能源。而对太阳能资源的利用的意图的不同，对于如何获取太阳能也有不同的方式。一是利用太阳能散发的热来发电使用，二是利用太阳的光能发电。目前，在太阳能利用过程中，对阳光的收集装置是固定不动的，但基于中国所处的纬度原因，太阳位置会不断进行变化，但传统装置却无法像向日葵一样进行跟随追踪阳光。这就造成了阳光利用率低、成本较高的问题。为改善因为光伏组件装置的固定安装而一旦当太阳能高度角和方位角变化时太阳能利用效率低的问题，设计了一种基于单片机系统的追光装置。该装置具有核心主控模块单片机处理器，光敏信号采集模块、执行模块以及电源模块。通过单片机控制步进电机驱动面向太阳，最大限度地发挥太阳能的利用效率。通过实验验证，该向日葵追光装置可以根据光照强弱与光照角度实时控制电机的转动的方向，进而改变太阳能电池板的朝向和角度。从而达到了以此装置来实现对阳光的实时跟踪，进而提高了对太阳能这一绿色能源的有效的利用具有可行性和高效性。关键词：单片机控制；电机驱动；光线采集模块；第一章绪论1.1课题来源及意义当代社会面临十分严重的能源短缺问题。首先，随着社会现代化的不断推进，世界对能源的需求不断增加，导致资源过度开发。而对于自然界数百万年积累和转化的煤、石油和天然气等化石燃料，人类可能将在几百年的时间内将其消耗殆尽。同时基于当今世界倡导绿色、可持续发展的目标，化石燃料除效率低下这一问题，还会排放出大量二氧化碳，加剧环境的污染恶化。因此世界上大多数国家都致力于对可再生能源的深入研究和广泛利用。此时、清洁、廉价的太阳能已成为人们的首选。通常利用太阳能使用的是太阳能电池板装置，但市场上的大多数太阳能电池板都是固定的和常规的安装方式。由于太阳位置的不断变化，传统固定方式安装的光伏组件无法跟随太阳的自转，只能在固定的时间内面向太阳，导致利用率极低。有相关文献研究表明，若装置能如向日葵一般能够随着太阳在空中位置的变化而跟随转动变换，那么比较于传统的固定朝向于一个方向的装置来说。对于光照的接收效率会高出约40%。1.2研究发展国内外现状随着环境问题日益凸显严峻，环保清洁的太阳能能源的发展自上世纪80年代以来，就受到不少国家的注意，已经有不少国家开始进行产业的建设和政策的出台和不断修改。如欧洲的英国德国各国已经制定专门的光伏产业的法案去开展光伏项目，如美国于1997年设定了具体的关于光伏发电利用的法案（百万太阳能光伏屋顶计划），德国于21世纪设定了针对于本国发展的可再生能源的相关法案。而除却发达国家对于太阳能这一清洁能源的关注度提升和研究的加深，中国在近几年对于光伏产业的发展也不断进行加快和突破，也在不断努力对太阳能资源的利用进行了系统深入的研究，太阳能是当前及未来能源发展的重点。总体来说，对于太阳能能源的发展，世界各国整体呈现为产业规模正在不断壮大，国家法案政策扶持正在不断全面，现有的发展前景正在不断扩大。而对于光伏产业的具体科研发展来说，目前国内太阳能发电普遍有以下不足：大部分面板采用固定方式安装，能源利用率低。少数采用传感器和涡轮蜗杆技术的产品可靠性差，价格较高，仍需要进一步的完善。1.3论文工作安排基于目前太阳能能源发展和研究现状，本论文将围绕向日葵追光装置的设计进行展开详述，以下为论文介绍的主要内容。第一部分绪论：介绍有关于向日葵追光装置的课题研究背景以及意义，还有关于其研究的国内外现状。第二部分系统总体结构方案：根据设计的原则来确定设计的总体方案以及各器件的选择。第三部分硬件电路设计：对本次系统涉及的硬件器件进行具体介绍。详述在本次设计中的硬件电路搭建与器件性能介绍。第四部分软件设计：对本次系统软硬件所涉及到的软件设计方面进行说明，描述各部分程序流程的实现。第五部分实际调试：对于实物分别从硬件电路设计与搭建以及软件的编译和功能实现上进行调试。第六部分本次毕业设计的心得总结以及致谢系统总体结构方案2.1向日葵追光装置总体方案设计2.1.1工作模式设计本文设计的向日葵追光装置具有自动控制模式和手动调节模式两种工作模式：1.“自动模式”:会根据光照的位置自动调节光伏板转动角度，使光伏板与光照角度尽量垂直，以接收充足的光线照射。

2.“手动模式”：使用按键手动来完成设备状态的切换。四个按键对应控制电机完成:

上、下、左、右的翻转动作。通过点动的方式来控制驱动电机的实际运动。从实际性进行考虑，自动模式可以更好的在不受人为干预的情况下实现对太阳能的最大接收，因此本设计选择自动模式对追光装置进行控制。2.1.2追光方案选取方案一:视日寻迹追踪模式

视日寻踪追踪模式是依据太阳在当地地区每天的实际运行轨迹的基础上，根据天文学公式中太阳在各个时间的方位角于俯仰角来编写控制算法程序。通过使用控制算法的方式来实现对太阳所在位置的计算，使得驱动太阳能板的两个步进电机来达到在相互垂直的平面的俯仰和水平角度的转动。优点是对外界环境的依赖小，同是也存在弊端，那就是不管外界环境是何种天气，此追光方案都会以同样的工作方式运动，增加了不必要的能耗和元器件的寿命磨损。

方案二：光电跟踪模型是该模型算法的核心。将光敏传感器完全对称的布置于太阳能板上，通过光敏传感器来采集光照强度信号。当各光敏传感器光照强度差相等或小于一定阈值时，此时通过模数转换后的电信号相等，则电机不转动。若太阳位置变化，即各光敏传感器接收光强不同，则转换的电信号存在电位差，会控制电机向补偿光照的方向转动。从而完成跟踪太阳的过程。通过两者的比较，选择方案二，简单易操作性，更适合被普及广泛使用，除此以外，该方案还可根据实际天气情况和光照变化做出相应反应，效率性和适应性更高。2.1.3总体设计方案根据上述工作模式和追光方案的选择，本文设计了一个以单片机为核心、包含信号采集、命令执行等模块的向日葵追光装置，通过光线采集模块检测光照强度并传输给单片机进行自动控制和判断，输出驱动信号驱动双向电机转动，从而实现光伏电池板自动跟随光源转动的设计目标。本次设计包括电源，控制部分，信息采集部分以及命令执行部分。控制部分包括以单片机为核心的控制模块、MCU模块、按键模块、电源模块和信号采集模块，利用不同的引脚功能，实现控制输入/输出控制电路。信号采集部分包括光采集模块、ADC模块。灵敏度高、驱动能力强的光敏模块在跟踪过程中起着至关重要的作用。命令执行部分包括电机模块，显示模块，其中电机模块包括电机驱动模块，在光照差超过一定阈值的情况下，电机转动。显示模块实时显示光敏模块各部分受光照强度的大小，图1为系统整体设计框图。图1系统整体设计框图向日葵追光装置控制方式首先是感光元件对外界光的采集，通过ADC模块的转换，将光照强度转换为电压的数字信号，再通过比较电压差，使得单片机控制电机的驱动，最终完成不同电机在不同的光照强度情况下不同方向的运动，实现对光的最大化接收。2.2器件选择2.2.1追光装置主控器件的选择方案一:51单片机作为控制芯片主要表现在：51系列单片机对于参数的编译和控制，是以对寄存器变量进行设置来控制实现，对于程序进行编译和修改也便捷。性能与相对简单的太阳能跟踪器系统相匹配，价格成本低廉。使用51系列单片机作为数字控制系统，可达到更高的精度。方案二:采用FPGA大规模可编程逻辑器件FPGA都是基于SRAM，那么编程信息存储于SRAM中，这样的致命缺点就是在系统断电后信息会丢失,下次使用需要重新配置。

本装置计划采取方案一。主控模块使用STC89C52单片机为核心对信息采样结果进行处理后控制电机，以实现对光照实时跟踪的目的。2.2.2电机选择方案一：直流减速电机选用直流减速电机来控制转动，一是性能均衡优越，二是材料坚实。在使用直流减速电机时，耗能低且几乎无噪音，直流电机可以根据实际装置设计的需要来进行多个电机搭配安装使用，可以实现不同的结构形式和不同的转动的要求。但对于直流电机来说，存在一个问题，就是在本设计中转速需要缓慢微小的转动，而直流电机难以控制。方案二：步进电机步进电机的最大优点就是可以精确地控制电机步数和角度，通过直接控制脉冲数来直接控制其启停。步进电机可以实现同步控制电机的转速与转向的。正常情况下步进电机对于调节转动以及转向和电机的位置控制，精度偏差在步进角的5%以内。但是，步进电机必须是驱动的，如果缺少脉冲信号，电机是静止的。一旦加上恰当的脉冲，它可以转动一定的角度（步进角），在转动的过程中，旋转速度与脉冲频率成正比。步进电机启动时速度快，对于步距角和转速的变换控制只在于脉冲频率的改变，受外界影响因素小。对于本设计任务要求，为更精确地完成对角度值的精度把控，更好地利用太阳能，本次设计选用步进电机。

2.2.3步进电机驱动系统选择

方案一:MX1208专业电机驱动模块的选择。这类驱动模块的操作方便以及接口简单。该电路包括两个H型驱动电路（由N和P通道的电源设计的），该驱动模块具有宽范围的工作电压（从2V到9.6V）。在驱动模块电路的内部，设有了过热保护的电路。一旦电路中的负载电流超过了电路当中可以进行的最大的持续电流时，由于驱动模块封装有限的冷却能力，内部电路芯片温度会迅速增加，超过典型值（150℃），则立即关闭内部电路电源的输出，关闭负载电流。否则会导致内部电路温度继续升高起火等安全隐患。方案二:三极管等分立元件搭H桥。亮点在于实惠，控制方式简单以及结构简单。缺点是载流能力比较小，驱动能力有限，分立元件有较大体积，同时无法确保器件使用时稳定性情况。方案三:采用集成芯片，ULN2003。

达林顿管ULN2003,在实际的使用中，往往起着放点输出的作用，主要用于驱动大型负载步进电机等装置。ULN2003通常使用DIP-16或SOP-16进行塑料封装。因为是由七个硅NPN复合晶体管所共同组成的复合晶体管网络，所以具有能够耐高压、可以允许通过大电流的特性。其工作电流最高可达500mA，而关断状态下可承受50V电压。ULN2003其实就是用来放大电流的，增加驱动能力，可以通过单片机的输出引脚来直接控制这些设备。

本次设计综合考虑，为设计安全与承载电流等方面考虑，选择方案三作为步进电机的驱动系统。2.2.4信号采集模块的选择信号采集模块为光敏模块。光敏传感器属于最常见的传感器之一，主要有：光电池、光敏电阻、光敏二极管以及三极管、红外传感器、紫外传感器等。通过使用光敏传感器，可以将外界的光信号转换为电信号。光敏传感器通过组合其他检测元件，可以检测到许多视觉量，可将视觉量转化为光信号的变化。方案一：光敏二极管光敏二极管又可以被称作光电二极管。光敏二极管的管芯为PN结。由于PN结具有单向导电性，再加上光敏器件的光敏特性，因此在使用光敏二极管时候需要对其加上反向电压。无光照时，光敏二极管呈截止状态。受光照时，PN结中会产生电子空穴对导致载流子漂移从而反向电流增加。即光照影响电路中电流大小。但光敏二极管对光强的线性响应只在一定范围内成立，故无法精确得出光照强度。方向二：光敏电阻光敏电阻的电阻值是随光发生改变，有较高反应速度且器件体积小，成本低，对本次设计来说具有实用性和经济性。通过经济性和装置需要对光照强度进行灵敏反应的角度考虑，选择方案二的光敏电阻作为本次装置的光敏传感器。2.2.5实体结构框架设计使得两电机互相处以垂直状态，电机一是俯仰角度的转动而电机二是水平角度的转动，此结构框架可以使太阳能板在理论上实现全方位无死角跟踪。第三章硬件电路设计3.1单片机模块本次设计的数据处理单元采用单片机最小电路STC89C52芯片和相应的外电路组成。STC89C52引脚图如图2。单片机最小系统电路图如图3。在本次设计中，使用的ADC模块为单片机的ADC模块。ADC的信号输入是通过通道来实现的，模拟信号会经由通道，输入至单片机中，在单片机内部进行了由模拟信号到数字信号的转变。图2stc89c52引脚图图3单片机最小系统电路图3.2电源模块LM2596系列是NationalSemiconductor公司制作的一个输出电流为3A的真空开关集成稳压器。该系列稳压器提供：3.3V、5V、12V和可调电压产品（-ADJ）。此外，这些芯片还为外部工作的控制提供了引脚。图4显示了开关电流源的实物图。图4LM2596芯片实物图LM2596包括一个150kHz振荡器、1.23v基准稳定电路、热关断电路、限流电路、放大器、比较器、内部稳定电路等。为了不同的输出电压能够产出，比较器的负极通常端接在参考电压(1.23v)上，正极端接在分压器网络上。将网络的输出与内部参考电压值1.23V进行比较。如果电压发生变化，则用放大器控制内部振荡器的输出占空比，稳定输出电压。开关电源电路图如图5所示。图5开关电源原理图3.3按键模块如图6，本装置共涉及四处按键，S2为总电源按键，控制整个电路的导通；S3为单片机最小电路中的复位按键；S4为控制电机开始运转；S5控制电机转动停止。图6按键原理图3.4光线采集模块当所有的光敏元件都处于接受光的均匀照射时，此时的光照强度几乎大小相等，也就电机的状态保持不运动。而当光敏元件受到不同强度光照时，根据程序编写控制，会使电机状态发生改变。若电阻1与电阻2受到的光照强度不同于电阻3与电阻4所共同受到的光照强度时，即数字信号ADC存在差值，单片机会控制电机向着补偿光照强度偏少的光照方向转动；若电阻1与电阻3受到的光照强度不同于电阻2和电阻4受到的光照强度时，数字信号存在差值，控制另一个步进电机向着补偿光照强度的方向转动。光敏电阻设计如下图7。光敏电阻连接图如图8。图7光敏电阻设计布局图8光敏电阻原理图3.5LCD1602显示模块在单片机系统中采用液晶显示器作为输出设备具有以下优点：

1.质量高。与阴极射线管（crt）显示器不同，液晶显示器在接收信号后通过保持每个点的颜色和亮度连续发光，因此液晶显示器的图像质量高，不闪烁。2.数字接口。LCD数字化，MCU系统界面更简单可靠，操作更方便。

3.小而轻。液晶显示器通过电极控制液晶的状态。与相同直径的传统显示器相比，显示器更易使用。

4、能耗低。

LCD主要使用内部电极和IC，也就是说，会比其他显示器消耗更少。目前常用的是1602字符液晶显示实物如图9所示。LCD1602原理图如图10。图91602字符型液晶显示器实物图图101602字符型液晶显示器原理图3.6电机及驱动模块3.6.1驱动模块驱动模块ULN2003是一个由硅npn复合晶体管阵列构成的高耐压、大电流驱动装置。其基极电阻为2.7k，串联一个达林顿对，直接连接到工作电压为5v的ttl或cmos电路。处理必须在传统标准逻辑缓冲区中处理的数据。ULN2003也是一个7路反向器电路。即当输入端为高电平时，uln2003输出端为低电平。反之，则ULN2003的输出端为高电平。图11是uln2003的引脚图。图11ULN2003引脚图本次设计共使用两个达林顿模块，分别为直插式和贴片式。实物图如图12。图12ULN2003实物图3.6.2步进电机模块步进电机是通过采集电脉冲信号，然后转换为开环控制电机的角度、线位移，在正常的运行工作下，电机的启停是通过对脉冲信号的采集比较。对于步距角，步距角是通过对脉冲信号频率的调节使得步进电机按预定的角度/方向移动。通过控制位移量来精确控制旋转方向/角度，从而使其达到对转动方向和转到角度的精确控制，以此达到对太阳光采集达到最大值化。系统中选用4相5线的5V步进电机。具体参数如下:

1.型号为28BYJ-48。

2.直径:

28mm

3.电压:

5V

4.步进角度:

5.625

x

1/64

5.减速比:

1/64

6.单个重:

0.04KG驱动模块与步进电机电路连接图如图13。图13驱动模块与步进电机电路连接图第四章软件设计4.1设计思路4.1.1编译语言的选取方案一:

C语言

程序语言紧凑灵活，具有丰富的数据结构。没有太多的使用上的限制会在编程上有更大自由度。可以直接访问物理地址，使得完全可以对硬件实现直接控制;程序执行效率高。C语言面向过程中最为重要的是算法和数据结构部分。通过一个过程，使得输入能够在进行运算处理后得到输出。方案二:

C++

c++语言是面向对象的语言，于C的基础之上，增加了现有编程语言的面向对象、模板等功能，扩展了面向对象设计的内容，使其更适合于现代编程的需要。而C++因为过于复杂，在这方面就稍逊一筹了。

方案三:

Java

Java是一种解释性语言，Java很流行，但是性能比较差。因为代码在执行之前要进行一定解释。c++因为编译成二进制，所以运行即时，速度更快。两个程序都足够大，而且当c++中的代码进行优化时，两者的区别在于程序之间的速度非常严重或令人惊讶，而C++可以比Java快得多。本次编程语言选择采用C语言，C语言相对于汇编语言而言，其入门的门槛没有那么高，而且使用C语言设计功能逻辑时，有着层次清晰、可读性高，具备可迁移性等优点，满足代码开源和共享的要求，从某种程度上讲，也降低了代码的编写综合成本。不仅满足本次工作功能实现的需求，同时也为后续的调试和功能扩展等需求提供了重要保障。4.1.2Keil程序开发环境系统中所使用到的单片机开发环境是Keil,而与汇编相比，C语言的闪光点则是在可维护性、结构性、可读性、功能上,一目了然的逻辑框架，使得易学易用，在Keil中，包括着一整套完整的开发方案，如C编译器和库管理等。我们使用集成开发环境(μVision)，把各个部分组合在一起。通过上面的基本诠释选择Keil那就是最后的选择，最好的选择。运行Keil软件，需要在操作系统WIN98、WINXP等内进行。4.2软件主程序设计系统初始化之后，光敏电阻的收到的光线强度会通过ADC模块转换为数字信号，通过液晶显示屏实时反映各光敏电阻此时电压值数据，此时程序中会对四个ADC值进行比较判断，程序中设定一定的阈值，当ADC1+ADC3=ADC2+ADC4时，电机1保持状态不动。反之，ADC1+ADC3>ADC2+ADC4,电机1正转；若ADC1+ADC3<ADC2+ADC4,电机1反转。随即继续判断ADC1+ADC2与ADC3+ADC4和之间大小比较，使得电机2进行相应转动，直至电压之差小于相应阈值，保持此时状态，显示屏全程同步显示数值。主程序流程图如图14。图14主程序流程图第五章实际调试5.1硬件调试硬件电路的设计是本次研究重要的一部分，硬件电路在设计上，更注重以操作简单方便，易于维护的特点。与此同时，在装置的功能和性能达到设计的要求的基础上，采用性价比高经济适用的器件。而当我们依据设计的电路完成各模块的连接后，硬件调试是本次设计不可或缺的一个重要步骤，首先第一个重要的点就是耐心检查本次的连接顺序是否和设计的方案一样，对应的线路是否连接在了对应的端口上，因为硬件的电路涉及的线路较多，这方面不够仔细就容易造成后续更多的调试问题；然后就是线路不通的问题，在整个硬件元器件的连接过程中，虚焊、焊接不牢固、焊接错误等现象都有可能会出现，当我们调试中遇到此类问题时，应正确检查，并得出解决途径。调试分为断电调试和上电调试。在组装硬件前，应详细检查硬件系统设计原理的准确性，包括参数选择的准确性和原理的正确性。第一步是电源调整。为了安全起见，必须开启电源进行调试，停电调整的内容至少包括短路检测和原理精度检查。1.短路测试系统电路，焊接完成后必须进行短路测试。检测方法很简单，选择一个合适的通用ompil（例如20k或200k）并用红黑笔连接在电路板的正负极的一处。若出现充放电现象（即电阻显示值处在变化状态），或电阻值稳定在小地方（例如几欧姆）不稳定，则可能会导致系统短路故障，不能通电测试，必须彻底查找，系统解决。连接电源后显示图如图15。图15通电后装置显示图2.追光装置电路设计原理正确性确认

将实物搭建比对硬件电路图，检查使用的各个器件的具体参数是否符合设计要求，硬件各部分连接是否正确。第二步:通电调试。通电调试主要是判断单片机的晶振和复位电路的通断以及硬件电路的关键点电压是否正常。1.复位是否正常。无法正常复位也是导致控制系统无法工作的问题之一，重点检查复位电路连接是否正确。检测图如图16所示。图16复位状态下显示图2.硬件电路关键点电压是否正常。系统是通过电源适配器直接连接220v交流，在转换为12v输出给整个追光装置进行供电。5.2软件调试软件调试是本次设计功能实现的重要基础，设计者定义的功能逻辑需要通过程序调试的工具去判定其是否可行。程序调试问题及解决方法有如下几个方面。（1）有时程序没有出错，结果却运行不正常。这可能是一些指令的编写不够规范正式，所以需要在编写完成后注意检查规范性和正确性，以及最好不要在两个命令行之间留一个空行。

（2）编程时注意，程序是通过向输入地址写入延迟中断来执行的。

（3）编程时一定要加注释或行，否则程序太长会造成混乱，不易查找或更改。（4）程序结构设计合理，避免出现上下调用混乱的现象，使程序更加清晰。

（5）在编程前添加流程图，会一目了然。5.3调试分析整个调试过程对于初次设计者而言是一次非常有意义的挑战；在硬件的调试过程中，我更贴切地理解到了硬件之间的连接实现，同时也锻炼了我实践操作的能力，更积累了我对硬件连接时错误方式的认知经验，例如线路之间的连接时常会出现虚焊或短路的情况，关于这一方面就需要我们使用万用表去试验才能做出判断；在软件的调试中，我体会到了具有良好编程风格的重要性，方法的构思实现或许不难，但编写出结构清晰明朗的功能代码可以在软件设计乃至后续的整体设计中节约出很多的时间；整体的调试是本次设计接近尾声的一个重要步骤，该操作中需要我们细心地观察验证，并耐心地分析其中的不足之处以及如何修正。

至此，本次设计追光装置已完成，基本实现了预定的功能。

在追光装置的设计中，由于时间有限和本身知识水平的发挥，在设计和制作中可能仍然存在很多不足，例如系统稳定性如何进行提升，软件程序的控制如何才能更加精准等