【某太阳能追光系统的硬件和软件设计案例3900字】

某太阳能追光系统的硬件和软件设计案例硬件设计双轴追光系统的硬件设计该设计的追光系统主要光电转换电路、A/D转换电路、按键电路、单片机、步进电机和电机驱动电路组成，其电路设计框图如图所示。图3-1双轴追光系统硬件框图光电转换电路在追光系统的设计方案中，本设计选取了光电追踪方式，光电追踪的第一步就是光线采集，只有保证了光线采集的准确度，才能顺利的完成光电转换。如果对光线信号的采集不准确，那么转换输出的电信号就不准确，从而影响整个系统不稳定。所以要完成整个系统的硬件设计，首先要选择合适的光电传感器来进行对光线的采集。常用于光电追踪的光电传感器有以下几种：（1）光敏电阻：属于半导体属性的器件，使用有较强光电效应的化学材料制作而成，所以光敏电阻的阻值会随着外界光线的强度而变化。外界光照强度一旦升高，光敏电阻的阻值就瞬间降低，反之，当外界的光照强度变弱时，光敏电阻的阻值就会升高。和其他光电传感器相比它的体积较小、可靠性和灵敏度都比较高，但是它的响应速度相对来说较慢，一般应用在光的测量和光电转换的场合。实物如图3-2所示。图3-2光敏电阻（2）光电二极管：和一般的普通半导体二极管具备同样的特性，即单向导电性，但在电路中不能作为整流器件来应用，它工作在反向电压下，对光线非常敏感，当光电二极管感应到光线时，反向电流会立即增大。它具有暗电流小的优点，但是其他光电传感器相比响应速度较慢。一般应用在遥控设备和医疗应用设备上。实物如图3-3所示。图3-3光电二极管（3）四象限探测器：是一种特殊的光电传感器，它由四个一模一样的光电二极管组成，它能够定位太阳在二维平面上的详细方位。它的集成度高、体积小，然而由于它的内部结构比较复杂，所以造价高，性价比低。实物如图3-4所示。图3-4四象限探测器（4）光电三极管：它和普通的三极管不同，光电三极管仍然有三个电极，但是它的基极没有引线，而是用来作为光接收窗口，因此光照强度决定了集电极电流的大小，一旦外界光线的强弱发生变化时，光电三极管的电极之间的电阻值就会变化。光电三极管的优点是灵敏度很高，但是也因为这个原因导致它的抗干扰能力差，温漂也很严重。实物如图3-5所示。图3-5光电三极管通过上面对几种光电传感器灵敏度、稳定性及其他各方面的分析，出于设计实际需求的功能及性价比方面的考虑，该系统确定以光敏电阻作为光线采集器件，完成光线采集的工作，下面使用光敏电阻对光电转换电路进行设计。光电转换，循名责实，就是将光信号转换成电信号。在本系统的设计要求中需要检测不同方向的光线，所以要将四个光敏电阻朝上、下、左、右四个方向固定在电路板上，最大范围的接收周围的光线，再将其连接到A/D转换电路中。光电转换电路的工作过程为：光敏电阻检测到不同方向的强弱不同的光线，将其转换为电信号，输送到模数转换器中进行A/D转换，最后将转换完成的信号传输给整个系统的控制中心，由控制中心进行简单的处理后发出相应的指令，驱动电机转动完成对追光板的调节。光电转换电路如图所示。图3-6光电转换电路A/D转换电路光电转换电路输出的电信号是模拟信号，而单片机能够读取的信号是数字信号，为了使单片机能够顺利的读取信号完成整个系统的控制，需要将模拟电信号转换为数字信号。完成这个工作过程需要使用A/D转换器。由于本设计一共有4路光线采集，所以选用的A/D转换芯片应至少有4个模拟量输入通道。PCF8591是工程设计中常用的A/D转换芯片，它一共有4个模拟信号输入通道，正好用于接收4路模拟信号，而且PCF8591只占用2个单片机端口，节省了单片机资源。所以，本系统选择PCF8591来完成模数转换。PCF8591一共有十六个引脚，供电电压是5V，它是一种集成的、独立的、低功耗的模数转换芯片，具有易于扩展、转换误差小，转换效率高等优点。在本环节的电路设计中，为了使模数转换芯片读取的信号更加准确稳定，需在光电转换电路之后加入上拉电阻，以保证光敏电阻输出信号可以正常的被A/D转换器采纳。A/D转换电路的工作过程为：模数转换器接收光电转换电路输出的信号，将其转换为数字信号，再将信号送给单片机，由单片机进行下一步处理。A/D转换电路如图3-7所示。图3-7A/D转换电路按键电路本系统的手动控制模式是通过按键电路来实现的。该系统的按键电路由五个按键组成，按键S4用于切换自动模式和手动模式，其余四个按键分别代表了上下左右，按下相应的按键，追光装置就可以朝着对应的方向旋转。在手动控制模式下，单片机只需读取按键接口处的高低电平，进行简单的判断，然后直接发出命令，驱动电机轴转动，实现手动追光。图3-8按键电路步进电机电动机是太阳追踪机构的核心，电动机的选取会影响太阳能追踪装置的精度。电机可以将电能转化为机械能，为机械装置的提供动力。市面上的电动机种类非常多，分别适用于不同的场合。步进电机是常用的控制用电动机，属于开环控制元件，控制方便，部件少可靠性高，接收信号为数字信号，无需模数转换，使用方便，响应性好，转速不受负载影响，过载性好。本系统选用28BYJ-48型四相五线制步进电机。图3-9步进电机实物图步进电机驱动电路单片机不能直接驱动电机，需要引入驱动电路。28BYJ-48型步进电机的驱动电路一般有两种方法，一种是直接使用下拉电阻来驱动电机，但是这种方法产生的扭力小，不符合设计需求；另一种是使用步进电机驱动芯片来驱动电路。市面上常见的步进电机驱动芯片有ULN2803和ULN2003两种驱动芯片。ULN2803驱动芯片有18个引脚内部有8个NPN达林顿管可同时驱动两路四相五线步进电机；ULN2003驱动芯片共有16个引脚内部有7个NPN达林顿管可驱动一路四相五线步进电机。本系统的设计中一共使用了两个步进电机，理论上可以直接使用ULN2803来驱动两路步进电机，但是由于该系统设计中的两个电机监测的角度相互垂直，为避免干扰，最好使用两个驱动芯片分别驱动两个步进电机，出于设计需求和成本考虑，本环节的电路设计采用双ULN2003的接法来驱动电机。图3-10步进电机驱动电路太阳能手机充电器的硬件设计太阳能手机充电电路由太阳能电池板、稳压芯片、TP4056充电芯片、锂电池和USB升压电源稳压模块组成，该电路的设计主要由充电管理模块和USB充电模块两大部分组成。充电管理模块充电管理模块主要任务是稳定太阳能电池板的输出电压，然后向锂电池充电。所以本环节电路设计需要选择合适的稳压芯片和充电芯片来对锂电池充电进行管理。如果不对锂电池充电过程进行管理或者选用了不合适的充电芯片，轻则损坏锂电池，重则会使锂电池发生爆炸，只有选择合适的充电芯片才能保证整个系统运行安全。TP4056是一款恒流恒压的线性充电器。它本身具有良好的散热性能和防倒充的功能，是本次设计的理想选择。稳压芯片根据整个系统的供电选择稳压到5V的稳压芯片。本环节电路结构设计：由稳压芯片和TP4056充电模块组成充电管理模块，输入端接太阳能电池板，输出端接锂电池。具体工作过程：太阳能电池板接收光能发电，经过稳压芯片稳压，再由TP4056向锂电池充电。USB充电模块该系统通过USB接口给手机充电，但电路中可能会出现电压波动和和损耗，所以锂电池不能直接与USB接口相连，为保证电压稳定，需再次进行升压稳压，然后再给手机及其他电子产品充电。为了设计方便，本次设计直接选择市面上集成化的USB升压电源稳压模块板它可以将电压稳定到5V，且板子上带有USB接口不需要另外焊接，就可以为手机充电。本环节电路设计：USB充电模块输入端接锂电池，输出端直接为外部设备充电。为实现整个系统的自我供电，需在输出端口再并联一个USB接口，来为追光系统供电，在没有光源的情况下，也可为手机充电。太阳能手机充电电路图根据充电管理模块的电路设计和USB充电模块的电路设计，确定了本次设计所需的主要元器件型号。太阳能手机充电电路的硬件电路图如图3-11所示。图3-11太阳能手机充电系统硬件电路图

软件设计本系统的软件设计选择单片机为控制中心，由它将各个电路模块连接起来，接收外部电路的信息并进行处理，驱动电机来实现追光。整个系统程序的工作流程为：打开电源开关；系统初始化；读取按键设定；判断系统工作模式；如果是自动控制模式，就需要先采集光线，然后进行光电转换，再由单片机读取A/D采样值，进行判断之后，再驱动电机；如果是手动控制模式，则根据按键信息直接驱动电机。软件设计流程图如图所示。图4-1系统程序流程图单片机控制程序自动追光控制程序自动控制模式中，单片机接收模数转换器传来的AD采样值，进行比较，驱动两个电机正反转完成自动追光。由于电机只能朝两个方向转动，所以这部分程序也分成两部分，一个电机负责上下两个方向追光，另一个电机负责左右两个方向追光。由于光照越强，AD采样值越小，所以电机向着AD采样值小的方向旋转。图4-2上下追光程序图4-3左右追光程序手动追光控制程序手动控制需用到五个按键，其中一个按键用于切换手动模式，其余四个按键分别用来控制追光系统的上下左右旋转，来实现手动追光。所以这部分程序分为按键引脚定义和手动按键控制驱动电机两部分。程序如图所示。图4-4按键引脚定义图4-5按键控制驱动电机A/D转换程序总线函数模数转换芯片PCF8591的总线函数由出厂厂商给定，分为启动总线函数和结束总线函数。起动总线函数用来启动I2C总线，即延时4.7微秒发送I2C起始条件；结束总线函数用于结束I2C总线,即发送I2C结束条件。程序如图所示。图4-6总线函数字节数据发送函数本段函数执行的功能是发送数据c，将数据发送出去之后等待应答，并对状态位进行操作，本函数