太阳能自动跟踪系统设计

太阳能自动跟踪系统的设计11 设计背景1.1 太阳能的发展现状及本设计的发展前景1.1.1 太阳能的发展现状近两年来国内太阳能电池产业发展很快，特别是受无锡尚德公司在美国上市的影响，太阳能电池企业蜂拥而上。现在，我国大大小小从事太阳能电池硅材料，硅片、电池及组件的生产厂家已不下百家。太阳能电池产量江苏无锡尚德太阳能电力有限公司，宁波太阳能电源有限公司、中电电气南京光伏科技有限公司、云南天达光伏科技股份公司、上海交大泰阳绿色能源公司等主要的十多家公司总产量约为 110MW。太阳能电池组件生产量天威英利新能源公司、上海太阳能科技有限公司、江苏林洋新能源公司、新疆新能源公司、浙江昱辉阳光能源公司、西安佳阳能源公司、力诺光伏高科技有限公司、上海超日太阳能科技公司、无锡佳诚太阳能科技有限公司、常州天合光能有限公司、无锡国飞绿色能源有限公司、深圳能联电子有限公司等十多家公司总产量达 220MW以上。太阳能电池用硅材料产量河北宁晋单晶硅基地、江苏顺大半导体发展有限公司、四川峨眉半导体材料厂、洛阳中硅高科技有限公司、常州天合光能公司、宁波晶元太阳能有限公司、绍兴精工太阳能有限公司、常州亿晶光电科技有限公司、江苏华日源电子科技有限公司第十多家公司总产量约为 700 吨。太阳能电池制造技术方面由于硅材料缺乏，价格飞速上涨，极大地促进了硅太阳能电池薄片技术的发展， 目前硅片厚度已普遍地从 370μ m降到 240μ m， 有的厂家已减薄到 220μ m，仍能保持较高的成品率，同时也促进了太阳能电池转化效率的提高，多晶硅太阳能电池一般效率已达到 13－ 14％，有的企业已能批量生产 15％的产品；而单晶硅电池效率已普遍达到 14－ 15％，有的企业已能批量生产16％的产品。此外，北京企业星华创股份有限公司已能制造和生产硅太阳能电池和组件的制造设备，特别是一些国产的单晶炉和太阳能电池封装设备已有较高的技术水平。太阳能自动跟踪系统的设计21.1.2 太阳能的发展前景现阶段人类面临的最大问题就是能源短缺问题，而环境保护又是现阶段人们所努力倡导的重要任务。解决这两个问题的最有效便捷的途径就是大力发展太阳能的利用，地球每天收到的太阳能约 4 1015 千瓦时，假如能把这些能源充分利用那将相当于节省了 2.5 108 万桶石油， 这不仅对解决了能源短缺的问题， 而且在一定程度上保护了环境。太阳能清洁无污染、取之不尽、用之不竭，这是其发展迅速的最直接原因而我国每年接收到 335～ 873 千焦每立方厘米，这将是我国不可多得的无污染能源。所以大力发展太阳能才是解决二十一世纪我国乃至全球的最重要任务。太阳能虽然取之不尽但是它有一定的分散性、方向性和不稳定性，怎么样将其发挥到最好，怎么样更充分的利用这用之不竭的能源才是现阶段太阳能事业发展的最客观的问题。1.2 目前使用的跟踪系统现阶段市场上使用的跟踪系统有单轴太阳能自动跟踪器、步进式太阳能自动跟踪、可自动跟踪的太阳灶、五像限法太阳自动跟踪仪、单轴液压式自动跟踪、极轴式跟踪。不足结构复杂，跟踪精度不高，不能全自动跟踪。1.3 本设计意义本设计可使太阳光永远垂直照射在接收面上（能量积分） ，提高了太阳能的吸收率和转化率，设计结构简单成本低廉，单片机控制稳定，能自动跟踪阳光，最大面积地吸收太阳光能，合理利用了资源。太阳能自动跟踪系统的设计32 设计方案简述本设计以 AT89S51单片机为控制中心， 运用光敏电阻采集光线， 用运放 LM358对采集的光线做进一步处理并将最终数据传输给单片机，单片机进行进一步处理并将处理数据传输给电机驱动系统，控制两路电机进行调节电池板的水平方位调整及垂直高度的调整。本设计寻光系统采用单片机作为主控芯片，光敏和运放 LM358组成光信号采集模块，继电器控制电机的正反转进行电池板的微调。具体控制框图如图 2.1 所示图 2.1 系统控制框图AT89S51 光线检测LM358电压比较M1 M2 继电器控制组太阳能自动跟踪系统的设计43 详细设计3.1 单片机概述单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器 CPUCentral processing unit 。随机存储器 RAM（ Random access memory） 。只读 存储器 ROM（ Read only memory ） 。 中断 系统 、定 时器 / 计 数器 以及 I\O（ Input/output ）接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。为此，称它为单片微型计算机 SCMC（ Single chip micro computer ） ，简称单片机。 单片机主要应用与控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器 MCU（ Micro controller unit ） 。在国际上， “微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯用“单片机”这一名称。 单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其＂嵌入＂的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded micro controller unit ） 。在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。3.1.1 单片机基础根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。 通用型单片机是一种基本芯片，他的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需要。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。然而在单片机的控制应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和 IC 卡读写器上的单片机等。这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化。3.1.2 单片机与单片机系统单片机通常是指芯片本身， 它是芯片制造商生产的， 在它上面集成的是一些做太阳能自动跟踪系统的设计5为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器 / 计数器以及输入 / 输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它 电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。 通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。3.1.3 MCS-51 系列单片机介绍单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器 CPUCentral processing unit 。随机存储器 RAM（ Random access memory） 。只读存储器 ROM（ Read only memory ） 。 中断系统、定时器／计数器以及 I\O（ Input/output ）接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。为此，称它为单片微型计算机 SCMC（ Single chip micro computer ） ，简称单片机。 单片机主要应用与控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器 MCU（ Micro controller unit ） 。在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯用“单片机”这一名称。 单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其＂嵌入＂的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded micro controller unit ） 。在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。3.1.4 单片机基础根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。 通用型单片机是一种基本芯片，他的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需要。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。然而在单片机的控制应用中，太阳能自动跟踪系统的设计6有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和 IC 卡读写器上的单片机等。这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化，3.1.5 单片机与单片机系统单片机通常是指芯片本身，它是芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些做为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器 / 计数器以及输入 / 输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它 电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。 通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。3.1.6 单片机应用领域现在单片机的应用已经很广泛，下面就一些典型方面进行介绍。（ 1）工业自动化方面。自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益，改善产品质量和减轻劳动强度。因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术，数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都需要要有单片机的参与。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中，单片机将发挥越来越大的作用。（ 2）仪器仪表方面。现在仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和柔性化方向发展。此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积及重量而易于携带和使用，并具有降低成本，增强太阳能自动跟踪系统的设计7抗干扰的能力，便于增加显示、报警和自诊断等功能。（ 3）家用电器方面 . 当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要有单片机的参与，所以生产厂家常标榜“电脑控制”以提高其产品的档次，例如洗衣机，电冰箱，空调机，微波炉，电视机和音像视频设备等，这里说的电脑实际上就是单片机。智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，进一步改善我们的生活质量，把我们的生活变的更加丰富多彩。（ 4）信息和通信产品方面 . 信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，这当然离不开单片机的参与，例如计算机的外部设备和自动化办公设备中，都有单片机在其中发挥着作用。（ 5） 军事装备方面。 科技强军、 国防现代化离不开计算机， 在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹火箭和雷达等各种军用装备上，都有单片机深入其中。3.2 单片机最小系统最小系统就是单片机在发挥具体测控功能时所必须的组成部分。 AT89S51的最小系统如图 3.1 所示。图 3.1 单片机最小系统电路图太阳能自动跟踪系统的设计83.2.1 定时与中断的概念中断是一项重要的计算机技术，采用中断技术可以使多项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。 向 CPU发出中断请求的来源称之为中断源。 MCS-51是一个多中断源的单片机， 以 80C51为例， 有三类共五个中断源，分别是外部中断两个，定时中断两个和串行中断一个。外中断外中断是由外部信号引起的，共有两个中断源，即外部中断“ 0”和外部中断 “ 1” 。 它们的中断请求信号分别由引脚 INT0（ P3.2） 和 INT1（ P3.3） 引入。外部中断请求有两种信号方式，即电平方式和脉冲方式，可通过有关控制位进行定义。定时中断定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。串行中断串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。中断控制这里所说的中断控制是指提供给用户使用的中断控制手段，实际上就是一些专用寄存器。在 MCS-51单片机中，用于此目的的控制寄存器共有四个，即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器以及串行口控制寄存器。定时器控制寄存器（ TCON） 该寄存器用于保存外部中断请求和以及定时器的计数溢出。寄存器地址 88H，位地址 8FH～ 88H。表 3.1 寄存器位地址表 1位地址 8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 位符号 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 这个寄存器既有定时器 / 计数器的控制功能又有中断控制功能，其中与中断有关的控制位共六位 IE0 和 IE1 、 IT0 和 IT1 以及 TF0和 TF1 。中断允许控制寄存器（ IE） 寄存器地址 A8H，位地址 AFH～ A8H。表 3.2 寄存器位地址表 2位地址 AF AE AD AC AB AA A9 A8 位符号 EA - - ES ET1 EX1 ET0 EX0 其中与中断有关的控制位共六位 EA、 EX0和 EX1 、 ET0和 ET1 、 ES。中断优先级控制寄存器 （ IP） MCS-51的中断优先级控制只定义了高、 低两个优先级。各中断源的优先级由优先寄存器（ IP）进行设定。 IP 寄存器地址 B8H，位地太阳能自动跟踪系统的设计9址为 BFH～ B8H。寄存器的内容及位地址表示如下表 3.3 寄存器位地址表 3位地址 BF BE BD BC BB BA B9 B8 位符号 - - - PS PT1 PX1 PT0 PX0 其中 PX0外部中断 0 优先级设定位； PT0 定时中断 0 优先级设定位； PX1 外部中断 1优先级设定位； PT1 定时中断 1 优先级设定位； PS 串行中断优先级设定位；为 0 的位优先级为低，为 1 的位优先级为高。定时器 / 计数器的控制寄存器与定时器 /计数器应用有关的控制寄存器有（ 1）定时器控制寄存器（ TCON） TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。其中有关定时的控制位共有四位 TF0 和TF1 、 TR0和 TR1 。 图 3.2 单片机管脚图（ 2）工作方式控制寄存器（ TMOD） TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器 / 计数器的工作方式。但 TMOD寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。3.2.2 AT89S51 的芯片概述AT89S51 是 一 个 低 功 耗 ， 高 性 能 CMOS 8 位 单 片 机 ， 片 内 含 4k Bytes ISPIn-system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51指令系统及 80C51引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51 具有如下特点 40 个引脚， 4k Bytes Flash 片内程序存储器，128bytes 的随机存取数据存储器（ RAM） ， 32 个外部双向输入 / 输出（ I/O ）口， 4个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口，内部集成看门狗计时器片内时钟振荡器。其工作电压在 4.5 － 5V,一般我们选用＋ 5V电压。图 3.3 为 89s51 的核心电路框图太阳能自动跟踪系统的设计10图 3.3 AT89s51 结构框图3.3 光电检测原理硬件设计中光电检测是本装置的主要部分，也是太阳能电池板寻光的主要控制元件， 设计中为了使太阳能电池板始终对着太阳则需要四个光敏对阳光强弱进行检测， 如图 3.4 所示光敏均采用垂直于太阳能电池板板面安装， 而其检测的精度依靠调节光电检测电路中的滑动变阻器来实现。其中光电检测 A 对左远离光线进行检测，当光线远离电池板时 A 检测会给单片机信号，单 图 3.4 光电检测示意图片机驱动继电器控制电机 M1正转使电池板跟随光线左转。光电检测 B对右远离光线进行检测，当光线远离电池板时 B 检测到并实时传输给单片机信号，单片机驱动继电器控制电机 M1反转使电池板跟随光线右转。光电检测 C与 D对太阳垂直角度的变化进行检测，并将检测到的光线变化信号传输给单片机，单片机进行进一步处理后控制继电器驱动电机 M2的正反转，从而实现电池板垂直角度的调整。考虑到太阳四季垂直角度变化的速率很小，所以电池板垂直角度的调整电机M2 加了个减速箱使其变化速率也非常小，不至于因变化太快使得光电检测误检，否则会导致电池板在垂直方向不停的摆动。3.3.1 电压比较器的电路介绍电压比较器可 以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能比较两个电压的 大小 用输出电 压的高或低电平，表示两个输入电CADB太阳能自动跟踪系统的设计11压的大小关系 当 ”＋”输入端电压高于 ”－”输入端时 ，电压比较器输出为高电平。当” ＋ ” 输入端电压低于” － ” 输入端时， 电压比较器输 出为低电平； 简单的电压比较 器结构简单，灵敏度高，但是抗 干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。 改进后的电压比较器有滞回比 较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路 和输入回路的确定“运算参数” ，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流 或电压的部分或全部。而比较器 则不需要反馈，直接比较两个输入端的量， 如果同相输入大于反相，则输出 高电平，否则输出低电平。电压比较器输入 是线性量，而输出是开关（高低 电平）量。一般应用中，有时也可以用线性 运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器 来使用。可用作电压比 较器的芯片有 LM324、 LM358、 uA741、 TL081\2\3\4 、 OP07、OP27，这些都可以 做成电压比较器（不加负反馈）。 LM339、 LM393是专业的电压比较器， 切换速度快，延迟时间小，可用 在专门的电压比较场合，其实它们也是一种 运算放大器。而本设计中光 电检测中运用的电压比较器采 用 LM358芯片，其管脚图如图 3.5 所示。 LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM358的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。LM358特性（ 1） 内部频率补偿（ 2）直流电压增益高 约 100dB （ 3）单位增益频带宽 约 1MHz （ 4）电源电压范围宽单电源 3 ～ 30V; 双电源 1.5 ～ 15V （ 5）低功耗电流，适合于电池供电（ 6）低输入偏流（ 7）低输入失调电压和失调电流（ 8）共模输入电压范围宽，包括接地（ 9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围太阳能自动跟踪系统的设计12（ 10）输出电压摆幅大 0 ～ 1.5V 图 3.5 LM358 管脚图本设计中具体的寻光电路如图 3.6 所示， 电路中采用光敏电阻作为寻光的传感元件。图 3.6 光电检测电路太阳能自动跟踪系统的设计133.3.2 寻光元件光敏电阻器又叫光感电阻， 是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、 光的控制和光电转换 （将光的变化转换为电的变化） 。 通常， 光敏电阻器都制成薄片结构， 以便吸收更多的光能。 当它受到光的照射时， 半导体片 （光敏层） 内就激发出电子空穴对， 参与导电， 使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如图 3.7 所示。 根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器紫外光敏电阻器对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。3.3.3 寻光执行机构本设计采用 5V 直流电机用来调整太阳能电池板的支架 , 直流电机具有以下特点 （ 1）调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要， 人为地改变电动机的转速。 直流电动机可以在重负载条件下， 实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。（ 2）起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。为了得到理想的转速 , 本设计没有直接用直流电机输出的动力来控制电池板支架 , 而是通过一个简易的变速箱来调整传输比 . 进而达到速度理想、扭距大的效果。图 3.7 光敏电阻器结构太阳能自动跟踪系统的设计143.4 电机驱动设计中电机驱动电路采用继电器驱动的方式， 每一个电机的正反转均由一个单路和一个双路继电器完成，其中单路继电器控制相应电机的驱动电源的通断，双路继电器则用控制电机的正反转。其原理图如图 3.8 所示。图中 IN4007 二极管的作用是续流，防止继电器线圈产生的回流将三极管击穿。图中三极管的作用是隔离放大作用。图 3.8 电机驱动电路继电器主要产品技术参数（ 1）额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。（ 2）直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。（ 3）吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的 1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。（ 4）释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于太阳能自动跟踪系统的设计15吸合电流。（ 5）触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。3.5 寻光程序流程图开始情况 1情况 2情况 3情况 5情况 4情况 6情况 8情况 7动作 1动作 2动作 3动作 4动作 5动作 6动作 7动作 8是否是否否否否否否是是是是是是否图 3.9 寻光程序流程图太阳能自动跟踪系统的设计163.6 供电系统设计为了不影响单片机的正常工作设计中采用两组电源对控制系统和电机工作进行分别供电。其原理图如图 3.10 和图 3.11 所示。图 3.10 控制系统总电源图 3.11 电机总电源其工作原理是利用 9V变压器将 220V交流电降压至 9V，然后 9V交流经过整流全桥整流成 9V直流电源，其中 C1 和 C2为初级滤波电容， 9V 直流经过 LM7805稳压芯片后变成 5V 电源，再经过 C3和 C4滤波电容后为系统的稳定工作进行恒定供电。3.6.1 LM7805 简介LM78XX系列是三端 1.5A 电源稳压电路， 其封装形式为 TO-220。 它有一系列固定的电压输出，应用非常广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区得保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于 1.5A 的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。 LM7805引脚功能图如图 3.12太阳能自动跟踪系统的设计17所示。LM7805特点（ 1）最大输出电流为 1.5A。（ 2）输出电压为 5V。（ 3）热过载保护。（ 4）短路保护。（ 5）输出晶体管安全工作区保护。图 3.12 LM7805 管脚功能图太阳能自动跟踪系统的设计184 设计系统调试系统调试及性能分析是开发过程的重要环节。当完成了系统的软、硬件设计和硬件组装后，便可进系统调试阶段。系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的不协调问题，以便修改设计，使系统能正常工作。应该在方案设计阶段就要考虑调试问题，如采取什么调试环境方法、使用何种测试仪器等，以便在方案设计时将必要的调试方法综合到软、硬件设计中，提早做好调试准备工作。系统调试包括软件调试、 硬件调试及系统调试。 根据不同调试环境， 系统调试可分为模拟调试与现场调试。各种调试所起的作用不同，所处的时段也不一样，但目标是一致的，都是为了查出系统中的潜在错误，提高可靠性，完善系统功能。4.1 硬件部分调试每个单片机应用系统都要经过硬件的调试，不同的系统只是调试过程的繁简而已。 硬件调试一般要先行， 硬件调试成功后， 才有条件进行接口程序的调试。 就目前的硬件集成技术而言， 硬件调试过程相对比较简单。 就本设计而言， 对硬件电路的调试首先可以用万用表测试电路中是否存在短路、 断路、 虚焊等问题， 再检查电源线与地线之间是否有短路现象， 通过观看设计的电源指示灯或测量电源电压就可以判定系统的电源 图 4.1 光电检测是否正常。如果存在就应该及时处理，否则系统中的其它器件就有可能被烧毁，后果十分严重。当以上测试通过之后就可以对系统进行上电测试，检测接地端电压是否接近零电压，接固定电平的引脚端电平是否正确。首先调试好单片机最小系统，上电后，如果 CPU的 ALE 引脚有脉冲信号输出，则说明单片机的时钟电路是正常工作的。上电过程中或点动复位键，如果 RESET引脚的电平从高变化到低，则说明复位电路是正常的；接下来调试温度控制电路，我们可以给一个脉冲信号，看加热电路能否正常工作，如果能够正常工作就表明温度控制电路调试成功；再就是调试温度采集电路；当以上硬件电路都调试好了就可以进入软件的调试。调试电机时为了方便调试，设计中采用一个发光二极管代替太阳光照，用发CADB太阳能自动跟踪系统的设计19光二极管照射阳光接收板时使光线从左向右运动。当光照在光敏电阻 A 上时，触发 LM358的一路驱动，单片机开始给控制电机水平运动的继电器信号，继电器驱动电机带动木板向逆时针方向转动一定角度，光从光敏电阻 A 离开时电机停止转动，这时就可以看光线是否在太阳能电池板的中心，并调节 LM358上的电位器使其在电池板的中心位置，然后用同样的方法调节光敏 B、 C、 D，最终使光照在阳光接收板的中心位置。设计的硬件总电路图如图 4.2 所示。图 4.2 硬件电路总图4.2 软件调试软件调试是通过对用户程序的汇编、 连接、 执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除的过程。软件调试一般采用先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续的调试方法。在软件调试中，首先调试子程序或函数，其次调试中断服务程序或函数，最后调试主程序或函数。许多子程序，如控制算法、数字滤波算法、标度换算、线性化处理等程序和目标硬件无关，对这部分程序完全可以和硬件进行同步调试或先于硬件进行调试。太阳能自动跟踪系统的设计205 总结从资料的查找到电路的设计，从程序的编写到功能的基本实现，一路坎坷。在设计过程中不断的发现问题，同时也不断的解决问题，越来越发觉制作实物相比整体设计要难一些，实际制作过程中会遇到多种多样的问题，要通过不断的测试和实验来解决。不能粗心大意，一开始就因单片机一脚没连接导致单片机不起作用，浪费时间又浪费精力，因此，做任何事都要细心，要考虑的周全，不能因为一时的失败而丧失信心，从哪里跌倒了要从哪里爬起来，只有有了这样的精神，才会从问题中学到更多的知识，为我们以后更好的发展奠定了基础。太阳能自动跟踪系统的设计216 致谢太阳能自动跟踪系统的设计22参考文献［ 1］ 苏平 李晓荃．单片机原理与接口技术．北京北京电子工业出版社 .2003 。［ 2］马长芳 . 新型集成电路及其应用实例 . 科学出版社 .2002 年。［ 3］ [ 日 ] 浜川圭弘著 . 田小平等译 . 太阳光发电 . 新时代出版社 .1979 。［ 4］冷长庚编 . 太阳能及其利用 . 科学出版社 .1975 。［ 5］苏步霄 . 敏感器件及其应用 . 中国铁道出版社 .1987 。［ 6］ [ 美 ] Isaas.R. 霍尔斯特罗姆著 . 张汝航等译 . 太阳能电池与太阳能电子线路 . 上海上海科技文献出版社 .1984 。［ 7］ 吴金戌等编著 .8051 单片机实践与应用 . 北京 清华大学出版社 .2005 年 8 月。［ 8］ 李光才， 楼然笛 . 单片机课程设计实例指导 . 北京 北京航空航天大学出版社 . 2004 年。［ 9］谷树忠，闫胜利主编 .Protel 2004 实用教程 . 电子工业出版社 .2005 年 2 月。太阳能自动跟踪系统的设计23附录 1 硬件总设计图太阳能自动跟踪系统的设计24附录 2 寻光源程序ORG 0000H MINE MOV A,0FFH MOV P1,A MOV A,0FFH MOV P3,A JB P1.0,XIAJIANG JB P1.1,SHANGSHENG JB P1.2,NISHIZHEN JB P1.3,SHUNSHIZHEN JMP MINE XIAJIANG JB P1.2,NIXIA JB P1.3,SHUNXIA CLR P3.5 JNB P1.0,MINE JMP XIAJIANG SHANGSHENG JB P1.2,NISHANG JB P1.3,SHUNSHANG CLR P3.4 JNB P1.1,MINE JMP SHANGSHENG NISHIZHEN JB P1.0,NIXIA JB P1.1,NISHANG CLR P3.6 JNB P1.2,MINE JMP NISHIZHEN SHUNSHIZHEN JB P1.0,SHUNXIA JB P1.1,SHUNSHANG CLR P3.7 太阳能自动跟踪系统的设计25JNB P1.3,MINE JMP SHUNSHIZHEN NIXIA CLR P3.5 CLR P3.6 JB P1.0,NIXIA JB P1.2,NIXIA JMP MINE SHUNXIA CLR P3.5 CLR P3.7 JB P1.0,SHUNXIA JB P1.3,SHUNXIA JMP MINE NISHANG CLR P3.6 CLR P3.4 JB P1.1,NISHANG JB P1.2,NISHANG JMP MINE SHUNSHANG CLR P3.4 CLR P3.7 JB P1.1,SHUNSHANG JB P1.3,SHUNSHANG JMP MINE END 太阳能自动跟踪系统的设计26附录 3 实物照片