太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究

1、太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究 ResearchoftheAutomaticTracking SystemforSolarCell 【摘要】本系統(tǒng)以單片機(jī)技術(shù)為核心，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)電池板發(fā)電電壓進(jìn)行采樣。由軟件對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析，給出指令，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電池板，實(shí)現(xiàn)追蹤太陽(yáng)的效果，達(dá)到提高發(fā)電效率的目的。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池四象限光電池模數(shù)轉(zhuǎn)換自動(dòng)跟蹤正交軸AbstractThesystemisbasedonchipmicrocomputer,samplingthevoltagesignalsofsillionbytheCOMSshipofmodulus.Thesoftwareisused

2、toanalyzethesesignalsandgivesinstructionstocontroltheelectromotorsandmakethebattreyboardrevolve,sothatthesystemcantrackthesunandimprovethepowerefficiency. Keywords:solarcell,photovoltaiccells,A/Dconversion, automatictrackcontrolsystem,OrthogonalAxis目錄 第一章緒論(6 引言 6 論文研究的目的與意義 6 第二章太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理以及應(yīng)用 7 概述

3、 7 太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理8 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用 8 第三章系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 9 系統(tǒng)的構(gòu)成 9 3.1.1全自動(dòng)跟蹤控制器主要幾個(gè)功能 9 系統(tǒng)的工作原理 9 3.2.1工作原理 9 第四章部分的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 11 概述 11 光電檢測(cè)電路 11 4.2.1 象限探測(cè)器 11 4.2.2 四象限光電探測(cè)器原理 12 4.2.3 四象限方位探測(cè)器原理框圖 15 控制系統(tǒng) 15 4.5.1 概述 15 4.5.2 單片機(jī)的應(yīng)用 15 4.5.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 4.5.4 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的一般原則 17 電機(jī)的選擇 19 4.4.1概述 19 1.4 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

4、 19 1.4 直流電機(jī)的 PW 配制 21 4.5A/D 轉(zhuǎn)換/.22 4.4.1 概述 22 4.4.2 卞莫/數(shù)轉(zhuǎn)換器原理.22 電路設(shè)計(jì) 22 ADS7864 特征 22 ADS7864 前端調(diào)理電路 23 ADS7864 與單片機(jī)連接電路 24 第五章軟件實(shí)現(xiàn)程序流程圖 27 結(jié)束語(yǔ) 32 參考文獻(xiàn) 4133第一章緒論 引言 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源和資源的消耗速度越來越快。節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必要條件，人們的注意力正轉(zhuǎn)向再生能源的利用和開發(fā)，太陽(yáng)能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展情景非常廣闊，太陽(yáng)能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。國(guó)內(nèi)外目前已有了很多光伏電站，

5、這些光伏電站的太陽(yáng)能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)電效率低下，制約了大規(guī)模電站的發(fā)展。太陽(yáng)能在我國(guó)多采用彈簧儲(chǔ)能跟蹤式，傳感器跟蹤式的系統(tǒng)，發(fā)電成本還很高，不利于跟蹤系統(tǒng)的推廣與發(fā)展。提高發(fā)電效率是降低成本的捷徑，我們開發(fā)的太陽(yáng)能電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使太陽(yáng)能電池板始終對(duì)著太陽(yáng)，保持最大的發(fā)電效率，具有成本低，免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。 論文研究的目的與意義 太陽(yáng)能的電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)與研究， 提高了太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率，達(dá)到了低成本，高精度，使用靈活的要求，為大規(guī)模使用太陽(yáng)能發(fā)電，合理利用能源進(jìn)行了有益的探索。第二章太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理以及應(yīng)用 概述 太

6、陽(yáng)能并不是一種“替代能源”，而是原始能源和一直以來的資源能源。所有的生命和文明一直由太陽(yáng)能提供能量。擴(kuò)展太陽(yáng)能及其派生的其它可再生能源的技術(shù)應(yīng)用以推進(jìn)文明向前發(fā)展，不僅僅是其歷史角色的合理延伸，而且也是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。 被地球和大氣吸收的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)大氣和海洋流動(dòng)的大循環(huán)，并在地球表面分配能量。太陽(yáng)能是蒸發(fā)的動(dòng)力所在，將水汽從其降落的地方上升到大氣中，然后把清潔的淡水帶給植物，充滿池塘，湖泊，地下水含水層，小溪，河流和海洋，哺育和支持所有形式的生命。太陽(yáng)能通過植物的光合作用進(jìn)行輸送，直接和間接的為地球上所有生命的生長(zhǎng)提供能量。儲(chǔ)存在木材和木質(zhì)作物中的太陽(yáng)能通過在火中燃燒釋放出來，從而再

7、生野生生態(tài)系統(tǒng)。最近，人類通過被控燃燒將儲(chǔ)存的太陽(yáng)能釋放進(jìn)行采暖和做飯，以便在寒冷氣候下為人類提供溫暖。 當(dāng)人類聚居地進(jìn)化為城市時(shí)，太陽(yáng)繼續(xù)通過其能量的延伸使用支持生活和商業(yè)活動(dòng)。由太陽(yáng)提供動(dòng)力的水成為河流，成為大城市的運(yùn)輸工具和所在地。由太陽(yáng)提供動(dòng)力的風(fēng)能被用在大磨房中用來碾米，為海洋上運(yùn)載探險(xiǎn)家，定居者以及商業(yè)物品的帆船提供動(dòng)力，從而進(jìn)行文明間交流。落在水輪上的水將太陽(yáng)蒸發(fā)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械用能，例如，早期印刷機(jī)和軋棉機(jī)，然后驅(qū)動(dòng)早期（水電）發(fā)電機(jī)將電力輸送給城市。 太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理 太陽(yáng)能電池是一對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。 能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：?jiǎn)尉Ч瑁嗑Ч瑁蔷?/p>

8、硅，神化錢，硒鈿銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P 型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得 N 型硅，形成 P島。 當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子在 P-N 結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。 太陽(yáng)能電池的應(yīng)用 上世紀(jì) 60 年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽(yáng)電池應(yīng)用于空間技術(shù)一一通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類不斷自我反省的過程中，對(duì)于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應(yīng)用，在眾多

9、領(lǐng)域中也大顯身手。如：太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能發(fā)電用戶系統(tǒng)、村寨供電的獨(dú)立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護(hù)、光纜通信泵站電源、1 海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標(biāo)、高速公路路標(biāo)等。歐美等先進(jìn)國(guó)家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠(yuǎn)地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽(yáng)電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。/ 第三章系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 系統(tǒng)的構(gòu)成 光伏系統(tǒng)的本質(zhì)就是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)能電池板陣列，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，全自動(dòng)跟蹤控制器，蓄電池組等組成。其核心是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和全自動(dòng)跟蹤控制器。 全自動(dòng)跟蹤控制器主要幾個(gè)功能 .實(shí)時(shí)控制太陽(yáng)能電池板的方向與仰角，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤

10、； .根據(jù)外界的信息，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，適時(shí)作出調(diào)整，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行； .協(xié)調(diào)太陽(yáng)能電池板，蓄電池等設(shè)備，取代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作，構(gòu)成光伏系統(tǒng)的核心。 太陽(yáng)能電池自動(dòng)追蹤系統(tǒng)主要分為機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分主要由電池板支架，底座和直流電機(jī)構(gòu)成，機(jī)械裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以使電池板在水平方向上的 360 度和垂直方向上的 090 度之間自由旋轉(zhuǎn)； 控制部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。 系統(tǒng)的工作原理 3.2.1 工作原理 / 系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，控制水平方向的電機(jī)將處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，單片機(jī)將對(duì)采樣進(jìn)來的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷。電池板可能朝向太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，也可能背向太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，所以電壓也有增大和減小兩種可能。

11、/ 如果電池板朝向太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)采樣電壓必然增大，程序?qū)⒔o出繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的指令，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，單片機(jī)一旦發(fā)現(xiàn)電壓減小，將立即發(fā)出指令，讓電池板反轉(zhuǎn)。為防止機(jī)械抖動(dòng)，當(dāng)電池板電壓再次減小時(shí)，電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電池板正對(duì)著太陽(yáng)。 如果電池板一開始就背向太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，采樣電壓必然會(huì)減小，電池板自然會(huì)反轉(zhuǎn)，這時(shí)就朝向太陽(yáng)方向旋轉(zhuǎn)了，當(dāng)電壓第二次減小時(shí)，也就說明此時(shí)電池板正對(duì)著太陽(yáng)了，電池板停止，水平方向的追蹤完成。 / 在垂直方向上的追蹤原理和步驟與水平方向的完全一致，只是電池板可能轉(zhuǎn)到盡頭而鎖死，此時(shí)采樣電壓保持不變，只要在程序中加入當(dāng)采樣電壓不變時(shí)，電池板反轉(zhuǎn)的指令即可。采樣后要有一延時(shí)，延時(shí)在秒左右比較合適，

12、太大會(huì)影響精度，太小則會(huì)造成采樣電壓不變，程序誤以為電池板鎖死，不在跟蹤太陽(yáng)。兩個(gè)方向的追蹤都完成后，電池板將停止運(yùn)動(dòng)，這個(gè)停止時(shí)間可以自由設(shè)定，實(shí)際系統(tǒng)設(shè)定在 30 分鐘左右比較合適，這樣即可以保持較高的發(fā)電效率又可以防止過多的電能消耗在電機(jī)上。 如果遇到陰天，因尚未存儲(chǔ)正確的位置數(shù)據(jù)，程序?qū)o法定位，這時(shí)應(yīng)用手電筒模擬太陽(yáng)予以定位。有了初始數(shù)據(jù)后，程序就可以自動(dòng)調(diào)整。在光線正常時(shí)，程序每隔 20 分鐘進(jìn)行一次校正，這樣既可以保持較高的發(fā)電效率又可以防止過多的電能消耗在電機(jī)上。當(dāng)晴天校正后，將時(shí)和分組成一個(gè)字節(jié)來表示時(shí)間，方位角和高度角合用 2 個(gè)字節(jié)，其中水平方位角占 9 位，高度角占 7

13、 位，最大可分別表示 512 和 128,故足以達(dá)到 10 的精度，將這三個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)到 89C51 的指定的 RAM 中。如果陰天調(diào)整不成功，則不予存儲(chǔ)，改為調(diào)用前次在同一時(shí)間調(diào)整成功的位置。這樣既可以在陰天時(shí)，調(diào)用已存儲(chǔ)的晴天時(shí)的太 陽(yáng)位置，也可以在晴天時(shí)自動(dòng)校正，清楚因不同季節(jié)太陽(yáng)位置% 的變化而產(chǎn)生的積累誤差。/ 第四章/部分的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 概述 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究主要以單片機(jī)技術(shù)為核心， 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)電池板發(fā)電電壓進(jìn)行采樣，由軟件對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分析，給出指令，驅(qū)動(dòng)支流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電池板，實(shí)現(xiàn)追蹤太陽(yáng)的效果。本章將介紹系統(tǒng)中主要幾個(gè)部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。 光電檢測(cè)電路 太陽(yáng)的方位

14、隨著觀測(cè)位置和觀測(cè)時(shí)間的不同而不同，因止匕，欲跟蹤太陽(yáng)就必須先對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行檢測(cè)定位。 象限探測(cè)器/ 象限探測(cè)器有二象限和四象限探測(cè)器， 又分光電二極管象限探測(cè)器和硅光電池象限探測(cè)器.象限探測(cè)器是在同一塊芯片上制成兩或四個(gè)探測(cè)器， 中間有溝道將它們隔開， 因而這兩或四個(gè)探測(cè)器有完全相同性能參數(shù).當(dāng)被測(cè)體位置發(fā)生變化時(shí)，來自 目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會(huì)引起象限問信號(hào)輸出變化，從而確定目標(biāo)方位，同時(shí)可起制導(dǎo)，跟蹤，搜索，定位等作用./ 四象限光電探測(cè)器原理 四象限光電探測(cè)器實(shí)際由四個(gè)光電探測(cè)器構(gòu)成，每個(gè)探測(cè)器一個(gè)象限，目標(biāo)光信號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測(cè)器上成像（如圖 4-2）o一般將

15、四象限光電探測(cè)器置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，四個(gè)象限上探測(cè)器輸出的光電信號(hào)幅度不相同，比較四個(gè)光電信號(hào)的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標(biāo)的方位）。 半導(dǎo)體四象限探測(cè)器通常是由四個(gè)光電池排列形成直角坐標(biāo)制作在共同的襯底上，彼此電絕緣有單獨(dú)的信號(hào)輸出端，在有光斑投射表面時(shí)，各象限光電池的輸出信號(hào)與所接收的光能量成正比，因此能用以測(cè)出光斑的光亮度中心。若光斑形狀是規(guī)則和已知時(shí)，則可借以確定它的幾何位置。根據(jù)四象限探測(cè)器坐標(biāo)軸線和測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)線間安裝角度的不同，可將它的應(yīng)用方法分作和差電路和直差電路兩種方式。 （1）和差電路式，圖 4-2 給出了和

16、差電路的聯(lián)接方法。這種方式器件的坐標(biāo)線和基準(zhǔn)線成水平安裝。電路的連接是先計(jì)算相鄰象限的和，再計(jì)算和信號(hào)的差。設(shè)光斑形狀為彌散圓，在探測(cè)器四象限I、H、田、IV上所占的面積分別是S1、S2、S3、 S,，光斑直徑為r,光斑中心為O。光斑的光密度均勻，光斑相對(duì)探測(cè)器中心 O的偏移OO=e 可用直角坐標(biāo) xy表示。 測(cè)量范圍乂/r0將探測(cè)器各象限的輸出信號(hào)按圖連接，得到輸出信號(hào)電壓的表達(dá)式為：x UxK(SiS4)(S2S3)Kf(x) UYK(SIS2)(S3S4)Kf(x) 式中f(x)2rx,i1與r2sin1 rr f(y)2ry1y2r2sin1 ,rr 其中，式 4-1 中的 K 是和光

17、束的直徑和功率有關(guān)的變換系數(shù)。圖 4-3 給出了UxKf(x)的特性曲線，可以看出，在小偏移 情況下輸出信號(hào)與輸入偏移量成正比，當(dāng)x/r1時(shí)輸出信號(hào)飽 和。 和差電路的特點(diǎn)是測(cè)量靈敏度較高，非線性影響較小，對(duì)的不均勻性適應(yīng)性較強(qiáng)，適用于高精度的定位測(cè)量。但信號(hào)處理電路復(fù)雜，需要進(jìn)行多次和差運(yùn)算。各環(huán)節(jié)性能的差異會(huì)引起測(cè)量誤差。 (式 4-1) (式 4-2) 小 4-2 四象限探測(cè)器的和差連接 圖 4-3UxKf(x)的特性曲線 (2)直差電路式。圖 4-4 給出了直差電路的連接方法。器件象限坐標(biāo)線和基準(zhǔn)線間成45角安裝。各象限間的連接按對(duì)角線方向相減，測(cè)量裝置輸出信號(hào)的表達(dá)式為 UXK(Si

18、S3)Kf(x) UyK(S2S4)Kf(y)(式 4-3) 四象限方位探測(cè)器原理框圖 信號(hào)通過放大和調(diào)理后由 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)， 由單片機(jī)處理后得到目標(biāo)的方位，并根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要輸出方位控制指令。 控制系統(tǒng) 概述 單片機(jī)是在一塊芯片上集成了 CPU 存儲(chǔ)器、輸入/輸出部件 J 時(shí)鐘電路及各種應(yīng)用系統(tǒng)所需的部件，如 A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等。它具有體積小，使用靈活方便、成本低、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強(qiáng)，可在各種惡劣的環(huán)境下可靠地工作等特點(diǎn)。特別是它強(qiáng)大的面向控制的能力，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設(shè)控制、家用電器、機(jī)器人、軍事裝置等方面得到了廣泛的應(yīng)用。/ 單片

19、機(jī)的應(yīng)用/ .測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 控制系統(tǒng)特別是工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，各種干擾也強(qiáng)，而且往往要求實(shí)時(shí)控制，故要求控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強(qiáng)。/單片機(jī)是最適宜用于控制領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床，電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)控制等。 .智能儀表應(yīng)用 圖 4-5 方位探測(cè)器原理 Mclu前置放大電路 數(shù)扳前調(diào)電模轉(zhuǎn)器病理路 用單片機(jī)制作的測(cè)量、控制儀表，能使儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、柔性化方向發(fā)現(xiàn)，并使監(jiān)測(cè)、處理、控制等功能一體化，使儀表重量大大減輕，便于攜帶和使用，同時(shí)其成本低也提高了性能/價(jià)格比，如數(shù)字式RLC 測(cè)量?jī)x、智能轉(zhuǎn)速表、計(jì)時(shí)器等。 .智能產(chǎn)品 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合， 使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品

20、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化， 控制智能化，構(gòu)成新型的機(jī)、電、儀一體化產(chǎn)品。如數(shù)控車床、電腦空調(diào)機(jī)、各種家用電器和通信設(shè)備等。 .在計(jì)算機(jī)外設(shè)中應(yīng)用 在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除通用外部設(shè)備（鍵盤，顯示器，打印機(jī)）外，還有許多用于外部通信。如數(shù)據(jù)采集，多路分配管理，驅(qū)動(dòng)控制接口等。在接口中采用單片機(jī)進(jìn)行控制和管理后，主機(jī)和單片機(jī)就能并行工作，這不僅大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度，而且單片機(jī)還可對(duì)接口信息進(jìn)行預(yù)處理，以減少主機(jī)和接口的通信密度，提高了接口控制管理的水平，如繪圖儀控制器，打印機(jī)控制器等。 .3.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一般分為兩大類，一類用于科學(xué)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，企業(yè)管理；另一類用于過程控制。對(duì)于前一

21、類，通常由微型計(jì)算機(jī)，屏幕顯示器，鍵盤，打印機(jī)和系統(tǒng)所配置的系統(tǒng)軟件所組成。后一類是微型計(jì)算機(jī)用于過程控制。單片機(jī)用于控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：/ 控制系統(tǒng)的精度高/ 功能強(qiáng)/ 可靠性高，/抗干擾能力強(qiáng) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄，處理方便、 體積小，重量輕，功耗省，投資少，見效快。 因此，以微型計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 .3.4 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的一般原則 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于控制對(duì)象的不同，其硬件和軟件結(jié)構(gòu)有很大差異，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和主要步驟是基本相同的。 在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，一般需要做以下幾個(gè)方面的考慮： 確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù) 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先必須進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的調(diào)

22、研，包括查找資料，進(jìn)行調(diào)查，分析研究。要充分了解技術(shù)要求，使用的環(huán)境狀況以及技術(shù)水平。明確任務(wù)，確定系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，包括系統(tǒng)必須具有哪些功能。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)確定以后，即可進(jìn)行系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，一般包括： (1)機(jī)型以及支持芯片的選擇/ (2)綜合考慮軟，硬件的分工與配合 (3)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)/ 當(dāng)然，硬件的分工明確后，引見和軟件的設(shè)計(jì)工作可以同時(shí)進(jìn)行。但由于微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)關(guān)系密切，在設(shè)計(jì)過程中，還需要經(jīng)常取得協(xié)調(diào)，才能設(shè)計(jì)出較滿意的應(yīng)用系統(tǒng)。/ (一)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部

23、的功能單元，如 ROMRAMI/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則： 1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 2、系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)。 3、硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)

24、現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用 CPU 時(shí)問。 4、系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用 CMOS5 片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。 5、 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分， 它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。 6、 單片機(jī)外圍電路較多時(shí)， 必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。 驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或減少芯片功耗來降低總線負(fù)載。/ 7、盡量朝“單片”方向設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大也不可避免地降低了

25、系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著單片機(jī)片內(nèi)集成的功能越來越強(qiáng)，真正的片上系統(tǒng) SOC 已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，如 ST 公司新近推出的仙 PSD32XX 系列產(chǎn)品在一塊芯片上集成了 80C32 核、大容量FLASH 存儲(chǔ)器、SRAMA/D、I/O、兩個(gè)串口、看門狗、上電復(fù)位電路等等。 （二）系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的，應(yīng)可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的工作程序?qū)嶋H上就是該系統(tǒng)的監(jiān)控程序。對(duì)用于控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序一般是用匯編語(yǔ)言編寫的，編寫程序時(shí)常常與輸入，輸出接口設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)器的擴(kuò)展交織在一起。通常在編制程序前先畫出流程框圖，使編制的各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，子程序化。這不僅便于調(diào)試，鏈接，

26、還便于修改和移植。合理地劃分程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，既能節(jié)省內(nèi)存容量，也使操作方便。 電機(jī)的選擇 概述 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求太陽(yáng)能電池板始終跟著太陽(yáng)的方向， 這就需要有兩個(gè)電機(jī)來控制電池板在水平（電機(jī) A）和垂直（電機(jī) B）的方向。通過直流電機(jī)的控制就可以達(dá)到系統(tǒng)的要求。 使用直流電源的電機(jī)叫做直流電機(jī)。 因此， 只要把直流電機(jī)的端子接到直流電源上就可以簡(jiǎn)單地使其運(yùn)轉(zhuǎn)。直流電機(jī)是一種具有優(yōu)良控制特性的電機(jī)。作為控制用電機(jī)，直流電機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制以及效率高等十分優(yōu)良的特性。/ 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理/ 圖 4-5 所示為直流電機(jī)的機(jī)構(gòu)?？梢钥闯?，直流電機(jī)由永磁鋼構(gòu)

27、成的定子，繞有線圈的轉(zhuǎn)子以及換向器和電刷等構(gòu)成。當(dāng)電流通過電刷和換向器流過線圈時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，這時(shí)轉(zhuǎn)子成為一個(gè)電磁鐵，在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生吸引力或排斥力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由電刷和換向器來切換電流 圖 4-7(b)導(dǎo)體處于 S極下直流電機(jī)的工作原理: 圖 4-7(a)導(dǎo)體處于 N 極下 給兩個(gè)電刷加上直流電源，如上圖 4-7（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab和 cd 收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖 4-7（b）所示的位置,電刷 A和換向片 2 接

28、觸，電刷 B 和換向片 1 接觸，直流電流從電刷 A流入，在線圈中的流動(dòng)方向是 dcba,從電刷 B 流出。 此時(shí)載流導(dǎo)體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。 實(shí)用中的直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，繞組形式同發(fā)電機(jī)。 將直流電機(jī)的工作原理歸結(jié)如下： 1：將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過。 2:電機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在。 3:載

29、流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁力 f的作用 f=Blia（左手定則） 4:所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以 n（轉(zhuǎn)/分）旋轉(zhuǎn)，以便拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載。 直流電機(jī)的 PWF制 系統(tǒng)中，由單片機(jī)的 I/O 接口產(chǎn)生PWM言號(hào)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，同時(shí)又要求電機(jī)正，反轉(zhuǎn)運(yùn)行，則采用微型計(jì)算機(jī)的 PWM 空制。單片機(jī)的 I/O 接口產(chǎn)生PWM言號(hào)，用該信號(hào)來驅(qū)動(dòng)大功率晶體的開關(guān)，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在任何情況下，都需要設(shè)置續(xù)流二極管，以便在晶體三極管 OFF 期間電機(jī)電流能夠繼續(xù)流通而使惦記平滑地旋轉(zhuǎn)。 4.5A/D轉(zhuǎn)換 概述 當(dāng)用計(jì)算機(jī)來構(gòu)成數(shù)據(jù)采集或者過程控制等系統(tǒng)時(shí)， 所要采集的外部信

30、號(hào)或被控制對(duì)象的參數(shù)，往往是溫度、壓力、流量、聲音和位移等連續(xù)變化的模擬量。但是，計(jì)算機(jī)只能處理不連續(xù)的數(shù)字量，即離散的有限值。因此，必須用模數(shù)轉(zhuǎn)換器即 A/D 轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter,ADC)，將模 擬信號(hào)變成數(shù)字量后，才能送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器原理 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理是建立在逐次逼近的基礎(chǔ)上的，即把輸入電壓Vi和一組從參考電壓分層得到的量化電壓進(jìn)行比較，比較從最大的量化電壓開始，有粗到細(xì)逐次進(jìn)行，由每次比較的結(jié)果來確定相應(yīng)的位是 1 還是 0。不斷比較，不斷逼近，知道兩者的差別小于某一誤差范圍時(shí)即完成了一次轉(zhuǎn)換。 電路設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的

31、需要，A/D 轉(zhuǎn)換器使用 ADS7864,單片機(jī)使用最常見的89C51。/ 4.6.1ADS7864 特征/ 6 通道同時(shí)采樣 馬達(dá)控制/ 全差分輸入/ 3 相功率控制、 每通道數(shù)據(jù)吞吐時(shí)間只需 2 仙 S,保證無丟失碼多軸定位系統(tǒng) ，有效采樣速率為 1MHz 并行接口 低功耗：50mW 工作溫度：-40C+85C/TQFP-48 封裝 6 個(gè) FIFO ADS7864 是 TI 公司生產(chǎn)的 12bit 高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器人片上帶基準(zhǔn)電壓源，可用作 ADS7864 的參考電壓。每片 ADS7864 實(shí)際由 2 個(gè)轉(zhuǎn)換速率為500ksps 的 ADC 構(gòu)成， 每個(gè) ADC 有 3 個(gè)模擬輸入通道，

32、 每個(gè)通道都有采樣保持器，2 個(gè) ADC 組成 3 對(duì)模擬輸入端，可同時(shí)對(duì)其中的 13 對(duì)輸入信號(hào)同時(shí)采樣保持，然后逐個(gè)轉(zhuǎn)換。由于 6 個(gè)通道可以同時(shí)采樣，很適合用來轉(zhuǎn)換四象限光電探測(cè)器的 4 路光電信號(hào)，剩下 2 個(gè)通道作系統(tǒng)擴(kuò)展用。 ADS7864 前端調(diào)理電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端調(diào)理電路縮放和平移要采樣的信號(hào)， 通過調(diào)理后的信號(hào)適合 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入要求。 圖 4-8 是 ADS7864 一個(gè)輸入通道的前端調(diào)理電路，ADS7864 模擬輸入通道的+IN 和-IN 的最大電壓輸入范圍為+（ADS7864+5V 供電）。/ 圖 4-8 的電路中使用了 2 個(gè)運(yùn)放，A1 用作跟隨器，用來

33、緩沖 ADS7864輸出的基準(zhǔn)電壓源；A2 和四個(gè)電阻構(gòu)成了信號(hào)調(diào)理網(wǎng)絡(luò)，適當(dāng)配置 R1R4電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào) Vi的縮放和平移以適合 ADS7864 模擬通道的輸入要求。+IN 端的輸入電壓表小如下： R4、， VINVREFVio這樣，在保證V|N R3 以是雙極信號(hào)，調(diào)整 R4,R3 的比例使Vi有合適的輸入范圍。 VIN (R1R2)R3 VREF (R3R4)R2 (R1R2)R4 Vi (R3R4)R2 其中VREF 2.5V,取 (R1R2) R3 (R3R4)R2 1,則上面式子變?yōu)? 05V的前提下，Vj可 ADS7864 與單片機(jī)連接電路 ADS786 轉(zhuǎn)換后的結(jié)果通過

34、 DB0DB15 輸出，若將 BYTE 弓|腳接高電平，則每個(gè)結(jié)果分兩個(gè)字節(jié)從 DB0DB7讀出， 用 8位的單片機(jī)讀取非常的方便。為了避免 89C51 對(duì) ADS7864 的干擾，用一片 74HC244 緩沖器來連接 89C51的 P0 口和 ADS7864 的 DB0DB7,控制 ADS7864 的信號(hào)/HOLDA/HOLDC、A0A2 也是通過 89C51 的 P0 口輸出， 用一片 74HC373 來鎖存這些控制信號(hào)。 圖 4 是 89C51 與 ADS7864 的連接電路圖， 其中略去了其它的一些電路連接。 系統(tǒng)采用89C51的尋址ADS7864,地址為8000H,同時(shí)用這個(gè)地址信號(hào)

35、配合 89C51 的/WR 和/RD 信號(hào)作 74HC244 和 74HC373 的使能信號(hào)。要求當(dāng)89C51 的/RD=0,=1 時(shí)才開啟 74HC244,讀取 ADS7864 的轉(zhuǎn)換結(jié)果；當(dāng) 89C51的/WR=0,=1 時(shí) 74HC373 才鎖存 89C51P0 口上的數(shù)據(jù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)往 ADS7864的控制端寫數(shù)據(jù)，其它時(shí)候 74HC244 和 74HC373 都是關(guān)閉的，這樣避免了89C51P0 口上的其它信號(hào)對(duì) ADS7864 的干擾。采用鎖存器 74HC373 來連接89C51 和 ADS7864 的原因是為了在 ADS7864 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時(shí)候保持/HOLDA/HOLDC、A0A2

36、 端的電平保持不變，免得影響 ADS7864 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的精度。74HC244 和 74HC373 的使能信號(hào)真值表如下： 表 4-174HC244 真值表 89C51 74HC244 /RD /IOE 和/2OE 0 1 0 X 0 1 表 4-274HC373 真值表 89C51 74HC373 /WR LE 0 1 1 X 0 0 根據(jù)真值表，可以用邏輯電路來實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)電能信號(hào)。系統(tǒng)的最終目標(biāo)就是獲取數(shù)據(jù)，然后計(jì)算得出結(jié)果。89C51 控制 ADS7864 轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的代碼如下： MOVDPTR,#8000H;ADS7864 的地址 MOV/A,#B;啟動(dòng) 6 個(gè)通道轉(zhuǎn)換 MOVX

37、DPTR,A NOP;延遲 NOP NOP 對(duì)讀取結(jié)果處理 DJNZR1,LOOP 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，在讀取數(shù)據(jù)前需要延遲的指令周期數(shù)需根據(jù) 89C51 和ADS7864 的運(yùn)行速度來決定。 第五章軟件實(shí)現(xiàn)程序流程圖 本章將主要介紹由軟件來實(shí)現(xiàn)程序的流程圖，主要由主程序框圖，自動(dòng)調(diào)整子程序框圖，時(shí)間校正子程序框圖和全自動(dòng)調(diào)整子程序框圖組成。這樣能夠通過流程圖比較直觀的介紹本系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)理論。MOV R1,#6 ;開始讀取 6 個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果 LOOP:MOVX MOV MOVX MOV A,DPTRR2,AA,DPTRR3,A 主程序柝圖 自動(dòng)調(diào)整子程序框圖 電機(jī)亞位，謁整高度向b b森真方向,(0(0) )方位角8 8也為。逋過日程開關(guān)定茴 瞪維戈康珀為4545 方府角電機(jī)八正向旬動(dòng) 全自動(dòng)調(diào)整子程序和;圖 C百度角調(diào)整0K) RE