基于msp430的太陽跟蹤系統(tǒng)

1、2011-2012德州儀器C2000及MCU創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目報(bào)告題 目： 基于MSP430的太陽跟蹤系統(tǒng)組別： 本科組應(yīng)用類別： 控制系統(tǒng)類平臺(tái)： MSP430 題 目：基于MSP430的太陽跟蹤系統(tǒng)摘要（中英文） 基于MSP430的太陽跟蹤系統(tǒng)本設(shè)計(jì)基于MSP430f149芯片，制作了一個(gè)用于精確跟蹤太陽收集能量的系統(tǒng)。系統(tǒng)由430單片核心、光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換、追蹤太陽部分、電壓采集、無線數(shù)據(jù)發(fā)送、PC機(jī)交互界面六部分組成。光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換卡感知太陽位置實(shí)現(xiàn)跟蹤，由AD實(shí)時(shí)采集各部分電壓并發(fā)送到PC上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。關(guān)鍵詞：太陽跟蹤、msp430 Sun tracking system based

2、on the MSP430This design based on the MSP430f149 chip, made a used to accurately track the sun collect energy system. By 430 single chip system core, light signal acquisition conversion, track the sun part, voltage collection, wireless data transmission, the PC interface six parts. The light signal

3、acquisition conversion card perception the sun position track, and the real-time data acquisition by AD each part to achieve the PC voltage and real-time monitoring.Key words: the sun tracking 、 msp4301. 引言隨著現(xiàn)在社會(huì)太陽能利用的普及，太陽能利用率成了一個(gè)大家普遍關(guān)注的問題?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)了這個(gè)可以精確跟蹤太陽并可實(shí)時(shí)監(jiān)控電池板電壓的系統(tǒng)，此外為了便于分析能量利用情況，我們同時(shí)通過軟件的方

4、式將電池的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的保存在文件中便于以后查看。 在設(shè)計(jì)過程中所要解決的首要問題便是使電池板實(shí)時(shí)精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)太陽的同時(shí)盡可能地降低功耗，其次是能夠?qū)?shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到PC上，并顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。MSP430單片機(jī)是一款超低功耗的單片機(jī)，并且內(nèi)部多個(gè)AD為我們提供了極大地方便。在這個(gè)設(shè)計(jì)中我們選擇了430f149這款單片機(jī)，及降低了功耗，又節(jié)約了成本。2. 系統(tǒng)方案 2.1 總體介紹本設(shè)計(jì)是以外部電路盡量簡(jiǎn)單，充分使用MSP430的內(nèi)部設(shè)備資源的前提完成的。信號(hào)處理和AD采樣部分均以430單片機(jī)內(nèi)部資源為核心處理的。其它部分分為：光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換、追蹤太陽部分、無線數(shù)據(jù)發(fā)送、PC交互顯示四部分組成。

5、總體框圖如圖2.1所示 2.2 AD采樣 通過430單片機(jī)內(nèi)部的A0和A1兩路12位的AD實(shí)現(xiàn)對(duì)所要測(cè)量的電壓的精確采樣，以其內(nèi)部2.5v作為參考電壓。其中由于電池板和電池的電壓均高于2.5伏，因此采用在電池上并聯(lián)電阻降低電壓的方法達(dá)到所需的采樣電壓。 在單片機(jī)內(nèi)部，將采集到的電壓按公式：將其轉(zhuǎn)換為所采集到的實(shí)際的電壓值。由于電池板的電壓不穩(wěn)定，而AD采樣速度有很快，這會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，跳變很大。因此我們將連續(xù)采集的三十二個(gè)數(shù)據(jù)放進(jìn)一個(gè)數(shù)組中求平均值，將平均值顯示傳送給PC，乘以相應(yīng)的系數(shù)便得到電池和電池板上的真正電壓。 由于實(shí)行的是多通道多次轉(zhuǎn)換，因此是單片機(jī)每采集兩路數(shù)據(jù)共64組

6、數(shù)據(jù)，才求平均值。2.3 光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換 光傳感器是有4路光敏電阻組成的光敏陣列，光敏電阻由于光照不同阻值不同，因此可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送到由一個(gè)電壓比較器作為主體的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡中，將由電信號(hào)產(chǎn)生的模擬量轉(zhuǎn)換為由十六進(jìn)制組成的數(shù)字量，當(dāng)轉(zhuǎn)換卡輸出0x0100時(shí)，既是前方光強(qiáng)，0x1000時(shí)，既是后方光強(qiáng)，0x0001時(shí)，既是左方光強(qiáng)，0x0010時(shí)，既是右方光強(qiáng)，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)的數(shù)字量控制相應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.4 追蹤太陽部分該部分主要由兩個(gè)舵機(jī)組成的二自由度云臺(tái)控制太陽能電池板所對(duì)的位置。一個(gè)舵機(jī)控制電池板的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)電池板控制舵機(jī)的前后轉(zhuǎn)動(dòng)，因此兩個(gè)舵機(jī)可以控制太陽能電池板實(shí)現(xiàn)在整個(gè)

7、空間轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到精確跟蹤太陽的目的。2.5 無線數(shù)據(jù)發(fā)送無線數(shù)據(jù)發(fā)送由430單片機(jī)內(nèi)部的UART模塊和一個(gè)無線數(shù)據(jù)發(fā)送器組成。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到光信號(hào)采集卡中發(fā)送的信號(hào)一直是0x0f0f時(shí)，證明此時(shí)太陽能電池板是正對(duì)著太陽，因此啟動(dòng)單片機(jī)的AD采樣部分，當(dāng)單片機(jī)判斷采集夠三十二個(gè)數(shù)，求平均值后，變將其付給TXBUF0，即發(fā)送緩沖器，將其發(fā)送出去。由于單片機(jī)內(nèi)部采用的是多通道多次，當(dāng)共采集64個(gè)數(shù)據(jù)后，單片機(jī)發(fā)送一次。在PC上需要分辨不同電池的數(shù)據(jù)和太陽能板的數(shù)據(jù)，因此在每次發(fā)送時(shí)，430單片機(jī)首先向電腦發(fā)送一個(gè)字符作為識(shí)別碼，a代表電池一的數(shù)據(jù)，d代表電池二的數(shù)據(jù)，g代表太陽能電池板的數(shù)據(jù)。PC做相

8、應(yīng)的處理后便顯示出對(duì)應(yīng)的曲線。AD每次轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)超過了8bit，因此單片機(jī)無法一次發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)，因此需要多次發(fā)送。將數(shù)據(jù)按如下方式： 待發(fā)送變量1=； 待發(fā)送變量2=；經(jīng)過兩次數(shù)學(xué)運(yùn)算：取模和取余運(yùn)算后，便可將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC上。 通過把一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三等份將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，既保證了數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確性，又保證了數(shù)據(jù)的可分辨性。2.6 PC交互顯示PC上的交互顯示界面是用labview做的一個(gè)較直觀的觀察窗口。難點(diǎn)一就是在于將430單片機(jī)發(fā)送的字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，并用圖標(biāo)曲線的方式表現(xiàn)出來，難點(diǎn)二在于識(shí)別不同的數(shù)據(jù)，以顯示在不同的電池以及太陽能電池板對(duì)應(yīng)的曲線上。由于在單片機(jī)內(nèi)部發(fā)

9、送數(shù)據(jù)之前發(fā)送了一個(gè)識(shí)別碼，因此PC機(jī)可以較輕松的識(shí)別出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，每次取三個(gè)數(shù)據(jù)，第一個(gè)數(shù)據(jù)用于分辨數(shù)據(jù)類型，通過一下方式：（數(shù)據(jù)1*256+數(shù)據(jù)2） 便可得到一個(gè)完整的電壓數(shù)據(jù)，最后再將數(shù)據(jù)發(fā)送到Labview內(nèi)部自帶的曲線圖上就可可以滿足顯示不同曲線的要求。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要由光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換、二自由度云臺(tái)、電池轉(zhuǎn)換電路、太陽能充電管理、無線數(shù)據(jù)傳送、5V穩(wěn)壓電源六部分組成。3.1 光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換 光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換部分主要部分是光敏電阻組成的光敏陣列和以芯片LM339組成的電壓比較器。光敏陣列共四路，分別感知前后左右的光強(qiáng)，并將光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)闉殡妷旱哪M量。光敏電阻的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在通

10、常情況下的電阻是10K左右，因此所消耗的功率極少，滿足低功耗的要求。將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的數(shù)字量需要極高的靈敏度，并且在這個(gè)過程中消耗的電能也不能過高，而LM339是一款高精度、低失調(diào)、低功耗、擁有四路獨(dú)立比較功能的集成專用電壓比較器芯片，與我們的要求非常符合。在如下電路圖3.1中，我們又巧妙地的分別將前、后、左、右兩路的反相輸入端與后、前、右、左的同相輸入段比較，與傳統(tǒng)的電壓比較器的連接方法相比，具有更加準(zhǔn)確。靈敏度更高不、易于調(diào)節(jié)、電路簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且充分利用了一個(gè)電壓比較器的四路比較單元，因此最后的比較效果更加出色。通過一片LM339，我們將由光敏電阻產(chǎn)生的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成

11、了單片機(jī)所需要的數(shù)字量。3.2 二自由度云臺(tái) 在實(shí)際應(yīng)用中由于太陽在一直運(yùn)動(dòng)，就需要太陽能電池板時(shí)刻不停的轉(zhuǎn)動(dòng)以時(shí)刻保持與太陽光線成九十度角，因此需要一套能保證太陽能電池板在三維空間中轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。通過對(duì)各種裝置的研究，最終決定選用二自由度云臺(tái)，云臺(tái)中有兩個(gè)舵機(jī)，在支撐普通的太陽能電池板的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)每個(gè)舵機(jī)的工作電流是200ma左右，靜止時(shí)每個(gè)舵機(jī)的電流在100ma左右，相對(duì)于其它的馬達(dá)來說，所消耗的功率較小，符合低功耗的要求。此外，舵機(jī)有個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以控制它轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，實(shí)現(xiàn)精確定位的目的。3.3 電池轉(zhuǎn)換電路 電池轉(zhuǎn)換電路我們暫時(shí)選用的是通過一個(gè)三極管控制繼電器 ，實(shí)現(xiàn)不同電池間的切換，便于

12、太陽能電池板長(zhǎng)時(shí)間工作。首先電池一接的是繼電器的常閉開關(guān)，這樣在給電池一充電時(shí)繼電器部分是不消耗電能的，只有在電池已充滿電后，單片機(jī)給三極管一個(gè)高電平，繼電器實(shí)現(xiàn)了跳變，實(shí)現(xiàn)了太陽能電池板給電池二充電，這樣可以盡可能的減少電能的損耗，實(shí)現(xiàn)低功耗。3.4 太陽能充電管理 由太陽能電池板幾乎沒有像鋰電池一樣8.4伏或者8.2伏這樣的電壓，因此需要將太陽能電池板電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以達(dá)到適合給鋰電池充電的電壓。此外，給電池充電時(shí)，電池會(huì)有虛電壓，而且為防止電池?fù)p壞要防止過充，因此需要一款合適的電池管理芯片對(duì)電池充電進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)充電過程中的涓流充電、橫流充電，并防止過沖和回流保護(hù)等?；诖耍覀冞x擇了cn

13、3722這款芯片，它具有PWM降壓模式充電管理集成電路，具有太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能。CN3722非常適合對(duì)單節(jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。3.5 無線數(shù)據(jù) 由于太陽能電池板通常位于陽光下，而監(jiān)控設(shè)備以及管理人員不可能一直守在電池板跟前記錄觀察數(shù)據(jù)，因此需要將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)處，而用有線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送需要耗費(fèi)大量的成本，并且需要較高的維護(hù)費(fèi)用和大量的維護(hù)人員，因此我們選擇無線進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)的方式，一是可以減少大量資金的投入，減少維護(hù)人員的數(shù)量，二可以不必考慮地形的影響，三是設(shè)備占用空間少，維護(hù)簡(jiǎn)單。 我們選用的是XL02-2322無線數(shù)傳模塊

14、，只需要將它的TXD和RXD分別與430單片機(jī)的3.5，3.4口連接起來即可。如圖3.53.6 5V穩(wěn)壓電源由于電路中所有的模塊均工作在5v電壓的條件下，因此需要有五伏電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。我們采用的是兩片7805 5V變壓芯片并聯(lián)，將12伏的電源轉(zhuǎn)換成5V電源給整個(gè)系統(tǒng)供電。7805分別用100uf的電解電容和104的瓷片電容濾波，7805加上散熱片，可以滿足兩個(gè)舵機(jī)最大工作電流時(shí)的電流，電路可以穩(wěn)定工作。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序部分共分為兩部分：430單片機(jī)內(nèi)程序，PC機(jī)上監(jiān)控界面程序。l算法設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于將單片機(jī)內(nèi)部的UART、AD等聯(lián)合起來協(xié)同工作。并能保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。1、 程序中

15、首先檢測(cè)太陽能電池板是否正對(duì)著太陽，一旦發(fā)現(xiàn)沒有正對(duì)太陽，單片機(jī)內(nèi)部立刻停止其它的一切工作，修正太陽能板的位置，直到太陽能板與太陽光線成九十度。2、 此時(shí)AD開始采樣，多通道重復(fù)模式，直到A1、A2兩通道各采樣32次放到數(shù)組中，單片機(jī)分別對(duì)兩組數(shù)據(jù)取平均值。3、 判斷數(shù)據(jù)平均值是否大于8.4，若連續(xù)計(jì)算的平均值均大于32次，繼電器轉(zhuǎn)換待充電電池。4、 單片機(jī)對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別取余和取模，準(zhǔn)備發(fā)送。5、 首先判斷是電池充電的序號(hào)，如電池一正在充電，發(fā)送字符a，否則發(fā)送字符d，接著將取得余和模分別發(fā)送，接著發(fā)送字符g，再發(fā)送電池板的數(shù)據(jù)。6、 返回步驟一。其中發(fā)送部分代碼下所示：if(jid

16、qi = 32) P4OUT &= BIT0; /P4.0 low，繼電器接電池2 PutChar(d); /電池2數(shù)據(jù)，代表字母：d delaynus(60000); /延時(shí)10ms PutChar(shuhou); delaynus(60000); /延時(shí)10ms PutChar(shuqian); delaynus(60000); /延時(shí)50ms PutChar(g); /太陽能板電壓數(shù)據(jù) delaynus(60000); /延時(shí)10ms PutChar(shuhou2); delaynus(60000); /延時(shí)10ms PutChar(shuqian2); delaynus(6000

17、0); /延時(shí)50ms l PC機(jī)監(jiān)控界面程序主要思想為：1. 接收單片機(jī)發(fā)送的字符，設(shè)置為一次接收3個(gè)字符串2. 判斷驗(yàn)證字符，為a，將后兩個(gè)字符串的值賦給電池一的曲線；為d，將后兩個(gè)字符串的值賦給電池二的曲線；為g，將后兩個(gè)字符串的值賦給太陽能電池板電池的曲線；5. 系統(tǒng)創(chuàng)新1) 本系統(tǒng)采用TI公司的msp430f149,芯片進(jìn)行開發(fā)，充分利用片內(nèi)的資源，進(jìn)行利用能源的項(xiàng)目開發(fā)，及較大的降低了功耗，也節(jié)約了大量成本。2) 對(duì)于精確跟蹤太陽部分，首次以一片簡(jiǎn)單的電壓比較器芯片取代了傳統(tǒng)的通過讀取GPS信息來確定太陽位置的方法，及降低了功耗，有減少了成本，而且適應(yīng)性強(qiáng)，不必每換一個(gè)位置便要修改程序。3) 采用無線通訊的模式，相比于用有線傳送數(shù)據(jù)的方式更加的節(jié)約成本，減少了外部器件的使用。4) 能夠一次給多個(gè)電池充電，提高了效率。5) 通過PC機(jī)的監(jiān)控界面，能夠?qū)崟r(shí)的觀察到電池和太陽能電池板的數(shù)據(jù)，為分析太陽能的利用率提供了可靠地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。6. 評(píng)測(cè)與結(jié)論模塊測(cè)試方法達(dá)到的指標(biāo)跟蹤太陽部分1：以燈光在室內(nèi) 照射太陽能電池板2：在室外太陽下測(cè)試，并測(cè)量光線的角度1：室內(nèi)太陽能電池板一直跟蹤燈光，始終跟蹤燈光，與其成九十度角。2：戶外