基于單片機的太陽能尋光系統(tǒng)的設計

1、黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟職業(yè)學院畢業(yè)論文基于單片機的太陽能尋光系統(tǒng)的設計姓 名： 劉 海 旺 指導教師： 魏 煒 專 業(yè)： 新能源應用技術 班 級： 1 2 1 2014年10月26日目 錄摘 要1前 言21 系統(tǒng)方案設計32 模塊方案設計 32.1 主控模塊32.2 尋光模塊32.3 舵機模塊32.4 電源模塊33 系統(tǒng)硬件設計43.1 供電電路設計43.2 主控電路設計43.3 尋光電路設計54 系統(tǒng)軟件設計54.1 主要程序段概述54.1.1 主程序概述54.1.2 尋光程序邏輯判斷程序54.1.3 內(nèi)置PWM控制舵機程序65 系統(tǒng)程序流程圖65.1 整體程序流程圖65.2 模擬太陽能電池板追光流

2、程圖76 實物展示77 測試與測試9結(jié) 論10參考文獻11致 謝12附 錄13基于單片機的太陽能尋光系統(tǒng)的設計摘 要： 本系統(tǒng)的設計基于單片機對于太陽能電池板的尋光的應用。將模擬太陽能電池板固定在舵機的轉(zhuǎn)臂上，光敏電阻位于模擬太陽能電池板五個方向分布，模擬太陽的東升西落規(guī)律，對不同角度的光強進行采集。采用STC單片機作為整套設計系統(tǒng)的主控核心，對光敏電阻采集到的光強信息進行分析處理，從而控制舵機轉(zhuǎn)動，使太陽能電池板始終對準光強最大的方向，保證了太陽能電池板最大效率的采集吸收電能過程。關鍵詞：單片機，太陽能電池板，光敏電阻，舵機，尋光前 言現(xiàn)今社會，在世界范圍內(nèi)，能源主要是石油，但是其供求嚴重失

3、衡，價格暴漲，影響和波及世界各地的經(jīng)濟發(fā)展，給世界經(jīng)濟發(fā)展帶來極大風險的情況，并且石油能源對環(huán)境的污染十分嚴重。在這樣的惡劣環(huán)境下，開發(fā)其它新型無污染的能源是必然趨勢，太陽能就是一種非常符合世界可持續(xù)發(fā)展的新型能源，它的存儲豐富，無污染，但是由于社會科學技術的限制，對太陽能的開發(fā)利用效率和范圍都不理想，讓無窮無盡的太陽能隨著時間流逝。為了更高效的開發(fā)利用太陽能，本設計系統(tǒng)遵循太陽東起西落的規(guī)律，太陽能正射時候的光強最大，意味著此時光能量越大，系統(tǒng)中用于采集吸收太陽能的太陽能電池板將隨著太陽在時刻移動，使得太陽能電池板能夠始終對準太陽的方向，這樣在白天有陽光的情況下，太陽能電池板吸收的光能就最大

4、化。 下面就是設計與制作的過程。 1.系統(tǒng)方案設計本設計是基于單片機對于太陽能電池板的尋光系統(tǒng)的應用。其數(shù)據(jù)處理和智能控制的核心芯片就是單片機，針對于所需功能，此處采用STC系列單片機，利用光敏電阻特性完成光信號的采集，采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將處理的結(jié)果通過舵機轉(zhuǎn)動的角度來反映。單片機能夠根據(jù)光敏電阻采集的數(shù)據(jù)可以判斷光信號最強的方向，來控制舵機轉(zhuǎn)動將模擬太陽能電池板偏向光強最強的方向?？傮w框圖如圖1所示。電源模塊 供電 供電供電 模擬太陽能電池板 主控模塊單片機STC89C52(處理.控制)尋光模塊舵機模塊 圖1 系統(tǒng)總體框圖2. 模塊方案設計 2.1 主控模塊采用S

5、TC單片機作為控制芯片，其處理速度快、應用簡單，性價比高；并且有內(nèi)置的PWM波和AD轉(zhuǎn)換，這樣利用此單片機的PWM波來實現(xiàn)舵機的伺服控制就很簡單。 2.2 尋光模塊 采用光敏電阻檢測光源。由于光敏電阻的本身特性，其接受光照面電阻的阻值變化，有光和無光對于電阻的阻值大小起一定作用，在硬件實現(xiàn)上，采用5個光敏電阻，成圓周分布，來探測光源的方向。 2.3 舵機模塊 本設計系統(tǒng)中，模擬太陽能板固定在舵機的機臂上，單片機通過控制舵機擺動來帶動太陽能電池板偏轉(zhuǎn)，使其能夠準確的對準光照最強的方向。 2.4 電源模塊 本系統(tǒng)的電源主要分成兩部分組成：主控部分和轉(zhuǎn)動部分。為了防止系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故采用了雙電源模式

6、，利用可充電鋰電池作為主控部分的供電電源；模擬太陽能電池板轉(zhuǎn)動的電能由另外一個電源提供。3.系統(tǒng)的硬件設計 3.1供電電路設計由于此系統(tǒng)用于戶外光能采集，供電電源應采用獨立電源最為適宜。另外考慮本控制模塊與舵機的工作電壓為5V單電源，故此系統(tǒng)采用了三端穩(wěn)壓芯片L7805將鋰電池的7.2V直流電穩(wěn)壓成DC5V，電路圖如圖2所示。 圖2 DC5V穩(wěn)壓電源電路原理圖3.2 主控電路設計主控電路主要是型號為STC89C52的單片機，此款單片機是STC系列中最為常用的一種，功能多，實用性能高。由于本系統(tǒng)中要控制舵機偏轉(zhuǎn)來保證模擬太陽能電池板始終對準光源方向，但是舵機的控制是通過PWM波實現(xiàn)的，恰好STC

7、單片機內(nèi)部自帶PWM功能，這樣舵機控制部分就不需要外圍電路，使得整體電路簡單易行。并且STC單片機功能多，處理速度快?？刂颇K的電路原理圖如圖3所示，主要包括單片機、晶振電路、復位電路以及各個控制引腳。晶振電路單片機復位電路 圖3 控制模塊電路原理圖 3.3 尋光電路設計尋光電路主要利用光敏電阻的光特性實現(xiàn)對光源的檢測。其電路原理圖見圖4所示。 圖4 尋光電路原理圖 4.系統(tǒng)的軟件設計4.1主要程序段概述4.1.1 主程序 void main() /主程序 主程序就是本設計系統(tǒng)的軟件核心，來控制系統(tǒng)正常運作。主程序主要由各個子程序合理組合搭配構(gòu)成的，它能夠統(tǒng)一調(diào)用子程序，控制硬件電路，實現(xiàn)整體

8、功能。任何一個軟件都僅有一個主程序，它相當于系統(tǒng)的心臟，缺它不可。4.1.2 尋光信號邏輯判斷程序uchar guang_scan() /尋光信號邏輯判斷程序 switch(i) /邏輯判斷 case . 尋光信號邏輯判斷程序主要采用了“switchcase”多條件選擇語句，此程序利用“switchcase”語句主要用于選擇判斷光照信號的方位，以便于控制太陽能電池板能夠及時準確地對準太陽，實現(xiàn)最大光能采集，以獲取更多的電能用于實際生活生產(chǎn)。4.1.3 內(nèi)置PWM控制舵機程序void port_init(void) / 單片機IO口定義程序 void timer0_init(void) /時鐘初

9、始化程序 void devices_init (void) /電機初始化程序 void delay_short(uint t) / 短延時 void PWM(void) /PWM波控制程序 PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可

10、以使用PWM進行編碼。6 許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器，本系統(tǒng)利用了STC單片機內(nèi)置PWM波控制舵機偏轉(zhuǎn)?？梢赃x擇接通時間和周期，占空比是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。使用PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調(diào)制高頻

11、方波并將信號還原為模擬形式。 總之，PWM既經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強。 5.系統(tǒng)程序流程圖 5.1 整體程序流程圖如圖5所示。開始 初始化尋光延時延時判斷光強方向舵機偏轉(zhuǎn)不動作 方向改變方向不變 停止 無光照 圖5 整體程序流程圖5.2 模擬太陽能電池板追光流程圖開始如圖6所示尋光PC0=0PC0=0PC0=0PC0=0PC0=023542354235423542354 圖6 太陽能電池板追光流程圖6. 實物展示實物展示包括整體實物展示和各模塊實物展示介紹，以下實物圖皆拍攝于室內(nèi)。 圖7 系統(tǒng)整體實物展示 圖8 舵機模塊 圖9 供電模塊 圖10 主控模塊 圖11 尋光模塊7.測試與調(diào)試電路測

12、試：利用萬用表檢測電路，檢查電路中是否存在短路或斷路，發(fā)現(xiàn)問題逐個解決；電路在無輸入狀態(tài)下檢查正常時，利用鋰電池給電路供電，給予不同角度的光源照射，通過示波器觀察單片機PWM波形輸出是否正常。在一切準備工作都正常就緒的情況下，在特殊環(huán)境下測試尋光源模塊能否正常工作，測試過程中記錄數(shù)據(jù)，最后根據(jù)測試結(jié)果，調(diào)整電路性能。模擬測試：利用白熾燈模擬太陽，通過改變白熾燈方向和位置，觀察太陽能電池板的動作，與理論情況比較，以便完善程序。同時對太陽能電池板的轉(zhuǎn)動時間定時，記錄規(guī)定時間內(nèi)，模擬太陽能電池板轉(zhuǎn)動的角度，與相同時間，太陽能電池板不尋光進行比較，從而判斷太陽能板尋光轉(zhuǎn)動的效率。調(diào)試：調(diào)試工作是個精細

13、的工作。在調(diào)試過程中，有些問題是芯片本身損壞引起的，有的時候也是因為焊接問題引起的。因此，排查過程需要顯示電路不穩(wěn)定的問題要特別的耐心，通過對芯片功能的校驗，對焊點逐個檢查，最后排查出問題所在，當發(fā)現(xiàn)問題并解決問題后，系統(tǒng)電路板即可以正常實現(xiàn)其功能。結(jié) 論結(jié)合當今社會的發(fā)展現(xiàn)狀，能源危機越來越嚴重，太陽能作為一種綠色、環(huán)保、可再生的能源，越來越受到人們的青睞，一系列太陽能產(chǎn)品相繼問世。但是遺憾的是，太陽是在時刻運轉(zhuǎn)的，然而太陽能電池板卻只能固定角度采光，這樣使得大量光能流失浪費了。本系統(tǒng)基于獲得更多的太陽能，設計了太陽能板能夠自動尋光追光裝置，能夠在相同環(huán)境下，采集更多的光能。并且實驗證明，尋

14、光系統(tǒng)是可行的，如果在電路設計和安裝工藝上能夠再加改善，效果還是很理想的。此系統(tǒng)在設計和調(diào)試過程中，出現(xiàn)了很多錯誤和缺陷，或者是由于程序不精確，導致實驗調(diào)試時，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，效果不理想。通過此次設計，發(fā)現(xiàn)不論是硬件設計還是編寫程序，都需要進行縝密分析，把握整套系統(tǒng)的工作狀態(tài)。還要進行多次實驗調(diào)試，記錄數(shù)據(jù)以便分析。一個完善的系統(tǒng)是多次調(diào)試的結(jié)晶。參考文獻1 百度文庫. 2 李文方.單片機原理與應用M.哈爾濱: 工業(yè)大學出版社，2010-8-1.3 百度百科.4 百度百科.5 百度文庫.6 王久和.電壓型PWM整流器的非線性控制M.北京：機械工業(yè)出版社2010-9-1.致 謝這次畢業(yè)設計得到了很

15、多人的幫助，其中魏煒老師對我的關心和支持尤為重要，每次遇到難題，我首先想到的就是向魏老師尋求幫助。另外，他嚴謹?shù)淖黠L使我的論文即使在謹小細微處也給予了糾正，讓我的論文無論是結(jié)構(gòu)還是內(nèi)容變得更加公整、緊湊，感謝魏老師對我的悉心指導。感謝校方給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成這樣一個設計，作為檢驗這些年來學習的成果,在這個過程當中，學校給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時間里，能夠更多學習一些實踐應用知識，增強了我們實踐操作和動手應用能力，提高了獨立思考的能力。再一次對我的母校表示感謝。感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的同學，和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，正是因為有了你們的幫?/p>

16、，才讓我不僅學到了本次課題所涉及的新知識，更讓我感覺到了知識以外的東西，那就是團結(jié)的力量。附 錄#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int1尋光信號判斷程序：uchar guang_scan() PORTC=i; switch(i) case 0xFE: guang=0x0;case 0xFD: guang =0x1;case 0xFB: guang =0x2;case 0XF7: guang =0x3;case 0xDF: guang =0x4;case 0xBF: guang =0x5;case

17、0x7F: guang =0x6; else guang =0x7;return guang; 2內(nèi)置PWM控制舵機程序：void port_init(void) / I/O口定義函數(shù) PORTA = 0x00; DDRA = 0x00; PORTB = BIT(PB3); DDRB = BIT(PB3); PORTC = 0x00; /m103 output onlyDDRC = 0x00; PORTD = 0x00; DDRD = 0x00; void timer0_init(void) / 定時器初始化函數(shù) TCCR0 = 0x00; /stop TCNT0 = 0x01; /set c

18、ount OCR0? = 0xFF; /set compare TCCR0 = 0x62; /start timer ; 相位修正, 8分頻 void devices_init (void) / 舵機控制初始化程序 CLI(); /disable all interrupts? port_init(); timer0_init(); MCUCR = 0x00; GICR = 0x00; TIMSK = 0x00; /timer interrupt sources? SEI(); /re-enable interrupts? void delay_short(uint t) / 短延時 uint i; for (i=0;it;i+); void PWM(void) / PWM波控制程序uchar guang, OCR0_V; init_devices();OCR0_V = 0xff; while(1)