太陽光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、.太跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)石強(qiáng)機(jī)電工程學(xué)院04085159.太跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)1，設(shè)計(jì)理念太陽能是一種應(yīng)用前景無限寬廣的新型能源，如何高效的運(yùn)用太陽能是當(dāng)前的一大研究主題， 應(yīng)用太陽能一方面是要有很好的光能轉(zhuǎn)化效率，最基本的是要能充分的利用能接收光照的時(shí)間，另一方面則是要降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功耗，即盡可能少的消耗能量。本設(shè)計(jì)利用光敏電阻構(gòu)成的測(cè)光電路對(duì)太方向進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)信息傳給CPU，CPU 通過傳來的檢測(cè)信息， 改變控制舵機(jī)的信號(hào)使檢測(cè)系統(tǒng)能調(diào)整到正對(duì)太的方向，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)太的跟蹤； 太陽的方位在一天的時(shí)間中總是在改變，能始終捕獲到太陽的方向， 就相當(dāng)于可以提高接收光能的時(shí)間，這樣就可以盡可能多的獲取太陽能。

2、超低功耗處理芯片的使用，及小型舵機(jī)的使用，加上系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)模式（如一般分壓時(shí)采用大的電阻來降低電流損耗）可以為系統(tǒng)盡可能的減小功耗。本設(shè)計(jì)旨在能最大限度的使用新型能源太陽能；因?yàn)橛辛藢?duì)太方向的跟蹤，就可以實(shí)時(shí)的將系統(tǒng)調(diào)整到太正對(duì)的方位，如太陽能電池板等， 這樣就可以獲得最大的太能量。2，創(chuàng)意來源當(dāng)今社會(huì)，隨著對(duì)新能源技術(shù)的重視度加深，新能源應(yīng)用技術(shù)方面也得到了很大的發(fā)展；太陽能作為最有潛力的新型能源，其利用將是極具吸引力的。當(dāng)前由于太陽能的使用受到諸多的局限，一方面是自然條件的局限，因?yàn)樘?陽的方向是時(shí)刻改變著的， 而基本架設(shè)的太陽能電池板是固定不動(dòng)的，這樣，在一天的時(shí)間，固定方向的太陽能

3、接收能力自然是有限的；另一方面是科技水平的局限，即當(dāng)前生產(chǎn)出來的太陽能電能轉(zhuǎn)化設(shè)備的效率并不高，以至于無法提供較大的功率。雖然后者本人暫時(shí)無能為力，但是卻可以在前者上下功夫；曾聽聞舍友說清華曾今有全太陽能供電車設(shè)計(jì)，這種車全身裝載太陽能電池板，可以載一人（當(dāng)然對(duì)人的體重還是有限制的） ，這就說明，相對(duì)較高的光電轉(zhuǎn)化設(shè)備已經(jīng)在展現(xiàn)，如果在此同時(shí)能提高接收光照的時(shí)間的話，效果定然更好。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過光照檢測(cè)，最終達(dá)到系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別光照方向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，始終跟蹤太； 至于加載高性能的太陽能電池板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，暫時(shí)不作擴(kuò)充，但是本設(shè)計(jì)的最終目的在于配合太陽能電池板的使用，提高光能的使用效率。3，系

4、統(tǒng)框圖設(shè)計(jì).4,系統(tǒng)主要元器件選擇（ 1） CPU 的選擇控制系統(tǒng)只需要輸出PWM 調(diào)制波形即可，一般的MSP430 系列單片機(jī)均能滿足要求，這里選用常用的MSP430F149 單片機(jī)作為核心處理器件； 通過軟件的編程，周期的喚醒CPU 以降低在其上的功耗。MSP430F149 引腳圖（ 2）舵機(jī)的選擇.系統(tǒng)要求在滿足需求的情況下盡量降低功耗，由于小型的太陽能電池板本身不是很重，一般的小型舵機(jī)足以滿足載動(dòng)需求，舵機(jī)采用4.8V 供電，要滿足兩個(gè)自由度方向調(diào)整，需小型舵機(jī)兩個(gè)技術(shù)參數(shù) :產(chǎn)品尺寸 : 23x12.2x29mm產(chǎn)品扭矩 : 1.6kg/cm(4.8V)反應(yīng)速度 : 0.1sec/6

5、0degree(4.8v)工作電壓 : 4.8V使用溫度 : 0-55 度動(dòng)作死區(qū) : 10us齒輪介質(zhì) : 尼龍工作模式 : 模擬5，系統(tǒng)電路圖設(shè)計(jì).1D+5V+3. 3VJ112C4C3Moter131061043PIN-1J212CMoter233PIN-1KEY4X1INC1X1OUTX2IN30pFY14MC2X2OUT30pFBX1INY232. 768kHzX1OUTA1234+3.3VTDOJP1D12TDI34TMS56TCK78RST9101112T1314321TKSINUHEADER 7X2YYYMOIOEEESC22KKKTD DRTT TXX+3.3V4321098

6、7654321096666655555555554U?R1cs2s10 IISIT100kD1cssKHNKKAA AMDtDILLVVV/CMU/NTuT 2210T/TT CCAoOKEY1D.A. /OB2A666 TX/ MPP PSDTT S/6T. /R7XC55.P.LED_1551DVccPPP5.4/MCLK48R2247P6.3/A3P5. 3/UCLK1346100kD2P6.4/A4P5. 2/SOM I1445P6.5/A5P5. 1/SIMO1544KEY2P6.6/A6P5.0/SET1643P6.7/A7P4. 7/TBCLKLED_17MSP430F14942

7、VREF+P4.6/TB6841XINP4.5/TB5R3940XOUT/TCLKP4.4/TB41039100kD3VeREF+P4.3/TB31138Moter2VREF-/VeREF -P4.2/TB21237Moter1KEY3P1.0/TACLKP4.1/TB11336P1.1/TA0P4.0/TB0LED_11435P1.2/TA1P3.7/URXD1150KP3.6/UTXD13416P1.3/TA21233R4T KLP3.5/URXD0P1.4/SM CLKAC0100kD4T LA010CTT2UNK/1c0O IKD0 O1I2L 01Cs0MLXBAAAAC AADEC

8、ToATMOKEY4TTTICCARTSSSUUA C/ / / / /5 26170 3465701234. . . .LED_11 21212 2222233333PPPPP PPPPPPP PPPF14X78901234567890121112222222222333Titl eASizeNu mberRev isionA4Date:14-Nov-2010Sheet ofFile:超低功耗原理圖設(shè)計(jì)MyDesig n.ddbDrawn B y :234原理圖說明（圖中用光敏二極管代表光敏電阻）：除單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本外設(shè)外，通過兩個(gè)3 孔排針，用來連接方位控制用的舵機(jī)，舵機(jī)的信號(hào)分別由M

9、SP430F149 的 P4.1 和 P4.2 口輸入，使用第二功能，即分別接的是 TB1 和 TB2 口，通過 PWM 調(diào)制來控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向。測(cè)光系統(tǒng)由四只光敏電阻組成，四只光敏電阻分別放在正四面體的四個(gè)面上，通過分壓之后接入單片機(jī)的A/D 端口；光敏電阻在暗光條件下，阻值在幾百千歐或者幾兆歐， 而在光照條件下阻值降到幾千歐；當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后， 接收光照的光敏電阻阻值下降，使端口呈現(xiàn)接地（電路使用的是100K 的電阻與光敏電阻串聯(lián)后接地），通過對(duì) A/D 采樣值的比較及對(duì)控制算法的設(shè)計(jì)，可以調(diào)整到最終四個(gè)光敏電阻均對(duì)太方向，從而實(shí)現(xiàn)太跟蹤。6，設(shè)計(jì)難點(diǎn).設(shè)計(jì)主要使用到MSP430F149 的定時(shí)器

10、 B 來輸出 PWM 波，定時(shí)器 A 作輔助設(shè)計(jì)， A/D 采集模擬信號(hào)，舵機(jī)控制要求必須是周期為20ms ，脈沖寬度在0.52.5ms 間的 PWM 波，不同脈沖寬度對(duì)應(yīng)的是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的不同角度，一般給定的參數(shù)如下：0.5ms轉(zhuǎn)到 0°位置；1.0ms轉(zhuǎn)到 45°位置；1.5ms轉(zhuǎn)到 90°位置；2.0ms轉(zhuǎn)到 135 °位置；2.5ms轉(zhuǎn)到 180 °位置；此為舵機(jī)在控制時(shí)的理論控制角度，實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)角度須經(jīng)過實(shí)測(cè)得到，以免出現(xiàn)角度超過，損壞舵機(jī);而且，舵機(jī)的一次轉(zhuǎn)動(dòng)角度不宜過大，尤其是當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，因?yàn)槎鏅C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度比較快，轉(zhuǎn)動(dòng)的負(fù)載會(huì)有一定

11、的慣性，而舵機(jī)部是塑料齒輪的卡位，容易損壞。7，MSP430F149 的 TA 定時(shí)器（用到的主要是TB）TA 定時(shí)器分為主計(jì)數(shù)器和比較/ 捕獲模塊兩部分， 主計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)定時(shí)， 計(jì)時(shí)或計(jì)數(shù)，只需定時(shí)，計(jì)數(shù)功能時(shí)，可以只能使用主計(jì)數(shù)器部分。在PWM 調(diào)制，利用捕獲測(cè)量脈寬，周期等應(yīng)用時(shí)，需要比較/ 捕獲模塊配合。在本設(shè)計(jì)中，主要使用的是 PWM 調(diào)制，所以需要使用比較/捕獲模塊。.TA 定時(shí)器的主計(jì)數(shù)器相關(guān)的控制位都位于TACTL 寄存器中，主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值存放于TAR 寄存器中；每個(gè)比較/ 捕獲模塊還有一個(gè)獨(dú)立的控制寄存器TACCTLx，以及一個(gè)比較值 / 捕獲值寄存器TACCRx（x=0,1

12、,2 ）。在一般的定時(shí)應(yīng)用中， TACCRx 可以提供額外的定時(shí)器中斷觸發(fā)條件；在PWM 輸出模式下，TACCRx用于設(shè)定周期占空比；在捕獲模式下，TACCRx存放捕獲結(jié)果。TASSELx： TA 計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘源選擇IDx： TA 計(jì)數(shù)器的預(yù)分頻系數(shù)MCx ：TA 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模式TAIFG：TA 計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志位（中斷標(biāo)志位）當(dāng)通過控制位選擇TA 的捕獲/ 比較模式后， TACCRx的值由軟件寫入， 并通過比較器與主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較；每次相等產(chǎn)生EQU 信號(hào)，該信號(hào)觸發(fā)輸出邏輯，通過OUTMODE 控制位可以配置輸出邏輯，通過不同的輸出邏輯配置來產(chǎn)生各種輸出波形；整個(gè)過程無需CPU 干

13、預(yù)，軟件只需改變TACCRx 的值即可改變波形的某些參數(shù)。TA 比較模塊有 8 種輸出模式（1）模式 0（電平輸出）在模式 0 下，TAx 管腳與普通的輸出I/O 口一樣，可以由軟件操作OUT 控制位來控制 TAx 管腳的電平高低.（2）模式 1 與模式 5（單脈沖輸出）利用比較模塊的模式1 和模式 5，可以代替單穩(wěn)態(tài)電路，產(chǎn)生單脈沖波形（3）模式 3 和模式 7（PWM 輸出）脈寬調(diào)制（ PWM）是最常用的功率調(diào)整手段之一， 所謂脈寬調(diào)制， 是指在脈沖方波周期一定的情況下，通過調(diào)整脈沖（高電平）的寬度，從而改變負(fù)載的通斷時(shí)間的比例，達(dá)到功率調(diào)整的目的（4）模式 2 與模式 6（帶死區(qū)的 PW

14、M 輸出）PWM 調(diào)制不僅能用于功率調(diào)節(jié)，還被廣泛地用于逆變器，開關(guān)電源，變頻調(diào)速，斬波器等高效功率變換應(yīng)用。在這些應(yīng)用中， 因?yàn)樯婕半妷鹤儞Q或者要求輸入與輸出之間隔離，常用變壓器作為能量傳遞部件。 變壓器只能傳遞交流能量， 所以在電路設(shè)計(jì)中常用推挽電路或者半橋式電路來獲得交流大功率信號(hào)（5）模式 4（可變頻率輸出，移相輸出）輸出模式 4 下， TA 計(jì)數(shù)器每次到達(dá) TACCRx值時(shí)， TAx 管腳電平自動(dòng)取反。因此改變TA 的計(jì)數(shù)周期可以改變TAx 管腳的輸出頻率；同時(shí)，若改變TACCRx的值可以改變波形的相位8，程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)由 PWM 產(chǎn)生程序及 A/D 采集程序組成PWM 波形由 T

15、B 定時(shí)器產(chǎn)生，主要是由于1 系列部沒有 BT 定時(shí)器，本人習(xí)慣將 TA 配置成 BT 定時(shí)器形式，方便后續(xù)編程使用A/D 采集程序，主要用于檢測(cè)光敏電阻的接受光照情況，從而判斷太方向.由于太的改變時(shí)間很長(zhǎng)，所以不需要舵機(jī)在短時(shí)間作出反應(yīng)，所以程序設(shè)計(jì)時(shí)，將舵機(jī)的動(dòng)作時(shí)間定為每2s 改變一次，而TB 定時(shí)器輸出波形無需CPU 干涉，所以在程序執(zhí)行的大部分時(shí)間中，可以使CPU 進(jìn)入低功耗模式，降低系統(tǒng)功耗PWM 產(chǎn)生程序（ TB 定時(shí)器）#include "msp430x14x.h"int volatile a,b;/*名稱： Two_Channel_PWM_Produce(

16、)；功能：產(chǎn)生兩路電機(jī)控制方波，P4.1(TB1); P4.2(TB2)*/void Two_Channel_PWM_Produce()P4DIR |= BIT1;/ 將 P4.1 置為輸出P4SEL |= BIT1;/ 將 P4.1 設(shè)置為第二功能P4DIR |= BIT2;/ 將 P4.2 置為輸出P4SEL |= BIT2;/ 將 P4.2 設(shè)置為第二功能TBCTL |= TBSSEL_1+ID_0+MC_1; /時(shí)鐘源選擇 ACLK, 無分頻，增計(jì)數(shù)模式TBCCTL1 =OUTMOD_7;/ TB1 高電平 PWM 輸出，模式 7TBCCTL2 =OUTMOD_7;/TB2 高電平 P

17、WM 輸出，模式 7TBCCR0=655;/PWM 總周期.TBCCR1=a;/ 設(shè)置 TB1 占空比TBCCR2=b;/ 設(shè)置 TB2 占空比/ 實(shí)際舵機(jī)在調(diào)整時(shí)，有極限角度限制/*12 位 AD 采集四路的光敏電阻的信息通過轉(zhuǎn)換給 CPU 進(jìn)行處理*/#include "msp430x14x.h"unsigned int ADC12_Out4;int ADC12_Flag;/ADC 初始化void ADC12_Init()P6SEL = 0x0f;/將 P6.0P6.3 設(shè)置為輸入for(int i=0;i<=3;i+)ADC12_Outi = 0;ADC12CT

18、L0 = ADC12ON + REFON + REF2_5V;./ 序列通道單次轉(zhuǎn)換void ADC12_SampleAll()ADC12CTL0 &= ENC;ADC12CTL0 = ADC12ON + REFON + REF2_5V + SHT0_5 + MSC;/SHT0 SampleTime=96CLKADC12CTL1 = ADC12SSEL_0 + SHP + CONSEQ_1+ CSTARTADD_0;/ConvertTime=13CLKADC12MCTL0 = SREF_1 + INCH_0;ADC12MCTL1 = SREF_1 + INCH_1;ADC12MCTL2

19、 = SREF_1 + INCH_2;ADC12MCTL3 = SREF_1 + INCH_3+ EOS;ADC12IE = BIT3;_EINT();ADC12CTL0 |= ENC + ADC12SC;/ 開始轉(zhuǎn)換/ADC 轉(zhuǎn)換完成中斷#pragma vector = ADC_VECTOR_interrupt void ADC12_IRQ(void).ADC12_Out0 = ADC12MEM0;ADC12_Out1 = ADC12MEM1;ADC12_Out2 = ADC12MEM2;ADC12_Out3 = ADC12MEM3;ADC12_Flag = 1;_low_power_mode_off_on_exit();/*本段程序?yàn)槎鏅C(jī)隨光程序用 AD 通過光敏電阻采集到光照方向的相關(guān)信息通過算法，具體調(diào)整沒有給出，得到相應(yīng)舵機(jī)控制的PWM 波*/#include "msp430x14x.h"#include "ADC_12.h"#include "PWM.h"int volatile temp1,temp2;int i;void Init_TimerA().TACTL=TASSEL_1