向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)WEIJI成績(jī)?cè)u(píng)定表設(shè)計(jì)課題 向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器設(shè)計(jì)學(xué)院名稱 ： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) ： 自動(dòng)F0902 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號(hào) ： 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計(jì)地點(diǎn) ： 設(shè)計(jì)時(shí)間 ： 目 錄1 引言42 總體方案設(shè)計(jì)42.1硬件組成42.2 方案論證52.3 總體方案63 硬件電路設(shè)計(jì)63.1 單片機(jī)及其外圍電路63.2 光強(qiáng)傳感器及其電路83.3 A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）及其與MC9S08AW60接口電路103.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路113.5向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器總電路設(shè)計(jì)124 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)135總結(jié)15參考文獻(xiàn)15附錄A 系統(tǒng)原理圖161 引言進(jìn)入21世紀(jì)以來，環(huán)保

2、問題日益突出，新能源的研究也越來越多的被關(guān)注。太陽(yáng)能的利用是現(xiàn)階段利用最多的新型能源。比較成熟的產(chǎn)品包括：太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能汽車、衛(wèi)星太陽(yáng)能供電裝置等等。所有的這些產(chǎn)品最重要的環(huán)節(jié)是太陽(yáng)能電池板吸收陽(yáng)光產(chǎn)生電能。一般太陽(yáng)能電池板朝向是固定的,而太陽(yáng)的位置在變化,無法保證太陽(yáng)光始終垂直于太陽(yáng)能電池板,使得轉(zhuǎn)換效率降低,造成所需的電池板面積增大,設(shè)備成本增加,不利于推廣與應(yīng)用。我的課程設(shè)計(jì)：向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器設(shè)計(jì)，主要的功能是使太陽(yáng)能電池板能夠自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的方位，即太陽(yáng)光線始終垂直照射在太陽(yáng)能電池板上。這樣太陽(yáng)能電池板就能產(chǎn)生更多的電能，提高了轉(zhuǎn)換效率。能夠進(jìn)一步擴(kuò)大太陽(yáng)能的應(yīng)用范圍。由

3、于專業(yè)知識(shí)的限制，我只設(shè)計(jì)了控制部分，所以假設(shè)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)所預(yù)定的功能，即能夠讓太陽(yáng)能電池板按照預(yù)定的控制輸出方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制功能。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1硬件組成圖2.1 硬件方框圖硬件方框圖如圖2.1所示。按照向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器的工作原理，控制系統(tǒng)的硬件應(yīng)包括以下幾部分：（1）控制器。作為控制系統(tǒng)的核心，可采用工控機(jī)、DCS或微控制器，控制AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換，對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)按照預(yù)定的程序進(jìn)行處理以及根據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號(hào)。（2）光強(qiáng)傳感器。通過自制的光強(qiáng)傳感器，將四個(gè)方向的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。（3）A/D轉(zhuǎn)換器。將光強(qiáng)傳感器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 （4）直流電機(jī)及

4、驅(qū)動(dòng)模塊?？刂破鬏敵龅目刂菩盘?hào)控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，再經(jīng)過設(shè)計(jì)好的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改變太陽(yáng)能電池板的朝向。2.2 方案論證（1）控制器由于太陽(yáng)能電池板工作的靈活性，以及為了讓向日葵式太陽(yáng)能電池板控制系統(tǒng)能夠被廣泛的使用，控制器采用STC89C51單片機(jī)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有程序可變，可靠性高，功能強(qiáng)，體積小，功耗低以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且能夠滿足系統(tǒng)的要求。（2）光強(qiáng)傳感器 由于需要采集四個(gè)方位的光強(qiáng)信號(hào)，且以電壓的方式傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器，考慮到功能結(jié)構(gòu)的特殊性和價(jià)格因素?？筛鶕?jù)原理用電阻和光敏電阻自己制作。（3）A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換電路按照與計(jì)算機(jī)的接口方式可分為并行接口和串行接口兩種方式。并行接口的A

5、/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)接口時(shí)需要占用較多的I/O口線，且實(shí)現(xiàn)光電隔離時(shí)電路復(fù)雜，但價(jià)格較低。串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)接口時(shí)占用的I/O口線少，一般只需要3條，易于實(shí)現(xiàn)光電隔離，但價(jià)格較貴。A/D轉(zhuǎn)換器按轉(zhuǎn)換原理可分為逐次逼近型、雙積分型、并行型、V/F轉(zhuǎn)換等幾種形式，其特點(diǎn)分別如下： 逐次逼近型：轉(zhuǎn)換速度較高，分辨率高的價(jià)格較貴，抗干擾能力較差。 雙積分型：轉(zhuǎn)換速度慢，價(jià)格較便宜，轉(zhuǎn)換精度高，抗工頻干擾能力強(qiáng)。 并行型：轉(zhuǎn)換速度極高，電路規(guī)模大，價(jià)格昂貴。 V/F轉(zhuǎn)換型：價(jià)格低廉，精度高，與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)光電隔離，缺點(diǎn)是需要較多的外圍元件。綜合考慮分辨率、精度、轉(zhuǎn)換速度、價(jià)格等諸多

6、因素，經(jīng)上述比較，確定采用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。（4）直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直流電動(dòng)機(jī)，需要通過直流電機(jī)常用驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其進(jìn)行控制，因此，本模塊主要由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路、直流電機(jī)組成。2.3 總體方案按照上述方案論證的結(jié)果，向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器的總體方案框圖如圖2.2所示。圖2.2 總體方案框圖圖2.2中，光強(qiáng)傳感器按照預(yù)定的位置安放在太陽(yáng)能電池板上，感受東南西北四個(gè)方位的光強(qiáng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為預(yù)定范圍的電壓信號(hào)；電壓跟隨器的作用是穩(wěn)定輸出電壓，防止傳感器輸出電壓因后續(xù)電路發(fā)生變化；逐次逼近型A/D傳感器，接收光強(qiáng)傳感器傳過來的電壓信號(hào)，并通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換變?yōu)閱纹瑱C(jī)可處理的

7、數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換并讀取A/D的輸出信號(hào)，經(jīng)過預(yù)定的算法處理四個(gè)方位的數(shù)據(jù)，輸出控制信號(hào)；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接收單片機(jī)的控制信號(hào)，控制直流電機(jī)的運(yùn)行；直流電機(jī)（兩臺(tái)）分別控制太陽(yáng)能電池板兩個(gè)相對(duì)方向的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的移動(dòng)，使太陽(yáng)能電池板平面始終垂直于太陽(yáng)光線，達(dá)到控制目的。3 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)及其外圍電路向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器采用MC9S08AW60。MC9S08AW60是首個(gè)能支持5v而基于高性能HCS08核系列成員。它包含眾多有價(jià)值的特性，靈活而又無需外部元件的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器、低壓檢測(cè)、高性能、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行通信模塊等。特點(diǎn)：1、采用48腳QFN封裝、

8、44腳LQFP封裝、64腳QFP封裝和64引腳LQFP封裝。 2、MC9S08AW60采用Freescale公司的高性能處理器MC9S08AW60。MC9S08AW60是Freescale公司一款基于S08內(nèi)核的高度節(jié)能型處理器，是第一款認(rèn)可用于汽車市場(chǎng)的微控制器?？蓱?yīng)用在家電、汽車、工業(yè)控制等場(chǎng)合，具有業(yè)內(nèi)最佳的性能。3、MC9S08AW60是首個(gè)能支持5V而基于高性能HCS08核系列成員。它包含眾多有價(jià)值的特性-60K flash 存儲(chǔ)器、2K RAM、靈活而無需外部元件的內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器、低壓檢測(cè)、高性能、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、串行通信模塊等。4、即使在各類惡劣環(huán)境下, 9S08AW系列亦

9、達(dá)到極佳的EMC性能。它提供了不同的引腳數(shù)(64, 48或44)、封裝選項(xiàng)(QFP, LQFP或 QFN) 及溫度范圍 (-40至85和-40至125攝氏度)。MC9S08AW60單片機(jī)特性：8位的HCS08中央處理器（CPU）的內(nèi)部總線頻率具有模塊保護(hù)與安全選項(xiàng)功能的60KB片選上在線可編程FLASH存儲(chǔ)器2KB片選上的RAM可選的看門狗（COP）復(fù)位具有自動(dòng)比較功能的16通道，10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)具有可選的13位斷點(diǎn)的串行通信接口模塊串行外設(shè)接口模塊一個(gè)2通道和一個(gè)6通道，16位定時(shí)器/脈寬法器8引腳鍵盤中斷模輸入/輸出復(fù)位時(shí)，IRQ與BKGD/MS引腳處的內(nèi)部上拉可縮減系統(tǒng)成本3.2 光

10、強(qiáng)傳感器及其電路（1）光強(qiáng)傳感器由于需要感受四個(gè)方向的光強(qiáng)，所以需要自制光強(qiáng)傳感器用以追蹤傳感來判定太陽(yáng)光源的方位所在。基本組成元件光強(qiáng)傳感器的基本組成元件是：光敏電阻、電阻。光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻具有以下特性：1.光敏電阻是屬于無極性(奧姆結(jié)構(gòu))，故使用上簡(jiǎn)易方便；2.光敏電阻會(huì)隨著光能強(qiáng)度使內(nèi)阻抗改變的光可變也阻；3.光敏電阻

11、于周圍環(huán)境光變亮?xí)r，內(nèi)電阻阻會(huì)下降；4.光敏電阻對(duì)于光的敏感性(即光譜特性)約在0.4-0.8 mm 和太陽(yáng)光的可見光范圍波長(zhǎng)0.38-0.76 mm 的響應(yīng)很接近。光強(qiáng)傳感器原理光強(qiáng)傳感器主要經(jīng)由四顆特性相近光敏電阻構(gòu)成，負(fù)責(zé)偵測(cè)東南西北四個(gè)方向的光源強(qiáng)度，各方向均有一個(gè)光敏電阻，并以45度角朝向光源處，并將該方向設(shè)置基座以將該方向以外的光線隔離，以達(dá)到快速判別太陽(yáng)位置。四個(gè)傳感器分為兩組，一組是兩個(gè)光敏電阻作為東西向的傳感器，用以比較東西方向受光強(qiáng)度的差異。當(dāng)東西方向的傳感器接受到的光源強(qiáng)度不一致時(shí)，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)東西方向兩傳感器輸出的電壓信號(hào)，使用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過單片

12、機(jī)的比較處理判斷哪個(gè)方向的光線最強(qiáng)，并且驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)朝向該方前進(jìn)，當(dāng)東西向傳感器輸出只相等時(shí)，則輸出的差值為0，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓也為0。 即追蹤到太陽(yáng)目前的位置。即保持太陽(yáng)光線垂直于太陽(yáng)能電池板照射。另一組的南北向傳感器，則是相似的原理，用來追蹤太陽(yáng)在南北向的位置。光強(qiáng)傳感器電路圖圖3.2 光強(qiáng)傳感器電路圖如圖3.2所示，光敏電阻Q1、電阻R1串聯(lián)與電壓跟隨器AR1組成東向光強(qiáng)傳感器；光敏電阻Q2、電阻R2串聯(lián)與電壓跟隨器AR2組成西向光強(qiáng)傳感器；光敏電阻Q3、電阻R3串聯(lián)與電壓跟隨器AR3組成南向光強(qiáng)傳感器；光敏電阻Q4、電阻R4串聯(lián)與電壓跟隨器AR4組成北向光強(qiáng)傳感器。光強(qiáng)照射在光敏電阻

13、上，隨著光強(qiáng)的變化，輸出的電壓值也會(huì)產(chǎn)生變化：光強(qiáng)越強(qiáng)，光敏電阻阻值越小，輸出電壓越大，反之。東西南北方向的電壓模擬信號(hào)分別經(jīng)IN0、IN1、IN2、IN3連接到AD轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入端口。3.3 A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809）及其與MC9S08AW60的接口電路（1）ADC0809ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。主要特性：8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位；具有轉(zhuǎn)換起停控制

14、端；轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130s（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）；單個(gè)+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)；工作溫度范圍為-40+85攝氏度；低功耗，約15mW。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明各引腳功能。IN0IN7：8路模擬量輸入端；2EXP12EXP8：8位數(shù)字量輸出端；ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A

15、/D轉(zhuǎn)換）。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一+5V。GND：地。（2）ADC0809與單片機(jī)硬件連接如圖3.3端口P1.4接收單片機(jī)給出的時(shí)鐘信號(hào)，P1.1P1.3接收單片機(jī)給出的模擬端口選擇信號(hào)，按順序分別轉(zhuǎn)換IN0、IN1、IN2、IN3的模擬量，P1.0接收單片機(jī)給出的控制信號(hào)，來啟動(dòng)、控制AD轉(zhuǎn)

16、換器。單片機(jī)通過P1.5給出讀信號(hào)，通過端口P0.0P0.7將AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)。圖3.3 ADC0809與單片機(jī)硬件連接圖3.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（1）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N硬件電路恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。如圖3.4中的L298N可接

17、受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4.57 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2.54.6 V。輸出電流可達(dá)2.5 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。圖3.4中，D1D7肖特基二極管在電路中起續(xù)流保護(hù)作用即電機(jī)由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)時(shí)防止電機(jī)電流過大燒毀電機(jī)。由于不需要控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將1和15端短接接+5V電源讓直流電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)

18、。單片機(jī)根據(jù)輸入的各個(gè)方向的光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過程序處理后，通過P2.0P2.3控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。以P2.0P2.1為例，輸出信號(hào)為：10時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸出信號(hào)為：01時(shí)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)；輸出信號(hào)為：00時(shí)直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N與單片機(jī)的硬件連接圖3.5向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器總電路設(shè)計(jì)向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器原理圖如圖3.5所示。東西南北方向光強(qiáng)傳感器分別感受相應(yīng)方向的光強(qiáng)，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)電壓跟隨器東西南北方向的電壓模擬信號(hào)分別經(jīng)IN0、IN1、IN2、IN3連接到ADC0809轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入端口。ADC0809由單片機(jī)STC89C51控制，端口P1.4

19、接收單片機(jī)給出的時(shí)鐘信號(hào)，P1.1P1.3接收單片機(jī)給出的模擬端口選擇信號(hào)，按順序分別轉(zhuǎn)換IN0、IN1、IN2、IN3的模擬量，P1.0接收單片機(jī)給出的控制信號(hào)，來啟動(dòng)、控制AD轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)通過P1.5給出讀信號(hào)，通過端口P0.0P0.7將AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)輸入的各個(gè)方向的光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過程序處理后，通過P2.0-P2.3分別輸出給調(diào)節(jié)東西方向和南北方向的直流電機(jī)。以P2.0，P2.1為例，輸出信號(hào)為：10時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸出信號(hào)為：01時(shí)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)；輸出信號(hào)為：00時(shí)直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制直流電機(jī)，達(dá)到追蹤太陽(yáng)的控制目的，使太陽(yáng)光線始終與太陽(yáng)能電池板垂直。 圖3.5 向日葵式太陽(yáng)能電池板控制器原理圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖如圖4.1所示。東西方向光強(qiáng)傳感器分別感受相應(yīng)方向的光強(qiáng)，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)電壓跟隨器傳給A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809由單片機(jī)STC89C51控制，首先送第一通道的地址，AD轉(zhuǎn)換器第一通道打