向日葵式太陽能電池板控制器設計

1、 課程設計WEIJI成績評定表設計課題 向日葵式太陽能電池板控制器設計學院名稱 ： 電氣工程學院 專業(yè)班級 ： 自動F0902 學生姓名 ： 學 號 ： 指導教師 ： 設計地點 ： 設計時間 ： 目 錄1 引言42 總體方案設計42.1硬件組成42.2 方案論證52.3 總體方案63 硬件電路設計63.1 單片機及其外圍電路63.2 光強傳感器及其電路83.3 A/D轉換器（ADC0809）及其與MC9S08AW60接口電路103.4 直流電機驅動電路113.5向日葵式太陽能電池板控制器總電路設計124 系統(tǒng)軟件設計135總結15參考文獻15附錄A 系統(tǒng)原理圖161 引言進入21世紀以來，環(huán)保

2、問題日益突出，新能源的研究也越來越多的被關注。太陽能的利用是現(xiàn)階段利用最多的新型能源。比較成熟的產(chǎn)品包括：太陽能熱水器、太陽能汽車、衛(wèi)星太陽能供電裝置等等。所有的這些產(chǎn)品最重要的環(huán)節(jié)是太陽能電池板吸收陽光產(chǎn)生電能。一般太陽能電池板朝向是固定的,而太陽的位置在變化,無法保證太陽光始終垂直于太陽能電池板,使得轉換效率降低,造成所需的電池板面積增大,設備成本增加,不利于推廣與應用。我的課程設計：向日葵式太陽能電池板控制器設計，主要的功能是使太陽能電池板能夠自動跟蹤太陽的方位，即太陽光線始終垂直照射在太陽能電池板上。這樣太陽能電池板就能產(chǎn)生更多的電能，提高了轉換效率。能夠進一步擴大太陽能的應用范圍。由

3、于專業(yè)知識的限制，我只設計了控制部分，所以假設機械執(zhí)行機構能夠實現(xiàn)所預定的功能，即能夠讓太陽能電池板按照預定的控制輸出方向移動，實現(xiàn)控制功能。2 總體方案設計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。按照向日葵式太陽能電池板控制器的工作原理，控制系統(tǒng)的硬件應包括以下幾部分：（1）控制器。作為控制系統(tǒng)的核心，可采用工控機、DCS或微控制器，控制AD轉換器的轉換，對輸入的數(shù)字信號按照預定的程序進行處理以及根據(jù)處理結果輸出控制信號。（2）光強傳感器。通過自制的光強傳感器，將四個方向的光強信號轉換為電壓信號。（3）A/D轉換器。將光強傳感器的電壓信號轉換為數(shù)字信號。 （4）直流電機及

4、驅動模塊。控制器輸出的控制信號控制直流電機的運轉，再經(jīng)過設計好的機械傳動系統(tǒng)改變太陽能電池板的朝向。2.2 方案論證（1）控制器由于太陽能電池板工作的靈活性，以及為了讓向日葵式太陽能電池板控制系統(tǒng)能夠被廣泛的使用，控制器采用STC89C51單片機。因為單片機具有程序可變，可靠性高，功能強，體積小，功耗低以及價格便宜等優(yōu)點，且能夠滿足系統(tǒng)的要求。（2）光強傳感器 由于需要采集四個方位的光強信號，且以電壓的方式傳輸給A/D轉換器，考慮到功能結構的特殊性和價格因素?？筛鶕?jù)原理用電阻和光敏電阻自己制作。（3）A/D轉換器A/D轉換電路按照與計算機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轉換器與計算機接口時需要占用較多的I/O口線，且實現(xiàn)光電隔離時電路復雜，但價格較低。串行接口的A/D轉換器與計算機接口時占用的I/O口線少，一般只需要3條，易于實現(xiàn)光電隔離，但價格較貴。A/D轉換器按轉換原理可分為逐次逼近型、雙積分型、并行型、V/F轉換等幾種形式，其特點分別如下： 逐次逼近型：轉換速度較高，分辨率高的價格較貴，抗干擾能力較差。 雙積分型：轉換速度慢，價格較便宜，轉換精度高，抗工頻干擾能力強。 并行型：轉換速度極高，電路規(guī)模大，價格昂貴。 V/F轉換型：價格低廉，精度高，與計算機接口簡單，易于實現(xiàn)光電隔離，缺點是需要較多的外圍元件。綜合考慮分辨率、精度、轉換速度、價格等諸多

6、因素，經(jīng)上述比較，確定采用逐次逼近型A/D轉換器ADC0809。（4）直流電機及驅動模塊執(zhí)行機構是直流電動機，需要通過直流電機常用驅動電路對其進行控制，因此，本模塊主要由直流電機驅動控制電路、直流電機組成。2.3 總體方案按照上述方案論證的結果，向日葵式太陽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，光強傳感器按照預定的位置安放在太陽能電池板上，感受東南西北四個方位的光強信號并轉換為預定范圍的電壓信號；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，接收光強傳感器傳過來的電壓信號，并通過相應的轉換變?yōu)閱纹瑱C可處理的

7、數(shù)字信號；單片機控制A/D轉換器的轉換并讀取A/D的輸出信號，經(jīng)過預定的算法處理四個方位的數(shù)據(jù)，輸出控制信號；直流電機驅動電路接收單片機的控制信號，控制直流電機的運行；直流電機（兩臺）分別控制太陽能電池板兩個相對方向的運動，自動跟蹤太陽的移動，使太陽能電池板平面始終垂直于太陽光線，達到控制目的。3 硬件電路設計3.1 單片機及其外圍電路向日葵式太陽能電池板控制器采用MC9S08AW60。MC9S08AW60是首個能支持5v而基于高性能HCS08核系列成員。它包含眾多有價值的特性，靈活而又無需外部元件的內部時鐘發(fā)生器、低壓檢測、高性能、模數(shù)轉換器、串行通信模塊等。特點：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內核的高度節(jié)能型處理器，是第一款認可用于汽車市場的微控制器。可應用在家電、汽車、工業(yè)控制等場合，具有業(yè)內最佳的性能。3、MC9S08AW60是首個能支持5V而基于高性能HCS08核系列成員。它包含眾多有價值的特性-60K flash 存儲器、2K RAM、靈活而無需外部元件的內部時鐘發(fā)生器、低壓檢測、高性能、模數(shù)轉換器（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(QFP, LQFP或 QFN) 及溫度范圍 (-40至85和-40至125攝氏度)。MC9S08AW60單片機特性：8位的HCS08中央處理器（CPU）的內部總線頻率具有模塊保護與安全選項功能的60KB片選上在線可編程FLASH存儲器2KB片選上的RAM可選的看門狗（COP）復位具有自動比較功能的16通道，10位模數(shù)轉換器兩個具有可選的13位斷點的串行通信接口模塊串行外設接口模塊一個2通道和一個6通道，16位定時器/脈寬法器8引腳鍵盤中斷模輸入/輸出復位時，IRQ與BKGD/MS引腳處的內部上拉可縮減系統(tǒng)成本3.2 光

10、強傳感器及其電路（1）光強傳感器由于需要感受四個方向的光強，所以需要自制光強傳感器用以追蹤傳感來判定太陽光源的方位所在?；窘M成元件光強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電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，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(奧姆結構)，故使用上簡易方便；2.光敏電阻會隨著光能強度使內阻抗改變的光可變也阻；3.光敏電阻

11、于周圍環(huán)境光變亮時，內電阻阻會下降；4.光敏電阻對于光的敏感性(即光譜特性)約在0.4-0.8 mm 和太陽光的可見光范圍波長0.38-0.76 mm 的響應很接近。光強傳感器原理光強傳感器主要經(jīng)由四顆特性相近光敏電阻構成，負責偵測東南西北四個方向的光源強度，各方向均有一個光敏電阻，并以45度角朝向光源處，并將該方向設置基座以將該方向以外的光線隔離，以達到快速判別太陽位置。四個傳感器分為兩組，一組是兩個光敏電阻作為東西向的傳感器，用以比較東西方向受光強度的差異。當東西方向的傳感器接受到的光源強度不一致時，系統(tǒng)會依據(jù)東西方向兩傳感器輸出的電壓信號，使用A/D轉換器轉換為相應的數(shù)字信號，再經(jīng)過單片

12、機的比較處理判斷哪個方向的光線最強，并且驅動直流電機朝向該方前進，當東西向傳感器輸出只相等時，則輸出的差值為0，直流電機的驅動電壓也為0。 即追蹤到太陽目前的位置。即保持太陽光線垂直于太陽能電池板照射。另一組的南北向傳感器，則是相似的原理，用來追蹤太陽在南北向的位置。光強傳感器電路圖圖3.2 光強傳感器電路圖如圖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組成北向光強傳感器。光強照射在光敏電阻

13、上，隨著光強的變化，輸出的電壓值也會產(chǎn)生變化：光強越強，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分別經(jīng)IN0、IN1、IN2、IN3連接到AD轉換器的模擬量輸入端口。3.3 A/D轉換器（ADC0809）及其與MC9S08AW60的接口電路（1）ADC0809ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片。主要特性：8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位；具有轉換起?？刂?/p>

14、端；轉換時間為100s(時鐘為640kHz時)，130s（時鐘為500kHz時）；單個+5V電源供電；模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點和滿刻度校準；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，輸入，高電平有效。START： A/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A

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

16、換器。單片機通過P1.5給出讀信號，通過端口P0.0P0.7將AD轉換器輸出的數(shù)字信號傳送給單片機。圖3.3 ADC0809與單片機硬件連接圖3.4 直流電機驅動電路（1）直流電機驅動芯片L298N硬件電路恒壓恒流橋式2A驅動芯片L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路。可以方便的驅動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。L298N芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。如圖3.4中的L298N可接

17、受標準TTL邏輯電平信號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2.5 A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電動機，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉。圖3.4中，D1D7肖特基二極管在電路中起續(xù)流保護作用即電機由正轉變?yōu)榉崔D時防止電機電流過大燒毀電機。由于不需要控制直流電機的轉速，將1和15端短接接+5V電源讓直流電機以最大轉速運轉

18、。單片機根據(jù)輸入的各個方向的光強信號，經(jīng)過程序處理后，通過P2.0P2.3控制直流電機的運轉。以P2.0P2.1為例，輸出信號為：10時直流電機正轉；輸出信號為：01時直流電機反轉；輸出信號為：00時直流電機停止轉動。圖3.4 直流電機驅動芯片L298N與單片機的硬件連接圖3.5向日葵式太陽能電池板控制器總電路設計向日葵式太陽能電池板控制器原理圖如圖3.5所示。東西南北方向光強傳感器分別感受相應方向的光強，轉化為電壓信號，經(jīng)電壓跟隨器東西南北方向的電壓模擬信號分別經(jīng)IN0、IN1、IN2、IN3連接到ADC0809轉換器的模擬量輸入端口。ADC0809由單片機STC89C51控制，端口P1.4

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