太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)研究

1、太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)研究 ResearchoftheAutomaticTracking SystemforSolarCell 【摘要】本系統(tǒng)以單片機技術為核心，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對電池板發(fā)電電壓進行采樣。由軟件對采樣信號進行分析，給出指令，驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動電池板，實現(xiàn)追蹤太陽的效果，達到提高發(fā)電效率的目的。 關鍵詞：太陽能電池四象限光電池模數(shù)轉(zhuǎn)換自動跟蹤正交軸AbstractThesystemisbasedonchipmicrocomputer,samplingthevoltagesignalsofsillionbytheCOMSshipofmodulus.Thesoftwareisused

2、toanalyzethesesignalsandgivesinstructionstocontroltheelectromotorsandmakethebattreyboardrevolve,sothatthesystemcantrackthesunandimprovethepowerefficiency. Keywords:solarcell,photovoltaiccells,A/Dconversion, automatictrackcontrolsystem,OrthogonalAxis目錄 第一章緒論(6 引言 6 論文研究的目的與意義 6 第二章太陽能電池發(fā)電的原理以及應用 7 概述

3、 7 太陽能電池發(fā)電的原理8 太陽能電池的應用 8 第三章系統(tǒng)的構成及工作原理 9 系統(tǒng)的構成 9 3.1.1全自動跟蹤控制器主要幾個功能 9 系統(tǒng)的工作原理 9 3.2.1工作原理 9 第四章部分的結構和設計 11 概述 11 光電檢測電路 11 4.2.1 象限探測器 11 4.2.2 四象限光電探測器原理 12 4.2.3 四象限方位探測器原理框圖 15 控制系統(tǒng) 15 4.5.1 概述 15 4.5.2 單片機的應用 15 4.5.3 單片機應用系統(tǒng)設計 16 4.5.4 單片機控制系統(tǒng)設計與調(diào)試的一般原則 17 電機的選擇 19 4.4.1概述 19 1.4 直流電機的結構及工作原理

4、 19 1.4 直流電機的 PW 配制 21 4.5A/D 轉(zhuǎn)換/.22 4.4.1 概述 22 4.4.2 卞莫/數(shù)轉(zhuǎn)換器原理.22 電路設計 22 ADS7864 特征 22 ADS7864 前端調(diào)理電路 23 ADS7864 與單片機連接電路 24 第五章軟件實現(xiàn)程序流程圖 27 結束語 32 參考文獻 4133第一章緒論 引言 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源和資源的消耗速度越來越快。節(jié)約能源，保護環(huán)境已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必要條件，人們的注意力正轉(zhuǎn)向再生能源的利用和開發(fā)，太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展情景非常廣闊，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術。國內(nèi)外目前已有了很多光伏電站，

5、這些光伏電站的太陽能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下，制約了大規(guī)模電站的發(fā)展。太陽能在我國多采用彈簧儲能跟蹤式，傳感器跟蹤式的系統(tǒng)，發(fā)電成本還很高，不利于跟蹤系統(tǒng)的推廣與發(fā)展。提高發(fā)電效率是降低成本的捷徑，我們開發(fā)的太陽能電池自動跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終對著太陽，保持最大的發(fā)電效率，具有成本低，免維護等優(yōu)點，有較好的推廣應用價值。 論文研究的目的與意義 太陽能的電池板自動跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)與研究， 提高了太陽能電池板的發(fā)電效率，達到了低成本，高精度，使用靈活的要求，為大規(guī)模使用太陽能發(fā)電，合理利用能源進行了有益的探索。第二章太陽能電池發(fā)電的原理以及應用 概述 太

6、陽能并不是一種“替代能源”，而是原始能源和一直以來的資源能源。所有的生命和文明一直由太陽能提供能量。擴展太陽能及其派生的其它可再生能源的技術應用以推進文明向前發(fā)展，不僅僅是其歷史角色的合理延伸，而且也是人類社會可持續(xù)發(fā)展的關鍵。 被地球和大氣吸收的太陽能驅(qū)動大氣和海洋流動的大循環(huán)，并在地球表面分配能量。太陽能是蒸發(fā)的動力所在，將水汽從其降落的地方上升到大氣中，然后把清潔的淡水帶給植物，充滿池塘，湖泊，地下水含水層，小溪，河流和海洋，哺育和支持所有形式的生命。太陽能通過植物的光合作用進行輸送，直接和間接的為地球上所有生命的生長提供能量。儲存在木材和木質(zhì)作物中的太陽能通過在火中燃燒釋放出來，從而再

7、生野生生態(tài)系統(tǒng)。最近，人類通過被控燃燒將儲存的太陽能釋放進行采暖和做飯，以便在寒冷氣候下為人類提供溫暖。 當人類聚居地進化為城市時，太陽繼續(xù)通過其能量的延伸使用支持生活和商業(yè)活動。由太陽提供動力的水成為河流，成為大城市的運輸工具和所在地。由太陽提供動力的風能被用在大磨房中用來碾米，為海洋上運載探險家，定居者以及商業(yè)物品的帆船提供動力，從而進行文明間交流。落在水輪上的水將太陽蒸發(fā)能轉(zhuǎn)化為機械用能，例如，早期印刷機和軋棉機，然后驅(qū)動早期（水電）發(fā)電機將電力輸送給城市。 太陽能電池發(fā)電的原理 太陽能電池是一對光有響應并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。 能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶

8、硅，神化錢，硒鈿銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P 型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得 N 型硅，形成 P島。 當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子在 P-N 結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。 太陽能電池的應用 上世紀 60 年代，科學家們就已經(jīng)將太陽電池應用于空間技術一一通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多

9、領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電用戶系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、1 海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。/ 第三章系統(tǒng)的構成及工作原理 系統(tǒng)的構成 光伏系統(tǒng)的本質(zhì)就是太陽能發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽能電池板陣列，計算機控制系統(tǒng)，全自動跟蹤控制器，蓄電池組等組成。其核心是計算機控制系統(tǒng)和全自動跟蹤控制器。 全自動跟蹤控制器主要幾個功能 .實時控制太陽能電池板的方向與仰角，實現(xiàn)對太陽的跟蹤

10、； .根據(jù)外界的信息，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，適時作出調(diào)整，以保證系統(tǒng)的正常運行； .協(xié)調(diào)太陽能電池板，蓄電池等設備，取代計算機控制系統(tǒng)的工作，構成光伏系統(tǒng)的核心。 太陽能電池自動追蹤系統(tǒng)主要分為機械部分和控制部分。機械部分主要由電池板支架，底座和直流電機構成，機械裝置由電機驅(qū)動，可以使電池板在水平方向上的 360 度和垂直方向上的 090 度之間自由旋轉(zhuǎn)； 控制部分主要由單片機系統(tǒng)構成。 系統(tǒng)的工作原理 3.2.1 工作原理 / 系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后，控制水平方向的電機將處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，單片機將對采樣進來的電壓信號進行判斷。電池板可能朝向太陽旋轉(zhuǎn)，也可能背向太陽旋轉(zhuǎn)，所以電壓也有增大和減小兩種可能。

11、/ 如果電池板朝向太陽旋轉(zhuǎn)采樣電壓必然增大，程序?qū)⒔o出繼續(xù)轉(zhuǎn)動的指令，轉(zhuǎn)動過程中，單片機一旦發(fā)現(xiàn)電壓減小，將立即發(fā)出指令，讓電池板反轉(zhuǎn)。為防止機械抖動，當電池板電壓再次減小時，電機將停止轉(zhuǎn)動，此時電池板正對著太陽。 如果電池板一開始就背向太陽旋轉(zhuǎn)，采樣電壓必然會減小，電池板自然會反轉(zhuǎn)，這時就朝向太陽方向旋轉(zhuǎn)了，當電壓第二次減小時，也就說明此時電池板正對著太陽了，電池板停止，水平方向的追蹤完成。 / 在垂直方向上的追蹤原理和步驟與水平方向的完全一致，只是電池板可能轉(zhuǎn)到盡頭而鎖死，此時采樣電壓保持不變，只要在程序中加入當采樣電壓不變時，電池板反轉(zhuǎn)的指令即可。采樣后要有一延時，延時在秒左右比較合適，

12、太大會影響精度，太小則會造成采樣電壓不變，程序誤以為電池板鎖死，不在跟蹤太陽。兩個方向的追蹤都完成后，電池板將停止運動，這個停止時間可以自由設定，實際系統(tǒng)設定在 30 分鐘左右比較合適，這樣即可以保持較高的發(fā)電效率又可以防止過多的電能消耗在電機上。 如果遇到陰天，因尚未存儲正確的位置數(shù)據(jù)，程序?qū)o法定位，這時應用手電筒模擬太陽予以定位。有了初始數(shù)據(jù)后，程序就可以自動調(diào)整。在光線正常時，程序每隔 20 分鐘進行一次校正，這樣既可以保持較高的發(fā)電效率又可以防止過多的電能消耗在電機上。當晴天校正后，將時和分組成一個字節(jié)來表示時間，方位角和高度角合用 2 個字節(jié)，其中水平方位角占 9 位，高度角占 7

13、 位，最大可分別表示 512 和 128,故足以達到 10 的精度，將這三個字節(jié)存儲到 89C51 的指定的 RAM 中。如果陰天調(diào)整不成功，則不予存儲，改為調(diào)用前次在同一時間調(diào)整成功的位置。這樣既可以在陰天時，調(diào)用已存儲的晴天時的太 陽位置，也可以在晴天時自動校正，清楚因不同季節(jié)太陽位置% 的變化而產(chǎn)生的積累誤差。/ 第四章/部分的結構和設計 概述 太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的研究主要以單片機技術為核心， 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對電池板發(fā)電電壓進行采樣，由軟件對采樣信號進行分析，給出指令，驅(qū)動支流電機轉(zhuǎn)動電池板，實現(xiàn)追蹤太陽的效果。本章將介紹系統(tǒng)中主要幾個部件的結構和設計。 光電檢測電路 太陽的方位

14、隨著觀測位置和觀測時間的不同而不同，因止匕，欲跟蹤太陽就必須先對太陽進行檢測定位。 象限探測器/ 象限探測器有二象限和四象限探測器， 又分光電二極管象限探測器和硅光電池象限探測器.象限探測器是在同一塊芯片上制成兩或四個探測器， 中間有溝道將它們隔開， 因而這兩或四個探測器有完全相同性能參數(shù).當被測體位置發(fā)生變化時，來自 目標的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會引起象限問信號輸出變化，從而確定目標方位，同時可起制導，跟蹤，搜索，定位等作用./ 四象限光電探測器原理 四象限光電探測器實際由四個光電探測器構成，每個探測器一個象限，目標光信號經(jīng)光學系統(tǒng)后在四象限光電探測器上成像（如圖 4-2）o一般將

15、四象限光電探測器置于光學系統(tǒng)焦平面上或稍離開焦平面。當目標成像不在光軸上時，四個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同，比較四個光電信號的幅度大小就可以知道目標成像在哪個象限上（也就知道了目標的方位）。 半導體四象限探測器通常是由四個光電池排列形成直角坐標制作在共同的襯底上，彼此電絕緣有單獨的信號輸出端，在有光斑投射表面時，各象限光電池的輸出信號與所接收的光能量成正比，因此能用以測出光斑的光亮度中心。若光斑形狀是規(guī)則和已知時，則可借以確定它的幾何位置。根據(jù)四象限探測器坐標軸線和測量系統(tǒng)基準線間安裝角度的不同，可將它的應用方法分作和差電路和直差電路兩種方式。 （1）和差電路式，圖 4-2 給出了和

16、差電路的聯(lián)接方法。這種方式器件的坐標線和基準線成水平安裝。電路的連接是先計算相鄰象限的和，再計算和信號的差。設光斑形狀為彌散圓，在探測器四象限I、H、田、IV上所占的面積分別是S1、S2、S3、 S,，光斑直徑為r,光斑中心為O。光斑的光密度均勻，光斑相對探測器中心 O的偏移OO=e 可用直角坐標 xy表示。 測量范圍乂/r0將探測器各象限的輸出信號按圖連接，得到輸出信號電壓的表達式為：x UxK(SiS4)(S2S3)Kf(x) UYK(SIS2)(S3S4)Kf(x) 式中f(x)2rx,i1與r2sin1 rr f(y)2ry1y2r2sin1 ,rr 其中，式 4-1 中的 K 是和光

17、束的直徑和功率有關的變換系數(shù)。圖 4-3 給出了UxKf(x)的特性曲線，可以看出，在小偏移 情況下輸出信號與輸入偏移量成正比，當x/r1時輸出信號飽 和。 和差電路的特點是測量靈敏度較高，非線性影響較小，對的不均勻性適應性較強，適用于高精度的定位測量。但信號處理電路復雜，需要進行多次和差運算。各環(huán)節(jié)性能的差異會引起測量誤差。 (式 4-1) (式 4-2) 小 4-2 四象限探測器的和差連接 圖 4-3UxKf(x)的特性曲線 (2)直差電路式。圖 4-4 給出了直差電路的連接方法。器件象限坐標線和基準線間成45角安裝。各象限間的連接按對角線方向相減，測量裝置輸出信號的表達式為 UXK(Si

18、S3)Kf(x) UyK(S2S4)Kf(y)(式 4-3) 四象限方位探測器原理框圖 信號通過放大和調(diào)理后由 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機， 由單片機處理后得到目標的方位，并根據(jù)實際系統(tǒng)的需要輸出方位控制指令。 控制系統(tǒng) 概述 單片機是在一塊芯片上集成了 CPU 存儲器、輸入/輸出部件 J 時鐘電路及各種應用系統(tǒng)所需的部件，如 A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等。它具有體積小，使用靈活方便、成本低、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強，可在各種惡劣的環(huán)境下可靠地工作等特點。特別是它強大的面向控制的能力，使它在工業(yè)控制、智能儀表、外設控制、家用電器、機器人、軍事裝置等方面得到了廣泛的應用。/ 單片

19、機的應用/ .測控系統(tǒng)中的應用 控制系統(tǒng)特別是工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，各種干擾也強，而且往往要求實時控制，故要求控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強。/單片機是最適宜用于控制領域，如數(shù)控機床，電鍍生產(chǎn)線自動控制等。 .智能儀表應用 圖 4-5 方位探測器原理 Mclu前置放大電路 數(shù)扳前調(diào)電模轉(zhuǎn)器病理路 用單片機制作的測量、控制儀表，能使儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、柔性化方向發(fā)現(xiàn)，并使監(jiān)測、處理、控制等功能一體化，使儀表重量大大減輕，便于攜帶和使用，同時其成本低也提高了性能/價格比，如數(shù)字式RLC 測量儀、智能轉(zhuǎn)速表、計時器等。 .智能產(chǎn)品 單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品結合， 使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品

20、結構簡化， 控制智能化，構成新型的機、電、儀一體化產(chǎn)品。如數(shù)控車床、電腦空調(diào)機、各種家用電器和通信設備等。 .在計算機外設中應用 在計算機應用系統(tǒng)中，除通用外部設備（鍵盤，顯示器，打印機）外，還有許多用于外部通信。如數(shù)據(jù)采集，多路分配管理，驅(qū)動控制接口等。在接口中采用單片機進行控制和管理后，主機和單片機就能并行工作，這不僅大大提高了系統(tǒng)的運算速度，而且單片機還可對接口信息進行預處理，以減少主機和接口的通信密度，提高了接口控制管理的水平，如繪圖儀控制器，打印機控制器等。 .3.3 單片機應用系統(tǒng)設計 單片機應用系統(tǒng)一般分為兩大類，一類用于科學計算，數(shù)據(jù)處理，企業(yè)管理；另一類用于過程控制。對于前一

21、類，通常由微型計算機，屏幕顯示器，鍵盤，打印機和系統(tǒng)所配置的系統(tǒng)軟件所組成。后一類是微型計算機用于過程控制。單片機用于控制系統(tǒng)的特點是：/ 控制系統(tǒng)的精度高/ 功能強/ 可靠性高，/抗干擾能力強 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄，處理方便、 體積小，重量輕，功耗省，投資少，見效快。 因此，以微型計算機為核心的控制系統(tǒng)廣泛地應用于各個領域。 .3.4 單片機控制系統(tǒng)設計與調(diào)試的一般原則 單片機控制系統(tǒng)的設計，由于控制對象的不同，其硬件和軟件結構有很大差異，但系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容和主要步驟是基本相同的。 在設計控制系統(tǒng)時，一般需要做以下幾個方面的考慮： 確定系統(tǒng)設計的任務 在進行系統(tǒng)設計之前，首先必須進行設計方案的調(diào)

22、研，包括查找資料，進行調(diào)查，分析研究。要充分了解技術要求，使用的環(huán)境狀況以及技術水平。明確任務，確定系統(tǒng)的技術指標，包括系統(tǒng)必須具有哪些功能。 系統(tǒng)方案設計 在系統(tǒng)設計任務和技術指標確定以后，即可進行系統(tǒng)的總體方案設計，一般包括： (1)機型以及支持芯片的選擇/ (2)綜合考慮軟，硬件的分工與配合 (3)系統(tǒng)的硬件和軟件設計/ 當然，硬件的分工明確后，引見和軟件的設計工作可以同時進行。但由于微型計算機應用系統(tǒng)的硬件與軟件設計關系密切，在設計過程中，還需要經(jīng)常取得協(xié)調(diào)，才能設計出較滿意的應用系統(tǒng)。/ (一)系統(tǒng)的硬件設計 一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部

23、的功能單元，如 ROMRAMI/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設計合適的接口電路。 系統(tǒng)的擴展和配置應遵循以下原則： 1、盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎。 2、系統(tǒng)擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發(fā)。 3、硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實

24、現(xiàn)，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應時間比硬件實現(xiàn)長，且占用 CPU 時問。 4、系統(tǒng)中的相關器件要盡可能做到性能匹配。如選用 CMOS5 片單片機構成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。 5、 可靠性及抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分， 它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。 6、 單片機外圍電路較多時， 必須考慮其驅(qū)動能力。 驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設線驅(qū)動器增強驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。/ 7、盡量朝“單片”方向設計硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大也不可避免地降低了

25、系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著單片機片內(nèi)集成的功能越來越強，真正的片上系統(tǒng) SOC 已經(jīng)可以實現(xiàn)，如 ST 公司新近推出的仙 PSD32XX 系列產(chǎn)品在一塊芯片上集成了 80C32 核、大容量FLASH 存儲器、SRAMA/D、I/O、兩個串口、看門狗、上電復位電路等等。 （二）系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)的軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計的，應可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。一個應用系統(tǒng)的工作程序?qū)嶋H上就是該系統(tǒng)的監(jiān)控程序。對用于控制系統(tǒng)的應用程序一般是用匯編語言編寫的，編寫程序時常常與輸入，輸出接口設計和存儲器的擴展交織在一起。通常在編制程序前先畫出流程框圖，使編制的各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，子程序化。這不僅便于調(diào)試，鏈接，

26、還便于修改和移植。合理地劃分程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)，既能節(jié)省內(nèi)存容量，也使操作方便。 電機的選擇 概述 本設計系統(tǒng)要求太陽能電池板始終跟著太陽的方向， 這就需要有兩個電機來控制電池板在水平（電機 A）和垂直（電機 B）的方向。通過直流電機的控制就可以達到系統(tǒng)的要求。 使用直流電源的電機叫做直流電機。 因此， 只要把直流電機的端子接到直流電源上就可以簡單地使其運轉(zhuǎn)。直流電機是一種具有優(yōu)良控制特性的電機。作為控制用電機，直流電機具有起動轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制以及效率高等十分優(yōu)良的特性。/ 直流電機的結構及工作原理/ 圖 4-5 所示為直流電機的機構?？梢钥闯觯绷麟姍C由永磁鋼構

27、成的定子，繞有線圈的轉(zhuǎn)子以及換向器和電刷等構成。當電流通過電刷和換向器流過線圈時產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，這時轉(zhuǎn)子成為一個電磁鐵，在轉(zhuǎn)子與定子之間產(chǎn)生吸引力或排斥力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由電刷和換向器來切換電流 圖 4-7(b)導體處于 S極下直流電機的工作原理: 圖 4-7(a)導體處于 N 極下 給兩個電刷加上直流電源，如上圖 4-7（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導體 ab和 cd 收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖 4-7（b）所示的位置,電刷 A和換向片 2 接

28、觸，電刷 B 和換向片 1 接觸，直流電流從電刷 A流入，在線圈中的流動方向是 dcba,從電刷 B 流出。 此時載流導體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。 實用中的直流電機轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機。 將直流電機的工作原理歸結如下： 1：將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導體有電流流過。 2:電機內(nèi)部有磁場存在。 3:載

29、流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導體將受到電磁力 f的作用 f=Blia（左手定則） 4:所有導體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以 n（轉(zhuǎn)/分）旋轉(zhuǎn)，以便拖動機械負載。 直流電機的 PWF制 系統(tǒng)中，由單片機的 I/O 接口產(chǎn)生PWM言號來控制電機轉(zhuǎn)速進行控制，同時又要求電機正，反轉(zhuǎn)運行，則采用微型計算機的 PWM 空制。單片機的 I/O 接口產(chǎn)生PWM言號，用該信號來驅(qū)動大功率晶體的開關，從而控制直流電機的轉(zhuǎn)速。在任何情況下，都需要設置續(xù)流二極管，以便在晶體三極管 OFF 期間電機電流能夠繼續(xù)流通而使惦記平滑地旋轉(zhuǎn)。 4.5A/D轉(zhuǎn)換 概述 當用計算機來構成數(shù)據(jù)采集或者過程控制等系統(tǒng)時， 所要采集的外部信

30、號或被控制對象的參數(shù)，往往是溫度、壓力、流量、聲音和位移等連續(xù)變化的模擬量。但是，計算機只能處理不連續(xù)的數(shù)字量，即離散的有限值。因此，必須用模數(shù)轉(zhuǎn)換器即 A/D 轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter,ADC)，將模 擬信號變成數(shù)字量后，才能送入計算機進行處理。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器原理 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理是建立在逐次逼近的基礎上的，即把輸入電壓Vi和一組從參考電壓分層得到的量化電壓進行比較，比較從最大的量化電壓開始，有粗到細逐次進行，由每次比較的結果來確定相應的位是 1 還是 0。不斷比較，不斷逼近，知道兩者的差別小于某一誤差范圍時即完成了一次轉(zhuǎn)換。 電路設計 根據(jù)實際系統(tǒng)的

31、需要，A/D 轉(zhuǎn)換器使用 ADS7864,單片機使用最常見的89C51。/ 4.6.1ADS7864 特征/ 6 通道同時采樣 馬達控制/ 全差分輸入/ 3 相功率控制、 每通道數(shù)據(jù)吞吐時間只需 2 仙 S,保證無丟失碼多軸定位系統(tǒng) ，有效采樣速率為 1MHz 并行接口 低功耗：50mW 工作溫度：-40C+85C/TQFP-48 封裝 6 個 FIFO ADS7864 是 TI 公司生產(chǎn)的 12bit 高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器人片上帶基準電壓源，可用作 ADS7864 的參考電壓。每片 ADS7864 實際由 2 個轉(zhuǎn)換速率為500ksps 的 ADC 構成， 每個 ADC 有 3 個模擬輸入通道，

32、 每個通道都有采樣保持器，2 個 ADC 組成 3 對模擬輸入端，可同時對其中的 13 對輸入信號同時采樣保持，然后逐個轉(zhuǎn)換。由于 6 個通道可以同時采樣，很適合用來轉(zhuǎn)換四象限光電探測器的 4 路光電信號，剩下 2 個通道作系統(tǒng)擴展用。 ADS7864 前端調(diào)理電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端調(diào)理電路縮放和平移要采樣的信號， 通過調(diào)理后的信號適合 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入要求。 圖 4-8 是 ADS7864 一個輸入通道的前端調(diào)理電路，ADS7864 模擬輸入通道的+IN 和-IN 的最大電壓輸入范圍為+（ADS7864+5V 供電）。/ 圖 4-8 的電路中使用了 2 個運放，A1 用作跟隨器，用來

33、緩沖 ADS7864輸出的基準電壓源；A2 和四個電阻構成了信號調(diào)理網(wǎng)絡，適當配置 R1R4電阻可以實現(xiàn)對輸入信號 Vi的縮放和平移以適合 ADS7864 模擬通道的輸入要求。+IN 端的輸入電壓表小如下： R4、， VINVREFVio這樣，在保證V|N R3 以是雙極信號，調(diào)整 R4,R3 的比例使Vi有合適的輸入范圍。 VIN (R1R2)R3 VREF (R3R4)R2 (R1R2)R4 Vi (R3R4)R2 其中VREF 2.5V,取 (R1R2) R3 (R3R4)R2 1,則上面式子變?yōu)? 05V的前提下，Vj可 ADS7864 與單片機連接電路 ADS786 轉(zhuǎn)換后的結果通過

34、 DB0DB15 輸出，若將 BYTE 弓|腳接高電平，則每個結果分兩個字節(jié)從 DB0DB7讀出， 用 8位的單片機讀取非常的方便。為了避免 89C51 對 ADS7864 的干擾，用一片 74HC244 緩沖器來連接 89C51的 P0 口和 ADS7864 的 DB0DB7,控制 ADS7864 的信號/HOLDA/HOLDC、A0A2 也是通過 89C51 的 P0 口輸出， 用一片 74HC373 來鎖存這些控制信號。 圖 4 是 89C51 與 ADS7864 的連接電路圖， 其中略去了其它的一些電路連接。 系統(tǒng)采用89C51的尋址ADS7864,地址為8000H,同時用這個地址信號

35、配合 89C51 的/WR 和/RD 信號作 74HC244 和 74HC373 的使能信號。要求當89C51 的/RD=0,=1 時才開啟 74HC244,讀取 ADS7864 的轉(zhuǎn)換結果；當 89C51的/WR=0,=1 時 74HC373 才鎖存 89C51P0 口上的數(shù)據(jù)信號，實現(xiàn)往 ADS7864的控制端寫數(shù)據(jù)，其它時候 74HC244 和 74HC373 都是關閉的，這樣避免了89C51P0 口上的其它信號對 ADS7864 的干擾。采用鎖存器 74HC373 來連接89C51 和 ADS7864 的原因是為了在 ADS7864 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時候保持/HOLDA/HOLDC、A0A2

36、 端的電平保持不變，免得影響 ADS7864 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的精度。74HC244 和 74HC373 的使能信號真值表如下： 表 4-174HC244 真值表 89C51 74HC244 /RD /IOE 和/2OE 0 1 0 X 0 1 表 4-274HC373 真值表 89C51 74HC373 /WR LE 0 1 1 X 0 0 根據(jù)真值表，可以用邏輯電路來實現(xiàn)這兩個電能信號。系統(tǒng)的最終目標就是獲取數(shù)據(jù)，然后計算得出結果。89C51 控制 ADS7864 轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結果的代碼如下： MOVDPTR,#8000H;ADS7864 的地址 MOV/A,#B;啟動 6 個通道轉(zhuǎn)換 MOVX

37、DPTR,A NOP;延遲 NOP NOP 對讀取結果處理 DJNZR1,LOOP 啟動轉(zhuǎn)換后，在讀取數(shù)據(jù)前需要延遲的指令周期數(shù)需根據(jù) 89C51 和ADS7864 的運行速度來決定。 第五章軟件實現(xiàn)程序流程圖 本章將主要介紹由軟件來實現(xiàn)程序的流程圖，主要由主程序框圖，自動調(diào)整子程序框圖，時間校正子程序框圖和全自動調(diào)整子程序框圖組成。這樣能夠通過流程圖比較直觀的介紹本系統(tǒng)的各個設計理論。MOV R1,#6 ;開始讀取 6 個通道的轉(zhuǎn)換結果 LOOP:MOVX MOV MOVX MOV A,DPTRR2,AA,DPTRR3,A 主程序柝圖 自動調(diào)整子程序框圖 電機亞位，謁整高度向b b森真方向,(0(0) )方位角8 8也為。逋過日程開關定茴 瞪維戈康珀為4545 方府角電機八正向旬動 全自動調(diào)整子程序和;圖 C百度角調(diào)整0K) RE