基于單片機(jī)的太陽能跟蹤充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)(畢業(yè)論文(更新版)

　　

【正文】 保證了 該系統(tǒng)反應(yīng)的快速性和靈敏性。那就一定是程序的問題，我多次看芯片的使用手冊，都沒發(fā)現(xiàn)錯誤的原因。 編寫 ULN2020 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的程序，在開發(fā)板上運(yùn)行正確，但在自己焊接的板子上電機(jī)不運(yùn)行，我對硬件進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)有一根線要連上 VCC，可是沒有接上，于是我把線焊接好。然后，對 ULN2020 驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，按開始 設(shè)置 CE 為高 在上升沿按位傳輸?shù)刂纷? 讀取或?qū)懭胂鄳?yīng)地址的數(shù)據(jù) 設(shè)置 CE 為低 結(jié)束 20 照步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動步驟，編寫相應(yīng)的程序，程序中利用鍵盤來調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過步進(jìn)電機(jī)的反應(yīng)，判斷驅(qū)動程序的正確性。把所有的芯片安裝到對應(yīng)的插座上，用萬用電表檢查元器件引腳之間有沒有 短路、接觸不良等現(xiàn)象。 圖 20 為 DS1302 驅(qū)動程序流程圖。 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果為 10 位，存放于 ADC數(shù)據(jù)寄存器 ADCH 和 ADCL 中。計(jì)算 U1減去 U2的絕對值，如果這個絕對值小于設(shè)定值，則認(rèn)為此方向上正對太陽，電機(jī) 1 不轉(zhuǎn)動。啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，獲取光敏電阻的電壓值 U0、 U U U3和 U4。 1腳為輸入引腳， 3腳為輸出引腳， 2腳接地。 J3是排針，與太陽能電池板的正負(fù)極相連，VCC2 代表太陽能電池板的正極， GND2 表示太陽能板的負(fù)極。熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時候?qū)⑿酒瑴囟瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。 ULN2020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 11所示。每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn) 電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。步進(jìn)電機(jī)可以直 接用數(shù)字信號驅(qū)動，使用非常方便，一般電動機(jī)都是連續(xù)移動的，而步進(jìn)電機(jī)則有電動機(jī) 11 則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。工作電壓寬達(dá) ～ 。 ADC 包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。 ATmega16 單片機(jī)有一個 10 位的逐次逼近型 ADC。電路用了光敏電阻（ R7R11）與負(fù)載電阻（ R2R6）相接，再接到 ATmega16 單片機(jī)的輸入口 PA0（ ADC0）、 PA1（ ADC1）、 PA2（ ADC2）、 PA3（ ADC3）和 PA4（ ADC4）進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面 8 薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。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。不過一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。實(shí)際應(yīng)用時，如果不需要復(fù)位按鈕，復(fù)位腳可以不接任何的零件 ， AVR 芯片也能穩(wěn)定工作。 AVR 大部分的 I/O 端口都具備雙重功能（有的還有第三功能）。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。 圖 2 是太陽跟蹤系統(tǒng)中的光敏電阻分布圖的俯視簡圖，一共由 5 個光敏電阻組成。 3 2 總體方案確定 方案簡述 本方案的太陽能跟蹤充電系統(tǒng)以 ATmega16 單片機(jī)為主控 芯片，由光電檢測模塊、時鐘模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊等組成。雙軸跟蹤，雙軸跟蹤彌補(bǔ)了單軸跟蹤方式的不足之處，它是一種全方位的跟蹤技術(shù)。一種是視日運(yùn)動軌跡跟蹤法，太陽相對與地球上某一點(diǎn)的位置，是可以近似計(jì)算的。太陽能具有這么多優(yōu)點(diǎn)，開放和利用太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化為其他可利用能源將對我們?nèi)祟惖目沙掷m(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。 經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，石化能源大量使用的同時也加劇了環(huán)境的污染和危害，這種危害表現(xiàn)為大量溫室氣體排放引起全球溫度升高加劇、南極臭氧層空洞擴(kuò)大、酸雨和暴雪等極端氣候出現(xiàn)以及各種疾病的復(fù)活等。 采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的 太陽能雙軸追蹤系統(tǒng)能有效提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，而且實(shí)時性好，成本較低，具有較廣泛的 應(yīng)用前景。太陽能是一種可再生能源，并且具有清潔、豐富等獨(dú)特優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)家和科學(xué)家的普遍估計(jì)，石油儲量的綜合估算，可以支配的化石資源的極限大約為 1180 億噸 ~1510 億噸，以 1995 年世界石油的開采量 億噸計(jì)算，石油儲量大約在 2050 年左右宣告枯竭；天然氣儲量估計(jì)131800~152900 兆立方米，年開采量維持在 2300 兆立方米，將在 57~65 年內(nèi)枯竭；煤的儲量約為 5600 億噸， 1995 年煤開采量為 33億噸，可以供應(yīng) 169 年；鈾的年開采量目前為每年 6 萬噸，據(jù) 1993 年世界能源委員會的估計(jì)可維持到 21世紀(jì) 30 年代中期；核聚變到 2050 年還沒有實(shí)現(xiàn)的希望（楊園靜等， 2020）。太陽能的利用開始逐漸被人類重視。太陽能光伏發(fā)電的工作原理是利用太陽能電池板接收太陽光輻射，通過電池板的接收和電路的轉(zhuǎn)化為可以利用的電能。這種方法由光電轉(zhuǎn)換器根據(jù)太陽光和接收板之間的偏差產(chǎn)生一個反饋信號，經(jīng)過放大整理后，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，使得接收裝置對準(zhǔn)太陽（ 鄭小年等， 2020） 。 本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)所介紹的太陽跟蹤裝置利用 光電檢測方式雙軸追蹤太陽，并對鋰電池進(jìn)行充電。單片機(jī)對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行處理和判斷，控制水平電機(jī)和俯仰電機(jī)運(yùn)行，對水平方向和垂直方向進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到跟蹤太陽的目標(biāo)。光敏電阻均垂直于太陽能電池板板面安裝。 ATmega16 有如下特點(diǎn)： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編 程 Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器 /計(jì)數(shù)器 (T/C)，片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口， 8路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的 ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 6 PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7GNDGNDPB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7AREFRESETXTAL2XTAL1Y122pfC822pfC9AVCC100nfC610mHL1C7VCCVCCVCCGNDC510KR1D1IN4148S1PB0 (XCK/T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0/INT2)3PB3 (AIN1/OC0)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8RESET9PD0 (RXD)14PD1 (TXD)15PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PD6 (ICP)20PD7 (OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC0 (SCL)22PC1 (SDA)23PC2 (TCK)24PC3 (TMS)25PC4 (TDO)26PC5 (TDI)27PC6 (TOSC1)28PC7 (TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7 (ADC7)33PA6 (ADC6)34PA5 (ADC5)35PA4 (ADC4)36PA3 (ADC3)37PA2 (ADC2)38PA1 (ADC1)39PA0 (ADC0)40VCC10U1ATmega16L8PI 圖 4 ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 復(fù)位電路由圖中的 D R S1和 C4 組成，接入單片機(jī)的 RESET 引腳。在一些要求較高的場合，建議使用外部的晶振線路。 P1為 ISP 下載接口， P1 中對應(yīng)的引腳接入單片機(jī)的 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）和復(fù)位引腳。光敏電阻是一種沒有極性的電阻器件。這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。當(dāng)平板對準(zhǔn)了 太陽后，對稱的兩個光敏電阻的光照強(qiáng)度就會相同，即 R8和 R9 的光強(qiáng)相同， R10 和 R11的光強(qiáng)相同。器件還支持 16 路差分電壓輸入組合。 。 DS1302 芯片的引腳分布如圖 8所示。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度 或 15 度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩 輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動都很大。 圖 10 步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48型四相八拍電機(jī) ULN2020 芯片介紹 電機(jī)驅(qū)動需要較高的電壓和電流，一般需要根據(jù)電機(jī)的具體參數(shù)設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動電路。 J2 為排針，與步進(jìn)電機(jī)相連。當(dāng)輸入電壓掉電時， CN3063 自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于 3 微安。它有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常廣泛。電源電路輸出 VCC 為 5V，為單片機(jī)電路、光強(qiáng)檢測電路和電機(jī)驅(qū)動等模塊供電。如果分鐘值不是 20 的整數(shù)倍，則不對太陽光進(jìn)行跟蹤，繼續(xù)獲取光敏電阻的電壓值。程序通過不停地獲取光敏電阻的電壓值，并對電壓值進(jìn)行處理和判斷，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)對太陽光進(jìn)行跟蹤。然開始 |U1 U2| 設(shè)定值 ? 讀取 U UU U4值 U1 U2 ？ 否 是 否 是 步進(jìn)電機(jī) 2 正轉(zhuǎn)一個角度 是 步進(jìn)電機(jī) 1反轉(zhuǎn)一個角度 U3 U4 ？ 步進(jìn)電機(jī) 1 正轉(zhuǎn)一個角度 步進(jìn)電機(jī) 2反轉(zhuǎn)一個角度 否 否 是 |U3 –U4| 設(shè)定值 ? 18 后寫 ADC 多工選擇寄存器 ADMUX，指定要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換的端口和選擇參考電壓，本設(shè)計(jì)指定的轉(zhuǎn)換端口為 PA0~PA4，參考電壓選擇外部的參考電壓。對于數(shù)據(jù)輸入，開始的 8 個 SCLK 周期，輸入寫命令字節(jié) ，數(shù)據(jù)字節(jié)在后 8個 SCLK 周期的上升沿輸入。寫一個簡單的程序，比如是點(diǎn)亮一盞 LED，測試單片機(jī)是否能正常工作。 設(shè)計(jì)中遇到的問題及其解決辦法 做任何事都不會是一帆風(fēng)順的。我上網(wǎng)查找這種情形的解決辦法，但是都解決不了我的問題。 6 系統(tǒng)測試方法及測試數(shù)據(jù) 通過不同情況下的實(shí)驗(yàn)對本系統(tǒng)進(jìn)行測試。所以，本次設(shè)計(jì)的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)比較理想化、個性化，充分考慮到了各種各樣的情況，以保證系統(tǒng)整體方面的優(yōu)良。=~(BIT(PA0)|BIT(PA1)|BIT(PA2)|BIT(PA3)|BIT(PA4))。 //讀取低 8位數(shù)據(jù) addata+=ADCH*256。 i++) //一個周期轉(zhuǎn) 30度 { PORTB = FFW1[i]。 i++) //一個周期轉(zhuǎn) 30度 { PORTB = REV1[i]。 i++) //一個周期轉(zhuǎn) 30度 { PORTB = FFW2[i]。 i++) //一個周期轉(zhuǎn) 30度 { PORTB = REV2[i]。 Write_Ds1302_Byte(address)。 RST_H。 //右移一位 SCL_L。 return temp。 } /***********************************************************************/ void Set_RTC(void) //設(shè)定 日歷 { unsigned char i,tmp。i