基于單片機的太陽能跟蹤充電系統設計(畢業論文(專業版)

　　

【正文】 i7。 return temp。 RST_H。 i++) //一個周期轉 30度 { PORTB = REV2[i]。 i++) //一個周期轉 30度 { PORTB = REV1[i]。 //讀取低 8位數據 addata+=ADCH*256。所以，本次設計的太陽能自動跟蹤系統比較理想化、個性化，充分考慮到了各種各樣的情況，以保證系統整體方面的優良。我上網查找這種情形的解決辦法，但是都解決不了我的問題。寫一個簡單的程序，比如是點亮一盞 LED，測試單片機是否能正常工作。然開始 |U1 U2| 設定值 ? 讀取 U UU U4值 U1 U2 ？ 否 是 否 是 步進電機 2 正轉一個角度 是 步進電機 1反轉一個角度 U3 U4 ？ 步進電機 1 正轉一個角度 步進電機 2反轉一個角度 否 否 是 |U3 –U4| 設定值 ? 18 后寫 ADC 多工選擇寄存器 ADMUX，指定要進行 A/D轉換的端口和選擇參考電壓，本設計指定的轉換端口為 PA0~PA4，參考電壓選擇外部的參考電壓。如果分鐘值不是 20 的整數倍，則不對太陽光進行跟蹤，繼續獲取光敏電阻的電壓值。它有一系列固定的電壓輸出，應用非常廣泛。 J2 為排針，與步進電機相連。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 度 或 15 度；反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩 輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。 。當平板對準了 太陽后，對稱的兩個光敏電阻的光照強度就會相同，即 R8和 R9 的光強相同， R10 和 R11的光強相同。光敏電阻是一種沒有極性的電阻器件。在一些要求較高的場合，建議使用外部的晶振線路。 ATmega16 有如下特點： 16K 字節的系統內可編 程 Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)， 512 字節 EEPROM， 1K 字節 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，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器 /計數器 (T/C)，片內 /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行選擇的省電模式。單片機對采集到的數字信號進行處理和判斷，控制水平電機和俯仰電機運行，對水平方向和垂直方向進行調整，達到跟蹤太陽的目標。這種方法由光電轉換器根據太陽光和接收板之間的偏差產生一個反饋信號，經過放大整理后，控制步進電機轉動，使得接收裝置對準太陽（ 鄭小年等， 2020） 。太陽能的利用開始逐漸被人類重視。太陽能是一種可再生能源，并且具有清潔、豐富等獨特優勢，具有廣闊的發展前景。 經濟的高速發展，石化能源大量使用的同時也加劇了環境的污染和危害，這種危害表現為大量溫室氣體排放引起全球溫度升高加劇、南極臭氧層空洞擴大、酸雨和暴雪等極端氣候出現以及各種疾病的復活等。一種是視日運動軌跡跟蹤法，太陽相對與地球上某一點的位置，是可以近似計算的。 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以 ATmega16 單片機為主控 芯片，由光電檢測模塊、時鐘模塊和電機驅動模塊等組成。 ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。實際應用時，如果不需要復位按鈕，復位腳可以不接任何的零件 ， AVR 芯片也能穩定工作。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。電路用了光敏電阻（ R7R11）與負載電阻（ R2R6）相接，再接到 ATmega16 單片機的輸入口 PA0（ ADC0）、 PA1（ ADC1）、 PA2（ ADC2）、 PA3（ ADC3）和 PA4（ ADC4）進行 A/D 轉換。 ADC 包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。步進電機可以直 接用數字信號驅動，使用非常方便，一般電動機都是連續移動的，而步進電機則有電動機 11 則有定位和運轉兩種狀態，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。 ULN2020 內部結構如圖 11所示。 J3是排針，與太陽能電池板的正負極相連，VCC2 代表太陽能電池板的正極， GND2 表示太陽能板的負極。啟動 A/D 轉換，獲取光敏電阻的電壓值 U0、 U U U3和 U4。 ADC 轉換結果為 10 位，存放于 ADC數據寄存器 ADCH 和 ADCL 中。把所有的芯片安裝到對應的插座上，用萬用電表檢查元器件引腳之間有沒有 短路、接觸不良等現象。 編寫 ULN2020 驅動步進電機的程序，在開發板上運行正確，但在自己焊接的板子上電機不運行，我對硬件進行檢測，發現有一根線要連上 VCC，可是沒有接上，于是我把線焊接好。 表 1 實驗數據 實驗次數 實驗 1充電時間 /小時 實驗 2充電時間 /小時 1 2 3 7 結論 本太陽能自動跟蹤系統設計采取了傳統的硬件和軟件相結合的開發方法，使用了ATmega16 單片機作為整個系統的控制處理中心，而 ATmega16 單片機具有硬件設計方便，資源豐富，程序指令快速簡單，驅動能力強等優點，所以保證了 該系統反應的快速性和靈敏性。 //啟動轉換 while(!(ADCSRamp。 j12。 j12。 Delayus(5)。 } RST_L。 l_tmpdate[i]=l_tmpdate[i]+tmp*16。 Write_Ds1302(0X82,0)。i7。 DDRDamp。 Delayus(5)。 uint j。 uint j。如果此系統能夠在機械設計上有較多改進，能夠加上顯示模塊的話，相信本系統將會有很大的改進，在性能上會有很大的提高。 對 DS1302 進行測試的時候，我改了很多遍程序，數碼管都沒 有顯示正確的時間。 在寫程序之前，先學習 ATmaga16 單片機的 AD 轉換的使用方法、 DS1302 芯片的時序要求和有關芯片相關的指令后，編寫各個部 分的程序流程圖，然后開始編程。 圖 19 A/D轉換程序流程圖 DS1302 時鐘程序設計 DS1302 與單片機的連接需要三條線： CE引腳、 SCLK 串行時鐘引腳和 I/O 串行數據引腳。太陽跟蹤算法程序流程圖如圖 18 所示。雖然是按照固定電壓值來設計的，但是當接入適當的外部器件 后，就能獲得各種不同的電壓和電流。內部的 8 位模擬 數字轉換電路，能夠根據輸入電壓源的電流輸出能力自 動調整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應用。 步進電機 28BYJ48 型是四相八拍電機，實物圖如圖 10所示，輸入電壓為 DC5VDC12V。 時鐘電路 DS1302 時鐘芯片介紹 DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、 低功耗的實時時鐘芯片，附加 31字節靜態 RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號和 RAM 數據。 9 VCCGND10KR21KR7光敏電阻PA0VCCGND10KR31KR8光敏電阻PA1VCCGND10KR41KR9光敏電阻PA2VCCGND10KR51KR10光敏電阻PA3VCCGND10KR61KR11光敏電阻PA4 圖 7 光強度檢測電路 A/D 轉換電路 A/D轉換模塊 使用 ATmega16內部自帶的 A/D轉換器， ADC具有專門的時鐘。 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結構圖 如圖 6 所示。為減小 AD 轉換的電源干擾， ATmega16 7 單片機 芯片有獨立的 AD 電源供電。 ATmega16 有 4 個 8位的雙向 I/O 端口 PA、 PB、 PC、 PD，他們對外對應 32 個 I/O 引腳，每一位都可以獨立地用于邏輯信號的輸入和輸出。圖 1 為系統的總體框圖。這類跟蹤方式具有結構相對簡單，控制較為容易的特點，比較合適在光照強度充足和光照比較穩定的地區。太陽能的分布廣泛，在偏遠地區及地理環境相對惡劣的山區、農村等地方提供太陽能所轉化的各種能量，可以降低運輸壓力，而且能緩解能源供應的矛盾。本設計以單片機為控制中心，采用太陽能雙軸跟蹤裝置充電，可在兩個自由度中上對太陽進行跟蹤，有效的提高太陽能的利用率。據統計， 2020 年中國成為世界能源第一消耗大國，能源消耗總量為 百萬噸油當量，同比增長 %，占 世界總能源消耗的 % 。理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差 %，因此進行高精度的太陽跟蹤是很有必要的（ 楊金煥等， 2020） 。 （ 2） 選擇合適的主控芯片，對硬件電路進行設計。光敏電阻 3 和光敏電阻 4 對太陽垂直角度的 光電檢測模塊 電源模塊 A/D 轉換 電機驅動電模塊 太陽能充電模塊 時鐘模塊 ATmega16 單片機模塊 4 變化進行檢測，并將檢測到的光線變化信號傳輸給單片機，單片機進行進一步處理后驅動俯仰電機的正反轉，從而實現電池板垂直角度的調整。為了可靠，再加上一只 的電容 (C5)以消除干擾、雜波。由于沒有外圍零件，故 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）、復位腳仍可以正常使用 ，不受 ISP 的干擾。后者性能穩定，特性較好，故目前大都采用它。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端 (ADC1), 而其他任何 ADC 輸入可作為 正輸入端。本設計中， CE 引腳與單片機 PD5 腳相連， SCLK 引腳與單片機 PD4腳相連， I/O引腳與單片機 PD5腳相連。 ULN2020 是耐高壓、大電流達林頓系列，由七個硅 NPN達林頓管組成。 CN3063 采用散熱增強型的 8 管腳小外形封裝 (SOP8)， CN3063 的 引腳分布如圖 13所示。 Vin1GND2Vout3U2 7805220uFC2100uFC3C4C1GNDVCC+1212J1 圖 16 電源電路圖 4 系統軟件設計 系統主程序設計及工作原理 本系統的軟件程序部分使用了 ATmega16單片機的 PA0PA4端口對光敏電阻的電壓值進行采集，用 PB0PB7 端口對兩個步進電機進行控制，用 PD4PD6 口獲取實時時鐘數據。本設計使用單片機的端口 A 的前 5 路單端輸入電壓進行采樣。把 CE（ PD5）設置為低電平，結束數據傳輸。 由于沒有使用 ATmega16 單片機中的 A/D轉換功能的經驗，所以，我找了一個參考程序，然后進行自己的改編。 實驗 1：在晴天的條件下，不進行太陽跟蹤，對一節鋰電池進行太陽能充電，記錄充電的時間。 //采用外部參考電壓，輸出數據右對齊 ADMUX|=chl。 //調節轉速 } } } /********************************************************/ /* /*步進電機 1 反轉 /* /********************************************************/ void motor_rev1() { uchar i。 //調節轉速 } }