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(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)計(jì)，并且 在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故 AVR外部的復(fù)位線路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)單：直接拉一只 10K 的電阻到 VCC 即可 (R1)。為了可靠，再加上一只 的電容 (C5)以消除干擾、雜波。 D1(1N4148)的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在 Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將 R1(10K)電阻短路，讓 C5快速放電，讓下一次來電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng) AVR 在工作時(shí)，按下 S1 開關(guān)時(shí)，復(fù)位引腳變成低電平，觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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。 晶振電路由圖中的 Y C和 C9組成，接入單片機(jī)的 XTAL1和 XTAL2的引腳。 ATmega16單片機(jī) 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M、 2M、 4M、 8M 的振蕩頻率。在一些要求較高的場(chǎng)合，建議使用外部的晶振線路。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部 RC 振蕩，這部分不需要任何的外圍零件。 AD轉(zhuǎn)換濾波電路由圖中的 L C和 C7組成。為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾， ATmega16 7 單片機(jī) 芯片有獨(dú)立的 AD 電源供電。 ATmega16 單片機(jī) 內(nèi)帶 標(biāo)準(zhǔn)參考電壓，也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使?TL431 基準(zhǔn)電壓源。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(shí)，如果想簡(jiǎn)化線路，可以將 AVCC 直接接到 VCC， AREF懸空，即這部分不需要任何的外圍零件。 ISP 下載線路 ISP 下載線路如圖 5 所示。 P1為 ISP 下載接口， P1 中對(duì)應(yīng)的引腳接入單片機(jī)的 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）和復(fù)位引腳。 ISP 下載接口不需要任何的外圍零件。由于沒有外圍零件，故 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用 ，不受 ISP 的干擾。 1 23 45 67 89 10P1ISPPB5RESETGNDPB7PB6VCC 圖 5 ISP下載線路 光強(qiáng)度檢測(cè)電路 光敏電阻介紹和工作原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng) (半導(dǎo)體材料受光照射后，其導(dǎo)電率發(fā)生變化的現(xiàn)象）。常用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。半導(dǎo)體材料受到光照時(shí) 會(huì)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小，光線越強(qiáng)，阻值越低。光敏電阻是一種沒有極性的電阻器件。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為 2到 50ms。光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片（或樹脂防潮膜）和電極等組成。 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 如圖 6 所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè) 歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。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。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案。它是在 一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。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。 光敏電阻的類型按半導(dǎo)體材料分為本征型光敏電阻和摻雜型光敏電阻。后者性能穩(wěn)定，特性較好，故目前大都采用它。 圖 6 金屬封裝的硫化鎘光敏電 阻結(jié)構(gòu)圖 光強(qiáng)檢測(cè)電路 本設(shè)計(jì)中的光強(qiáng)檢測(cè)電路如圖 7 所示。光敏電阻其內(nèi)部電阻隨光照射而變化，光度越強(qiáng)阻值越小，輸出電流越大。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。其中光敏電阻 R7用于檢測(cè)當(dāng)前的太陽光強(qiáng)是否足夠，若光強(qiáng)小于某個(gè)值，系統(tǒng)就不進(jìn)行跟蹤。光敏電阻 R R R10 和 R11 用于檢測(cè)太陽能板是否對(duì)準(zhǔn)太陽。當(dāng)平板對(duì)準(zhǔn)了 太陽后，對(duì)稱的兩個(gè)光敏電阻的光照強(qiáng)度就會(huì)相同，即 R8和 R9 的光強(qiáng)相同， R10 和 R11的光強(qiáng)相同。當(dāng)平板沒有對(duì)正太陽時(shí)對(duì)稱的兩個(gè)光敏電阻的光照強(qiáng)度就會(huì)不一樣，則流過電阻的電流就會(huì)不相同，這樣獲取的電壓值也不相同。R8和 R9 用于對(duì)垂直方向的太陽光進(jìn)行追蹤， R10 和 R11 用于對(duì)水平方向的太陽光進(jìn)行追蹤。 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(qiáng)度檢測(cè)電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換模塊 使用 ATmega16內(nèi)部自帶的 A/D轉(zhuǎn)換器， ADC具有專門的時(shí)鐘。這樣可以在ADC工作的時(shí)候停止 CPU和 I/O時(shí)鐘以降低數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，從 而提高 ADC轉(zhuǎn)換精度（ 王衛(wèi)星， 2020）。 ATmega16 單片機(jī)有一個(gè) 10 位的逐次逼近型 ADC。 ADC 與一個(gè) 8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以 0V (GND) 為基準(zhǔn)。器件還支持 16 路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入 (ADC ADC0 與 ADC ADC2)有可編程增益級(jí)，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0dB(1x)、 20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大級(jí)。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端 (ADC1), 而其他任何 ADC 輸入可作為 正輸入端。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。如果使用 200x 增益，可得到 7 位分辨率。 ADC 包括一個(gè)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。 ADC 由 AVCC 引腳單獨(dú)提供電源。 AVCC 與 VCC 之間的偏差不能超過 177。 。標(biāo)稱值為 的基準(zhǔn)電壓，以及 AVCC，都位于器件之內(nèi)?；鶞?zhǔn)電壓可以通過在 AREF引腳上加一個(gè)電容進(jìn)行解耦，以更好地抑制噪聲。 時(shí)鐘電路 DS1302 時(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加 31字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和 RAM 數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小與 31 天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓寬達(dá) ～ 。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電 10 流充電的能力。 DS1302 用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中。 DS1302 芯片的引腳分布如圖 8所示。 圖 8 DS1302的引腳分布圖 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路原理圖如圖 8 所示 ， DS1302 與單片機(jī)的連接需要 3 條線： CE 引腳、 SCLK串行時(shí)鐘引腳、 I/O 串行數(shù)據(jù)引腳。本設(shè)計(jì)中， CE 引腳與單片機(jī) PD5 腳相連， SCLK 引腳與單片機(jī) PD4腳相連， I/O引腳與單片機(jī) PD5腳相連。 VCC2接 5V電源，芯片外接 晶振，為芯片提供計(jì)時(shí)脈沖。 VCC21X12X23GND4CE5I/O6SCLK7VCC18U4DS1302VCCGNDY232768HZPD4PD6PD527pFC1027pFC1110KR1310KR14VCC10KR12Res2 圖 9 時(shí)鐘電路圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或直接位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)可以直 接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常方便，一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)移動(dòng)的，而步進(jìn)電機(jī)則有電動(dòng)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(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的； 同時(shí)您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)分為三類：永磁式（ PM），反應(yīng)式（ VR）和混合式（ HB）。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(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家 80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般 度，而五相步進(jìn)角一般為 度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48 型是四相八拍電機(jī)，實(shí)物圖如圖 10所示，輸入電壓為 DC5VDC12V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)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(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改 變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA ）， 雙 （ 雙 相 繞 組 通 電 ） 四 拍 （ ABBCCDDAAB ）， 八 拍（ AABBBCCCDDDAA）。 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(dòng)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(dòng)電路。目前市場(chǎng)上有很多性能優(yōu)良的電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，本設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2020 12 用于步進(jìn)電機(jī)的 驅(qū)動(dòng)控制。 ULN2020 是耐高壓、大電流達(dá)林頓系列，由七個(gè)硅 NPN達(dá)林頓管組成。該電路的特點(diǎn)如下： ULN2020 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) ，在 5V 的工作電壓下他能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2020 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA,并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。 ULN2020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 11所示。 圖 11 ULN2020內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路圖如圖 12 所示 。圖中 U3為 ULN2020 芯片，芯片的 IN1 腳接入單片機(jī)的 PB0 腳， IN2 腳接入單片機(jī)的 PB1 腳， IN3腳接入單片機(jī)的 PB2 腳， IN4 腳接入單片機(jī)的 PB3 腳。 J2 為排針，與步進(jìn)電機(jī)相連。 VCCPB0PB1PB2PB3IN55IN77IN66OT512OT611OT710OT413COM9IN11IN44OT215IN33OT314IN22OT116GND8U3ULN202012345J2步進(jìn)電機(jī)VCCGND 圖 12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 13 鋰電池充電電路 太陽能充電管理專用充電芯片 CN3063 簡(jiǎn)介 CN3063 是可以用 太陽能電池 供電的單節(jié) 鋰電池 充電管理芯片。該器件內(nèi)部包括 功率晶體管，應(yīng)用時(shí)不需要外部