基于單片機(jī)的太陽(yáng)能跟蹤控制畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　能源短缺問(wèn)題是目前許多國(guó)家面臨的重要問(wèn)題，太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，有著巨大的開發(fā)前景。我國(guó)是一個(gè)太陽(yáng)能資源較為豐富的國(guó)家，充分利用太陽(yáng)能資源，有著深遠(yuǎn)的能源戰(zhàn)略意義。利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵是提高太陽(yáng)能電池板采集太陽(yáng)能的效率，太陽(yáng)能電池板接受太陽(yáng)光的直射，由此得到太陽(yáng)最大光照強(qiáng)度，從而最大限度的采集太陽(yáng)能。</p>

2、<p>　　針對(duì)提高太陽(yáng)能的利用率問(wèn)題的研究，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的光電比較式太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制器。以AT89S52單片機(jī)作為核心控制元件，通過(guò)將兩個(gè)光電傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)比較電路和A/D，將比較結(jié)果輸出至單片機(jī)，由單片機(jī)分析處理數(shù)據(jù)并輸出至ULN2003A從而控制五線四相步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的跟蹤。該系統(tǒng)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，且具有較好的抗干擾能力，提高了對(duì)太陽(yáng)光能的利用率。</p><p>　　

3、在設(shè)計(jì)中首先完成對(duì)該方案的仿真驗(yàn)證，而后主要通過(guò)編輯器，利用C語(yǔ)言編制程序，并完成程序設(shè)計(jì)，通過(guò)下載器將程序燒寫到單片機(jī)中。最后通過(guò)搭建硬件實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)跟蹤目標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光電傳感器；單片機(jī)；C語(yǔ)言；跟蹤；步進(jìn)電機(jī)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Energy shortage

4、 is an important issue facing many countries, solar energy as a clean and non-polluting energy, has great development prospects. Ours is a country rich in solar energy resources are more full use of solar energy resource

5、s, energy strategy has far-reaching significance. Use of solar energy is the key to increase solar collection efficiency of solar energy panels, solar panels receiving direct sunlight, thereby obtaining the maximum solar

6、 illumination intensity, so as to maximize so</p><p>　　For the problem of improving the utilization of solar energy research, design a microcontroller-based photovoltaic solar automatic tracking controller c

7、omparison. The AT89S52 microcontroller as the core control elements, by two photoelectric sensor to the signal through the comparison circuit and A / D, will compare the results to the MCU, the MCU analytical processing

8、data and output to the ULN2003A to control the five-line four-phase stepper motor to achieve the position of the sun tracking. T</p><p>　　Finished first in the design simulation of the program, and then main

9、ly through the editor, using C language programming, and complete the program design, by downloading device will be programmed into the microcontroller. Finally, to achieve the pre-built hardware experiments designed to

10、track the target.</p><p>　　Keywords: photoelectric sensor; MCU; C language; tracking; stepper motor</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><

11、p>　　1.1 太陽(yáng)能跟蹤的背景及意義1</p><p>　　1.2 太陽(yáng)能跟蹤控制器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1</p><p>　　1.3 太陽(yáng)能跟蹤控制器概念及原理2</p><p>　　1.4 太陽(yáng)能跟蹤控制器的研究?jī)?nèi)容與過(guò)程3</p><p>　　2 太陽(yáng)能跟蹤控制器設(shè)計(jì)方案4</p><p&g

12、t;　　2.1 功能描述4</p><p>　　2.2 方案論證4</p><p>　　2.2.1 主控系統(tǒng)選擇4</p><p>　　2.2.2 電機(jī)選擇7</p><p>　　2.2.3 步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方案選擇9</p><p>　　2.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇11</p>

13、<p>　　2.2.5 A/D轉(zhuǎn)換方案選擇12</p><p>　　2.2.6 跟蹤器方案設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.2.6 單片機(jī)控制系統(tǒng)方案17</p><p>　　3 太陽(yáng)能跟蹤控制器硬件電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.1 系統(tǒng)組成原理18</p><p>　　3.2

14、單片機(jī)供電電源18</p><p>　　3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)18</p><p>　　3.4 跟蹤器設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.5 A/D采集電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)20</p><p>　　4 太陽(yáng)能跟蹤控制器軟件設(shè)計(jì)22</p><p&

15、gt;　　4.1 程序流程圖22</p><p>　　4.2 太陽(yáng)能跟蹤控制器程序設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2.1 主函數(shù)23</p><p>　　4.2.2 定時(shí)器1中斷初始化函數(shù)24</p><p>　　4.2.3 延時(shí)函數(shù)24</p><p>　　4.2.4 按鍵掃描函數(shù)25<

16、;/p><p>　　4.2.5 定時(shí)器1中斷子程序控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)26</p><p>　　4.2.6 TLC1543采集函數(shù)27</p><p>　　5 太陽(yáng)能跟蹤控制器調(diào)試30</p><p>　　6 結(jié)論與展望31</p><p>　　8 致 謝32</p><p>

17、<b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p>　　附錄A 英文原文34</p><p>　　附錄B 中文翻譯36</p><p>　　太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)36</p><p>　　附錄C proteus仿真圖38</p><p>　　附錄D 程序39</p><

18、;p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 太陽(yáng)能跟蹤的背景及意義</p><p>　　能源短缺問(wèn)題是目前許多國(guó)家面臨的重要問(wèn)題，太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，有著巨大的開發(fā)前景。我國(guó)是一個(gè)太陽(yáng)能資源較為豐富的國(guó)家，充分利用太陽(yáng)能資源，有著深遠(yuǎn)的能源戰(zhàn)略意義。利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵是提高太陽(yáng)能電池板采集太陽(yáng)能的效率，太陽(yáng)能電池板接受太陽(yáng)光的直

19、射，由此得到太陽(yáng)最大光照強(qiáng)度，從而最大限度的采集太陽(yáng)能。目前太陽(yáng)能電池板普遍采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式和電池板固定朝南安裝的方式。這些方法存在的缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換效率較低、跟蹤適應(yīng)能力弱、跟蹤精度低。因此太陽(yáng)能電池板如能配合基于單片機(jī)的太陽(yáng)能跟蹤控制器的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能夠跟蹤太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，有望在光伏發(fā)電中使用。</p><p>　　1.2 太陽(yáng)能跟蹤控制器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><

20、;p>　　目前國(guó)內(nèi)外跟蹤太陽(yáng)能的方法有很多，但不外乎采用這兩種方式：光電跟蹤和根據(jù)日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤：前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。</p><p><b>　　1．光電跟蹤</b></p><p>　　目前，國(guó)內(nèi)常用的光電跟蹤有重力式，電磁式和電動(dòng)式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器如硅光電管。在這些裝置中，光電管的安裝靠近遮光板，調(diào)整遮光板的位置使

21、遮光板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，硅電池處于陰影區(qū)，當(dāng)太陽(yáng)西移時(shí)遮光板的陰影偏移，光電管受到陽(yáng)關(guān)直射輸出一定值的微電流。作為偏差信號(hào)，經(jīng)放大電路放大，由伺服電機(jī)調(diào)整角度使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)完成跟蹤。光電跟蹤靈敏度高，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便。但受天氣的影響較大，如果在稍長(zhǎng)時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽(yáng)的情況，太陽(yáng)光線往往不能照到光電管上，導(dǎo)致跟蹤裝置無(wú)法對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行結(jié)構(gòu)的誤動(dòng)作。</p><p>　　2. 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤</p

22、><p>　　根據(jù)跟蹤系數(shù)的軸數(shù)，視日運(yùn)動(dòng)軌跡系統(tǒng)可分為單軸和雙軸兩種。視日運(yùn)動(dòng)跟蹤原理：計(jì)算機(jī)現(xiàn)根據(jù)天文學(xué)中太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律的公式計(jì)算出一天內(nèi)某時(shí)刻太陽(yáng)高度角和方位角的理論值，然后運(yùn)行控制程序調(diào)整定日鏡裝置的高度和方位角，完成對(duì)太陽(yáng)能的實(shí)時(shí)跟蹤。此類跟蹤控制的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，不受天氣影響，可靠性強(qiáng)。缺點(diǎn)是在計(jì)算太陽(yáng)角度的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生累積誤差，而且其自身無(wú)法消除，需要定期校正。</p><p>&

23、lt;b>　　(1)單軸跟蹤</b></p><p>　　單軸跟蹤一般采用：1傾斜布置東西跟蹤；2焦線南北水平布置，東西跟蹤；3焦線東西水平態(tài)置，南北跟蹤。這三種都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向或東西向跟蹤，工作原理相似。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時(shí)刻太陽(yáng)光與光采集面垂直，此時(shí)熱量最大；而在早上或下午太陽(yáng)光線都是斜射。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽(yáng)能的效果并

24、不理想。</p><p><b>　　(2)雙軸跟蹤</b></p><p>　　如果能能夠在太陽(yáng)高度和赤緯角的變化上都能夠跟蹤太陽(yáng)就可以獲得最大的太陽(yáng)能，全跟蹤即雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要求設(shè)計(jì)的。極軸式全跟蹤是一種雙軸跟蹤方式。</p><p>　　極軸式全跟蹤原理如圖1.1所示，聚光鏡的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸；另

25、一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時(shí)反射鏡面繞極軸運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向方向相反用以跟蹤太陽(yáng)的視日運(yùn)動(dòng)；反射鏡圍繞赤緯軸作仰俯運(yùn)動(dòng)是為了適應(yīng)赤緯角的變化。通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過(guò)極軸線，極軸支撐裝置的設(shè)計(jì)比較困難。</p><p>　　圖1.1 極軸式跟蹤</p><p>　　1.3 太陽(yáng)能跟蹤控制器概念及原理&

26、lt;/p><p>　　本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)作為核心控制元件，通過(guò)將兩個(gè)光電傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)比較電路和A/D，將比較結(jié)果輸出至單片機(jī)，由單片機(jī)分析處理數(shù)據(jù)并輸出至ALN2003A從而控制五線四相步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的跟蹤。該系統(tǒng)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，且具有較好的抗干擾能力，提高了對(duì)太陽(yáng)光能的利用率。</p><p>　　1.4 太陽(yáng)能跟蹤控制器的研究?jī)?nèi)容與過(guò)程</p>

27、;<p>　　第一步：分析太陽(yáng)跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)分析及可能的工作狀態(tài)，提出合理的控制策略。</p><p>　　第二步：根據(jù)所需要完成的任務(wù)選取控制芯片，并分析系統(tǒng)的軟硬件需求。</p><p>　　第三步：根據(jù)所提出的控制策略設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，選擇合適的控制執(zhí)行部件及電機(jī)。</p><p>　　第四步：根據(jù)軟硬件需求和芯片資源進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，選擇適

28、當(dāng)?shù)膫鞲衅?，編制?lt;/p><p>　　制程序，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。2 太陽(yáng)能跟蹤控制器設(shè)計(jì)方案</p><p><b>　　2.1 功能描述</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)作為核心控制元件，跟蹤器由兩個(gè)光敏電阻組成的電路板搭成45度結(jié)構(gòu)，并由步進(jìn)電機(jī)控制底座轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)將兩個(gè)光敏電阻采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)比較電路和A/D，將比較

29、結(jié)果輸出至單片機(jī)，由單片機(jī)分析處理數(shù)據(jù)并輸出至ALN2003A從而控制五線四相步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的跟蹤。該系統(tǒng)具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，且具有較好的抗干擾能力，提高了對(duì)太陽(yáng)光能的利用率。</p><p><b>　　2.2 方案論證</b></p><p>　　2.2.1 主控系統(tǒng)選擇</p><p>　　方案一：采用高性能嵌入式系統(tǒng)，比如ARM

30、。如果采用此方案，可以很好的解決數(shù)據(jù)處理和控制功能，但是ARM價(jià)格昂貴且本科階段很少接觸，在短時(shí)間內(nèi)完成困難比較大。</p><p>　　方案二：采用大規(guī)模可編程邏輯器件，如FPGA，CPLD但本題屬于控制類，F(xiàn)PGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中

31、的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 </p><p>　　FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。</p>&l

32、t;p>　　方案三：采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到方案的可實(shí)行性和性價(jià)比，我們采用STC89C52 51單片機(jī)作為控制芯片，十分適用于太陽(yáng)能跟蹤。表現(xiàn)在：主要控制參數(shù)通過(guò)設(shè)置寄存器變量來(lái)實(shí)現(xiàn)，修改方便；成本低廉，性能與相對(duì)簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能跟蹤裝置系統(tǒng)匹配；數(shù)字化的控制系統(tǒng)，可以達(dá)到較高的精度，并有可能通過(guò)串行通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和模塊化處理；可處理多個(gè)中斷，系統(tǒng)運(yùn)行后可能出現(xiàn)以前沒(méi)有考慮到的特殊情況，相應(yīng)的擴(kuò)充政策十分簡(jiǎn)單。</p>

33、<p>　　結(jié)合本次設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，以及上訴兩種方案的參照對(duì)比，我決定采用方案2。具體采用STC89C52控制芯片，下面介紹一下STC89C52。其管腳圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 TC89C52 引腳圖</p><p>　　STC89C52是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasab

34、le Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器俗稱單片機(jī)。STC89C52是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,STC89C52是一種高效微控制器。STC89C52單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高

35、且價(jià)廉的方案。 </p><p>　　STC89C52主要功能模塊： </p><p>　　與MCS-51 兼容 </p><p>　　4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 </p><p>　　全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz </p><p>　　三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 </

36、p><p>　　128*8位內(nèi)部RAM </p><p>　　32可編程I/O線 </p><p>　　兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 </p><p><b>　　5個(gè)中斷源 </b></p><p><b>　　可編程串行通道 </b></p><p>

37、　　低功耗的閑置和掉電模式 </p><p>　　片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 </p><p>　　STC89C52管角說(shuō)明： </p><p>　　VCC：供電電壓。 </p><p>　　GND：接地。 </p><p>　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P

38、1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 </p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將

39、輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)

40、，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 </p><p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流

41、（ILL）這是由于上拉的緣故。 </p><p>　　P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口，如下所示： </p><p>　　管腳 備選功能 </p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口） </p><p>　　P3.2 /INT

42、0（外部中斷0） </p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1） </p><p>　　P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） </p><p>　　P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） </p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） </p><p>　　P3.7 /RD

43、（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） </p><p>　　P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 </p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 </p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在

44、平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 </p><p>　　PSEN：外部

45、程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 </p><p>　　EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于

46、施加12V編程電源（VPP）。 </p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 </p><p>　　XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　2.2.2 電機(jī)選擇</p><p>　　方案一：選擇普通直流電機(jī)，通過(guò)減速齒輪增大扭力，提高帶負(fù)載能力。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，控

47、制容易，但難以精確控制是其一大弱點(diǎn)。</p><p>　　方案二：選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是可以精確控制電機(jī)選擇步數(shù)和角度，缺點(diǎn)就是力矩比較小，容易失步，而且價(jià)格比較昂貴。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置。它具有快速啟，停能力在電機(jī)的負(fù)荷不超過(guò)它提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以通過(guò)輸入脈沖來(lái)控制它在一瞬間的起動(dòng)和停止。步進(jìn)電機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速只和脈

48、沖頻率有關(guān)，和溫度，氣壓，振動(dòng)無(wú)關(guān)，也不受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。因此，步進(jìn)電機(jī)多應(yīng)用在需要精確定位的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)中執(zhí)行需要進(jìn)行角度控制，不需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)，綜上所述選擇方案2。下面介紹一下步進(jìn)電機(jī)的基本內(nèi)容。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)分類</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR），和混合式（HB）。</p>

49、;<p>　　永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度，或15度。 反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指

50、標(biāo)</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)典型開環(huán)控制系統(tǒng)，其原理可由圖 2.2表示：</p><p>　　圖2.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)：</p><p>　　相數(shù)：電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)。目前常用的有二相，三相，四相，五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步進(jìn)角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.

51、9/1.8度，三相為0.75/1.5度，五相為0.36/0.72度。在使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。</p><p>　　步距角：表示控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖控制信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可稱為“電機(jī)固有步距角“，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真

52、正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。</p><p>　　拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需要的脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式，即AB-BC-CD-DA-AB;四相八拍運(yùn)行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)：</p><p>　　步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)

53、一個(gè)步距角的實(shí)際值和理論值的誤差，用百分比表示：誤差/步距角 100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。</p><p>　　失步：電機(jī)運(yùn)行時(shí)的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)，稱為失步。</p><p>　　失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。</p><p>

54、　　最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電壓下，在不加載負(fù)載的情況下能夠直接起動(dòng)的最大頻率。</p><p>　　2.2.3 步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方案選擇</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式分為全步勵(lì)磁和半步勵(lì)磁兩種。其中全步勵(lì)磁方式又有一相勵(lì)磁和二相勵(lì)磁之分；半步勵(lì)磁又稱一二相勵(lì)磁。假設(shè)每旋轉(zhuǎn)一圈需要200個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)勵(lì)磁，可以計(jì)算出每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)能使步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)1,8度。<

55、;/p><p>　　方案一：在每一瞬間，步進(jìn)電機(jī)只有一個(gè)線圈導(dǎo)通，每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8度，這是三種勵(lì)磁方式中最簡(jiǎn)單的一種。</p><p>　　其特點(diǎn)是：精確度好 ，消耗電力少，但輸出轉(zhuǎn)矩小，振動(dòng)較小。如果以該方式控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則該步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　方案二：在每一瞬間，步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通，每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)

56、，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8度。</p><p>　　其特點(diǎn)是：輸出轉(zhuǎn)矩大，振動(dòng)小，因而成為目前使用最多的勵(lì)磁方式。如果以該勵(lì)磁方式控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳遞，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　方案三：一二相勵(lì)磁:為一相勵(lì)磁與二相勵(lì)磁交替導(dǎo)通的方式。每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.9度。</p><p>　　其特點(diǎn)是：分辨率高，運(yùn)行平滑，故應(yīng)用范圍也很廣泛。

57、如果以該方式控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若勵(lì)磁順序方向傳遞，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　結(jié)合本次設(shè)計(jì)的任務(wù)要求屬于緩慢精確跟蹤，要求跟蹤過(guò)程平穩(wěn)，運(yùn)行平滑，我決定采用方案3。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)AIRPAX簡(jiǎn)介</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用APIRPAX步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　工作電壓：5V。繞組內(nèi)阻：20.4歐姆。步進(jìn)

58、角：15度。永磁4相。</p><p>　　其接線圖如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 步進(jìn)電機(jī)接線圖</p><p>　　該步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方案選擇一二相勵(lì)磁方式，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)跟蹤的目的。其勵(lì)磁順序表如表2.1所示：</p><p>　　表2.1 一二相勵(lì)磁順表</p><p>　　2.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

59、選擇</p><p>　　方案一：通過(guò)晶體三極管等分立元件搭H橋。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單。但由于晶體三極管的承載電流比較小，驅(qū)動(dòng)能力受到限制，因?yàn)槭欠至⒃?，穩(wěn)定性不敢保證，且體積比較大。</p><p>　　方案二：步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)可以選用專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，如L298,FT5754等，這類驅(qū)動(dòng)模塊接口簡(jiǎn)單，操作方便，他們既可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，也可驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。</p>

60、;<p>　　方案三：采用集成芯片，ULN2003A。</p><p>　　達(dá)林頓管ULN2003A,該芯片最多可一次驅(qū)動(dòng)八塊步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)然如果只有四線或者六線的也是沒(méi)有問(wèn)題的。本次設(shè)計(jì)中我就是采用這種方法。下面介紹一下ULN2003A的基本內(nèi)容。</p><p>　　ULN2003A簡(jiǎn)介</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)模塊中使用的驅(qū)動(dòng)芯片為 ULN20

61、03A，它是由七對(duì)[6]達(dá)林頓管組成的，是集電極開路輸出的功率反相器，并且每個(gè)輸出端都有一個(gè)連接到共同端（COM）的二極管，為斷電后的電機(jī)繞組提供一個(gè)放電回路，起放電保護(hù)作用。內(nèi)部邏輯如圖2.4所示。因此，ULN2003A 非常適合驅(qū)動(dòng)小功率的步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　圖2.4 ULN2003A內(nèi)部邏輯圖</p><p>　　2.2.5 A/D轉(zhuǎn)換方案選擇</p>&

62、lt;p>　　方案一：并行輸出A/D轉(zhuǎn)換器，如ADC0809。此類A/D接線復(fù)雜，占用單片機(jī)I/O口資源較大。</p><p>　　方案二：串行輸出A/D轉(zhuǎn)換器，如TLC1543。此類A/D只需3~4位數(shù)據(jù)線和控制線即可控制，而并行口A/D需8根數(shù)據(jù)線，8~16位地址線，2~3位控制線，因而這類A/D的使用可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，省掉了很多常規(guī)電路中的接口器件，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。</p><

63、p>　　結(jié)合本次設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，以及上訴兩種方案的參照對(duì)比，我決定采用方案2。下面介紹一下TLC1543的基本內(nèi)容。</p><p><b>　　TLC1543簡(jiǎn)介</b></p><p>　　[5]TLC1543美國(guó)TI司生產(chǎn)的多通道、低價(jià)格的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用串行通信接口，具有輸入通道多、性價(jià)比高、易于和單片機(jī)接口的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。 TL

64、C1543為20腳DIP裝的CMOS 10位開關(guān)電容逐次A/D逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，引腳排列如圖1 所示。其中A0～A10（1～9 、11、12腳）為11 個(gè)模擬輸入端，REF+（14腳，通常為VCC）和REF-（13腳，通常為地）為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端，CS（15腳）為片選端，在CS端的一個(gè)下降沿變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK （18腳）和DATA OUT（16腳）。ADDRESS（17腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，是

65、一個(gè)1的串行地址用來(lái)選擇下一個(gè)即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測(cè)試電壓。DATA OUT 為A/D換結(jié)束3態(tài)串行輸出端，它與微處理器或外圍的串行口通信，可對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和格式靈活編程。I/O CLOCK數(shù)據(jù)輸入/輸出提供同步時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘由片內(nèi)產(chǎn)生。芯片內(nèi)部有一個(gè)14通道多路選擇器，可選擇11個(gè)模擬輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中的任意一個(gè)進(jìn)行測(cè)試。片內(nèi)設(shè)有采樣-保持電路，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC（19腳）輸</p><p>　　TL

66、C1543管腳圖如圖2.5所示：</p><p>　　TLC1543工作時(shí)序： </p><p>　　TLC1543工作時(shí)序如圖2.6所示，其工作過(guò)程分為兩個(gè)周期：訪問(wèn)周期和采樣周期。工作狀態(tài)由CS使能或禁止，工作時(shí)CS必須置低電平。CS為高電平時(shí)，I/O CLOCK、ADDRESS被禁止，同時(shí)DATA OUT為高阻狀態(tài)。當(dāng)CPU使CS變低時(shí)，TLC1543開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，I/O CLOCK

67、、ADDRESS使能，DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。隨后，CPU向</p><p>　　圖2.5 TLC1543管腳圖</p><p>　　ADDRESS提供4位通道地址，控制14個(gè)模擬通道選擇器從11個(gè)外部模擬輸入和3個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓中選通1 路送到采樣保持電路。同時(shí)，I/O CLOCK輸入時(shí)鐘時(shí)序，CPU從DATA OUT 端接收前一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。I/O CLOCK從CPU 接收10

68、時(shí)鐘長(zhǎng)度的時(shí)鐘序列。前4個(gè)時(shí)鐘用4位地址從ADDRESS端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道</p><p>　　圖2.6 TLC1543時(shí)序圖</p><p>　　后6個(gè)時(shí)鐘對(duì)模擬輸入的采樣提供控制時(shí)序。模擬輸入的采樣起始于第4個(gè)I/O CLOCK下降沿，而采樣一直持續(xù)6個(gè)I/O CLOCK周期，并一直保持到第10個(gè)I/O CLOCK下降沿。轉(zhuǎn)換過(guò)程中，CS的下降沿使DATA OUT引腳

69、脫離高阻狀態(tài)并起動(dòng)一次I/O CLOCK工作過(guò)程。CS上升沿終止這個(gè)過(guò)程并在規(guī)定的延遲時(shí)間內(nèi)使DATA OUT引腳返回到高阻狀態(tài)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。</p><p>　　TLC1543通道地址如表2.2示：</p><p>　　表2.2 TLC1543通道地址</p><p>　　2.2.6 跟蹤器方案設(shè)計(jì)</p&

70、gt;<p>　　本次設(shè)計(jì)采用兩個(gè)光敏電阻搭成45度的跟蹤結(jié)構(gòu)，光敏電阻將光強(qiáng)大小轉(zhuǎn)換為電阻大小，再通過(guò)惠斯通電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)化為電壓的變化，通過(guò)比例運(yùn)放電路轉(zhuǎn)化成適合的A/D模擬輸入量。下面詳細(xì)介紹一下這一過(guò)程所用的器件。</p><p><b>　　光敏電阻簡(jiǎn)介</b></p><p>　　光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的

71、強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。</p><p>　　光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)它受到光的照射時(shí)，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子—空穴對(duì)，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強(qiáng)。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。一般 光敏電阻器結(jié)構(gòu)如下圖所示。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

72、。光敏電阻器在電路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。</p><p>　　基于本次設(shè)計(jì)的要求，我選用CDS光敏電阻GL3537，其暗阻是10K。</p><p><b>　　惠斯通電橋簡(jiǎn)介</b></p><p>　　電橋法測(cè)量是一種很重要的測(cè)量技術(shù)。由于電橋法線路原理簡(jiǎn)明，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)量的靈敏度和精確度較高等優(yōu)點(diǎn)，使它廣泛

73、應(yīng)用于電磁測(cè)量，也廣泛應(yīng)用于非電量測(cè)量。【4】電橋可以測(cè)量電阻、電容、電感、頻率、壓力、溫度等許多物理量。同時(shí)，在現(xiàn)代自動(dòng)控制及儀器儀表中，常利用電橋的這些特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和控制。 電橋分為直流電橋和交流電橋兩大類。直流電橋又分為單臂電橋和雙臂電橋，單臂電橋又稱為惠斯通電橋，主要用于精確測(cè)量中值電阻。雙臂電橋又稱為開爾文電橋，主要用于精確測(cè)量低值電阻。本次設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用惠斯通電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)化成電壓變化。如圖2.7所示：</p&

74、gt;<p>　　圖2.7 惠斯通電橋</p><p>　　由于所選光敏電阻的暗阻是10K,當(dāng)R1=R3,R2=R4時(shí)電橋的輸出電壓靈敏度最高，稱為等臂電橋，這時(shí)電橋輸出是VOUT=R1/R1*U，所以R1，R3，R4也選用10k電阻。</p><p><b>　　運(yùn)放LM358簡(jiǎn)介</b></p><p>　　通過(guò)光敏電阻采集到

75、的信號(hào)需要通過(guò)運(yùn)算放大電路轉(zhuǎn)化成適合單片機(jī)處理的信號(hào)，因此用到集成運(yùn)算放大器。本次設(shè)計(jì)選擇LM358運(yùn)算放大器。</p><p>　　LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組、音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算

76、放大器的場(chǎng)合。LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。</p><p><b>　　特性： </b></p><p>　　內(nèi)部頻率補(bǔ)償。直流電壓增益高(約100dB) 。單位增益頻帶寬(約1MHz) 。電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3—30V)；雙電源(±1.5一±15V) 。低功耗電流，適合于電池供電。 低輸入偏流。低輸入失調(diào)電壓和失

77、調(diào)電流。共模輸入電壓范圍寬，包括接地。差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。輸出電壓擺幅大（0至Vcc-1.5V) 。 </p><p><b>　　參數(shù)：</b></p><p>　　輸入偏置電流45nA。輸入失調(diào)電流50nA。輸入失調(diào)電壓2.9mV。輸入共模電壓最大值VCC~1.5 V。共模抑制比80dB。電源抑制比100dB。</p><

78、p>　　LM358管腳圖2.8所示：</p><p>　　圖2.8 LM358管腳圖</p><p>　　2.2.6 單片機(jī)控制系統(tǒng)方案</p><p>　　單片機(jī)在控制過(guò)程應(yīng)用的特點(diǎn)是以控制理論為基礎(chǔ)的系統(tǒng)自動(dòng)化控制，所以一般有較明確的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)算法和較復(fù)雜的響應(yīng)過(guò)程，這主要是因?yàn)樵谶^(guò)程控制中對(duì)速度，時(shí)間，精度有嚴(yán)格的要求，特別是對(duì)過(guò)渡過(guò)程

79、要求是十分嚴(yán)格的。</p><p>　　單片機(jī)在過(guò)程控制中，通常是對(duì)一個(gè)過(guò)程的直接數(shù)字控制，也即是DDC控制，很少涉及管理，其原因在于單片機(jī)的內(nèi)存容量，速度，字長(zhǎng)都不適應(yīng)于管理目的?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最基本的控制是DDC控制，然后才是監(jiān)視控制，管理等層次。各種層次往往采用不同結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。在DDC控制中適宜采用單片機(jī)。 </p><p>　　單片機(jī)在DDC控制中有著顯著的特點(diǎn)。它體積小

80、，可以做成體積極小的控制器用于一些體積不大的設(shè)備和空間有效的生產(chǎn)過(guò)程，控制過(guò)程，在現(xiàn)代化的汽車中就有不少單片機(jī)的控制器，包括點(diǎn)火控制，節(jié)油控制等。單片機(jī)還有溫度范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，故在強(qiáng)電場(chǎng)，強(qiáng)磁場(chǎng)的工業(yè)環(huán)境中有良好的工作性能，在溫度變化范圍大的惡劣條件下仍能正常工作；在鋼鐵工業(yè)的冶煉，軋鋼過(guò)程中普遍應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行過(guò)程控制。航天航空，軍事裝置，航海，交通設(shè)備中，單片機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。</p><p>

81、　　本設(shè)計(jì)跟蹤控制裝置屬于典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，需要控制的對(duì)象是兩片感光電路板。被控量是跟蹤器的轉(zhuǎn)角位置，執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，反饋元件是光電傳感器，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)及傳感器的反饋信號(hào)都是在單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制下完成的。具體框圖如圖2.9所示：</p><p>　　圖2.9 單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　3 太陽(yáng)能跟蹤控制器硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>

82、　　3.1 系統(tǒng)組成原理</p><p>　　本系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)，ULN2003A,光敏電阻，TLC1543,LM358等組成。如圖3.1所示：</p><p><b>　　圖3.1 硬件框圖</b></p><p>　　3.2 單片機(jī)供電電源</p><p>　　通過(guò)7805穩(wěn)壓芯片和電容的濾波作用組成

83、5V穩(wěn)壓電路主要給單片機(jī)供電，電路原理圖如圖3.2所所示：</p><p>　　圖3.2 5V穩(wěn)壓電路原理圖</p><p>　　3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　最小系統(tǒng)原理圖如圖3.3所示</p><p>　　圖3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　3.4 跟蹤器設(shè)計(jì)</p>

84、<p>　　跟蹤器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原理圖如圖3.4所示：</p><p>　　圖3.4 跟蹤器原理圖</p><p>　　3.5 A/D采集電路設(shè)計(jì)</p><p>　　TLC1543三個(gè)控制輸入端CS,I/O,CLOCK,ADDRESS和一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端DATAOUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議，要求微處理器具有SPI接口。但本次設(shè)計(jì)中采用51系列單片機(jī)中未置S

85、PI接口，需要通過(guò)軟件模擬SPI協(xié)議以便和TLC2543接口。本次設(shè)計(jì)中P1.0與CLOCK相連，P1.1與ADDR相連，P1.3CS與相連，P1.4與DATAOUT相連。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)只使用兩個(gè)通道 ，即A1和A2，因此通道地址為0000B和0001B。REF+接5V電源，REF-接地。如圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5 A/D采集電路原理圖</p>

86、;<p>　　3.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響；用軟件代替環(huán)形分配器，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性；單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 </p><p&

87、gt;　　單片機(jī)的P2.0-P2.3輸出的脈沖信號(hào)送到ULN2003A的 IN1-IN4 輸入端，經(jīng)ULN2003A 放大和倒相后的輸出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)作相應(yīng)的作。ULN2003A的 COM 端和步進(jìn)電機(jī)的 COM1、COM2 連接到 VCC。ULN2003A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)模塊原理圖如圖3.6所示： </p><p>　　調(diào)整單片機(jī)輸出的步進(jìn)脈沖頻率的方法：</p><p>　　A、軟件

88、延時(shí)方法 改變延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法使 CPU 長(zhǎng)時(shí)間等待，無(wú)法進(jìn)行其它工作，因此沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。在單獨(dú)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的演示時(shí)可以采用。</p><p>　　B、定時(shí)器中斷方法 在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法占用 CPU 時(shí)間較少，是一種比較實(shí)用的調(diào)速方法。 </p><p>　　用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行速度控制

89、，實(shí)際上就是控制每次換相的時(shí)間間隔。升速時(shí)，使脈沖頻率逐漸升高，降速時(shí)則相反。本設(shè)計(jì)采用方案B。</p><p>　　圖3.6 ULN2003A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)模塊原理圖</p><p>　　4 太陽(yáng)能跟蹤控制器軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 程序流程圖</p><p>　　程序流程圖如圖4.1所示：</p><p&

90、gt;<b>　　圖4.1 流程圖</b></p><p>　　4.2 太陽(yáng)能跟蹤控制器程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 主函數(shù)</p><p>　　定義鍵值num，adc1和adc2作為A/D兩通道輸出結(jié)果，程序一開始進(jìn)行定時(shí)器1的初始化，即設(shè)置定時(shí)時(shí)間，打開總中斷和定時(shí)中斷。開始時(shí)步進(jìn)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。</p>&l

91、t;p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar num; </p><p>　　uint adc1=0;</p><p>　　uint adc2=0;</p><p>　　Init_Timer1();</p>

92、;<p><b>　　Coil_OFF;</b></p><p>　　在循環(huán)中調(diào)用按鍵掃描函數(shù)，并進(jìn)行判斷。若值為1，則停止標(biāo)志置0，表示步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)；若值為2，則停止標(biāo)志置1，表示步進(jìn)電機(jī)停止。</p><p>　　while(1) </p><p><b>　　{ </b></p><

93、;p>　　num=KeyScan(); //循環(huán)調(diào)用按鍵掃描</p><p>　　if(num==1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　StopFlag=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if

94、(num == 2)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　Coil_OFF;</b></p><p>　　StopFlag=1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　分別采集通道1和通道2 ，并比較

95、采集結(jié)果，來(lái)決定正反轉(zhuǎn)標(biāo)志。若兩通道采集結(jié)果相等，表示跟蹤上太陽(yáng)光的位置，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　adc1 = AD_1543(0x00);</p><p>　　adc2= AD_1543(0X02);</p><p>　　if (adc1 > adc2)</p><p><b>　　flag = 0;<

96、;/b></p><p>　　else if(adc1 < adc2)</p><p><b>　　flag = 1;</b></p><p>　　else Coil_OFF; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>

97、;　　}</b></p><p>　　4.2.2 定時(shí)器1中斷初始化函數(shù)</p><p>　　void Init_Timer1(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　使用模式1，16位定時(shí)器，使用"|"符號(hào)可以在使用多個(gè)定時(shí)器時(shí)不受影響 TMOD |

98、= 0x10;</p><p>　　給定初值，定時(shí)時(shí)間是65536us</p><p><b>　　TH1=0; </b></p><p><b>　　TL1=0; </b></p><p>　　總中斷打開，定時(shí)器1中斷打開，定時(shí)器1開關(guān)打開，定時(shí)器1優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高</p><

99、p><b>　　EA=1;</b></p><p><b>　　ET1=1;</b></p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p><b>　　PT1=1;</b></p><p><b>　　}</b>&l

100、t;/p><p>　　4.2.3 延時(shí)函數(shù)</p><p><b>　　大約延遲1s。</b></p><p>　　void DelayUs2x(unsigned char t)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　while(--t);</

101、p><p><b>　　}</b></p><p>　　void DelayMs(unsigned char t)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(t--)</p><p><b>　　{</b></p>

102、<p>　　DelayUs2x(245);</p><p>　　DelayUs2x(245);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.2.4 按鍵掃描函數(shù)</p><p>　　由于鍵盤按下時(shí)，會(huì)產(chǎn)

103、生抖動(dòng)現(xiàn)象，所以要先消抖，這里采用軟件消抖的方法，通過(guò)延時(shí)10ms后，再次判斷按鍵是否按下，若確實(shí)按下，再執(zhí)行相應(yīng)賦鍵值操作；若沒(méi)被按下，則為抖動(dòng)，賦鍵值為0。</p><p>　　unsigned char KeyScan(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Unsigned char keyvalue

104、;</p><p>　　if(KeyPort!=0xff)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　DelayMs(10);</p><p>　　if(KeyPort!=0xff)</p><p><b>　　{</b></p><p&

105、gt;　　keyvalue=KeyPort;</p><p>　　while(KeyPort!=0xff);</p><p>　　switch(keyvalue)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0xfe:return 1;break;</p><p>　　c

106、ase 0xfd:return 2;break;</p><p>　　default:return 0;break;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>

107、<b>　　return 0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.2.5 定時(shí)器1中斷子程序控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)</p><p>　　void Timer1_isr(void) interrupt 3 using 1</p><p><b>　　

108、{</b></p><p>　　static unsigned char i,j;</p><p>　　TH1=0; </p><p><b>　　TL1=0;</b></p><p>　　先判斷啟停標(biāo)志，若是起動(dòng)狀態(tài)，再判斷正反轉(zhuǎn)標(biāo)志。若為正轉(zhuǎn)，則按A-B-C-D循環(huán)的相序依次導(dǎo)通；若

109、為反轉(zhuǎn)，則按D-C-B-A循環(huán)的相序依次導(dǎo)通。時(shí)間間隔為定時(shí)器1的都定時(shí)時(shí)間。</p><p>　　if(!StopFlag)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(flag)//正轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{ </b></p><

110、;p><b>　　switch(i)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0:Coil_A1;i++;break;</p><p>　　case 1:Coil_AB1;i++;break;</p><p>　　case 2:Coil_B1;i++;br

111、eak;</p><p>　　case 3:Coil_BC1;i++;break;</p><p>　　case 4:Coil_C1;i++;break;</p><p>　　case 5:Coil_CD1;i++;break;</p><p>　　case 6:Coil_D1;i++;break;</p><p>　

112、　case 7:Coil_DA1;i++;break;</p><p>　　case 8:i=0;break;</p><p>　　default:break; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　els

113、e//反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　switch(j)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0:Coil_DA1;j++;break;</p><p>

114、;　　case 1:Coil_D1;j++;break;</p><p>　　case 2:Coil_CD1;j++;break;</p><p>　　case 3:Coil_C1;j++;break;</p><p>　　case 4:Coil_BC1;j++;break;</p><p>　　case 5:Coil_B1;j++;brea

115、k;</p><p>　　case 6:Coil_AB1;j++;break;</p><p>　　case 7:Coil_A1;j++;break;</p><p>　　case 8:j=0;break;</p><p>　　default:break; </p><p><b>　　}</b>

116、;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.2.6 TLC1543采集函數(shù) </p><p>　　n為命令字，控制通道，輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，輸出格式，極性選

117、擇。</p><p>　　int AD_1543(uchar n)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　data uchar i,j;</p><p>　　idata union </p><p><b>　　{</b></p><