1、YUNNANNORMALUNIVERSITY郭建飛作品名稱：太陽能跟蹤系統題號：xxxxxxxxxx密號：xxxxxxxxxx1/21目錄一、總系統設計5.1. 設計任務與要求5.(1) 基本要求5.(2) 發揮部分5.二、系統方案設計與論證5.1.1功能描述5.1.1.2 STC12C5A16AD的功能特性61.1.3 STC12C5A16AD的弓I腳說明.71.3 電機選擇8.1.5 跟蹤器方案選擇12方案1:采用兩個光敏電阻搭成45度的跟蹤結構，光敏電阻將光強大小轉換為電阻大小，再通過惠斯通電橋將電阻的變化轉化為電壓的變化，通過比例運放電路轉化成適合的A/D模擬輸入量。122.4步進電機

2、驅動系統選擇1.5三、單元模塊設計1.5二、太陽能跟蹤控制器調試1.65、 軟件設計216、 參考文獻212/21太陽能跟蹤系統摘要：人類正面臨著石油和煤炭等礦物燃料枯竭的嚴重威脅，太陽能作為一種新型能源具有儲量無限、普遍存在、利用清潔、使用經濟等優點，太陽能光伏發電是改善生態環境、提高人類生存質量的綠色能源之一，研究太陽能發電技術意義重大。太陽跟蹤器須在露天下工作，因此必須考慮到結構的穩定性，運動結構必須可以自鎖，因此選擇滑動螺旋副和蝸輪蝸桿傳動。在本設計中，采用了的是高精度傳感器。控制器首先讀取傳感器的信號，根據光線照射的情況驅動兩個電機，調整方位角和俯仰角，之后控制器再次接收傳感器信號，

3、同樣根據光線照射情況驅動電機，再次調整方位角和俯仰角，使高精度傳感器跟蹤到位，這樣控制器又接收大角度傳感器信號，如此反復，達到隨時跟蹤太陽的目的。并且為了節約能源，在夜間跟蹤器應靜止不動。本文對太陽能跟蹤系統進行了機械設計和自動跟蹤系統控制部分設計。關鍵詞：太陽能，光敏電阻，步進電機，單片機3/21引言賴以生存和發展的物質基礎。當前，包括我國在內的絕大多數國家都以石油、天然氣和煤炭等礦物燃料為主要能源。隨著礦物燃料的日漸枯竭和全球環境的不斷惡化，很多國家都在認真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究開發工作。雖然在可預見的將來，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料仍將在世界能源結構中占

4、有相當的比重，但人們對核能以及太陽能、風能、地熱能、水力能、生物能等可持續能源資源的利用日益重視，在整個能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。據統計，20世紀90年代，全球煤炭和石油的發電量每年增長1%,而太陽能發電每年增長達20%,風力發電的年增長率更是高達26%。預計在未來5至10年內，可持續能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結束礦物燃料一統天下的局面。相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會能源的希望所在。4/21一、總系統設計1.設計任務與要求(1) 基本要求 控制器能自由控制受光面，使之水平方向的旋轉和俯仰角的調節； 能夠自動追蹤并對準光照方向，使受光面獲得最大限度的光照；盡可

5、能小的最佳光照搜索時間；(2) 發揮部分能快速定位太陽的方位，以便在陽光被遮擋后能再次定位；能夠測量并顯示光照強度。二、系統方案設計與論證為了實現設計的任務與要求我們小組做了兩個方案，并對兩個方案都做了一定的實踐。(一).方案一：1.1 功能描述本設計以12單片機作為核心控制元件，跟蹤器由兩個光敏電阻組成的電路板搭成45度結構，并由步進電機控制底座轉動。通過將兩個光敏電阻采集到的信號經過比較電路和A/D,將比較結果輸出至單片機，由單片機分析處理數據并輸出至TDA282縱而控制五線四相步進電機來實現對太陽位置的跟蹤。該系統具有低成本的優點，且具有較好的抗干擾能力，提高了對太陽光能的利用率。1.2

6、 主控系統選擇方案1:采用高性能嵌入式系統，比如ARM如果采用此方案，可以很好的解決數據處理和控制功能，但是ARMfr格昂貴且本科階段很少接觸，在短時間內完成困難比較大。方案2:采用單片機來實現。考慮到方案的可實行性和性價比，我們采用STC12C5A16S常片機作為控制芯片，十分適用于太陽能跟蹤。表現在：主要控制參數通過設置寄存器變量來實現，修改方便；成本低廉，性能與相對簡單的太陽能跟蹤裝置系統匹配；數字化的控制系統，可以達到較高的精度，并有可能通5/21過串行通信實現遠程監控和模塊化處理；可處理多個中斷，系統運行后可能出現以前沒有考慮到的特殊情況，相應的擴充政策十分簡單。結合本次設計的任務要

7、求，以及上訴兩種方案的參照對比，我決定采用方案2,具體采用STC12C5A16驅制芯片。1.2.1 STC12C5A16S2的了解STC12C5A16AD宏晶科技生產的新一代8051單片機，包含有中央處理器(CPU、程序存儲器(FLASH、數據存儲器(SRAM、定時/計數器、UART口、用口2、I/O接口、高速A/D轉換、SPI接口、PCA看門狗及片內R/C振蕩器和外部晶振振蕩等模塊，幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊。STC12C5A16S2片機相比傳統C51功能更加強大，有些特殊功能寄存器被擴展為專用的特殊寄存器。具引腳圖和內部結構如圖1所示：CLKOLFT2ADCOT1.0=A

8、DCLPll匚二RXE2/ECJrALX;2F1.2二TxD2,-CPPO/ADC3-Pl.iSS/CPPl/ADC4bP1.4二MOSTADC5/P1.5UMISOADC6T1.6匚二SCLK；JADC7rF1.7二:P4.7-R5T二UXTRxEJFJ.O匚:TsD,P-lIINTOPJ.2TKTT3*二CLKOUTOT0T3.4SCLKDUT1TXTT1T3.51WR-P3.6=RDHJ.y二XTAL2二XTAL1二GodI140239J4375弘635734S339321031113012291號281427PDIP4041823192221IP03TTIPC.4.ZZIP0.51P0

9、.6ZZIP0.7：1HX_TJVEX,P4,GjRST2TTINA/P4.4ZZ1P27/A15二IP2.6/A34stCt2C5ai6adZZIP2./A1OZZ1P21/A9二IPif),AR圖1STC12C5A16AD單片機管腳圖1.2.2 STC12C5A16AD的功能特性(1)高速：1個時鐘/機器周期，增強型8051內核，速度比普通8051快812倍。(2) 寬電壓：3.35.5V。(3) 增加外部掉電檢測電路，可在掉電時及時將數據保存進EEPROME常工作時無需操作EEP(4) 增加第二復位功能腳，(高可靠復位，可調復位門檻電壓，頻率小于12Hz,無需此功能)6/21(5) 低功

10、耗設計：空閑模式(可由任意一個中斷喚醒)；掉電模式(可由外部中斷喚醒)，可支持下降沿/上升沿和遠程喚醒。(6) 工作頻率：035MHz相當于普通8051:04205MHz(7) 時鐘：外部晶體或內部RC8蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時設置。(8) 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節片內FLAS冊序存儲器，擦寫次數10萬次以上。(9) 1280字節片內RA瞰據存儲器。(10) 芯片內EEPROM能，擦寫次數10萬次以上。(11) ISP/IAP,在系統可編程/在在應用可編程，無需編程器/仿真器。(12) 8通道，10位高速ADC高速可達25萬次/秒，2位PWM可

11、當2路D/A使用。(13) 2通道捕獲/比較單元(PWM/PCA/CCP也可用來再實現2個定時器或2個外部中斷(支持上升沿/下降沿中斷)。(14) 4個16位定時器，兼容8051的定時器T1/T0,2路PCAK現2個定時器。(15) 可編程時鐘輸出功能，T0在P3.4輸出時鐘，T1在P3.5輸出時鐘，BRT在P1.0輸出時鐘。1.2.3STC12C5A16AD的弓|腳說明單片機采用40引腳的雙列直插封裝方式。圖3-7為引腳排列圖，40條引腳說明如下：1)主電源引腳Vss和Vcc2)外接晶振引腳XTAL1BXTAL23)控制或與其它電源復用引腳RSTALEKNA4)輸入/輸出引腳P0.0P0.7

12、,P1.0P1.7,P2.0P2.7,P3.0P3.7(1) P0口(P0.0P0.7)是一個漏極開路型準雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它是分時多路轉換的地址(低8位)和數據總線，在訪問期間激活了內部的上拉電阻。(2) P1口(P1.0P1.7)是帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM程和程序驗證時，它接收低8位地址。(3) P2口(P2.0P2.7)是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。在對EFROM程和程序驗證期間，它接收高8位地址。7/21(4) P3口(P3.0P3.7)是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送

13、出高8位地址。在對EFROM程和程序驗證期間，它接收高8位地址。1.3 電機選擇方案1:選擇普通直流電機，通過減速齒輪增大扭力，提高帶負載能力。直流電機的優點是價格便宜，控制容易，但難以精確控制是其一大弱點。方案2:選擇步進電機。步進電機的特點是可以精確控制電機選擇步數和角度，缺點就是力矩比較小，容易失步，而且價格比較昂貴。步進電機是一種將電脈沖轉換成相應角位移或線位移的電磁機械裝置。它具有快速啟，停能力在電機的負荷不超過它提供的動態轉矩時，可以通過輸入脈沖來控制它在一瞬間的起動和停止。步進電機的步距角和轉速只和脈沖頻率有關，和溫度，氣壓，振動無關，也不受電網電壓的波動和負載變化的影響。因此，

14、步進電機多應用在需要精確定位的場合。本設計中執行需要進行角度控制，不需要連續旋轉，綜上所述選擇方案1。步進電機技術指標步進電機是一個典型開環控制系統，其原理可由圖2.2表示:方向脈沖圖2步進電機控制系統框圖步進電機的靜態指標：相數：電機內部的線圈組數。目前常用的有二相，三相，四相，五相步進電機。電機相數不同，其步進角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8度，三相為0.75/1.5度，五相為0.36/0.72度。在使用細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己步距角要求。如果使用細分驅動器，則相數將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。步距角：表示控制

15、系統每發出一個步進脈沖控制信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，這個步距角可稱為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。8/21拍數：完成一個磁場周期性變化所需要的脈沖數或導電狀態，或指電機轉過一個步距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式，即AB-BC-CD-DA-AB四相八拍運行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A步進電機的動態指標：步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值和理論值的誤差，用百分比表示：誤差/步距角100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%：內，八拍運行時應在15犯內。失步：電

16、機運行時的步數不等于理論上的步數，稱為失步。失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度。電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電壓下，在不加載負載的情況下能夠直接起動的最大頻率。1.4 顯示光強的選擇：方案1:選用1602LCD1602LC吩為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖10-54所示：圖31602LCD尺寸圖1602LCD主要技術參數：顯示容量：16X2個字符芯片工作電壓：4.55.5V9/21工作電流:2.0mA(5.0V)

17、模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95X4.35(WXH)mm引腳功能說明1602LC取用標準的14腳(無背光)或16腳(帶背光)接口，各引腳接口說明如表1所示：編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數據2VDD電源止極10D3數據3VL液晶顯示偏壓11D4數據4RS數據/命令選擇12D5數據5R/W讀/寫選擇13D6數據6E使能信號14D7數據7D0數據15BLA背光源正極8D1數據16BLK背光源負極表1:引腳接口說明表第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDDg5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼

18、影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第714腳：D0-D7為8位雙向數據線。第15腳：背光源正極。10/21第16腳：背光源負極方案2選用12864LCD帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，

19、內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；具顯示分辨率為128X64,內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8X4行16X16點陣的漢字.也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。通過比較，我們小組選用方案2。1 .4.112864LCD基本特性：(1)、低電源電壓(VDD:+3.0-+5.5V)(2)、顯示分

20、辨率：128X64點(3)、內置漢字字庫，提供8192個16X16點陣漢字(簡繁體可選)(4)、內置128個16X8點陣字符5 5)、2MHZ寸鐘頻率(6)、顯示方式：STN半透、正顯(7)、驅動方式：1/32DUTY1/5BIAS(8)、視角方向：6點(9)、背光方式：側部高亮白色LED功耗僅為普通LED的1/51/10(10)、通訊方式：用行、并口可選(11)、內置DC-DC專換電路，無需外加負壓(12)、無需片選信號，簡化軟件設計(13)、工彳溫度：0C-+55C,存儲溫度:-20C-+60C11/2112864能顯示8*4個漢字，因型號不同，有的帶漢字庫，有的不帶，能顯示圖像效果，功能

21、比1602強大，1602只能顯示字母、數字和符號能顯示16*2個字符，但寄存器不止32個，具體也忘了，有一些顯示效果，如字符一個個顯示、字符從左到右或從右到左顯示等等，顯示效果簡單，價格低，大約6塊錢，而12864最少40塊錢一塊，在編程使用方面，兩者難度差不多，原理差不多，都是寫指令、寫地址、寫數據等等1.5 跟蹤器方案選擇方案1:采用兩個光敏電阻搭成45度的跟蹤結構，光敏電阻將光強大小轉換為電阻大小，再通過惠斯通電橋將電阻的變化轉化為電壓的變化，通過比例運放電路轉化成適合的A/D模擬輸入量。光敏電阻簡介光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，

22、電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器都制成薄片結構，以便吸收更多的光能。當它受到光的照射時，半導體片（光敏層）內就激發出電子一空穴對，參與導電，使電路中電流增強。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薄膜上蒸鍍金或鈿等金屬形成的。一般光敏電阻器結構如下圖所示。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。光敏電阻器在電路中用字母R”或“RL”、“RG”表示。基于本次設計的要求，我選用CDS光敏電阻GL3537,其暗阻是10K。方案2:通過將兩個光電傳感器采集到的信號經過比較電路和A/D,將比較結果輸出至單片機，由單片機分析處理數據并輸出

23、至ALN2003AA而控制五線四相步進電機來實現對太陽位置的跟蹤。該系統具有低成本的優點，且具有較好的抗干擾能力，提高了對太陽光能的利用率。方案（二）：2.1 主控系統的選擇主控系統方案同方案一中的一樣，在選擇單片機的時候，我們總和考慮各方面的因素，我們選擇的是方案2。2.2 電機的選擇選擇方案也如方案一中的一樣，而此處我們選擇方案二，選用步進電機。2.3 液晶顯示的選擇方案1：1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數12/21字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也

24、有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形(用自定義CGRAM顯示效果也不好)。1602LCD是指顯示的內容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊(顯示字符和數字)。方案2:帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；具顯示分辨率為128X64,內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8X4行16X16點陣的漢字.也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其

25、又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。通過比較我們選擇了方案2;下面介紹12864的一些介紹。(1)低電源電壓(VDD:+3.0-+5.5V)(2)顯示分辨率:128X64點(3)內置漢字字庫，提供8192個16X16點陣漢字(簡繁體可選)(4)內置128個16X8點陣字符(5) 2MHZ時鐘頻率(6)顯示方式：STN半透、正顯(7)當區動方式：1/32DUTY1/5BIAS(8)視角方向：6點(9)背光方式：側部高亮白色LED功耗僅為普通LED的1/51/10(10)通

26、訊方式：用行、并口可選(11)內置DC-DC轉換電路，無需外加負壓(12)無需片選信號，簡化軟件設計(13)工作溫度：0C-+55C,存儲溫度：-20C-+60C最大工作范圍1、邏輯工作電壓(Vcc):4.55.5V2、電源地(GND):0V3、LCD驅動電壓(Vee):0-10V4、輸入電壓：VeeVdd5、工作溫度(Ta):055c(常溫)/-2070c(寬溫)6、保存溫度(Tstg):-1065c電氣特性(測試條件Ta=25,Vdd=5.0/-0.25V)1、輸入高電平(Vih):3.5Vmin2、輸入低電平(Vil):0.55Vmax3、輸出高電平(Voh):3.75Vmin13/21

27、4、輸出低電平(Vol):1.0Vmax5、工作電流：2.0mAmax接口說明12864-1,12864-2接口說明表1 VSS0V邏輯電源地。2 VDD5.0V邏輯電源正。3 V0LCD驅動電壓，應用時在VEE與V0之間加一2K可調電阻。4 D/IH/L數據指令選擇：高電平：數據D0-D7將送入顯示RAM低電平：數據D0-D7將送入指令寄存器執行。5 R/WH/L讀寫選擇：高電平：讀數據；低電平：寫數據。6 EH.H/L讀寫使能，高電平有效，下降沿鎖定數據。7 DB0H/L數據輸入輸出引腳。8 DB1H/L數據輸入輸出引腳。9 DB2H/L數據輸入輸出引腳。10 DB3H/L數據輸入輸出引腳。11 DB4H/L數據輸入輸出引腳。12 DB5H/L數據輸入輸出引腳。13 DB6H/L數據輸入輸出引腳。14 DB7H/L數據輸入輸出引腳。15 CS1H/L片選擇信號，低電平時選擇前64列。16 CS2H片選擇信號，低電平時選擇后64列。17 RETL復位信號，低電平有效。18 VEE-