光伏发电光源跟踪控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

光伏发电光源跟踪控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

149 系列单片机是 16 位低 功耗的单片机，具有良好的性能。 不仅有五种低功耗模式还有灵活的时钟使用模式。 有丰富的功能模块其中包括多通道 1014 位 AD 转换器、双路 12 位 DA 转换器、液晶驱动器、电源电压检测、看门狗定时器，多个 16 位、 8 位定时器 (可进行捕捉，比较， PWM 输出 )、flash 存储器，采用先下载程序到 flash，再在器件内通过软件控制程序的运行、MSP430 芯片上包括 JTAG 接口，仿真调试通过一个简单的 JTAG 接口转换器就可以方便的实现如设置断点等。 快速灵活的变成方式：可通过 JTAG 和 BSL 两种方式向 CPU 内装在程序。 功能虽多， 但是很多都用不到，其电压范围小；结构太过复杂，不太适合 通过比较本系统选取 AT89C51 系列较合适，即选取方案一。 电动机的选择 本系统选择电机 主要作用是调整激光笔的位置，指向光源。 有以下方案可供选择： 方案一：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。 使得在速度、位置等控制 领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机也叫脉冲电机，其有许多有点， 因而广泛应用于机械、冶金、轻常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 5 工、计算机外围设备、仪器仪表、军工产品等领域。 其优点如下： （ 1） 是过载性好。 其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，步进电机使用时对速度和位置都有严格要求。 （ 2）是控制方便。 步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。 容易实现正、反转和启、停控制，启、停时间短。 （ 3）是输出转角的精度高，无积累误差。 步进电机实际步距角与理论步距角总有一定的误差，且误差可以累加， 但是当步进电机转过一周后，总的误差被清零了。 （ 4）是整机结构简单。 传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。 方案二：直流减速电机。 此电机在正常通电状态下，转速平稳，角度的变化也近乎连续，控制简单方便。 由于本次跟踪设计对电机转动的精度有较高的要求，直流减速电机在此方面有明显的不足速度不容易控制， 而步进电机的控制和实现是相对简单一些。 因而选用方案一。 步进电机的性能指标 1) 步距角精度（ Δα） 在讨论步距角精度之前 ,先介绍步距角的概念。 步距角就是步进电机输 入一个脉冲所转过的角度。 步距角为 : θ=360176。 /（ m z k） 式中， m为定子绕组的相数； z为转子的齿数； k为通电方式系数，整部方式k=1，半步方式 k=论设计的步距角之差，以分（ ′）表示。 步进电机的静态步进误差一般在 10′之内。 引起误差的原因主要是定子和转子冲片的精度，齿槽分布不均匀或气隙不均匀等。 在实际使用中，常以累计误差表示步距角精度。 注意，步进电机的步距角累计误差在 360176。 后清零。 2) 静态距角特性 在空载状态下，给步进电机通电，则转子齿的中心线和 定子齿的中心线重合，转子上没有转矩输出，转子处在静止状态。 当电动机轴上外加一个负载转矩后，转子则要产生一个抗衡负载的电磁力矩，此时转子相对于定子按一定方向转动一个角度，该角度称之为失调角。 失调角 θ和静态电磁转矩 Tj之间满足 : Tj=Tjmaxsinθ 式中 Tjmax──最大静转矩， N m； θ──失调角， θ=2π /m（ m为一个通电顺序内的拍数）。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 6 图 步进电机的单相距角特性 图。 静态转矩越大，自锁力越大，静态误差越小。 上失调角 θ在 π～π之间，如果去掉外载，则转子仍然能够回到初始稳定平衡位置。 因此，称 π θπ的区域为步进电机的静态稳定区。 在图所示的距角特性曲线族中，曲线 A和曲线 AB的交点所对应的力矩称之为步进运行状态的最大起动转矩。 采用不同的运行方式和增加步进电机相数可以提高最大启动转矩。 分析可知，最大负载力矩不能超过 Tq，否则电机不能启动。 不同相数的电机，启动转矩不同。 通过计算，可以得到下表 21。 表 21 步进电机的启动转矩 项目 数据 运行方式 相数 3 4 5 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 Tq/Tjmax 3） 动态转矩和距频特性 在不同频率下步进电机产生的转矩，称为动态转矩。 随着输入脉冲的增加，步进电机的转矩减小。 4） 启动频率和惯频特性 步进电机从静止状态突然启动而不失步的频率，称为启动频率。 它反映了电动机跟踪的快速性。 若控制脉冲频率大于启动频率，则电机会出现失步，不能正常工作。 目前，步进电机的启动频率为 1000～ 3000Hz。 电动机启动频率与转子和负载的惯性有关。 惯性越大，则启动频率越小。 5） 最高运行频率 运行频率是指电动机在额定状态下逐升速，达到不失步的连续工作频率。 一常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 7 般情况下，连续运行频率远远大于启动频率。 因此，步进电机在以较低的启动频率启动后，应采用升速控制策略达到运行频率。 同样，采用降速策略从运行频率降到启动频率以下，在停止控制脉冲。 传感器的选择 当光轴对准太阳时，光斑的中心在光轴上。 四个象限接收到相同的光功率，输出相同的电压信号。 当光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角度 θ时，光线经光学系统照射到四象限光电池上形成的光斑必然发生偏移即 (x≠ 0， y≠ 0)。 由于各象限的光功率 与各象限的光斑面积成正比，每个象限被光斑覆盖的面积不同，因此各象限光电池产生的电压不尽相同。 根据上述将 Vx， Vy进行模数转换，然后送入单片机。 单片机通过驱动设备可控制俯仰角电机和方位角电机转动，直到 Vx=Vy=0，即 x=0， y=0，则表明系统光轴已经对准太阳，根据以上原理即可对太阳能板位置误差进行校正。 本次设计选择的是步进电机，步进电机驱动有三种方案可选择： 方案一：光敏电阻。 从光照特性来看，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降，可以反映光照的变化，但该特性大多数情况为非线性，部分光照区间内，特 性变化不灵敏。 方案二：硅光电池。 硅光电池是一种直接把光能转换为电能的半导体器件，根据硅光电池光照强度曲线特性可知：硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。 方案三：光敏二极管。 光敏二极管具有单向导电性，无光照时，有很小的暗电流，当受到光照时，光电流随射光强度的变化而变化。 方案四：光敏三极管。 光敏三极管灵敏度远高于光电池 ,但受外界环境影响飘动比较严重 ,用两个光敏三极管采集点光源两侧的光强差 ,可以有效消除外界环境光的干扰 .光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜 ,更容易确定点光源的位置。 用四个光敏三极管组成四象限感光面，上下左右各一个光敏三极管。 光敏三极管常用来检测可见光或红外光，有光照射或光强变化时，集电极产生的光伏感生电流直接流入基极，并被器件本身所放大，因此光敏三极管有较高的灵敏度。 在测试光敏电阻与硅光电池时，发现光源的距离限制了两者的应用范围。 当距离比较大时，两者的灵敏度大大降低。 经实践测定，光敏二级管与光敏三极管满足要求，但在反映速度，及变化的灵敏、快速性方面，光敏三极管更胜一筹，因此传感器选择方案四。 本系统设计时采用了光敏三极管 3DU5作为光强检测传感器。 显示器 的选择 本系统显示器主要显示的是传感器检测到的信号，可选用以下方案： 方案一： FYD128640402B是一种具有 4位 /8位并行、 2线或 3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形 LCD液晶显示模块；其显示分辨率为 128 64, 内置 8192个 16*16点汉字，和 128个 16*8点 ASCII字符集 .利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示 8 4行 16 16点阵的汉字 . 也可完成图形显示 .低电压低功耗又是其中的一个显著特点。 由该模块构成的液 晶显示与同类型的图形点阵液晶显示常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 8 相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 方案二：七段数码管显示，显示的范围比较小，一般只能显示数值和字母。 数码管多时连线也会随之复杂。 综上所述：方案一相对比较有优势，所以选 LCD液晶显示。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 9 第 3 章 系统的硬件设计 硬件方框图 本系统是有控制核心的单片机对传感器检测的光源的信号进行分析和处理然后控制电机，使其跟随点光源移动。 达到跟踪点光源的目的。 系统的硬件主要有控制器单片机，电机驱动模块，显示模块，键盘等模块组 成的。 具体方框图如图。 电 池 板键 盘X 轴 电 机驱 动Y 轴 电 机驱 动传 感 器显 示单 片 机 图 硬件方框图 主控系统 本设计采用 TI公司的 AT89C51单片机 分别作为发送部分和接受部分的控制核心，完成信号发送和接收、电流检测、控制电机、键盘输入及液晶显示等功能。 AT89C51单片机电路设计和制作简单，功耗低。 文中所述系统为地平坐标系的双轴自动跟踪控制系统，因此 采用双坐标步进电机控制，双坐标步进电机控制就是在 X轴方向控制 1台步进电机，在 Y轴方向控制 1台步进电机。 这 2台步进电机同时驱动同一个对象，使对象在一个平面上以任意曲线运动。 单片机主要特点 是由 ATMEL公司生产的一个单片机。 在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类。 在片内程序存储其的配置上，该系列的单片机有三种形式：掩膜ROM、 EPROM、 ROM Less（无片内程序存储器）。 AT89C5l是一种低功耗、高性能的 8位单片机，片内带有 4KB的 Flash可编程可擦除只读存贮器，它采用 CMOS工 艺和高密度非易失性存贮器技术，而且引脚和指令系统都与 MCS51兼容。 片常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 10 内的 Flash存贮器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存贮器编程器来编程。 AT89C5l是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。 单片机主要组成 CPU系统： 8位 CPU,含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。 存储器系统： 4KB的程序存储器（ ROM/EPROM/Flash，可外扩至 64KB）；128KB的数据存储器（ RAM,可在外扩 64KB）；特殊功能寄存器 SFR。 I/O口和其他功能单元 ： 4个并行 I/O； 2个 16为定时 /计数器； 1个全双工异步串行口；中断系统（ 5个中断源、 2个优先级）。 外接晶体引脚 XTAL1和 XTAL2： (1)XTAL1:接外部晶体的一个引脚。 在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。 当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 (2)XTAL2:接外部晶体的另一个引脚。 在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。 采用外部振荡信号源源时，此引脚应悬浮不连接。 89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生 ：一是内部时钟方式，二是外部始终方式。 内部时钟方式如图所示。 在 89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的 XTAL1和 XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。 图中电容 C1和 C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在 5～ 30pF，典型值为 30pF。 晶振 CYS的振荡频率范围在 ～12MHZ间选择，典型值为 12MHZ和 6MHZ。 这也是最常用的晶振电路。 如下图： 图 晶振电路 单片机的复位电路 RST：复位输入端。 当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 11 平将使单片机复位。 在对 Flash存贮器编程期间，该引脚也用于施加编程语序电源。 当在 89C51单片机的 RST引脚引入高电平并保持 2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。 在实际应用中，复位操作有两种形式：一种是上电复位，另一种是上电复位与按键均有效的复位。 如下图。 （ a）上电复位 （ b）上电复位 与按键 图 复位电路 上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。 常用的上电复位电路如图 （ a）所示。 上电瞬间。