基于单片机的太阳能跟踪充电系统设计(毕业论文

基于单片机的太阳能跟踪充电系统设计(毕业论文内容摘要：

设计，并且 在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故 AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：直接拉一只 10K 的电阻到 VCC 即可 (R1)。 为了可靠，再加上一只 的电容 (C5)以消除干扰、杂波。 D1(1N4148)的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在 Vcc+ 左右，另一作用是系统断电时，将 R1(10K)电阻短路，让 C5快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。 当 AVR 在工作时，按下 S1 开关时，复位引脚变成低电平，触发 AVR 芯片复位。 实际应用时，如果不需要复位按钮，复位脚可以不接任何的零件 ， AVR 芯片也能稳定工作。 晶振电路由图中的 Y C和 C9组成，接入单片机的 XTAL1和 XTAL2的引脚。 ATmega16单片机 已经内置 RC 振荡线路，可以产生 1M、 2M、 4M、 8M 的振荡频率。 在一些要求较高的场合，建议使用外部的晶振线路。 实际应用时，如果不需要太高精度的频率，可以使用内部 RC 振荡，这部分不需要任何的外围零件。 AD转换滤波电路由图中的 L C和 C7组成。 为减小 AD 转换的电源干扰， ATmega16 7 单片机 芯片有独立的 AD 电源供电。 ATmega16 单片机 内带 标准参考电压，也可以从外面输入参考电压，比如在外面使用 TL431 基准电压源。 不过一般的应用使用内部自带的参考电压已经足够。 实际应用时，如果想简化线路，可以将 AVCC 直接接到 VCC， AREF悬空，即这部分不需要任何的外围零件。 ISP 下载线路 ISP 下载线路如图 5 所示。 P1为 ISP 下载接口， P1 中对应的引脚接入单片机的 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）和复位引脚。 ISP 下载接口不需要任何的外围零件。 由于没有外围零件，故 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）、复位脚仍可以正常使用 ，不受 ISP 的干扰。 1 23 45 67 89 10P1ISPPB5RESETGNDPB7PB6VCC 图 5 ISP下载线路 光强度检测电路 光敏电阻介绍和工作原理 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应 (半导体材料受光照射后，其导电率发生变化的现象）。 常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。 这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。 这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 半导体材料受到光照时 会产生电子一空穴对，使其导电性能增强，其阻值随光照增强而减小，光线越强，阻值越低。 光敏电阻是一种没有极性的电阻器件。 光敏电阻的响应时间一般为 2到 50ms。 光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。 金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 如图 6 所示。 管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个 欧姆接触电极的光电导体。 光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面 8 薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。 为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。 它是在 一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。 这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。 光敏电阻的类型按半导体材料分为本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。 后者性能稳定，特性较好，故目前大都采用它。 图 6 金属封装的硫化镉光敏电 阻结构图 光强检测电路 本设计中的光强检测电路如图 7 所示。 光敏电阻其内部电阻随光照射而变化，光度越强阻值越小，输出电流越大。 电路用了光敏电阻（ R7R11）与负载电阻（ R2R6）相接，再接到 ATmega16 单片机的输入口 PA0（ ADC0）、 PA1（ ADC1）、 PA2（ ADC2）、 PA3（ ADC3）和 PA4（ ADC4）进行 A/D 转换。 其中光敏电阻 R7用于检测当前的太阳光强是否足够，若光强小于某个值，系统就不进行跟踪。 光敏电阻 R R R10 和 R11 用于检测太阳能板是否对准太阳。 当平板对准了 太阳后，对称的两个光敏电阻的光照强度就会相同，即 R8和 R9 的光强相同， R10 和 R11的光强相同。 当平板没有对正太阳时对称的两个光敏电阻的光照强度就会不一样，则流过电阻的电流就会不相同，这样获取的电压值也不相同。 R8和 R9 用于对垂直方向的太阳光进行追踪， R10 和 R11 用于对水平方向的太阳光进行追踪。 9 VCCGND10KR21KR7光敏电阻PA0VCCGND10KR31KR8光敏电阻PA1VCCGND10KR41KR9光敏电阻PA2VCCGND10KR51KR10光敏电阻PA3VCCGND10KR61KR11光敏电阻PA4 图 7 光强度检测电路 A/D 转换电路 A/D转换模块 使用 ATmega16内部自带的 A/D转换器， ADC具有专门的时钟。 这样可以在ADC工作的时候停止 CPU和 I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从 而提高 ADC转换精度（ 王卫星， 2020）。 ATmega16 单片机有一个 10 位的逐次逼近型 ADC。 ADC 与一个 8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口 A 的 8 路单端输入电压进行采样。 单端电压输入以 0V (GND) 为基准。 器件还支持 16 路差分电压输入组合。 两路差分输入 (ADC ADC0 与 ADC ADC2)有可编程增益级，在 A/D 转换前给差分输入电压提供 0dB(1x)、 20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大级。 七路差分模拟输入通道共享一个通用负端 (ADC1), 而其他任何 ADC 输入可作为 正输入端。 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 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到 ADC 的电压保持恒定。 ADC 由 AVCC 引脚单独提供电源。 AVCC 与 VCC 之间的偏差不能超过 177。 标称值为 的基准电压，以及 AVCC，都位于器件之内。 基准电压可以通过在 AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。 时钟电路 DS1302 时钟芯片介绍 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、 低功耗的实时时钟芯片，附加 31字节静态 RAM，采用 SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和 RAM 数据。 实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与 31 天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。 工作电压宽达 ～。 采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电 10 流充电的能力。 DS1302 用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。 DS1302 芯片的引脚分布如图 8所示。 图 8 DS1302的引脚分布图 时钟电路 时钟电路原理图如图 8 所示 ， DS1302 与单片机的连接需要 3 条线： CE 引脚、 SCLK串行时钟引脚、 I/O 串行数据引脚。 本设计中， CE 引脚与单片机 PD5 脚相连， SCLK 引脚与单片机 PD4脚相连， I/O引脚与单片机 PD5脚相连。 VCC2接 5V电源，芯片外接 晶振，为芯片提供计时脉冲。 VCC21X12X23GND4CE5I/O6SCLK7VCC18U4DS1302VCCGNDY232768HZPD4PD6PD527pFC1027pFC1110KR1310KR14VCC10KR12Res2 图 9 时钟电路图 电机驱动电路 步进电机的介绍 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移或直接位移的执行机构。 步进电机可以直 接用数字信号驱动，使用非常方便，一般电动机都是连续移动的，而步进电机则有电动机 11 则有定位和运转两种状态，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。 您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的； 同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机的转动速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分为三类：永磁式（ PM），反应式（ VR）和混合式（ HB）。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 度 或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩 输出，步进角一般为 度，但噪声和振动都很大。 在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。 它又分为两相和五相：两相步进角一般 度，而五相步进角一般为 度，这种步进电机的应用最为广泛。 步进电机 28BYJ48 型是四相八拍电机，实物图如图 10所示，输入电压为 DC5VDC12V。 当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。 每一个脉冲信号对应步进 电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。 当通电状态的改 变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（ ABCDA ）， 双 （ 双 相 绕 组 通 电 ） 四 拍 （ ABBCCDDAAB ）， 八 拍（ AABBBCCCDDDAA）。 图 10 步进电机 28BYJ48型四相八拍电机 ULN2020 芯片介绍 电机驱动需要较高的电压和电流，一般需要根据电机的具体参数设计合适的驱动电路。 目前市场上有很多性能优良的电机专用驱动芯片，本设计采用电机驱动芯片 ULN2020 12 用于步进电机的 驱动控制。 ULN2020 是耐高压、大电流达林顿系列，由七个硅 NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下： ULN2020 的每一对达林顿都串联一个 ，在 5V 的工作电压下他能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2020 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA,并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 ULN2020 内部结构如图 11所示。 图 11 ULN2020内部结构图 电机驱动电路设计 电机驱动电 路图如图 12 所示。 图中 U3为 ULN2020 芯片，芯片的 IN1 脚接入单片机的 PB0 脚， IN2 脚接入单片机的 PB1 脚， IN3脚接入单片机的 PB2 脚， IN4 脚接入单片机的 PB3 脚。 J2 为排针，与步进电机相连。 VCCPB0PB1PB2PB3IN55IN77IN66OT512OT611OT710OT413COM9IN11IN44OT215IN33OT314IN22OT116GND8U3ULN202012345J2步进电机VCCGND 图 12 电机驱动电路 13 锂电池充电电路 太阳能充电管理专用充电芯片 CN3063 简介 CN3063 是可以用 太阳能电池 供电的单节 锂电池 充电管理芯片。 该器件内部包括 功率晶体管，应用时不需要外部。