畢業(yè)論文--基于單片機(jī)的太陽能尋光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　基于單片機(jī)的太陽能尋光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　2014年10月26日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p&g

2、t;<b>　　前 言2</b></p><p>　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　2 模塊方案設(shè)計(jì) 3</p><p>　　2.1 主控模塊3</p><p>　　2.2 尋光模塊3</p><p>　　2.3 舵機(jī)模塊3</p><p>　　2.

3、4 電源模塊3</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.1 供電電路設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.2 主控電路設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.3 尋光電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5</p><p>　　4.1 主要程序段概述5</

4、p><p>　　4.1.1 主程序概述5</p><p>　　4.1.2 尋光程序邏輯判斷程序5</p><p>　　4.1.3 內(nèi)置PWM控制舵機(jī)程序6</p><p>　　5 系統(tǒng)程序流程圖6</p><p>　　5.1 整體程序流程圖6</p><p>　　5.2 模擬太陽能電池板追

5、光流程圖7</p><p><b>　　6 實(shí)物展示7</b></p><p><b>　　7 測(cè)試與測(cè)試9</b></p><p><b>　　結(jié) 論10</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><

6、;p><b>　　致 謝12</b></p><p><b>　　附 錄13</b></p><p>　　基于單片機(jī)的太陽能尋光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要： 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)對(duì)于太陽能電池板的尋光的應(yīng)用。將模擬太陽能電池板固定在舵機(jī)的轉(zhuǎn)臂上，光敏電阻位于模擬太陽能電池板五個(gè)方向分布，模擬太

7、陽的東升西落規(guī)律，對(duì)不同角度的光強(qiáng)進(jìn)行采集。采用STC單片機(jī)作為整套設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控核心，對(duì)光敏電阻采集到的光強(qiáng)信息進(jìn)行分析處理，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽能電池板始終對(duì)準(zhǔn)光強(qiáng)最大的方向，保證了太陽能電池板最大效率的采集吸收電能過程。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)，太陽能電池板，光敏電阻，舵機(jī)，尋光</p><p><b>　　前 言</b></p>

8、<p>　　現(xiàn)今社會(huì)，在世界范圍內(nèi)，能源主要是石油，但是其供求嚴(yán)重失衡，價(jià)格暴漲，影響和波及世界各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，給世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來極大風(fēng)險(xiǎn)的情況，并且石油能源對(duì)環(huán)境的污染十分嚴(yán)重。在這樣的惡劣環(huán)境下，開發(fā)其它新型無污染的能源是必然趨勢(shì)，太陽能就是一種非常符合世界可持續(xù)發(fā)展的新型能源，它的存儲(chǔ)豐富，無污染，但是由于社會(huì)科學(xué)技術(shù)的限制，對(duì)太陽能的開發(fā)利用效率和范圍都不理想，讓無窮無盡的太陽能隨著時(shí)間流逝。為了更高效的開發(fā)利用太陽

9、能，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)遵循太陽東起西落的規(guī)律，太陽能正射時(shí)候的光強(qiáng)最大，意味著此時(shí)光能量越大，系統(tǒng)中用于采集吸收太陽能的太陽能電池板將隨著太陽在時(shí)刻移動(dòng)，使得太陽能電池板能夠始終對(duì)準(zhǔn)太陽的方向，這樣在白天有陽光的情況下，太陽能電池板吸收的光能就最大化。</p><p>　　下面就是設(shè)計(jì)與制作的過程。</p><p><b>　　1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</b></p>

10、<p>　　本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)于太陽能電池板的尋光系統(tǒng)的應(yīng)用。其數(shù)據(jù)處理和智能控制的核心芯片就是單片機(jī)，針對(duì)于所需功能，此處采用STC系列單片機(jī)，利用光敏電阻特性完成光信號(hào)的采集，采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將處理的結(jié)果通過舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來反映。單片機(jī)能夠根據(jù)光敏電阻采集的數(shù)據(jù)可以判斷光信號(hào)最強(qiáng)的方向，來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將模擬太陽能電池板偏向光強(qiáng)最強(qiáng)的方向?？傮w框圖如圖1所示。</p><p

11、>　　供電 供電</p><p><b>　　供電</b></p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)總體框圖</b></p><p><b>　　模塊方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1 主控模塊</b><

12、;/p><p>　　采用STC單片機(jī)作為控制芯片，其處理速度快、應(yīng)用簡單，性價(jià)比高；并且有內(nèi)置的PWM波和AD轉(zhuǎn)換，這樣利用此單片機(jī)的PWM波來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的伺服控制就很簡單。</p><p><b>　　2.2 尋光模塊</b></p><p>　　采用光敏電阻檢測(cè)光源。由于光敏電阻的本身特性，其接受光照面電阻的阻值變化，有光和無光對(duì)于電阻的阻值大小

13、起一定作用，在硬件實(shí)現(xiàn)上，采用5個(gè)光敏電阻，成圓周分布，來探測(cè)光源的方向。</p><p><b>　　2.3 舵機(jī)模塊</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，模擬太陽能板固定在舵機(jī)的機(jī)臂上，單片機(jī)通過控制舵機(jī)擺動(dòng)來帶動(dòng)太陽能電池板偏轉(zhuǎn)，使其能夠準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)光照最強(qiáng)的方向。</p><p><b>　　2.4 電源模塊</b&

14、gt;</p><p>　　本系統(tǒng)的電源主要分成兩部分組成：主控部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分。為了防止系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故采用了雙電源模式，利用可充電鋰電池作為主控部分的供電電源；模擬太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)的電能由另外一個(gè)電源提供。</p><p>　　3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) </p><p><b>　　3.1供電電路設(shè)計(jì)</b></p><p&

15、gt;　　由于此系統(tǒng)用于戶外光能采集，供電電源應(yīng)采用獨(dú)立電源最為適宜。另外考慮本控制模塊與舵機(jī)的工作電壓為5V單電源，故此系統(tǒng)采用了三端穩(wěn)壓芯片L7805將鋰電池的7.2V直流電穩(wěn)壓成DC5V，電路圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 DC5V穩(wěn)壓電源電路原理圖</p><p>　　3.2 主控電路設(shè)計(jì)</p><p>　　主控電路主要是型號(hào)為STC89C52的

16、單片機(jī)，此款單片機(jī)是STC系列中最為常用的一種，功能多，實(shí)用性能高。由于本系統(tǒng)中要控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)來保證模擬太陽能電池板始終對(duì)準(zhǔn)光源方向，但是舵機(jī)的控制是通過PWM波實(shí)現(xiàn)的，恰好STC單片機(jī)內(nèi)部自帶PWM功能，這樣舵機(jī)控制部分就不需要外圍電路，使得整體電路簡單易行。并且STC單片機(jī)功能多，處理速度快?？刂颇K的電路原理圖如圖3所示，主要包括單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路以及各個(gè)控制引腳。</p><p>　　圖3 控制模

17、塊電路原理圖</p><p>　　3.3 尋光電路設(shè)計(jì)</p><p>　　尋光電路主要利用光敏電阻的光特性實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的檢測(cè)。其電路原理圖見圖4所示。</p><p>　　圖4 尋光電路原理圖 </p><p><b>　　4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1主要程序段概述<

18、;/p><p>　　4.1.1 主程序 </p><p>　　void main() //主程序</p><p><b>　　{ …… }</b></p><p>　　主程序就是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件核心，來控制系統(tǒng)正常運(yùn)作。主程序主要由各個(gè)子程序合理組合搭配構(gòu)成的，它能夠統(tǒng)一調(diào)用子程序，控制硬件電路，實(shí)現(xiàn)整體功能。任何一個(gè)軟件

19、都僅有一個(gè)主程序，它相當(dāng)于系統(tǒng)的心臟，缺它不可。</p><p>　　4.1.2 尋光信號(hào)邏輯判斷程序</p><p>　　uchar guang_scan() //尋光信號(hào)邏輯判斷程序</p><p><b>　　{ ……</b></p><p>　　switch(i) //邏輯判斷</p>&

20、lt;p>　　{ case …….</p><p><b>　　……. }</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　尋光信號(hào)邏輯判斷程序主要采用了“switch…case”多條件選擇語句，此程序利用“switch…case”語句主要用于選擇判斷光照信號(hào)的方位，以便于控制太陽能電池板

21、能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)太陽，實(shí)現(xiàn)最大光能采集，以獲取更多的電能用于實(shí)際生活生產(chǎn)。</p><p>　　4.1.3 內(nèi)置PWM控制舵機(jī)程序</p><p>　　void port_init(void)  // 單片機(jī)IO口定義程序</p><p><b>　　{ …… }  </b></p><p&

22、gt;　　void timer0_init(void)  //時(shí)鐘初始化程序</p><p><b>　　{ …… }  </b></p><p>　　void devices_init (void)  //電機(jī)初始化程序</p><p><b>　　{ …… } </

23、b></p><p>　　void delay_short(uint t) // 短延時(shí) </p><p><b>　　{ …… } </b></p><p>　　void PWM(void)   //PWM波控制程序</p><p><b>　　{ …… } 

24、 </b></p><p>　　PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即

25、是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。[6] </p><p>　　許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器，本系統(tǒng)利用了STC單片機(jī)內(nèi)置PWM波控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)?？梢赃x擇接通時(shí)間和周期，占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。使用PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)?/p>

26、邏輯0或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 </p><p>　　對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 總之，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)。</p><p><b>　

27、　5.系統(tǒng)程序流程圖</b></p><p>　　5.1 整體程序流程圖</p><p><b>　　如圖5所示。</b></p><p><b>　　初始化</b></p><p><b>　　延時(shí)延時(shí)</b></p><p><b

28、>　　方向改變方向不變</b></p><p><b>　　無光照</b></p><p>　　圖5 整體程序流程圖</p><p>　　5.2 模擬太陽能電池板追光流程圖</p><p><b>　　如圖6所示</b></p><p>　　圖6 太陽能電

29、池板追光流程圖</p><p><b>　　實(shí)物展示</b></p><p>　　實(shí)物展示包括整體實(shí)物展示和各模塊實(shí)物展示介紹，以下實(shí)物圖皆拍攝于室內(nèi)。</p><p>　　圖7 系統(tǒng)整體實(shí)物展示</p><p>　　圖8 舵機(jī)模塊 圖9 供電模塊</p&g

30、t;<p>　　圖10 主控模塊 圖11 尋光模塊</p><p><b>　　7.測(cè)試與調(diào)試</b></p><p>　　電路測(cè)試：利用萬用表檢測(cè)電路，檢查電路中是否存在短路或斷路，發(fā)現(xiàn)問題逐個(gè)解決；電路在無輸入狀態(tài)下檢查正常時(shí)，利用鋰電池給電路供電，給予不同角度的光源照射，通過示波器觀察單片機(jī)PW

31、M波形輸出是否正常。在一切準(zhǔn)備工作都正常就緒的情況下，在特殊環(huán)境下測(cè)試尋光源模塊能否正常工作，測(cè)試過程中記錄數(shù)據(jù)，最后根據(jù)測(cè)試結(jié)果，調(diào)整電路性能。</p><p>　　模擬測(cè)試：利用白熾燈模擬太陽，通過改變白熾燈方向和位置，觀察太陽能電池板的動(dòng)作，與理論情況比較，以便完善程序。同時(shí)對(duì)太陽能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間定時(shí)，記錄規(guī)定時(shí)間內(nèi)，模擬太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，與相同時(shí)間，太陽能電池板不尋光進(jìn)行比較，從而判斷太陽能板尋光

32、轉(zhuǎn)動(dòng)的效率。</p><p>　　調(diào)試：調(diào)試工作是個(gè)精細(xì)的工作。在調(diào)試過程中，有些問題是芯片本身損壞引起的，有的時(shí)候也是因?yàn)楹附訂栴}引起的。因此，排查過程需要顯示電路不穩(wěn)定的問題要特別的耐心，通過對(duì)芯片功能的校驗(yàn)，對(duì)焊點(diǎn)逐個(gè)檢查，最后排查出問題所在，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題后，系統(tǒng)電路板即可以正常實(shí)現(xiàn)其功能。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p>

33、;<p>　　結(jié)合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展現(xiàn)狀，能源危機(jī)越來越嚴(yán)重，太陽能作為一種綠色、環(huán)保、可再生的能源，越來越受到人們的青睞，一系列太陽能產(chǎn)品相繼問世。但是遺憾的是，太陽是在時(shí)刻運(yùn)轉(zhuǎn)的，然而太陽能電池板卻只能固定角度采光，這樣使得大量光能流失浪費(fèi)了。本系統(tǒng)基于獲得更多的太陽能，設(shè)計(jì)了太陽能板能夠自動(dòng)尋光追光裝置，能夠在相同環(huán)境下，采集更多的光能。并且實(shí)驗(yàn)證明，尋光系統(tǒng)是可行的，如果在電路設(shè)計(jì)和安裝工藝上能夠再加改善，效果還是很理

34、想的。</p><p>　　此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，出現(xiàn)了很多錯(cuò)誤和缺陷，或者是由于程序不精確，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，效果不理想。通過此次設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不論是硬件設(shè)計(jì)還是編寫程序，都需要進(jìn)行縝密分析，把握整套系統(tǒng)的工作狀態(tài)。還要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試，記錄數(shù)據(jù)以便分析。一個(gè)完善的系統(tǒng)是多次調(diào)試的結(jié)晶。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

35、<p><b>　　[1] 百度文庫.</b></p><p>　　[2] 李文方.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].哈爾濱: 工業(yè)大學(xué)出版社，2010-8-1.</p><p><b>　　[3] 百度百科.</b></p><p><b>　　[4] 百度百科.</b></p>&

36、lt;p>　　[6] 王久和.電壓型PWM整流器的非線性控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2010-9-1.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)得到了很多人的幫助，其中魏煒老師對(duì)我的關(guān)心和支持尤為重要，每次遇到難題，我首先想到的就是向*老師尋求幫助。另外，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)使我的論文即使在謹(jǐn)小細(xì)微處也給予了糾正，讓我的論文無論

37、是結(jié)構(gòu)還是內(nèi)容變得更加公整、緊湊，感謝魏老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)。</p><p>　　感謝校方給予我這樣一次機(jī)會(huì)，能夠獨(dú)立地完成這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，作為檢驗(yàn)這些年來學(xué)習(xí)的成果,在這個(gè)過程當(dāng)中，學(xué)校給予我們各種方便，使我們?cè)诩磳㈦x校的最后一段時(shí)間里，能夠更多學(xué)習(xí)一些實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動(dòng)手應(yīng)用能力，提高了獨(dú)立思考的能力。再一次對(duì)我的母校表示感謝。</p><p>　　感謝在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)期

38、間和我密切合作的同學(xué)，和曾經(jīng)在各個(gè)方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，正是因?yàn)橛辛四銈兊膸椭?，才讓我不僅學(xué)到了本次課題所涉及的新知識(shí)，更讓我感覺到了知識(shí)以外的東西，那就是團(tuán)結(jié)的力量。</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　#include<reg52.h></p><p>　　#include<intrins.

39、h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　1．尋光信號(hào)判斷程序：</p><p>　　uchar guang_scan()</p><p>　　{ PORTC=i;</p&

40、gt;<p><b>　　switch(i)</b></p><p>　　{case 0xFE: guang=0x0;</p><p>　　case 0xFD: guang =0x1;</p><p>　　case 0xFB: guang =0x2;</p><p>　　case 0XF7: guang

41、=0x3;</p><p>　　case 0xDF: guang =0x4;</p><p>　　case 0xBF: guang =0x5;</p><p>　　case 0x7F: guang =0x6;</p><p>　　else guang =0x7;</p><p>　　return guang;<

42、/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　2．內(nèi)置PWM控制舵機(jī)程序：</p><p>　　void port_init(void) // I/O口定義函數(shù)</p><p><b>　　{ </b>&

43、lt;/p><p>　　PORTA = 0x00; </p><p>　　DDRA = 0x00; </p><p>　　PORTB = BIT(PB3); </p><p>　　DDRB = BIT(PB3); </p><p>　　PORTC = 0x00; //m103 output only</p&g

44、t;<p>　　DDRC = 0x00;</p><p>　　PORTD = 0x00; </p><p>　　DDRD = 0x00; </p><p><b>　　} </b></p><p>　　void timer0_init(void) // 定時(shí)器初始化函數(shù)</p><

45、;p><b>　　{ </b></p><p>　　TCCR0 = 0x00; //stop </p><p>　　TCNT0 = 0x01; //set count </p><p>　　OCR0? = 0xFF; //set compare </p><p>　　TCCR0 = 0x62; //

46、start timer ; 相位修正, 8分頻 </p><p><b>　　} </b></p><p>　　void devices_init (void) // 舵機(jī)控制初始化程序</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　CLI(); //disable all

47、 interrupts? </p><p>　　port_init(); </p><p>　　timer0_init(); </p><p>　　MCUCR = 0x00; </p><p>　　GICR = 0x00; </p><p>　　TIMSK = 0x00; //timer interrupt sou

48、rces? </p><p>　　SEI(); //re-enable interrupts? </p><p><b>　　} </b></p><p>　　void delay_short(uint t) // 短延時(shí) </p><p><b>　　{ </b></p>

49、<p><b>　　uint i; </b></p><p>　　for (i=0;i<t;i++); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　void PWM(void) // PWM波控制程序</p><p><b>　　{

50、</b></p><p>　　uchar guang, OCR0_V; </p><p>　　init_devices();</p><p>　　OCR0_V = 0xff; </p><p><b>　　while(1) </b></p><p><b>　　{ </

51、b></p><p>　　switch(guang)</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　case 0x0:</b></p><p>　　{ OCR0_V =-90;OCR0 = OCR0_V; }; </p><p><

52、b>　　case 0x1:</b></p><p>　　{OCR0_V = -60; OCR0 = OCR0_V; }; </p><p><b>　　case 0x2:</b></p><p>　　{OCR0_V =-30; OCR0 = OCR0_V; }; </p><p>&

53、lt;b>　　case 0x3:</b></p><p>　　{OCR0_V =0; OCR0 = OCR0_V; }; </p><p><b>　　case 0x4:</b></p><p>　　{OCR0_V =30; OCR0 = OCR0_V; }; </p><p>

54、;<b>　　case 0x5:</b></p><p>　　{OCR0_V =60; OCR0 = OCR0_V; }; </p><p><b>　　case 0x6:</b></p><p>　　{OCR0_V =90; OCR0 = OCR0_V; };</p><p&g