PAGE畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：基于單片機(jī)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓名：學(xué)院：專(zhuān)業(yè)：班級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：年月日畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：日期：年月日畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該論文（設(shè)計(jì)）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，單位署名為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：日期：年月日指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1課題背景及意義 11.1.1太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是最有前途的可再生能源發(fā)電方式 11.1.2幾種主要太陽(yáng)能熱發(fā)電方式的前景 21.2我國(guó)的太陽(yáng)能資源 31.3國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 41.4本論文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 52系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 62.1跟蹤控制方案的選擇 62.1.1跟蹤系統(tǒng)坐標(biāo)系的選擇 62.1.2跟蹤方式及跟蹤系統(tǒng)的選擇 62.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及相關(guān)硬件介紹 72.2.1復(fù)位電路的硬件設(shè)計(jì) 92.2.2I2C通信模塊 102.2.3步進(jìn)電機(jī)模塊 142.3本章小結(jié) 153軟件設(shè)計(jì) 173.1I2C串行通信簡(jiǎn)介及其軟件設(shè)計(jì) 193.1.1I2C總線設(shè)計(jì) 193.2.2I2C總線連接器件的設(shè)計(jì) 213.2步進(jìn)電機(jī)模塊的軟件設(shè)計(jì) 273.3本章小結(jié) 274結(jié)論 30參考文獻(xiàn) 31致謝 32附錄 33附錄1：原理圖 33附錄2：程序 34PAGE36太陽(yáng)能熱發(fā)電中太陽(yáng)跟蹤器的設(shè)計(jì)摘要太陽(yáng)能是一種取之不盡用之不竭的清潔能源，隨著世界能源形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，太陽(yáng)能熱發(fā)電作為一種重要的可再生能源發(fā)電方式，受到了各國(guó)政府的青睞。聚光器的跟蹤控制是太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，采用跟蹤系統(tǒng)可大幅提高太陽(yáng)能聚光器的熱接收率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。本論文設(shè)計(jì)了一套8051單片機(jī)系統(tǒng)，用于太陽(yáng)能聚光器跟蹤控制。根據(jù)太陽(yáng)與地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系下太陽(yáng)相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)軌道，以應(yīng)用價(jià)值為前提，提出了以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的開(kāi)環(huán)跟蹤控制策略，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，本文選用了AT89C51RC單片機(jī)作為核心部件，完成了單片機(jī)的外圍硬件電路設(shè)計(jì)和相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路中的重要器件及其實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件接口電路，主要包括復(fù)位電路，I2C串行通信電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并以軟件流程圖的形式詳細(xì)說(shuō)明了本文的軟件設(shè)計(jì)思想。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱發(fā)電；太陽(yáng)跟蹤；單片機(jī)；開(kāi)環(huán)跟蹤TheDesignofSolarTrackerinSolarThermalPowerGenerationAbstractSolarenergyisacleaninexhaustibleenergy.Withtheincreasingofenergycrisis,solarthermalpowergenerationasakindofimportantrenewableenergytechnologycouldbeoneofthealternativesolutionformanygovernments．Sun-trackingisakeytechnologyinsolarthermalpowergenerationsystem.Thecollectedenergycanbesignificantlyincreasedbyaddingthetrackingequipmentstothesystem，thereforethegenerationefficiencycallbegreatlyimproved.Inthispaper,a8051MCUsystemwhichusedinthetrackingcontrolsystemisdesigned.AccordingtothesunandtheEarth`srelativemotionandtheequatorialcoordinatesystemandthelawofhorizencoordinatesmovementofthesunrelativetoEarth`sorbit.Consideringthesystemapplication,anopenlooptrackingstrategyisproposedandacontrolsystemisdesigned.Thesteppingmotorsareusedasdrivingequipmentsinthissystem.Tomeettherequirementofthecontrolsystem,AT89C51RCischosenastheCPU.TheperipheralcircuitsoftheMCUandrelevantsoftwarearedesigned.Alloftheimportantdevicesinthesystemandtheirfunctionsaredetailedinvestigated.Relevantinterfacecircuitisdesigned,includingtheresetcircuit,I2Ccircuitandsteppingmotordrivingcircuit.Thementalityofdesigningofsoftwareisintroducedusingtheflowchartmethod．Keywords:Solarthermalpowergeneration；Sun-tracking；MCU；Spenlooptracking1緒論1.1課題背景及意義能源是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，在生產(chǎn)和生活上消耗能源日益增多的情況下，作為常規(guī)能源的礦物燃料如石油、天然氣、煤炭等，盡管在當(dāng)前還可以維持世界能源的需求，但終有一日會(huì)枯竭。自1973年世界性的石油危機(jī)爆發(fā)以來(lái)，能源危機(jī)給人們敲響了警鐘，大家開(kāi)始關(guān)注占國(guó)家全部能源消耗的30-40%的建筑能耗的問(wèn)題。1996年，聯(lián)合國(guó)在津巴布韋召開(kāi)了“世界太陽(yáng)能高峰會(huì)議”，會(huì)后發(fā)表了《哈拉雷太陽(yáng)能與持續(xù)發(fā)展宣言》，《國(guó)際太陽(yáng)能公約》，《世界太陽(yáng)能戰(zhàn)略規(guī)劃》等重要文件，進(jìn)一步表明了聯(lián)合國(guó)和世界各國(guó)對(duì)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能的堅(jiān)定決心，要求全球共同行動(dòng)，廣泛利用太陽(yáng)能[1]。1.1.1太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是最有前途的可再生能源發(fā)電方式隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出越來(lái)越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類(lèi)面臨的迫切課題?，F(xiàn)有能源主要有3種，即火電、水電和核電?；痣娦枰紵骸⑹偷然剂稀Ｒ环矫婊剂咸N(yùn)藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險(xiǎn)。據(jù)估計(jì)，全世界石油資源再有30年便將枯竭。另一方面燃燒燃料將排出CO2和硫的氧化物，因此會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境[2]。水電要淹沒(méi)大量土地，有可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，而且大型水庫(kù)一旦塌崩，后果將不堪設(shè)想。另外，一個(gè)國(guó)家的水力資源也是有限的，而且還要受季節(jié)的影響。核電在正常情況下固然是干凈的，但萬(wàn)一發(fā)生核泄漏，后果同樣是可怕的。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故，已使900萬(wàn)人受到了不同程度的損害，而且這一影響并未終止。這些都迫使人們?nèi)ふ倚履茉?。新能源要同時(shí)符合兩個(gè)條件：一是蘊(yùn)藏豐富不會(huì)枯竭；二是安全、干凈，不會(huì)威脅人類(lèi)和破壞環(huán)境。目前找到的新能源主要有兩種，一是太陽(yáng)能，二是燃料電池。另外，風(fēng)力發(fā)電也可算是輔助性的新能源。其中，最理想的新能源是太陽(yáng)能[3]。在利用太陽(yáng)能發(fā)電的過(guò)程中，主要可以分為以太陽(yáng)能電池為代表的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)[4]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用硅板材料直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的技術(shù)，由于其不易建成大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電站，且材料成本高。最近研究表明，太陽(yáng)能電池存在二次污染的問(wèn)題，使太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域受到了限制[4]。這樣以來(lái)，如果要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電，只能依靠太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)。太陽(yáng)能熱發(fā)電，是指利用聚光器捕獲并聚集太陽(yáng)輻射，并發(fā)送至接收器產(chǎn)生中高溫?zé)崃黧w，然后驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的熱機(jī)(如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林機(jī)等)來(lái)產(chǎn)生電能的一門(mén)綜合性高新技術(shù)，涉及太陽(yáng)能利用、蓄能、新型材料、高效汽輪機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制等問(wèn)題，不少?lài)?guó)家已投入大量的人力物力[5]。1.1.2幾種主要太陽(yáng)能熱發(fā)電方式的前景太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括四個(gè)基本部分：聚光器、吸熱器、熱傳輸及蓄熱系統(tǒng)和電力轉(zhuǎn)換設(shè)備[6]，其系統(tǒng)示意圖如圖l-1所示。太陽(yáng)能太陽(yáng)能聚光器接收器蓄熱器熱傳輸系統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)圖1-1太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖目前最有前途的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)可分為槽式、塔式和碟式三種技術(shù)[7]。（1）槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是用槽形拋物面收集器將太陽(yáng)能聚集到置于槽形收集器焦線上的接收管上。在管內(nèi)流動(dòng)的流體(典型系統(tǒng)為油，先進(jìn)系統(tǒng)為蒸汽)被加熱，然后通過(guò)管網(wǎng)送到中央站點(diǎn)驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電機(jī)發(fā)電[8]。（2）塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是用足口鏡場(chǎng)，或許多跟蹤太陽(yáng)的鏡子，將太陽(yáng)能反射到裝在高塔上的接收器上。由接收器吸收的聚焦后的熱能傳至循環(huán)流體，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電機(jī)發(fā)電[9]。（3）碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是用雙軸距蹤的碟形拋物面聚光器將陽(yáng)光聚焦到置于碟的焦點(diǎn)上的接收器[10]。接收器吸收太陽(yáng)輻射并加熱循環(huán)流體，然后驅(qū)動(dòng)與接收器直接相連的發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)發(fā)電．也可通過(guò)管道輸送到中央電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。太陽(yáng)能作為一種“清潔能源”，取之不盡，用之不竭，具有巨大的開(kāi)發(fā)潛能。但目前太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，其原因主要是太陽(yáng)能利用率不高。就現(xiàn)有的太陽(yáng)能裝置而言，如何最大限度提高太陽(yáng)能的利用率，仍是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)使集熱裝置能始終保持與太陽(yáng)光垂直，就可以在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽(yáng)能。理論分析表明，太陽(yáng)的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽(yáng)更是可以大大提高接收器的熱接收率，進(jìn)而提高太陽(yáng)能裝置的太陽(yáng)能利用率。1.2我國(guó)的太陽(yáng)能資源太陽(yáng)能熱發(fā)電站必須建在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)。我國(guó)地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上，總面積達(dá)960萬(wàn)平方公里，為地球陸地面積的7%，居世界第三位。我國(guó)的太陽(yáng)能資源非常豐富，與世界其它發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相比，我國(guó)的太陽(yáng)能資源與美國(guó)相當(dāng)，除四川盆地與其毗鄰的地區(qū)外，比歐洲大部分地區(qū)和日本都優(yōu)越得多，特別是青藏高原西部和南部的太陽(yáng)能資源尤為豐富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠，位居世界第二位。全國(guó)各地太陽(yáng)能年輻射總量為3340～8400MJ/m2，中值為5852MJ/m2[11]。從中國(guó)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、新疆、寧夏南部、甘肅、內(nèi)蒙古南部、山西北部、陜西北部、遼寧、河北東部、山東東南部、河南東南部、吉林西部、云南中部和西南南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。尤其在青藏高原、塔里木盆地、撒哈拉瑪干沙漠地區(qū)海拔高，大氣層薄而清潔，透明度好，日照時(shí)間長(zhǎng)，是理想的太陽(yáng)能熱發(fā)電基地。如我國(guó)的“日光城”拉薩市，1961～1970年的年平均日照時(shí)間為3005.7小時(shí)，相對(duì)日照為68%，年平均晴天為108.5天，陰天為98.8天，年平均云量為4.8，年太陽(yáng)總輻射量為8160MJ/m2，比全國(guó)其它同緯度的城市都高。我國(guó)有80多萬(wàn)平方公里的荒漠地區(qū)，這些地區(qū)正好處在太陽(yáng)能輻射相當(dāng)豐富的地帶，每平方公里的太陽(yáng)能輻射功率達(dá)百萬(wàn)千瓦，即使按照5.10%的熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，這些地區(qū)每平方公里的發(fā)電量為5.10萬(wàn)千瓦，我國(guó)80多萬(wàn)平方公里的荒漠地帶用百分之幾的發(fā)電量即達(dá)10億千瓦發(fā)電水平，可以說(shuō)我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，具備發(fā)展太陽(yáng)能熱發(fā)電的條件[12]。1.3國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀在太陽(yáng)跟蹤方面，單軸跟蹤系統(tǒng)初投資相對(duì)較少，跟蹤設(shè)備結(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)能的效果并不十分理想。美國(guó)Bicalace在1997年研制了單軸太陽(yáng)能跟蹤，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，使接收器的熱接收率提高了15%。KalogirouSA設(shè)計(jì)的單軸跟蹤系統(tǒng)可使接收器與太陽(yáng)光線的偏差小于0.2度。在有些太陽(yáng)能設(shè)備中，如點(diǎn)聚焦式接收裝置，則只能采用雙軸跟蹤系統(tǒng)。雙軸跟蹤系統(tǒng)可用于任何一種太陽(yáng)能系統(tǒng)來(lái)提高其運(yùn)行效率。有關(guān)雙軸跟蹤系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也是比較多的[13]。1998年美國(guó)加州成功的研究了ATM雙軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的涅耳透鏡，這樣可以讓小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進(jìn)一步提高。2002年2月美國(guó)那里桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框結(jié)構(gòu)，結(jié)果緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。Barakatetall設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜的控制電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的閉環(huán)跟蹤。他們得到的結(jié)論是采用雙軸閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)可使接收器的熱接收率提高22%[14]。Nevile通過(guò)理論計(jì)算對(duì)比了分別采用雙軸跟蹤，單軸東西跟蹤和不跟蹤的三套系統(tǒng)所獲得的熱接收量，發(fā)現(xiàn)采用雙軸跟蹤比采用單軸東西跟蹤系統(tǒng)所獲得的熱接收量高5.10%，比不采用跟蹤系統(tǒng)的高50%[15]。Khalifa通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了雙軸跟蹤對(duì)復(fù)合拋物面聚光器的影響，結(jié)果表明采用跟蹤比不采用跟蹤的系統(tǒng)熱接收量高75%。Hession和Vonwick介紹了一種適用于多種接收器的跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了模擬和數(shù)字技術(shù)，通過(guò)太陽(yáng)光敏晶體管傳感器的信號(hào)調(diào)整位置追蹤太陽(yáng)，跟蹤精度可達(dá)0.1度[16]。AbdallahS研究了采用不同的跟蹤方式對(duì)FPPT系統(tǒng)的影響，分別采用雙軸跟蹤、單軸東西跟蹤和單軸南北跟蹤比固定放置的電池板收集到的能量高43.87%，37.53%和15.69%。Baltaseta11對(duì)比研究了連續(xù)式和步進(jìn)式跟蹤，指出聚焦式系統(tǒng)采用連續(xù)式跟蹤比步進(jìn)式跟蹤效果更好，而在FPPT系統(tǒng)中采用連續(xù)式跟蹤與步進(jìn)式跟蹤的效果相差無(wú)幾。Abdallah和Nijmeh設(shè)計(jì)了以PLC為控制器的雙軸跟蹤系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明采用該跟蹤系統(tǒng)比固定放置的接收設(shè)備相比，太陽(yáng)能采集量提高了41.34%。在國(guó)內(nèi)近年來(lái)也有不少專(zhuān)家學(xué)者相繼開(kāi)展了太陽(yáng)跟蹤方面的研究，1992推出了太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)；1994年《太陽(yáng)能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單軸跟蹤。目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用的水平不高，國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)跟蹤器的精度也有待于進(jìn)一步的提高。1.4本論文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容由于太陽(yáng)相對(duì)于聚光器的位置時(shí)刻都在改變，這就要求聚光器不斷改變自身的方位，實(shí)時(shí)保持太陽(yáng)處于太陽(yáng)能聚光器的主光軸上，即始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，以有限的接收面積捕獲盡可能多的太陽(yáng)輻射能。要保持太陽(yáng)始終處于聚光器的主光軸上，就必須采用跟蹤系統(tǒng)。本論文將設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一套用于太陽(yáng)能熱發(fā)電的跟蹤控制系統(tǒng)。論文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件部分：①?gòu)?fù)位電路。②I2C通信電路，包括外圍總線、鍵盤(pán)顯示芯片和日歷時(shí)鐘芯片的連接。③步進(jìn)電機(jī)模塊電路，包括反向驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接。④繪制系統(tǒng)的總體電路圖。軟件系統(tǒng)包括：①系統(tǒng)總設(shè)計(jì)流程圖及其程序。②I2C通信模塊軟件設(shè)計(jì)，包括I2C總線連接圖，初始化流程圖，按鍵處理流程圖和時(shí)間調(diào)整流程圖及程序。③步進(jìn)電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，包括計(jì)算模塊流程圖和步進(jìn)電機(jī)模塊流程圖。2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)2.1跟蹤控制方案的選擇2.1.1跟蹤系統(tǒng)坐標(biāo)系的選擇在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，支架不僅要支撐起聚光器，還要支撐起安置在聚光器焦點(diǎn)位置的一臺(tái)數(shù)噸重的發(fā)動(dòng)機(jī)。如果采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)，雖然跟蹤的方式簡(jiǎn)單，但是聚光器的重量并不通過(guò)極軸軸線，極軸支撐裝置的設(shè)計(jì)難度大。所以本設(shè)計(jì)不采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)于較大的系統(tǒng)，工程上常采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)。采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)是重力平面保持在通過(guò)收集器的垂直平面內(nèi)，這樣把收集器表面的重力偏差減到最小，就可以使收集器及其支架的工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性簡(jiǎn)化到最低限度，收集器的軸和軸承所受的力矩也減到最小。故采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)的收集器支撐結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。2.1.2跟蹤方式及跟蹤系統(tǒng)的選擇跟蹤控制方式分為閉環(huán)跟蹤、開(kāi)環(huán)跟蹤和混合跟蹤控制方式三種。閉環(huán)跟蹤和開(kāi)環(huán)跟蹤控制方式的主要區(qū)別是有無(wú)反饋信息?；旌细櫩刂品绞綄㈤]環(huán)跟蹤和開(kāi)環(huán)跟蹤相結(jié)合的跟蹤控制方式，混合跟蹤控制方式。混合跟蹤方式有閉環(huán)跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn)也同樣具備開(kāi)環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)。如果采用高性能的傳感器用于光電跟蹤模塊，無(wú)疑將大大提高跟蹤系統(tǒng)的造價(jià)，這是在工業(yè)生產(chǎn)中所不愿看到的；如果采用普通的傳感器，則跟蹤系統(tǒng)會(huì)存在的缺點(diǎn)為反應(yīng)慢、精度差、穩(wěn)定性低，且閉環(huán)跟蹤無(wú)法適用多云天氣。根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度緯度，日期和時(shí)間，采用開(kāi)環(huán)控制方式，通過(guò)數(shù)學(xué)上對(duì)太陽(yáng)軌道的計(jì)算，得到下一時(shí)刻收集器的位置。這樣可以通過(guò)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)收集器，保持太陽(yáng)始終處于收集器的主光軸上。按軌道跟蹤太陽(yáng)，不受天氣限制。如此一來(lái)也存在一個(gè)缺點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)了，系統(tǒng)的累積誤差的影響越來(lái)越大，跟蹤效果會(huì)明顯下降。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，所以步進(jìn)電機(jī)在非超載的情況下，其轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。因此，采用步進(jìn)電機(jī)作為跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可有效控制系統(tǒng)的累積誤差。本論文控制方式采用開(kāi)環(huán)的程序控制，分別對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角進(jìn)行二維跟蹤，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及相關(guān)硬件介紹系統(tǒng)示意圖如圖2-l所示，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，鍵盤(pán)顯示芯片作為鍵盤(pán)指令輸入和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示的驅(qū)動(dòng)器管理著鍵盤(pán)和顯示器，日歷時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)提供了一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器間接控制著步進(jìn)電機(jī)。相關(guān)硬件接口電路主要包括復(fù)位電路，I2C通信電路和步進(jìn)電機(jī)模塊電路。本文將對(duì)所選用的單片機(jī)以及主要硬件電路展開(kāi)說(shuō)明。LEDLED日歷/時(shí)鐘芯片鍵盤(pán)顯示芯片鍵盤(pán)單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)圖2-1系統(tǒng)示意圖綜合考慮本系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)功能的要求，本文選用美國(guó)ATMEL公司的AT89C51RC單片機(jī)，該單片機(jī)具有以下特性：AT89C51RC是在AT89C52基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新型單片機(jī)。它的主要特性是：●片內(nèi)含有32KB的Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)周期為1000次；●片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)含512字節(jié)的RAM；●具有可編程32線I/O口(P0，P1，P2和P3)；●具有3個(gè)可編程定時(shí)器TO，T1和T2；●中斷系統(tǒng)是具有8個(gè)中斷源、6個(gè)中斷矢量、2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；●具有一個(gè)全雙工UART串行口；●低功耗工作方式為空閑模式和掉電模式；●具有雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTRl；●具有3級(jí)程序鎖定位；●具有硬件看門(mén)狗定時(shí)器WDT；●AT89C51RC工作電源為4.0-5.5V；●AT89C5lRC最高工作頻率為33MHz；●具有斷電標(biāo)志POF。AT89C51RC單片機(jī)PDIP封裝的引腳排列如圖2-2所示。圖2-2AT89C51RC引腳圖其各個(gè)引腳的功能介紹如下：●P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口?！馪1口：Pl是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。作為通用I/0口時(shí)，每個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，當(dāng)用做輸入時(shí)，每個(gè)端口首先值為l。P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入(P1.0/T2)和輸入(P1.1/T2EX)，參見(jiàn)表2-1。表2-1P1.0和P1.1口的第二功能引腳號(hào)功能特性P1.0T2(定時(shí)/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)脈沖輸入)，時(shí)鐘輸出P1.1T2EX(定時(shí)/計(jì)數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制)●P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口?！馪3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-2所示?！馬ST：復(fù)位輸入端，高電平有效。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片復(fù)位。●ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)?！馪SEN：程序儲(chǔ)存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)?！馝A/VPP：外部訪問(wèn)允許?！馲TALl：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。●XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端?！馰CC：電源電壓?！馟ND：地。表2-2P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0(外中斷O)P3.3INTl(外中斷1)P3.4TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)2.2.1復(fù)位電路的硬件設(shè)計(jì)當(dāng)單片機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并按照要求并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)如圖2-3所示。圖2-3復(fù)位電路2.2.2I2C通信模塊本論文選用AT89C51RC單片機(jī)利用其通用的I/O口模擬I2C總線接口，控制著外圍I2C總線器件，電路中所選用的I2C總線器件主要包括日歷時(shí)鐘芯片和鍵盤(pán)顯示芯片，其中日歷時(shí)鐘芯片選用了PCF8563T，鍵盤(pán)顯示芯片選用了ZLG7290。以下對(duì)上述芯片進(jìn)行介紹。（1）ZLG7290芯片ZLG7290芯片廣泛應(yīng)用于智能儀表的接口設(shè)計(jì)當(dāng)中，是一種多位LED顯示及鍵盤(pán)管理器件，可自動(dòng)完成8位LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描和(最多)64按鍵檢測(cè)掃描。通過(guò)該芯片管理鍵盤(pán)和LED顯示器不但簡(jiǎn)化了硬件電路，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。鍵盤(pán)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一種主要的信息輸入接口，其實(shí)際上就是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合。通過(guò)鍵盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令傳送等功能，這是人工干預(yù)控制系統(tǒng)的主要手段。在鍵盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，鍵盤(pán)的連擊、去抖以及雙鍵互鎖等一直以來(lái)都是非常讓人頭疼的問(wèn)題。采用ZLG7290芯片后使類(lèi)似的問(wèn)題變得很十分容易了，這是因?yàn)樵撔酒梢酝ㄟ^(guò)讀寫(xiě)內(nèi)部寄存器，查詢(xún)自身狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制。圖2-4ZLG7290引腳圖表2-3ZLG7290引腳功能引腳圖引腳名稱(chēng)引腳特性引腳描述13，12，2l，22，3～6DIG7～DIG0輸入/輸出LED顯示位驅(qū)動(dòng)及鍵盤(pán)掃描線10～,7，2，l，24，23SEGH～SEGA輸入/輸出LED顯示位驅(qū)動(dòng)及鍵盤(pán)掃描線20SDA輸入/輸出I2C總線接口數(shù)據(jù)/掃描線19SCL輸入/輸出I2C總線接口時(shí)鐘線14/INT輸出中斷輸入端，低電平有效15/RST輸入復(fù)位輸入端，低電平有效17OSC1輸入連接晶體以產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘18OSC2輸出連接晶體以產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘16VCC電源電源正(3.3-5.5V)11GND電源電源地控制系統(tǒng)初始條件的調(diào)整通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并用LED顯示器監(jiān)視調(diào)整過(guò)程，得到了一個(gè)良好的人機(jī)交互界面。ZLG7290芯片采用24引腳封裝，引腳功能如表2-3所示，引腳圖如圖2-4所示。鍵盤(pán)連接示意圖如圖2-5。圖2-5鍵盤(pán)連接圖（2）LED數(shù)碼管顯示器LED數(shù)碼管顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成，數(shù)碼管按公共端的不同可分為共陽(yáng)極和共陰極兩類(lèi)：若各二極管的陰極連接在一起，則稱(chēng)為共陰極數(shù)碼管；各二極管的陽(yáng)極連在一起，稱(chēng)為共陽(yáng)極數(shù)碼管?？梢钥刂颇承┌l(fā)光二極管的亮暗，構(gòu)成某些字符。可顯示的字符包括數(shù)字0～9、字母A、B、C、D、E、F及小數(shù)點(diǎn)等。因?yàn)楸疚男枰宋伙@示的顯示器，所以具體設(shè)計(jì)是用兩個(gè)四位共陰的LED數(shù)碼管顯示器組成八位顯示器。采用ZLG7290芯片可動(dòng)態(tài)地掃描管理顯示過(guò)程，將所要顯示的數(shù)據(jù)顯示在LED顯示器上，與單純依靠軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)LED顯示向比，硬件接口簡(jiǎn)單，由于采用I2C總線方式使得芯片與單片機(jī)間的通訊只用2個(gè)I/O口便可完成，節(jié)省了單片機(jī)有限的資源。由于該芯片本身具有掃描顯示功能，在單片機(jī)擔(dān)負(fù)繁忙數(shù)據(jù)處理任務(wù)的系統(tǒng)中，更是可以減少單片機(jī)的用于顯示/鍵盤(pán)的程序負(fù)擔(dān)和工作時(shí)間。其設(shè)計(jì)連接如圖2-6所示。圖2-6數(shù)碼管連接圖（3）PCF8563T芯片PCF8563T是Philips公司推出的一款低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，采用兩線制I2C總線通信方計(jì)式，所有的地址和數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線接口串行傳遞。該芯片引腳圖如圖3-5所示，對(duì)應(yīng)的引腳功能見(jiàn)表3-4。INT是中斷信號(hào)輸出端，可通過(guò)設(shè)置報(bào)警寄存器按指定時(shí)間在該腳產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，低電平有效；OSCI、OSCO分別為振蕩器的輸入、輸出端；SCL為時(shí)鐘輸入端，數(shù)據(jù)隨時(shí)鐘信號(hào)同步輸入器件或從器件輸出；SDA為雙向引腳，用于串行數(shù)據(jù)的輸入輸出；SDA、SCL、INT均為漏極開(kāi)路，必須上拉電阻：圖2-7PCF8563T引腳圖系統(tǒng)中PCF8563的引腳如圖2-7所示。OSCI、OSCO端接入32.768kHz的石英晶振，時(shí)鐘源配置為片內(nèi)振蕩器。PCF8563包含一個(gè)片內(nèi)復(fù)位電路，當(dāng)振蕩器停止工作時(shí)，復(fù)位電路開(kāi)始工作。PCF8563T的SDA、SCL端口分別與AT89C5lRC的引腳P1.0、P1.1相連，通過(guò)I2C總線讀取PCF8563的基準(zhǔn)時(shí)間。表3-4PCF8563T引腳功能符號(hào)管腳號(hào)描述OSC11振蕩器輸入OSC02振蕩器輸出/INT3中斷輸出(開(kāi)漏；低電平有效)VSS4地SDA5串行數(shù)據(jù)I/OSCL6串行時(shí)鐘輸入CLKOUT7時(shí)鐘輸出(開(kāi)漏)VDD8正電源按太陽(yáng)運(yùn)行軌道計(jì)算出太陽(yáng)每時(shí)每刻的位置，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整聚光器的方位，實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)的程序跟蹤，對(duì)所需時(shí)鐘精確度的要求較高。如果以AT89C51RC單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器作為系統(tǒng)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)間久了會(huì)帶來(lái)較大積累誤差，且加大了軟件的編程量，容易出錯(cuò)。故一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘決定著設(shè)計(jì)的效果。采用PCF8563T芯片可以給控制系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘，便于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的程序跟蹤，本系統(tǒng)中主要利用PCF8563T芯片中年、月、日和具體時(shí)間的功能。其設(shè)計(jì)連接如圖2-8所示。圖2-8PCF8563T硬件連接圖2.2.3步進(jìn)電機(jī)模塊步進(jìn)電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積，并且能直接接收數(shù)字信號(hào)，因此采用步進(jìn)電機(jī)作為聚光器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以達(dá)到較高的精度。本電路步進(jìn)電機(jī)不需要反饋信號(hào)，故采用開(kāi)環(huán)控制。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算就可以得到開(kāi)環(huán)跟蹤所需的太陽(yáng)角，然后計(jì)算出聚光器的預(yù)期位置，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向、位置轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟蹤。本論文中步進(jìn)電機(jī)模塊主要包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。（1）步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)可將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，是一種以脈沖控制的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為步距角)，它只能以一個(gè)固定的角度一步步旋轉(zhuǎn)。這樣就可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于是以脈沖驅(qū)動(dòng)，很適合以數(shù)字或微型計(jì)算機(jī)來(lái)控制，所以又把它當(dāng)成是一種數(shù)字設(shè)備。利用其沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本論文選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MA335B實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，MA335B是一款高性能步進(jìn)電機(jī)控制器，它適合驅(qū)動(dòng)中小型的任何3.5A相電流以下的兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器采用新型的雙極性恒流斬波驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使用同樣的電機(jī)時(shí)可以比其它驅(qū)動(dòng)方式輸出更大的速度和功率。MA335B電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用光電隔離器來(lái)保障電路的安全，并且光電隔離器的響應(yīng)速度極快。這樣一來(lái)當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞設(shè)備。由于單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng)能力差，如果將單片機(jī)端口直接與MA335B步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的弱電信號(hào)線的輸入端相連，就有可能出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)小而導(dǎo)致信號(hào)傳送中斷等問(wèn)題，故將單片機(jī)端口(P1.4～P1.7)連接一個(gè)反向驅(qū)動(dòng)器，再連接到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器弱電信號(hào)線的接線端，以增強(qiáng)單片機(jī)端口的驅(qū)動(dòng)能力，反向驅(qū)動(dòng)器選擇74LS04，其接口電路如圖2-9中顯示。圖2-9步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路2.3本章小結(jié)本章首先確定了跟蹤系統(tǒng)的坐標(biāo)系，然后選擇了具體的跟蹤方式。接著介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和相應(yīng)的硬件選擇，詳細(xì)說(shuō)明了各硬件的功能和用途，設(shè)計(jì)了主要器件的接口電路圖。3軟件設(shè)計(jì)根據(jù)上一章節(jié)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序流程如圖3-1所示，主要分為I2C串行通信模塊、角度計(jì)算模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)角度計(jì)算N讀取時(shí)鐘LED顯示初始化開(kāi)始電機(jī)驅(qū)動(dòng)角度計(jì)算N讀取時(shí)鐘LED顯示初始化開(kāi)始按鍵處理Y按鍵處理Y調(diào)整鍵被按下？調(diào)整鍵被按下？圖3-1主程序流程圖主程序：#include“reg52.h”#include“VI2C_C5I.H”#include“zlg7290.h”#include“fgangel.h”#include“motorun.h”#include“manregstep.h”#include<math.h>#definePCF85630xA2#defineWRADDR0x00#defineRDADDR0x02#definesettimel#definesetdata2#definesetlongitude3#definetran4#defineup5#definedown6#defineleft7#defineok8#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitKEY_INT=P3^2;sbitRST=P1^2；unsignedchardisp_buf[8]={0,0,0,0,0,0,0,0}；unsignedcharKEY；float*fg；bitswitchdate=0；bitlongtpn；structlongitude{uintlongtitudehour；,ucharlongtitudemin；ucharlongtitudesec；}；structtime{ucharhour；ucharmin；ucharsee；}idatalconvtime；structlongitudeidataLloc={116，28，0}；unsignedcharloncontime(structlongitudeidata*Lstal,structlongitudeidata*LLloc);3.1I2C串行通信簡(jiǎn)介及其軟件設(shè)計(jì)3.1.1I2C總線設(shè)計(jì)I2C總線是一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線，它只需要串行時(shí)鐘線和串行數(shù)據(jù)線,這樣就可在連接于總線上的器件之間傳送信。這種總線的主要特征如下：（1）總線只有兩根線：串行時(shí)鐘線和串行數(shù)據(jù)線；（2）每個(gè)連到總線上的器件都可由軟件以唯一的地址尋址，并建立簡(jiǎn)單的主從關(guān)系；主器件既可作為發(fā)送器，也可作為接收器；（3）它是一個(gè)真正的多主總線，帶有競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)和仲裁電路，可使多個(gè)主機(jī)任意同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而不破壞總線上的數(shù)據(jù)信息；（4）同步時(shí)鐘允許器件通過(guò)總線以不同的波特率進(jìn)行通信；（5）同步時(shí)鐘可以作為停止和重新啟動(dòng)串行口發(fā)送的握手方式；（6）連接到同一總線上的集成電路器件只受400PF的最大總線電容的限制。I2C總線極大地降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，它無(wú)須設(shè)計(jì)總線接口，因?yàn)榭偩€接口已經(jīng)集成在片內(nèi)，從而使設(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短，這樣一來(lái)，從總線上添加或刪除某些芯片對(duì)其他的芯片沒(méi)有影響，或者說(shuō)它們是相對(duì)獨(dú)立的。I2C總線不僅可以直接連接具有I2C總線接口的單片機(jī)，也可以掛接存儲(chǔ)器、日歷/時(shí)鐘、I/O、鍵盤(pán)、顯示器等各種類(lèi)型的外圍器件。如果選用沒(méi)有I2C總線的單片機(jī)，我們可以使用I2C總線接口擴(kuò)展器件擴(kuò)展出I2C總線接口，或者采用軟件程序模擬I2C總線的時(shí)序來(lái)完成接口功能。本論文總線連接圖如圖3-2所示。AT89C51RCAT89C51RCSCLSDASDASCLSDASCLZLG7290SDASCLPCF8563TRpRpVCC圖3-2總線連接圖I2C總線為同步傳輸總線，數(shù)據(jù)線上信號(hào)完全與時(shí)鐘同步。數(shù)據(jù)傳送采用主器件(主控件)尋址從器件(被控件)主從方式，啟動(dòng)總線，產(chǎn)生時(shí)鐘，傳送數(shù)據(jù)及結(jié)束數(shù)據(jù)的傳送。I2C總線的器件分為主器件和從器件。主器件的功能是啟動(dòng)在總線上傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，以允許于被尋址的器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。被尋址的器件稱(chēng)為從器件，這樣，在設(shè)計(jì)中任何器件均可能成為從器件，但只有微控制器才能成為主器件。主從器件對(duì)偶出現(xiàn)，器件的功能和數(shù)據(jù)傳送的方向決定工作在接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)方式?？偩€是按照一定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。當(dāng)數(shù)據(jù)交換開(kāi)始時(shí)，作為主控器的器件必需通過(guò)總線競(jìng)爭(zhēng)獲得主控權(quán)，并啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)每個(gè)器件都具有唯一地址，各器件之間通過(guò)尋址確定數(shù)據(jù)接收方。I2C總線可以連接多個(gè)微控制器，但按照規(guī)定是不可以同時(shí)存在兩個(gè)主控器的，所以先控制總線的器件成為主器件。若一個(gè)系統(tǒng)中有幾個(gè)微控制器同時(shí)企圖控制總線成為主器件，這樣就只能通過(guò)總線競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議來(lái)確定主控器件，競(jìng)爭(zhēng)成功的成為主器件，其它器件則退出成為從器件。數(shù)據(jù)只能在主從器件間傳送，結(jié)束后主從器件將釋放總線，退出主從器件角色。在I2C總線數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，定義了一種開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)其波形如圖3-3所示。當(dāng)總線空閑時(shí)，數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線均保持高電平；數(shù)據(jù)線發(fā)生由高到低跳變而時(shí)鐘線為高電平時(shí)為起動(dòng)信號(hào)(S)；數(shù)據(jù)線在發(fā)生由低到高而時(shí)鐘線為高電平時(shí)為停止信號(hào)(P)。任一器件在總線空閑時(shí)，一旦產(chǎn)生開(kāi)始信號(hào)，即開(kāi)始控制總線而成為主器件，此時(shí)，總線被認(rèn)為是忙的，其他器件不能再產(chǎn)生開(kāi)始信號(hào)。主器件傳送數(shù)據(jù)結(jié)束后，即產(chǎn)生結(jié)束信號(hào)，退出主器件角色，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，總線被認(rèn)為是空閑的。SDASDASDASCLSCLSTARTconditionSTOPcondition圖3-3I2C總線的開(kāi)始和停止I2C總線數(shù)據(jù)傳送采用時(shí)鐘脈沖逐位串行傳送方式，在時(shí)鐘線的低電平期間，數(shù)據(jù)線上高、低電平能變化；在高電平期間，數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，以便接收器采樣接受，否則SDA線上的數(shù)據(jù)將成為上面提及的控制信號(hào)，時(shí)序如圖3-4所示。SDASDASCLdatalinestabledatavalidchangeofdataallowed圖3-4I2C總線上的位傳送在起動(dòng)條件和停止條件之間傳送器傳送給接收器的數(shù)據(jù)數(shù)量沒(méi)有限制。每個(gè)8位字節(jié)后都有一個(gè)標(biāo)志位，傳送器產(chǎn)生高電平的標(biāo)志位，這時(shí)主設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)附加標(biāo)志時(shí)鐘脈沖。從接收器必須在接收到每個(gè)字節(jié)后產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志位，主接收器也必須在接收從傳送器傳送的每個(gè)字節(jié)后產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)志位。在標(biāo)志位時(shí)鐘脈沖出現(xiàn)時(shí)，SDA線應(yīng)保持低電平(應(yīng)考慮起動(dòng)和保持時(shí)間)。傳送器應(yīng)在從設(shè)備接收最后一個(gè)字節(jié)時(shí)變?yōu)榈碗娖?，使接收器產(chǎn)生標(biāo)志位，這時(shí)主設(shè)備可產(chǎn)生停止條件。近年來(lái)由于I2C總線具有控制方式簡(jiǎn)單，接口線少，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)，已成為微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)。3.2.2I2C總線連接器件的設(shè)計(jì)本文控制系統(tǒng)中AT89C51RC，PCF8563T和ZLG7290之間通過(guò)I2C串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。AT89C51RC為微控制器，對(duì)各個(gè)芯片進(jìn)行讀寫(xiě)控制操作，并結(jié)合自己的運(yùn)算發(fā)出指令給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。PCF8563T芯片為系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘，并隨時(shí)待命等待AT89C51RC發(fā)送指令改變?cè)撔酒瑑?nèi)寄存器的值，接收初始設(shè)置命令，同步發(fā)送時(shí)間信息。ZLG7290芯片作為鍵盤(pán)顯示驅(qū)動(dòng)器，管理著系統(tǒng)中鍵盤(pán)和LED顯示器。本文所選用的微處理器AT89C51RC沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的I2C總線接口，用AT89C51RC兩個(gè)通用的I/0口通過(guò)軟件程序模擬I2C總線的時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)接口功能。串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)經(jīng)上拉電阻接到正電源上，SDA/SCL總線上掛接的外圍器件PCF8563T和ZLG7290均具有專(zhuān)門(mén)的I2C總線接口，將各個(gè)器件的SDA/SCL同名端相連。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中只有一個(gè)微處理器芯片AT89C51RC，所以不存在總線競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，AT89C51RC始終作為主器件出現(xiàn)在I2C串行通信系統(tǒng)中。在主程序中，首先標(biāo)明AT89C51RC與PCF8563T的地址，當(dāng)AT89C5lRC需要讀取時(shí)鐘信息時(shí)，主器件(AT89C51RC)首先通過(guò)I2C總線上器件尋址，確定PCF8563T芯片為從器件，然后再對(duì)PCF8563T內(nèi)部數(shù)據(jù)單元的尋址，按照通信協(xié)議讀取存放在PCF8563T芯片寄存器中的時(shí)鐘信息；當(dāng)需要鍵盤(pán)調(diào)整或LED顯示功能的時(shí)候，仍然是首先以AT89C51RC為主器件，通過(guò)I2C總線上器件尋址，確定ZLG7290芯片為從器件，然后再對(duì)ZLG7290內(nèi)部數(shù)據(jù)單元尋址，建立起AT89C51RC與ZLG7290之間的數(shù)據(jù)連接。在整個(gè)程序周期里，初始化程序只在主程序中第一次執(zhí)行時(shí)執(zhí)行一次，其流程圖如圖3-5所示。AT89C51RC的I/O控制寄存器的設(shè)置主要是按照硬件電路圖分配單片機(jī)的I/O口資源，設(shè)置AT89C51RC的I/O口P1.0和P1.1分別作為SDA和SCL，P1.2為ZLG7290的復(fù)位端，P3.2為ZLG7290的鍵盤(pán)主斷口；寄存器變量賦初值包括對(duì)計(jì)算過(guò)程中所用到的已知量賦值、包括對(duì)外部變量，局部變量的定義，以及對(duì)PCF8563T和ZLG7290芯片總線地址的定義。通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)控制/狀態(tài)寄存器賦值，啟動(dòng)芯片時(shí)鐘，通過(guò)對(duì)其時(shí)、分、秒、年、月、日相對(duì)應(yīng)的寄存器賦值，給定系統(tǒng)一個(gè)初始時(shí)間。ZLG7290芯片的初始化是通過(guò)將單片機(jī)P1.2端口置0延遲，置l使芯片復(fù)位，進(jìn)而完成初始化。設(shè)置單片機(jī)I/O控制寄存器設(shè)置單片機(jī)I/O控制寄存器寄存器變量附初值PCF8563T芯片的初始化ZLG7290芯片的初始化開(kāi)始返回圖3-5初始化流程圖按鍵處理流程圖如圖3-6所示，ZLG7290芯片最多可控制64個(gè)按鍵，系統(tǒng)中只需8個(gè)按鍵(復(fù)位按鍵除外)即可滿足實(shí)驗(yàn)所需的硬件配置。當(dāng)調(diào)整鍵被按下時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)至按鍵處理部分。其中調(diào)整鍵包括四個(gè)鍵，顯示切換鍵、設(shè)置日期鍵、設(shè)置經(jīng)度鍵和設(shè)置緯度鍵。當(dāng)顯示切換鍵被按下時(shí)，LED顯示板將進(jìn)行高度角和方位角的顯示切換，便于得到太陽(yáng)的具體位置；當(dāng)設(shè)置時(shí)間鍵被按下時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)至?xí)r間調(diào)整程序，其流程圖如圖3-7所示。設(shè)置日期鍵、設(shè)置時(shí)間鍵和設(shè)置經(jīng)度鍵三個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)方式基本一致，故其余按鍵功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程不再說(shuō)明。經(jīng)度調(diào)整程序經(jīng)度調(diào)整程序時(shí)間調(diào)整程序日期調(diào)整程序顯示切換程序緯度調(diào)整程序開(kāi)始讀取ZLG7290寄存器返回YYYYNNNN顯示切換度？設(shè)置經(jīng)度鍵？設(shè)置時(shí)間鍵？設(shè)置日期鍵？圖3-6按鍵處理流程圖讀取時(shí)鐘（分、時(shí)、秒）讀取時(shí)鐘（分、時(shí)、秒）顯示時(shí)鐘(分、時(shí)、秒)調(diào)整位數(shù)字減1調(diào)整為數(shù)字加1調(diào)整位左移一位NNNYYYY返回開(kāi)始N左移鍵被按下?加1鍵被按下?減1鍵被按下?確定鍵被按下?圖3-7時(shí)間調(diào)整子程序時(shí)間調(diào)整子程序····································if(KEY==settime)//issettime?{IRcvStr(PCF8563,RDADDR,rd,0x3)；//讀現(xiàn)在的時(shí)、分、秒display_timeset(rd)；while(1){disp_buf[i]=disp_buf[i]0x40；//秒首先閃爍ZLG7290_SendBuf(&disp_butl0]，i+1)；if(KEY_INT==0){KEY=ZLG7290_GetKeY（）；If(KEY==up)／／加1{disp_buf[i]=disp_butf[i]+1；if((disp_but[i]&0x0f)==10){disp_buf[i]=disp_buf[i]&0x40；}}If(KEY==down){disp_buf[i]=disp_butIi]-1；if((disp_buf[i]&0x0f)==0x0F){disp_bufIi]=0x49；}}If(KEY==left){disp_buf[i]=disp_buf[i]&0XBF；//stopflashi=i+l：if(i>7){ZLG7290_SendBuf(&disp_buf[0],8)；i=0；}}if(KEY==ok)//確認(rèn){disp_buf[i]=disp_buf[i]&0XBF；//stopflashZLG7290_SendBuf(&disp_buf[i]，1)；tdl[0]=disp_buf[1]*16+(disp_butl0]&0XOF)；tdl[1]=disp_butf[4]*16+disp_buf[3]；tdl[2]=disp_buf[7]*16+disp_buf[6]；ISendStr(PCF8563，WRADDR+2,tdl,0x3)；i=0；break；}}}}}3.2步進(jìn)電機(jī)模塊的軟件設(shè)計(jì)太陽(yáng)每天東升西落，日出時(shí)分和傍晚時(shí)刻都是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度很低的時(shí)間段，如果在該時(shí)間段內(nèi)就選擇使用跟蹤控制是十分不經(jīng)濟(jì)的。因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)間段內(nèi)，跟蹤系統(tǒng)所消耗的能量往往要比因采用跟蹤系統(tǒng)而多采集到的太陽(yáng)輻射能還要大。因此以太陽(yáng)高度角為標(biāo)準(zhǔn)，指示跟蹤系統(tǒng)何時(shí)開(kāi)始執(zhí)行，何時(shí)回位是一種比較科學(xué)的方法。本模塊流程：首先判斷太陽(yáng)高度角是否高于設(shè)定值(不同地理位置設(shè)定值不同)，如果太陽(yáng)高度角大于設(shè)定值，跟蹤系統(tǒng)則處于工作狀態(tài)；計(jì)算出太陽(yáng)角的變化量并根據(jù)太陽(yáng)角的變化量確定步進(jìn)電機(jī)子程序所需的兩個(gè)參量，即步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位和步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)。確定了控制步進(jìn)電機(jī)所需的參量，即可通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)整聚光器的目的。如太陽(yáng)高度角小于設(shè)定值，則表示太陽(yáng)已經(jīng)落山或者將要落山，此時(shí)也需要確定步進(jìn)電機(jī)子程序所需的兩個(gè)參量。單片機(jī)會(huì)指示步進(jìn)電機(jī)調(diào)整聚光器的位置，回位至第二天跟蹤的起始位置。待第二天日出后太陽(yáng)高度角大于設(shè)定值，開(kāi)始跟蹤。計(jì)算模塊流程圖如3-8所示。步進(jìn)電機(jī)模塊流程如圖3-9所示。開(kāi)始開(kāi)始計(jì)算太陽(yáng)赤緯角LED顯示北京時(shí)間轉(zhuǎn)換太陽(yáng)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)高度角計(jì)算太陽(yáng)方位角返回圖3-8計(jì)算模塊流程圖開(kāi)始開(kāi)始太陽(yáng)高度角大于設(shè)定值？計(jì)算太陽(yáng)角的變化量確定正反轉(zhuǎn)的標(biāo)志位及步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)調(diào)用步進(jìn)電機(jī)子程序Y調(diào)用回位子程序N返回圖3-9步進(jìn)電機(jī)模塊流程圖3.3本章小結(jié)本章介紹了本文控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程，通過(guò)I2C串行通信實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)、日歷時(shí)鐘芯片和鍵盤(pán)顯示芯片之間的數(shù)據(jù)交換：通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理可以得到跟蹤系統(tǒng)所需的太陽(yáng)角度；通過(guò)單片機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)和方向信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)控制器，進(jìn)而控制步進(jìn)電的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到驅(qū)動(dòng)聚光器跟蹤太陽(yáng)的目的。4結(jié)論本課題研究主要完成了以下工作：本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了以AT89C51RC為核心的硬件控制電路，硬件接口電路主要包括復(fù)位電路，I2C串行通信電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；同時(shí)進(jìn)行了軟件部分的設(shè)計(jì)，由以上軟硬件構(gòu)成的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在地平坐標(biāo)系下對(duì)太陽(yáng)的二維跟蹤。本課題研究方向的一些展望：1．采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)聚光器轉(zhuǎn)動(dòng)雖可有效控制累積誤差，但也存在電能消耗多和負(fù)載增大時(shí)(如大風(fēng)天氣)容易出現(xiàn)丟步等問(wèn)題。采用直流電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械，通過(guò)開(kāi)環(huán)閉環(huán)相結(jié)合的控制方式消除系統(tǒng)累積誤差的跟蹤方式更具前景，但'反應(yīng)速度快，精度高的光電傳感器造價(jià)高，跟蹤系統(tǒng)成本的控制依賴(lài)于低成本，高性能的光電傳感器的研制和開(kāi)發(fā)。2．考慮到太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境(多為沙漠地區(qū))的惡劣，提高控制電路的抗干擾性勢(shì)在必行。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，提高元器件及芯片性能和系統(tǒng)組成的模塊化程度，是控制領(lǐng)域發(fā)展的大趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)[1]徐建中，隋軍，金紅光．分布式能源系統(tǒng)現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]．太陽(yáng)能．2004，(4)：14-16[2]王偉平，屈桂銀，陳小林．可再生能源發(fā)電的展望[J]．可再生能源．2003，108(2)：21-23[3]林成武，王風(fēng)翔，姚興佳．變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)．2003，23(11)：122-125[4]李鑫，李斌，臧春城等．碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)——集熱器設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型[J]．能源工程．2004，(4)：21-24[5]殷志強(qiáng)，孟憲淦．向太陽(yáng)索取——中國(guó)太陽(yáng)光．熱與光．電應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)．2003，24(5)：575—588[6]楊家寬，李勁，肖波等．太陽(yáng)能煙囪發(fā)電新技術(shù)[J]．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)．2003，23(4)：565～570[7]吳玉庭，任建勛，過(guò)增元等．空間太陽(yáng)熱動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)．2003．23(2)：140-143[8]柯民．2001年高技術(shù)發(fā)展綜述(三、能源技術(shù)推陳出新)，中國(guó)科學(xué)院辦公廳，/html/Books/06lbg/al/2002/1/1.1_3．hun[9]羅運(yùn)俊，何梓年，王長(zhǎng)貴．太陽(yáng)能利用技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：257-263[10]韓延瑋。劉鑒民．太陽(yáng)能的利用．科學(xué)技術(shù)出版社，1987：45-49[11]魏保太．能源工程[M]．湖北：華中理工大學(xué)出版社，1985：146-149[12]李秀實(shí)．利用太陽(yáng)能的太陽(yáng)灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)．新能源．1992：14[13]WashomB,"ParabolicDishStirlingModuleDevelopmentandTestResults",PaperNo.849516,ProceedingsoftheIECEC,SanFrancisco,CA(1984)[14]BigSolutionsforBigProblems-ConcentratingSolarPower[R]．SunLabReport[15]SolarPowerTower[R].SunLabReport[16]ResearchandDevelopmentAdvancesinConcentratingSolarPower[R].SunLabReport.2010.致謝時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼間大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束。本設(shè)計(jì)是在x老師的指導(dǎo)下順利完成的，在這對(duì)李老師的認(rèn)真指導(dǎo)表示衷心的感謝。在本次課題中x老師運(yùn)用自己的淵博知識(shí)和熟練的動(dòng)手能力，幫助我克服在實(shí)驗(yàn)中的種種困難。即使在工作繁忙之際x老師也對(duì)我的論文進(jìn)行認(rèn)真的指導(dǎo)和答疑。在最后我再次對(duì)x老師的幫助說(shuō)聲謝謝?，F(xiàn)如今，校園的生活和學(xué)習(xí)也將伴隨著這論文的完成而結(jié)束。飲其流時(shí)思其源，成吾學(xué)時(shí)念吾師，在此論文完成之際，我要向所有關(guān)心、幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友及親友致以衷心的感謝！感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師和其他一些老師，感謝他們?cè)诖髮W(xué)期間給與我的細(xì)心指導(dǎo)和關(guān)懷！他們求學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度、孜孜不倦的探索精神，令我受益終生。他們對(duì)知識(shí)地渴求，對(duì)生活的樂(lè)觀，還有他們永遠(yuǎn)洋溢著笑容的臉龐，也將永遠(yuǎn)銘刻在我的心中，并激勵(lì)我?jiàn)^發(fā)向前！大學(xué)四年朝夕相處的同學(xué)，他們同樣是寶貴的財(cái)富。感謝同室好友讓我獲得了情同手足的真摯友情，我們一起開(kāi)心玩鬧、互相傾聽(tīng)、探討未來(lái)的時(shí)光，這些都將成為我大學(xué)四年的美好回憶。感謝所有師兄弟妹、同學(xué)、朋友們，和學(xué)長(zhǎng)，感謝你們，是你們的情誼和幫助，讓我感到踏實(shí)溫暖。祝福我們都能快樂(lè)，今后常有相聚時(shí)候。附錄附錄1：原理圖附錄2：程序主程序：#include“reg52.h”#include“VI2C_C5I.H”//包含VI2C軟件包#include“zlg7290.h”#include“fgangel.h”#include“motorun.h”#include“manregstep.h”#include<math.h>#definePCF85630xA2#defineWRADDR0x00#defineRDADDR0x02#definesettimel#definesetdata2#definesetlongitude3#definetran4#defineup5#definedown6#defineleft7#defineok8#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitKEY_INT=P3^2;sbitRST=P1^2；unsignedchardisp_buf[8]={0,0,0,0,0,0,0,0}；unsignedcharKEY；float*fg；bitswitchdate=0；bitlongtpn；structlongitude{uintlongtitudehour；,ucharlon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