基于单片机的太阳能采光系统控制器设计毕业论文Word文档格式.docx
《基于单片机的太阳能采光系统控制器设计毕业论文Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的太阳能采光系统控制器设计毕业论文Word文档格式.docx（61页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
日期：
导师签名：
日期：
本科生毕业论文（设计）开题报告
论文题目
基于单片机的太阳能采光系统控制器设计
选题的根据：
1）本选题的理论、实际意义
太阳能采光系统控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电机的转动,驱动机械装置实现采光；
为了精确定位太阳方位，每隔10分钟以角度传感器测出转动误差,经A/D转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；
微处理器通过PC获得设置参数及上传信息；
实时时钟提供控制器所需的时间信息,并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理器。
微处理器采用ATMEL公司的高性能,低电压的8位CMOS处理器AT89C51为核心,片内有4k的Flash,128字节的RAM；
32个可编程的I/O口；
具2种省电的休眠模式,特别是在掉电模式下,芯片功耗很小,符合本系统低功耗的要求。
采用RS-232接口与上位PC机进行串行通信,从而实现对相关数据的存储、分析和处理，用MAX232S实现RS-232的电平转换。
电动机驱动部分由驱动器和电动机两部分组成，用AT89C51来控制步进电动机的转动,驱动机械装置实现采光。
系统的实时时钟采用了PHILIPS公司的低功耗实时时钟芯片PCF8563。
该芯片采用IIC通信协议，特别是其具有定时中断功能,将芯片的中断输出脚与AT89C51的外部中断引脚相连,可用来将微处理器从掉电模式下唤醒,这对整个系统实现低功耗是必不可少的。
反馈控制模块此模块由微型电动机、角度传感器、A/D转换器组成。
微型电动机转动带动采光装置,以跟踪太阳方位为精确控制电动机的转动角度；
用角度传感器采样,经A/D转换后组成反馈回路,以调节电动机转动位置。
A/D转换器拟采用低通滤波器逐次逼近ADC0809，角度传感器拟采用四块光电池组成测试系统。
太阳能采光系统控制器部分,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,控制器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。
不仅在晴朗、多云的时候正常工作,而且在阴天、自然光照不理想的情况也能实现最大限度的采光。
太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、以及我国已开展的“光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材开发的应用热潮。
论文的主要内容、基本要求及其主要的研究方法：
1）主要内容：
自然光照明相对人工照明有很大的优势,因而太阳能采光系统控制器的研究具有一定的现实意义。
本设计及太阳能采光系统控制器的设计,太阳能采光系统控制器的主要功能是，阳光透过外罩射到反射镜上，镜面将阳光反射到室内，控制器中的微处理器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动，以最大限度的反射阳光到室内。
不仅在晴朗、多云的时候正常工作，而且在阴天、自然光照不理想的情况也能实现最大程度的采光。
反射镜上附有角度传感器，为了精确定位太阳方位，以角度传感器测出转动误差，经A/D转换后送微处理器以控制电机驱动使反射镜转动。
该系统主要由微处理器、反馈控制模块（电机驱动，角度传感器，A/D转换器）、电源模块和实时时钟组成。
2）基本要求:
该系统控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电机的转动,驱动机械装置实现采光；
为了精确定位太阳方位,每隔10分钟，以角度传感器测出转动误差,经A/D转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；
微处理器通过PC获得设置参数及上传信息;
实时时钟提供控制器所需的时间信息,并利用定时中断定时唤醒处于掉电状态的微处理。
3）主要研究方法:
论文进度安排和采取的主要措施：
1、2011年10月26日-2011年11月20日：
收集查阅资料，了解设计内容、要求、熟悉设计题目，准备报告。
2、2011年11月21日-2011年12月20日：
根据设计要求与资料的归纳整理，撰写开题报告。
3、2011年12月21日-2012年3月10日：
设计出主电路与控制电路，完成初稿。
5、2012年3月11日-2012年4月30日：
修改初稿，完成仿真与分析。
6、2012年5月1日-2012年年5月15日：
完成毕业设计，对细节进行修改。
7、2012年5月16日-2012年5月25日：
最后修改定稿。
8、2012年5月26日-2012年6月5日：
准备答辩。
主要措施：
通过自己多方面的查阅资料和同学老师分析讨论，在老师的指导下完成
主要参考资料和文献：
[1]郑守深.于洁太阳能电源.河南人民出版社，2004
[2]沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京：
电子工业出版社，2004
[3]沙占友.智能传感器系统设计与应用[M].北京：
电子工业出版社，2005
[4]单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M].北京：
国防工业出版社，1999
[5]冯英.传感器电路原理与应用[M].成都：
电子科技大学出版社，第一版，1997
[6]黄继昌.传感器工作原理及应用实例[M].北京：
人民邮电出版社，第一版，1998
[7]白英彩.微型计算机常用芯片手册[M].上海：
上海科技出版社，2000
[8]陈进,李俊,太阳能光伏发电系统.2006.02
[9]彭为.单片机典型系统设计实例精讲.北京：
电子工业出版社，2006.5
[10]三恒星科技.MCS-51单片机原理与应用实例.北京:
电子工业出版社，2008.1
[11]谢宜仁.单片机实用技术问答[M].北京：
人民邮电出版社，2005
[12]刘必虎.中小规模集成电路的原理与应用[M].上海：
[13]张萌.单片机应用系统开发综合实例[M].北京：
清华大学出版社，2007.7
指导教师意见：
签名：
年月日
教研室意见
负责人签名：
学院意见
中文译文49
摘要
本设计分八部分，以AT89C51为核心，以及A/D转换电路、实时时钟电路、串行输出RS-232电路、步进电动机驱动电路、位移传感器电路、电源电路、软件及程序设计。
关键词：
AT89C51，时钟电路，芯片擦除，A/D转换电路，步进电动机。
Abstract
Thisdesignpointseightpart,USESAT89C51asthecore,andA/Dconversioncircuit,realtimeclockcircuit,serialoutputRS-232circuit,steppingmotordrivecircuit,displacementsensorcircuit,thepowersupplycircuit,softwareandprogramdesign.Solarlightingsystemcontrollerpart,sunlightthroughthecovershotthereflector,mirrorreflectthesuntoindoor,accordingtothesunmovescontrollersendsasignaltodrivethemotorofthemechanicaltransmissiondevicethatmirrorturningtothemaximumreflectedsunlighttotheinterior.Notonlyinsunny,cloudywhenthenormalwork,andinthecloudyday,naturallightandnottheidealsituationalsocanrealizethemaximumdaylighting.
Keywords:
AT89C51;
clockcircuit;
chiperased;
A/Dconversioncircuit;
steppingmotor.
第一章绪论
1.1前言
太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、太阳能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。
太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。
通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；
通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。
它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。
20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：
一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池；
二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。
这两项技术的突破，为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。
90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。
开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制订可持续发展战略的重要内容。
自“六五”计划以来，我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。
20多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。
1.2设计任务
本设计为太阳能采光系统控制器部分,阳光透过外罩射到反射镜上,镜面将阳光反射到室内,控制器根据太阳的移动发出信号驱动机械传动装置的马达使反射镜转动,以最大限度的反射阳光到室内。
1.3设计要求
1）控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电动机的转动,驱动机械装置实现采光；
2）为了精确定位太阳方位,以角度传感器测出转动误差,经A/D转换后送微处理器以实现闭环、反馈控制；
3）微处理器通过PC获得设置参数及上传信息；
4）实时时钟提供控制器所需的时间信息；
1.4设计参数
1）各参数要求为:
转动角度：
0°
～+120°
；
误差不大于±
0.2°
电动机扭矩：
4Nm；
电动机功率：
200W；
2）上传信息发送周期=1次/1小时；
1.5理论依据
太阳能采光系统控制器的硬件系统以微处理器为核心,以它来控制微电动机的转动,驱动机械装置实现采光；
图1.1太阳能采光系统控制器组成框图
该系统主要由微处理器、反馈控制模块（电动机驱动，角度传感器，A/D转换器）、电源和实时时钟组成。
如上图1.1所示。
1.6方案设计
图1.2电动机驱动模块
微处理器的主要功能
1）计算功能：
计算每天日出与日落的时间,每十分钟计算太阳所在的角度，计算电动机转动的角度；
2）通信功能：
通过串口（RS232）与PC进行通信；
3）控制功能：
读取及写入实时时钟的时间,读取各个通道的A/D转换值,控制电动机转动,进行相关功能处理。
第二章硬件设计
本设计分七部分，以AT89C51为核心，以及A/D转换电路、实时时钟电路、串行输出RS-232电路、步进电动机驱动电路、位移传感器电路、电源电路。
2.1AT89C51
AT89C51是一种低功耗，高性能含有4K字节快闪可编程/擦除只读存贮器的8位微控制器，使用高密度非易失性的存贮技术制造，并且与80C51指令完全兼容，芯片上的E2PROM允许在线或采用非易失性存贮编程器对程序存贮器重复编程。
2.1.1AT89C51的主要性能
1）片内有4K字节可重复编程快闪擦写存贮器（FLASHROM）。
从而能缩短擦除或写入数据吞吐的时间，能满足需要高速数据吞吐的场合。
编程所需要的所有时序及电压场均无需外部电路提供。
2）存贮器可以重复写入1000次。
3）宽工作电压范围，电压可以由2.7V—6V提供。
4）全静态工作，可由0HZ—16HZ。
5）程序存贮器具有三级锁存保护。
6）128×
8B位内部ROM。
7）32条可编程I/O口线。
8）两个16位定时器/计数器。
9）中断结构具有5个中断源和2个优先级。
10）可编程全双工串行通道。
2.1.2AT89C51引脚介绍
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一组8位漏级开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须外接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL逻辑门电路。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入口，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL逻辑门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻把端口拉到高电平，且作为输入口。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
图2.1AT89C51引脚图
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
端口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
EA/VPP：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚，读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
2.1.3AT89C51的极限参数
1）工作温度：
-55℃～+125℃
2）储藏温度：
-65℃～+15℃
3）任一引脚对地电压：
-1.0V～+7.0V
4）最高工作电压：
6.6V
5）直流输出电流：
15.0mA
2.1.4时钟电路
AT89C51片内设有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器引脚，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，如图2.2所示.。
图2.2内部振荡器
图2.3外部振荡器
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF＋10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF+10pF。
当然也可以采用外部时钟。
采用外部时钟的电路如图2.3所示。
这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。
2.2A/D转换电路
2.2.1A/D转换电路器件选型
A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件，根据起转换原理，常用的A/D器件有逐次逼近式A/D和双积分A/D两类。
逐次逼近式A/D器件速度快，使用方便，但价格高，抗干扰性差。
双积分A/D精度高，抗干扰性好，价格低，但速度慢。
介于对快速响应的要求这里选择逐次逼近式转换器ADC0809，则相对于其匹配性选择外围芯片触发器74LS74、锁存器74LS373。
1）ADC0809主要性能指标及技术指标
ADC0809芯片是CMOS、8位、8通道、逐次比较型A/D转换器.
1）为逐次比较型;
2）为单电源供电;
3）无需外部进行0点和满度调整;
4）可锁存3态输出,输出与TTL兼容;
5）具有锁存控制的8路模拟开关;
6）分辨率:
8位;
7）功耗:
15mW;
8）转换时间（fCLK=500kHz）:
128μs;
9）转换精度:
±
0.4％.
2）ADC0809引脚分布
ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装。
对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：
1）IN7～IN0——8路输入通道的模拟量输入端口。
2）ALE——地址锁存允许信号。
对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
3）START——转换启动信号。
START上升沿时，复位ADC0809；
START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；
在A/D转换期间,START应保持低电平。
本信号有时简写为ST.
4）CLK——时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时
升级会员 