基于51单片机点光源自动跟踪系统设计综合设计报告.docx

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基于51单片机点光源自动跟踪系统设计综合设计报告

指导教师评定成绩：

审定成绩：

重庆邮电大学

自动化学院

综合设计报告

设计题目：

基于单片机的光源自适应控制系统设计

单位（二级学院）：

自动化学院

专业：

自动化

设计时间：

2012年10月

重庆邮电学院自动化学院制

摘要

本设计给出了一种基于单片机的点光源自动跟踪系统设计方案,该设计使用TI公司的超低功耗的AT89C52单片机作为整个系统的控制核心，主要由电机驱动模块，点光源检测模块，电源转换模块等模块组成。

利用8路光敏电阻来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大后进行AD转换，将转换的结果传给控制器AT89C52单片机，经过过单片机的运算和处理来确定点光源的运动趋势，并将运算的控制信号控制两台步进电机，使其跟随点光源运动。

本设计可以扩展为以后的太阳能发电的自动跟踪系统。

该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向,结构简单、成本低,而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置,不必人工干预,特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况,有效地提高了太阳能的利用率,有较好的推广应用价值。

关键词：

AT89C52单片机，光源，自动跟踪，传感器

1、设计题目

1.1基于单片机的光源自适应控制系统设计

设计一控制系统，假设有一个太阳能电池板，为了使电池板最大限度的接受光照强度，通过控制器调节电池板的角度使电池板始终正对光线。

采用步进电机作为角度调整装置，使系统能上下和左右旋转。

1.2设计要求

1.绘出电路原理图；

2.制作电路图；

3.编写程序；

4.调试运行。

2、设计报告正文

2.1设计方案的选择

2.1.1系统方案的拟定

1.方案一

本方案是由检测电路、AT89C52单片机、时钟电路、A/D转换控制电路等主要模块组成。

传感器部分采用光敏二极管，将光信号变换为电信号。

经过A/D转换将其转化离散的数字信号。

控制电路以单片机为核心，能够对采集的数字信号进行处理和判断，控制电机运转使太阳能板正对光线。

2.方案二

本方案用以单片机STC12C5A60S2为核心，光强度检测模块，时钟模块，步进电机控制电路模块和12864液晶显示等主要模块组成。

传感器采用光敏电阻，STC12C5A6S2单片机自带10位A/D，能够识别模拟信号。

控制电路以单片机为核心，能够对采集的模拟信号进行处理和判断对步进电机实现控制。

2.1.2方案选择

比较以上两方案可知，系统的工作原理是一致的，都是通过传感器采集太阳光并间接或直接将其转化成单片机能够识别的信号，通过单片机处理信号并进行判断，步进电机控制电路根据单片机传出的信号转动。

所不同的是采用元器件差异，但从单片机方面考虑，方案一所使用的传统的单片机器件方案二所使用的系列成本低。

根据实际情况方案一的元器件基本都是简单易上手的器件，运用起来比较灵活，原理简单容易理解方便写程序代码。

综合考虑，最后确定选择方案一。

系统组成及工作原理以单片机为控制核心，采用光强度检测电路测量，以光敏电阻传感器作为测量元件，构成光电测量模块。

该系统可分为电源模块电路、光电测量电路、时钟电路、步进电机控制电路、单片机、A/D转换电路。

选用的主要器件有:

光敏电阻，时钟芯片74LS74，AT89C52，步进电机与转换芯片ADC0809等。

系统设计框图如图2-1所示。

图2-1系统设计框图

2.2硬件电路的设计

2.2.1AD转换模块

1.ADC0809的内部逻辑结构

ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

2.ADC0809引脚结构

ADC0809各脚功能如下：

D7-D0：

8位数字量输出引脚。

IN0-IN7：

8位模拟量输入引脚。

VCC：

+5V工作电压。

GND：

地。

REF（+）：

参考电压正端。

REF（-）：

参考电压负端。

START：

A/D转换启动信号输入端。

ALE：

地址锁存允许信号输入端。

（以上两种信号用于启动A/D转换）.

EOC：

转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。

OE：

输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

CLK：

时钟信号输入端（一般为500KHz）。

A、B、C：

地址输入线。

如图2-2所示

图2-2实物图和管脚图

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：

4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。

A，B和C用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

通道选择表如表2-1所示。

数字量输出及控制线：

11条

ST为转换启动信号。

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。

OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线。

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

表2-1输入通道

3.ADC0809应用说明

1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。

2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。

3）要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。

4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。

5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

图2-3ADC0809连接图

如图2-3所示，IN0-IN7分别与8个检测单元连接，D0-D7管脚接在单片机1的P3口，ST管脚于单片机1的P1.2连接，OE、EOC分别与P1.0、P1.1连接，A、B和C与P1.4-P1.6连接，CLK接外部时钟电路，11、12管脚接VCC，13、16管脚接地。

2.2.2步进电机模块

1.驱动方法及主要参数如表2-2、表2-3所示：

表2-2驱动方式（4-1-2相驱动）

导线颜色

1

2

3

4

5

6

7

8

6红

+

+

+

+

+

+

+

+

4橙

-

-

3黄

-

-

-

2粉

-

-

-

1蓝

-

-

-

表2-3主要技术参数

电机型号

电压V

相数

步距角度

减速比

28BYJ-48

5

4

5.625/64

1:

64

2.步进电机的主要特性：

1）步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。

转动的速度和脉冲的频率成正比。

2）28BYJ48是减速步进电机，减速比为1：

64，步进角为5.625/64度。

如果需要转动1圈，那么需要360/5.625*64=4096个脉冲信号。

3）步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4）改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，电机示意图和各线圈通电顺序图2-4和表2-4所示：

图2-4步进电机原理图

表2-4各线圈通电顺序

相顺序

1

2

3

4

5

6

1

0

0

1

1

1

0

2

1

0

0

1

1

1

3

1

1

1

0

1

1

4

1

1

1

1

0

0

相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过5.625度，四相四拍为0-1-2-3则称为通电一周，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如3-2-1-0将使电机同速反转。

同理四相八拍的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A（本设计用的是四相八拍）。

通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动。

图2-5水平方向步进电机电路连接

图2-6竖直方向步进电机电路连接

2.2.3电机驱动模块

本设计采用51单片机AT89C52（晶振频率为11.0592MHZ）对该四线八相制步进电机进行控制。

通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过特定芯片驱动步进电机。

本文选用ULN2003构成步进电机的驱动电路，下面但见介绍下ULN2003的结构和特点：

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。

该电路的特点如下：

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与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。

ULN2003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。

ULN2003采用DIP—16塑料封装。

ULN2003方框图如图2-7所示。

ULN2003和AT89C52构成的驱动电路如图2-8所示。

图2-7ULN2003内部方框图

图2-8ULN2003和AT89C52构成的驱动电路

2.2.4检测模块：

光敏电阻的分布如图2-9所示：

图2-9光敏电阻分布图

比较控制式太阳跟踪装置。

设置一个直筒形外壳，在直筒外部，东、南、西、北四个方向上分别布置4只光电阻;其中一对光电阻（PI，P3）东西对称安装在直筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;另一对光电阻（PZ，P4）南北对称安装在直筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在直筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4只光电阻;其中一对光电阻（PS，P7）东西对称安装在直筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度;另一对光电阻（P6，PS）南北对称安装在直筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度。

其电路图如如2-10所示。

图2-10检测电路

2.2.5单片机模块

1.AT89C52的内部结构和引脚

AT89C52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外部中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

管脚说明如下：

VCC：

电源。

GND：

地。

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。