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1、xx大学学士学位论文基于单片机的阳光追踪控制器摘要太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，利用太阳能进行发电在很多领域得到了广泛的应用，而如何提高太阳光照的利用效率是一个很重要课题。然而它也存在缺点，如能量密度低，不易收集，不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等，使太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，无法保证太阳光的垂直照射，不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。据实验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能
2、利用中，有必要进行太阳追踪 。本文在分析和比较目前的几种太阳追踪方式之后，考虑到各种太阳追踪方式的优缺点，选择以单片机为核心的控制系统，采取了光电检测追踪模式和太阳角度追踪模式相结合的方式，两种追踪方式互相补充，使追踪系统更加稳定，提高了系统的追踪精度。本文阐述了单片机控制系统的设计过程以及机械部分的设计，系统采用AT89C51单片机作为整个系统的控制核心，系统采用了两种追踪模式：光电检测追踪模式和太阳角度追踪模式。晴天时系统采用光电检测追踪模式，而阴天时系统进入太阳角度追踪模式。在光电检测追踪模式下，光电检测部分采用光电二极管作为光电传感器，利用特殊的装置通过光电二极管的比较电路来判断太阳的
3、方位，配合电动机的转动和机械部分的装置，从而达到了追踪太阳的目的。太阳角度追踪模式下：主要是通过软件计算当时当地太阳高度角和太阳方位角，来实现对太阳的追踪关键词太阳光追踪器；光电检测；单片机控制The design of the MCU-based solar trackerAbstractWith development of human being, the advancement of society, all the countries in the world everywhere the need amounts to the sources of energy are more
4、and more big, energy crisis also, more and more ferocious, resulted in the energy crisis in the scope of world. Therefore, more and more countries concentrate on the depth e xploitation and extensive using of renewable energy. After analyzing and comparing a few kinds of the ways of tracking the sun
5、, the system regards one-chip computer as the core, thinking about the advantage and disadvantage of the ways of tracking the sun. The system choose two kinds of tracking way, photo electricity examination and the sun angle track，to combine together, make system not only canned track the sun under a
6、 clear sky, but also canned track normally under the cloudy day circum stance. Raised the system to track the accuracy thus, avoid the system. because of cant track normally under the condition of cloudy day but causable system mess appearance. After analyzing and comparing a few kinds of the ways o
7、f tracking the sun, the system regards one-chip computer as the core, thinking about the advantage and disadvantage of the ways of tracking the sun. we kinds of track mutual complement, make the system more stable, raised the system to track the accuracy.The design is to carry on the design accordin
8、g to the total design project of system, selecting by examinations one-chip computer AT89C51 and the chip MAX7219,and clock chip DS1302,and the chip LM324.Completed the design of each parts of electric circuit, include: resets the electric circuit, the photo electricity examination electric circuit,
9、 exterior clock electric circuit and shows electric circuit etc.After completing the electric circuit design, weld the electric circuit component according to the design of the electric circuit circuit board, do the electric circuits test. At the same time, write the procedure of C51 for the system.
10、 The soft hardware consociation adjusts to try, completing the creation of the system.Keywords Solar energy track system; Photo electricity examination; MCU不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 太阳能利用的国内外发展现状11.3 太阳追踪系统的国内外研究现状31.4 课题研究的目的及意义41.5 论文的研究内容4第2章 控制芯片及其传感器介绍62.1 太阳角度追
11、踪模式的数学模型62.2 单片机的介绍62.2.1 AT89C51单片机的特性72.2.2 AT89C51单片机的外部接口82.3 光电传感器及辅助器件介绍92.3.1 光电传感器92.3.2 运放介绍92.3.3 LM324比较器92.3.4 电磁式继电器的工作原理102.4 LED显示及MAX7219显示控制芯片介绍102.4.1 LED显示器结构与原理102.4.2 MAX7219的基本控制功能112.4.3 MAX7219的数据控制122.5 DS1302的数据传送方式和工作时序122.6 本章小结13第3章 硬件系统设计143.1 系统总体设计143.1.1 系统构成143.1.2
12、系统功能介绍143.1.3 光电检测电路设计153.1.4 光电检测电路设计153.1.5 判断阴天还是晴天的检测电路设计183.1.6 判断白天还是黑夜的检测电路设计193.2 系统控制电路的设计193.2.1 电机控制电路的设计203.3 外部时钟电路203.4 显示电路的设计223.4.1 LED显示器结构与原理223.4.2 LED与单片机接口电路设计223.5 辅助电路的设计233.5.1 复位电路设计233.5.2 按键电路253.6 本章小结26第4章 单片机系统的软件设计274.1 主程序设计274.2 太阳角度追踪模块设计284.3 时钟模块设计304.4 显示模块设计304
13、.4.1 MAX7219的初始化程序设计314.5 本章小结32结论33致谢34参考文献35附录A36附录B43附录C49附录D50千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景太阳能作为一种清洁无污染的能源, 发展前景非常广阔, 太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。太阳能热发电技术，即把太阳辐射热转换成电能的发电技术。它包括两大类型：一类是利用太阳热能直接发电，如半导体或金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电以及碱金属热发电转换和磁流体
14、发电等，这类发电的特点是发电装置本体没有活动部件，但此类发电量小，有的方法尚处于原理性试验阶段。另一类是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其基本组成与常规发电设备类似，只不过其热能是从太阳能转换来。 在一个世纪前的 1878 年一个小的太阳能动力站在巴黎建立，该装置是一个小型点聚焦太阳能热动力系统，盘式抛物面反射镜将阳光聚焦到置于其焦点处的蒸汽锅炉，由此产生的蒸汽驱动一个很小的互交式蒸汽机运行。1901年，美国工程师研制成功 7350W 的太阳能蒸汽机，采用 70 平方米的太阳聚光集热器，该装置安装在美国加州做实验运行。1950年，原苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型实验装置，对太
15、阳能热发电技术进行了广泛的、基础性的探索和研究。1952 年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为 1MW 的太阳炉，发展到今天的追求太能用的利用效率。 然而太阳光也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题, 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的, 没有充分利用太阳能资源, 发电效率低下。据实验在太阳能光发电中, 相同条件下, 采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35 % , 因此在太阳能利用中, 进行跟踪是十分必要的。1.2 太阳能利用的国内外发展现状目前人类对能源资源的开发和利用进入一个新的时期，即以太阳能、核能为
16、主体的多样化新能源时期。国内外已经把太阳能应用到各个领域，主要包括：太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电。太阳能热利用包括太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能干燥、太阳能海水淡化、太阳能厨房、太阳能制冷、太阳能空调等；太阳能热发电是用吸收到的太阳能量加热水，产生具有一定温度和压力的蒸汽，推动汽轮发电机组发电；太阳能光发电是应用太阳能电池，将太阳辐射能直接转换为电能。太阳能技术是发展潜力最大的可再生能源技术，代表着世界能源工业的发展方向。在过去的25年间，太阳能发电成本下降了95%。日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日本太阳热能的利用，从1979年第二次
17、石油危机后开始，1990年进入普及高峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。1990年德国政府推出了“一千屋顶计划”，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容
18、量15千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已用4的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统比较完备的
19、生产体系。2005年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到2015年，美国光伏发电成本将从现在的2140美分/千瓦时降到6美分/千瓦时，届时，太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国C.Marchetin博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取
20、代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。印度也于1997年12月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入3000万法郎资金，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。我国太阳能资源非常丰富，大部分地区位于北纬45以南，全国2/3的国土面积年日照时间在2300小时以上，每平方米太阳能年辐射总量为33408400兆焦耳，陆地表面每年接收的太阳辐射能相当于17000亿吨标准煤，而且分
21、布极为广泛，具有普遍存在、永续利用的优点，可为国民经济发展提供有效的能源供应。特别是我国有108万平方米的荒漠，大部分分布在西部，太阳能资源极为丰富。如果利用1/10的荒漠安装光伏并网发电系统，每年可以发电10万亿千瓦以上，相当于目前全国用电量的5倍多。我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和2010年规则中已将太阳能热水系统列入成果推广项目。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达1000余家，年产值20亿元。根据我国19962020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，在2000年和202
22、0年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万瓦。在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径1。1.3 太阳追踪系统的国内外研究现状太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在缺点，如能量密度低，不易收集，不稳定，随季节气候和天气昼夜变化而变化等，使太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时
23、间不断变化的问题，由此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，无法保证太阳光的垂直照射，不能充分利用太阳能资源，使其发电效率低下。据实验得知，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动追踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，有必要进行太阳追踪2。目前，太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹追踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。1.光电追踪目前，国内常用的光电追踪有重力式、电磁式和电动式。这些光电追踪装置利用光敏传感器，如硅光电管进行太阳光的检测。在
24、这些装置中，光电管的安装靠近遮光板。通过调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使追踪装置对准太阳完成追踪。光电追踪灵敏度高，结构设计较为简单；但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照射到硅光电管上，导致追踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动3。2.视日运动轨迹追踪视日运动轨迹系统根据追踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种。单轴追踪一般采用：1.倾斜布置东西追踪；2.焦线南北水平布置，东西追踪；3.焦线东西水平布置，南北
25、追踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向追踪，工作原理基本相似。第3种追踪方式的原理，追踪系统的转轴(或焦线)东西向布置，根据事先计算的太阳赤纬角的变化，柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动追踪太阳。采用这种追踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴追踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想4。如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够追踪太阳就可以获得最多的太阳能，全追踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。双轴追踪又可以分为两种方式：极轴式全追踪和高度角方位角式全追踪。极轴式全追踪原理
26、：聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以追踪太阳的视日运动；反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应赤纬角的变化，通常根据季节的变化定期调整。这种追踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难5。高度角和方位角式太阳追踪方法又称为地平坐标系双轴追踪。集热器的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平
27、行。这种追踪系统的特点是追踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。集热器采光面上直接日射入射角由太阳赤纬角、太阳时角、集热器倾角、集热器方位角。1.4 课题研究的目的及意义太阳追踪系统是利用太阳能不可缺少的重要组成部分，而完善太阳追踪装置是充分利用太阳能和环境保护必不可少的重要组成部分。另外，计算机在自动化技术中发挥着极其重要的作用。而单片机在一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、I/O接口、定时器、计数器等，使其具备了一台微型计算机的特征。但单片机的应用领域有别于通用计算机，其主要应用于控制领域。本课题在前人研究的基础上设计出一套以单片机为控制核心的
28、太阳自动追踪控制系统，能够随着太阳光照射方向的变化而使太阳能板始终与太阳光线垂直。具体要求为结构简单、成低，不但能在晴天时正常追踪太阳，当突然出现阴天时也能自动追踪，这样就提高了追踪的精度。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能的利用率，而进行太阳追踪系统的开发研究，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源，加强太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。1.5 论文的研究内容本文所研究的太阳自动追踪器是以单片机为控制核心的自动控制系统，整个系统是通过硬件、软件、机
29、械装置三部分共同作用的结果，因此本论文的研究内容如下。1.太阳光追踪器的设计与实现方法研究。2.单片机控制电路的设计：本系统需要控制两个电动机的正反转，当单片机接收到由光电检测电路发出的信号之后进行判断，然后控制电动机的转动。3.光电检测电路的设计：这部分电路要实现的功能是通过光敏元件来判断太阳的朝向，将光信号转换为电信号，传送给单片机。4.时钟电路的设计：由于系统中要进行时间的控制，因此需要使用时钟电路，电路中选择串行时钟芯片DS1302。5.显示电路的设计：采用MAX7219芯片来驱动8位LED显示器，用来显示时间。6.辅助电路：复位电路及振荡电路(固定接法)、按键电路。7.程序设计。第2
30、章 控制芯片及其传感器介绍2.1 太阳角度追踪模式的数学模型太阳角度追踪模式是基于太阳高度角和太阳方位角的计算而进行追踪的，下面介绍一下太阳高度角和太阳方位角的计算公式以及公式中所用到的参数。首先了解一下太阳高度角和太阳方位角的概念。太阳高度角：太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在0到90之间变化，日出日落时为零太阳在正天顶时为90。太阳方位角：太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东为负，由南向西为正，如太阳在正东方，方位角为-90，在正西
31、方时方位角为90。要计算太阳高度角和方位角必须了解一些重要的参数的含义和表达式，下面介绍下各个参数:左大康利用Flourier分析给出赤纬与日期的经验关系，设一年365天对应区间为0，取日角，dn为年度日序，1月1日取为1，12月31日就为365，则可用如下级数式计算弧度表示的纬度：赤纬的角度表示为：太阳时角可用下述方法进行计算：=真太阳时（小时）15-180式中单位为度，15表示每小时相当于15时角。时差：太阳在黄道上的运动不是均匀的，时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同，但人们的实际生活需要一种均匀不变的时间单位，这就需要寻找一个假想的太阳，它以均匀的速度在运行，这个假想的太阳就称为
32、平太阳，其周日的持续时间称平太阳日，由此而来的小时称为平太阳时6。真太阳时=地方平时+时差=北京时+经度订正+时差=北京时+（当地经度-120）460+时差时差（弧度）通过上面太阳高度角及太阳方位角概念和有关公式的介绍，我们了解到，只要经度、纬度、时间确定了，那么就能通过以上的公式计算出相应的太阳高度角和方位角的值，而这个值是唯一的。2.2 单片机的介绍所谓单片机，全称是单片微型计算机，又称微控制器。它是在一块块半导体芯片上，集成了CPU，ROM，RAM，I/O接口、定时器/计数器、中断系统等功能部件，构成了一台完整的数字电子计算机。目前单片机己成功地运用在智能仪表、机电设备、过程控制、数据处
33、理、自动检测和家用电器等各个方面。单片机在控制领域中，有如下几个特点：1.小巧灵活、成本低、易于产品化，能方便地组装成各种智能式控制设备及各种智能仪器仪表。2.面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。3.抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的。4.可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。由于单片机具有体积小、低功耗、可靠性高、控制功能强等优点，因此广泛的应用于国民经济的各个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。单片机的应用范围很广，大致可分为以下几个方
34、面：1.工业方面：电机控制、工业机器人、智能传感器等。2.仪器仪表方面：智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。3.民用方面：电子玩具、高级游戏机、录像机，激光唱机。4.通讯方面：调制解调器、智能线路运行控制、程控交换技术。5.导弹与控制方面：导弹控制、智能武器装置、航天飞机导航系统。6.数据处理方面：磁带机、打印机、温氏硬盘驱动器。7.汽车方面：点火控制、变速器控制、防滑刹车、排气控制。2.2.1 AT89C51单片机的特性AT89C51的主要性能1. 4KB可改写程序Flash存储器2. 全静态工作：0Hz-24MHz3. 3级程序存储器保密 4. 1288字节内部RAM5. 32条可编程I/
35、O线6. 2个16位定时器/计数器7. 5个中断源8. 可编程串行通道另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式(Idle Mode)和掉电方式(Power Down Mode)。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，故只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。图2-1是AT89C51的引脚结构图，共有40个引脚。有双列直插封装(DIP)方式和方形封装方式。图 2-1 AT89C512.2.2 AT89
36、C51单片机的外部接口 在太阳自动追踪系统中，AT89C51单片机是整个系统的核心部分，起着协调各部分工作的作用，使系统运行协调，稳定性好。下面对AT89C51的各外部接口分别进行简单的介绍：1光电检测电路光电检测电路在整个系统中包括三部分，三部分都是选择光敏二极管作为光电传感器，一是光电追踪模式下的光电检测装置，在此装置中，当光敏二极管受到光照时导通，不受光照时截止，由光敏二极管的导通和截止向单片机发出信号，作为输入信号；二是为了判断昼夜作了一个检测电路，它接到了外部中断INT0上，当黑夜时，在此检测电路的控制下单片机引脚INT0会检测到低电位，这样就使系统启用中断服务程序，进入等待状态。三
37、是为了判断晴天还是阴天作的检测电路，是通过查询P0.4引脚的高低电位来判断阴天还是晴天的。2单片机控制电路 在控制电路中，用继电器作控制，用4个继电器控制两个电动机的正反转。3外部时钟电路本系统中需要进行时间的控制，因此需要连接外部时钟电路，选择串行时钟芯片DS1302作为外部时钟电路的核心。4显示电路 显示电路用来显示时间，选择MAX7219来驱动8位LED显示器，8位LED显示器分别显示月、日、时、分。5辅助电路 辅助电路包括复位电路、振荡电路（选择的比较常用的固定接法）、按键电路（用来调整时间）。下面将对各部分电路的设计方法作详细的介绍，包括电路中元件的选择，电路的连接，以及每部分电路所
38、实现的功能。设计中单片机端口分配引脚连接电路。各引脚定义如下。P0.0-P0.2时钟电路，连接DS1302P0.4光电检测（检测阴晴天）P0.5-P0.7显示电路，连接MAX7219P1.4-P1.7控制两电动机的正反转INT0光电检测（检测黑夜白天）P2.0-P2.3光电检测（检测太阳朝向）P2.4-P2.6连接按键（用来调整时间）2.3 光电传感器及辅助器件介绍2.3.1 光电传感器光敏二极管的结构与一般二极管相似，其敏感元件是一个具有光敏特性的PN结，PN结一般处于反向工作状态，光敏二极管在没有光照射时，反向电阻大，反向电流（又称暗电流）很小，处于截止状态。当光照在PN结上，使PN结附近
39、产生光电子空穴对时，使少数载流子（电子）的浓度增加，因此通过PN结的光电流也增加。通过外电路的光电流强度随入射光照度变化，光敏二极管将光信号转换为电信号输出。光敏二极管的接法所示，光敏二极管的负极接到电源的正极，光敏二极管的正极接到电源的负极，这样当光敏二极管受到光照时导通，当光敏二极管没有受到光照而截止 7。2.3.2 运放介绍运放是集成运算放大器的简称，它是一种内部为直接耦合的高放大倍数的集成电路。它的基本特性：当从同相端输入信号时，其输出与输入端信号同相位，即同相放大；当从反相端输入信号时，其输出与输入端信号相位相反，即反相放大。当从同相输入端和反相输入端同时注入不同信号时，输出端输出的
40、信号是它们的代数和，即差动放大。当同相输入端和反相输入端同时输入同一信号时，输出端无信号，这是因为正、反相放大器放大后的信号由于相位相反，刚好抵消。2.3.3 LM324比较器LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。除电源共用外，四组运放之间相互独立。每一组运算放大器可用(如图2-2)所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo
41、的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见(如图2-3)。在光电检测电路中，用LM324的四组运算放大器来比较每组运算放大器的同向输入端和其反向输入端的电信号的强弱。图 2-2 运算放大器 图 2-3 LM3242.3.4 电磁式继电器的工作原理电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点和静触点吸合。当线圈断电后，电磁力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点吸合。这样吸合、释放，从而达到了
42、电路中的导通、切断的目的。三极管内部包含三个区：发射区，基区，集电区，同时相应的引出三个电极：发射极，基极，集电极。NPN管的导通条件：发射极接正向电压，也就是发射极基极的PN结的极性接成正向偏置。集电极接反向电压，也就是集电极基极的PN结的极性接成反向偏置。2.4 LED显示及MAX7219显示控制芯片介绍2.4.1 LED显示器结构与原理LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在微机应用系统中通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极的LED显示块的发光二极管阴极共地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接，当某个
43、发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。通常的七段LED显示块中有8个发光二极管，其中7个发光二极管构成七笔字型“8”，一个发光二极管构成小数点。2.4.2 MAX7219的基本控制功能MAX7219是一中高性能的多位LED显示驱动器，可同时驱动8位共阴极LED，MAX7219采用串行通信，只需通过CLK、LOAD、DIN三根线便可与单片机连接。不需要限流电阻，其亮度可由软件控制，故其接口电路非常简单。单片机将要显示的多位数字写到MAX7219后，由MAX7219采用动态刷新的方式循环点亮每一位LED数码管，而不需要单片机干预，从而单片机可以处理其他事物。MAX7219可方便地对每位LED
44、进行单独控制、刷新，不需重写整个显示器寄存器。MAX7219是24引脚双列直插式芯片，引脚排列(如图2-4)所示。引脚说明如表3-2所示：1.DIN: 串行数据输入端。在CLK的上升沿,数据被装入到内部的16位移位寄存器中。 2.DIG7DIG0: 8位数值驱动线。输出位选信号,从每位显示器公共阴极吸入电流。 图 2-4 MAX7219引脚图3.GND：接地端。 4.LOAD: 装载数据控制端。在LOAD的上升沿,最后送入的16位串行数据被锁存到数据或控制寄存器中。 5.DOUT: 串行数据输出端。进入DIN的数据在16.5个时钟后送到DOUT端,以便在级联时传送到下一片MAX7912。 6.
45、SEG.ASEG.G: LED七段显示器段驱动端。 7.SEG.H: 小数点驱动端。 8.Vcc：+5V电源端。9.1SET：LED段峰值电流提供端。它通过一只电阻与电源相连,以便给LED段提供峰值电流。 10.CLK：串行时钟输入端。最高输入频率为10MHz,在CLK的上升沿,数据被移入内部移位寄存器;在CLK的下降沿,数据被移至DOUT端。2.4.3 MAX7219的数据控制MAX7219能够接收的数据和命令的格式为16位数据包，前8位用来选择MAX7219的内部寄存器地址，后8位为指令或待显示数据的内容，高位在前，低位在后。DIN是串行数据输入端，在CLK时钟作用下，串行数据依次从DIN
46、端输入到内部16位移位寄存器。CLK的每个上升沿，均有一位数据由DIN移入到内部移位寄存器（如图2-5）。在LOAD的上升沿，移位寄存器中的16位数据被锁存到MAX7219内部的控制或数字寄存器中。上升沿必须在第16个CLK上升沿同时或之后，且在下一个CLK时钟上升沿之前产生，否则数据将会丢失。LOAD引脚由低电平变为高电平时，串行数据在其上升沿作用下方可锁存。MAX7219的寄存器，因此LOAD又可称为片选端。因为控制寄存器和数字寄存器均是独立编址，所以可通过程序单独对每个寄存器进行操作。一般情况下，程序先送控制命令到控制寄存器，后送显示数据到数字寄存器。应注意，传送数据每16位为一组，从高
47、位地址字节的最高位D15开始发送，直到低位数据字节最后一位D0为止。图 2-5 MAX7219数据传送时序图2.5 DS1302的数据传送方式和工作时序前面在硬件部分的设计中已经介绍了，本系统中采用的是外部时钟电路，选用的时钟芯片是目前常用的串行时钟芯片DS1302。DS1302有单字节传送方式和多字节传送方式。通过把RST复位线驱动至高电平来启动所有的数据传送。RST输入线有两种功能，首先RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供了中止单字节或多字节数据传送的手段。数据输入时，时钟的上升沿数据必须有效，数据的输出在时钟的下降沿。如果RST为低电平，那么所有的数据传送将被中止且I/O引脚变为高阻状态。上电时，在VC2.5伏之前，RST必须为逻辑0。当把RST驱动至逻辑1状态时，SCLK必须为逻辑0。数据传送有两种方式，单字节传送和多字节传送，时序图如图2-6和图2-7所示。单字节数据输入跟随在写命令字节的8个SCLK周期之后，在随后的8个SCLK周期的上升沿输入数据字节，数据从位0开始输入。单字节数据输出跟随在输入读命令字节的8个SCLK周期之后，在随后的8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。注意，被传送的第一个数据位发生在写命令字节的最后一位之后的第一个下降沿。只要RST保持为高电平，如果有额外的SCLK周期，它们将重新发送数