1、光源跟踪随动系统设计 yangzhen 编 号： 审定成绩： 重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文）设计（论文）题目：光源跟踪随动系统单 位（系别） ：自动化系学 生 姓 名 ：杨朕专 业 ：电气工程及其自动化班 级 ：05110801学 号 ：0511080132指 导 教 师 ：蒋建春答辩组 负责人 ：程安宇填表时间： 20 年 月重庆邮电大学移通学院教务处制 摘要目前太阳能是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
2、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。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MSP430F149 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4路光敏三极管(3DU33)来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制器MSP430F149单片机，经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传给两台步进电机，使其跟随点光源
3、运动。当水平方向上的2路光敏三极管测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏三极管测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。同时将光敏三极管检测的信号显示在LCD液晶屏幕上。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】 MSP430 光源 跟踪 检测 传感器ABSTRACTCurrently solar energy
4、 is a clean and pollution-free energy, the development prospects are very bright, solar power has become the worlds fastest-growing technology. But it also has intermittent, light direction and intensity of the problem change over time, which the collection and use of solar energy put forward higher
5、 requirements. At present, many solar arrays are basically fixed, do not make full use of solar energy resources, power generation efficiency is low. According to experiment, solar power, the same conditions, power generation equipment using automatic tracking equipment than the fixed power generati
6、ng capacity increased by 35%, so to track utilization of solar energy is necessary. This design gives a light source based on single chip design of automatic tracking system, the design uses TIs MSP430F149 ultra-low power microcontroller controls the whole system as the core, mainly by the motor dri
7、ve module, point source detection module, power supply conversion module and other modules. Using 4 phototransistor (3DU33) to detect the location of a point source is detected and amplified signal to pass the controller MSP430F149 microcontroller, operation and processing through the MCU to determi
8、ne trends in the movement of light source, and operation of the control signal transmission to two stepper motors, to follow the point source movement. When the horizontal direction, 2-way phototransistor relatively close to measured values, while 2-way vertical phototransistor on the measured value
9、s are relatively close, the sensor is located in the middle of the vertical laser pointer to point to the exact point of light. Phototransistor detected the same time are shown on the LCD liquid crystal screen. This design can be extended automatically for subsequent sun tracking system. The system
10、can not only automatically adjust the direction of sunlight solar panels toward the simple structure, low cost, but also in the process of tracking memory and can automatically correct the coordinates of the location at different times, without human intervention, especially for more complex and non
11、-weather people on duty, effectively improving the utilization of solar energy, has a higher value. 【Key Words】 MSP430 light source tracking detection sensor前言 在石油、煤炭等传统能源短缺、环境污染加剧的今天，太阳能作为一种自然无污染的可再生能源越来越多地受到人们的重视。使用太阳能电池发电是当前利用太阳能的一条重要途径，随着传感器技术的发展，各种新型太阳能相继问世，但太阳能电池板普遍存在转换效率偏低。 本设计要求实现随动系统能够定点找到光
12、源，随动追踪光源，光源沿弧线和直线运动时均能够找到光源等。该设计采用TI公司的超低功耗的MSP430F149 单片 机作为整个系统的核心，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4路光敏三极管(3DU33)来检测点光源的位置并将检测到的信号经过放大传给控制器MSP430F149单片机，经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传给两台步进电机，使其跟随点光源运动。当水平方向上的2路光敏三极管测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏三极管测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。同时将光敏三极管检测的信号显示在LCD液晶屏
13、幕上。本系统可以扩展为以后的太阳的跟踪。太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔。然而它也存在着间歇性、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。本文给出一种基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案，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
14、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。 第一章 绪论第一节 太阳光能发电的发展背景及国外研究现状 自1998年以来，世界太阳能光伏发电高速发展，主要表现在太阳能电池效率不断提高，产量和市场安装量不断增长。截止2009年底，全球太阳能光伏发电累计安装量为22901兆瓦，当年安装7106兆瓦,其中德国排名第一，以下依次为日本、美国、意大利和捷克。全球太阳能光伏发电市场的快速增长带动了太阳能光伏电池制造产业的迅猛发展。2009年，全球太阳能光伏电池产量为10700兆瓦，较2002年的561兆瓦增长约19倍，其中太阳能光伏电池产量最大国为中国，年产量4
15、000兆瓦，约占全球产量的37.4%，然后是欧洲、日本、中国台湾和美国.受可再生能源法的鼓励，同时也得益于国际市场的拉动，我国的光伏产业在2004年后飞速发展，连续5年的年增长率超过100%，2007、2008、2009连续三年太阳电池产量居世界第一。截止2009年底，我国太阳能光伏电池产量约为4000兆瓦，较2008年增长54%；当年新增装机约为150兆瓦，累计装机容量达到300兆瓦，较2008年增长103%。目前已拥有海外上市光伏公司12家，国内上市光伏公司13家，行业年产值超过2000亿元，就业人数30万人。太阳能光伏发电的发电成本主要受初始投资和发电量的影响，初始投资目前主要取决于太阳
16、电池组件的价格，当太阳电池的价格下降到10元/峰瓦以下时，平衡系统的价格将变为主要影响因素。其中，太阳能光伏发电系统的发电量主要取决于当地的太阳能资源，同时还受运行方式（如：是否带向日跟踪系统）、系统效率、电池表面清洁度、线路损耗等多种因素的影响。除此之外，运行维护费、贷款利率、税收等其他因素，都属于不敏感因素。 从发电效率来讲，不同的太阳能光伏发电系统效率不同，独立光伏发电系统的效率大约是60-65%，与建筑结合的并网光伏发电系统的效率大约是70-75%，而大型荒漠电站的效率为80%左右。第二章 系统设计方案第一节 系统设计概述本设计是一个光源追踪系统，主要由传感器来对光照检测与处理，控制器
17、分析与处理，执行机构运行和模块显示这几个部分构成。整个系统是以单片机为控制核心，通过四个光敏传感器来检测光照，依据光照度的变化、大小来判断出点光源的位置与运动趋势，并将点光源运动分解为水平和竖直方向的二维运动，借以来控制水平电机与竖直电机的旋转角度。当水平方向上的两传感器的测量数值相对接近，同时竖直方向上的两传感器的测量数值也相对接近时，位于竖直传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。本系统是有控制核心的单片机对传感器检测的光源的信号进行分析和处理然后控制电机，使其跟随点光源移动。达到跟踪点光源的目的。系统的硬件主要有控制器单片机，电机驱动模块，点光源检测模块，显示模块，键盘，电源转换模块等模块
18、组成的。具体方框图如图2-1所示。图2-1 系统方框图 第二节 主控芯片的选择根据本题的要求，整个系统中必须要有一个主控芯片来处理数据和控制操作，主要考虑以下两种方案：方案一：MSP430F149系列单片机。16位低功耗单片机，性能良好。MSP430有以下优点：（1） 低电源电压范围：1.8-3.6V。（2）超低功耗：拥有5种低功耗模式(LPM0-LPM4)。（3）灵活的时钟使用模式。（4）高速的运算能力：16位RISC架构，125ns指令周期。（5）丰富的功能模块：这些功能模块包括 A 多通道1014位AD转换器；B 双路12位DA转换器；C 比较器；D 液晶驱动器；E 电源电压检测；F 串
19、行口USART(UART/SPI）；G 硬件乘法器；H 看门狗定时器，多个16位、8位定时器（可进行捕获，比较，PWM输出）；I DMA控制器。（6）FLASH存储器：采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行；（7）MSP430芯片上包括JTAG接口：仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；（8）快速灵活的变成方式：可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。方案二：AT89C51系列作为光源跟踪系统的主控芯片。通过上面的比较本系统选取MSP430系列MSP430F149单片机作为控制器，MSP430F149的
20、稳定性很好且功能要比C51系列的强大的多，所以选取方案一。第三节 电机的选择系统电机的主要作用是调整激光笔的位置，指向点光源，可选取的类型如下方案：方案一：步进电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。每给一次脉冲信号，电机能够转过一个步距角。本方案二：直流减速电机。此电机在正常通电状态下，转速平稳，角度的变化也近乎连续，控制简单方便。根据设计的要求可知，直流减速电机存在的明显缺陷速度不容易控制，而步进电机的控制和实现是相对简单一些。因而选用方案一。 第四节 电机驱动的选择本系统中选的是步进电机，步进电机驱动有一下三种方案可选择：方案一：
21、采用功率三极管作为功率放大器的控制步进电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，但是电路比较复杂。方案二：采用由达林顿晶体管阵列ULN2003。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。单驱动能力比较弱。方案三：采用恒压桥式驱动芯片L298N。驱动能力强，电路简单，使用方便。故选择此方案。第五节 传感器的选择本系统的传感器主要是检测光照度，可考虑的传感器如下列方案：方案一：光敏电阻。从光照特性来看，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降，可以反映光照的变化，但该特性大多数情况为非线性，部分光照区间内，特性变化不灵敏。方案二：硅光电池。硅光电池是一
22、种直接把光能转换为电能的半导体器件，根据硅光电池光照强度曲线特性可知：硅光电池的开路电压或短路电流与光强呈很好的线性关系。方案三：光敏二极管。光敏二极管具有单向导电性，无光照时，有很小的暗电流，当受到光照时，光电流随射光强度的变化而变化。方案四：光敏三极管。光敏三极管灵敏度远高于光电池,但受外界环境影响飘动比较严重,用两个光敏三极管采集点光源两侧的光强差,可以有效消除外界环境光的干扰.光敏三极管接收面不仅小而且是一个有聚光功能的透镜,更容易确定点光源的位置。用四个光敏三极管组成四象限感光面，上下左右各一个光敏三极管。在测试光敏电阻与硅光电池时，发现光源的距离限制了两者的应用范围。当距离比较大时
23、，两者的灵敏度大大降低。经实践测定，光敏二级管与光敏三极管满足要求，但在反映速度，及变化的灵敏、快速性方面，光敏三极管更胜一筹，因此传感器选择方案四。 第六节 LCD液晶显示器的选择本系统LCD显示器主要显示的是传感器检测到的信号，可选用以下方案：方案一：FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的
24、汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 第七节 系统硬件设计一 硬件方框图本系统最终以MSP430F149作为控制器，用光敏三极管做检测元件，通过控制步进电动机来使激光笔指向点光源。系统方框图如下图2-2所示：图2-2 系统硬件方框图二 单片机MSP430本系统中我们选的是MSP430系列单片机下面介绍一下MSP430系列单片机：MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器
25、(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，从而使得用一片MSP430 芯片可以完成多片芯片才能完成的功能，大大缩小了产品的体积与成本。如今，MSP430单片机已经用于各个领域，尤其是仪器仪表、监测、医疗器械以及汽车电子等领域。1.MSP430系列单片机的主要特点：（1）低电源电压范围，1.83.6V。（2）超低功耗，拥有5种低功耗模式(以后会详细介绍)。（3）灵活的时钟使用模式。（4）高速的运算能力，16位RISC架构，125ns指令周期。（5）丰富的功能模块，这些功能模块包括：A：
26、多通道1014位AD转换器；B：双路12位DA转换器；C：比较器；D：液晶驱动器；E：电源电压检测；F：串行口USART(UART/SPI）；G：硬件乘法器；H：看门狗定时器，多个16位、8位定时器（可进行捕获，比较，PWM输出）；I：DMA控制器。（6）FLASH存储器，采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行；（7）MSP430芯片上包括JTAG接口，仿真调试通过一个简单的JTAG接口转换器就可以方便的实现如设置断点、单步执行、读写寄存器等调试；（8）快速灵活的变成方式，可通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装在程序。2.MSP430单片机的复位MSP430的复位信
27、号有2种：上电复位信号（POR）、上电清除信号（PUC）。还有能够触发POR和PUC的信号：5种来在看门狗，1种来自复位管脚，1种来自写FLASH键值出现错误所产生的信号。POR信号只在2种情况下发生：（1）微处理上电；（2）RST/NMI管脚上产生低电平时系统复位。PUC信号产生的条件：（1）POR信号产生；（2）看门狗有效时，看门狗定时器溢出；（3）写看门狗定时器安全键值出现错误；（4）写FLASH存储器安全键值出现错误。POR和PUC两者的关系：POR信号的产生会导致系统复位并产生PUC信号。而PUC信号不会引起POR信号的产生。无论是POR信号还是PUC信号触发的复位，都会使MSP43
28、0从地址0xFFFE处读取复位中断向量，程序从中断向量所指的地址处开始执行。触发PUC信号的条件中，除了POR产生触发PUC信号外，其他的豆科一通过读取相应的中断向量来判断是何种原因引起的PUC信号，以便作出相应的处理。系统复位（指POR）后的状态为：（1）RST/NMI管脚功能被设置为复位功能；（2）所有I/O管脚被设置为输入；（3）外围模块被初始化，其寄存器值为相关手册上的默认值；（4）状态寄存器SR复位；（5）看门狗激活，进入工作模式；（6）程序计数器PC载入0xFFFE处的地址，微处理器从此地址开始执行程序。典型的复位电路有一下3种：（1）在RST/NMI管脚上接100K欧的上拉电阻。
29、（2）在（1）的基础上再接0.1uf的电容，电容的一端接地，可以使复位更加可靠。（3）再（2）的基础上，再在电阻上并接一个型号为IN4008的二极管，可以可靠的实现系统断电后立即上电。3.MSP430单片机的时钟系统MSP430根据型号的不同最多可以选择使用3个振荡器。我们可以根据需要选择合适的振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器，以节省功耗。这3个振荡器分别为：（1）DCO 数控RC振荡器。它在芯片内部，不用时可以关闭。DCO的振荡频率会受周围环境温度和MSP430工作电压的影响，且同一型号的芯片所产生的频率也不相同。但DCO的调节功能可以改善它的性能，他的调节分为以下3步：a：选择BC
30、SCTL1.RSELx确定时钟的标称频率；b：选择DCOCTL.DCOx在标称频率基础上分段粗调；c：选择DCOCTL.MODx的值进行细调。（2）LFXT1 接低频振荡器。典型为接32768HZ的时钟振荡器，此时振荡器不需要接负载电容。也可以接450KHZ8MHZ的标准晶体振荡器，此时需要接负载电容。（3）XT2 接450KHZ8MHZ的标准晶体振荡器。此时需要接负载电容，不用时可以关闭。低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供CPU进行大量运算。4.MSP430的3种时钟信号：MCLK系统主时钟；SMCLK系统子时钟；ACLK辅助时钟。（
31、1）MCLK 系统主时钟。除了CPU运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用。MCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。（2）SMCLK 系统子时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。SMCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。（3）ACLK 辅助时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。但ACLK只能由LFXT1进行1、2、4、8分频作为信号源。PUC复位后，MCLK和SMCLK的信号源为DCO，DCO的振荡频率为800KHZ。ACLK的信号源为LFXT1。MSP4
32、30内部含有晶体振荡器失效监测电路，监测LFXT1（工作在高频模式）和XT2输出的时钟信号。当时钟信号丢失50us时，监测电路捕捉到振荡器失效。如果MCLK信号来自LFXT1或者XT2，那么MSP430自动把MCLK的信号切换为DCO，这样可以保证程序继续运行。但MSP430不对工作在低频模式的LFXT1进行监测。5.低功耗模式超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8-3.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在 200-400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA 。 其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ FLL 和 FLL+ ）时钟系统或 DCO 数字
