吉林铁道职业技术学院 电子制作职业技能大赛（论文） 题目太阳能自动跟踪装置设计
参赛人姓名王志会张卫国朱峰所在系电气工程系 指导教师陈冬鹤 完成时间2013年5月26日
吉林铁道电子制作职业技能大赛设计报告 题目：太阳能自动跟踪装置设计 主要内容、基本要求等： ◆主要内容：加强大学生动手操作能力，促进集体荣誉感。 ◆基本要求：1，利用单片机控制实现太阳能电池板随着太阳（光源）的位置变 化而调整自身相应的姿态，以达到太阳光能的最佳利用。 2，实现一定的姿态控制精度。 3，以低成本、低功耗完成设计并实现目标电路的组装。 ◆主要参考资料：电路基础、电工技术、电子手工焊接、单片机原理及应用、传感器原理与应用。 完成日期：2013年5月26日 指导教师：陈冬鹤 实验组组长：王志会 2013年 6 月 5 日
太阳能自动跟踪装置 研制目的 人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，太阳能光伏发电是改善生态环境、提高人类生存质量的绿色能源之一，但由于传统太阳能板方向固定，受光时间有限。因此研制可随光移动的太阳能跟随系统。
一自动跟踪系统整体设计 1.1 系统总体结构 本系统包括光电转换器、步进电机、89C5系列单片机以及相应的外围电路等。太阳能电池板可以360度自由旋转。控制机构将分别对水平方向进行调整。单片机加电复位后，首先由TRCT5000构成的定位系统对整个系统进行预置定位，然后单片机将对两光敏电阻采样进来的两个电平进行比较，电平有高电平和低电平两种，若两电平相等则电池板停止转动，若不等单片机将对两电平进行比较判定，驱动步进电机让太阳能板与之相对应转动，实现电池板对太阳的跟踪。图1-1所示： 1.2 光电转换器
第一章 1. MCU(微控制器单元)与MPU(微处理器单元)的区别 MCU集成了片上外围器件，而MPU不带外围器件，是高度集成的通用结构的处理器。是去除了集成外设的MCU。 2. MSC430单片机的不同系列的差别 MSP430系列单片机具有超低功耗、处理能力强大、片内外设丰富、系统工作稳定、开发环境便捷等显着优势，和其他类型单片机相比具有更好的使用效果、更广泛的应用前景。 3. MSC430单片机主要特点 1.超低功耗 2. 强大的处理能力 3. 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块 4. 系统工作稳定 5. 方便高效的开发环境 4. MSC430单片机选型依据 选择最容易实现设计目标且性能价格比高的机型。 在研制任务重，时间紧的情况下，首先选择熟悉的机型。 欲选的机型在市场上要有稳定充足的货源。 第二章 1. 从计算机存储器体系结构上看，MSP430单片机属于什么结构 冯·诺依曼结构，是一种程序存储器和数据存储器合并在一起的存储器体系结构。 2. RISC与CISC体系结构的主要特征是什么MSP430单片机属于哪种结构 CISC----是复杂指令系统计算机Complex Instruction Set Computer的缩写，MCS-51单片机属于CISC。具有8位数据总线、7种寻址模式，111条指令。 RISC----是精简指令系统计算机Reduced Instruction Set Computer的缩写，MSP430单片机属于RISC。具有16位数据总线、7种寻址模式，27条指令。 3. 对MSP430单片机的内存访问时，可以有哪几种方式读写字数据有什么具体要求 字，字节，常字。字访问地址必须是偶数地址单元。 4. MSP430单片机的中断向量表位于什么位置其中存放的是什么内容 中断向量表：存放中断向量的存储空间。430单片机中断向量表地址空间：32字节，映射到存储器空间的最高端区域 5. MSP430单片机的指令系统物理指令和仿真指令各有多少条。 27种物理指令-内核指令和24种仿真指令 6. MSP430单片机的指令系统有哪些寻址方式各举一例说明。 有7种寻址方式：寄存器寻址，变址寻址，符号寻址，绝对寻址， 间接寻址，间接增量寻址，立即数寻址 7. MSP430单片机的CPU中有多少个寄存器其中专用寄存器有哪几个 4个专用寄存器（R0、R1、R2、R3）和12个通用寄存器（R4~R15） R0：程序计数器（PC） R1：堆栈指针（SP）—总是指向当前栈顶 R2：状态寄存器（SR）只用到16位中的低9位 R2/R3：常数发生器(CG1/CG2) 8. 按要求写出指令或指令序列。 9. 写出给定指令或指令序列的执行结果。 10.汇编语言程序的分析与理解。
点光源跟踪系统 目录 1.【摘要】 (1) 2.系统整体方案确立 (2) 3.方案设计论证与比较 (2) 3.1方案设计 (2) 3.2方案论证与比较 (2) 3.2.1控制核心的选择与比较 (2) 3.2.2恒流源的选择与比较 (3) 3.2.3光敏器件的选择与比较 (3) 4.系统的建立 (4) 4.1系统构建框图 (4) 4.2硬件电路的制作 (4) 4.2.1可调恒流源电路 (4) 4.2.2光源检测电路 (5) 4.2.3 msp430最小系统 (6) 4.2.4 JS-8580-V6C驱动步进电机模 (6) 4.3程序设计 (7) 4.3.1程序系统框图 (7) 4.3.2程序代码 (8) 5.系统调试 (9) 5.1调试仪器 (9) 5.2调试结果 (9) 5.2.1 恒流源数据测试 (9) 5.2.2系统测试 (10)
点光源跟踪系统 1.【摘要】 本系统设计是由MSP430F149单片机为控制核心，由恒流源控制1w的大功率LED做点动光源。以光敏电阻作为光源检测传感器，用步进电机来自由转动带动激光笔跟踪点光源的自动跟踪系统. 该系统由430单片机最小系统、点光源检测、步进电机驱动等电路组成，利用三个光敏电阻实现点光源强度和移动方向的检测，通过信号放大和处理，送入单片机内部电路，单片机将采样结果进行分析和处理，控制步进电机运转的步距和方向，从而达到点光源的精确跟踪。 关键词：MSP430；恒流源；步进电机；光敏电阻。
点光源跟踪系统 2.系统整体方案确立 作品以1w白光LED作为光源，固定在一支架上，且LED的电流可调范围为150mA到350mA，在一定的角度，范围内移动支架，确保跟踪系统中的指向激光笔可以尽快的指向光源。 3.方案设计论证与比较 3.1方案设计 由于要以1w的白光LED作为光源，且电流调节范围有限制，所以需要选择一个好的恒流源达到要求，其次在感光系统中，要做到精准的跟踪和定位光源，因此光电传感器的选择也很重要。在这两者的设计中，有以下几种方案。 3.2方案论证与比较 3.2.1控制核心的选择与比较 方案一：采用MSP430 MSP430是TI公司生产的16位超低功耗的混合信号处理器。集模拟电路、数字电路和微处理器于一体，具有方便高速的运算能力和丰富的功能模块，低电源电压范围为1.8-3.6V，还具有灵活的时钟适用范围。 方案二：采用89c51 89C51单片机是由ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造的一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器。 方案三：采用AVR AVR单片机是由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC精简指令集高速8位单片机。具有运算速度快，性价比高，工作电压范围宽（2.7-6V），和抗干扰能力强等优点。 比较以上三种方案，由于对MSP430比较熟悉，因此选择方案一。
摘要：本设计以TI的LM3S1138处理器为核心设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统，当LED光源在圆弧或直线上运动时，检测模块检测信号后经过放大滤波送入LM3S1138进行处理，用电机驱动模块控制检测模块在水平和竖直方向上的旋转使激光笔指示光源位置，即实现点光源跟踪。系统主要由四个模块构成：LED驱动模块、检测及其转换模块、LM3S1138处理模块和电机控制模块。其中用TPS61087驱动LED,光敏三极管检测光照强度，由两个步进电机分别控制激光笔水平和竖直方向上的旋转。 关键字：LM3S1138 TPS61087 光敏三极管步进电机激光笔点光源跟踪 一系统方案 根据题目的要求，设计任务是通过使用光敏器件检测光照强度来判断光源的位置并用激光笔指示光源的位置。为了完成上述功能，将整个系统设计为两个模块，点光源模块和指示光源模块。整个系统的总体框图如图1-1所示：
图1-1 系统总体框图 1.1 LED驱动模块方案选择与论证 方案一：采用LM317做LED驱动模块。LM317是三端可调正稳压器集成电路，它的输出电压X围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。由LM317构成的驱动电路简单，但功耗较大，而且要注意散热问题。 方案二：采用TPS61087做LED驱动模块。TPS61087是具有强制PWM模式的650kHz/1.2MHz升压DC-DC转换器，输入电压X围为2.5~6V，输出电压可高达18.5V。采用TPS61087的驱动电路的输出电流可达500mA以上，足够用来驱动150～350mAX围的白光LED。因此本设计采用方案二。 1.2 光敏传感器的选择与论证 方案一：采用光敏电阻检测光照强度。它在强光照射下光电转换线性较差，频率响应很低。 方案二：采用光敏二极管检测光照强度。当反向电流增大时，但容易受温度变化的影响。
点光源跟踪系 组员：陈红芳韩思宇代金龙马文鹏徐伟杰陈国陆 摘要：本文设计的是一个点光源跟踪系统，主要由光敏电阻检测，运放分析处理，执行机构运行，这几个部分构成。整个系统是以LM358P 为控制核心，通过4个光敏电阻来检测光照，依据光照强度的变化、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，以达到跟踪光源的效果。 关键词：点光源定位，二维运动分析，LM3S1138 一、系统方案设计与论证 1.主控芯片 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：MSP430系列单片机。16位低功耗单片机，性能良好。 方案二：Cortex-M3系列。具有32位处理器内核的高性能处理器，具有强大的控制、处理能力，丰富的外围模块，稳定的系统，提供方便高效的开发环境。 本系统选取Cortex-M3系列的LM3S1138作为控制器，LM3S1138支持低功耗模式，性能稳定，内置嵌套向量中断控制器，在控制、处理数据速度上有优势，并含有丰富的外围模块，所以选择方案二。 2.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成很好的线性关系。 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。原理与光敏二极管相同，但是与光敏二极管相比，它具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度，因此传感器选择方案四。 3.电机的选择 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：
一、设计题目及要求 太阳光源跟踪系统利用伺服系统控制太阳电池帆板的移动，使其跟踪并始终垂直于太阳光线，最大程度地接受太阳能。太阳光源跟踪系统由感光器与检测线路和电机的功率放大器（可以简化视为一个增益放大环节），太阳帆板（作为直流力矩电机的负载，可以近似看作常值转动惯量加到电机轴上），电机位置传感器（其输出与电机转角成正比的电压信号）和直流力矩电机组成。 太阳光源跟踪系统如题图a 所示。计算机控制系统方块图如题图b 所示。试用连续域-离散化设计方法设计数字控制器，满足如下指标要求： （1）超调量15%≤σ （2）上升时间r 0.55t s ≤； （3）调节时间s 1t s ≤。 （4）静态速度误差系数v 5K >。 (a) (b) 图 太阳光源跟踪计算机控制系统
设计要求： （1）计算未加控制器时的性能指标，并绘出仿真曲线； （2）设计连续域控制器D(s)，写出设计步骤，验算加控制器后的性能指标，并绘出仿真曲线； （3）选用两种合适的离散化方法，将D (s )离散为D (z )。并绘制采样周期T 分别为0.01s ，0.05s ，0.1s 时，计算机控制系统的单位阶跃响应仿真曲线，记录时域指标r s %,t t σ和，计算v K 。比较两种离散化方法的性能，并说明连续域-离散化设计与采样周期T 的关系。比较离散化前后系统的阶跃响应曲线，分析离散化后系统性能变化的原因。 （4）最终选定你认为最合适的一种离散化方法和采样周期。 说明：所有的仿真都需有程序清单或simulink 模型 二、设计过程 1、在未加控制器时对系统性能进行检测 2.81231s 20s 2 .81231s 1s s 2 ++=+= Φ）（）（）（G G 编程如下： a=[1 20 1231.82]; b=[0 0 1231.82]; step(b,a,0:0.01:2) 输出曲线如下图所示：
如何学习MSP430单片机 如何学习MSP430单片机 。 下面以MSP430系列单片机为例，解释一下学习单片机的过程。 （1）获取资料 购买有关书籍，并到杭州利尔达公司网站和TI网站获取资料，例如，在网上可以找到FET使用指导、MSP430 F1xx系列、F4xx系列的使用说明和具体单片机芯片的数据说明，可以找到仿真器FET的电路图、实验板电路图、芯片封装知识等大量的实际应用参考电路，当然有些资料是英文的，看懂英文资料是个挑战，学会4、6级英语就是为看资料的。英语难学，但是看资料容易，只要下决心，看完一本资料，就可以看懂所有的相关资料。 （2）购买仿真器FET和实验电路板 如果经济条件不错，可以直接购买。 （3）自制仿真器FET和实验电路板 自制仿真器FET，首先要到网上找到FET电路图，然后就可以使用画电路板软件画电路图和电路板图，这又是个挑战。FET电路非常简单，但要把它制作出来还是需要下一番工夫的，找一本有关书，然后练习画原理图，画完原理图后，就学习认识元件封装，再购买元件，这时就可以画电路板图了，一旦画好，将形成的PCB文件交给电路板制作公司，10天后，就可以得到电路板，焊上元件和电缆，等实验电路板做好后，就可以与实验电路板一起调试了。 自制实验电路板，需要单片机芯片内部工作原理的知识、封装知识，清楚的知道每一个引脚的功能，还需要数码管、按钮、排电阻、三端稳压器、二极管、散热器、电解电容、普通电容、电阻、钮子开关等元件的知识，对于初学者，可以做一个只有3个数码管、8个按钮、8个发光二极管的简单实验板，这样的实验板，虽然简单，但足可以帮助初学者入门单片机。自制实验电路板与自制FET 一样，首先画电路图，然后买元件，再画电路板。由于MSP430系列芯片是扁平封装，焊接起来有一定难度，这好象是个挑战，但实际上很简单，方法如下：
基于红外线的目标跟踪与无线测温系统报告、系统方案 1、方案比较与选择 1）信号采集元件的选择 方案一：利用光敏电阻在不同光照强度下电阻阻值随光照强度的增强而减小的原理来提取信号。光敏电阻比较稳定，能够很好的把光信号转变为电信号，而且经济适用；但其反应不够灵敏，而且受周围环境温度的影响比较大。 方案二：使用光敏二极管作为采光原件。当遇到外界光照时，光敏电阻内PN 结的电子和空穴会增多从而其值会下降。它感光性能良好，稳定而且反应速度快；但是其电流值太小，不便于信号的提取，后级需要很大的信号放大，这样就导致误差增大。 方案三：使用光敏三极管作为信号提取元件。光敏三级管不仅采光性能灵敏稳定，而且其本身就具备电流放大作用；如果仍不能达到要求可以使用达林顿光敏三极管来放大电流。综合考虑上述三种方案，我们最终选择方案三。 2）控制电机的选择电机布局：在圆形基架的两条对称轴线上分别设置互相垂直的 两根轴X—X 和Y—丫，其中轴Y—丫与基座转动联接，轴X—X与工作平台固联并与基架转动 联接，电机I通过轴X—X带动工作平台相对基架转动，电机2通过轴丫一丫带动基架相对基座转动。轴X—X 采用背对背滚动轴承，有效地减轻了X—X 轴的剪切力。轴丫—丫采用圆锥滚子轴承，方便地实现了转动和支撑两大功用。 方案一：直流电机，其调速控制很方便，但是旋转角度及正反转不好控制，对于本题的定位跟踪，需要很精确的角度控制，因此没有采用此方案。 方案二：减速步进电机28BYJ-48步进电机可以采用步进细分技术来实现精确定位，其正反转及速度控制灵活，但是对于本题要在空间X及丫轴方向上实现定位，就需要搭建步进电机的架构来使其在空间定位，手工搭建的平台由于连接不够紧密导致系统不稳定，因此也没有采用此方案。 方案三：云台控制，云台的架构已经搭好，且正反转控制灵活，控制电路已经在内部做好，只需让继电器切换就可以实现相应控制，因此我们选择了此方案。 3）无线传输模块 方案一：采用无线红外遥控发射/接收系统。运用脉冲宽度编码（PPM 码）的方式，具有编码简单易懂、成本低等特点，但两个设备间传输数据时，中间不能有阻挡物，在传输整型数据时编码很容易，但是对于浮点数，软件中的数据处理就会很复杂，且通讯距离较短，发送代码的速度较慢，发送一个8bit 的代码数据最长需要85.5ms （9ms+4.5ms+32*2.25ms）的时间，且容易受干扰，因此它只适用于控制开关量的场合，而不适用于发送大容量高速数据代码的场合。 方案二：采用nRF905无线射频收发器组成无线数据传输系统。nRF905集成
2010项目练习 设 计 作 品 作品名称：点光源跟综系统 设计组员：王国凯徐文超蔡露王奇志专业：应用电子技术 指导老师：唐炎明
摘要：本文设计的是一个点光源追踪系统，主要由光照传感器的照度检测与处理，控制器分析与处理，执行机构运行这几个部分构成。整个系统是以A T89S52为控制核心，通过四个光照传感器来检测光照，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。除基本要求满足外，本系统设计了一些拓展环节：在点光源正对及电机运动幅度允许的条件下，激光笔可追踪任意方向移动的点光源，也可换速度档，达到迅速调节的目的。 关键字：点光源定位寻迹二维运动分析步进电机控制A T89S52
一．系统方案设计 1.主控芯片 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：AT89C51系列单片机。8位低功耗单片机，性能良好。 方案二：AT89S52系列。8位处理器内核高性能处理器，具有强大的控制、处理能力，稳定的系统，提供方便高效的开发环境。 本系统选取AT89S52单片机作为控制器，AT89S52支持低功耗模式，性能稳定，在控制、处理数据速度上有优势，，所以选择方案二。 2.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：光敏三极管。光敏三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。 在测试光敏电阻，发现光源的距离限制了两者的应用范围。当距离比较大时，两者的灵敏度大大降低。经实践测定，光敏三级管传感器满足要求，因此传感器选择方案二。 3.电机的选择 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。 方案二：直流电机。电机的转速受负载影响，惯性大。 根据设计的要求，步进电机转速平稳，容易控制，因而选用第一种方案。 4.点电源的供电方案 根据题目要求：为产生150mA~350mA的LED驱动电流，采用比例电流源。经测试可行。 5.总方案的确定 综上，本系统最终以A T89S52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。
太阳跟踪控制方式 国内外，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多，基本上可以分为两类:一类是实时的探测太阳对地位置，控制对日角度的被动式跟踪;另一类是根据天文知识计算太阳位置以跟踪太阳的主动式跟踪。文献中介绍了被动式跟踪的典型代表:压差式跟踪器和光电式跟踪器;主动式跟踪的典型代表:控放式跟踪器、时钟式跟踪器和采用计算机控制和天文时间控制的视日运动轨迹跟踪器。以下对两种类型中目前主要采用的光电跟踪 方式和视日运动轨迹跟踪方式进行比较。一般地，在聚光光伏发电的应用多采用校准 的光筒，它可以阻止散射进入传感器达到更精确的太阳位置探测。 （1）光电跟踪 虽然光电跟踪方式本身的精度较高，但是它却具有严重的缺点:在阴天时，太阳辐照度较弱(而散射相对会强些)，光电转换器很难响应光线的变化;在多云的天气里，太阳 本身被云层遮住，或者天空中某处由于云层变薄而出现相对较亮的光斑时，光电跟踪 方式可能会使跟踪器误动作，甚至会引起严重事故。对于太阳能发电来说，是可能在 晴朗、阴天和多云等任何天气情况下进行的。光电跟踪能够在较好的天气条件下，提 供较高的精度，但是在气象条件差时跟踪结果不能令人满意。 （2)视日运动轨迹跟踪 视日轨迹跟踪的原理是根据太阳运行轨迹，利用计算机(由天文学公式计算出每天中日出至日落每一时刻的太阳高度角与方位角参数)控制电机转动，带动跟踪装置跟踪太阳。此跟踪方式通常采用开环控制，由于太阳位置计算与地理位置(如纬度、经度等)和系 统时钟密切相关，因此，跟踪装置的跟踪精度取决于一是输入信息的准确性，二是跟 踪装置参照坐标系与太阳位置坐标系的重合度，即跟踪装置初始安装时要进行水平和 指北调整。 太阳跟踪机构 双轴跟踪 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能， 全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪又可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角方位角式全跟踪。 1)极轴式全跟踪。
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
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 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。 作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日
第2期(总第147期 2008年4月机械工程与自动化 M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G &AU TOM A T I ON N o 12 A p r 1 文章编号:167226413(20080220140203 太阳自动跟踪装置控制系统的研究 徐东亮,任超 (武汉理工大学机电学院,湖北武汉430070 摘要:为了更充分、高效地利用太阳能,人们普遍采用跟踪太阳的方式以最大限度地获得更多的光能。介绍了太阳自动跟踪装置控制系统的控制原理及硬件、软件的设计方法。该系统控制软件运行后,PC 机通过串行端口发送和接收脉冲信号以驱动步进电机,实现对太阳运动轨迹的自动跟踪。整个系统结构简单、价格低廉、性能可靠、跟踪精度高。本控制系统基于PC ,具有丰富的软件资源、良好的人机界面以及强大的数据处理能力。关键词:太阳跟踪装置;自动控制;串口通讯;步进电机中图分类号:T P 273文献标识码:A 收稿日期:2007208213;修回日期:2007211201 作者简介:徐东亮(19702,男,福建人,副教授,博士,研究方向为机械电子工程、检测技术与自动化装置。 0引言 太阳能是一种洁净的可再生资源,有着矿物能源不可比拟的优越性,而且太阳能资源十分丰富,是目前可再生能源中应用范围最广泛、发展前景最远大的清洁能源。
虽然太阳能总能量很大,但由于太阳能的能量密 度比较低,在大气层外的平均密度约为1135k W m 2 ,再考虑通过大气层的损耗等因素,当到达地面时,只 有不到1k W m 2 。因此为了更充分、高效地利用太阳能,人们普遍采用跟踪太阳的方式以最大限度地获得更多的光能。本文介绍的是基于二维太阳跟踪装置的控制系统,该系统采用视日运动轨迹跟踪的方法计算太阳的高度角和方位角,进而通过PC 控制步进电机,实现全自动、全天候、高精度的太阳跟踪。由于采用在V C ++610环境下通过PC 机串口直接控制步进电机的方法,因此整个系统成本低、简单实用、可靠性高,且具有良好的人机界面,能够广泛应用于气象监测、环境能源利用等领域。1太阳运行轨迹的算法 太阳的运行轨迹,即太阳相对地球的位置可由两种坐标系来描述:赤道坐标系和地平坐标系。111赤道坐标系 赤道坐标系是人在地球以外的宇宙空间里看太阳相对于地球的位置,这时太阳相对于地球的位置是相对于赤道平面而言,用赤纬角和时角这两个坐标表示。11111赤纬角? 太阳中心与地球中心的连线(即太阳光线在地球表面直射点与地球中心的连线与此连线在赤道平面上的 投影间的夹角称为太阳赤纬角(或称太阳赤纬。它描述地球以一定的倾斜度绕太阳公转而引起二者相对位置的变化。一年中,太阳光线在地球表面上的垂直照射点的位置在南回归线、赤道和北回归线之间往复运动,使该直射点与地心连线在赤道面上的夹角也随之重复变化。赤纬角?(o 在一年中的变化用下式计算: ?=23145sin (2Πd
基于msp430的点光源跟踪系统设计 周小军 何志龙 武小栋 摘要 本设计采用MSP430F149 单片机作为整个系统的控制核心，利用4个光敏三极管来接收点光源发出的光并将检测到的信号放大后传给控制器MSP430F149单片机，经过单片机的运算和处理来确定点光源的位置，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，位于传感器中间的激光笔将精确的指向点光源。 关键词： MSP430 点光源 跟踪 传感器 1 方案设计与论证 根据题目的要求，系统的设计可分为控制器（msp430）模块，电机驱动模块，点光源检测模块，液晶显示模块，LED 驱动模块组成。系统设计总框图如图1： 1.1主控芯片的选择 方案一：采用传统的51单片机，运用比较广泛，上手比较快。但是本系统的程序量比较大，内部资源要求比较丰富，51单片机难以胜任这些功能。 光敏三极管 键盘 MSP430F149 1602液晶 纵轴电机 横轴电机 图1 系统设计总框图
方案二：采用MSP430F149低功耗单片机，其I/O口资源丰富，有12位AD转换、16位定时器、精密的比较器等，信息处理功能强大，能够很好的实现系统的要求。故选择此方案。 1.2电动机的选择 本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。 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，直流减速电机的速度不容易控制，而步进电机的控制和实现相对简单一些。因而选用方案一。 1.3电动机驱动方案的选择 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：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。 1.4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：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。 方案三：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。 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，故传感器选择方案三。
2010第二届“TI杯”陕西省大学生电子设计竞赛 题目B： 《点光源跟踪系统》 参赛学生：李伟龙、梁谋、张凯 指导教师：张倩 学校：西安交通大学城市学院 院系：电信系
摘要 本系统以TI公司的超低功耗 MSP430 处理器为核心设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统.该系统能准确跟踪点光源的位置并用激光笔指示其位置。以考核系统跟踪轨迹的准确性，轨迹的跟踪以完成任务的准确度来评判设计完成指标。 硬件系统以MSP430F5438为核心，根据光敏二极管的光电特性检测光源位置，采用步进电机来完成跟踪指示的功能。软件部分采用基准光照比对的思想编写出源代码来锁定光源位置，实现光源的检测与准确定位。经过多次测量验证，结果表明所设计的点光源跟踪系统能够自动检测点光源位置并指示。 关键词：光源跟踪定位，光敏二极管， MSP430，步进电机控制
目录 摘要 (1) 1 系统方案选择与论证 (4) 1.1光源采集方案 (4) 1.2光源检测与处理方案 (4) 1. 3 方案选择 (3) 2 系统的工作原理 (5) 3 硬件系统设计 (5) 3.1 光源检测部分 (4) 3.2信号处理部分 (5) 3.3电机驱动控制部分 (5) 4 软件系统设计 (6) 5点光源的设计、电流的测量及显示部分 (7) 6 测试结果及误差分析 (8)
1 系统方案选择与论证 根据题目的基本要求，本系统主要完成对光源的跟踪与指示，通过采集并处理不同位置光照强弱的有关数据，进而控制电机转向，以实现对光源的跟踪，下面论证系统实现方案。 1.1光源采集方案 光源采集可以采用光敏电阻，光敏二极管，或者红外接收管，由于光敏电阻受检测距离和光照强度特别是普通白光的的影响较强烈，当光源距离大于三米时感应电压信号很弱，红外接收管只受红外光控制.光敏二极管检测距离较远，有二极管特性，其导通条件还和外界光线有关，在室内环境下，外界光线克服了其导通压降，提高了检测的精确度，本系统只对LED光源进行检测与跟踪。 基于上述分析，拟采用光敏二极管实现光源的采集与跟踪 1.2光源检测与处理方案 光敏二极管采集到的信号电压通过MSP430单片机的A/D模块，实现对信号的处理.通过继电器对电机进行控制。 1.3方案选择 基于以上方案的优缺点比较，本设计采用光敏二极管采集光源，通过电压跟随，将信号电压送入MSP430 对步进电机进行控制方案，实行光源的精确定位，系统电气原理图如下图1.3-1所示
点光源跟踪系统 【摘要】：本系统设计以MSP430F169微处理器为控制器点光源自动跟踪系统，点光源跟踪系统由光源检测控制和点动光源两大部分组成。光源检测控制通过单片机控制两个步进电机，实现激光笔左右上下两个方向运动，可实现精准跟踪光源，点动光源用恒流源控制1W LED发光，光敏三极管构成检测光源位置电路。系统使用NOKIA3510彩色液晶显示，不仅美观，而且菜单显示使系统可视化。本系统结构简单，功能强大，系统稳定。 关键词：步进电机MSP430F169 NOKIA3510 光敏三极管 一系统整体方案确立与单元模块方案论证及比较 本题任务设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的光源跟踪系统。自动跟踪系统要实现检测光源和跟踪光源，通过光敏器件检测光照强度判断光源的位置，辅以微处理器控制电机，电机控制激光笔的左右上下运动来跟踪光源。有以下两种总的方案可供选择： （1）电机的选择方案论证 方案一：实用云台机构。利用全方位云台内部的两个电机，分别控制激光笔上下、左右转动；这种方案的优点是控制起来较比较方便，机械性能较好，但是市场上云台价格较贵，由于云台通过同步电机实现转动，运动惯性比较大，不易控制。 方案二：控制步进电机。利用两个步进电机，分别控制激光笔上下、左右向的转动；步进电机控制方便，驱动电路设计容易。这种方案的优点是经济。综上所述：考虑到激光笔上下左右运动的角度非常微小，而且步进电机便宜，故选用方案二。 （2）电机驱动模块选择 方案一：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它工作频率高，一片L298N可以控制1个步进电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 方案二：用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。 方案三：用高耐压、大电流达林顿陈列—ULN2003做驱动电路。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。U LN2003 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。由于ULN2003结构简单，价格便宜，具有7路输出电流可达500毫安能够驱动步进电机。考虑性价比、电路结构等，系统选用方案三。（3）检测光照强度模块的选择 方案一：采用多个光敏电阻。根据AD转换后通过单片机处理反馈于电机驱动来调整激光笔的跟踪，但光敏电阻的检测距离很近，达不到题目的要求。 方案二：采用多个光敏三极管。根据AD转换后通过单片机处理反馈于电机驱动来调整激光笔的跟踪。光敏三极管的灵敏度好，检测距离远。考虑到2m的
指导教师评定成绩： 审定成绩：重庆邮电大学 自动化学院 自动控制原理课程设计报告设计题目：光源自动跟踪系统 单位（二级学院）：自动化学院 学生姓名： * * * 专业： **** 班级： * * * * 学号： ****** 指导教师： * * * 设计时间：20** 年*月 重庆邮电大学自动化学院制
目录 一.题目 (3) 二.模型建立与求解 (4) 2.1控制系统结构 (4) 2.2光源检测模型 (4) 2.3直流电机模型 (5) 三.性能验证和参数设计 (6) 3.1根轨迹设计及频域分析 (6) 3.2时域检验与速度信号测试 (7) 3.3检测电路设计 (8)
一.课程设计题目 已知一光源自动跟踪系统，利用帆板上一对光敏元件检测光能，当帆板偏离光源时，光敏元件产生电压差并通过放大后驱动电机转动，使太阳能帆板对准光源，如图示,其中，电机3,1.75; 2.8310;a a c v a R L V K W -==?=*表示转子旋转产生的电动势0.093;v K =电机产生的电磁力矩*,0.0924;t t T K I K ==电机及负载的转动惯量623010J ms -=?;阻力矩为*,a T B W =其中3510B -=?. 要求完成的主要任务： 1、分析系统工作过程，建立数学模型，并画出结构图。 2、系统跟踪阶跃响应的时间为0.5秒，超调量为小于5%，设计校正系统。 3、分析当该系统跟踪太阳转动时的性能。 4、设计光源检测放大装置，画出电路图并确定主要元件参数。
二、模型建立与求解 2.1控制系统结构 依据检测、放大、电机三个模块，画出相应的控制结构图，如图2. 图 2 控制系统图 在这里,角度的输入和比较依靠物理的光线输入和检测以及系统结构布局来实现的. 2.2光源检测系统模型 该光源跟踪系统主要由光线检测电路，电机驱动放大器，直流伺服电机三个模块组成。两个完全相同的光敏传感器分别安装在帆板两边，用来检测光线是否正对该跟踪系统。当光线满足入射条件时，两个光敏传感器检测到的光辐射强度几乎相等，否则讲表明帆板偏向受辐射少的一边。两个感光器受到的辐射强度只差可以反馈给电机驱动器中，用来作为电机的误差信号，使帆板转向正确的位置。 图3. 光敏元件工作原理图 设光敏元件产生的电压和光的正投射面积成正比,系数为k*,则 : *0*0* *0*1cos(60) 2cos(60) 21(cos(60)cos(60)) 2sin 60sin sin sin v k v k v v k k k k θθθθθθθθ =-?=+?-=-?-+?=?=?=?≈? 即:帆板与阳光的偏角将产生成正比的电压差,经过放大后驱动电机转动.
如何学习 学习就是迎接挑战、解决困难的过程，没有挑战，就没有人生的乐趣。 下面以系列为例，解释一下学习的过程。 （1）获取资料 购买有关书籍，并到杭州利尔达公司网站和TI网站获取资料，例如，在网上可以找到FET 使用指导、F1xx系列、F4xx系列的使用说明和具体芯片的数据说明，可以找到FET的、实验板、知识等大量的实际应用参考电路，当然有些资料是英文的，看懂英文资料是个挑战，学会4、6级英语就是为看资料的。英语难学，但是看资料容易，只要下决心，看完一本资料，就可以看懂所有的相关资料。 （2）购买FET和实验电路板 如果经济条件不错，可以直接购买。 （3）自制FET和实验电路板 自制仿真器FET，首先要到网上找到FET，然后就可以使用画电路板软件画电路图和电路板图，这又是个挑战。FET电常简单，但要把它制作出来还是需要下一番工夫的，找一本有关书，然后练习画，画完后，就学习认识，再购买元件，这时就可以画电路板图了，一旦画好，将形成的PCB文件交给公司，10天后，就可以得到电路板，焊上元件和电缆，等实验电路板做好后，就可以与实验电路板一起调试了。 自制实验电路板，需要单片机芯片内部工作原理的知识、封装知识，清楚的知道每一个的功能，还需要、按钮、、三端、、散热器、、普通电容、电阻、等元件的知识，对于初学者，可以做一个只有3个、8个按钮、8个的简单实验板，这样的实验板，虽然简单，但足可以帮助初学者入门单片机。自制实验电路板与自制FET一样，首先画电路图，然后买元件，再画电路板。由于系列芯片是扁平封装，焊接起来有一定难度，这好象是个挑战，但实际上很简单，方法如下：首先在焊盘上涂上，在未干的情况下，将芯片放在焊盘上，注意芯片第一的位置，并使与焊盘对齐，将擦干净的（不能有任何）接触引脚，引脚只要一热，焊盘上的就自动将引脚焊住了，千万注意上不能有，焊接时最好配备一个。焊接电路板时，每一个元件都要核对参数，可以用万用表测量的元件一定要测量。 （4）从网上获得IA 到利尔达公司或的网站下载IA，并安装到计算机上。 （5）调试FET和实验板
2012年广西大学生电子设计竞赛 光源自动跟踪系统（F题） 摘要 系统采用8位单片机STC89C52作为智能小车系统检测和控制的核心，通过2光敏传感器来对1W的LED白光来感光最强的点进行跟踪，当LED灯随着给小车的行走，通过步进电机支架上的2光敏传感器控制步进电机转动，来对不同感光最强的点进行跟踪从而实现检测并指示点光源位置的模拟光伏发电太阳光自动跟踪系统功能。硬件系统采用最为精简的电路模块搭建，软件系统使用模块化编程。硬件由电源电路、单片机最小系统模块、电机驱动电路、循迹引导电路等组成。，最终实现了能够检测并指示点光源位置的模拟光伏发电太阳光自动跟踪系统功能，测试表明各项指标基本符合设计任务要求。 关键词：STC12C5A60S2单片机、L298N电动机、循迹。显示屏。光源、跟踪、检测、激光笔、白光LED 目录 一、系统设计要求 (2) 1.1 任务 (2) 1..2设计相关要求 (2) 1.2.1.. 基本要求 (3) 1.2.1 发挥部分 (3) 二、系统方案论证与选择 (3) 2.1系统基本方案 (5) 2.2系统各模块的最终方案 (5) 三、系统的硬件设计与实现 (5) 3.1系统硬件的基本组成部分 (5) 3.2主要单元电路的设计 (6) 3.2.1电源电路 (6) 3.2.2 控制电路 (6) 3.2.3循迹电路 (7) 3.2.4电机驱动电路 (8) 3.2.5 显示屏1602 (8) 3.2.6 光敏传感器 (9) 3.2.7 HB7128电机步进 (10)
四、系统软件的设计……………………………………………………………… 五、系统测试………………………………………………………………………… 六、总结………………………………………………………………………………… 一、系统要求设计 智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系 统，是智能交通系统的一个重要组成部分，其设计主要集机械、电子、检测技术 与智能控制于一体，是机器人研究领域的一项重要内容，在军事、民用、太空开 发等领域有着广泛的应用前景，且其智能技术广泛运用于各种领域。本选题以设 计智能小车综合考察参赛选手对制造工艺流程管理及自动配给、装配技术的理 解，并着重考察运动控制方面的能力，提高参赛选手的动手能力和分析能力。 1.1、任务 设计并制作一个能够检测并指示点光源位置的模拟光伏发电太阳光自动跟踪系统，系统示意图如图1所示。 光敏器件 80CM 图1 光源跟踪系统示意图 1.2 设计的相关要求 1.2.1 基本要求 （1）小车置于C点，将激光笔光点调偏离点光源中心5cm时，激光笔能够尽快指向靶牌中心（10S内完成）。 （2）在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将循迹小车沿着圆周从C到D移动，激光笔能够连续跟踪指向LED点光源（20S内完成）。 （3）跟踪完毕，小车在D点停留5S后关闭LED。 （4）灭LED后小车自动返回到C点（10S内）。