基于单片机的太阳跟踪系统.doc

题 目：基于MSP430的太阳跟踪系统摘要（中英文）基于MSP430的太阳跟踪系统本设计基于MSP430fl49芯片，制作了一个用于精确跟踪太阳收集能量的系统 系统由430单片核心、光信号采集转换、追踪太阳部分、电压采集、无线数据发 送、PC机交互界面六部分组成光信号采集转换卡感知太阳位置实现跟踪，由 AD实时采集各部分电压并发送到PC上实现实时监控关键词：太阳跟踪、msp430Sun tracking system based on the MSP430This design based on the MSP430fl49 chip, made a used to accurately track the sun collect energy system. By 430 single chip system core, light signal acquisition conversion, track the sun part, voltage collection, wireless data transmission, the PC interface six parts. The light signal acquisition conversion card perception the sun position track, and the real-time data acquisition by AD each part to achieve the PC voltage and real-time monitoring.Key words: the sun tracking、 msp4301・引言随着现在社会太阳能利用的普及，太阳能利用率成了一个大家普遍关注 的问题。

基于此，我们设计了这个可以精确跟踪太阳并可实吋监控电池板电 压的系统，此外为了便于分析能量利用情况，我们同时通过软件的方式将电 池的数据实时的保存在文件中便于以后查看在设计过程中所要解决的首要问题便是使电池板实时精准对准太阳的 同时尽可能地降低功耗，其次是能够将数据通过无线方式发送到PC上，并 显示出相应的数据MSP430单片机是一款超低功耗的单片机，并且内部多 个AD为我们提供了极大地方便在这个设计中我们选择了 430fl49这款单 片机，及降低了功耗，又节约了成本2.系统方案2.1总体介绍本设计是以外部电路尽量简单，充分使用MSP430的内部设备资源的前 提完成的信号处理和AD采样部分均以430单片机内部资源为核心处理的其它部分分为：光信号采集转换、追踪太阳部分、无线数据发送、PC交互 显示四部分组成总体框图如图2.1所示能板池 阳池电 A电和::AD采集电压::舵机追踪 太加尢线養据发-msp430号转 信集换 光采—+、/! 1 : 1 111 11 :1 :、PC显示监控>・1: 1..二 1 a■ :■ 1/ VT : :: a■ :: : …卜: :1 : : 1 :1■ ■4: 1a :1 :1 : :: 1 :: 1 :111.: 1: 1■ ■ -1■1 : ?……: t 1 ? : 1 :: 1 :••…r1I・■+图2. 1 系统总体框图2.2 AD采样通过430单片机内部的A0和A1两路12位的AD实现对所要测量的电 压的精确采样，以其内部2.5v作为参考电压。

其中由于电池板和电池的电压 均高于2.5伏，因此采用在电池上并联电阻降低电压的方法达到所需的采样 电压在单片机内部，将采集到的电压按公式：Nadc = 4095* -将其转换为所采集到的实际的电压值由于电池板的电压不稳定，而AD采样速度 有很快，这会导致采集的数据会产生波动，跳变很大因此我们将连续采集 的三十二个数据放进一个数组中求平均值，将平均值显示传送给PC,乘以相 应的系数便得到电池和电池板上的真正电压由于实行的是多通道多次转换，因此是单片机每采集两路数据共64组数 据，才求平均值2.3光信号采集转换光传感器是有4路光敏电阻组成的光敏阵列，光敏电阻由于光照不同阻 值不同，因此可将光信号转换成电信号，送到由一个电压比较器作为主体的 模数转换卡中，将由电信号产牛的模拟量转换为由十六进制组成的数字量， 当转换卡输出0x010011寸，既是前方光强，0x100011寸，既是后方光强，0x0001 时，既是左方光强，0x0010时，既是右方光强，单片机根据相应的数字量控 制相应的舵机转动2.4追踪太阳部分该部分主要由两个舵机组成的二自由度云台控制太阳能电池板所对的 位置一个舵机控制电池板的左右转动，另一个电池板控制舵机的前后转动, 因此两个舵机可以控制太阳能电池板实现在整个空间转动，达到精确跟踪太 阳的目的。

2.5无线数据发送无线数据发送由430单片机内部的UART模块和一个无线数据发送器组 成当单片机检测到光信号釆集卡中发送的信号一直是OxOfOf时，证明此时 太阳能电池板是正对着太阳，因此启动单片机的AD采样部分，当单片机判 断采集够三十二个数，求平均值后，变将其付给TXBUF0,即发送缓冲器， 将其发送出去由于单片机内部采用的是多通道多次，当共采集64个数据后，单片机 发送一次在PC上需要分辨不同电池的数据和太阳能板的数据，因此在每 次发送时，430单片机首先向电脑发送一个字符作为识别码，X代表电池一 的数据，④代表电池二的数据，⑨代表太阳能电池板的数据PC做相应的 处理后便显示出对应的曲线AD每次转换后的数据超过了 8bit,因此单片机无法一次发送完所有的 数据，因此需要多次发送将数据按如下方式：待发送变量1二匕％256；待发送变量2=1/.,/256；经过两次数学运算：取模和取余运算后，便可将数据发送到PC上通过把一个数据转换成三等份将数据发送出去，既保证了数据的简洁准 确性，又保证了数据的可分辨性2.6 PC交互显示PC上的交互显示界面是用labview做的一个较直观的观察窗口。

难点一 就是在于将430单片机发送的字符型数据转换成相应的十进制数据，并用 图标曲线的方式表现出来，难点二在于识别不同的数据，以显示在不同的 电池以及太阳能电池板对应的曲线上由于在单片机内部发送数据之前发送了一个识别码，因此PC机可以较 轻松的识别出和应的数据，每次取三个数据，第一个数据用于分辨数据类 型，通过一下方式：（数据1*256+数据2）便可得到一个完整的电压数据，最后再将数据发送到Labview内部自带的 曲线图上就可可以满足显示不同曲线的要求3・系统硬件设计系统硕件主要由光信号采集转换、二自由度云台、电池转换电路、太阳 能充电管理、无线数据传送、5V稳压电源六部分组成3.1光信号采集转换光信号采集转换部分主要部分是光敏电阻组成的光敏阵列和以芯片 LM339组成的电压比较器光敏阵列共四路，分别感知前后左右的光强，并将光强转变为为电压的 模拟量光敏电阻的另一个优点是在通常情况下的电阻是10K左右，因此 所消耗的功率极少，满足低功耗的要求将微弱的光信号转变为电信号的数字量需要极高的灵敏度，并且在这个 过程中消耗的电能也不能过高，而LM339是一款高精度、低失调、低功耗、 拥有四路独立比较功能的集成专用电压比较器芯片，与我们的要求非常符 合。

在如下电路图3.1中，我们又巧妙地的分别将前、后、左、右两路的反 相输入端与后、前、右、左的同相输入段比较，与传统的电压比较器的连接 方法相比，具有更加准确灵敏度更高不、易于调节、电路简单、功耗低等 优点，并且充分利用了一个电压比较器的四路比较单元，因此最后的比较效 果更加出色OUTPUT丄OUTPUIgI o1357911132468101214QUTPUT3gOUTPUT4O 0~~V4^O— V 二-O—-|GNDLM339R1R2R3R4■丄CCJV■1■2-四一耳這尖rHUJ图3.1通过一片LM339,我们将由光敏电阻产生的电压模拟量转换成了单片 机所需要的数字量3.2二自由度云台在实际应用中由于太阳在一直运动，就需要太阳能电池板时刻不停的转 动以时刻保持与太阳光线成九十度角，因此需要一套能保证太阳能电池板在 三维空间中转动的装置通过对各种装置的研究，最终决定选用二自由度云台，云台中有两个舵 机，在支撑普通的太阳能电池板的情况下，转动吋每个舵机的工作电流是 200ma左右，静止时每个舵机的电流在lOOma左右，相对于其它的马达来说, 所消耗的功率较小，符合低功耗的要求此外，舵机有个优点是可以控制它 转动的位置，实现精确定位的目的。

3.3电池转换电路电池转换电路我们暂时选用的是通过一个三极管控制继电器，实现不同 电池间的切换，便于太阳能电池板长时间工作首先电池一接的是继电 器的常闭开关，这样在给电池一充电时继电器部分是不消耗电能的，只 有在电池已充满电后，单片机给三极管一个高电平，继电器实现了跳变,实现了太阳能电池板给电池二充电，这样可以尽可能的减少电能的损耗, 实现低功耗3.4太阳能充电管理由太阳能电池板几乎没有像锂电池一样8.4伏或者8.2伏这样的电 压，因此需要将太阳能电池板电压进行转换，以达到适合给锂电池充电 的电压此外，给电池充电时，电池会有虚电压，而且为防止电池损坏 要防止过充，因此需要一款合适的电池管理芯片对电池充电进行管理， 实现充电过程中的涓流充电、横流充电，并防止过冲和回流保护等基 于此，我们选择了 cn3722这款芯片，它具有PWM降压模式充电管理集 成电路，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能CN3722非常适合对单节 或多节锂电池或磷酸铁锂电池的充电管理，具有封装外形小，外围元器 件少和使用简单等优点3.5无线数据由于太阳能电池板通常位于阳光下，而监控设备以及管理人员不可 能一直守在电池板跟前记录观察数据，因此需要将数据传送到远处，而用有 线进行数据传送需要耗费大量的成本，并且需要较高的维护费用和大量的维 护人员，因此我们选择无线进行传送数据的方式，一是可以减少大量资金的 投入，减少维护人员的数量，二可以不必考虑地形的影响，三是设备占用空 间少，维护简单。

我们选用的是XL02-2322无线数传模块,只需要将它的TXD和RXD 分别与430单片机的3.5, 3.4 口连接起来即可如图3.5r r人丄丄丄丄T40TB0P37URXP36UTXX1R 寸 Ed iszECI 乏ISLmd HHsogdP35URX36oT—CJc JXJVCCGNDTXDRXD123斗6XL02-2322图3.53.6 57稳压电源 由于电路中所有的模块均工作在5v电压的条件下，因此需耍有五伏电源 对整个系统进行供电我们釆用的是两片7805 5V变压芯片并联，将12 伏的电源转换成5V电源给整个系统供电7805分別用100uf的电解电容 和104的瓷片电容滤波，7805加上散热片，可以满足两个舵机最大工作。