太阳跟踪自动化控制系统设计

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太阳跟踪自动化控制系统设计
王东江　　刘亚军 （天津市电视技术研究所　　天津　　３００１９１ ）

［ 摘　 要］ 随着太阳能不断被人类发现利用， 如何应用自动控制系统有效捕捉太阳能更是当前自动化业界所面临的最新课题， 本次设 计就是利用自动控制技术实现了对太阳能的最大化合理

应用。 系统阐述了自动化控制系统的设计过程以及软硬件部分的设计， 统 本 系 采用ＡＴ８９Ｓ５２单片机作为整个系统的控制核心， 统采用了两种追踪模式： 电检测追踪模式和太阳角度追踪模式。 天时系统采用 系 光 晴 光电检测追踪模式， 阴天时系统进入太阳角度追踪模式。 光电检测追踪模式下， 电检测部分采用光电二极管作为光电传感器， 而 在 光 利 用硬件装置通过光电二极管的比较电路来判断太阳的方位， 而达到了追踪太阳的目的。 太阳角度追踪模式下，要是通过软件计算 从 在 当时当地太阳高度角和太阳方位角， 配合硬件来实现对太阳的追踪。 统的软件和硬件采用模块化设计思想， 成了系统的制作。 再 系 完 ［ 关键词］ 太阳能　　自动化控制　　追踪系统　　光电检测　　太阳角度　　单片机 ［中图分类号］ＴＮ３０４ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００７－９４１６（２０１０）０７－００１９－０８

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｓｏｌａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｅｒｇｙ
［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ］Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｔｒａｃｋｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ；Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ａｎｇｌｅ　ｏｆ　Ｔｈｅ　Ｓｏｌａｒ；Ｍｉｃｒｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｕｎｉｔ

１　 本设计的背景
１．１　 低碳　 环保　 节能 我国幅员辽阔， 多处于中低纬度， 且 太 阳能资源十分丰富， 究和重视太阳能开 研 发利用， 于我国低碳、 保、 能及环境 对 环 节 持续发展乃至全球环境保护有着深远的意 义。 １ ． ２ 　 太阳能在能源发展中的优势 随着２０世纪７０年代的能源危机， 球 全 环境污染日趋严重， 上各个领域新型技 加 术对低碳、 保、 能的迫切需要， 成了 环 节 形 一轮太阳能利用的新高潮。 阳能在能源 太 发展中占有相当凸出的优势： １）无污染 （ 性： 类比以往更强烈地认识到， 现可 人 实 持续发展、 境保护是发展进程的一个整 环 体组成部分， 境与发展不能相互脱离。 环 利用太阳能作能源， 正意义上实现低 真 碳、 保、 能： 在环境污染日趋严重的 环 节 这 今天显得尤为可贵。 ２）经济性： 着太阳 （ 随 能利用技术的－发展， 阳能利用的成本 太 已经大大下降。 家们的预测和研究一致 专 认为： １世纪人类最清洁， 廉价的能源 ２ 最 就是太阳能。 于以上的原因， 发太阳 鉴 开 能的利用有着重大的意义。 为提高太阳 而 能利用效率， 必要完善太阳追踪系统。 有 １ ． ３ 　 本设计的目的及意义 太阳追踪自动控制系统是利用太阳能 不可缺少的重要组成部分， 完善太阳追 而 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。 外， 算机在自动 另 计 化技术中发挥着极其重要的作用。 设计 本 是一套以单片机为控制核心的太阳自动追 踪控制系统， 够随着太阳光照射方向的 能 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、 本低， 但能在晴 成 不 天时正常追踪太阳， 突然出现阴天时也 当 能自动追踪， 样就提高了追踪的精度。 这 本

设计的目的是为了更充分的利用太阳能、 提高太阳能的利用率。 １ ． ４ 　 本设计的主要内容 这里所设计的太阳自动追踪系统是以 单片机为控制核心的自动控制系统， 个 整 系统是通过硬件、 件共同作用的结果， 软 因 此设计内容可以分为两个部分： １、 件部分通过三步来实现： 择芯 硬 选 片以及电路元件、 接电路图。 路主要包 连 电 括下面几部分： （１） 电检测电路的设计： 部分电路 光 这 要实现的功能是通过光敏元件来判断太阳 的朝向， 光信号转换为电信号， 送给单 将 传 片机。 （２） 片机控制电路的设计： 系统需 单 本 要控制两个电动机的正反转， 单片机接 当 收到由光电检测电路发出的信号之后作出 判断， 后控制电动机的转动。 然 （３） 钟电路的设计： 于系统中要进 时 由 行时间的控制， 此需要使用时钟电路， 因 电 路中选择串行时钟芯片ＤＳ１３０２。 （４） 示电路的设计： 用ＭＡＸ７２１９芯 显 采 片来驱动８位ＬＥＤ显示器， 来显示时间。 用 （５） 辅助电路： 复位电路及振荡电路（固 定接法） 、 按键电路。 ２、 件部分程序的编写： 硬件电路 软 在 连 接 的 基 础 上 利 用 ５１单 片 机 语 言 编 写 配 套 软件， 软硬件联合调试， 到系统稳定运 对 直 行。

２　 太阳自动追踪控制系统的总体 设计
２ ． １ 　 太阳自动追踪方式的选择 目前， 阳追踪方式很多， 于单片机 太 基 系统的追踪方式比较实用， 为单片机系 因 统具有体积小、 价低、 制灵敏等优点， 造 控 比较常见的有光电检测追踪方式和视日运

动轨迹追踪方式， 里设计的太阳自动追 这 踪系统在借鉴前人研究成果的基础上， 综 合了两种追踪方式的优点， 妙的将两种 巧 追踪方式结合在一起， 得系统更加稳定， 使 下面对两种追踪方式分别作一下介绍。 光电检测追踪方式是首先通过光敏传 感器将光信号转换为电信号， 片机接收 单 到电信号， 而控制电动机转动。 里采用 进 这 光敏二极管作为光电传感器， 用光敏二 利 极管遇到光照产生光电流导通的特性， 从 而对电路得到了控制。 过特殊的装置使４ 通 个 光 敏 二 极 管 分 别 控 制４ 个 方 向 ， 过 判 断 通 ４个光敏二极管中任意一个是否受到光照 而判断太阳的方向。 合机械装置， 到追 配 达 踪的目的。 视日运动轨迹追踪 在下文中称视日 （ 运动轨迹追踪为太阳角度追踪， 为它是 因 基于对太阳高度角和太阳方位角的计算而 进行追踪的） 在太阳角度追踪模式下， ， 系 统从外部时钟芯片中读取时间， 用这个 利 时间来计算当时的太阳高度角和太阳方位 角， 隔一段时间读取一次， 算一次太阳 每 计 角度值， 时计算出两次之间的角度差， 同 利 用这个角度差来控制电机的转动时间。 大体的工作流程是这样的， 机之后， 开 系统检测当时是白天还是黑夜， 是由一 这 个光电检测电路来检测的， 系统检测到 当 是黑夜时， 么系统停止运行； 果系统检 那 如 测到的是白天， 么系统首先按照光电检 那 测追踪方式进行追踪， 遇到阴天时， 统 当 系 会自动转到太阳角度追踪模式下， 续进 继 行追踪， 为太阳角度追踪模式在没有太 因 阳的情况下也能进行追踪， 阴天过后出 当 现晴天时， 统又会自动转到光电追踪模 系 式下进行追踪。 样采用两种追踪方式结 这 合， 种追踪方式互相补充， 系统运行更 两 使 加稳定， 高了系统追踪的精度。 提

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２．２　 系统开发过程 系统的开发是用单片机组成应用系统 从任务提出到设计定型、 造调试、 到使 制 直 用的整个过程。 单片机控制系统的开发 在 和设计中， 先要明确设计要求， 确定系 首 即 统的功能指标， 后制定系统方案， 后是 然 最 方案的实施。 单片机控制的主要内容包含总体设计、 硬件开发、 件开发及样机联调等。 件开 软 硬 发时要先设计、 制原理图， 据系统的各 绘 根 项技术指标独立进行软件设计； 要根据 还 所设计的原理电路， 合考虑系统的性能 综 和计算要求， 理布置元器件。 进行印刷 合 再 电路板的设计、 工， 后将元器件仔细核 加 最 对后焊接在线路板上。 后用万用表、 辑 然 逻 测试笔、 波器等仪器对硬件线路进行检 示 查排错， 要时借助仿真器进行硬件调试。 必 在完成了硬件和软件的分别调试后就可进 行联机调试， 一步排除软、 件的错误和 进 硬 不足， 现设计中的错误之处及时修正， 发 直 至所设计的系统达到预期的要求。 １示出 图 了单片机系统的研制开发流程， 次设计 本 就按照此流程来进行设计开发。 ２ ． ３ 　 系统的总体设计 ２．３．１　 设计思想 这里要实现的功能是太阳自动追踪装 置， 过大量的查阅资料以及研究世界范 通 围内目前所实现的太阳追踪装置， 此基 在 础上， 了更好的实现自动追踪系统的功 为 能， 采取了一系列措施： （１）采用ＡＴ８９Ｓ５２单 片机作为控制电路的核心。 （２）光 电 检 测 部 分采用光电二极管作为传感器， 两个光 每 电二极管组成一个比较电路， 电二极管 光 的导通和截止产生相位差， 过放大器将 通 信 号 传 给 单 片 机 的 Ｉ／Ｏ口 ， 达 到 有 效 的 控 以 制。 （３）利 用 由 光 电 二 极 管 组 成 的 比 较 电 路 来判断是白天还是黑夜， 是黑夜就启用 若 中断处理程序， 入等待状态， 是白天则 进 若 程序继续运行。 （４）利 用 光 电 二 极 管 来 判 断 晴天还是阴天， 天时采用光电检测追踪 晴 模式， 阴天时启用太阳角度追踪模式。 （５）显 示部分采用ＭＡＸ７２１９芯片来驱动８位ＬＥＤ 显示器， 来显示时间。 ６）时钟电路采用 用 （ 的是串行实时时钟芯片ＤＳ１３０２ 。 控制部 （７） 分首先将单片机发出的信号放大， 后发 然 送给电动机， 机获得信号后发生动作， 电 从 而实现追踪的功能。

图１ 　 系统的开发流程

３　 系统的硬件设计
３．１　 光电检测电路 光电检测电路在整个系统中包括三部 分， 部分都是选择光敏二极管作为光电 三 传感器， 是光电追踪模式下的光电检测 一 装置， 此装置中， 光敏二极管受到光照 在 当 时导通， 受光照时截止， 光敏二极管的 不 由 导通和截止向单片机发出信号， 为输入 作 信号； 是为了判断昼夜作了一个检测电 二 路， 接到了外部中断ＩＮＴ０上， 黑夜时， 它 当 在 此 检 测 电 路 的 控 制 下 单 片 机 引 脚 Ｉ Ｎ Ｔ ０会 检测到低电位， 样就使系统启用中断服 这

图２ 　 控制电路连接图

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务程序， 入等待状态。 是为了判断晴天 进 三 还是阴天作的检测电路， 通过查询Ｐ０．４ 是 引脚的高低电位来判断阴天还是晴天的。 ３．２　 控制电路 在控制电路中， 继电器作控制， ４ 用 用 个继电器控制两个电动机的正反转。 ３．３　 外部时钟电路 本系统中需要进行时间的控制， 此 因 需要连接外部时钟电路， 择串行时钟芯 选 片ＤＳ１３０２作为外部时钟电路的核心。 ３ ． ４ 　 显示电路的设计 在系统运行过程中， 要显示时间， 需 有 时也需要调节时间， 于显示的内容只是 由 数码， 以选择ＬＥＤ数码管作为显示器， 所 由 于显示的位数比较多， 此选用ＭＡＸ７２１９ 因 来驱动８位ＬＥＤ数码管， 次显示月， ， 依 日 时， 。 分 ３．４．１　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， 常使用的是七段ＬＥＤ。 种 通 这 显示块有共阴极 如 图４） 共 阳 极 （ 与 （如图５） 两种。 阴极的ＬＥＤ显示块的发光二极管 共 阴极共地， 某个发光二极管的阳极为高 当 电平时， 光二极管点亮； 阳极ＬＥＤ显示 发 共 块的发光二极管阳极并接， 某个发光二 当 极管的阴极为低电平时， 光二极管点亮。 发 选线 （ａ～ｄｐ） 与一个８位并行口相连。 静 态工作模式下， 一位ＬＥＤ显示器都可独 每 立显示， 要在该位的段选线上保持段选 只 码电平， 位就能保持相应的显示字符。 该 由 于每一位由一个８ 位输出口控制段选码， 故 在同一时间里每一位显示的字符可以各不 相同。 动态： 多位显示ＬＥＤ时， 了简化电 在 为 路， 低成本， 所有位的段选码并联在一 降 将 起， 由一个８ 位Ｉ ／ Ｏ口控制， 而共阴极点分别 由相应的Ｉ／Ｏ口线控制。 位ＬＥＤ动态显示 ８ 电路只需要两个８位Ｉ／Ｏ口。 个控制段选 一

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码， 一个控制位选。 于所有位的段选码 另 由 皆由一个Ｉ／Ｏ口控制， 此， 每个瞬间， 因 在 ８ 位ＬＥＤ只可能显示相同的字符。 想每位 要 显示不同的字符， 须采用扫描方式。 在 必 即 每一个瞬间只使某一位显示相应的字符。 在 此 瞬 间 ， 选 控 制 Ｉ／Ｏ口 输 出 相 应 字 符 段 段 选码， 选控制Ｉ／Ｏ口输出低电平。 此轮 位 如 流， 每位显示该位应显示的字符， 保持 使 并 一段时间， 过视觉暂留效果， 得视觉稳 通 获 定的显示状态。 ３．５　 辅助电路 辅助电路包括复位电路、 荡电路 选 振 （ 择的比较常用的固定接法） 按键电路 用 、 （ 来调整时间） 复位是单片机的初始化操 。 作。 片机在启动运行时， 需要先复位， 单 都 以便中央处理器ＣＰＵ以及其他功能部件都 处于一个确定的初始状态， 从这个状态 并 开始工作。 而， 位是一个很重要的操作 因 复 方式。 是单片机本身是不能自动进行复 但 位的， 须配合相应的外部电路才能实现。 必 ＭＣＳ－５１的ＲＳＴ引脚是复位信号的输入端。 复位信号是高电平有效， 续时间要有两 持 个机器周期以上。 ３．５．１　 振荡电路 在ＸＴＡＬ１和ＸＴＡＬ２引脚上接上石英晶 体和电容构成振荡器， １， ２起稳定振荡 Ｃ Ｃ 频率、 速起振的作用， 型值为４７ｐＦ。 快 典 内 部振荡方式所得的时钟信号比较稳定， 实 用电路中应用较多。 接如图７ 所示： 连 ３．５．２　 按键电路 本系统中需要调整时间， 此设置了３ 因 个按键Ｋ１、 ２、 ３， 按键的一端连在一起 Ｋ Ｋ 将 与ＧＮＤ相接， 一端分别与单片机引脚Ｐ２． 另 ４、 Ｐ２．５、 Ｐ２．６相接。 如果无键按下， 则Ｐ２．４、 Ｐ２．５、 ２．６口为高电平； 果有键按下， Ｐ 如 则 Ｐ ２ ． ４、 ２ ． ５ 、 ２ ． ６ 口 为 低 电 平 。 提 高 按 键 Ｐ Ｐ 为 工 作 稳 定 性 ， Ｐ ２ ． ４、 ２ ． ５ 、 ２ ． ６ 口 分 别 加 给 Ｐ Ｐ 上一个４．７Ｋ的上拉电阻。 键输入电路如 按 图８ 、 、 图９ 图１０所示。 其中Ｋ１是功能键用于选择调整系统的 月、 、 、 ， ２是加键， ３是减键， ２和 日 时 分 Ｋ Ｋ Ｋ Ｋ３分别用于对月、 时、 日、 分进行加１ 或减１ 。 在调整时， 一下加键则加１， 按加键则 按 长 系统自动连续加１， 到松开为止， 键也 直 减 是一样。

图３ 　 串行时钟芯片组成图

４　 系统的软件设计
４ ． １ 　 系统主程序设计 ４．１．１　 主程序设计 整个程序设计包括光电检测追踪模 式、 阳角度追踪模式、 钟部分、 示部 太 时 显 分。 软件设计方案： 机之后， 电复位， 开 上 系统进行初始化， 始化之后， 统首先判 初 系 断当时是白天还是黑夜， 是黑夜， 系统 若 则 启用中断处理程序， 入等待状态， 是白 进 若 天， 统会通过光电二极管来判断是晴天 系 还是阴天， 天时， 统进入光电追踪模 晴 系 式， 天时， 统进入太阳角度追踪模式。 阴 系 系统运行流程如图１１所示。

图４ 　 共阴极

图５ 　 共阳极

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其中检测白天还是黑夜是通过中断０ 来 判断的， 只要Ｉ Ｎ Ｔ ０检测到低电位， 系统就进 入中断服务程序， 入等待状态。 检测晴 进 而 天 还 是 阴 天 是 通 过 Ｉ／Ｏ口 查 询 来 实 现 的 ， 尽 管Ｉ／Ｏ口 查 询 方 式 需 要 不 断 的 去 侦 测Ｉ／Ｏ的 电平变化， 较耗费单片机的运行时间资 比 源， 是由于太阳角度追踪方式的程序比 但 较繁琐， 算量比较大， 此这部分不适合 计 因 使用中断。 在光电追踪模式下： 统首先检测位 系 于 圆 盘 中 央 的 光 电 二 极 管Ｄ０是 否 受 到 了 光 照，， 统是通过检测Ｄ０对应的单片机上的 系 引脚的高低电位来判断的。 果系统检测 如 到Ｄ０受到了光照， 时软件控制系统延时 这 １５分钟 这里的延时时间是通过查阅资料 （ 显 示 在１５分 钟 之 内 太 阳 角 度 是 基 本 上 不 变 的） 如果系统检测到Ｄ０没有受到光照， 。 之 后系统会对分布在Ｄ０周围的４个光电二极 管Ｄ１－Ｄ４分别检测， 果检测到哪个光电 如 二极管所对应的单片机引脚是低电位， 这 就说明这个光电二极管受到了光照， 时 这 系统命令此光电二极管所对应的电机朝规

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定 的 方 向 转 动 ， 到 Ｄ０受 到 光 照 为 止 ， 样 直 这 就完成了追踪太阳的目的。 在太阳角度追踪模式下： 阴天时， 当 光 电追踪模式不能准确地追踪， 果长时间 如 处在阴天状态下， 统不能及时地追踪太 系 阳， 样系统的追踪误差会很大， 重的话 这 严 还能使系统处于紊乱状态， 此为了提高 因 追踪精度， 须让系统在阴天时也能正常 必 追踪。 阳角度追踪模式不受太阳光强弱 太 的影响， 好弥补了光电追踪模式阴天不 正 能正常追踪的缺陷。 时钟部分： 统中选用的是串行时钟 系 芯片ＤＳ１３０２ ， 在太阳角度追踪模式下， 系统 需要读取ＤＳ１３０２内的时间用来计算太阳高 度角和太阳方位角。 显 示 部 分 ： 显 示 部 分 采 用 的 是 ＭＡＸ７２１９芯片来驱动８位ＬＥＤ显示器。 位 ８ ＬＥＤ显示器分别显示月份， ， ， 。 统 日 时 分 系 中用到了中断服务程序， 夜状态下ＩＮＴ０ 黑 检测到低电位， 统进入中断处理程序， 系 命 令两个电动机停止转动， 序设计如下： 程

图７ 　 复位电路原理图

图６ 　 显示部分电路图

图８ 系统复位电路

图９ 　 振荡电路

图１ ０ 　 按键电路

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４ ． ２ 　 光电检测追踪模块设计 系统启动之后会自动进入光电追踪模 式下追踪， 遇到阴天时才会进入太阳角 当 度追踪模式。 电检测追踪模式的软件设 光 计相对于太阳角度追踪模式来说要简单的 多， 它不存在读取ＤＳ１３０２ 时间、 计算太阳角 度的问题， 是通过判断指定的单片机引 它 脚电位的高低来确定太阳的朝向， 后单 之 片机控制电动机朝太阳光的方向转动， 直 到转动到位于圆盘中央的那个二极管受到 光照为止， 此这部分的设计也不存在每 因 次调整时电动机转动时间的计算， 为这 因 个转动时间是随机的， 因太阳光线与太 它 阳板之间的角度的大小而不同。 部分的 这 程 序 设 计 很 简 单 ， 需 要 单 片 机 检 测 ４ 个光 只 电二极管所对应的单片机的４个引脚的电 位的高低， 可以判断当时太阳的朝向， 就 并 对电动机发出相应的命令， 序流程图如 程 图 １２所 示 。 ４ ． ３ 　 太阳角度追踪模块设计 太阳角度追踪模式是在当单片机判断 当时是阴天状态时开始启用的， 通过软 是 件 查 询 来 实 现 的 ， 过 查 询 单 片 机 引 脚 Ｐ０． 通 ４电位的高低来判断是不是阴天状态， 引 当 脚Ｐ０．４为低电位时启用太阳角度追踪模 式。 阳角度追踪模式的原理很简单， 是 太 它 以太阳高度角和太阳方位角的计算为基础 的， １ 章在数学模型的建立中已经对太阳 第 高度角和太阳方位角的计算作了详细的介 绍。 入太阳角度追踪模式之后， 先读取 进 首 ＤＳ１３０２时间， 利用这个时间值计算出当 并 时当地的太阳高度角和太阳方位角的值， 通过太阳板的长度以及计算出的太阳角度 值来计算太阳板当时在太阳高度角和太阳 方位角方向分别偏移水平方向的高度， 延 时１５分钟之后， 用同样的方法计算延时 利 之后所对应的两个方向的偏移高度， 算 计 两次调整之间的高度差， 用这个高度差 利 来计算需要电动机转动的时间。 阳角度 太 追踪模块程序流程如图１３所示。 这里延时１５分钟是通过调用延时函数 ｄｅｌａｙ（）来实现的。 太阳角度追踪模式的程序 设计比较繁琐， 为它牵扯到太阳角度的 因 计算、 阳板上升高度的计算、 次调整电 太 每 机需要转动时间的计算。 ４．４　 时钟模块设计 前面在硬件部分的设计中已经介绍 了， 系统中采用的是外部时钟电路， 用 本 选

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的时钟芯片是目前常用的串行时钟芯片 Ｄ Ｓ １ ３ ０ ２。 ＤＳ１３０２有单字节传送方式和多字节传 送方式。 过把ＲＳＴ复位线驱动至高电平 通 来启动所有的数据传送。 ＳＴ输入线有两 Ｒ 种功能， 先ＲＳＴ接通控制逻辑， 许地 首 允 址／命令序列送入移位寄存器； 次， ＳＴ 其 Ｒ 提供了中止单字节或多字节数据传送的手 段。 数据输入时， 钟的上升沿数据必须 时 有效， 据的输出在时钟的下降沿。 果 数 如 ＲＳＴ为低电平， 么所有的数据传送将被 那 中止且Ｉ／Ｏ引脚变为高阻状态。 电时， 上 在 ＶＣ＞２．５伏之前， ＳＴ必须为逻辑０。 把 Ｒ 当 ＲＳＴ驱动至逻辑１状态时， ＣＬＫ必须为逻 Ｓ 辑０ 。 据传送有两种方式， 字节传送和 数 单 多字节传送， 序图如图１４和图１５所示。 时 单字节数据输入跟随在写命令字节的 ８个ＳＣＬＫ周期之后， 随后的８个ＳＣＬＫ周 在 期 的 上 升 沿 输 入 数 据 字 节 ， 据 从 位 ０ 开始 数 输入。 字节数据输出跟随在输入读命令 单 字节的８个ＳＣＬＫ周期之后， 随后的８个 在 ＳＣＬＫ周期的下降沿输出数据字节。 意， 注 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。 要 只 ＲＳＴ保持为高电平， 果有额外的ＳＣＬＫ周 如 期， 们将重新发送数据字节。 一操作使 它 这 ＤＳ１３０２具有连续的多字节方式的读能力。 当ＳＣＬＫ为高电平期间Ｉ／Ｏ引脚为高阻状 态。 据从位０ 开始输出。 数

图１ １ 　 系统程序流程图

图１ ２ 　 光电检测追踪模块流程

图１ ３ 　 太阳角度追踪模块流程

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４．４．１　 时钟模块程序流程 时钟模块采用串行时钟芯片ＤＳ１３０２， 它与单片机连接需要三条线ＳＣＬＫ 串行时 （ 钟线） Ｉ／Ｏ 数据线） ＲＳＴ 复位线） 程序 、 （ 、 （ ， 开始首先是变量初始化， 就是对这三条 也 线进行定义。 后是写数据， 数据， 示 之 读 显 数据， 体的流程。 具 ４．５　 显示模块设计 在显示部分， 们采用的是利用显示 我 接口芯片ＭＡＸ７２１９来驱动８位ＬＥＤ显示器， ８位ＬＥＤ显示器分别用来显示月、 、 、 日 时 分。 在单片机系统的硬件设计中， 们已 我 经对显示借口芯片ＭＡＸ７２１９的引脚功能和 外部硬件接口部分作了介绍， 对其进行 要

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操 作 和 控 制 ， 要 对 其 内 部 的８ 个 数 字 寄 存 就 器和６ 个控制寄存器进行软件编程。 ＭＡＸ７２１９能够接收的数据和命令的格 式为１６位数据包， ８位用来选择ＭＡＸ７２１９ 前 的内部寄存器地址， ８ 位为指令或待显示 后 数据的内容， 位在前， 位在后。 高 低 ＭＡＸ７２１９的工作时序如图１７所示， ＩＮ Ｄ 是串行数据输入端， ＣＬＫ时钟作用下， 在 串 行数据依次从ＤＩＮ端输入到内部１６位移位 寄存器。 ＬＫ的每个上升沿， 有一位数据 Ｃ 均 由ＤＩＮ移入到内部移位寄存器。 ＬＯＡＤ用来锁存数据。 ＬＯＡＤ的上升 在 沿， 位寄存器中的１６位数据被锁存到 移 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， 在下一个ＣＬＫ时钟上升沿之前产生， 且 否则数据将会丢失。 ＯＡＤ引脚由低电平变 Ｌ 为高电平时， 行数据在其上升沿作用下 串 方可锁存ＭＡＸ７２１９的寄存器， 此ＬＯＡＤ 因 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， 以可通过程序单独对每个寄存 所 器进行操作。 般情况下， 序先送控制命 一 程 令到控制寄存器， 送显示数据到数字寄 后 存器。 注意， 送数据每１６位为一组， 应 传 从 高 位 地 址 字 节 的 最 高 位 Ｄ１５开 始 发 送 ， 到 直 低位数据字节最后一位Ｄ０为止。 ４．５．１　ＭＡＸ７２１９的初始化程序设计 ＭＡＸ７２１９按５个控制寄存器规定的方 式对待显示的数字进行自动扫描显示， 所 以 在 显 示 程 序 之 前 ， 须 初 始 化５ 个 控 制 寄 必 存器： 译码方式寄存器、 示亮度寄存器、 显 扫 描范围寄存器、 闭寄存器、 示测试寄存 关 显 器。 上电时， ＡＸ７２１９的６个控制寄存器均 Ｍ 被复位， 示器熄灭， 入关断方式。 时 显 进 这 只扫描一个数位， 对８ 个数字寄存器中的 不

图１ ４ 　 单字节传送

图１ ５ 　 多字节传送

图１ ６ 　 时钟模块程序流程

图１ ７ 　 Ｍ Ａ Ｘ ７ ２ １ ９ 的数据传送时序图

图１ ８ 　 初始化流程图

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图１ ９ 　 系统设计的原理图

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消防自动控制装置的设计
刘亚军　　王东江 （天津市电视技术研究所　　天津　　３００１９１ ）

［ 摘　 要］ 消 防 自 动 控 制 装 置 用 以 探 测 火 灾 隐 患 ， 负 安 全 防 范 重 任 ， 现 代 建 筑 中 起 着 极 其 重 要 的 安 全 保 障 作 用 。 设 计 以 单 片 机 肩 在 本 为控制核心， 用主／从机结构， ／从机选用总线驱动芯片ＭＡＸ４８５在ＲＳ－４８５协议下进行串行通信。 采 主 ［关键词］消防　　自动控制　　ＡＴ８９Ｓ５１　　ＭＡＸ４８５ ［中图分类号］ＴＱ０８６ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００７－９４１６（２０１０）０７－００２６－０５

１　 系统的概述
随着我国经济建设的迅速发展， 民 人 生活水平的不断提高， 市用地日益紧 城 张， 使建筑物正朝着高层化、 集化方 促 密 向发展。 一趋势有效地缓解城市用地紧 这 张的问题， 时也便于集中供电、 热、 同 供 供 气， 于集中控制和管理， 该类建筑的 便 但 装修用料和方式也越趋多样化， 随着用 并 电负荷及煤气耗量的加大， 火灾的预防 给 和扑救带来很大麻烦。 此， 了保障建 因 为 筑物环境的安全可靠， 设计旨在设计出 本 出具有可靠性高、 时性好的火灾自动报 实 警装置。 本设计是基于单片机的火灾自动报 警装置， 过火灾探测器接收火灾初期产 通 生的烟雾， 场声光报警， 火灾信号传 现 将 输给区域报警控制器 以下简称从机） 同 （ ， 时由区域报警控制器向集中报警控制器 （以下简称主机） 输信号， 一步控制显 传 进 数据进行译码， 度寄存器置成最小值。 亮 初始化的主要任务就是设置显示模 式， 给６ 个 特 殊 功 能 寄 存 器 置 处 置 。 一 ， 即 第 将所有芯片的显示关闭， 关闭模式寄存 即 器， （×ＣＨ） 元送００Ｈ； 二， 所驱动 对 单 第 对 的ＬＥＤ数量进行设置， 给扫描限制寄存 即 器 ×ＢＨ） 元送０７Ｈ； 三， ＬＥＤ的亮度 （ 单 第 对 进行初始化， 择相应的显示电流占空比， 选 即给亮度调节寄存器 ×ＡＨ） 元送０ＦＨ； （ 单 第四， 每片芯片选择相应的显示方式 译 对 （ 码或非译码方式） 系统中选择译码方式。 本 即给译码模式寄存器 ×９Ｈ） 元送０ＦＦＨ； （ 单 第五， 所有的显示测试寄存器设置为正 将 常操作模式， 给 ×ＦＨ） 元送００Ｈ； 即 （ 单 第 六， 所有的显示开启， 给关闭模式寄存 将 即 器 ×ＣＨ） 元送０１Ｈ。 样就完成了整个 （ 单 这 初 始 化 过 程 。 始 化 流 程 图 如 图 １８ 。 初

示器显示火灾楼层和房间， 出声光报警 发 提醒值班人员， 班人员可以通过火警电 值 话、 灾应急照明、 灾应急广播、 动灭 火 火 联 火装置等采取进一步措施， 火灾造成的 使 损失降低到最小程度。

３　 系统设计的组成
设计就是根据题目的要求而对硬件和 软件进行规划， 选择合适的硬件电路和 并 软件程序来达到目的。 硬件电路是通过对设计要求的分析， 对各元器件的了解， 得出分立元件与集 而 成元件的某些连接方法， 达到设计的功 以 能要求。 包括对各种元器件的功能和接 它 法的了解， 及对各种元器件的选择和设 以 计方案的选择。 件设计是分析设计的硬 软 件用程序实现其功能， 且调试优化产品 并 功能。 ３．１　 控制器模块 ＡＴ８９Ｓ５１是高性能８位ＣＭＯＳ单片机片， 内含４Ｋ字节的可系统编程的Ｆｌａｓｈ只读程 序存储器， 件采用ＡＴＭＥＬ公司的高密 器 度、 易 失 性 存 储 技 术 生 产 ， 容 标 准８０５１ 非 兼 指令系统及引脚。 集Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ程序存储器既 它 可在线编程 ＩＳＰ） 可用传统方法编程及 （ 也 ｐｒｉｍａｒｙ　ａｎｄ　ａ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ［Ｊ］． Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ，２００８， （２） Ｘ１． ６２， ， ［８］ 林 晓 钢 ． 然 环 境 加 速 试 验 装 置 中 自 自动追踪太阳方法［Ｊ］．重庆大学学报，２００８， ２６，（５）， １１５－１１７． ［９］ ｈｔｔｐ：／／ｇｒｅｅｎｆｏｏｄ．ｎｏｒｔｈｅａｓｔ．ｃｎ／ ｓｙｓｔｅｍ／２００５／０８／１７／０５０１１１３２０．ｓｈｔｍｌ． ［１０ ］ 朱 定 华 ． 单 片 机 原 理 及 接 口 技 术 ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７． ［１１］杨光友．微型单片计算机原理与接 口技术［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社， ２００８． ［１２］Ｘ．Ｑ．Ｚｈａｉ　ａｎｄ　Ｒ．Ｚ．Ｗａｎｇ．Ｅｘｐｅ－ ｒｉｅｎｃｅｓ　ｏｎ　ｓｏｌａｒ　ｈｅａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ａｎｄ　Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ．２００６，１２，（２８）． ［１３］Ｃ．Ｃｉａｍｂｅｒｌｉｎｉ，Ｆ．Ｆｒａｎｃｉｎｉ，Ｇ． Ｌｏｎｇｏｂａｒｄｉ，Ｍ．Ｐｉａｔｔｅｌｌｉ　ａｎｄ　Ｐ．Ｓａｎｓｏｎｉ．Ｓｏｌａｒ ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｃｏｌ－ ｌｅｃｔｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｌａｓｅｒｓ　ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　２００８，２，３９（２），２３３－２４６． ［１４］Ｆ．Ｂａｎａｔ，Ｒ．Ｊｕｍａｈ　ａｎｄ　Ｍ．Ｇａｒａｉｂｅｈ． Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｂｙ ｓｏｌａｒ　ｓｔｉｌｌｓ　ｆｏｒ　ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｍｅｍｂｒａｎｅ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ．２００８，２，２５ （２），２９３－３０５．

２　 系统设计的意义
本设计主要面对的是广大居民， 优 其 点在于： １） 本低廉并能对火灾准确报 （ 成 警； ２） 需专业人员操作， 要放在合适 （ 无 只 位置， 电即可， 续使用， 便快捷； ３） 通 连 方 （ 能在火灾的先期预报、 灾的及时扑灭、 火 保 障人身和财产安全方面， 起到不可替代的 作用， 在现代民用建筑中创造一个安全 能 舒适的环境。 另外， 过本次设计使学生掌握文献 通 的查找方法， 据题目的要求制定总体方 根 案， 择元器件， 原理图， 目的软件流 选 画 项 程图， 写软件源代码的方法。 编 将此利用于太阳能电池板的话， 可以直 就 接从电池板上获得电能， 需另外电能输 无 入， 降低了系统的成本。 录（ 如图１９） 附

［参考文献］
［１］ Ｈｅｎｒｉｋ　Ｌｕｎｄ．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ． Ｅｎｅｒｇｙ［Ｍ］．２００７， （ ６） ３２ ，９１２－９１９． ［２］ 练 亚 纯 ． 太 阳 能 的 利 用 ［ Ｍ ］ ． 北 京 人 民出版社，２００５． ［３］ 徐机玲，蔡玉高．太阳能利用新突破 ［Ｊ］．瞭望，２００４，（３９）． ［４］ Ｍ．Ｎａｓｔ，Ｏ．Ｌａｎｇｎｉ　ａｎｄ　Ｕ．Ｌｅｐｒｉｃｈ． Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ｔｏ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ ｉｎ　ｔｈｅ　Ｇｅｒｍａｎ　ｈｅａｔ　ｍａｒｋｅｔ—Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｈｅａｔ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　Ａｃｔ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ． ２００７，３２ ７） （ ，１１２７－１１３５． ［５］ 徐 文 灿 ． 太 阳 能 自 动 追 踪 系 统 的 探 索与试验．物理实验，２００８，２３，（９），４５－４８． ［６］ Ｍａｒｌｅｔｔ　Ｗｅｎｔｚｅｌ　ａｎｄ　Ａｎａｓｔａｓｓｉｏｓ Ｐｏｕｒｉｓ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ ｃｏｏｋｅｒｓ：Ａ　ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｃｏｏｋｉｎｇ　ｉｍｐａｃｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　Ｓｏｕｔｈ　Ａｆｒｉｃａ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｐｏｌｉｃｙ， ２００７，３５ ３） （ ，１９０９－１９１９． ［７］ Ｊｏｈｎ　Ｆ　Ｍｙｌｅｓ，Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｈ　Ｎｉｃｋｌａｓ ａｎｄ　Ｌｏｕｉｓ　Ｊ　Ｇｅｒｉｃｓ．Ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｖｉｎｇ　ａ　ｃｉｒｃｕｌａｒ

５　结语
本设计能够自动检测昼夜， 动检测 自 阴晴天。 检测到是黑夜时会启用中断服 当 务程序， 入等待状态。 测到晴天时会直 进 检 接在光电追踪模式下进行追踪； 测到阴 检 天就会进入太阳角度追踪模式。 样能避 这 免阴天情况下不能准确追踪的问题。 此 因 即使在天气变化比较复杂的情况下， 统 系 也能正常的运行， 高了追踪的精度。 果 提 如

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数字技术与应用



  本文关键词：太阳跟踪自动化控制系统设计，由笔耕文化传播整理发布。