太阳能跟踪系统毕业论文

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摘要

以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断的消耗，将越来越不适应可持续能源的发展的需要。加速开发以太阳能为主体的可再生能源以成为人们的共识。太阳能作为一种作为一种清洁能源，倍受人们重视。精确跟踪太阳，对太阳能利用率的提高是显著的，市场上急需一种高精度，高稳定性的跟踪控制器。跟踪太阳的方式主要有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。光电跟踪主要控制过程是：由光敏传感器采集太阳与光伏电池板之间水平与垂直方向的位置偏差信号与光强信号，并反馈给数据处理器与控制器，经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。视日运动轨迹跟踪将太阳位置受时间、季节、所在地区经维度等因素综合考虑。本设计采用光时互补的跟踪方法，即是以视日运动轨迹跟踪为粗调，从时钟模块读出当前时间计算出太阳的空间位置，并根据经纬度进一步计算出太阳的方位角和高度角。由单片机发出驱动信号控制步进电机转动，到达指定位置。先大致定位太阳的位置。当转到既定位置之后再采用光电跟踪方式，精确定位。这样可以互相弥补不足。为完成本设计，本文对跟踪方式进行了深入的研究，并在此基础上主要采用CDS光敏电阻，STC12C5A单片机与步进电机完成跟踪器的设计。首先根据设计要求和指标，提出系统的设计方案并确定方案性原理上的可行性。根据要求和各个模块的功能，完成主要器件的选型。在硬件系统设计的基础上，使用汇编语言完成软件程序的程序编写。最后，论文还对整个课题设计进行总结，并对课题中存在的问题提出了改善措施和进一步完善本系统的建议。主要工作包括以下内容：

（1）设计太阳能电池板自动跟踪的电路原理图;

（2）设计单片机的外围电路，光电转换电路，步进电机驱动控制电路; （3）设计整个系统的电路原理图;

（4）软件的设计：使用C51语言实现了单片机的控制程序设计;

关键词：光电跟踪;视日运动轨迹跟踪;光敏电阻;单片机

太阳能电池板自动跟踪系统设计

Abstract

As the consumption of natural resources based on conventional energy sources in energy structure, it will not become more and more able to meet the requirements for sustainable energy development. It becomes our common views to accelerate the exploitation of the solar energy which is the the main body of the renewable energy. As a kind of clean energy, the solar energy is becoming much appreciated. Therefore, tracking the sun precisely is significant to improve the utilization rate of solar energy and the market need a high-precision, high stability tracking controller.

There are mainly two ways to track the sun , including tracking the sun by photosensitive sensor and tracking the sun’s trajectory. The process of tracking by sensor is mainly : the sensor receive the signals which are the position discrepancy between the sunlight and the solar panel，in other word ,that is the position of the horizontal and vertical direction deviation. And feedback to the data processor and controller, then process the data and amplify , output driving signal . At last ,through the rotation of the stepper motor controlled by driving circuit and reduction box , it just adjust the angle until the sunray is completely perpendicular to the solar panel. The sun trajectory tracking mode is made ,given some other comprehensive factors such as time, season ,latitude and longitude .

This design use both tracking methods which are complementary . In other words ,it depends on the trajectory tracking for coarse adjustment ,which locate the sun. When it rotate on the setting position ,it will activate the photosensitive sensor to adjust the panel’s position accurately. And it can offset the both imperfections . To complete this design, this paper makes a deep research . And on this basis, we mainly use the Photosensitive resistance-CDS ,STC12C5A and stepping motor to complete the design of the tracker.First of all, according to the design requirements, we put forward system design plan and determine the feasibility of the project in principle. According to the requirements and function of each module, we complete the selection of main device. On the basis of the hardware system,use the assembly language to complete this programming. Finally, the paper summarizes the whole

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project design, and puts forward improvement measures on the problems existing in the subject and suggestions to improve.

Main work includes the following contents:

(1) Design Automatic tracking solar panel of the circuit diagram;

(2) Design the MCU peripheral circuit , photoelectric conversion circuit, stepper motor drive control circuit;

(3) Design circuit diagram of the entire system;

(4) The design of the software: use C51 language to realize the control program design by single chip microcomputer ;

Key words: sun tracking of using photosensitive sensor ; sun’s trajectory tracking ; Photosensitive resistance; Single chip microcomputer

III

太阳能电池板自动跟踪系统设计

摘要....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. II 第1章绪论.......................................................................................................... 1

1.1 太阳能电池板自动跟踪系统设计的背景及意义................................ 1 1.2 太阳光自动跟踪系统的国内外研究现状............................................ 2 1.3 项目研究的主要内容及预期目标........................................................ 5 第2章太阳能电池板跟踪相关理论研究.......................................................... 6

2.1 太阳的运行规律.................................................................................... 6

2.1.1 太阳高度角，方位角及时角介绍 .............................................. 6 2.1.2 太阳高度角及方位角计算公式 .................................................. 6 2.1.3 太阳能电池板跟踪参考坐标系 .................................................. 8 2.2 光伏电池的特性分析............................................................................ 9

2.2.1 光伏电池的光伏效应 .................................................................. 9 2.2.2 温度对光伏电池输出特性的影响 .............................................. 9 2.2.3 太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 ........................ 10 2.2.4 光伏电池的I-V和P-V特性曲线 ............................................ 11

第3章太阳能跟踪系统的控制目标与控制方案............................................ 12

3.1 控制方案选择...................................................................................... 12 3.2 控制方案设计...................................................................................... 13

3.2.1 光敏电阻设计的传感器 ............................................................ 13 3.2.2 跟踪控制系统整体原理框图 .................................................... 14 3.2.3 太阳能自动跟踪装置设计 ........................................................ 15

第4章电池板跟踪系统硬件设计.................................................................... 16

4.1 关键器件介绍...................................................................................... 16

4.1.1 STC12C5A60S2简介 ................................................................. 16 4.1.2 步进电机介绍 ............................................................................ 18 4.1.3 光敏传感器及元件 .................................................................... 20 4.2 CPU模块设计 ..................................................................................... 21

4.2.1 CPU硬件模块结构框图 ............................................................ 21 4.2.2 CPU 模块电路原理图 ............................................................... 22

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4.2.3 复位电路 .................................................................................... 23 4.2.4 晶振电路 .................................................................................... 23 4.2.5 发光二极管 ................................................................................ 24 4.3 光电传感模块...................................................................................... 24 4.4 实时时钟模块...................................................................................... 27 4.5 RS232通讯模块 .................................................................................. 28 4.6 EEPROM存储模块 ............................................................................ 29 4.7 系统电源设计...................................................................................... 30 4.8 步进电机驱动电路.............................................................................. 30 第5章太阳能电池板跟踪系统软件设计........................................................ 31

5.1 Keil C51 软件介绍 ............................................................................. 31 5.2 软件总体设计及流程图...................................................................... 32

5.2.1 软件总体设计 ............................................................................ 32 5.2.2 软件流程图设计 ........................................................................ 33 5.3 软件关键模块设计.............................................................................. 34

5.3.1 串口通信程序设计 .................................................................... 34 5.3.2 EEPROM的读写程序核心代码 ................................................ 34 5.4 程序设计要点及注意事项.................................................................. 36 第6章实验及结论............................................................................................ 40 第7章总结及展望............................................................................................ 41

7.1 总结...................................................................................................... 41 7.2 展望...................................................................................................... 41 第8章附录........................................................................................................ 42

8.1 控制板原理图...................................................................................... 42 8.2 部分数据结构...................................................................................... 42 8.3 部分软件代码...................................................................................... 46 参考文献........................................................................................................ 53 致谢.............................................................................................................. 54

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第1章绪论

1.1 太阳能电池板自动跟踪系统设计的背景及意义

英国的工业革命推动生产力的极大发展，而工业化需要能源作为保障的。据统计人类前5000年都没有近300年对能源需求的迫切。随着现代文明的发展需要更多的能源满足人们的需求！尤其是正处于发展高速期的我国更是对能源的需求更加旺盛；预计全球对各种能源的需求年均增长约1.7%，到2030年日需求量将从目前的约2.2亿桶油当量增加到约3.35亿桶油当量。这样巨大的能源增量远远超出今天所消耗的能源数量，以油当量计算，大约是目前沙特阿拉伯石油产量的10倍中国能源消费目前已经占世界总量的13.6%使得世界越来越将能源的话题聚焦在中国和亚太地区；能源危机已经开始显现。能源的危机对我国经济增长是致命的。发达国家美国对石油极其的敏感。各国多石油的争夺日趋激烈化，众所周知的伊拉克战争，现在的北极之争等都是以能源争夺作为背景的！因此对资源的争夺，仍将是未来几十年世界动荡的主要原因之一。

太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式—电能，从而具有热利用不可比拟的优势，同时光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点：

1. 太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能 6000倍。光伏发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。 2. 太阳能随处可得，就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失。

3. 太阳能不用燃料，运行成本很小。 4. 发电部件不易损坏，维护简单。

5. 光伏发电不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。安装1KW光伏发电系统，每年可少排放二氧化碳600～2300kg，一氧化氮16kg，二氧化硫9kg及其他微粒0.6kg。一个4KW的屋顶家用光伏系统，可以满足普通美国家庭用电需要，每年少排放的二氧化碳数量，相当于一辆家庭轿车每年的排放量。

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6. 光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。

但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来。

由于太阳能发电的成本比较高是照成光伏发电没有高速发展的主要原因之一，所以为了降低成本提高太阳能利用率显得极其重要。又由于新技术的发展即聚光技术的发展极大的提高了太阳能利用率，目前最新技术最高达到3～4倍。但是聚光对于但是聚光组件对太阳入射角度要求很高，要求光线要几近垂直的照射到电池板上，所以太阳跟踪技术显得愈加重要了。有了跟踪器加上聚光技术使得太阳能利用率有很大的提高。所以对太阳能电池板的跟踪技术的研究就显得十分必要了。而目前市场上的太阳电池板跟踪器的跟踪精度普遍不高，而且价格比较昂贵尤其是光电传感器。本设计为一种高精度的跟踪系统，而且尽可能的降低成本。因此，从能源利用及经济性等方面综合考虑，低成本的太阳光线跟踪技术具有重要意义。

1.2 太阳光自动跟踪系统的国内外研究现状

在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究了ATM两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。

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（也叫程序跟踪）；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。

从上世纪80年代美国的Solar One到2005年西班牙的PSIO均采用程序控

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制方式。该跟踪方式优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定的跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具有很高的数据处理能力和较大的数据存储空间，该跟踪系统还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，成本较高。

根据跟踪装置的轴数，视日运动轨迹跟踪装置分为单轴和双轴两种。（因为大都采用双轴跟踪，故下面主要讲后者）

1．单轴跟踪

单轴跟踪装置一般采用三种方式： (1)倾斜布置东西跟踪 ;

(2)焦线南北水平布置，东西跟踪 ; (3)焦线东西水平布置，南北跟踪 ; 2．双轴跟踪

如果能够同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能量，双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪通常可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。

(1)极轴式全跟踪

极轴式全跟踪是指聚光镜的一轴指向地球北极，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。反射面绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，反射镜按照季节时间的变化围绕赤纬轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。

(2)高度角-方位角全跟踪

高度角-方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上，两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。根据太阳角度的计算方法，工作时反射镜根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变反射镜的倾斜角，使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且反射镜的重量保持在垂直轴所在的平面内，支持机构容易设计。但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。

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程序跟踪是根据当地地理位置和时间等利用程序计算出当前太阳位置，并根据计算结果驱动聚光器向目标点运动，程序跟踪的优点是具有较高的适应性，在任何气候条件下都能稳定地跟踪，但是算法复杂，现场控制器需要实时进行大量的计算，这就要求现场控制器具很高的数据处理能力和较大的数据存储空间，程序跟踪还需要两个运动轴的高精度角度传感器作为本地定位检测，程序跟踪系统成本较高。程序跟踪方法的控制系统构成是采用开环控制方法，由于跟踪装置结构不稳定性导致跟踪存在累积误差，需要定期校正；在跟踪过程中，系统自身无法对机构的传动误差、地基及天体运行轨道的变化产生的误差进行修正，跟踪精度会随着时间的推移而降低，因此也需要定期校正。

传感器跟踪是利用传感器实时检测太阳光线的入射角，当入射光线与传感器主光轴的偏差超过设定值时，通过电机驱动跟踪机构运动，减小偏差，传感器跟踪的优点是能够实时检测太阳光线的入射方向，无累积误差。但高精度的传感器跟踪系统受光学系统的限制，在太阳光线偏离传感器基准轴线一定角度后就无法跟踪。

程序跟踪和传感器跟踪相结合的方式是指跟踪系统应用程序、传感器混合控制的方法，采用简化的太阳位置算法对太阳光线粗略跟踪，当粗跟踪结果满足精确跟踪要求，即精确跟踪传感器能够捕捉到太阳光线时，再利用光线跟踪传感器精确定位。由于粗跟踪采用了简化的数学算法，因此可以用成本较低的控制器代替昂贵的控制器。程序跟踪可以克服单一的传感器跟踪存在的跟踪范围窄，粗跟踪不稳定的问题，而传感器精确跟踪避免了程序跟踪需要定时修正的问题。

目前比较先进的程序跟踪方法是根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。

在设定跟踪地点和基准零点后，控制系统会按照太阳的地平坐标公式自动运算太阳的高度角和方位角。然后控制系统根据太阳轨迹每分钟的角度变化发送驱动信号，实现跟踪装置两维转动的角度和方向变化。在日落后，跟踪装置停止跟踪，按照原有跟踪路线返回到基准零点。从目前来看国内外开发跟踪系统以双轴跟踪系统为主，比较前沿的技术大都采用程序跟踪与传感器跟踪相结合的跟法。

考虑到成本问题单轴跟踪系统也有研究。

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用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。

2.2.3 太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响

图2.4a中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。图2.4b是温度不变时，不同日照强度下的光伏电池的特性曲线。

图2.4不同日照强度下的光伏特性

（a）光伏电池的伏安曲线（b）光伏电池的功率电压曲线

从上图曲线中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。光强从200-1000W/m2开路电压变化比较平稳。在实验中也发现，当早晨光线不强和中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大，而天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为0。而短路电流是随光强的增加而成正比的增加。

所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径：可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本，但是聚光器对光照条件要求比较高，最主要是要求光线要近乎垂直地照射到太阳能电池板上。所以太阳能跟踪系统就显得十分有必要，而且该跟踪系统的精确度直接影响到发电效率。

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2.2.4 光伏电池的I-V和P-V特性曲线

光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的P-N结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率P，即P=VI。如图2.5所示。

图2.5光伏电池的I-V和P-V特性曲线

可以看出，此I-V曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在第四章中将对此问题进行研究。在P-V特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，跟I-V曲线说明了同一个问题，这为光伏发电控制方法的改进提供了途径。

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第3章太阳能跟踪系统的控制目标与控制方案

3.1 控制方案选择

目前比较先进的程序跟踪方法是根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。但是上述方法是有一些缺点的，主要是程序的计算量太大，从而影响到响应的速度，而且对CPU要求很高。另一方面就是成本问题，GPS提供数据，成本会大大的提高，所以综合考虑整体运用通讯的方法将数据提前存储到存储器中，单片机只需从存储器中读取数据即可。跟踪系统具体参数如下图所示：

跟踪精度最大跟踪角度 (方位角) 最大跟踪角度 (高度角) ±0.1° 光敏电阻型号 GL5516 光敏电阻工作-30°～环境温度 +70° 单片机 STC12C5A 夏天启动时间冬天启动时间 - ±180° 6点 75° 亮电阻 5-10kΩ 0.5 1MΩ 8点步进电机功率 120W 暗电阻存储器 93LC66A 步进电机电压 DC24V 光敏电阻尺寸 5 mm

图3.1跟踪系统具体参数

减速器 PG120L3

该控制系统采用光时互补的控制方案，即以程序跟踪做为粗调，光电跟踪作为细调。其中程序跟踪的控制方案为：根据天亮时间，比如夏天的时候6点天亮，这样就要使程序定在6点的时候启动跟踪系统。而冬天的时候要等到8点才启动。

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天黑时方案同理，将系统关闭，夏天和冬天关闭的时间是不一样的。同时关闭系统之前将电池板从最西方调整到最东方等待下一天太阳的升起。当启动后采用30分钟调整一次，可以防止电机盲目转动又可以节省电机耗能。将程序的参数通过通讯存储到EEPROM中。程序的数据可以修改，使用灵活方便。可以自动调整误差，可以避免灰尘等其他因素照成的误差，即不受外界干扰。

光电跟踪作为程序跟踪的补充，对电池板位置进行精确的调整。设计光电跟踪时首先涉及到硬件，光电传感器用光敏电阻来设计，选用GL5516型号电阻。当乌云遮挡时根据光电传感器的光强信号可以自动停止光电跟踪。还有步进电机，采用DC24V，120W的步进电机适合驱动4×4m的电池板。PG120L3减速器减速比30:1可以将步进电机的每一步角度降得很低。可以满足0.1的精度要求。

3.2 控制方案设计

3.2.1 光敏电阻设计的传感器

图3.2 光电传感器镜筒图

θ为太阳入射光线与主光轴的夹角，d为光电传感器上的太阳像直径。根据几何光学原理可得：

光电传感器直径为25mm，可计算出光电池的检测范围为1.48°，太阳像直径约为3.8mm, 即当粗跟踪将传感器主光轴与太阳入射光线间的夹角调节至1.48°以内时，太阳像便能全部呈现在光传感器筒内电阻上。

由光敏传感器采集太阳与光伏电池板之间水平与垂直方向的位置偏差信号

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与光强信号，并反馈给数据处理器与控制器单片机，经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。直到太阳光线完全垂直照射电池板。其中电源的电取自太阳能电池板；光电传感器利用光敏电阻特性设计而成。如上图所示当A与D被遮挡这是A与B之间电阻值相差很大这样传感器就会产生电压差送入单片机处理经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。直到A与B没有电压差未止。C与D同理。当A,B与C,D都没有电压差时即阳光正对电池板和传感器镜桶时，光敏电阻E对不同的光强会有不同的电阻值，产生不同的电压信号给单片机处理，当乌云遮挡时，光强很弱，单片机就可以停止光电跟踪，避免了盲目跟踪。

3.2.2 跟踪控制系统整体原理框图

实时时钟

存储器单片机电脑步进电机及驱动电路

图3.3 跟踪控制系统整体原理框图

光电传感器系统整体框图如上图所示：其控制过程是视日运动轨迹跟踪与光电跟踪的结合方式。先从电脑中将确定地理位置信息的太阳高度角方位角的数表传入到存储器中该数表是高度角（方位角）随天数与小时数变化的二维变量。单片机从实时时钟中读出时间信息，从存储器中查数表，得出高度角与方位角发出驱动信号。这样程序法的初步定位完成了。光电传感器通过电池板的位置信号，得出信号差传入到单片机中发出驱动的信号，调整电机直到精确位置。

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3.2.3 太阳能自动跟踪装置设计

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图3.4太阳能自动跟踪装置图

1-支座；2-支柱；3-电池板支架；4-销轴；5-减速箱体（含电动机）；6、15-主轴；7-丝杆；8-横支架；9、5-电机；10-减速器；11-铰链为方位轴和俯仰轴。

1．东西方向跟踪

在减速箱体5内安装由电机等构成的传动机构。主轴通过轴承安装在减速箱体上，主轴的下端固定在支座1上，支柱2的下端固定在减速箱体上，支柱2的上端通过销轴4与电池板支架连接。电机通过带动齿轮转动，并带动减速箱体、电池板支架转动，完成东西方向的跟踪。

2．南北方向跟踪

支柱2上设置一个横支架8，横支架8端部铰接一个减速器10，减速器中设有蜗杆（图中未画出）与电机9相连，蜗杆与设在减速器中的蜗轮啮合，蜗轮中心设有螺孔与丝杆7连接配合，丝杆7的一端通过铰链11与电池板支架连接。电机9通过蜗轮蜗杆、丝杆螺孔机构带动电池板支架转动，完成南北方向的跟踪。

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第4章电池板跟踪系统硬件设计

4.1 关键器件介绍

4.1.1 STC12C5A60S2简介

STC12C5A60S2系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）单片机。是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速速快8-12倍。内部集成2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

图4.1 STC12C5A60S2单片机

它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。

在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。

主要特性

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与8051兼容

增强型8051内核，速度是传统8051的8-12倍有外部掉电检测功能

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管脚说明

数据保留时间：10年工作频率：0HZ~35HZ 内部RAM1280字节 32可编程I/O线 4个16位定时器/计数器 5个中断源可编程串行通道

EEPROM功能，擦写次数10万次

P0.0~P0.7 P0：P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0~A7，数据线D0~D7 P1.0/ADC0/CLKOUT2 标准IO口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出 P1.1/ADC1 。 P1.2/ADC2/ECI/RxD2 标准IO口、ADC输入通道2、PCA计数器的外部脉冲输入脚，第二串口数据接收端 P1.3/ADC3/CCP0/TxD2 外部信号捕获，高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端 P1.4/ADC4/CCP1/SS非 SPI同步串行接口的从机选择信号 P1.5/ADC5/MOSI SPI同步串行接口的主出从入(主器件的输入和从器件的输出) P1.6/ADC7/SCLK SPI同步串行接口的主入从出 P2.0~P2.7 P2口内部有上拉电阻，既可作为输入输出口（8位准双向口），也可作为高8位地址总线使用。 P3.0/RxD 标准IO口、串口1数据接收端 P3.1/INT0非外部中断0，下降沿中断或低电平中断 P3.3/INT1 P3.4/T0/INT非/CLKOUT0 定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

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4.1.2 步进电机介绍

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

其具有如下的特点：

1）励磁绕组上施加的不是一个恒定的直流或交流电压，而是采用电子开关断续加以直流电压，即采用脉冲供电方式，用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。

2）电机的转速与脉冲频率保持严格的同步关系。位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。

3）步进电机具有加速转矩大等特点，其性能的提高与控制方式、驱动电路的参数等有密切的关系。

4）停止时，具有自锁能力，定位精度高。

5）无刷，电机本体部件少，可靠性高；易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好。

6）步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。

步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机

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（PM）、混合式步进电机（HB）、单相步进电机、平面步进电机等多种类型。

图4.2 步进电机原理图

1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：

2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A??通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A??通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。

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4.1.3 光敏传感器及元件

光敏传感器是基于光电效应、将光信号转换为电信号的传感器，其敏感元件是光电器件。光敏传感器主要由光敏元件组成。目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。主要有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池。

１、光敏电阻原理

光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

2、光敏电阻的应用

光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。

本次设计采用的是CDS光敏电阻。光敏二极管CDS是一种电阻值随光照强度变化而变化的感光电阻，本系统采用3个光敏电阻作为传感器来检测天空光线的变化，跟踪太阳的位置。

光敏电阻的特性与人眼最为接近，所以适合可见光的测量。选用的型号是GL5516，它的暗电阻为100K欧，亮电阻为5～l0K欧。CDS的阻值变化与光照的变化之间的关系是线性的，它的阻值的变化是在一个范围内沿着一条直线上升或下降。

图4.3 GL5516光敏电阻

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4.2 CPU模块设计

CPU模块负责传感器信号处理，电机控制与电脑通讯，同时协调控制各功能电路工作。本设计采用宏晶公司的高性能8位单片机STC12C5A60S2。CPU模块可以说成一个单片机最小系统，由CPU、供电电源、复位电路和时钟电路。CPU在电源、时钟和复位电路的作用下正常工作，通过EEPROM电路存取运行参数。CPU电路设计中引脚功能定义是很重要但是也最基本的工作。在本系统中：

P0口作为I/O接口，负责指示灯控制信号； P1口作为I/O接口，光电信号输入；

P2口作为数据接口，负责从EEPROM中读出数据与存入数据； P3口作为串行通信接口。

4.2.1 CPU硬件模块结构框图

复位电路光敏传感器

图4.4 CPU硬件模块结构框图

电机及驱动电路 STC12C5A 电脑通讯电路 EEPROM

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4.2.2 CPU 模块电路原理图

GNDRxDTxDNORTHMIDEASTWEUSTTHSO162738495E1AD4AD3AD2AD1AD0P11P1010uF/16VC1100n+5V+5VE210uF/16VCN1电脑4443424140393837363534U1P1.4P1.3P4.2/MISOP1.2P1.1P1.0VCCP0.0P0.1P0.2P0.3Z13332313029282726252423P04+5VGNDP46ALERESET1234567891011121314SIMR110KP3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1P4.0/SS123RESET4RxD56TxD7891011P1.5P1.6P1.7P4.7/RSTP3.0/RxDP4.3/SCLKP3.1/TxDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4P3.5P0.4P0.5P0.6P0.7P4.6P4.1/MOSIP4.5P4.4P2.7P2.6P2.5P46ALEP27P26P25GNDSTC12C5A60S2-QFP441213141516171819202122P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4RxDTxDP10P11GND+5VQ3DTB113EKCSSKDIDO11.0592MC2Y130pF30pFC3P04PNPR6330运行指示灯D1

图4.5 CPU模块原理图

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4.2.3 复位电路

为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般单片机

+5V电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。由于E2微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，

因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机电路开始正常工作。复位电路的主要功能是使整个电路处于一个确定的状态，以免引起错误的操作。

一般单片机复位需要5ms的时间。复位电路的实现可以用很多种方法，但是在功能上一般分为两种：1）一种是上电复位，即外部的复位电路在系统通上电之后直接使单片机工作，单片机的启停通过电源控制；2）复位电路中设计按键开关，通过按

键开关触发复位电平，控制单片机的复位。图4.6 复位电路

本次设计采用用的是第一种方法，即上电复位。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容器给RESET端一个短暂的高电平信号，次高电平随着VCC给电容器的充电过程中而逐渐回落。高电平的持续时间取决于电容充电时间。为了保证系统可靠复位，高电平信号必须维持足够长时间。

4.2.4 晶振电路

晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。

STC12C5A60S2单片机内部有一个用于构成振

荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和图4.7 晶振电路

XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的

C210uF/16VR110K11.0592MC3Y130pF30pF

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片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C3和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为11MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作.

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

4.2.5 发光二极管

发光二极管在其两端的电压差超出其导通压降时开始工作。发光二极管的导通压降一般为1.7V~1.9V。此外，工作电流要满足该二极管的工作电流。满足电流和电压的要求，发光二极管就可以发光了。此处接一个电阻式为了限制二极管的电流，从而达到减少功耗或者满足端口对最大电流的限制。一般二极管的点亮电流为5mA~10mA。

4.3 光电传感模块

1）光照检测部分

可利用光敏电阻传感器作为检测元件，它可以完成从光强到电阻值的信号转换，再把电阻值转换为电信号就可以作为系统的输入信号。光照强度的信号采集部分采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小；当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。

图4.8 光强采样电路

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光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高、光谱响抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理。

其中V5电压信号转换的是光强信号，其功能是测量光照强度，将信号传递给单片机处理，再结合时钟时间从而判断出天气状况，是阴天还是晴天，是否有乌云遮挡。V1，V2电压信号分别表示东西方向的光照强度，通过V1，V2的电压做差即东西方向的光照强度差，可以判断出太阳光线与电池板的水平方向的方位差，使系统做出调整，只要V1，V2的的差值超过设定值，系统就要做出调整。

V3，V4电压信号分表表示的是南北方向的光照强度信号，其工作原理与V1，V2原理相同。

1Rf21Rf11K1U1A21V11R210K3LM358V21R310K1C1104849K+5V21R19KD31U1B1R53100RLM358+5V11R41K6751R6100RAD2E_W1C21042Rf22Rf11K2U1A21V22R210K3LM358V12R310K2C1104849K+5V22R19KD42U1B2R53100RLM358+5V12R41K6752R6100RAD3W_E2C2104

图4.9 光电转换电路-东西方向

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3C1+5V1043R3AD485KV5W120K56LM3393U1B73R25K2SD1781KQ43R1+5V

5K 图4.10 光电转换电路图3-中间

2)信号处理部分：

采用集成电压比较器LM358N作为信号处理的核心元件，电路连接如原理图所示。东西方向光强、光照强度两钟光照状态转换为三个电压值V1，V2，V5作为比较器的输入电压；在使用单个集成运放构成加减法电路时存在两个缺点，一是电阻的选取调整不方便，二是对于每个信号源的输入电阻均较小，因此采用两级电路，如上图2所示第一级电路为同向比例运算电路。由模电知识得到

若

Rf1Rf2Rf2Vo1?(1?)V1,Vo??Vo1?(1?)V2R1R4R44R1?R2,R3?Rf1,?VO?1?(Rf2(V1?V2)R4)（243（1）4宝贝（（（2（从从从

从以上公式可以很明显的看出本设计完全符合上述公式。本设计中Rf2/R4=9,所以Vo=10（V1—V2)，即将东西方向的电位差放大了10倍并输出。其中二极管起到钳位作用当电压过高时D3导通使得输出点电位为5.7V，输出电位过低时可以使输出点电位保持在-0.7V，这样整体可以起到保护作用不至于烧坏单片机。其中南北方向是东西方向电路图完全一样，原理也相同。

图4.10所示是判断光照强度的信号处理电路，其实主要就是一个电压比较电路采用的是LM339，其W1是电位器，调整W1的电阻就可以调整参考点电压值，当V5值大于参考值时有放大输出三极管导通输出口呈低电位状态，反之呈高电位状态。这样可以很容易的对光照强度的阀值进行设定。从而很容易对体现天亮还是黑状态的光照强度通过对电位器的调整（参考电压）而做出调整。

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4.4 实时时钟模块

由于系统需进行时间控制，因此，需采用实时时钟。若使用单片机计时，长时间会引起较大误差，因此使用串行实时时钟PCF8583。该器件具有实时时钟，可提供秒、分、时、日、星期、月和年(闰

年补偿)，可采用12 h或24 h方式计时。图4.11 PCF8583

它具有日历时钟、计时、可编程定时中断，并提供256字节低功耗静态RAM。采用I2总线串行数据线，可方便与单片机接口。

OSCI: 振荡器的输入端；OSCO: 振荡器的输出端；A0: 地址输入端；Vss: 电源负端( 地) ；SDA: I2 C总线串行数据线；SCL: I2 C 总线串行时钟线；INT: 开路中断请求输出端( 低电频有效) ；Vdd: 电源正端。

8051 与 PCF8583 接口电路原理图如图 3 所示, P1. 5用作时钟线 SCL, P1.6 用作数据线 SDA。32. 768 kHz 的石英晶体必须接到 OSCI和 OSCO 之间, 微调电容在 OSCI和 Vss之间, 用于对振荡器频率进行微调。

Vdd(+5V)

STC12C5A60S2OSCI32.678kHzOSCOC0.1uFVddPCF8583SCLSDAVss10K10KP1.5P1.6

图4.12 实时时钟PCF8583与单片机连接图

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4.5 RS232通讯模块

单片机从一个I/O引脚逐位传输一系列二进制编码数据，就是串行通信。单片机的串行通信的实现需要以下3个方面的支持：

硬件构成：单片机的串口结构和通信接口连接。通过引脚串行数据接收端RXD和引脚TXD串行数据发送端与外界通信。

通信协议：RS-232通信协议。1）电气特性，对于数据，逻辑“0”的电平高于-3V，逻辑“1”的电平低于+3V；对于控制号，接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V。实际工作时，应保证电平在+—（3~15）V之间。RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在RS-232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。2)信号接口，与RS-232相匹配的连接器有DB-25、DB-15和DB-9。本设计使用的是DB-9连接器。作为提供多功能I\\O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器，它只提供异步通信的9个信号。

表3.13 DB-9的引脚定义

引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9 功能载波检测接收数据发送数据数据终端准备完成信号地线数据准备完成发送请求发送清除振铃提示图4.13 DB-9的引脚定义

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RxD9U3R2OUTT2INT1INR1OUTR1INT1OUTGNDVCCR2INT2OUTVS-C2-C2+C1-VS+C1+87C565432C71105105105C6RTTxD1011121314104C3+5V1516C8105+5VMAX232A

图 4.14 RS232通讯模块原理图

4.6 EEPROM存储模块

93LC66A/B是4KB,低电压，电可擦除存储器。93LC66A是8位，93LC66B是16位的，本设计中单片机是8位的所以选择8位的93LC66A比较合适。该芯片采用高级COMOS技术，所以功耗很低。对于要求低功耗的设备是很好选择。

CS:芯片选择端口；CLK：时钟信号端；DI：数据输入端口；DO：数据输出端口；Vss：接地端；NC：悬空端口；Vcc：电源端口。

+5VR55.1KR65.1KR75.1KR85.1KCSSKDIDO图4.15 EEPROM连接图

93LC66A/B1234CSSKDIDOVCCNCORGGND8765

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162738495CN1电脑RT+5VC2104

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4.7 系统电源设计

随着集成电路制造技术的发展以及数字式电子元器件的微小型化，集成电路器件制造商在保持并增强元器件功能的前提下，采用更为先进精细的制造工艺，在减少集成芯片几何尺寸的同时，降低工作电压。降低器件的工作电压的主要优点是使电池供电电流小，电源工作时间延长；器件产生的热量减少，提供了工作可靠性；降低了器件的噪声。此外，单片机和元器件可以做到更小、更轻、更精和连续时间更长。

在整个单片机系统设计中，电源的设计是需要首先考虑的，这决定了系统是采用单电源方案，还是多电源方案，系统的功耗有无特殊规定等。

单片机系统中的电源设计主要指3个方面：一是电源功耗，二是电源电压，三是电源管理。

本设计中，系统的电源采用的数字+5V，考虑到方便，电源可以从太阳能电池获得。但是系统的电压会很不稳定所以需要稳压性能较好的稳压源给给系统供电。

4.8 步进电机驱动电路

如下图所示是步进电机驱动电路，本设采用单电压驱动电路，单电压具有电路简单，功放元件少等特点，但是效率不高。单电压驱动电路适合反应式步进电机。与A相绕组并联的支路，起到释放绕组的电流，因为当Q2关断时绕组的电流不能突变需要释放的途径，电能将消耗在该支路的电阻上。其他电阻起到限

流的作用。驱动过程是当单片机发出信号从P20口图4.14 步进电机驱动电路输入当高电平时三极管导通，24V电压加在A相绕组与10K上。低电平时关断A相绕组不通电。

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10K10KD5P20R5Q2A相绕组2SD1781K24V华北科技学院

第5章太阳能电池板跟踪系统软件设计

5.1 Keil C51 软件介绍

目前51系列单片机编程的C语言都采用Keil C51(简称C51)，Keil C51是在标准C语言基础上发展起来的。Keil C51语言是在ANSI C的基础上针对51单片机的硬件特点进行的扩展，并向51单片机上移植，经过多年努力，C51语言已经成为公认的高效、简洁而又贴近51单片机硬件的实用高级编程语言。

Keil C51 软件是支持8051微控制器体系结构的Keil开发工具，Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编语言相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。并且，Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全新Windows界面，更适合初学者的学习和掌握。Keil C51软件进行开发有如下优点：

（1）可读性好。C51语言程序比汇编语言程序的可读性好，因而编程效率高，程序便于修改。

（2）模块化开发与资源共享。用C51开发出来的程序模块可以不经修改，直接被其他项目所用，这使得开发者能够很好地利用已有的大量的标准C程序资源与丰富的库函数，减少重复劳动。

（3）可移植性好。为某种型号单片机开发的C语言程序，只需将与硬件相关之处和编译连接的参数进行适当修改，就可以方便地移植到其他型号的单片机上。

（4）代码效率高。当前较好的C51语言编译系统编译出来的代码效率只比直接使用汇编语言低20%左右，如果使用优化编译选项，效果会更好。

Keil C51软件存储模式

存储模式决定了没有明确指定存储类型的变量，函数参数等的缺省存储区域，共三种：

Small模式，所有缺省变量参数均装入内部RAM，优点是访问速度快，缺点是空间有限，只适用于小程序。

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Compact模式，所有缺省变量均位于外部RAM区的一页(256Bytes)，具体哪一页可由P2口指定，在STARTUP.A51文件中说明，也可用pdata指定，优点是空间较Small为宽裕速度较Small慢，较large要快，是一种中间状态。

Large模式，所有缺省变量可放在多达64KB的外部RAM区，优点是空间大，可存变量多，缺点是速度较慢。

5.2 软件总体设计及流程图

5.2.1 软件总体设计

系统中软件设计占有很重要的地位。它不仅要处理光电传感信号，发出步进电机的控制信号，还要保持和上位机的通讯。因此系统软件的好坏直接决定着系统的功能和稳定。

本设计采用Keil C51设计，软件包括：主程序模块、光电跟踪子程序、视日运动跟踪子程序和RS232通讯模块等。单片机首先与电脑通讯将以当地理信息的为变量的数表下载到EEPROM中，系统初始化完成。然后根据主程序，分别进入光电跟踪和程序跟踪模式。光电跟踪模式下，单片机根据光电传感器的信号输入，获取光照强度，东西，南北光强差信号等信息，控制信号输出；程序跟踪模式下，单片机根据上位机通过RS232传输的数表即EEPROM中的数表，控制信号输出。

本设计系统软件主程序流程图如图5.1所示，光电跟踪子程序流程图如图5.3所示，视日运动跟踪程序流程图如图5.2所示。

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5.2.2 软件流程图设计

开始

开始读入时间白天？是视日轨迹跟踪否

驱动步进电机1高度角计算方位角计算驱动步进电机2光电跟踪

调整方位角到位调整高度角到位调整到位？是否

返回主程序

图 5.1软件主程序流程图图5.2 程序跟踪程序流程图

开始光强采集信号单片机处理

调整到位？否