太阳能电池板自动跟踪系统设计
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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