基于AT89S51的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

嚴(yán)峻

摘 要：太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是控制太陽(yáng)能電池板隨時(shí)正對(duì)太陽(yáng)，讓太陽(yáng)光時(shí)刻垂直照射太陽(yáng)能電池板的前端傳感裝置，一款優(yōu)良的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)能顯著提高太陽(yáng)能光伏組件的發(fā)電效率。文章詳細(xì)介紹了AT89S51控制的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程，采用了多種跟蹤方式相結(jié)合的光電檢測(cè)電路，并設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易前端光電檢測(cè)模塊，成本低、效率高、穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：AT89S51；光電檢測(cè)；硬件電路；太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）23-0001-03

1 內(nèi)核設(shè)計(jì)

51單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心處理器，在本設(shè)計(jì)中它的主要作用是：接收從光電檢測(cè)部分得到的信號(hào)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)的分析處理后，輸出信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)太陽(yáng)光接收裝置水平豎直雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的跟蹤。

本設(shè)計(jì)中采用的是AT89S51單片機(jī)。AT89S51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，DIP40封裝有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向并行I/O口線，2個(gè)外部中斷源，2個(gè)16位可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，支持在線編程。

2 光電檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

2.1 光電傳感器的選擇

本設(shè)計(jì)采用光敏二極管作為前端太陽(yáng)能電池板上的檢測(cè)傳感裝置，因其具有良好的光電特性和較高靈敏度，且具有良好的穩(wěn)定性和輸出持續(xù)性。其符號(hào)和外形，如圖1所示。

光敏二極管的參數(shù)：

①Umax：最高工作電壓，無(wú)光照，其反向電流不超過(guò)0.1安培時(shí)，兩端所加的反向最高電壓值。

②Tr：響應(yīng)時(shí)間，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)所需的時(shí)間。

③IL：光電流，有光照時(shí)，其兩端加有正常反向工作電壓時(shí)的電流值。

④Sn：光電靈敏度，光敏二極管對(duì)光的敏感程度。

⑤ID：暗電流，無(wú)光照射時(shí)，光敏二極管兩端加有正常工作電壓時(shí)的反向電流。

主要型號(hào)與參數(shù)，如圖2所示。

根據(jù)上表，對(duì)價(jià)格、響應(yīng)時(shí)間、靈敏度等參數(shù)進(jìn)行綜合考量后，確定了本設(shè)計(jì)中光敏二極管的型號(hào)：

①2CU1E作為檢測(cè)晝夜的光敏元件。原因：響應(yīng)時(shí)間短，光敏區(qū)大，易接收光線。

②2CU101D作為檢測(cè)陰晴的光敏元件。原因：靈敏度高，細(xì)微的光線變化也能檢測(cè)到

③3DU33作為晴天時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)光是否正射的光敏元件，原因光敏區(qū)大，感應(yīng)電流大，響應(yīng)時(shí)間短。

2.2 前端太陽(yáng)能檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

前端太陽(yáng)能光線檢測(cè)裝置由五個(gè)光敏二極管的組成，外部套有頂部開(kāi)孔的圓柱形罩子，如圖3 所示。

要想達(dá)到理想的檢測(cè)效果，則需對(duì)罩子上開(kāi)孔的直徑、罩子的高度、內(nèi)部光敏二極管的排列及間距等有嚴(yán)格的要求。照射的示意圖，如圖4所示。

為了達(dá)到良好的照射效果，圓柱體外罩上孔的直徑D應(yīng)為光敏二極管3DU33（D0）的直徑5 mm。并處于其正上方。確保陽(yáng)光直射時(shí)，完全照射到D0上。

同時(shí)必須注意的是：D0與D1、D2、D3、D4中任一個(gè)光敏二極管之間的距離不可以小于5 mm，各二極管之間的間距略大于光敏二極管的直徑便可，確保光線時(shí)刻都能照射到任一個(gè)光敏二極管，且只能照射到衛(wèi)衣一個(gè)光敏二極管上。因此，本設(shè)計(jì)中將間距定為6 mm（二極管直徑為5 mm）。

我們?cè)O(shè)定每次檢測(cè)的間隔時(shí)間為15 min，直射D0開(kāi)始， 15 min后，太陽(yáng)偏移，光線經(jīng)外罩中孔斜射入內(nèi)，照射二極管。當(dāng)太陽(yáng)光斜射時(shí)，設(shè)斜射角度為β，則可計(jì)算出圓柱型外罩的高度。在下一次檢測(cè)到來(lái)之前，即15 min內(nèi)，光線要從正射D0移動(dòng)到照射D0不足直徑的一半，或能照射到D1＼D2＼D3＼D4中的任意一個(gè)的直徑一半以上。則陽(yáng)光移動(dòng)距離的L要大于或等于0.5倍光敏二極管的直徑，即>=2.5 mm，同時(shí)要小于或等于1.5倍光敏二極管直徑，再加二極管之間6mm的間距，即<=13.5 mm。

故可得以下結(jié)論：L=Htanβ，（2.5≤L≤13.5）（1）

H=Lcotβ（2）

太陽(yáng)24個(gè)小時(shí)旋轉(zhuǎn)360 °，每10 min移動(dòng)的角度是一個(gè)定值。每小時(shí)15 °，則太陽(yáng)15 min約為 4 °，可計(jì)算出：36 mm≤H ≤193 mm。本設(shè)計(jì)中取高度為40 mm。

2.3 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)部分的電路主要有：晝夜檢測(cè)電路、陰晴檢測(cè)電路、晴天光線檢測(cè)電路。

2.3.1 晝夜檢測(cè)電路

晝夜檢測(cè)電路的作用是通過(guò)初檢判斷當(dāng)前是白天還是黑夜，若為黑夜，則系統(tǒng)進(jìn)入中斷，無(wú)需工作，切換為睡眠模。若為白天，則進(jìn)一步進(jìn)行陰晴檢測(cè)步驟。

工作原理：采用2CU1E型光敏二極管作為光敏元件，用其判斷白天黑夜。比較電路采用運(yùn)算放大電路，該運(yùn)放的輸出端接單片機(jī)P3.2上。運(yùn)放的反相輸入端接固定電壓+5 V，運(yùn)放的同相輸入端接2CU1E光敏二極管的正極，通過(guò)試驗(yàn)確定R51=100 kΩ，R52=1 kΩ，R2=1 kΩ，R53=1 kΩ。晝夜檢測(cè)電路原理圖，如圖5所示。

2.3.2 陰晴檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)中采用兩種太陽(yáng)能跟蹤方法：光電跟蹤法和角度跟蹤法。由于白天的太陽(yáng)光線的強(qiáng)弱是不確定的，有陽(yáng)光燦爛的晴天，也有陰云密布的陰天。有時(shí)陰天的太陽(yáng)光線較弱，無(wú)法使光敏二極管導(dǎo)通，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的光電檢測(cè)模塊失效，甚至是整個(gè)系統(tǒng)的混亂，此時(shí)采用角度跟蹤法更加合理。所以，在確定為白天之后，需要判斷的是否為晴天。電路圖，如圖6所示。

2.3.3 晴天時(shí)的光電檢測(cè)電路

該電路是本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光電跟蹤方式的核心電路。將五個(gè)3DU33型光敏二極管按照?qǐng)D5安放在前端圓柱形太陽(yáng)光接收裝置的底部。與接收陽(yáng)光照射的電池表面平行，目的是保持統(tǒng)一的陽(yáng)光入射角度。

此電路由D0-D4五個(gè)3DU33型光敏二極管、R0-R4五個(gè)定值電阻 、一個(gè)LM324芯片（封裝四個(gè)運(yùn)算放大器U1-U3）構(gòu)成。具體接線如下：5個(gè)3DU33型光敏二極管的負(fù)極共接電源；它們的正極分別與LM324芯片的輸入端相接：LM324芯片的4個(gè)同相輸入端均連接在D0的正極上，芯片的4個(gè)反相輸入端分別與剩余四個(gè)3DU33型光敏二極管D1-D4的正極相連接。構(gòu)成了D0與D1、D2、D3、D4組成的四個(gè)相同的比較電路。LM324芯片的四個(gè)輸出端即四個(gè)運(yùn)放的輸出端與單片機(jī) AT89S51 P2.0-P2.3并行I/O口線相連接。因此，通過(guò)讀取P2.0-P2.3端口輸入電平的高低即可判斷出太陽(yáng)光線入射的角度。電路圖，如圖7所示。

3 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

在前篇所述的光電檢測(cè)電路中，光信號(hào)一步一步被轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可識(shí)別的電信號(hào)，從而完成由單片AT89S51為內(nèi)核的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制前端太陽(yáng)能接收裝置的角度調(diào)整。而電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)AT89S51來(lái)控制的，通過(guò)對(duì)兩級(jí) NPN三極管導(dǎo)通和截止的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器閉合或斷開(kāi)的控制，從而達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)目的。如圖8所示。

該電路的工作原理：當(dāng)太陽(yáng)光未正射前端接收裝置，通過(guò)前端的光電檢測(cè)電路，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)AT89S51可以識(shí)別的電信號(hào)，假設(shè)D1受到光照，此時(shí)單片機(jī)的P2.0口線會(huì)輸入一個(gè)低電平。此時(shí)通過(guò)軟件控制系統(tǒng)的程序?qū)1.4口線清零，導(dǎo)致電機(jī)控制電路的第一個(gè)晶體管Q1截止，第二個(gè)晶體管Q2導(dǎo)通，于是繼電器閉和，電動(dòng)機(jī)有電流而轉(zhuǎn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。

4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

當(dāng)光電檢測(cè)電路檢測(cè)到當(dāng)前天氣為陰天時(shí)，軟件控制系統(tǒng)將轉(zhuǎn)變太陽(yáng)能跟蹤方式，采用角度跟蹤方式，由于角度跟蹤方式是將當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的太陽(yáng)角度參數(shù)的計(jì)算函數(shù)寫(xiě)入，只需確定當(dāng)前時(shí)間就可計(jì)算出確切數(shù)值。

本設(shè)計(jì)中采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，與單片機(jī)相連，需要的串行時(shí)鐘SCLK、數(shù)據(jù)線I/O、復(fù)位線RST三根線。數(shù)據(jù)是以一次1-31個(gè)字節(jié)進(jìn)行傳送的。如圖9所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于AT89S51單片機(jī)的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，采用光電檢測(cè)追蹤與角度追蹤相結(jié)合的太陽(yáng)能跟蹤方式，使用電機(jī)帶動(dòng)雙軸實(shí)現(xiàn)360度無(wú)死角旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高精度、高穩(wěn)定性的跟蹤效果。

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