基于單片機(jī)技術(shù)的室內(nèi)照明光伏優(yōu)化供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆璞+王貴鋒

摘 要：為了提高太陽能光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，本文以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了室內(nèi)照明光伏供電控制系統(tǒng)。通過采樣光敏電阻檢測與比較，雙軸機(jī)械跟蹤定位，使光伏電池組件板與太陽光垂直。系統(tǒng)主要由光敏電阻、A/D轉(zhuǎn)換TLC549芯片、主控單片機(jī)STC89C51、舵機(jī)轉(zhuǎn)動驅(qū)動、液晶顯示模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，能在人工不干預(yù)的情況下自動檢測光強(qiáng)度，特別適合與于氣候變化和無人看守的情況。

關(guān)鍵詞：光伏電池；轉(zhuǎn)換效率；單片機(jī)；陽光自動跟蹤

中圖分類號：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to improve the conversion efficiency of photovoltaic cell module， a sunlight automatic tracking system （SATS） was designed using a microcomputer on （MSC） a single chip as a control core in this paper. The orientation of photovoltaic cell module was automatically adjusted to be perpendicular to the rays of sun by checking and comparing the photosensitive resistance using， together with positioning of dual axis mechanical tracking. The system was composed of photosensitive resistance， A/D conversion chip TLC549， STC89C51， steering gear driving and liquid crystal display module. The designed system has many advantages including low cost， simple structure， light intensity checking， no artificial intervention and adaptability for various whether.

Keywords： photovoltaic cel； Conversion efficiency； Microcomputer on a single chip； Sunlight automatic tracking

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，煤、石油、天然氣等不可再生化石能源正在急劇減少。同時(shí)，這些石化燃料的大量使用給地球帶來的環(huán)境破壞不可小覷。太陽能是一種免費(fèi)、潔凈無污染、取之不盡、用之不竭、分布范圍廣的永恒能源。人們利用太陽能量已經(jīng)有3000年，但是真正把太陽能作為一種資源能量和潛力利用卻只有400年左右的時(shí)間，目前，對太陽能量更好地采集運(yùn)用對今后的發(fā)展起著至關(guān)重大的作用。太陽能光伏電池是利用半導(dǎo)體器件的光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。然而，由于太陽能存在著間歇性、分散性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間連續(xù)變化的問題，導(dǎo)致光伏電池的轉(zhuǎn)換效率較低。本文設(shè)計(jì)了室內(nèi)照明光伏優(yōu)化供電控制系統(tǒng)，能自動調(diào)節(jié)光伏組件的方位，使其與太陽光線始終垂直，有效提高了光電轉(zhuǎn)換效率。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單、能自動檢測光強(qiáng)，無需人工干預(yù)，適合氣候變化大和無人看守的情況，有較好的推廣和利用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽光的強(qiáng)度變化會產(chǎn)生電信號，通過光電器件檢測和采集陽光強(qiáng)度。將信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行判斷比較，得出相應(yīng)的控制信號，控制舵機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而帶動聚光板的轉(zhuǎn)動，使其保持與太陽光的垂直。如圖1所示，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括信號采集與處理電路、控制電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

在4個(gè)象限內(nèi)分別放置4個(gè)用遮光板隔開的光敏電阻。當(dāng)太陽光沒有正對4個(gè)光敏電阻而向某一個(gè)方向傾斜時(shí)，就會在其一側(cè)形成一定的陰影，產(chǎn)生明顯的光強(qiáng)度差。再通過單片機(jī)控制雙軸舵機(jī)機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動并用液晶顯示屏顯示參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由主控電路、太陽光線自動跟蹤、A/D轉(zhuǎn)換、太陽光跟蹤機(jī)械驅(qū)動和液晶屏顯示等單元組成。

2.1 主控電路

采用單片機(jī)STC89C51進(jìn)行信號處理與控制。將P1端口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4設(shè)置為普通的I/O接口，控制5個(gè)發(fā)光二級管。前4個(gè)端口控制的發(fā)光二極管指示哪邊光照強(qiáng)，最后一個(gè)端口控制的發(fā)光二極管指示太陽能板是否光強(qiáng)足夠強(qiáng)即正對太陽。由于光電傳感模塊產(chǎn)生的是模擬信號，所以要將信號直接傳輸?shù)絾纹瑑?nèi)就必須在前面進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，所以將P1.5，P1.6，P1.7端口設(shè)置為控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TCL549的工作以及數(shù)字信號的采集。同時(shí)P0端口作為一個(gè)舵機(jī)的驅(qū)動，以及將單片機(jī)處理計(jì)算得出舵機(jī)的位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅艘壕э@示屏進(jìn)行顯示，并設(shè)置了一個(gè)驅(qū)動開關(guān)。最后的P2端口的P2.0～P2.3控制著光電傳感的工作起開關(guān)作用，P2.4端口通過三級管采集太陽能板電壓來檢測光照強(qiáng)度，將P3接口來控制液晶顯示屏的顯示，主控電路如圖2所示。

2.2 光敏傳感電路設(shè)計(jì)

光電傳感模塊包括4個(gè)光敏電阻、4個(gè)1K電阻和4個(gè)PNP晶體管。4個(gè)光敏電阻負(fù)責(zé)采集4個(gè)方向的不同光照強(qiáng)度的信號。為了使4個(gè)光敏電阻不互相影響以及兩兩光強(qiáng)差異可以足夠明顯，將4個(gè)光敏電阻分別放置于四象限并用遮光板兩兩分隔開。其中，串聯(lián)的4個(gè)固定起到了保護(hù)作用，4個(gè)NPN晶體管起開關(guān)作用，由單片機(jī)的P2端口控制。具體電路如圖3所示。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

將REF+、VCC端口接入VCC，REF-、GND端口接入GND，ANALOGIN端口接入光敏電阻輸出的模擬信號端，而CLK、/CS、DATA OUT端口分別接入單片機(jī)的P1.5、P1.6、P1.7端口，用單片機(jī)控制TLC549芯片以及采集數(shù)字信號。

2.4 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動裝置由兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)180度的舵機(jī)構(gòu)成，可直接有單片機(jī)加上拉電阻驅(qū)動。將兩個(gè)舵機(jī)接入電源正負(fù)級后，再將控制端口分別接入單片機(jī)的P0.0、P0.1端口。將這兩個(gè)舵機(jī)交叉放置并用撐桿連接，用單片機(jī)控制其轉(zhuǎn)動方向，即可對太陽光進(jìn)行跟蹤。

2.5 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，將LCD1602的GND、VCC分別接電源，VL端接上10K電位器控制其對比度。將RS、RW、E分別接到單片機(jī)的P0.5，P0.6，P0.7端口，用單片機(jī)控制其顯示顯示。然后將其D0～D7端口分別接入單片機(jī)的P3.0～P3.7端口，用單片機(jī)的P3端口來控制其顯示內(nèi)容。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序的設(shè)計(jì)

將采集到的傳感器信號，傳輸?shù)絋CL549芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行判斷和處理，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動、指示燈和顯示屏。具體流程如圖5所示。首先進(jìn)行單片機(jī)以及液晶屏的初始化，然后對掃描所有光電傳感的數(shù)據(jù)，并對比4個(gè)不同方向的光敏電阻AD數(shù)據(jù)，然后由單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動并顯示相應(yīng)的指示燈及改變顯示屏相應(yīng)的參數(shù)。

3.2 光電傳感A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

光電傳感采集到的都是光強(qiáng)度的模擬信號，要將其傳入到單片機(jī)主程序處理，就必須對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化。太陽能板光強(qiáng)度信號及4個(gè)不同方向的光敏電阻的信號需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

3.3 液晶顯示程序設(shè)計(jì)

液晶顯示屏主要要顯示當(dāng)前的光照強(qiáng)度，太陽能板電壓，兩個(gè)舵機(jī)的位置，單片機(jī)直接通過具體信號信息通過程序函數(shù)ShowString_LCD1602（X，Y）。X為0顯示第一行數(shù)據(jù)，1顯示第二行數(shù)據(jù)；Y為要顯示的數(shù)組。

3.4 控制程序設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速由波形占空比控制， PWM波控制舵機(jī)。采用的單片機(jī)的晶振頻率是12M，定時(shí)器T0產(chǎn)生定時(shí)脈沖，每隔10?s在控制舵機(jī)驅(qū)動管腳（P0.0和P0.1）加脈沖寬度為兩個(gè)機(jī)器周期的正脈沖。首先確定定時(shí)器T0初值。由于時(shí)鐘頻率是12MHz，因此定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的技術(shù)脈沖的周期為 T= 12/12MHz = 1?s。又由于定時(shí)時(shí)長為 1?s。設(shè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初值是X，所以根據(jù)公式（216-X）×T=m ：

可求得X = 65536-10，因?yàn)槎〞r(shí)器是16位，低八位計(jì)滿256，高八位加1，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器高位TH0就應(yīng)該除以256后的整數(shù)部分，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的低位TL0是除以256后的余數(shù)部分。為了得到控制舵機(jī)的方波并控制方波的占空比，設(shè)立標(biāo)志位變量。檢查光電傳感對比差異，兩兩比較，但是信號不可能完全相同，所以設(shè)置了誤差范圍。

結(jié)論

本文以單片機(jī)STC89C51為控制核心，采用單片機(jī)控制方式實(shí)現(xiàn)了太陽能光伏電池室內(nèi)照明優(yōu)化控制系統(tǒng)。采用具有驅(qū)動電路的雙軸機(jī)械控制的舵機(jī)，可以直接接入單片機(jī)，更方便更易操作。硬件電路簡單而且控制開關(guān)多，軟件程序結(jié)構(gòu)明朗有較好的人機(jī)交互。

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