基于單片機的太陽能跟蹤系統(tǒng)

陳明毅

摘 要：隨著人類社會的不斷發(fā)展，對能源的需求量也越來越大，太陽能作為一種可再生取之不盡、用之不竭的天然能源，是新能源的發(fā)展方向之一，太陽能的廣泛應用，使太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。但是縱觀市場，大多數(shù)太陽能裝置在采光時，面板基本是面向南方，固定不動的。而一個既符合人們簡潔實用的要求，又滿足綠色能源高效利用理念的自動追蹤太陽能裝置很少見。本設計的目的是使太陽能電池板自動朝向太陽光充分利用太陽能光照，提高轉換效率。并在環(huán)保、節(jié)能方面有巨大的優(yōu)勢，有很大的推廣前景。本設計是基于STC89C52單片機的太陽能自動轉向系統(tǒng)，利用四個光敏電阻把接收到的光信號轉換成電信號，經(jīng)過AD轉換成數(shù)字信號傳給單片機進行處理后，輸出控制信號驅動兩個步進電機進行跟蹤。利用實體按鍵對兩個步進電機進行上下左右調節(jié)。本裝置還有溫度實時顯示模塊，由DS18B20溫度傳感器和LCD1602液晶顯示屏組成，是一款可以對太陽光進行自動跟蹤和實時溫度檢測的裝置。

關鍵詞：STC89C52單片機；步進電機；光敏電阻

1、研究內容

本課題主要是利用單片機知識設計一個太陽能跟蹤系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠自動實時跟蹤太陽光，使用電機驅動跟蹤，太陽能可以始終垂直照射太陽能電池板，具有復位功能和校正功能，同時可以進行溫度顯示。其研究內容主要包括分析光電傳感器的工作原理、光電轉換電路的設計、步進電機動作指令系統(tǒng)的設計、實時溫度顯示系統(tǒng)的設計、復位和校正功能系統(tǒng)的設計以及實物的焊接設計。

2、總體方案構思

本設計的選用STC89C52單片機作為電路的主控芯片、各模塊電路分別為按鍵控制電路、溫度檢測電路、光電轉換電路、電機驅動電路。以下是各個模塊硬件電路和軟件設計方面的研究。

硬件部分：使用雙軸跟蹤系統(tǒng)，原理是把兩個步進電機組合成的雙軸轉動系統(tǒng)可以全方位的轉動，光電傳感器采集光信號并進行光電轉換，再進行AD轉換送給主控芯片處理后發(fā)出相應的控制信號驅動兩個步進電機進行上下左右方向調整。軟件部分：把光電傳感器采集到的信號轉換成電壓值，通過C語言程序編程比較各個光敏電阻的電壓差，一旦到達了一定的電壓差值就發(fā)出指令驅動步進電機進行相應的轉動。

綜和上述，本設計采取的總體方案為：太陽光照射在光電傳感器上進行光電轉換成電壓值，并輸入AD轉換電路轉換成數(shù)字信號送給單片機處理完成后發(fā)送控制信號給驅動芯片從而控制步進電機的正反轉進行跟蹤。并利用按鍵對太陽能電池板的方向進行手動調節(jié)。溫度傳感器采集溫度信號經(jīng)過AD 轉換送給液晶顯示器顯示。圖1為系統(tǒng)的總體設計方框圖。

3、總體設計

硬件部分：本設計的機械部分主要由電池板支架、轉軸、底座和步進電機組成。機械裝置由電機驅動，使面板在水平360度和垂直方向0至80度之間自由旋轉?？刂撇糠种饕蒘TC89C52單片機系統(tǒng)組成。跟蹤系統(tǒng)機械結構大致為用螺絲把一個控制方位的步進電機控制在底座上，然后在步進電機上安裝轉動軸，上面連接水平方向步進電機的底座。水平步進電機也被用螺絲控制在垂直方向的底座上，也安裝了轉動軸，并且連接著太陽板和光敏電阻等部件。

機械結構的工作原理是用2臺步進電機控制高度角和方位角兩個方向。跟蹤器的方位軸垂直于地面，控制水平方向。另一軸和方位軸垂直稱俯仰軸，控制垂直方向，最后兩步電機分別連接單片機控制系統(tǒng)。具體地說，芯片連接到驅動芯片ULN 2803，又連接到AD轉換芯片以控制步進電機。在工作時，太陽跟蹤器根據(jù)太陽運動的位置改變水平方向，通過方位軸改變方位角。通過俯仰軸改變接收平臺的傾斜角，以改變垂直方向，從而使太陽跟蹤器能夠改變垂直方向。太陽光線垂直于太陽板以達到跟蹤的目的?？傮w電路原理圖如圖2所示。

軟件部分：單片機軟件的設計，需要兩個軟件，一個是編程軟件，一個是下載軟件。編程軟件為KEILC51，KEILC 51是許多單片機應用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一。它集編程、編譯、仿真于一體，支持匯編語言PLM和C語言的編程，界面友好，易學易用。下載軟件使用STC-ISP軟件。本設計采用的是51單片機，它是控制這個系統(tǒng)的核心部分，軟件部分也由單片機來操作，其最終目的就是正確控制電機的正反轉。本部分以單片機為核心部件將各個電路模塊都連接起來，使我們更清楚設計本意。可設上下左右四個方向的光敏電阻的電壓值分別為U1、U2、U3、U4。軟件流程圖如圖3所示。

4、總結

本設計采取了傳統(tǒng)的硬件和軟件相結合的開發(fā)方法，使用了STC89C52單片機作為整個系統(tǒng)的控制處理芯片，它具有硬件設計方便，資源豐富，軟件部分程序指令快速簡單，驅動能力強等優(yōu)點，保證了該系統(tǒng)反應的快速性和靈敏性，利用四個光敏電阻對當前環(huán)境光線強度進行感應，并把模擬信號轉換成數(shù)字信號傳給單片機處理后，發(fā)出指令驅動步進電機進行跟蹤。利用實體按鍵實現(xiàn)對步進電機的調節(jié)。本裝置還有實時溫度顯示模塊，由DS18B20溫度傳感器和LCD1602液晶顯示屏組成，是一款可以對太陽光進行自動跟蹤和實時溫度檢測的裝置。系統(tǒng)分成光電轉換模塊，AD轉換模塊，步進電機驅動模塊，溫度顯示模塊，按鍵校正模塊進行設計。整個裝置用一張萬用板做成底座把各模塊焊接在一起。最終實現(xiàn)了太陽光的自動跟蹤，實時的溫度檢測和按鍵校正等功能。

參考文獻

[1]陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003，（03）：18-21.

[2]孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機械設計與制造，2005（7）：157-159

[3]陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003，（03）：18-21.

[4]趙亮.跟我學51單片機（七）——LCD1602液晶顯示模塊[J].電子制作，2011

[5]朱金剛.51系列單片機——C語言編程入門（上）[J].電子制作，2003（01）：25-27.

[6]譚艷.單片機矩陣按鍵掃描程序設計[J].數(shù)字化用戶，2013，19（09）：44.