AT89C51的自動轉(zhuǎn)向太陽能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院 覃 鳳 谷紅霞 周 瑩 曹美媛

本文介紹了以AT89C51為核心的太陽能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及過程。該系統(tǒng)具有自動轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，根據(jù)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)接光板方向，使其接收的太陽光強(qiáng)度最大，以達(dá)到最理想的充電效果；同時在充電的過程中，系統(tǒng)能進(jìn)行實(shí)時檢測蓄電池的電壓值并顯示；此外，系統(tǒng)還設(shè)置充放電的門限值，當(dāng)電池電壓充到超出設(shè)定值后，接光板不再轉(zhuǎn)向?qū)す?，系統(tǒng)停止充電，并且“充滿”指示燈亮。當(dāng)電池放電后，電壓低于設(shè)定值時，系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)接收板方向與陽光方向垂直，并且“充電”指示燈亮。

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會及人類進(jìn)入一個節(jié)約能源、減少污染的時代。利用太陽能的基本原理是：首先收集太陽輻射的能量，通過特定的方式將其轉(zhuǎn)換成熱能。由于太陽的能量是一種可靠的能源，所以人們不斷地在探索各種開發(fā)利用太陽能的設(shè)備。太陽能充電系統(tǒng)就是其中之一，太陽能充電系統(tǒng)是靠接受儲存太陽光的能量來保證負(fù)載正常使用的。它利用太陽能，既省電又環(huán)保，它接有一塊太陽能電池板，通過聚焦和儲存太陽能，就可正常運(yùn)作。

本文在傳統(tǒng)太陽能充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上著重討論充電的效率及檢測問題，同時加入跟蹤太陽光線自動調(diào)向和實(shí)時檢測充電數(shù)據(jù)的模塊。其中的自動調(diào)向模塊采集太陽光強(qiáng)參數(shù)，轉(zhuǎn)換后進(jìn)行比較判斷，通過電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)向使充電系統(tǒng)的接光板根據(jù)太陽光強(qiáng)自動地調(diào)節(jié)采光板，即實(shí)現(xiàn)自動跟蹤。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的太陽能充電系統(tǒng)采用以AT89C51單片機(jī)為控制核心的模塊化設(shè)計(jì)，包括采光電路、AD0808模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、充電檢測電路、LCD液晶顯示電路以及驅(qū)動電機(jī)模塊等五大主要模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 太陽能充電系統(tǒng)整體框圖

圖2 采光/轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖3 自動轉(zhuǎn)向電路控制原理圖

系統(tǒng)通過采光電路中的光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。LCD液晶顯示屏用于顯示充電系統(tǒng)的實(shí)時電壓值，并在單片機(jī)控制下與設(shè)定的門限電壓進(jìn)行比較。若實(shí)測電壓小于門限值，則通過ULN2003A驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使接光板自動轉(zhuǎn)向追光，否則保持不動。

1.2 主要電路模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 采光/轉(zhuǎn)換電路

如圖2所示為本系統(tǒng)的采光/轉(zhuǎn)換電路原理圖，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808和光敏電阻兩部分。光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)工作的，一般用于光的測量、控制和光電轉(zhuǎn)換，用來將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化。由于光照的變化影響光敏電阻的阻值，因而會引起回路電壓變化，此電壓值是模擬量，經(jīng)過ADC0808進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后才送入單片機(jī)分析處理。

1.2.2 自動調(diào)向電路

為了更加充分有效地接收利用太陽能進(jìn)行充電，需要接光板能根據(jù)太陽光的光照強(qiáng)度及角度進(jìn)行自動跟蹤調(diào)整。在本系統(tǒng)中，采用兩相步進(jìn)電機(jī)帶動接光板在0°到180°之間來回地轉(zhuǎn)動，以尋找最大感光的角度。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動由達(dá)林頓管（ULN2003A）來驅(qū)動，達(dá)林頓管是由單片機(jī)分析ADC0808采樣來的數(shù)字電壓信號，并將其與參考電壓進(jìn)行比較后來控制的，通過這樣的工作過程使兩相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，從而模擬實(shí)現(xiàn)接光板的“自動轉(zhuǎn)向?qū)す狻薄?/p>

充電檢測電路中檢測到的蓄電池的電量經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理，通過單片機(jī)的P0口輸出，控制將蓄電池的電量顯示在液晶法顯示屏上。單片機(jī)控制電路的原理圖如圖3所示。

1.2.3 充電檢測及顯示電路

在充電過程中，實(shí)時檢測并顯示蓄電池電量，當(dāng)蓄電池的電壓值小于預(yù)設(shè)值時，紅色發(fā)光二極管亮，并且通過單片機(jī)的控制使步進(jìn)電機(jī)自動轉(zhuǎn)向?qū)す?；否則，充滿指示燈（綠色發(fā)光二極管）亮，停止充電。其電路原理圖如圖4所示。

圖4 充電檢測顯示電路原理圖

2 模擬測試

對自動轉(zhuǎn)向太陽能充電器的工作情況進(jìn)行模擬測試，測試過程如下：

（1）測試中，為了仿真的需要，設(shè)定當(dāng)電壓值大于3.9V時，表示太陽光線垂直照射在接光板上，小于3.9V時，表示光板與太陽光線不垂直。改變光敏電阻的感光源遠(yuǎn)近，從而模擬改變太陽光照射在接光板上的角度，電機(jī)帶動接光板進(jìn)行自動尋光。可以看到，當(dāng)感光源充分靠近時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，表明在誤差范圍內(nèi)，該電路可以實(shí)現(xiàn)自動根據(jù)太陽光的強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)接光板的方向，從而實(shí)現(xiàn)高效率地充電。

（2）液晶顯示屏LCD1602將充電檢測電路中蓄電池的電量經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量顯示出來，即為當(dāng)前蓄電池中電量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測并顯示蓄電池的電量。改變充電檢測電路中的電位器值模擬蓄電池中的電量的改變，當(dāng)在液晶屏上顯示的數(shù)值大于設(shè)定4.3V時，充電檢測電路中充滿指示燈亮；液晶屏顯示的數(shù)值小于設(shè)定的閾值時充電指示燈亮，其模擬測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 充電檢測電路仿真效果

結(jié)束語：通過仿真得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的太陽能充電系統(tǒng)在一定誤差允許范圍內(nèi)可以自動跟蹤太陽光強(qiáng)，實(shí)時檢測并顯示充電電量，在普通太陽能充電器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了太陽能利用的有效性，更具有實(shí)用價值。對電量的檢測顯示準(zhǔn)確度比較高，可行性強(qiáng)。此外，電路設(shè)計(jì)得較為規(guī)范，操作方法簡單易懂，硬件的設(shè)計(jì)也有一定的普及型，對今后研制開發(fā)功能全面的太陽能充電檢測器提供了一個重要的研究方向。