基于單片機的光電能量轉換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

陳媛媛，王琦

（東方地球物理公司裝備服務處儀器中心，河北保定，072750）

0 引言

太陽能是清潔的一次能源，是無窮無盡的。當前，我國對太陽能的利用率較低。在節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施下，充分利用太陽能資源是保護環(huán)境中重要的一步。將太陽能轉換成電能，再將其存儲在蓄電池里供人們使用，該電能清潔、穩(wěn)定對國家的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的實際意義[1]。

1 系統(tǒng)設計方案

如圖1 所示為單片機的光電能量轉換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結構圖，該系統(tǒng)的控制核心是51 單片機，供電的原理是太陽能通過最大光強點追蹤轉化為電能；該系統(tǒng)還帶有智能溫濕度測量系統(tǒng)，以SHT11 傳感器的濕度測量為主；通過DS1302 芯片顯示時間量，再以PS-232 總線為橋梁將信息傳送至電腦端進行分析，在通過顯示屏呈現(xiàn)出來[2]。該系統(tǒng)可以調整時間，同時還可以對濕度進行監(jiān)測，當濕度超出限制值時，會發(fā)出警報。

圖1 單片機的光電能量轉換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結構框圖

單片機的光電能量轉換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為以下兩部分：①光電能量轉換系統(tǒng)，該系統(tǒng)是設計的重點；②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是采集數(shù)據(jù)（溫濕度、時間），除此之外，還包括顯示、警報等模塊。

2 光電能量轉換系統(tǒng)

單片機的光電能量轉換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其主要目的是將太陽能轉換成電能，再利用系統(tǒng)將其存儲在蓄電池里，最后將太陽輻射通過單片機在給其供電。

■2.1 關于該系統(tǒng)的說明

基于單片機的光電能量轉換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能量源頭是太陽能，該系統(tǒng)不但可以幫助人們解決生產、生活中出現(xiàn)的斷電和電網異常問題，而且提高了太陽能的利用率，與我國的可持續(xù)發(fā)展主題相契合[3]。

單片機消耗的功率小，用太陽能板吸收的能量經過控制轉換得到的電能，適宜作為系統(tǒng)的供電來源，提高系統(tǒng)的工作效率與簡化使用方式是非常重要的。基于此，本設計在設計上考慮到多種影響因素，將太陽能板的固定轉動摒棄，利用光敏器跟蹤，讓程序控制太陽能板隨自大光強轉動。此方法簡單可靠，經過多次試驗測試，結果電路的精準控制不受周圍環(huán)境亮度的影響，能夠達到期望的指標。

■2.2 設計原理

以光敏電阻阻值受光照的影響為基礎，取4 個相同的光敏電阻放于電池板的不同位置（東西南北方向邊沿），其中控制版面的舵機控制太陽能板的上下左右軸轉動。如圖2所示為太陽能板的硬件示意圖，當太陽能電池板垂直接收太陽光時，各光敏電阻接收的光照強度相同，舵機不動，4 個光敏電阻阻值相同；當太陽光折射與電池板接收出現(xiàn)夾角時，各光敏電阻接收的光照強度不同，電阻阻值隨光強的增大而減小，此時舵機在高低電平的驅動下開始轉動，直至其中2 個電阻光照相同時，舵機停止轉動，等待下一次出現(xiàn)角度偏差繼續(xù)轉動[4]。

圖2 太陽能板硬件示意圖

■2.3 數(shù)據(jù)處理部分

LM393 比較器工作原理圖如圖3 所示。零點漂移的直流信號可以通過LM393 比較器、零電位調整單元來抵消。當輸入信號進入系統(tǒng)時，比較器會先對輸入信號進行判斷，再將光敏電阻的變化值轉化為電壓值，系統(tǒng)給出的高、低電平數(shù)值隨著輸出信號的強度變化而變化，同時該部分還可以協(xié)助系統(tǒng)屏蔽某些微小的信號，提高系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖3 LM393 比較器工作原理圖

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

■3.1 溫濕度采集電路

溫濕度采集電路如圖4 所示，溫濕度采集電路主要是通過LM35 電壓型集成溫度傳感器來進行操作的，其測量的溫度幾乎不存在誤差，而且體積小、能耗低，還具有非常高的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)不需要外圍器件就可以將兩個電阻的串聯(lián)分壓進行植入，提高了數(shù)據(jù)的輸入效率，同時保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和距離。

圖4 溫濕度采集電路

■3.2 時鐘電路模塊

時鐘電路圖如圖5 所示，該模塊采用具有充電能力的電路DS1302，同時可以傳輸數(shù)據(jù)和保護掉電。

圖5 時鐘電路圖

■3.3 控制單元

控制單元的主要工作是控制舵機的工作狀態(tài)，它的工作依據(jù)是比較器送來的數(shù)字量。電池板轉向主要是通過舵機進行控制的，主要有一下幾個原因：①舵機與其他控制軟件相比，其對角度的控制更加精準；②舵機的穩(wěn)定性好，可以鉗住已給定的角度，保證其不受外界干擾；③操作簡單，舵機的角度控制非常簡單，只需要改變占空比就可以，在很大程度上減輕了系統(tǒng)的工作量[5]。

■3.4 單片機外圍電路的設計

單片機外圍電路包含很多種：鍵盤輸入電路、RS-232通信電路、復位電路、鍵盤輸入、報警電路及顯示電路等。鍵盤輸入模塊如圖6 所示，該設計系統(tǒng)采用獨立式鍵盤系統(tǒng)，能實現(xiàn)對時間數(shù)據(jù)的修改和對溫濕度上下限值的設定。

圖6 獨立式鍵盤電路

4 系統(tǒng)測量與實驗結果分析

■4.1 程序流程

將C 語言與KEIL4 作為該程序的基礎，編寫初始化子程序和功能子程序。主程序的流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

（1）舵機控制子程序。單片機接收通過光敏電阻采集到的光強，并對經比較器得到的兩個數(shù)字量進行分析，如果數(shù)值出現(xiàn)差值，則驅動舵機，否則返回等待下一次差值的出現(xiàn)。

（2）測溫濕度子程序。通過LM35 電壓型集成溫度傳感器進行溫度采集，當單片機供電為5V、LM35 溫度檢測值線性較高時，其分辨率為14 位[6]。

■4.2 調試濕度電路

使用電路仿真軟件測試濕度電路，分析得到的方波來判斷傳感器的電容量改變。若輸出的為方波，則通過系統(tǒng)的震蕩電路來分析波形的周期發(fā)生變化，在通過分析比較最后得出系統(tǒng)改變的頻率值。

■4.3 系統(tǒng)實驗測量結果分析

為了證實該系統(tǒng)具有很好的測量精度，選取不同環(huán)境來進行試驗：

（1）天氣情況：雷陣雨轉中雨、溫度20-30℃。當天氣開始下雨時，濕度開始升高,當雨停時，濕度下降到80%左右。當下雨天氣時，陰暗光強度電壓輸出降低，光強度電壓輸出隨天氣晴朗而中升高。

（2）當濕度穩(wěn)定時，光強隨溫度的變化而變化。

5 結語

隨著可續(xù)期發(fā)展戰(zhàn)略的實施，使我們越來越重視節(jié)能減排、保護環(huán)境。太陽能屬于取之不盡用之不竭的一次能源，充分利用太陽能資源是保護環(huán)境中非常重要的[7]。利用單片機設計的光電能量轉換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的實用價值，該系統(tǒng)安裝較為簡單，運行穩(wěn)定可靠，并且維護簡單、抗干擾能力強，滿足溫室環(huán)境的用電要求。