智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

韓晶晶

（山西工商學院 山西 太原 030006）

0 引言

我國是利用太陽能最多的國家之一，雖然現(xiàn)在已有投入并使用的太陽能設備很多，但是基本都是對太陽能的簡單利用，這些設計存在的問題都是太陽能的實際利用率很低，能源的轉(zhuǎn)換效率也低。為了提高對太陽能的利用率，設計智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)，通過自動尋找太陽能光照強的方向吸收太陽能，另外還結合手動控制，在陰雨天等特殊情況下，可以用手動控制太陽能板轉(zhuǎn)動方向，來大大提高太陽能的利用率。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 工作原理

在智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)中，不同模式下的太陽能極其工作原理都相同，處于自動模式時，需要在太陽能板的兩側各放置一個光敏電阻，獲取模擬信號，根據(jù)太陽能板兩側的光照強度不同，光敏電阻的阻值不同，經(jīng)過電壓比較器進行對比，可對太陽能板兩側的光照強度進行比較，然后控制步進電機旋轉(zhuǎn)，帶動太陽能板向光照強度強的一側轉(zhuǎn)動。處于手動模式時，可通過按鍵或手機App 進行模式切換，可正向或反向的調(diào)節(jié)太陽能板轉(zhuǎn)動，或是暫停于某一位置，同時通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片檢測當前環(huán)境的光照強度，通過單片機進行數(shù)據(jù)處理之后經(jīng)過LCD1602 液晶屏進行顯示。通過太陽能板發(fā)電，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能存儲在鋰電池當中，同時系統(tǒng)采用鋰電池供電，無須外部電源供電。藍牙模塊將實接收到顯示屏到的數(shù)據(jù)傳回到移動端。在電機控制模塊，通過采集的同一時刻太陽能板兩側不同的光敏電阻值以及不同時刻太陽能兩側收集的光敏電阻值，經(jīng)過電壓比較器，從而控制步進電機帶動太陽能板向光照強度強的一側進行轉(zhuǎn)動達到智慧追蹤。

1.2 整體設計

整個系統(tǒng)是由太陽能采集設備、單片機控制設備、鋰電池充電設備、藍牙通信設備和手機App 五部分組成。在本系統(tǒng)中，單片機控制設備是本系統(tǒng)的核心，因此本系統(tǒng)的重點是根據(jù)太陽光強度不同時，太陽能板隨太陽光的轉(zhuǎn)動進行設計。此次系統(tǒng)設計包含以下部分電路：單片機及外圍電路，顯示模塊，太陽能板，步進電機、整流電路、逆變電路、光敏傳感器，組成系統(tǒng)的智慧光能追蹤[1]。此次設計，首先采用了以單片機作為整個系統(tǒng)的控制器件作為主控模塊，通過藍牙配對和手機相連。當系統(tǒng)開啟屬于默認的自動模式時，通過光敏電阻和電壓比較器組合成太陽能采集模塊，完成對太陽能光照強度強一側進行太陽能采集，通過電機控制模塊實現(xiàn)太陽能板向光照強度強的一側轉(zhuǎn)動。LCD 主要顯示光照強度與鋰電池中的存儲電量。主控模塊驅(qū)動藍牙模塊將液晶顯示屏平上的信息傳輸至手機App 移動端，可以進行數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測，在不同的太陽能狀態(tài)下，可以遠程控制自動模式或手動模式。需要手動模式時，可以通過設置不同的指令，傳達給主控模塊，從而進行太陽能板的控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊采用的時STC89C52，在主控模塊的設計中，主控模塊主要有復位電路，時鐘電路，電源和地四部分組成，主控模塊也是整個光能追蹤系統(tǒng)控制的核心，負責調(diào)控電路，程序執(zhí)行，連接負載。在單片機的第18 和第19引腳首先接的是一個石英晶體振蕩器，此晶振值一般取的是12 MHZ 或者11.059 2 MHZ，因為在本系統(tǒng)中需要配置9 600 的波特率，因此選用了11.059 26 MHZ 的無源晶振作為振蕩電路的時鐘源。在晶振與GND 的中間接了C2、C3兩個電容，其容值在6～50 PF 之間都可以，在本系統(tǒng)中選用的是22 PF，其作用 是快速起震和穩(wěn)定晶振頻率。當單片機具備了時鐘振蕩電路之后，其內(nèi)部電路就會產(chǎn)生自激振蕩，就有了基準信號。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

在本系統(tǒng)中由于需要對電池的電壓進行測量，由于單片機是數(shù)字芯片，模擬量的變化單片機不能直接采集，所以需要采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此在本系統(tǒng)中需要模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片。ADC0832 芯片直接與STC89C52 單片機相連接，具有體積小，性價比高，兼容性強等特點。由于光敏電阻在不同的光照強度下，阻值會發(fā)生變化。隨著光照強度越強，其阻值會越小。R2 和R3 共同組成了伏壓電路，與ADC0832 相連接，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。例如CH0 輸出的是0～5 V 的模擬量轉(zhuǎn)換成0～256 的數(shù)字量，根據(jù)不同的電壓值，輸出的數(shù)據(jù)不同，單片機在處理之后轉(zhuǎn)換成的光照強度值也不同。所以在連接ADC0832 時，C/S 為使能端，接主控模塊的P32 口，CLK 時鐘引腳，與單片機的通信方式為串行通信。

2.3 太陽能充電電路模塊

在本系統(tǒng)中，太陽能要將吸收到的太陽能存儲到鋰電池當中，當光照不足時，鋰電池要為系統(tǒng)提供電量。因此太陽能充電在有良好光照的情況下，太陽能板自動識別光照方向，給鋰電池充電。也可以通過手動控制，定位在光照充足的方向上，吸收太陽光[2]。電池中電壓為3.7 V，達不到5 V，所以加入升壓電路，將3.7 V 的電壓升壓到5 V，太陽能板通過充電模塊給鋰電池充電，在太陽能板上串聯(lián)了一個指示燈，當太陽能板有電壓時，指示燈亮，太陽能板最高5 V，指示燈為2 V，因此中間接入1 K 的電阻。電池的正負極連接自鎖開關，當開關按下，4 和5 導通，連接升壓模塊，將鋰電池中的3.7 V升壓到系統(tǒng)所需的5 V給系統(tǒng)供電。

2.4 電機控制電路模塊

在智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)中，由于太陽能板吸收光照需要根據(jù)太陽光時刻變化，自主地進行順時針或逆時針的轉(zhuǎn)動，來調(diào)節(jié)太陽能板對光能吸收的位置，需要使其輸出的電壓或電流反向，以達到轉(zhuǎn)動的效果。H 橋是一種電子電路，可使其連接的負載或輸出端兩端電壓反相/電流反向。這類電路可用于各種場合中直流 電動機的順反向控制及轉(zhuǎn)速控制、步進電機控制電能變換中的大部分直流－交流變換器部分直流－直流變換器等，以及其他的功率電子裝置。4 個三極管組成H 的4 條垂直腿，而電機就是 H中的橫杠，從而實現(xiàn)電路的電機控制。此電路用了4 個NPN 三極管和4 個4148 二極管，二極管起截至電流導通的作用[3]。4 個三極管形成的H 橋，達到了電流的互相流動，電機中的電流能夠反向?qū)?，電機反轉(zhuǎn)。因此只需要控制out1 和out2 就可以控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了太能板的“智慧”。

2.5 光照強度比較電路模塊

智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)需要通過比較太陽能板兩端的光照強度，才能調(diào)節(jié)太陽能板的轉(zhuǎn)動位置，所以這一模塊尤為重要。此次選用LM393 電壓比較器，這種比較器是一個兩路電壓比較器，更加符合太陽能板兩端光照強度的比較，通過對輸入端的兩個電壓進行比較，在電壓比較器的輸入端利用光敏電阻調(diào)節(jié)輸入電壓的大小，不同光照強度時得到的輸入電壓會不同，與參考電壓比較，通過電壓比較器時在輸出端就會得到不同的電壓，利用高低電平，指示燈的亮滅情況判斷光照強度的強弱。其中第8 引腳和第4 引腳分別接電源和地，當光照強度越強時，電壓越小，INA—越低，當INA+＞INA—時，OUT1 輸出高電平；指示燈不亮。當INA+＞INA—時OUT1 輸出低電平，LED 燈會亮。R3 的10 K 電阻與光敏電阻構成一個分壓電路。當兩個光敏電阻的光都特別強時，都輸出高電平，兩個光敏的光都特別弱時，都輸出低電平。當兩個光敏電阻的光一弱一強時，則輸出一個低電平，一個高電平。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

本系統(tǒng)的主程序由初始化程序部分，數(shù)據(jù)處理部分，藍牙連接和顯示部分組成。此次系統(tǒng)的主程序設計除了正常的太陽能板根據(jù)日常光照自動追蹤，還設計了在特殊情況下可以通過手機遙控，控制太陽能板進行太陽能吸收。

在程序中設定4 個按鍵，打開電源，系統(tǒng)默認為自動模式Auto，可根據(jù)當前的光照，通過電壓器對太陽能板兩端電壓的比較，單片機I/O 口對電機進行控制，向太陽光強度強的一側進行轉(zhuǎn)動，吸收太陽光。當按鍵1 按下或在App 上發(fā)送指令M+回車符，系統(tǒng)會切換到手動模式Manual，不會再根據(jù)太陽光照強度進行旋轉(zhuǎn)。當按下按鍵2 時或發(fā)送指令Z+回車符，系統(tǒng)進行正向旋轉(zhuǎn)；當按下按鍵3 時或發(fā)送指令F+回車符，系統(tǒng)進行反向旋轉(zhuǎn)；第4 個按鍵為暫停鍵，發(fā)送指令為T+回車符。系統(tǒng)將讀取太陽能采集模塊收集到的數(shù)值，通過單片機進行處理，將采集到的數(shù)值和電池內(nèi)剩余電量實時顯示到LCD 顯示屏和手機App 上并把吸收到的太陽能存儲到鋰電池中，實現(xiàn)系統(tǒng)的自身供電。智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)主程序運行流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設計

系統(tǒng)中由于單片機不能直接處理模擬信號，所以使用了ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADC0832 是可以同時測量兩路電壓的模數(shù)裝換芯片，測量電壓的范圍是0～5 V，通過串行協(xié)議，當需要開始測量時，打開芯片片選，將D0 端設為高電平，再設置其起始位和雙通道的單極性輸入，當D0 為低電平時選擇通道0，當D0 為高電平時，選擇通道1；當D0 取消高阻態(tài)時，準備接收數(shù)據(jù)，通過循環(huán)，依次讀取數(shù)據(jù)，最后取消片選，一次的數(shù)模轉(zhuǎn)換完成[4]。

3.3 液晶顯示程序設計

在液晶顯示程序中，需要實時顯示太陽能光照強度和電池內(nèi)剩余電量，LCD1602 液晶顯示屏始終顯示出“E：XX% L：xxxix Auto 或Manal”的字樣。

首先要進行初始化設置，通過LCD1602 的RS，R/W 和E 三個引腳置1 或清0，實現(xiàn)對LCD 的讀寫操作。LCD 是慢顯器件，所以在寫每條命令之前，函數(shù)檢測引腳電平，設置初始值為0xFF，如果BF=1處于忙狀態(tài)，繼續(xù)循環(huán)檢測，直到BF=0 說明不忙，就向LCD 寫入命令。

要設置光標的起始位置由輸入的屏幕坐標來計算存儲器的位置[5]。只有RS 和E 都為0，才能寫入命令，LCD 開始執(zhí)行命令。當RS=1 和RW=0 時，才可以寫入數(shù)據(jù)，E 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，寫數(shù)據(jù)操作結束。還要通過While循環(huán)連續(xù)寫入字符串數(shù)據(jù)，直到檢測到結束符。數(shù)據(jù)寫入LCD 模塊后，控制器會自動讀出ROM 中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送到液晶顯示屏上顯示。

3.4 藍牙通信程序

藍牙模塊是通過手機App 作為中間媒介，在藍牙串口助手實時地將單片機上液晶顯示屏顯示的數(shù)據(jù)傳送給藍牙模塊，再把信息傳送給App 上，且能進行命令下達，手動與自動相切的目的。HC-05 具有兩種工作模式，響應和自動連接工作模式。處于自動連接工作模式時，系統(tǒng)會自動根據(jù)設定的方式進行數(shù)據(jù)傳輸；當模塊處于命令響應工作模式時，會根據(jù)輸入的命令符+回車符執(zhí)行命令。在藍牙配置中，要實現(xiàn)兩個模塊的主從綁定，首先要進入AT 指令模式，按設置藍牙串口波特率9 600，無校驗位，1 停止位。指令：AT+UART=960 000，設置藍牙的主從模式時，將設置藍牙為從模式，即0 設為從模式，1 設為主模式。用指令：AT+ROLE=0。設定藍牙連接模式。然后再互綁對方的地址，此次設置的為從模式綁定主模式地址，即AT+BIND=命令，綁定好后，用查詢指令，查看是否綁定正確，最后將兩個模塊重新上電，建立好通信。

4 系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析

4.1 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試是系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵，同時也將功能更加完善。本次設計用到的是C 語言，打開KEIL 軟件，編輯基于STC89C51 的智慧光能輔助系統(tǒng)設計代碼，在編寫代碼的過程中，按照功能模塊一步一步編寫會更加思路清晰，在編寫過程中可能也會不小心有錯誤出現(xiàn)，下方會出現(xiàn)提示，根據(jù)提示，仔細察看就會發(fā)現(xiàn)錯誤，改成正確的代碼。調(diào)試好代碼錯誤后，將HEX 文件下載到單片機的存儲器內(nèi)，用燒錄工具將編譯好的文件進行燒錄，燒錄過程中不能斷電。燒錄完成后進行上電調(diào)試，觀察太陽能板是否能實現(xiàn)光能追蹤，鋰電池和太陽能板是否正常為系統(tǒng)供電，液晶顯示器是否能夠正常顯示。

4.2 功能調(diào)試

系統(tǒng)上電復位后進行初始化，以單片機為核心，系統(tǒng)可對比太陽能板兩側的光照強度，使太陽能板面向光照強度強的一側轉(zhuǎn)動；通過控制電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽光的追蹤。在測試過程中，用手電筒左右照射模擬太陽光變化照射到太陽板，太陽能板隨照射方向轉(zhuǎn)動則太陽能采集功能正常。本系統(tǒng)采用太陽能板和鋰電池供電，無需外部供電。可將太陽能板放置于無光照的環(huán)境中，此時沒有光照，系統(tǒng)正常運行，液晶顯示屏上實時顯示了鋰電池中的電量，一直在減少，說明系統(tǒng)采用鋰電池供電，將太陽能板置于光照下，則太陽板開始供電，鋰電池中開始存儲電量[6]。藍牙將采集到的太陽能信息以及電池量的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)绞謾CApp，打開手機藍牙，進行配對連接，可通過語音提示連接成功。完成后，可以在功能選擇上，查看液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)信息，并能夠在不同的環(huán)境下，調(diào)整太陽能板自動或手動模式進行轉(zhuǎn)動。

4.3 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)調(diào)試后測的太陽能電池正常電壓是12.17 V，經(jīng)穩(wěn)壓電路后電壓為9.46 V，7805 輸出電壓為6.48 V，7 805 反饋電壓為1.26 V，三極管基極電壓為5.17 V，控制充電電壓為5.03 V，電池充滿后電壓為5.03 V。表1為晴天情況下太陽能電池電壓隨太陽一天變化的結果。通過變化情況表中的數(shù)據(jù)可以分析出，太陽能板隨光照進行“智慧”追蹤，存儲和釋放電正常運行。

表1 太陽能電池電壓隨太陽變化情況

5 結語

綜上所述，本文提出了基于STC89C52單片機控制系統(tǒng)，根據(jù)對不同環(huán)境下光照強度的準確判斷，實現(xiàn)太陽能板對光能進行智慧追蹤，提高太陽能利用率，系統(tǒng)實驗運行顯示，該系統(tǒng)具有較好的智慧追蹤效果。