周亞軍 ， 楊漢嵩，劉建秀， 李慶強(qiáng)

（1 黃河科技學(xué)院 河南鄭州 450002； 2 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南鄭州 450002）

0 引言

現(xiàn)今太陽能用于發(fā)電主要有兩種方式：一種是光→熱→電的轉(zhuǎn)換，另一種比較直接的方式是光→電的轉(zhuǎn)換，即光伏發(fā)電。日常生活中提到的煤和石油等化石能源追根溯源也屬于太陽能，是光—化學(xué)能轉(zhuǎn)換的一種，但此過程由于十分漫長，且被認(rèn)為是不可再生的能源。又因?yàn)楝F(xiàn)今能源緊張的問題，所以直接且快捷的太陽能發(fā)電技術(shù)越來越受到各國的重視。

光→電轉(zhuǎn)換使用的是太陽能電池板。電池板的種類主要有4種，分別為單晶硅、多晶硅、非晶硅和化學(xué)染料電池板，考慮到路燈受風(fēng)力的影響，選用轉(zhuǎn)化率最高的單晶硅，以減少其使用面積，但單晶硅的提純需要很高的成本。

1 逐日太陽能路燈的工作原理

本系統(tǒng)利用步進(jìn)電機(jī)單軸跟蹤方式完成逐日的功能，盡可能多的吸收太陽能并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池中，以備在晚上供路燈照明和系統(tǒng)控制使用。其中系統(tǒng)主要受控于時(shí)間和日光的強(qiáng)弱，電光源為LED燈，采用LED燈作為路燈的光源，因?yàn)長ED的特點(diǎn)是發(fā)光效率高，耗電量小，使用壽命長，工作溫度低。相比于其他光源，可在同等亮度下更少的使用電量。利用光敏電阻感知日光的強(qiáng)弱，由單片機(jī)充當(dāng)核心控制器。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。光電轉(zhuǎn)換元件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過變換電路，將其所發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換成適于蓄電池充電的穩(wěn)定電壓，充到蓄電池中；蓄電池的端電壓經(jīng)過比較電路，發(fā)出信號(hào)給單片機(jī)，控制器據(jù)此信號(hào)控制變換電路，對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制，達(dá)到保護(hù)蓄電池的目的；蓄電池為照明燈提供電能，控制器控制蓄電池對(duì)照明燈的供電時(shí)間；太陽光敏傳感器將太陽光信號(hào)采集回來，發(fā)送給控制器，控制器據(jù)此信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)太陽能電池轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到跟蹤太陽的目的。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路圖

太陽能板的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過光強(qiáng)和入射角度兩方面來檢測(cè)的。兩者檢測(cè)的方法基本相同，主要是把光敏電阻連入電橋，通過光敏電阻感光后發(fā)生的電阻變化使電橋臂電壓發(fā)生變化。然后通過比較器（LM393）比較電壓后（輸出0或+5 V），通過單片機(jī)判斷其高低電平得出檢測(cè)結(jié)果，做相應(yīng)控制動(dòng)作 。

電機(jī)采用的是步進(jìn)電機(jī)，由單片機(jī)以軟件環(huán)分的方式產(chǎn)生四相脈沖（據(jù)電機(jī)而定），以方便電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的精確控制。驅(qū)動(dòng)器采用常見的驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003(500mA/50V)，也可以調(diào)換更高功率的驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)槲催M(jìn)行電燈鋼架結(jié)構(gòu)、電池板托架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，加之各地區(qū)最高風(fēng)力不同，所以無法確定電機(jī)的具體功率及型號(hào)，但是一般而言，西北需要的功率較大，中原地帶需要的功率小一些。

充放電的控制對(duì)蓄電池的壽命有很大的影響，為保證要蓄電池的充放電不能過沖和過放。又因?yàn)樾铍姵氐碾妷号c其電量有一定的關(guān)系，所以可通過對(duì)比電池的放電曲線檢測(cè)電壓來間接控制電量。檢測(cè)方法也是應(yīng)用電橋和電壓比較器，保證電壓在11 V到14 V之間變化，標(biāo)準(zhǔn)電壓為12 V。

測(cè)定的光線強(qiáng)弱和不同的時(shí)間段結(jié)果，由單片機(jī)分析后做出判斷，決定路燈是否通電。其中路燈開關(guān)、蓄電池充放電開關(guān)和電機(jī)電源開關(guān)都是依靠三極管來控制的。

為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個(gè)最佳傾角。傾角根據(jù)不同地區(qū)的緯度應(yīng)略有不同，因?yàn)槎救照諘r(shí)間比較短，如果冬季系統(tǒng)收集電量能維持正常工作，則其他季節(jié)也可正常工作，故太陽能電池板只需與冬季的日光垂直即可。這也正是為什么逐日路燈不需用雙軸進(jìn)行跟蹤的原因，一般雙軸用于并網(wǎng)發(fā)電，當(dāng)產(chǎn)電過剩時(shí)可以把多余的電能供給電網(wǎng)。

系統(tǒng)總設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。其中，J1是太陽能電池板接口，J2是蓄電池接口，太陽能電池發(fā)出的電能經(jīng)過由7812組成的穩(wěn)壓電路為蓄電池充電。7805將蓄電池電壓穩(wěn)定到+5 V,為系統(tǒng)提供電源。

圖2 逐日太陽能發(fā)電路燈照明系統(tǒng)電路圖

U3為用于判定蓄電池是否工作在正常電壓范圍內(nèi)的電壓比較器LM393，其兩個(gè)運(yùn)放的反相輸入端均接+5 V的基準(zhǔn)電壓。R8、R9、R10、R11為分壓電阻，將蓄電池端電壓進(jìn)行比例縮小接到U3的兩個(gè)同相輸入端上，其中R8:R9=9:5，R10:R11=6:5，當(dāng)蓄電池端電壓高于上限14 V時(shí)，比較器輸出端1輸出高電平給單片機(jī)P1.7口，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)控制NPN1開關(guān)三極管斷開，停止對(duì)蓄電池充電，達(dá)到了防止蓄電池過充電保護(hù)的目的；當(dāng)蓄電池端電壓低于其下限值11 V時(shí)，比較器輸出端2輸出低電平給單片機(jī)P1.6口，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)控制NPN2開關(guān)三極管斷開，蓄電池停止對(duì)照明燈供電，達(dá)到了防止蓄電池過放電保護(hù)的目的。

R1、R2、R3為光敏電阻，其中R3是用于檢測(cè)光強(qiáng)是否可以利用。穩(wěn)壓管為U6的電壓比較器同相輸入端IN B+提供電壓做比較電壓。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定值后，R3阻值也將減小到一定值，經(jīng)過分壓電路接入芯片U6的反相輸入端的電壓將大于穩(wěn)壓管提供給同相輸入端的電壓，這時(shí)U6的輸出端OUT B輸出低電平給單片機(jī)P1.5口，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)決定開始進(jìn)行太陽跟蹤，否則不跟蹤。R1和R2用于檢測(cè)太陽光偏差信號(hào)，它們與太陽能電池固定在一起，太陽能電池正對(duì)太陽時(shí)，R1的阻值小于R2的阻值，因此經(jīng)過分壓電路接入芯片U6的電壓比較器A的反相輸入端的電壓大于同相輸入端的電壓，比較器1輸出低電平。太陽自東向西運(yùn)動(dòng)，與太陽能電池偏離一定角度后，R1的阻值大于R2的阻值，因此經(jīng)過分壓電路接入芯片U6的電壓比較器A的反相輸入端的電壓小于同相輸入端的電壓，比較器1輸出高電平，單片機(jī)P1.4口接收到高電平信號(hào)后，控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽能電池向西旋轉(zhuǎn)，直到檢測(cè)P1.4口為低電平為止。

J3為照明燈接口，NPN2為控制照明燈的開關(guān)，單片機(jī)通過時(shí)間芯片定時(shí)程序控制照明時(shí)間。

2 軟件設(shè)計(jì)

C51單片機(jī)可以用匯編語言和C語言進(jìn)行編程，匯編語言與機(jī)器指令一一對(duì)應(yīng)，所以用匯編語言編寫的程序在單片機(jī)里運(yùn)行起來效率高，但是編程難度高，而且不易理解。C語言程序可讀性高，更便于理解，本設(shè)計(jì)使用C語言編程。

主程序流程圖如圖3所示，第一次上電，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。程序不斷檢測(cè)單片機(jī)輸入I/O口狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)定時(shí)時(shí)間到了，則執(zhí)行相應(yīng)的子程序；如果發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)足夠發(fā)電信號(hào)和偏差信號(hào)都為真，則調(diào)用子程序步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)一步；如果發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓過高或過低信號(hào)為真，則控制相應(yīng)的開關(guān)三極管斷開。

當(dāng)白天對(duì)太陽自西向東跟蹤結(jié)束后，需要把太陽能電池板轉(zhuǎn)回初始位置，等待次日重新自西向東對(duì)太陽進(jìn)行跟蹤，這就需要定時(shí)程序。對(duì)照明時(shí)間進(jìn)行控制也需要定時(shí)程序，可以保證系統(tǒng)以24 h為周期循環(huán)工作?；贒S1302時(shí)間芯片的時(shí)間程序如附錄。在此要說明的是，可以把時(shí)間芯片安裝上電池制作成可插拔的模塊形式，這樣就使得調(diào)試更方便，并可節(jié)省按鍵和顯示部件的費(fèi)用，最主要的是可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 逐日太陽能發(fā)電路燈照明系統(tǒng)主程序流程圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有3種工作方式。以三相步進(jìn)電機(jī)為例，如果步進(jìn)電機(jī)按A、B、C、A順序循環(huán)通電工作，就稱這種工作方式為單三拍工作方式。其中“單”是指每次只對(duì)一相通電；“三拍”指的是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要變相通電3次，這時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。如果步進(jìn)電機(jī)按AB、BC、CA順序循環(huán)通電工作，則稱這種工作方式為雙三拍工作方式。這里的“雙”是指每次給兩相通電，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周也需要變相通電3次，與單三拍的步距角相同，由于每次要對(duì)兩相通電，所以耗電量大，但獲得的電磁轉(zhuǎn)矩也大，不易產(chǎn)生失步。如果步進(jìn)電機(jī)按A、AB、B、BC、C、CA順序循環(huán)通電，就稱這種工作方式為六拍工作方式。此種方式磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要通六次電，步距角比三拍時(shí)小一半，所以精度高一倍。

本設(shè)計(jì)采用四相步進(jìn)電機(jī)的八拍工作方式。其正反轉(zhuǎn)程序如下：

正轉(zhuǎn)：A、AB、B、BC、C、CD、D、DA；

反轉(zhuǎn)：A、AD、D、DC、C、CB、B、BA；

程序開始時(shí)，初始化正反轉(zhuǎn)編碼如下

uchar code FFW[8]={0x1f,0x3f,0x2f,0x6f,0x4f,0xcf,0x

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)論

采用跟蹤太陽的方式可以提高太陽能利用率27%，所儲(chǔ)能量可以使供電延長3個(gè)小時(shí)，設(shè)計(jì)中以AT89S52單片機(jī)為控制器，步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，光敏電阻為傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈敏度高，實(shí)時(shí)性好，而且成本很低。采用C語言編程，可讀性好，簡(jiǎn)單易懂。

目前從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，變換電路使用穩(wěn)壓芯片，其缺點(diǎn)在于不能進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，有部分電能浪費(fèi)。

如果把控制電路各個(gè)部分都涉及成可插拔的模塊，這樣不僅方便日后的維修，還可以對(duì)系統(tǒng)或程序進(jìn)行升級(jí)換代。希望在不久的將來，光伏產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在我們的生活中。這也是我們下一步想進(jìn)行的工作。

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