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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)計是基于STC89C52單片機的太陽能自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，利用四個光敏電阻把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給單片機進行處理后，輸出控制信號驅(qū)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(diào)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(guān)鍵詞：STC89C52單片機；步進電機；光敏電阻

1、研究內(nèi)容

本課題主要是利用單片機知識設(shè)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(qū)動跟蹤，太陽能可以始終垂直照射太陽能電池板，具有復(fù)位功能和校正功能，同時可以進行溫度顯示。其研究內(nèi)容主要包括分析光電傳感器的工作原理、光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計、步進電機動作指令系統(tǒng)的設(shè)計、實時溫度顯示系統(tǒng)的設(shè)計、復(fù)位和校正功能系統(tǒng)的設(shè)計以及實物的焊接設(shè)計。

2、總體方案構(gòu)思

本設(shè)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(zhuǎn)換電路、電機驅(qū)動電路。以下是各個模塊硬件電路和軟件設(shè)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(zhuǎn)動系統(tǒng)可以全方位的轉(zhuǎn)動，光電傳感器采集光信號并進行光電轉(zhuǎn)換，再進行AD轉(zhuǎn)換送給主控芯片處理后發(fā)出相應(yīng)的控制信號驅(qū)動兩個步進電機進行上下左右方向調(diào)整。軟件部分：把光電傳感器采集到的信號轉(zhuǎn)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(dá)了一定的電壓差值就發(fā)出指令驅(qū)動步進電機進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。

綜和上述，本設(shè)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(zhuǎn)換成電壓值，并輸入AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)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(qū)動芯片從而控制步進電機的正反轉(zhuǎn)進行跟蹤。并利用按鍵對太陽能電池板的方向進行手動調(diào)節(jié)。溫度傳感器采集溫度信號經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換送給液晶顯示器顯示。圖1為系統(tǒng)的總體設(shè)計方框圖。

3、總體設(shè)計

硬件部分：本設(shè)計的機械部分主要由電池板支架、轉(zhuǎn)軸、底座和步進電機組成。機械裝置由電機驅(qū)動，使面板在水平360度和垂直方向0至80度之間自由旋轉(zhuǎn)?？刂撇糠种饕蒘TC89C52單片機系統(tǒng)組成。跟蹤系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動軸，并且連接著太陽板和光敏電阻等部件。

機械結(jié)構(gòu)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(qū)動芯片ULN 2803，又連接到AD轉(zhuǎn)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(dá)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(shè)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(yīng)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(xué)易用。下載軟件使用STC-ISP軟件。本設(shè)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(zhuǎn)。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(shè)計本意。可設(shè)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(jié)

本設(shè)計采取了傳統(tǒng)的硬件和軟件相結(jié)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(shè)計方便，資源豐富，軟件部分程序指令快速簡單，驅(qū)動能力強等優(yōu)點，保證了該系統(tǒng)反應(yīng)的快速性和靈敏性，利用四個光敏電阻對當(dāng)前環(huán)境光線強度進行感應(yīng)，并把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給單片機處理后，發(fā)出指令驅(qū)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(diào)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(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，步進電機驅(qū)動模塊，溫度顯示模塊，按鍵校正模塊進行設(shè)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(xiàn)

[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(shè)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(xué)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(shè)計[J].數(shù)字化用戶，2013，19（09）：44.