陳明毅

摘 要：隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求量也越來(lái)越大，太陽(yáng)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(yáng)能的廣泛應(yīng)用，使太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。但是縱觀市場(chǎng)，大多數(shù)太陽(yáng)能裝置在采光時(shí)，面板基本是面向南方，固定不動(dòng)的。而一個(gè)既符合人們簡(jiǎn)潔實(shí)用的要求，又滿(mǎn)足綠色能源高效利用理念的自動(dòng)追蹤太陽(yáng)能裝置很少見(jiàn)。本設(shè)計(jì)的目的是使太陽(yáng)能電池板自動(dòng)朝向太陽(yáng)光充分利用太陽(yáng)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(shì)，有很大的推廣前景。本設(shè)計(jì)是基于STC89C52單片機(jī)的太陽(yáng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，利用四個(gè)光敏電阻把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)進(jìn)行處理后，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行跟蹤。利用實(shí)體按鍵對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行上下左右調(diào)節(jié)。本裝置還有溫度實(shí)時(shí)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(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)的裝置。

關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；光敏電阻

1、研究?jī)?nèi)容

本課題主要是利用單片機(jī)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)光，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)跟蹤，太陽(yáng)能可以始終垂直照射太陽(yáng)能電池板，具有復(fù)位功能和校正功能，同時(shí)可以進(jìn)行溫度顯示。其研究?jī)?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(jì)、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)溫度顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、復(fù)位和校正功能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)物的焊接設(shè)計(jì)。

2、總體方案構(gòu)思

本設(shè)計(jì)的選用STC89C52單片機(jī)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(cè)電路、光電轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。以下是各個(gè)模塊硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方面的研究。

硬件部分：使用雙軸跟蹤系統(tǒng)，原理是把兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)組合成的雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)可以全方位的轉(zhuǎn)動(dòng)，光電傳感器采集光信號(hào)并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再進(jìn)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(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換成電壓值，通過(guò)C語(yǔ)言程序編程比較各個(gè)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

綜和上述，本設(shè)計(jì)采取的總體方案為：太陽(yáng)光照射在光電傳感器上進(jìn)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(hào)送給單片機(jī)處理完成后發(fā)送控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片從而控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行跟蹤。并利用按鍵對(duì)太陽(yáng)能電池板的方向進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。溫度傳感器采集溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jì)方框圖。

3、總體設(shè)計(jì)

硬件部分：本設(shè)計(jì)的機(jī)械部分主要由電池板支架、轉(zhuǎn)軸、底座和步進(jìn)電機(jī)組成。機(jī)械裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使面板在水平360度和垂直方向0至80度之間自由旋轉(zhuǎn)。控制部分主要由STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)組成。跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)大致為用螺絲把一個(gè)控制方位的步進(jìn)電機(jī)控制在底座上，然后在步進(jìn)電機(jī)上安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸，上面連接水平方向步進(jìn)電機(jī)的底座。水平步進(jìn)電機(jī)也被用螺絲控制在垂直方向的底座上，也安裝了轉(zhuǎn)動(dòng)軸，并且連接著太陽(yáng)板和光敏電阻等部件。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理是用2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制高度角和方位角兩個(gè)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(chēng)俯仰軸，控制垂直方向，最后兩步電機(jī)分別連接單片機(jī)控制系統(tǒng)。具體地說(shuō)，芯片連接到驅(qū)動(dòng)芯片ULN 2803，又連接到AD轉(zhuǎn)換芯片以控制步進(jìn)電機(jī)。在工作時(shí)，太陽(yáng)跟蹤器根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的位置改變水平方向，通過(guò)方位軸改變方位角。通過(guò)俯仰軸改變接收平臺(tái)的傾斜角，以改變垂直方向，從而使太陽(yáng)跟蹤器能夠改變垂直方向。太陽(yáng)光線(xiàn)垂直于太陽(yáng)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)軟件的設(shè)計(jì)，需要兩個(gè)軟件，一個(gè)是編程軟件，一個(gè)是下載軟件。編程軟件為KEILC51，KEILC 51是許多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)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(yǔ)言PLM和C語(yǔ)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(jì)采用的是51單片機(jī)，它是控制這個(gè)系統(tǒng)的核心部分，軟件部分也由單片機(jī)來(lái)操作，其最終目的就是正確控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。本部分以單片機(jī)為核心部件將各個(gè)電路模塊都連接起來(lái)，使我們更清楚設(shè)計(jì)本意?？稍O(shè)上下左右四個(gè)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(jì)采取了傳統(tǒng)的硬件和軟件相結(jié)合的開(kāi)發(fā)方法，使用了STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制處理芯片，它具有硬件設(shè)計(jì)方便，資源豐富，軟件部分程序指令快速簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，保證了該系統(tǒng)反應(yīng)的快速性和靈敏性，利用四個(gè)光敏電阻對(duì)當(dāng)前環(huán)境光線(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行感應(yīng)，并把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)處理后，發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行跟蹤。利用實(shí)體按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)。本裝置還有實(shí)時(shí)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(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)的裝置。系統(tǒng)分成光電轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，溫度顯示模塊，按鍵校正模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。整個(gè)裝置用一張萬(wàn)用板做成底座把各模塊焊接在一起。最終實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光的自動(dòng)跟蹤，實(shí)時(shí)的溫度檢測(cè)和按鍵校正等功能。

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