謝光奇 伍錫鑫 易鳴倫 蔣純志

湘南學院電子信息與電氣工程學院 湘南郴州 423000

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太陽能液晶顯示系統(tǒng)的設計

謝光奇 伍錫鑫 易鳴倫 蔣純志

湘南學院電子信息與電氣工程學院 湘南郴州 423000

摘 要：系統(tǒng)主要由單片機STC89C52控制器、太陽能電池板、蓄電池、步進電機驅動電路、光照檢測電路、液晶顯示及線性電源組成。日照充足時，太陽能電池板接受光照并轉化為電能，通過充電保護電路給蓄電池快速充電并給各模塊電路供電；當日照不足時，切換為蓄電池供電；液晶顯示時間。光敏電阻檢測電路將光線的變化轉變?yōu)楦叩碗娖?，并傳遞給單片機，通過控制步進電機實現(xiàn)對太陽能電池面板角度的調整，使之感受最強光照。

關鍵詞：單片機；太陽能；蓄電池；步進電機；顯示

1 太陽能利用發(fā)展動態(tài)

太陽能作為地球上最豐富的可再生能源具有獨特的優(yōu)勢和巨大的利用潛力，充分利用太陽能有利于保持人與自然的和諧及能源與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展，大力使用太陽能資源對于落實科學發(fā)展觀有著重要意義。對于太陽能，人類的早期利用主要是光和熱。而光伏發(fā)電技術的出現(xiàn)為太陽能的利用開辟了廣闊的領域。隨著太陽能技術的發(fā)展，太陽能光伏液晶顯示器的發(fā)展向著更深，更廣的層次和領域發(fā)展。

2 系統(tǒng)結構及工作原理

2.1 系統(tǒng)結構

傳感器檢測到光照信息傳遞給單片機，單片機處理后控制電機驅動電路驅動步進電機，從而控制太陽能面板的角度，并通過液晶顯示當前的時間。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 太陽能液晶顯示系統(tǒng)總體結構

2.2 工作原理

日照充足時，太陽能電池板將光能轉化為電能，一部分電能提供給控制系統(tǒng)和液晶顯示器，剩余的電能通過充電電路快速給蓄電池充電，當蓄電池充電完畢時，通過比較電路判斷進而切斷充電電路，有效防止對蓄電池的過充；日照不足時，系統(tǒng)將自動切換為蓄電池供電。為了充分接受光照，系統(tǒng)采用傳感器電路檢測光照強度的最大值，驅動步進電機調整太陽能面板的角度，使太陽能面板感受最強光照。

3 硬件電路設計

3.1 電源電路的設計

電源電路的設計包括太陽能電池板的供電電路設計、蓄電池的充電電路與放電電路以及其他電路模塊的供電電路設計。電源電路的設計如圖2所示。該電圖的solar端口用以接入太陽能電池；cell端口用以接入蓄電池；motor端口用以供給步進電機的電能需求；power端口用以接入傳感器電路模塊、1602液晶顯示模塊、單片機控制電路模塊。該電路圖由2個比較器、3個NPN三極管、2個二極管、2個7805芯片、1個發(fā)光二極管組及電阻組成。

第一個比較器的作用：單片機芯片第5引腳與比較器相連與基準電壓比較，控制NPN三極管開與關，從而控制蓄電池充電電路的通斷；第二個比較器的作用：當太陽能電池給蓄電池充電時，為防止對蓄電池過充電，通過對蓄電池的采樣電壓與基準電壓比較來判斷蓄電池是否充電完畢，若蓄電池充滿電量，則采樣電壓與基準電壓相等，比較器輸出低電平，關斷三極管，進而切斷充電電路，防止蓄電池過充電而燒毀；若蓄電池電量不足，則采樣電壓將小于基準電壓，比較器輸出高電平，保持三極管的導通，進而開通充電電路給蓄電池充電。

第一個三極管用來做充電電路的開關，當比較器輸入其高電平時開通充電電路；當比較器輸入其低電平時關斷充電電路。第二個與第三極管串聯(lián)構成二級放大電路，用以給蓄電池快速充電。

二極管用來防止電流回流；發(fā)光二極管用來指示蓄電池是否充電。

圖2 電源電路設計

3.2 單片機控制電路設計

單片機通過控制ULN2003芯片驅動步進電機，該步進電機采用雙四拍運行方式，并可以正反轉。單片機控制電路圖如圖3所示。

圖3 單片機控制電路設計

步進電機工作電壓為5 V，但需要的電流要從約100 mA～300 mA范圍內變化，而該系統(tǒng)所采用的太陽能電池板輸出的電流最高也只能達到220 mA左右，不能正常驅動步進電機，甚至影響其他電路模塊?？紤]依靠蓄電池給步進電機供電，在供電的同時，切斷其充電電路以免發(fā)生干擾。單片機控制步進電機時，若電機得到指令運轉的同時，單片機芯片的P1.4口將輸出低電平，從而使電源電路中對應的比較器輸出低電平，進而關閉充電電路。

單片機通過按鍵電路來調整液晶顯示器顯示日期和時鐘，S1按鍵按下時時鐘停止并且光標在第一個數(shù)字下閃爍，按下S2或S3時可對該數(shù)值進行加或減。繼續(xù)按下S1時可對液晶顯示器上的數(shù)字進行修改。

3.3 檢測電路設計

傳感器檢測電路由光敏電阻、比較器以及普通陶瓷電阻構成的兩個比較電路組成。傳感器檢測電路如圖4所示。

圖4 光照檢測電路設計

圖4中左圖是光敏電阻的電壓與基準電壓產生比較，右圖是兩個光敏電阻在不同的光照條件下所產生的電壓比較。

如圖4所示，當光線強時，光敏電阻阻值變小，使其阻值遠小于2 K，從而使其電壓小于2 K電阻電壓，經過比較器判斷使S1和S2為高電平；當光線弱時，光明電阻阻值變大，使其阻值遠大于2 K，從而使其電壓高于2 K電阻電壓，經過比較器判斷使S1和S2為低電平。其中S1和S2的信號送給單片機判斷，控制電機是否轉動。如右圖，當兩個光敏電阻分別感受的光線強度是左強右弱時，S3為低電平S4為高電平；而當兩個光敏電阻分別感受的光線強度是左弱右強時，S3為高電平S4為低電平。其中S3和S4的信號送給單片機判斷，控制電機是否正反轉。

單片機通過S1，S2，S3，S4端口接收傳感器電路模塊傳來的信息并判斷：若S1和S2同時為低電平或為高電平時，電機停轉且不受S3和S4的影響；若S1和S2電平不一致時，S3為低電平S4為高電平時電機右轉，S3為高電平S4為低電平時電機左轉。

以上功能設置是為了使太陽能電池板只在日照充足的情況下感受光線變化而發(fā)生偏轉，而在陰天或夜晚不受弱光線影響致使電機誤動而耗電。

4 軟件設計

總程序流程圖如圖5所示。

圖5 總程序流程圖

電源上電后，初始化液晶顯示及單片機各端口，按鍵掃描進按鍵子程序，對顯示時間進行調整，關敏電阻檢測電路對光照檢測的信息傳遞給單片機，判別S1=1，S2=0，S3=1，是則控制步進電機左轉，否及左轉后再判別S1=0，S2=1，S4=1，是則控制步進電機右轉，否及右轉后返回按鍵掃描。

5 結束語

隨著太陽能技術的發(fā)展，太陽能光伏液晶顯示器的發(fā)展向著更深，更廣的層次和領域發(fā)展。設計實現(xiàn)了太陽能液晶顯示，并且利用光敏電阻檢測光照信息，單片機自動控制步進電機，調整太陽能面板，達到自動跟蹤太陽能的功能，設計還實現(xiàn)了蓄電池過充電保護，太陽能面板在夜晚不跟蹤等功能。

參考文獻

［1］陳汝全.電子技術常用器件應用手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［2］王質樸，呂運朋. MCS-51單片機原理、接口及應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2009.

［3］陶紅艷，余成波. 傳感器與現(xiàn)代檢測技術［M］.北京:清華大學出版社吧，2009.

［4］康華光，鄒壽彬，秦臻.電子技術基礎:數(shù)字部分［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［5］譚浩強.C語言程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2000.

［6］程明.微特電機及系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2009.

The Display System Design Based on Solar

Xie Guangqi， Wu Xixin， Yi Minglun， Jiang Chunzhi
College of Electronic Information and Electrical Engineering， Xiangnan University， Chenzhou， 423000， China

Abstract:The system is composed of STC89C52 microcontroller， solar panel， battery， drive circuit of Stepping motor ， illumination detection circuit， LCD and Linear power supply. When the sunshine is enough， the solar panel transforms the illumination into electricity， and charges the battery quickly and supplies the power to the system by charging protection circuit. When the sunlight is insuffcient， the battery supplies electric energy. LCD displays the time. Photosensitive resistance detection circuit outputs high and low levels to the microcontroller. The microcontroller adjusts the angle of the solar panel by controllers the stepping motor， and makes it feel the strongest light.

Key words:microcontroller； solar； battery； stepping motor； display

收稿日期：2015-06-24

作者簡介：謝光奇，碩士，講師。通信作者：蔣純志，碩士，教授。

基金項目：湘南學院2013年大學生研究性學習與創(chuàng)新性實踐項目（湘教通［2013］223-452，湘教通［2014］248-487）。