陳媛媛，王琦

（東方地球物理公司裝備服務(wù)處儀器中心，河北保定，072750）

0 引言

太陽(yáng)能是清潔的一次能源，是無(wú)窮無(wú)盡的。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能的利用率較低。在節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施下，充分利用太陽(yáng)能資源是保護(hù)環(huán)境中重要的一步。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，再將其存儲(chǔ)在蓄電池里供人們使用，該電能清潔、穩(wěn)定對(duì)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的實(shí)際意義[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示為單片機(jī)的光電能量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)的控制核心是51 單片機(jī)，供電的原理是太陽(yáng)能通過(guò)最大光強(qiáng)點(diǎn)追蹤轉(zhuǎn)化為電能；該系統(tǒng)還帶有智能溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，以SHT11 傳感器的濕度測(cè)量為主；通過(guò)DS1302 芯片顯示時(shí)間量，再以PS-232 總線為橋梁將信息傳送至電腦端進(jìn)行分析，在通過(guò)顯示屏呈現(xiàn)出來(lái)[2]。該系統(tǒng)可以調(diào)整時(shí)間，同時(shí)還可以對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)濕度超出限制值時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。

圖1 單片機(jī)的光電能量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)的光電能量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為以下兩部分：①光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)；②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是采集數(shù)據(jù)（溫濕度、時(shí)間），除此之外，還包括顯示、警報(bào)等模塊。

2 光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

單片機(jī)的光電能量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其主要目的是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，再利用系統(tǒng)將其存儲(chǔ)在蓄電池里，最后將太陽(yáng)輻射通過(guò)單片機(jī)在給其供電。

■2.1 關(guān)于該系統(tǒng)的說(shuō)明

基于單片機(jī)的光電能量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能量源頭是太陽(yáng)能，該系統(tǒng)不但可以幫助人們解決生產(chǎn)、生活中出現(xiàn)的斷電和電網(wǎng)異常問(wèn)題，而且提高了太陽(yáng)能的利用率，與我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展主題相契合[3]。

單片機(jī)消耗的功率小，用太陽(yáng)能板吸收的能量經(jīng)過(guò)控制轉(zhuǎn)換得到的電能，適宜作為系統(tǒng)的供電來(lái)源，提高系統(tǒng)的工作效率與簡(jiǎn)化使用方式是非常重要的。基于此，本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)上考慮到多種影響因素，將太陽(yáng)能板的固定轉(zhuǎn)動(dòng)摒棄，利用光敏器跟蹤，讓程序控制太陽(yáng)能板隨自大光強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。此方法簡(jiǎn)單可靠，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果電路的精準(zhǔn)控制不受周圍環(huán)境亮度的影響，能夠達(dá)到期望的指標(biāo)。

■2.2 設(shè)計(jì)原理

以光敏電阻阻值受光照的影響為基礎(chǔ)，取4 個(gè)相同的光敏電阻放于電池板的不同位置（東西南北方向邊沿），其中控制版面的舵機(jī)控制太陽(yáng)能板的上下左右軸轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示為太陽(yáng)能板的硬件示意圖，當(dāng)太陽(yáng)能電池板垂直接收太陽(yáng)光時(shí)，各光敏電阻接收的光照強(qiáng)度相同，舵機(jī)不動(dòng)，4 個(gè)光敏電阻阻值相同；當(dāng)太陽(yáng)光折射與電池板接收出現(xiàn)夾角時(shí)，各光敏電阻接收的光照強(qiáng)度不同，電阻阻值隨光強(qiáng)的增大而減小，此時(shí)舵機(jī)在高低電平的驅(qū)動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直至其中2 個(gè)電阻光照相同時(shí)，舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，等待下一次出現(xiàn)角度偏差繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

圖2 太陽(yáng)能板硬件示意圖

■2.3 數(shù)據(jù)處理部分

LM393 比較器工作原理圖如圖3 所示。零點(diǎn)漂移的直流信號(hào)可以通過(guò)LM393 比較器、零電位調(diào)整單元來(lái)抵消。當(dāng)輸入信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，比較器會(huì)先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行判斷，再將光敏電阻的變化值轉(zhuǎn)化為電壓值，系統(tǒng)給出的高、低電平數(shù)值隨著輸出信號(hào)的強(qiáng)度變化而變化，同時(shí)該部分還可以協(xié)助系統(tǒng)屏蔽某些微小的信號(hào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖3 LM393 比較器工作原理圖

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■3.1 溫濕度采集電路

溫濕度采集電路如圖4 所示，溫濕度采集電路主要是通過(guò)LM35 電壓型集成溫度傳感器來(lái)進(jìn)行操作的，其測(cè)量的溫度幾乎不存在誤差，而且體積小、能耗低，還具有非常高的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)不需要外圍器件就可以將兩個(gè)電阻的串聯(lián)分壓進(jìn)行植入，提高了數(shù)據(jù)的輸入效率，同時(shí)保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和距離。

圖4 溫濕度采集電路

■3.2 時(shí)鐘電路模塊

時(shí)鐘電路圖如圖5 所示，該模塊采用具有充電能力的電路DS1302，同時(shí)可以傳輸數(shù)據(jù)和保護(hù)掉電。

圖5 時(shí)鐘電路圖

■3.3 控制單元

控制單元的主要工作是控制舵機(jī)的工作狀態(tài)，它的工作依據(jù)是比較器送來(lái)的數(shù)字量。電池板轉(zhuǎn)向主要是通過(guò)舵機(jī)進(jìn)行控制的，主要有一下幾個(gè)原因：①舵機(jī)與其他控制軟件相比，其對(duì)角度的控制更加精準(zhǔn)；②舵機(jī)的穩(wěn)定性好，可以鉗住已給定的角度，保證其不受外界干擾；③操作簡(jiǎn)單，舵機(jī)的角度控制非常簡(jiǎn)單，只需要改變占空比就可以，在很大程度上減輕了系統(tǒng)的工作量[5]。

■3.4 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)外圍電路包含很多種：鍵盤輸入電路、RS-232通信電路、復(fù)位電路、鍵盤輸入、報(bào)警電路及顯示電路等。鍵盤輸入模塊如圖6 所示，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)的修改和對(duì)溫濕度上下限值的設(shè)定。

圖6 獨(dú)立式鍵盤電路

4 系統(tǒng)測(cè)量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

■4.1 程序流程

將C 語(yǔ)言與KEIL4 作為該程序的基礎(chǔ)，編寫初始化子程序和功能子程序。主程序的流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

（1）舵機(jī)控制子程序。單片機(jī)接收通過(guò)光敏電阻采集到的光強(qiáng)，并對(duì)經(jīng)比較器得到的兩個(gè)數(shù)字量進(jìn)行分析，如果數(shù)值出現(xiàn)差值，則驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，否則返回等待下一次差值的出現(xiàn)。

（2）測(cè)溫濕度子程序。通過(guò)LM35 電壓型集成溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，當(dāng)單片機(jī)供電為5V、LM35 溫度檢測(cè)值線性較高時(shí)，其分辨率為14 位[6]。

■4.2 調(diào)試濕度電路

使用電路仿真軟件測(cè)試濕度電路，分析得到的方波來(lái)判斷傳感器的電容量改變。若輸出的為方波，則通過(guò)系統(tǒng)的震蕩電路來(lái)分析波形的周期發(fā)生變化，在通過(guò)分析比較最后得出系統(tǒng)改變的頻率值。

■4.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析

為了證實(shí)該系統(tǒng)具有很好的測(cè)量精度，選取不同環(huán)境來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)：

（1）天氣情況：雷陣雨轉(zhuǎn)中雨、溫度20-30℃。當(dāng)天氣開始下雨時(shí)，濕度開始升高,當(dāng)雨停時(shí)，濕度下降到80%左右。當(dāng)下雨天氣時(shí)，陰暗光強(qiáng)度電壓輸出降低，光強(qiáng)度電壓輸出隨天氣晴朗而中升高。

（2）當(dāng)濕度穩(wěn)定時(shí)，光強(qiáng)隨溫度的變化而變化。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著可續(xù)期發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，使我們?cè)絹?lái)越重視節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境。太陽(yáng)能屬于取之不盡用之不竭的一次能源，充分利用太陽(yáng)能資源是保護(hù)環(huán)境中非常重要的[7]。利用單片機(jī)設(shè)計(jì)的光電能量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值，該系統(tǒng)安裝較為簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并且維護(hù)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，滿足溫室環(huán)境的用電要求。