韓晶晶

（山西工商學(xué)院 山西 太原 030006）

0 引言

我國是利用太陽能最多的國家之一，雖然現(xiàn)在已有投入并使用的太陽能設(shè)備很多，但是基本都是對太陽能的簡單利用，這些設(shè)計(jì)存在的問題都是太陽能的實(shí)際利用率很低，能源的轉(zhuǎn)換效率也低。為了提高對太陽能的利用率，設(shè)計(jì)智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)，通過自動尋找太陽能光照強(qiáng)的方向吸收太陽能，另外還結(jié)合手動控制，在陰雨天等特殊情況下，可以用手動控制太陽能板轉(zhuǎn)動方向，來大大提高太陽能的利用率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

在智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)中，不同模式下的太陽能極其工作原理都相同，處于自動模式時(shí)，需要在太陽能板的兩側(cè)各放置一個(gè)光敏電阻，獲取模擬信號，根據(jù)太陽能板兩側(cè)的光照強(qiáng)度不同，光敏電阻的阻值不同，經(jīng)過電壓比較器進(jìn)行對比，可對太陽能板兩側(cè)的光照強(qiáng)度進(jìn)行比較，然后控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動太陽能板向光照強(qiáng)度強(qiáng)的一側(cè)轉(zhuǎn)動。處于手動模式時(shí)，可通過按鍵或手機(jī)App 進(jìn)行模式切換，可正向或反向的調(diào)節(jié)太陽能板轉(zhuǎn)動，或是暫停于某一位置，同時(shí)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片檢測當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后經(jīng)過LCD1602 液晶屏進(jìn)行顯示。通過太陽能板發(fā)電，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能存儲在鋰電池當(dāng)中，同時(shí)系統(tǒng)采用鋰電池供電，無須外部電源供電。藍(lán)牙模塊將實(shí)接收到顯示屏到的數(shù)據(jù)傳回到移動端。在電機(jī)控制模塊，通過采集的同一時(shí)刻太陽能板兩側(cè)不同的光敏電阻值以及不同時(shí)刻太陽能兩側(cè)收集的光敏電阻值，經(jīng)過電壓比較器，從而控制步進(jìn)電機(jī)帶動太陽能板向光照強(qiáng)度強(qiáng)的一側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)動達(dá)到智慧追蹤。

1.2 整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)是由太陽能采集設(shè)備、單片機(jī)控制設(shè)備、鋰電池充電設(shè)備、藍(lán)牙通信設(shè)備和手機(jī)App 五部分組成。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)控制設(shè)備是本系統(tǒng)的核心，因此本系統(tǒng)的重點(diǎn)是根據(jù)太陽光強(qiáng)度不同時(shí)，太陽能板隨太陽光的轉(zhuǎn)動進(jìn)行設(shè)計(jì)。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含以下部分電路：單片機(jī)及外圍電路，顯示模塊，太陽能板，步進(jìn)電機(jī)、整流電路、逆變電路、光敏傳感器，組成系統(tǒng)的智慧光能追蹤[1]。此次設(shè)計(jì)，首先采用了以單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器件作為主控模塊，通過藍(lán)牙配對和手機(jī)相連。當(dāng)系統(tǒng)開啟屬于默認(rèn)的自動模式時(shí)，通過光敏電阻和電壓比較器組合成太陽能采集模塊，完成對太陽能光照強(qiáng)度強(qiáng)一側(cè)進(jìn)行太陽能采集，通過電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)太陽能板向光照強(qiáng)度強(qiáng)的一側(cè)轉(zhuǎn)動。LCD 主要顯示光照強(qiáng)度與鋰電池中的存儲電量。主控模塊驅(qū)動藍(lán)牙模塊將液晶顯示屏平上的信息傳輸至手機(jī)App 移動端，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，在不同的太陽能狀態(tài)下，可以遠(yuǎn)程控制自動模式或手動模式。需要手動模式時(shí)，可以通過設(shè)置不同的指令，傳達(dá)給主控模塊，從而進(jìn)行太陽能板的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊采用的時(shí)STC89C52，在主控模塊的設(shè)計(jì)中，主控模塊主要有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，電源和地四部分組成，主控模塊也是整個(gè)光能追蹤系統(tǒng)控制的核心，負(fù)責(zé)調(diào)控電路，程序執(zhí)行，連接負(fù)載。在單片機(jī)的第18 和第19引腳首先接的是一個(gè)石英晶體振蕩器，此晶振值一般取的是12 MHZ 或者11.059 2 MHZ，因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中需要配置9 600 的波特率，因此選用了11.059 26 MHZ 的無源晶振作為振蕩電路的時(shí)鐘源。在晶振與GND 的中間接了C2、C3兩個(gè)電容，其容值在6～50 PF 之間都可以，在本系統(tǒng)中選用的是22 PF，其作用 是快速起震和穩(wěn)定晶振頻率。當(dāng)單片機(jī)具備了時(shí)鐘振蕩電路之后，其內(nèi)部電路就會產(chǎn)生自激振蕩，就有了基準(zhǔn)信號。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

在本系統(tǒng)中由于需要對電池的電壓進(jìn)行測量，由于單片機(jī)是數(shù)字芯片，模擬量的變化單片機(jī)不能直接采集，所以需要采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此在本系統(tǒng)中需要模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片。ADC0832 芯片直接與STC89C52 單片機(jī)相連接，具有體積小，性價(jià)比高，兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于光敏電阻在不同的光照強(qiáng)度下，阻值會發(fā)生變化。隨著光照強(qiáng)度越強(qiáng)，其阻值會越小。R2 和R3 共同組成了伏壓電路，與ADC0832 相連接，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。例如CH0 輸出的是0～5 V 的模擬量轉(zhuǎn)換成0～256 的數(shù)字量，根據(jù)不同的電壓值，輸出的數(shù)據(jù)不同，單片機(jī)在處理之后轉(zhuǎn)換成的光照強(qiáng)度值也不同。所以在連接ADC0832 時(shí)，C/S 為使能端，接主控模塊的P32 口，CLK 時(shí)鐘引腳，與單片機(jī)的通信方式為串行通信。

2.3 太陽能充電電路模塊

在本系統(tǒng)中，太陽能要將吸收到的太陽能存儲到鋰電池當(dāng)中，當(dāng)光照不足時(shí)，鋰電池要為系統(tǒng)提供電量。因此太陽能充電在有良好光照的情況下，太陽能板自動識別光照方向，給鋰電池充電。也可以通過手動控制，定位在光照充足的方向上，吸收太陽光[2]。電池中電壓為3.7 V，達(dá)不到5 V，所以加入升壓電路，將3.7 V 的電壓升壓到5 V，太陽能板通過充電模塊給鋰電池充電，在太陽能板上串聯(lián)了一個(gè)指示燈，當(dāng)太陽能板有電壓時(shí)，指示燈亮，太陽能板最高5 V，指示燈為2 V，因此中間接入1 K 的電阻。電池的正負(fù)極連接自鎖開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下，4 和5 導(dǎo)通，連接升壓模塊，將鋰電池中的3.7 V升壓到系統(tǒng)所需的5 V給系統(tǒng)供電。

2.4 電機(jī)控制電路模塊

在智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)中，由于太陽能板吸收光照需要根據(jù)太陽光時(shí)刻變化，自主地進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動，來調(diào)節(jié)太陽能板對光能吸收的位置，需要使其輸出的電壓或電流反向，以達(dá)到轉(zhuǎn)動的效果。H 橋是一種電子電路，可使其連接的負(fù)載或輸出端兩端電壓反相/電流反向。這類電路可用于各種場合中直流 電動機(jī)的順反向控制及轉(zhuǎn)速控制、步進(jìn)電機(jī)控制電能變換中的大部分直流－交流變換器部分直流－直流變換器等，以及其他的功率電子裝置。4 個(gè)三極管組成H 的4 條垂直腿，而電機(jī)就是 H中的橫杠，從而實(shí)現(xiàn)電路的電機(jī)控制。此電路用了4 個(gè)NPN 三極管和4 個(gè)4148 二極管，二極管起截至電流導(dǎo)通的作用[3]。4 個(gè)三極管形成的H 橋，達(dá)到了電流的互相流動，電機(jī)中的電流能夠反向?qū)?，電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此只需要控制out1 和out2 就可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了太能板的“智慧”。

2.5 光照強(qiáng)度比較電路模塊

智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)需要通過比較太陽能板兩端的光照強(qiáng)度，才能調(diào)節(jié)太陽能板的轉(zhuǎn)動位置，所以這一模塊尤為重要。此次選用LM393 電壓比較器，這種比較器是一個(gè)兩路電壓比較器，更加符合太陽能板兩端光照強(qiáng)度的比較，通過對輸入端的兩個(gè)電壓進(jìn)行比較，在電壓比較器的輸入端利用光敏電阻調(diào)節(jié)輸入電壓的大小，不同光照強(qiáng)度時(shí)得到的輸入電壓會不同，與參考電壓比較，通過電壓比較器時(shí)在輸出端就會得到不同的電壓，利用高低電平，指示燈的亮滅情況判斷光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱。其中第8 引腳和第4 引腳分別接電源和地，當(dāng)光照強(qiáng)度越強(qiáng)時(shí)，電壓越小，INA—越低，當(dāng)INA+＞INA—時(shí)，OUT1 輸出高電平；指示燈不亮。當(dāng)INA+＞INA—時(shí)OUT1 輸出低電平，LED 燈會亮。R3 的10 K 電阻與光敏電阻構(gòu)成一個(gè)分壓電路。當(dāng)兩個(gè)光敏電阻的光都特別強(qiáng)時(shí)，都輸出高電平，兩個(gè)光敏的光都特別弱時(shí)，都輸出低電平。當(dāng)兩個(gè)光敏電阻的光一弱一強(qiáng)時(shí)，則輸出一個(gè)低電平，一個(gè)高電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主程序由初始化程序部分，數(shù)據(jù)處理部分，藍(lán)牙連接和顯示部分組成。此次系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)除了正常的太陽能板根據(jù)日常光照自動追蹤，還設(shè)計(jì)了在特殊情況下可以通過手機(jī)遙控，控制太陽能板進(jìn)行太陽能吸收。

在程序中設(shè)定4 個(gè)按鍵，打開電源，系統(tǒng)默認(rèn)為自動模式Auto，可根據(jù)當(dāng)前的光照，通過電壓器對太陽能板兩端電壓的比較，單片機(jī)I/O 口對電機(jī)進(jìn)行控制，向太陽光強(qiáng)度強(qiáng)的一側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，吸收太陽光。當(dāng)按鍵1 按下或在App 上發(fā)送指令M+回車符，系統(tǒng)會切換到手動模式Manual，不會再根據(jù)太陽光照強(qiáng)度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)按下按鍵2 時(shí)或發(fā)送指令Z+回車符，系統(tǒng)進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)按下按鍵3 時(shí)或發(fā)送指令F+回車符，系統(tǒng)進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)；第4 個(gè)按鍵為暫停鍵，發(fā)送指令為T+回車符。系統(tǒng)將讀取太陽能采集模塊收集到的數(shù)值，通過單片機(jī)進(jìn)行處理，將采集到的數(shù)值和電池內(nèi)剩余電量實(shí)時(shí)顯示到LCD 顯示屏和手機(jī)App 上并把吸收到的太陽能存儲到鋰電池中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自身供電。智慧光能追蹤輔助系統(tǒng)主程序運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中由于單片機(jī)不能直接處理模擬信號，所以使用了ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADC0832 是可以同時(shí)測量兩路電壓的模數(shù)裝換芯片，測量電壓的范圍是0～5 V，通過串行協(xié)議，當(dāng)需要開始測量時(shí)，打開芯片片選，將D0 端設(shè)為高電平，再設(shè)置其起始位和雙通道的單極性輸入，當(dāng)D0 為低電平時(shí)選擇通道0，當(dāng)D0 為高電平時(shí)，選擇通道1；當(dāng)D0 取消高阻態(tài)時(shí)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，通過循環(huán)，依次讀取數(shù)據(jù)，最后取消片選，一次的數(shù)模轉(zhuǎn)換完成[4]。

3.3 液晶顯示程序設(shè)計(jì)

在液晶顯示程序中，需要實(shí)時(shí)顯示太陽能光照強(qiáng)度和電池內(nèi)剩余電量，LCD1602 液晶顯示屏始終顯示出“E：XX% L：xxxix Auto 或Manal”的字樣。

首先要進(jìn)行初始化設(shè)置，通過LCD1602 的RS，R/W 和E 三個(gè)引腳置1 或清0，實(shí)現(xiàn)對LCD 的讀寫操作。LCD 是慢顯器件，所以在寫每條命令之前，函數(shù)檢測引腳電平，設(shè)置初始值為0xFF，如果BF=1處于忙狀態(tài)，繼續(xù)循環(huán)檢測，直到BF=0 說明不忙，就向LCD 寫入命令。

要設(shè)置光標(biāo)的起始位置由輸入的屏幕坐標(biāo)來計(jì)算存儲器的位置[5]。只有RS 和E 都為0，才能寫入命令，LCD 開始執(zhí)行命令。當(dāng)RS=1 和RW=0 時(shí)，才可以寫入數(shù)據(jù)，E 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，寫數(shù)據(jù)操作結(jié)束。還要通過While循環(huán)連續(xù)寫入字符串?dāng)?shù)據(jù)，直到檢測到結(jié)束符。數(shù)據(jù)寫入LCD 模塊后，控制器會自動讀出ROM 中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送到液晶顯示屏上顯示。

3.4 藍(lán)牙通信程序

藍(lán)牙模塊是通過手機(jī)App 作為中間媒介，在藍(lán)牙串口助手實(shí)時(shí)地將單片機(jī)上液晶顯示屏顯示的數(shù)據(jù)傳送給藍(lán)牙模塊，再把信息傳送給App 上，且能進(jìn)行命令下達(dá)，手動與自動相切的目的。HC-05 具有兩種工作模式，響應(yīng)和自動連接工作模式。處于自動連接工作模式時(shí)，系統(tǒng)會自動根據(jù)設(shè)定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)，會根據(jù)輸入的命令符+回車符執(zhí)行命令。在藍(lán)牙配置中，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊的主從綁定，首先要進(jìn)入AT 指令模式，按設(shè)置藍(lán)牙串口波特率9 600，無校驗(yàn)位，1 停止位。指令：AT+UART=960 000，設(shè)置藍(lán)牙的主從模式時(shí)，將設(shè)置藍(lán)牙為從模式，即0 設(shè)為從模式，1 設(shè)為主模式。用指令：AT+ROLE=0。設(shè)定藍(lán)牙連接模式。然后再互綁對方的地址，此次設(shè)置的為從模式綁定主模式地址，即AT+BIND=命令，綁定好后，用查詢指令，查看是否綁定正確，最后將兩個(gè)模塊重新上電，建立好通信。

4 系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析

4.1 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，同時(shí)也將功能更加完善。本次設(shè)計(jì)用到的是C 語言，打開KEIL 軟件，編輯基于STC89C51 的智慧光能輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)代碼，在編寫代碼的過程中，按照功能模塊一步一步編寫會更加思路清晰，在編寫過程中可能也會不小心有錯(cuò)誤出現(xiàn)，下方會出現(xiàn)提示，根據(jù)提示，仔細(xì)察看就會發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，改成正確的代碼。調(diào)試好代碼錯(cuò)誤后，將HEX 文件下載到單片機(jī)的存儲器內(nèi)，用燒錄工具將編譯好的文件進(jìn)行燒錄，燒錄過程中不能斷電。燒錄完成后進(jìn)行上電調(diào)試，觀察太陽能板是否能實(shí)現(xiàn)光能追蹤，鋰電池和太陽能板是否正常為系統(tǒng)供電，液晶顯示器是否能夠正常顯示。

4.2 功能調(diào)試

系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)行初始化，以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)可對比太陽能板兩側(cè)的光照強(qiáng)度，使太陽能板面向光照強(qiáng)度強(qiáng)的一側(cè)轉(zhuǎn)動；通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽光的追蹤。在測試過程中，用手電筒左右照射模擬太陽光變化照射到太陽板，太陽能板隨照射方向轉(zhuǎn)動則太陽能采集功能正常。本系統(tǒng)采用太陽能板和鋰電池供電，無需外部供電?？蓪⑻柲馨宸胖糜跓o光照的環(huán)境中，此時(shí)沒有光照，系統(tǒng)正常運(yùn)行，液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示了鋰電池中的電量，一直在減少，說明系統(tǒng)采用鋰電池供電，將太陽能板置于光照下，則太陽板開始供電，鋰電池中開始存儲電量[6]。藍(lán)牙將采集到的太陽能信息以及電池量的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)绞謾C(jī)App，打開手機(jī)藍(lán)牙，進(jìn)行配對連接，可通過語音提示連接成功。完成后，可以在功能選擇上，查看液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)信息，并能夠在不同的環(huán)境下，調(diào)整太陽能板自動或手動模式進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

4.3 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)調(diào)試后測的太陽能電池正常電壓是12.17 V，經(jīng)穩(wěn)壓電路后電壓為9.46 V，7805 輸出電壓為6.48 V，7 805 反饋電壓為1.26 V，三極管基極電壓為5.17 V，控制充電電壓為5.03 V，電池充滿后電壓為5.03 V。表1為晴天情況下太陽能電池電壓隨太陽一天變化的結(jié)果。通過變化情況表中的數(shù)據(jù)可以分析出，太陽能板隨光照進(jìn)行“智慧”追蹤，存儲和釋放電正常運(yùn)行。

表1 太陽能電池電壓隨太陽變化情況

5 結(jié)語

綜上所述，本文提出了基于STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)對不同環(huán)境下光照強(qiáng)度的準(zhǔn)確判斷，實(shí)現(xiàn)太陽能板對光能進(jìn)行智慧追蹤，提高太陽能利用率，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行顯示，該系統(tǒng)具有較好的智慧追蹤效果。