基于单片机技术的室内照明光伏优化供电控制系统设计

闫璞+王贵锋

摘 要：为了提高太阳能光伏电池的光电转换效率，本文以单片机为控制核心，设计了室内照明光伏供电控制系统。通过采样光敏电阻检测与比较，双轴机械跟踪定位，使光伏电池组件板与太阳光垂直。系统主要由光敏电阻、A/D转换TLC549芯片、主控单片机STC89C51、舵机转动驱动、液晶显示模块等。系统结构简单、制造成本低，能在人工不干预的情况下自动检测光强度，特别适合与于气候变化和无人看守的情况。

关键词：光伏电池；转换效率；单片机；阳光自动跟踪

中图分类号：TP21 文献标志码：A

Abstract：In order to improve the conversion efficiency of photovoltaic cell module， a sunlight automatic tracking system （SATS） was designed using a microcomputer on （MSC） a single chip as a control core in this paper. The orientation of photovoltaic cell module was automatically adjusted to be perpendicular to the rays of sun by checking and comparing the photosensitive resistance using， together with positioning of dual axis mechanical tracking. The system was composed of photosensitive resistance， A/D conversion chip TLC549， STC89C51， steering gear driving and liquid crystal display module. The designed system has many advantages including low cost， simple structure， light intensity checking， no artificial intervention and adaptability for various whether.

Keywords： photovoltaic cel； Conversion efficiency； Microcomputer on a single chip； Sunlight automatic tracking

0 引言

随着世界经济的飞速发展，煤、石油、天然气等不可再生化石能源正在急剧减少。同时，这些石化燃料的大量使用给地球带来的环境破坏不可小觑。太阳能是一种免费、洁净无污染、取之不尽、用之不竭、分布范围广的永恒能源。人们利用太阳能量已经有3000年，但是真正把太阳能作为一种资源能量和潜力利用却只有400年左右的时间，目前，对太阳能量更好地采集运用对今后的发展起着至关重大的作用。太阳能光伏电池是利用半导体器件的光电效应将光能转化为电能的装置。然而，由于太阳能存在着间歇性、分散性、光照方向和强度随时间连续变化的问题，导致光伏电池的转换效率较低。本文设计了室内照明光伏优化供电控制系统，能自动调节光伏组件的方位，使其与太阳光线始终垂直，有效提高了光电转换效率。设计的系统制造成本低，结构简单、能自动检测光强，无需人工干预，适合气候变化大和无人看守的情况，有较好的推广和利用价值。

1 系统硬件结构设计

太阳光的强度变化会产生电信号，通过光电器件检测和采集阳光强度。将信号传输到单片机中进行判断比较，得出相应的控制信号，控制舵机或者步进电机的转动，从而带动聚光板的转动，使其保持与太阳光的垂直。如图1所示，设计的系统包括信号采集与处理电路、控制电路和执行机构组成。

在4个象限内分别放置4个用遮光板隔开的光敏电阻。当太阳光没有正对4个光敏电阻而向某一个方向倾斜时，就会在其一侧形成一定的阴影，产生明显的光强度差。再通过单片机控制双轴舵机机械装置转动并用液晶显示屏显示参数。

2 系统硬件电路设计

系统硬件电路由主控电路、太阳光线自动跟踪、A/D转换、太阳光跟踪机械驱动和液晶屏显示等单元组成。

2.1 主控电路

采用单片机STC89C51进行信号处理与控制。将P1端口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4设置为普通的I/O接口，控制5个发光二级管。前4个端口控制的发光二极管指示哪边光照强，最后一个端口控制的发光二极管指示太阳能板是否光强足够强即正对太阳。由于光电传感模块产生的是模拟信号，所以要将信号直接传输到单片内就必须在前面进行数模转换，所以将P1.5，P1.6，P1.7端口设置为控制数模转换芯片TCL549的工作以及数字信号的采集。同时P0端口作为一个舵机的驱动，以及将单片机处理计算得出舵机的位置数据传输到了液晶显示屏进行显示，并设置了一个驱动开关。最后的P2端口的P2.0～P2.3控制着光电传感的工作起开关作用，P2.4端口通过三级管采集太阳能板电压来检测光照强度，将P3接口来控制液晶显示屏的显示，主控电路如图2所示。

2.2 光敏传感电路設计

光电传感模块包括4个光敏电阻、4个1K电阻和4个PNP晶体管。4个光敏电阻负责采集4个方向的不同光照强度的信号。为了使4个光敏电阻不互相影响以及两两光强差异可以足够明显，将4个光敏电阻分别放置于四象限并用遮光板两两分隔开。其中，串联的4个固定起到了保护作用，4个NPN晶体管起开关作用，由单片机的P2端口控制。具体电路如图3所示。

2.3 A/D转换电路设计

将REF+、VCC端口接入VCC，REF-、GND端口接入GND，ANALOGIN端口接入光敏电阻输出的模拟信号端，而CLK、/CS、DATA OUT端口分别接入单片机的P1.5、P1.6、P1.7端口，用单片机控制TLC549芯片以及采集数字信号。

2.4 驱动电路设计

驱动装置由两个可旋转180度的舵机构成，可直接有单片机加上拉电阻驱动。将两个舵机接入电源正负级后，再将控制端口分别接入单片机的P0.0、P0.1端口。将这两个舵机交叉放置并用撑杆连接，用单片机控制其转动方向，即可对太阳光进行跟踪。

2.5 液晶显示电路设计

如图4所示，将LCD1602的GND、VCC分别接电源，VL端接上10K电位器控制其对比度。将RS、RW、E分别接到单片机的P0.5，P0.6，P0.7端口，用单片机控制其显示显示。然后将其D0～D7端口分别接入单片机的P3.0～P3.7端口，用单片机的P3端口来控制其显示内容。

3 系统程序设计

3.1 主程序的设计

将采集到的传感器信号，传输到TCL549芯片将模拟信号转换成数字信号，然后传输到单片机中进行判断和处理，控制舵机的转动、指示灯和显示屏。具体流程如图5所示。首先进行单片机以及液晶屏的初始化，然后对扫描所有光电传感的数据，并对比4个不同方向的光敏电阻AD数据，然后由单片机产生PWM波，来控制舵机的转动并显示相应的指示灯及改变显示屏相应的参数。

3.2 光电传感A/D转换程序设计

光电传感采集到的都是光强度的模拟信号，要将其传入到单片机主程序处理，就必须对其进行A/D转化。太阳能板光强度信号及4个不同方向的光敏电阻的信号需进行A/D转换。

3.3 液晶显示程序设计

液晶显示屏主要要显示当前的光照强度，太阳能板电压，两个舵机的位置，单片机直接通过具体信号信息通过程序函数ShowString_LCD1602（X，Y）。X为0显示第一行数据，1显示第二行数据；Y为要显示的数组。

3.4 控制程序设计

转速由波形占空比控制， PWM波控制舵机。采用的单片机的晶振频率是12M，定时器T0产生定时脉冲，每隔10?s在控制舵机驱动管脚（P0.0和P0.1）加脉冲宽度为两个机器周期的正脉冲。首先确定定时器T0初值。由于时钟频率是12MHz，因此定时器/计数器的技术脉冲的周期为 T= 12/12MHz = 1?s。又由于定时时长为 1?s。设定时器/计数器的初值是X，所以根据公式（216-X）×T=m ：

可求得X = 65536-10，因为定时器是16位，低八位计满256，高八位加1，定时器/计数器高位TH0就应该除以256后的整数部分，定时器/计数器的低位TL0是除以256后的余数部分。为了得到控制舵机的方波并控制方波的占空比，设立标志位变量。检查光电传感对比差异，两两比较，但是信号不可能完全相同，所以设置了误差范围。

结论

本文以单片机STC89C51为控制核心，采用单片机控制方式实现了太阳能光伏电池室内照明优化控制系统。采用具有驱动电路的双轴机械控制的舵机，可以直接接入单片机，更方便更易操作。硬件电路简单而且控制开关多，软件程序结构明朗有较好的人机交互。

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