智慧光能追踪辅助系统的设计与实现

2023-01-07韩晶晶

信息记录材料 2022年11期

韩晶晶

（山西工商学院山西太原 030006）

0 引言

我国是利用太阳能最多的国家之一，虽然现在已有投入并使用的太阳能设备很多，但是基本都是对太阳能的简单利用，这些设计存在的问题都是太阳能的实际利用率很低，能源的转换效率也低。为了提高对太阳能的利用率，设计智慧光能追踪辅助系统，通过自动寻找太阳能光照强的方向吸收太阳能，另外还结合手动控制，在阴雨天等特殊情况下，可以用手动控制太阳能板转动方向，来大大提高太阳能的利用率。

1 系统总体设计

1.1 工作原理

在智慧光能追踪辅助系统中，不同模式下的太阳能极其工作原理都相同，处于自动模式时，需要在太阳能板的两侧各放置一个光敏电阻，获取模拟信号，根据太阳能板两侧的光照强度不同，光敏电阻的阻值不同，经过电压比较器进行对比，可对太阳能板两侧的光照强度进行比较，然后控制步进电机旋转，带动太阳能板向光照强度强的一侧转动。处于手动模式时，可通过按键或手机App 进行模式切换，可正向或反向的调节太阳能板转动，或是暂停于某一位置，同时通过模数转换芯片检测当前环境的光照强度，通过单片机进行数据处理之后经过LCD1602 液晶屏进行显示。通过太阳能板发电，将太阳能转换成电能存储在锂电池当中，同时系统采用锂电池供电，无须外部电源供电。蓝牙模块将实接收到显示屏到的数据传回到移动端。在电机控制模块，通过采集的同一时刻太阳能板两侧不同的光敏电阻值以及不同时刻太阳能两侧收集的光敏电阻值，经过电压比较器，从而控制步进电机带动太阳能板向光照强度强的一侧进行转动达到智慧追踪。

1.2 整体设计

整个系统是由太阳能采集设备、单片机控制设备、锂电池充电设备、蓝牙通信设备和手机App 五部分组成。在本系统中，单片机控制设备是本系统的核心，因此本系统的重点是根据太阳光强度不同时，太阳能板随太阳光的转动进行设计。此次系统设计包含以下部分电路：单片机及外围电路，显示模块，太阳能板，步进电机、整流电路、逆变电路、光敏传感器，组成系统的智慧光能追踪[1]。此次设计，首先采用了以单片机作为整个系统的控制器件作为主控模块，通过蓝牙配对和手机相连。当系统开启属于默认的自动模式时，通过光敏电阻和电压比较器组合成太阳能采集模块，完成对太阳能光照强度强一侧进行太阳能采集，通过电机控制模块实现太阳能板向光照强度强的一侧转动。LCD 主要显示光照强度与锂电池中的存储电量。主控模块驱动蓝牙模块将液晶显示屏平上的信息传输至手机App 移动端，可以进行数据的远程监测，在不同的太阳能状态下，可以远程控制自动模式或手动模式。需要手动模式时，可以通过设置不同的指令，传达给主控模块，从而进行太阳能板的控制。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

主控模块采用的时STC89C52，在主控模块的设计中，主控模块主要有复位电路，时钟电路，电源和地四部分组成，主控模块也是整个光能追踪系统控制的核心，负责调控电路，程序执行，连接负载。在单片机的第18 和第19引脚首先接的是一个石英晶体振荡器，此晶振值一般取的是12 MHZ 或者11.059 2 MHZ，因为在本系统中需要配置9 600 的波特率，因此选用了11.059 26 MHZ 的无源晶振作为振荡电路的时钟源。在晶振与GND 的中间接了C2、C3两个电容，其容值在6～50 PF 之间都可以，在本系统中选用的是22 PF，其作用是快速起震和稳定晶振频率。当单片机具备了时钟振荡电路之后，其内部电路就会产生自激振荡，就有了基准信号。

2.2 模数转换模块

在本系统中由于需要对电池的电压进行测量，由于单片机是数字芯片，模拟量的变化单片机不能直接采集，所以需要采用模数转换芯片将模拟量转化为数字量，因此在本系统中需要模数转化芯片。ADC0832 芯片直接与STC89C52 单片机相连接，具有体积小，性价比高，兼容性强等特点。由于光敏电阻在不同的光照强度下，阻值会发生变化。随着光照强度越强，其阻值会越小。R2 和R3 共同组成了伏压电路，与ADC0832 相连接，将模拟量转换成数字量。例如CH0 输出的是0～5 V 的模拟量转换成0～256 的数字量，根据不同的电压值，输出的数据不同，单片机在处理之后转换成的光照强度值也不同。所以在连接ADC0832 时，C/S 为使能端，接主控模块的P32 口，CLK 时钟引脚，与单片机的通信方式为串行通信。

2.3 太阳能充电电路模块

在本系统中，太阳能要将吸收到的太阳能存储到锂电池当中，当光照不足时，锂电池要为系统提供电量。因此太阳能充电在有良好光照的情况下，太阳能板自动识别光照方向，给锂电池充电。也可以通过手动控制，定位在光照充足的方向上，吸收太阳光[2]。电池中电压为3.7 V，达不到5 V，所以加入升压电路，将3.7 V 的电压升压到5 V，太阳能板通过充电模块给锂电池充电，在太阳能板上串联了一个指示灯，当太阳能板有电压时，指示灯亮，太阳能板最高5 V，指示灯为2 V，因此中间接入1 K 的电阻。电池的正负极连接自锁开关，当开关按下，4 和5 导通，连接升压模块，将锂电池中的3.7 V升压到系统所需的5 V给系统供电。

2.4 电机控制电路模块

在智慧光能追踪辅助系统中，由于太阳能板吸收光照需要根据太阳光时刻变化，自主地进行顺时针或逆时针的转动，来调节太阳能板对光能吸收的位置，需要使其输出的电压或电流反向，以达到转动的效果。H 桥是一种电子电路，可使其连接的负载或输出端两端电压反相/电流反向。这类电路可用于各种场合中直流电动机的顺反向控制及转速控制、步进电机控制电能变换中的大部分直流－交流变换器部分直流－直流变换器等，以及其他的功率电子装置。4 个三极管组成H 的4 条垂直腿，而电机就是 H中的横杠，从而实现电路的电机控制。此电路用了4 个NPN 三极管和4 个4148 二极管，二极管起截至电流导通的作用[3]。4 个三极管形成的H 桥，达到了电流的互相流动，电机中的电流能够反向导通，电机反转。因此只需要控制out1 和out2 就可以控制电机的正反转，从而实现了太能板的“智慧”。

2.5 光照强度比较电路模块

智慧光能追踪辅助系统需要通过比较太阳能板两端的光照强度，才能调节太阳能板的转动位置，所以这一模块尤为重要。此次选用LM393 电压比较器，这种比较器是一个两路电压比较器，更加符合太阳能板两端光照强度的比较，通过对输入端的两个电压进行比较，在电压比较器的输入端利用光敏电阻调节输入电压的大小，不同光照强度时得到的输入电压会不同，与参考电压比较，通过电压比较器时在输出端就会得到不同的电压，利用高低电平，指示灯的亮灭情况判断光照强度的强弱。其中第8 引脚和第4 引脚分别接电源和地，当光照强度越强时，电压越小，INA—越低，当INA+＞INA—时，OUT1 输出高电平；指示灯不亮。当INA+＞INA—时OUT1 输出低电平，LED 灯会亮。R3 的10 K 电阻与光敏电阻构成一个分压电路。当两个光敏电阻的光都特别强时，都输出高电平，两个光敏的光都特别弱时，都输出低电平。当两个光敏电阻的光一弱一强时，则输出一个低电平，一个高电平。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

本系统的主程序由初始化程序部分，数据处理部分，蓝牙连接和显示部分组成。此次系统的主程序设计除了正常的太阳能板根据日常光照自动追踪，还设计了在特殊情况下可以通过手机遥控，控制太阳能板进行太阳能吸收。

在程序中设定4 个按键，打开电源，系统默认为自动模式Auto，可根据当前的光照，通过电压器对太阳能板两端电压的比较，单片机I/O 口对电机进行控制，向太阳光强度强的一侧进行转动，吸收太阳光。当按键1 按下或在App 上发送指令M+回车符，系统会切换到手动模式Manual，不会再根据太阳光照强度进行旋转。当按下按键2 时或发送指令Z+回车符，系统进行正向旋转；当按下按键3 时或发送指令F+回车符，系统进行反向旋转；第4 个按键为暂停键，发送指令为T+回车符。系统将读取太阳能采集模块收集到的数值，通过单片机进行处理，将采集到的数值和电池内剩余电量实时显示到LCD 显示屏和手机App 上并把吸收到的太阳能存储到锂电池中，实现系统的自身供电。智慧光能追踪辅助系统主程序运行流程如图1所示。

图1 系统主程序流程图

3.2 模数转换程序设计

系统中由于单片机不能直接处理模拟信号，所以使用了ADC0832 模数转换芯片，ADC0832 是可以同时测量两路电压的模数装换芯片，测量电压的范围是0～5 V，通过串行协议，当需要开始测量时，打开芯片片选，将D0 端设为高电平，再设置其起始位和双通道的单极性输入，当D0 为低电平时选择通道0，当D0 为高电平时，选择通道1；当D0 取消高阻态时，准备接收数据，通过循环，依次读取数据，最后取消片选，一次的数模转换完成[4]。

3.3 液晶显示程序设计

在液晶显示程序中，需要实时显示太阳能光照强度和电池内剩余电量，LCD1602 液晶显示屏始终显示出“E：XX% L：xxxix Auto 或Manal”的字样。

首先要进行初始化设置，通过LCD1602 的RS，R/W 和E 三个引脚置1 或清0，实现对LCD 的读写操作。LCD 是慢显器件，所以在写每条命令之前，函数检测引脚电平，设置初始值为0xFF，如果BF=1处于忙状态，继续循环检测，直到BF=0 说明不忙，就向LCD 写入命令。

要设置光标的起始位置由输入的屏幕坐标来计算存储器的位置[5]。只有RS 和E 都为0，才能写入命令，LCD 开始执行命令。当RS=1 和RW=0 时，才可以写入数据，E 由高电平变为低电平时，写数据操作结束。还要通过While循环连续写入字符串数据，直到检测到结束符。数据写入LCD 模块后，控制器会自动读出ROM 中的数据，并将数据送到液晶显示屏上显示。

3.4 蓝牙通信程序

蓝牙模块是通过手机App 作为中间媒介，在蓝牙串口助手实时地将单片机上液晶显示屏显示的数据传送给蓝牙模块，再把信息传送给App 上，且能进行命令下达，手动与自动相切的目的。HC-05 具有两种工作模式，响应和自动连接工作模式。处于自动连接工作模式时，系统会自动根据设定的方式进行数据传输；当模块处于命令响应工作模式时，会根据输入的命令符+回车符执行命令。在蓝牙配置中，要实现两个模块的主从绑定，首先要进入AT 指令模式，按设置蓝牙串口波特率9 600，无校验位，1 停止位。指令：AT+UART=960 000，设置蓝牙的主从模式时，将设置蓝牙为从模式，即0 设为从模式，1 设为主模式。用指令：AT+ROLE=0。设定蓝牙连接模式。然后再互绑对方的地址，此次设置的为从模式绑定主模式地址，即AT+BIND=命令，绑定好后，用查询指令，查看是否绑定正确，最后将两个模块重新上电，建立好通信。

4 系统调试及数据分析

4.1 软件调试

软件调试是系统实现的关键，同时也将功能更加完善。本次设计用到的是C 语言，打开KEIL 软件，编辑基于STC89C51 的智慧光能辅助系统设计代码，在编写代码的过程中，按照功能模块一步一步编写会更加思路清晰，在编写过程中可能也会不小心有错误出现，下方会出现提示，根据提示，仔细察看就会发现错误，改成正确的代码。调试好代码错误后，将HEX 文件下载到单片机的存储器内，用烧录工具将编译好的文件进行烧录，烧录过程中不能断电。烧录完成后进行上电调试，观察太阳能板是否能实现光能追踪，锂电池和太阳能板是否正常为系统供电，液晶显示器是否能够正常显示。

4.2 功能调试

系统上电复位后进行初始化，以单片机为核心，系统可对比太阳能板两侧的光照强度，使太阳能板面向光照强度强的一侧转动；通过控制电机正反转，实现太阳光的追踪。在测试过程中，用手电筒左右照射模拟太阳光变化照射到太阳板，太阳能板随照射方向转动则太阳能采集功能正常。本系统采用太阳能板和锂电池供电，无需外部供电。可将太阳能板放置于无光照的环境中，此时没有光照，系统正常运行，液晶显示屏上实时显示了锂电池中的电量，一直在减少，说明系统采用锂电池供电，将太阳能板置于光照下，则太阳板开始供电，锂电池中开始存储电量[6]。蓝牙将采集到的太阳能信息以及电池量的数据信息传输到手机App，打开手机蓝牙，进行配对连接，可通过语音提示连接成功。完成后，可以在功能选择上，查看液晶显示屏上的数据信息，并能够在不同的环境下，调整太阳能板自动或手动模式进行转动。

4.3 数据分析

系统调试后测的太阳能电池正常电压是12.17 V，经稳压电路后电压为9.46 V，7805 输出电压为6.48 V，7 805 反馈电压为1.26 V，三极管基极电压为5.17 V，控制充电电压为5.03 V，电池充满后电压为5.03 V。表1为晴天情况下太阳能电池电压随太阳一天变化的结果。通过变化情况表中的数据可以分析出，太阳能板随光照进行“智慧”追踪，存储和释放电正常运行。