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1、基于单片机的太阳能采集系统设计摘 要为践行保护环境节约能源的基本国策，开发新能源已成为发展的首要任务。太阳能具有无污染储量大但利用率较低的特点，因此对太阳能发电方面的研究具有很大的价值。本设计采用STC89C52单片机作为主控元件，利用传感器（光敏电阻）将接收到的光信号转换成电信号，输入以PCF8591为核心的AD转换电路进行DA转换，然后经过AD电压采样并输入单片机，经处理后最后经过驱动电路从而控制步进电机的正反转，使太阳板始终垂直于太阳光线。太阳能板将所接收的太阳能转换为电能，并通过稳压电路最后存入电池以供本系统及其他用电器件的使用。经仿真及实验证明，本系统具有太阳能跟踪采集的功能，能做到
2、同时对高度角和方位角进行跟踪，可根据用户的需求自行选择自动跟随或者手动控制。关键词：单片机，光敏电阻，太阳能跟踪，步进电机VAbstractIn order to implement the basic national policy of protecting the environment and saving energy, the development of new energy has become the primary task. Based on the characteristics of non-pollution, renewable, large reserves b
3、ut low utilization rate of solar energy, it has great value for the research of solar power generation.In this design, STC89C52 single chip computer is used as the main control element, and the sensor (photoresistor) is used to convert the received optical signal into electrical signal. The AD conve
4、rsion circuit with PCF8591 as the core is input for DA conversion. Then the AD voltage is sampled and input into the control core single chip computer. After processing, the driver chip is used to control the forward and reverse of the stepper motor, so that the solar panel is always connected with
5、the Tai. The sunlight line is vertical.The solar panel converts the received solar energy into electricity, and finally stores it in the battery through a voltage stabilizing circuit for the use of the system and other electrical devices.The simulation and experiment prove that the system has the fu
6、nction of solar energy tracking and acquisition. It can track the altitude angle and azimuth angle at the same time. It can automatically follow or manually control according to the needs of users.Key words:Single Chip Microcomputer;photosensitive resistance;he sun tracking; stepper motor目 录摘 要IAbst
7、ractII目 录III1 引言11.1 背景及意义11.2 国内外研究现状12 系统的总体设计及方案选择32.1 系统总体设计要求32.2 系统总体设计分析32.3 方案选择42.3.1 太阳跟踪方式42.3.2 主控模块42.3.3 数据采集模块52.3.4 输入模块63 软硬件介绍73.1 软件介绍73.1.1 Keil C51编译软件73.1.2 Proteus仿真软件73.2 硬件介绍73.2.1 STC89C52单片机73.2.2 PCF859183.2.3 ULN280384 硬件电路设计104.1 单片机控制电路104.2 光电转换电路114.3 AD转换电路124.4 步进电
8、机驱动电路134.5 单片机外围电路134.5.1 电源模块电路134.5.2 按键电路144.5.3 指示灯电路144.6 系统总电路144.7 系统实物平台搭建155 系统软件设计165.1 按键部分子程序165.2 指示灯部分子程序175.3 主程序模数转换175.4 驱动电路子程序185.5 AD电压采样子程序186 仿真与调试206.1 仿真206.1.1 初始状态206.1.2 自动模式206.1.3 手动模式及按键控制216.2 调试226.2.1 初始状态226.2.2 自动模式236.2.3 手动模式23结论25参考文献26附录27致谢47咸阳师范学院2019届本科毕业论文（
9、设计）1 引言1.1 背景及意义随着社会的飞速发展，人类对电的使用越发广泛，所以对能源的需求也极速增长。全世界在25年间消耗的能源增长了69.7%，未来人类对能源的需求若一直如此速度增长，那地球上的石油将在40年间被使用完，加上天然气和煤也不过数百年的期限。不仅如此，我们大量使用化石能源已经开始造成全球气候变暖，严重污染了我们的生活环境1。因此，在当今能源短缺的情况下，对新型可再生能源的开发是各国迫在眉睫的工作，风能、水能、潮汐能、生物质能等它们都属于可再生能源，且都来自于太阳能，所以，太阳能是那些可再生能源中最主要的基本能源2。而太阳能作为一种储量极其丰富，具有普遍性、经济性且清洁无污染的能
10、源，在能源利用方面具有独特的优势3,4。我国疆土辽阔，资源丰富，尤其是太阳能资源极其丰富，充分利用太阳能的优势，对于解决我国能源短缺问题有着非常重要的意义5。由于太阳能存在着光能密度低、间歇性、空间分布不断变化的缺点,因此,提高太阳能发电系统的太阳能利用率、降低发电系统建造成本是太阳能应用领域面临的两个主要难题，太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能6。1.2 国内外研究现状国外对太阳能跟踪研究较为领先。早在二十世纪50年代，太阳能的开发领域已经出现了两大技术突破：一是1954年在美国贝尔的实验室研制出6实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性
11、太阳吸收涂层。在此之后，1997年美国的Blackace研制出了单轴的跟踪器，此装置是根据赤道坐标系下的太阳运行原理完成东西方向的自动跟踪，但南北方向则需要通过手动的调节，接收器的接收效率提高了15%。我国很多科学家也都陆续展开了这方面的研究。1994年太阳能杂志简述了单轴液压的自动跟踪器，完成了单向跟踪，国家气象局计量站在1990年研制出了FST型全自动太阳跟踪器，成功用于太阳辐射观测。2 系统的总体设计及方案选择2.1 系统总体设计要求本课题的要求是结构简单，性价比高；电路设计应力求简单整洁，并且整个系统要便于安装和维护；考虑到使用过程中的天气变幻所产生的影响，执行器件要求耐用且抗干扰性强
12、，避免频繁发生故障。本设计的目的是提高太阳能的利用率，通常情况下太阳的位置总是不停变化的，若采用固定的接收装置，则不能始终垂直太阳光，只有在固定的时间段内可以吸收到较强烈的太阳能，而这段时间之外太阳能板的采光面积则大大减小。因此，若需太阳能吸收效率有所提高，必须要使太阳能吸收装置与太阳运行轨迹一致，从而可以持续吸收太阳能7。设计要求如下：1. 本系统能够被人为控制,不需要其工作时可以进行关闭。2. 在跟踪过程中，确保太阳能板所接受光源的面积达到最大。在本设计中，要求硬件部分和软件部分能准确合理的配合和工作。2.2 系统总体设计分析图5 系统总体设计方案本部分主要介绍总体设计的思路及主要电路模块
13、，其中主要电路模块有光电转换电路，AD转换电路，单片机控制电路,电机驱动电路。软件方面：以单片机为主控模块，先经过数模转，再经由单片机识别及处理，输出控制数字信号以控制电机的正反转。硬件方面：采用双轴电机对于方位角和高度角同时进行跟踪，由光敏电阻，控制及驱动电路，方位角及高度角调整机构组成。光敏电阻将接收到的光信号转换成电信号，然后经过信号处理及控制电路后，由控制电路输出脉冲信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相应的位置调整8。2.3 方案选择2.3.1 太阳跟踪方式常用的基于单片机的太阳能跟踪方式有两种：光电跟踪和太阳角度跟踪（也称视日运动轨迹跟踪）9。方案一：光电跟踪光电跟踪是利用光
14、敏传感器（如光敏电阻）对太阳光的特性，光敏电阻经阳光照射输出微弱电信号，经过放大电路放大之后输入信号处理电路，由执行机构相应调整角度以完成对太阳光的追踪。光电追踪能在较好的天气条件下提供较高的精度，结构设计也较为简单。方案二：视日运动轨迹跟踪视日运动轨迹，即根据系统时钟获取实时时间，然后通过预先设定的函数计算出太阳的高度角和方位角优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想9。本设计采用方案一中的光电跟踪，利用两个电机对太阳高度角和方位角同时跟踪，提高设备追踪的灵敏度。2.3.2 主控模块本模块以单片机为核心元件，而常用单片机分别有AT89C5X系列和STC8
15、9C5X系列，由于本设计所编写程序较多，所以可在AT89C52和STC89C52之间进行选择。方案一：AT89C52AT89C52是ATmel公司生产的一款老式单片机，必须通过编程器编程，12T模式导致运行速度过慢，8K固定程序空间不可以选择并且4.75V-5.25V的工作电压范围较窄。方案二：STC89C52STC89C52为宏晶公司生产，该单片机具有低功耗、高性能、应用广泛、使用寿命长等主要特点，功能上相较于AT89C52增加了AD数模转换，集成度更高，且具有ISP（在系统可编程），无需专用编程器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，工作电压为3.3V-5.5V。为了使用方便，系统要求可以进行在线改写，尽可能少使用外围扩展芯片，提高系统运行的可靠性，要求使用的单片机具有片内电擦除可编程只读存储器，基于以上原因，选用STC89C52单片机10。2.3.3 数据采集模块本设计需要对现场光线进行采集，系统采用光电传感器进行采集，根据传感器种类有两种采集方案，方案一是选用光电管，方案二是光敏电阻，具体方案如下所示：方案一：光电管光电管作为光
