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1、基于 E-TRY CPU 板的逐日式太阳能 LED 灯系统一、引言太阳能是地球上最普遍也是最清洁的可再生能源之一，而 LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，发光效率高。所以太阳能 LED 照明集成了太阳能与 LED 的优点。而利用光生伏特效应原理制成太阳能电池板能接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在超级电容中，当需要时控制其放电，使 LED 灯工作。对于太阳能 LED 灯而言，提高太阳能电池板的光电转换能效非常重要。太阳能电池板的电压-电流(V-I)特性曲线呈现非线性和可变性，要从中吸取最大量的电能非常困难。这需要太阳能 LED 灯的充电控制器及其它相关电子电路尽可能采用有
2、效的控制方法，同时增大太阳嫩板的受光面积和受光时间以提高太阳能效率，从而发挥最大优势。控制器要求具备使太阳能板根据光照方向调整自身方向，同时具备过充保护、过放保护、光控、防逆流等功能。二、 设计电路总体方案（一） 电能存储和显示系统（电子版附录一）太阳能 LED 灯电能存储和显示系统的方案与设备、实现原理、特点功能的原理示意图如图 1 所示，其中的太阳能电源电路采用太阳能板和超级电容器作为能量转化与储能系统；微控制器采用 E-TRY CPU 和开关电路来控制三个 LED 灯的亮灭；显示电路中暂设为包含三个 LED，可以通过控制 LED 亮灭的个数调节路灯的亮度；驱动电路为恒流 LED 驱动电路
3、，可以保证电流稳定和 LED 亮度恒定。图 1 总电路图（1）电源电路：如右图所示，BT1 为太阳能电池板接口，C1、C2、C3、C4 为超级电容器，为 LED 灯提供电源；R3 光敏电阻，利用光敏电阻的改变来控制 Q1 基极电压从而控制 Q1 的通断，R2 为限流电阻；白天有太阳照射时，光伏电阻阻值小，通过分压控制使 Q1 的小于开启电压，Q1 断开，停止为 LED 供电。晚上是没有太BEU阳照射时，光伏电阻阻值变大， 大于开启电压，Q1 接通，BEU开始为 LED 供电。太阳能板通过 D1 将电能储存进超级电容器，D1 可以保证超级电容器中的电流不倒流。（2）LED 驱动电路：LED 驱动
4、电路直接从单片机管脚输出的电平难以驱动高辉度的LED 灯，因此采用如右图所示的驱动电路。此驱动电路为恒流LED 驱动电路，Q6 基极接单片机 P 口。D1 为 3V 稳压的二极管，作为恒压源加在 Q3 的基极上，由于基极偏压稳定，集电极电流 Ic 也随着稳定，根据 ，即使电压源16/)(RUIBEZDcVDD 变化 Ic 也不会变化，可以保证电流和亮度稳定。（二）逐日太阳能发电系统（电子版附录二）工作原理：本作品在太阳能光电板的四个边上放置四个光敏传感器，利用光敏电阻进行对电池板四个方向上的太阳光强度的比较，如果两个对边太阳光强度不同，那么就会由电压比较器产生一个控制电压，并由单片机根据控制电
5、压控制步进电机执行相应的转动，通过机械装置的调整，从而调整太阳能光电板的位置，直到照在对边光敏电阻上的太阳光强度一致，使控制电压为零，电机停止转动。此时，太阳能光电板与太阳处于垂直状态，使太阳能光电板能够最大效率的转换太阳能。考虑到太阳位置的变化相对缓慢，系统无需进行实时的调整，系统设定 1-5 分钟调整一次，在满足系统应用要求的前提下，充分节约系统的供电电能。（注：为了方便演示我们将系统进行调整的时间间隔设为 5S。）系统框架：系统主要有两大模块：太阳光强度比较模块和太阳能光电板位置调整模块。太阳光强度比较模块主要是由光敏传感器和电压比较器组成，完成对太阳光强度的比较，并产生控制电压。太阳能
6、光电板位置调整模块主要由步进电机和一些机械装置组成，完成对光电板在三维空间内位置的调整。这两个模块由单片机系统连接和控制，电源系统为整个系统提供动力源。光敏传感器E-TRYCPU 平台 步进电机机械装置电源LED 灯显示逐日太阳能发电系统框图（1）电压比较部分采用四比较器 LM339，对光敏电阻进行电压比较，形成互锁，提高判断效率，电路简单，精度较高，输出为+5V 的控制电压，能够被单片机直接识别、采样，使电路更加简洁。电路图如下所示： （2）步进电机驱动采用L298进行驱动步进电机。L298芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准1TrL逻辑电平信号和驱动电感负载的，具有两抑
7、制输人来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作作。L298芯片是具有15个引出脚的多瓦数直插式封装的集成芯片，控制步进电机精度高，容易操作。电路图如下所示：（3）单片机最小系统采用达盛 E_play-89s51/52/53 仿真器，进行系统的在线仿真，通过 E_play-89s51/52/53 的仿真不断完善系统功能。（4）整机直流稳压电源单片机、L298、LM339 工作电压+5V，电机驱动电压+12V，采用 L7012、7805 构成系统供电。作品特色：1、本作品是针对传统太阳能光电板因固定而
8、不能最大利用太阳能的缺点来设计的。本作品利用光敏电阻来感受太阳光强度，光敏电阻对太阳光非常敏感，能够分辨出较小的光强差，使电压比较器输出控制电压，并由单片机采集电压比较器的输出结果，然后单片机根据控制电压来控制响应步进电机的转动，带动机械装置的调整，从而控制太阳能光电板的位置，使太阳能光电板与太阳光处于垂直状态，在现有太阳能电池水平上最大限度的提高太阳能的利用率。2、整个比较采集调整过程全部由单片机自动控制，实现了太阳能光电板对太阳光进行全自动跟踪，无需人工调整，比较方便。3、系统采用非实时工作方式，在满足应用要求的前提下，充分节约供电电能。三、操作说明（1）接通逐日太阳能发电系统：将光敏传感
9、器接入电压比较电路，电压比较电路输出接 CPU 平台的触发接口；将单片机输出接电机驱动电路和 LED 驱动电路输入接口；检查电路连接是否正确；（2）电源存储部分：将太阳能电池板接入充电接口；（3）在白天在太阳照射下进行充电，当太阳能板四侧的光敏电阻受光照强度相差到一定程度时，电压比较电路有输出，触发单片机工作驱动电机转动，进行调整直到太阳能板四侧的受光照强度基本相同，并将电能存储在超级电容中；（5）当晚上无光照时，充电停止，开关电路接通，为驱动电路供电；使 P 口输出高电平控制 LED 灯亮。四、 实验程序，并附加说明和注释及软件流程图五、源代码和程序清单（电子版附录三）ORG 0000HAJ
10、MP MAINORG 000BHAJMP IT0PORG 0050HMAIN: MOV R3,#250;T0 中断 100 次，1 次 50msMOV R4,#1MOV R1,#10;执行 10 次调整mov R5,#33hMOV TMOD,#01HMOV TH0,#0B0HMOV TL0,#3CHSETB TR0SETB ET0SETB EALOOP1: JB F0,DO1SJMP LOOP1DO1:DJNZ R1, DO2CLR F0DO2: LCALL TIAOZ AJMP LOOP1;-IT0P:MOV TH0,#0B0HMOV TL0,#3CHDJNZ R3,LOOP2DJNZ R4
11、,LOOP3MOV R4,#1MOV R3,#250MOV R1,#10SETB F0LOOP3: MOV R3,#250MOV A,R5rl AMOV P2,ALOOP2: RETI;-TIAOZ:JNB P1.0,NEXT1AJMP A0NEXT1:LCALL ZD1LOP: JNB P1.2,NEXT2AJMP A1NEXT2:LCALL ZD3AJMP DDA1: JNB P1.3,NEXT3AJMP DDNEXT3:LCALL ZD4AJMP DDA0: JNB P1.1,NEXT4AJMP DDNEXT4:LCALL ZD2AJMP LOPDD: RET;-ZD1: MOV P0,
12、#01HACALL DELAY ;4 相步进电机MOV P0,#03HACALL DELAYMOV P0,#02HACALL DELAYMOV P0,#06HACALL DELAYMOV P0,#04HACALL DELAYMOV P0,#0CHACALL DELAYMOV P0,#08HACALL DELAYMOV P0,#09HACALL DELAYRETZD2: MOV P0,#08HACALL DELAYMOV P0,#0CHACALL DELAYMOV P0,#04HACALL DELAYMOV P0,#06HACALL DELAYMOV P0,#02HACALL DELAYMOV
13、P0,#03HACALL DELAYMOV P0,#01HACALL DELAYMOV P0,#09HACALL DELAYRETZD3: MOV P0,#10000000b;2 相步进电机ACALL DELAYMOV P0,#00100000bACALL DELAYMOV P0,#01000000bACALL DELAYMOV P0,#00010000bACALL DELAYRETZD4: MOV P0,#00010000bACALL DELAYMOV P0,#01000000bACALL DELAYMOV P0,#00100000bACALL DELAYMOV P0,#10000000bA
14、CALL DELAY RET;-DELAY:MOV R7,#100D1:MOV R6,#80DJNZ R6,$DJNZ R7,D1RET六、结果分析系统调试运行时，在太阳照射下，当太阳能板四侧受光照强度不同时，电机每隔 5s转动一次进行调整，直到太阳能板四侧受光照强度基本相同；同时开关电路接通，LED 灯开始循环点亮。本系统针对传统太阳能光电板因固定而不能最大利用太阳能的缺点来设计的。本作品利用光敏电阻来感受太阳光强度，光敏电阻对太阳光非常敏感，能够分辨出较小的光强差，使电压比较器输出控制电压，并由单片机采集电压比较器的输出结果，然后单片机根据控制电压来控制响应步进电机的转动，带动机械装置的调
15、整，从而控制太阳能光电板的位置，使太阳能光电板与太阳光处于垂直状态，在现有太阳能电池水平上最大限度的提高太阳能的利用率。同时开关采用光敏传感器触发，可以实现自动控制。七、硬件的原理图及 PCB 制版图（电子版附录一和附录二）图 a 电能存储和显示系统图 b 电压比较电路图 c 电机驱动电路图 d 直流稳压电源八、参考资料【1】 基于单片机控制的节能型太阳能LED 路灯研究徐军，彭咏龙，李亚斌（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003）【2】张毅刚、彭喜元、董继成.单片机原理及应用.高等教育出版社，2003【3】华成英，童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2006【4】黄智伟，王彦，陈文光，朱卫华.全国大学生电子设计竞赛训练教程.电子工业出版社 ，2005【5】郁有文、常健、程继红.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社，2008【6】卢琳，殳国华，张仕文 基于 MPPT 的智能太阳能充电系统研究 电力电子技术，2006，41(2)：9698【7】欧阳名三、余世杰、沈玉梁、等具有最大功率点跟踪功
