《基于avr和mcs51的光源自动跟踪的太阳能电池控制系统的设计方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于avr和mcs51的光源自动跟踪的太阳能电池控制系统的设计方案（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、太阳自动跟踪的太阳能智能充放电系统太阳自动跟踪的太阳能智能充放电系统一、概一、概 述述传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出。这个时候，全世界都把 目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发 展。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能 够自由利用的能源。这个系统能实现对太阳方位的自动追踪，以达到对太阳能最充分的利 用；能根据光伏功率的大小实现对蓄电池充电模式的自动切换，实现对蓄电池的保护；并 且可以对负载在不同的情况下实现电源切换，保证持续安全供电。二、系统原理简介二、系统原理简介两块硅光电池作为光强度检测
2、模块，检测当前阳光强度，从而判断是否启动实时追踪。 若当前为阴雨天气，则不启动追踪。四块硅光电池检测模块通过检测太阳能电池板上四个 不同位置的光强度，向 MCU 传回四个不同的电压值，MCU 通过比较偏差，通过双坐标步 进电机调整太阳能电池板的方位，再由实时时钟作为方位角的参考信号与当前比较进行微 调，直至太阳直射太阳能电池板。太阳追踪完成，由单片机通讯模块将完成信号传给 ATmega32，ATmega32 启动蓄电池充 电程序，根据当前的光强度选择充电模式，输出 PWM 方波经由 PWM 方波驱动模块放大 传向场效应管开关，通过不同频率的开关实现对充电电流的控制。同时 MAX186 模块检测
3、 蓄电池的电流电压，得到蓄电池电量状态，DS18B20 模块检测到蓄电池的温度，再由 ATmega32 综合判断，选择切换模式或者断开电路。并将蓄电池状态等相关信息由液晶模块 显示出来，并通过无线电发收，传给上位机实现远程监视。系统原理架构图如下所示：系统原理架构图如下所示：三、系统的具体结构三、系统的具体结构该系统分 5 部分组合实现功能，它们分别为：光源自动跟踪部分、蓄电池充放电管理 部分、单片机间通信部分、无线收发及上位机远程监控部分、太阳能电池板和蓄电池部分。1、光源自动跟踪部分光源自动跟踪部分 该部分由四象限硅光电池检测模块、光强信号传感模块、四象限硅光电池检测模块、光强信号传感模块
4、、DS1302 实时时钟芯片模块、实时时钟芯片模块、 二维步进电机及太阳能电池板传动模块、二维步进电机及太阳能电池板传动模块、AT89C52 最小系统模块。最小系统模块。四象限硅光电池检测模块四象限硅光电池检测模块 采用如图所示的太阳跟踪传感器来保证获取最大强度的太阳光强。当太阳光直射时，光轴对准太阳，光斑的中心落在光轴上。此时四个象限的硅光电池 接收到相同强度的太阳光（即光功率相同），输出相同的电压信号，此时经过一系列运算 以及转换后单片机接收到此信号，并计算此时电机的仰角，算出仰角所反映的时间并与实 时时钟芯片 DS1302 中存储的时间作比较，要是吻合，即视为硅光电池已经接收到了最大强
5、度的太阳光（也即太阳直射接收片）；若是不吻合，则再次调整步进电机的角度继续寻找 光强最大点。 当光轴未对准太阳光，即光轴与太阳光线呈一定的角度时，通过光学系统折射出来的 太阳光照射到四象限硅光电池上形成的光斑必然会发生偏移，光斑中心没有落在光轴上。 由于各象限上面的光斑面积与各象限的光功率成正比，每个象限上面照射到的光斑面积不 相同，从而使得各象限光电池产生的电压不尽相同。此时将四个信号 V1，V2，V3，V4 经过 放大系统放大，并经过一系列运算之后再进行 A/D 转换，传送到单片机上面去，单片机就 能判断此时仰角高了还是低了，方位是偏左还是偏右了，然后通过驱动设备控制步进电机 的仰角、方位
6、，直到 V1=V2=V3=V4，则表明光轴已经对准了太阳。光强信号传感模块光强信号传感模块 如图所示，采用两块硅光电池组成光强信号传感器来判断光强信号，一块接受太阳辐射，另一块受光面背光。 接受太阳辐射的光电池实现判断太阳直射辐射的强度的目的，在直射辐射强度较弱时， 将信号回馈给单片机，使其控制太阳跟踪系统处于不工作状态，从而避免了多云天气时的 盲目跟踪，节约了电能。 受光面背光的那块光电池的作用是：当长时间阴天或者多云转晴后太阳重新出现时， 判断太阳直射辐射的强度，将信号回馈给单片机，单片机进行判断处理决定是否重新启动 太阳跟踪系统。DS1302 实时时钟芯片模块实时时钟芯片模块 采用具有存
7、储功能的 DS1302 实时时钟芯片记录当前的时间，如图所示，DSl302 与 AT89C52 单片机接口采用 3 线(RST，SCLK 和 IO)连接，AT89C52 为主芯片负责控制两个芯 片之间的数据通讯。RST 为数据通讯的使能信号，为 O 则允许通讯；为 1 则禁止通讯。 SCLK 为数据通讯的位同步脉冲信号，IO 是双向串行数据传输线，RST，SCLK 都是单片机 发出的控制信号。再通过上述计算仰角与实时时钟芯片 DS1302 中存储的时间作比较，直到 吻合，则视为硅光电池已经接收到了最大强度的太阳光，根据上述原理便可以对太阳能板 的位置误差进行校正，达到自动跟踪太阳光的目的。二维
8、步进电机及太阳能电池板传动模块二维步进电机及太阳能电池板传动模块 采用双坐标步进电机控制，双坐标步进电机控制就是在 x 轴方向控制 1 台 步进电机，在 y 轴方向控制 1 台步进电机。这 2 台步进电机同时驱动同一个对 象，使对象在一个平面上以任意曲线运动。AT89C52 单片机主要完成脉冲的分 配，使步进电机按照设定的方式运转，通过程序设定，从单片机的 I/O 口输出一系列有规律的脉冲信号；由于直接输出的脉冲信号驱动功率有限，很难直接 驱动步进电机运转，所以必须经过驱动器进行脉冲放大，本设计采用 L298N 芯 片能解决这个问题，它可以驱动两个二相电机。再利用单片机程序分配好控制 字的存储
9、单元，以及相应的内存地址赋值，使单片机能控制步进电机的起停、 换向顺序、速度和位置变化。L298 应用电路如下：AT89C52 最小系统模块最小系统模块 AT89C52 是一种低功耗、低电压、高性能的 8 位单片机。片内带有一个 8KB 的 FLASH 可编程、可擦除只读存储器。2、蓄电池充放电管理部分蓄电池充放电管理部分 该部分由键盘输入模块、键盘输入模块、告警电路语音模块、告警电路语音模块、12864 显示屏模块、显示屏模块、DS18B20 温度检测温度检测 模块、模块、MAXl86MAXl86 蓄电池电压采集模块、蓄电池电压采集模块、P P 沟道场效应管电子开关模块、沟道场效应管电子开关
10、模块、DC-DCDC-DC 变换、变换、PWMPWM 驱动驱动 及及 ATAT MEGA32MEGA32 单片机最小系统模块单片机最小系统模块。键盘输入模块键盘输入模块 采用单按键的输入方式，用于开液晶背光和设定充电模式。初始化时将 PC7 输出高 电平，在程序运行过程中，通过定时中断检测是否有按键按下。当有按键按下时间不超过 10 s 时，则打开液晶背光，10 s 后背光关闭。当有按键按下时间超过 10s 时，进入模式设 定。在设定模式下，每按一次模式加 1，按下按键 10 s 后或者 10 s 按键无任何动作，模 式保存到 E2PROM 中，退出设定模式。告警电路语音模块告警电路语音模块语
11、音告警模块采用 ISD1760 芯片，通过与 AT MEGA32 单片机接受到来自 A/D 转换的蓄电池过压过放电压信号时，,单片机输出不同电平信号代表不同告警信息,可以控制模块发出相应的录音,从而达到告警的效果.。1286412864 显示屏模块显示屏模块液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。LCD 可分为段位式 LCD、字符式 LCD 和点阵式 LCD。其中，段位式 LCD 和字符式 LCD 只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而 12864 点阵式LC
12、D 不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，动画功能，分区开窗口，反转，闪烁等功能，用途十分广泛。如图,实现单片机与 LCD 显示屏的连接,单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O 设备访问形式控制该液晶显示模块。以下为 12864 典型应用电路：DS18B20DS18B20 温度检测模块温度检测模块采用DS18B20 数字温度传感器检测蓄电池环境温度。蓄电池单体的恒压2.352.45V 充电的电压值（12V 蓄 d 电池有 6 个单体），是环境温度为 25的规定值。当环境温度高于 25时，充电电压要相应降低，防止造成过充电。
13、当环境温度低于 25时，充电电压应提高，以防止充电不足。对蓄电池的充电阈值电压温度补偿系数取- 4mV(单体)。补偿后的电压阈值可以用以下公式表示：Ve=V+(t-25)n。 其中，Ve 为补偿后的电压阈值；V 为 25下的电压阈值；t 为蓄电泄环境温度； 为温度补偿系数；n 为串联的单体数。控制器对过放电压阈值不做补偿。DS18B20 数字温度传感器:特点: 独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无 需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为 3.0 V 至 5.5 V 无需备用电源 测量温度范围 为-55 C 至+125 。华氏相当于是-67 F 到 257
14、 华氏度 -10 C 至+85 C 范围 内精度为0.5 C.MAXl86MAXl86 蓄电池电压采集模块蓄电池电压采集模块选用的 AD 转换为 MAXIM 公司生产的 MAXl86 转换器，是串行输出 CMOS 芯片。其转 换速度快，精度高，耗电省，接线简单，适用于各种仪器仪表和自动控制系统中的数据采 集。MAXl86 转换器自带有采样保持器，因而系统不再设计采样保持电路。通过 MAX186 采 集到蓄电池的不同阶段的充放电压，和温度传感器的数据一起反馈到单片机，单片机再控 制 PWM 驱动电路做出相应的充放电动作。接口电路应用如图 5 所示。P P 沟道场效应管电子开关模块沟道场效应管电子
15、开关模块 考虑到设计的控制器属于串联型，即控制充电的开关是串联在电池板与蓄电池之 间的。串联型控制器相对于并联型控制器能够更有效地利用太阳能，减少系统的发热 量。设计中用 MOSFET 实现开关。MOSFET 是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应 晶体管，所需驱动功率较小。而且 MOSFET 只有多数载流子参与导电，不存在少数载 流子的复合时间，因而开关频率可以很高，特别适合作为 PWM 控制充电开关。为此， 设计中采用 P 沟道 MOSFET。P 沟道 MOSFET 的导通电压 Vth0，由图 4 可以实现 MOSFET 的驱动。当 Q2 导通时，由于 Q2 的 Vce 很小，可以认为 Q
16、1 的 G 极接地， Vgs0，当 Vin 达到一定值时，Q1 导通。DC-DCDC-DC 变换模块变换模块 采用 MC34063 实现低成本 DC-DC 变换电路 在电源电路中，出于温升、效率以及其 它因素的考虑，DC-DC 变换应用很多，本文介绍一种低成本的 DC-DC 变换实现方案，它 可以实现降压、升压与电压反转应用，其电路简单、成本低廉、效率高、温升低，这些电 路被广泛应用。 电路的核心元件是 MC34063，它是一种单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流 变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大 电流输出开关，能输出 1.5A 的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、 降压式变换器和电源反向器。应用电路如下：如图是进行降压式的 DC-DC 转换应用。其输出电压值可通过改变 R4、R5 电阻值来进行 调整，其输出电压符合以下公式：Vout=(1+R4/R5)*1.25V 。电路中限流电阻取值为 0.15,因此输入电流被
