单片机太阳能设计Word文档格式.docx

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Abstract

Inordertoimplementthebasicnationalpolicyofprotectingenvironmentandsavingenergy,developingnewenergyhasbecometheprimarytaskofdevelopment.Solarenergyhasthecharacteristicsofpollution-free,largereservesbutlowutilizationrate,sotheresearchonsolarpowergenerationhasgreatvalue.

Inthisdesign,STC89C52MCUisusedasthemaincontrolelement,andphotosensitiveresistorisusedtoconvertthereceivedopticalsignalintoelectricalsignal.InputADconversioncircuitbasedonPCF8591.ThentheADvoltageissampledandinputintoMCU.Afterprocessing,thedrivingcircuitisusedtocontroltheforwardandreverseofsteppermotor,sothatthesolarpanelisalwaysperpendiculartothesunlight.Thesolarpanelconvertsthereceivedsolarenergyintoelectricity,andfinallystoresitinthebatterythroughavoltagestabilizingcircuitfortheuseofthesystemandotherelectricaldevices.

Thesimulationandexperimentprovethatthesystemcantrackandcollectsolarenergy.Thealtitudeangleandazimuthanglealsocanbetrackedatthesametime.Youcanalsochooseautomaticormanualmodeasneeded.

Keywords:

SingleChipMicrocomputer;

photosensitiveresistance;

hesuntracking;

steppermotor

引言

1.1研究背景及意义

人类对能源的需求随着社会的蓬勃发展而急剧增长，据估计，地球上现有的资源已经所剩无几，石油、煤炭和天然气只能维持人类不过数百年的生活。

不仅如此，我们大量使用化石能源已经开始造成全球变暖，严重污染了我们的生活环[1]。

因此，在眼下能源极为稀有的情况下，开发新能源的工作刻不容缓。

新型能源主要有太阳能、风能、水能和潮汐能，除太阳能之外的这几种能源由于受到地域和季节的限制而不能被广泛使用。

所以，太阳能是那些可再生能源中最主要的基本能源[2]。

而地球上太阳能的储量非常丰富，且具有普遍性、经济性和清洁无污染的优点，在能源利用方面具有独特的优势[3][4]。

但太阳能依旧存在密度低、不均匀，时刻变化等不利于采集的缺点。

因此，如何提高太阳能的吸收利用率和降低产品生产成本成为主要的问题，为解决这一问题特此对太阳能跟踪系统进行展开研究[5]。

1.2国内外现状

国外对太阳能开发研究早在二十世纪50年代已经有了很大进展。

其中包括美国贝尔的实验室研制出的实用型单晶硅电池和以色列科学家Tabor提出的选择性吸收表面概念及研制成功的选择性太阳吸收涂层[6]。

在此之后，美国又在跟踪方面取得了更大的进展，其成功研制的单轴跟踪器已经能够跟随太阳的东升西落，提高了大约15%的接收效率。

而我国国家气象局计量站也在二十世纪90年代成功研制出了能够观测太阳辐射的全自动太阳跟踪器，太阳灶自动跟踪系统以及单轴液压跟踪器[7]。

系统的总体设计

1.3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，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，如果需要提高太阳能的吸收效率，则必须使太阳能电池板始终垂直与太阳光线。

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够合理配合和工作。

1.4系统总体设计分析

图5系统框图

主要电路模块有光电转换电路，信号调整电路，模数转换电路，单片机控制电路,步进电机驱动电路和按键输入电路。

软件方面：

以单片机为主控模块编写程序，处理并识别光电传感器发送来的信号，输出控制数字信号以控制执行机构进行相应的动作。

硬件方面：

采用两个相互连接的电机对于方位角和高度角同时进行跟踪，其余部分分别由光电传感器构成的光电采集电路和控制及驱动电路组成。

整个系统的运行过程即为：

光电转换电路采集光信号并转换为电信号，在经过模数转换电路之后送入单片机，由单片机处理并发出信号给驱动电路最终实现电机运转[8]。

1.5方案选择

1.5.1跟踪方式

基于单片机的太阳能跟踪方式有两种：

光电跟踪和视日运动轨迹跟踪[9]。

方案一：

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]。

方案二：

光电跟踪

光电跟踪是利用光敏传感器特性将采集到的阳光转换成微弱电信号，经过信号处理之后送至主控单元，再由执行机构相应的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。

本设计采用方案二光电跟踪，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。

1.5.2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STC89C5X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。

AT89C52

AT89C52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。

STC89C52

STC89C52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，可直接在系统和应用编程，不需要额外附加专用的编程器，还可以通过串口直接下载用户程序，工作电压为3.3V-5.5V。

为了使用方便，要求系统可以进行在线改写和稳定运行，所以尽量使用自身功能比较完备的芯片，基于以上原因，选择方案二[10]。

1.5.3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：

光电管

光电管的功能原理是外光电效应，可直接在采集光信号时将其转换为电信号。

但光电管的灵敏度较低，由于体积较大还非常容易破损体积大且易破损，现在固体光电器已经可以逐渐将其取代。

光敏电阻

光敏电阻也是光敏传感器中最简单的电子器件，其阻值随光照的强弱而改变，当它附近有光源存在时便会激发其光敏层内的电子空穴对，从而增强电路中的电流[11]。

光敏电阻因为其灵敏度高，体积小的特点而得到广泛的应用。

例如在太阳能路灯、监控器、摄像头、航标及防盗报警装置中等。

结合以上方案，由于方案一中对于电路设计需要灵敏度高、体积小、反应快等特性，而光电管不符和目的实现，因此选择方案二。

1.5.4输入模块

本设计中的输入模块功能是设置手动复位及手动调整太阳能板的转动方向，系统采用按键来进行电机转动的以及模式切换。

根据按键种类确定有两种方案，方案一是采用行列式键盘，方案二是采用独立式按键。

行列式键盘

行列式键盘适用于控制芯片接口多的系统，对于输入模块可实现较多功能。

独立式按键

独立式按键构成的按键电路比较简单，设计按键程序也比较容易，但按键数量不宜太多，原因是容易混杂。

结合以上方案得出方案二更适用于本设计，缘于单片机接口相对较少，而且本设计的输入模块所涉及的按键数目不多，因此选择方案二。

软硬件简介

1.6软件介绍

1.6.1KeilC51编译软件

KeilC51既可以采用C语言也可以使用汇编语言。

而本设计选择C语言编写并生成hex文件。

在功能上，KeilC51包括了程序编写、查错、以及仿真调试等功能，并且有一套丰富的库函数系统。

在使用过程，其对编译所用语言有一定的偏差，由于C语言较为简单，采用C语言进行编写可以减少工作时间，并且所得到的软件程序也比汇编语言的结构性更强[12]。

1.6.2Proteus仿真软件

Proteus是一款基于Windows操作系统下的集电路图绘制、模数电路仿真、分析集成电路等功能于一体的仿真软件，应用十分广泛，操作方便。

在硬件仿真方面，Protues不仅可以对现今大部分的单片机控制系统以及各种各样的外部设备电路进行仿真，而且其元件库里元器件种类繁多，囊括了市面上绝大部分。

对于软件调试操作上，Protues可以对市面上常见的编译器进行编译，比如MATLAB、KEIL以及IAR等，并且对于具体的调试操作，它有多种调试方式，比如全速调试、单步调试以及断点调试等。

1.7硬件介绍

1.7.1STC89C52单片机

STC89C52单片机是最早期也最典型的产品，系统可以在线编程及改写，无需附加编程器而且速度更快[13]。

该单片机不仅可以兼容51系列单片机,而且内含8K字节可编程闪速存储器，有32个通用I/O口，本设计仅使用了17个端口。

STC89C51拥有空闲及掉电保护两种可以进行选择使用的节电模式[14]。

STC89C52引脚图如下所示：

图1STC89C52单片机

1.7.2PCF8591

PCF8591属于单片集成的