基于STC89C52的追光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙珉通訊作者，甄麗娟

1.嶺南師范學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，廣東，湛江，524048；2.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局電學(xué)發(fā)明審查部，北京，100080

0 引言

我國作為全球最大的能源生產(chǎn)國、消費(fèi)國和碳排放國，在當(dāng)今能源短缺的大背景下提出力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)，其意義舉世矚目[1]。太陽能是新型綠色清潔能源的重要類型，具有總量巨大和儲(chǔ)備持久的特點(diǎn)，根據(jù)科學(xué)家目前對(duì)太陽核能消耗速率估計(jì)，其氫存儲(chǔ)量可維持上百億年[2-3]。提高太陽能光伏應(yīng)用系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率成為高效利用太陽能的關(guān)鍵。據(jù)研究，加入追光控制的光伏系統(tǒng)與固定姿態(tài)接收太陽光的系統(tǒng)相比，轉(zhuǎn)化效率能夠提高30%～40%[4-5]。

本文通過STC89C52芯片的綜合控制，設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于小型太陽能應(yīng)用系統(tǒng)的智能追光控制裝置。該系統(tǒng)可手動(dòng)控制電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可在自動(dòng)模式下，通過雙軸跟蹤方式使電池板與入射光線保持垂直，以利于提高對(duì)太陽能的利用率。

1 設(shè)計(jì)方案

對(duì)太陽光的追蹤通常有兩種方案，一種是視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，另一種是光電檢測追蹤[6]。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的可靠性和穩(wěn)定性較高，但追蹤精度低。光電檢測追蹤通過光電二極管、光敏電阻等光電器件進(jìn)行姿態(tài)控制，追蹤精度較高。本文依據(jù)光電檢測追蹤方案，采用STC89C52芯片作為核心，綜合控制5個(gè)模塊，即圖1所示的光電檢測模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊和供電模塊。該系統(tǒng)采用雙軸追蹤方式，通過分布在電池板四周的光敏電阻動(dòng)態(tài)地檢測照射在電池板表面的太陽光強(qiáng)度，并由單片機(jī)讀取該數(shù)值和控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電池板沿縱向軸和水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，使電池板與入射光線垂直，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC89C52作控制芯片。STC89C52是增強(qiáng)型8051單片機(jī)[7]，集成8K的Flash存儲(chǔ)器、512字節(jié)的SRAM及4K的EEPROM；有4個(gè)8位可編程并行I/O口、3個(gè)可編程的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4路外部中斷和1個(gè)通用的全雙工異步收發(fā)串行口，并可通過定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART，系統(tǒng)各模塊電路如下。

2.1 光電檢測模塊

如圖2所示，本設(shè)計(jì)中的光電檢測通過對(duì)稱分布于太陽能電池板四周的四個(gè)光敏電阻A、B、C、D實(shí)現(xiàn)。光敏電阻的電阻值會(huì)隨光照強(qiáng)度的變化而變化，具有靈敏度高、反應(yīng)快速等特點(diǎn)。通常當(dāng)光照強(qiáng)度由較小值逐漸增加時(shí)，光敏電阻的阻值會(huì)先按指數(shù)規(guī)律迅速下降；當(dāng)光照強(qiáng)度進(jìn)一步增大時(shí)，該電阻值的減小會(huì)逐漸趨于飽和，實(shí)際使用中一般取對(duì)數(shù)關(guān)系的線性區(qū)[8]。本設(shè)計(jì)中采用型號(hào)為GL5516的光敏電阻，亮電阻范圍為5～10kΩ。

圖2 光敏電阻分布

A與C、B與D構(gòu)成了兩組響應(yīng)器件，其檢測結(jié)果分別獨(dú)立控制電池板沿縱向軸和沿水平軸的旋轉(zhuǎn)。電池板轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡狀態(tài)是指檢測到A與C的電阻差及B與D的電阻差均小于特定范圍x。x的大小可根據(jù)實(shí)際使用需要進(jìn)行設(shè)定?？刂葡到y(tǒng)讀取這兩組光敏電阻的電阻值并進(jìn)行對(duì)比，如果A與C電阻值相差超過x，則控制電池板沿縱向軸正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到兩者差值小于x為止；同理，如果B與D電阻值相差超過x，則控制電池板沿水平軸正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到兩者差值小于x為止。

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

AD轉(zhuǎn)換模塊將光電檢測模塊傳輸過來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，提供給單片機(jī)。本設(shè)計(jì)采用PCF8591芯片作為AD轉(zhuǎn)換器件。PCF8591是具有I2C總線接口、單獨(dú)供電、低功耗的AD轉(zhuǎn)換芯片。如圖3所示，G1～G4是光電檢測模塊中的四個(gè)光敏電阻，R2～R5為上拉電阻，四路分壓值接入PCF8591芯片的AIN0～AIN3口，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后再通過SCL、SDA接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 AD轉(zhuǎn)換模塊電路

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊選用兩個(gè)28BYJ-48四相五線型步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)。28BJY-48四相步進(jìn)電機(jī)由一個(gè)8繞組的定子、一個(gè)6齒數(shù)的轉(zhuǎn)子和減速齒輪組成，其減速比為1/64。28BJY-48四相步進(jìn)電機(jī)采用直流電源供電，具有瞬間啟動(dòng)和緊急停止的優(yōu)越特性，只需對(duì)電機(jī)的各相繞組按適合的時(shí)序通電，即可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于單片機(jī)的接口信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)作，必須將信號(hào)放大才可以使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)采用ULN2803作為驅(qū)動(dòng)芯片，配合步進(jìn)電機(jī)發(fā)揮功能。圖4為驅(qū)動(dòng)模塊電路。IN1～I(xiàn)N8為輸入接口接單片機(jī)引腳，M1、M2分別為控制縱向和水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。

圖4 驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.4 顯示模塊

采用LCD1602液晶顯示器作為顯示模塊（圖5）。引腳3是液晶顯示偏壓，接一個(gè)可調(diào)電阻，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，使數(shù)據(jù)在液晶屏上更好地顯示。

圖5 顯示模塊電路

2.5 電源模塊

系統(tǒng)的供電模塊設(shè)計(jì)了外部供電與電池板自供電兩種途徑，增加了實(shí)用靈活性。供電模塊包含一塊單晶硅電池板和一個(gè)4000mA蓄電池。圖6所示為采用LM2596的穩(wěn)壓電路。在光源照射下，太陽能電池板向穩(wěn)壓器輸入一個(gè)3.3～5V的電壓，經(jīng)LM2596的2號(hào)輸出后再經(jīng)紋波濾波向鋰電池以穩(wěn)定的5V電壓進(jìn)行充電。充電過程通過TP4056構(gòu)成的充電電路進(jìn)行，如圖7所示。

圖6 穩(wěn)壓電路

圖7 充電電路

TP4056包含兩個(gè)漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出端，充電狀態(tài)指示端CHRG和電池故障狀態(tài)指示輸出端STDBY。當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和芯片使能輸入端接高電平時(shí)，TP4056開始對(duì)電池充電，CHRG管腳輸出低電平，亮起紅燈，表示充電正在進(jìn)行。如果電池電壓低于3V,充電器用小電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓超過3V時(shí)，充電器釆用恒流模式。當(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí)，充電電流逐漸減小，TP4056進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值時(shí)，充電周期結(jié)束，亮起綠色LED燈，CHRG端輸出高阻態(tài)，STDBY端輸出低電位。

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序首先對(duì)LCD1602進(jìn)行初始化并開啟T0、T1定時(shí)器，開機(jī)后默認(rèn)為手動(dòng)模式。手動(dòng)模式下，LCD屏幕顯示“hand mode”，通過定時(shí)器檢測四個(gè)按鍵是否按下，控制驅(qū)動(dòng)模塊在水平方向和垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，并周期性檢測模式切換按鍵是否按下。當(dāng)按下模式切換按鍵時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)模式，單片機(jī)讀取PCF8591上經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的值，并將接收的值轉(zhuǎn)換為光敏電阻所受到照射的相對(duì)光強(qiáng)數(shù)值，顯示在LCD屏幕上，定時(shí)器計(jì)算所讀取的數(shù)值，判斷是否向控制模塊發(fā)送控制信息。

定義四個(gè)變量AD_Up、AD_Down、AD_Left、AD_Right，用于存儲(chǔ)單片機(jī)讀取AD轉(zhuǎn)換模塊中4個(gè)光敏電阻的數(shù)據(jù)，兩兩做差值，如AD_Up與AD_Down為一組，可用來判斷垂直方向上光線的位置。設(shè)置差值在10以內(nèi)，根據(jù)數(shù)據(jù)差值的大小判斷驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，以控制驅(qū)動(dòng)模塊將電池板向相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 主程序流程

4 系統(tǒng)測試

本文設(shè)計(jì)智能追光控制裝置的目標(biāo)是用于小型太陽能應(yīng)用系統(tǒng)，所以在進(jìn)行功能測試時(shí)，可選用臺(tái)燈或手電筒等簡易光源照射。手動(dòng)控制模式下，電池板可在上、下、左、右按鍵的控制下靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。自動(dòng)模式下，手動(dòng)控制光源的移動(dòng)，電池板對(duì)光源的移動(dòng)持續(xù)做出姿態(tài)調(diào)整，較好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)追光功能。

5 結(jié)語

本文基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款追光控制系統(tǒng)，以提高小型太陽能應(yīng)用系統(tǒng)的能量效能。對(duì)太陽光的追蹤通過兩對(duì)光敏電阻對(duì)入射電池板表面光線強(qiáng)度的檢測來實(shí)現(xiàn)，即以此控制電池板姿態(tài)，使之與入射光保持垂直的狀態(tài)。設(shè)計(jì)采用外部電源供電與電池板自供電相結(jié)合的供電方式，并在電池板自供電方式中引入穩(wěn)壓電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)屏幕顯示狀態(tài)，方便用戶進(jìn)行各項(xiàng)操作。