基于单片机的便携太阳能光伏系统研究

2 总体方案设计

基于单片机的便携太阳能光伏系统使用双轴追踪方式，主要包括两种工作模式：自动控制和手动追踪。本系统以单片机作为核心，对太阳光进行自动追踪，以提高光电转换效率。
本系统使用STC89C52RC单片机作为核心控制器，结合减速电机、继电器、光敏电阻传感器、按键电路、直流稳压电源等模块确保自动追光系统硬件功能的完善和实现，主要实现的功能为四个方位的光敏电阻对光照进行采集，然后将数据传入A/D模块中，单片机在接收A/D转换模块生成的数字信号后，对数据进行比较处理，确定太阳光光源的方向后，触发电机继电器控制减速电机，带动太阳能面板转向该方向。另外，系统中格外设置了限位器，限制减速电机的运动范围，提高效率、准确性和稳定性的同时防止超出涉及范围引起的损坏故障。这些模块共同作用，互相配合，一同完成了基于单片机的便携太阳能光伏系统功能的实现，系统整体框图如图1所示。

图1 基于单片机的便携太阳能光伏系统整体框图

3 系统硬件的设计

3.1 电路部分
3.1.1 主控制器的选择
在整个系统设计中，单片机的选择是十分重要的。本系统采用51系列单片机，现在使用较为普遍的单片机是51系列单片机，其成本低，性价比高，具有集成程度高、体积小、功耗低、扩展容易、使用方便、性能可靠等优点[1]。但是，它的不足是容量受到限制，数据处理较弱。与32系列单片机相比，由于本次系统设计功能有限，且51系列单片机简单易学，学习资料丰富，查找学习十分方便，具有较高的通用性[1]。ST89C52是一款低功耗、高性能的8位COMS 单片机，片内内置8k位Bytes ISP(系统内可编程)的Flash只读程序存储器，可重复写入10000次，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，与标准的MCS-51指令系统和80C51引脚结构相兼容，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的ST89C52可作为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[2]。
综上，STC89C52RC单片机的功能研究完全能够实现本系统设计的要求。
STC89C52RC是一个具备了总线扩展能力的单片机芯片，其封装形式为PDIP40。正如图2展示的那样，这个封装设计非常紧凑，使得它在需要时能够轻松扩展。该单片机的PDIP40封装由40个精密布局的引脚组成，每一个都有其独特的功能和用途。其中单片机的基础引脚设计包括电源引脚40和20保障单片机正常运转工作；引脚18和19则是接入晶体振荡器，作为时钟电路的重要组成部分；引脚9接复位电路，下节单片机最小系统电路有具体外围电路设计。

图2 STC89C52RC的引脚图
3.1.2 STC89C52RC最小系统电路
STC89C52RC是整个太阳能光伏追踪系统的控制核心。图3展示的是STC89C52RC单片机的最小系统电路图，它是构成任何单片机应用系统的基础。这个最小系统要求我们仅使用必要的元件来构建一个能够运行的单片机环境，确保整个系统的可靠性和性能。STC89C52RC 单片机的这一设计理念旨在简化电路结构，同时不牺牲其功能完整性。
在这个系统中，电源电路起着至关重要的作用，它不仅提供了稳定的电源供给，还保证了单片机在各种工作条件下都能持续正常运行。时钟电路则负责精确地控制和管理系统内所有指令处理的周期时间，确保指令按照预定的顺序被执行，从而提高整体系统的效率。复位电路则在遇到软件或硬件故障时，允许系统自动恢复到初始的可操作状态，确保数据和程序的安全性。

图3 STC89C52RC单片机最小系统电路图
单片机在处理各种指令时遵循着一套严格的规则，这套规则建立在单片机时钟电路的基础之上。如果没有精确的时钟电路，单片机的正常运行将会变得异常艰难，因为它需要精确的时钟信号来确保各个组件按照预定的时间顺序进行操作，这样才能保证数据的准确性和完整性，从而确保系统的高效运行。图4为STC89C52RC最小系统的时钟电路。时钟电路可以保证整个系统按照一定的时间序列执行相应的操作，从而实现了数据的可靠传输和处理。
最小系统的电路中使用的是11.0592MHz的晶振，分别接在单片机的18脚，19脚，晶振是一种具有振荡频率的电子器件，主要用于为单片机提供用于执行指令的信号脉冲。此外，为了进一步增强时钟电路的工作效率和稳定性，时钟电路中设计了两个30PF电容协助晶振起振及维持振荡信号稳定，它们共同生成了稳定的时钟信号，使单片机能够准确地执行指令。
3.2 机器部分
3.2.1 追踪方式的选择
太阳能光伏追踪系统主要分为单轴和双轴两种类型。单轴跟踪器只能实现东西方向的太阳能追踪，在一个点上旋转，适用于较少安装空间的应用场景。双轴追踪器则能够提供更全面的追踪效果，确保集中太阳光全天以高精度地聚焦在太阳能面板上，从而提供恒定的功率输出[7-9]。
本系统选用轴承51106和6004，轴承不仅为传动系统提供了必要的支撑，还有效地减少了运动过程中产生的摩擦和磨损，从而保证了机械系统的高效运行和长久耐用。在双轴系统中，轴承为其提高效率减少摩擦和损耗，实现了高精度，支撑转动件在轴上，确保转动件平稳高效地旋转，系统的稳定性和可靠性也显著提高，这使轴承成为机器转动和支撑系统中不可或缺的关键部件。图9为轴承51106实物图

图9 轴承51106
3.2.2 亚克力板的切割与组装
本系统使用亚克力切割板固定减速电机、轴承、太阳能面板、光面电阻传感器、限位器等。图11为亚克力板的整体设计图。在设计图纸时，要考虑太阳能面板旋转角范围及整个系统各个模块的承重，测量减速电机大小、光伏板的尺寸、轴承内直径、外直径和厚度。根据系统的元件尺寸设计出亚克力板的切割图形，并根据系统承重情况选择合适的厚度。其次需要切割一段胶棒用于系统上下部分连接，胶棒的尺寸也要根据系统的整体设计来进行测量切割。

图11 亚克力板整体设计
在亚克力板达标完成后，通过定点描点，钻孔机打孔，用螺丝钉和固定块对亚克力板进行拼接。实物图如图12所示。

图12 亚克力板组装部分实物图

4 系统程序设计

4.1 主程序设计
主程序运行流程图如图14所示。在单片机上电后，对单片机进行复位操作，即把内部数据及电机状态都进行初始化。单片机在接收到外部输入的光敏电阻传感器模块的数字信号后，通过判断模式控制位的高低电平，分辨当前模式处于手动模式或者自动控制模式来进行下一步操作，由于本系统实现的是太阳能光伏系统自动追光，所以把自动模式部分作为系统的主程序，手动模式部分作为系统的子程序进行辅助。
若当前模式为自动模式，单片机通过检测按键电路的I/O口的高低电平来控制减速电机，首先要检测四个光敏电阻对应I/O口的高低电平，由上述器件介绍中，我们知道光敏电阻在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO端输出低电平[6]。那么若P1_0_{P1_3都为高电平，则证明太阳能面板处于背对光源的情况，这时候设定需要控制东、西方向的减速电机M1先向东转动来寻找光源，若在旋转过程中触碰到控制东、西旋转范围的限位器SW1，则控制减速电机M1进行反转寻找光源；若在旋转过程中未碰到限位器，顺利找到东、西方向的光源，那么返回判定P1_0}P1_3是否全为高电平的模块，进行再次判断。
若P1_0~P1_3不全都是高电平，则需要分类讨论各个情况，首先讨论东、西方向的传感器输入端口P1_0和P1_1的高低电平。若P1_0为低电平，P1_1为高电平时，控制减速电机M1向东转；若P1_1为低电平，P1_0为高电平时，控制减速电机M1向西转；若P1_0和P1_1均为高电平，则进入讨论南北方向的高低电平。其中减速电机M1触碰到限位器SW1，则进行反转寻找光源。
其次讨论南、北方向上的传感器输入端口P1_2和P1_3的高低电平，若P1_2为低电平，P1_3为高电平时，则控制南、北方向的减速电机M2向南转；若P1_3为低电平，P1_2为高电平时，控制减速电机M2向北转；若P1_2和P1_3均为高电平，则重新进入主程序判断循环。其中减速电机M2触碰到限位器SW2，则进行反转寻找光源。
根据光敏电阻传感器的器件特性可以总结为，当某个引脚端口为低电平时，则控制减速电机向其对应方向转动。

图14 主程序流程图

4.2 子程序设计
手动控制由按键电路来完成。主要作用为设计东、南、西、北四个方向对应的独立按键作为主要信号输入，当方向按键按下，则减速电机带动太阳能面板朝向对应的方向转动，当按键松开，则电机停止运动。图15为按键电路子程序的流程图。

图15 子程序流程图

5 系统调试

5.1 各功能模块调试
调试光敏电阻传感器的滑动变阻器，根据手电筒模拟电源，调试滑阻，使光敏电阻可以灵敏感应太阳光。当光敏电阻传感器只对垂直于光源的情况输出低电平，对侧方位光源及周边环境光源不感应，调试成功。
调试减速电机，将直流电源接到减速电机的电源线上，分别正反接线，检测电机是否正常进行正反转。减速电机能够通过正反接电源实现电机正反转，调试成功。
检查STC89C52RC最小系统板。在焊接好最小系统板后，应先用万用表调至通断档，检查电路是否虚焊。检测电路焊接没有问题后，将最小系统板通电后，将万用表调制电压档，单片机的VCC接红表笔，单片机的GND接黑表笔，万用表显示为5.18V，单片机供电正常。其次，单片机的RST引脚接红表笔，单片机的GND接黑表笔，万用表显示为0V,检测得复位电路正常。最后单片机的ALE引脚接红表笔，单片机的GND接黑表笔，万用表显示为1.78V，检测得时钟电路正常。

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