基于AT89S51的太陽能跟蹤系統硬件電路設計

嚴峻

摘 要：太陽能跟蹤系統的設計目標是控制太陽能電池板隨時正對太陽，讓太陽光時刻垂直照射太陽能電池板的前端傳感裝置，一款優良的太陽能跟蹤系統能顯著提高太陽能光伏組件的發電效率。文章詳細介紹了AT89S51控制的太陽能跟蹤系統的硬件電路設計過程，采用了多種跟蹤方式相結合的光電檢測電路，并設計了一款簡易前端光電檢測模塊，成本低、效率高、穩定性好。

關鍵詞：AT89S51；光電檢測；硬件電路；太陽能跟蹤系統

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0001-03

1 內核設計

51單片機是本系統的核心處理器，在本設計中它的主要作用是：接收從光電檢測部分得到的信號，通過對該信號的分析處理后，輸出信號控制步進電動機轉動，從而帶動太陽光接收裝置水平豎直雙軸轉動，最終實現對太陽能的跟蹤。

本設計中采用的是AT89S51單片機。AT89S51是一個低功耗高性能單片機，DIP40封裝有40個引腳，32個外部雙向并行I/O口線，2個外部中斷源，2個16位可編程的定時/計數器，2個全雙工串行通信口，支持在線編程。

2 光電檢測模塊的設計

2.1 光電傳感器的選擇

本設計采用光敏二極管作為前端太陽能電池板上的檢測傳感裝置，因其具有良好的光電特性和較高靈敏度，且具有良好的穩定性和輸出持續性。其符號和外形，如圖1所示。

光敏二極管的參數：

①Umax：最高工作電壓，無光照，其反向電流不超過0.1安培時，兩端所加的反向最高電壓值。

②Tr：響應時間，將光信號轉換為電信號所需的時間。

③IL：光電流，有光照時，其兩端加有正常反向工作電壓時的電流值。

④Sn：光電靈敏度，光敏二極管對光的敏感程度。

⑤ID：暗電流，無光照射時，光敏二極管兩端加有正常工作電壓時的反向電流。

主要型號與參數，如圖2所示。

根據上表，對價格、響應時間、靈敏度等參數進行綜合考量后，確定了本設計中光敏二極管的型號：

①2CU1E作為檢測晝夜的光敏元件。原因：響應時間短，光敏區大，易接收光線。

②2CU101D作為檢測陰晴的光敏元件。原因：靈敏度高，細微的光線變化也能檢測到

③3DU33作為晴天時檢測太陽光是否正射的光敏元件，原因光敏區大，感應電流大，響應時間短。

2.2 前端太陽能檢測裝置的設計

前端太陽能光線檢測裝置由五個光敏二極管的組成，外部套有頂部開孔的圓柱形罩子，如圖3 所示。

要想達到理想的檢測效果，則需對罩子上開孔的直徑、罩子的高度、內部光敏二極管的排列及間距等有嚴格的要求。照射的示意圖，如圖4所示。

為了達到良好的照射效果，圓柱體外罩上孔的直徑D應為光敏二極管3DU33（D0）的直徑5 mm。并處于其正上方。確保陽光直射時，完全照射到D0上。

同時必須注意的是：D0與D1、D2、D3、D4中任一個光敏二極管之間的距離不可以小于5 mm，各二極管之間的間距略大于光敏二極管的直徑便可，確保光線時刻都能照射到任一個光敏二極管，且只能照射到衛衣一個光敏二極管上。因此，本設計中將間距定為6 mm（二極管直徑為5 mm）。

我們設定每次檢測的間隔時間為15 min，直射D0開始， 15 min后，太陽偏移，光線經外罩中孔斜射入內，照射二極管。當太陽光斜射時，設斜射角度為β，則可計算出圓柱型外罩的高度。在下一次檢測到來之前，即15 min內，光線要從正射D0移動到照射D0不足直徑的一半，或能照射到D1＼D2＼D3＼D4中的任意一個的直徑一半以上。則陽光移動距離的L要大于或等于0.5倍光敏二極管的直徑，即>=2.5 mm，同時要小于或等于1.5倍光敏二極管直徑，再加二極管之間6mm的間距，即<=13.5 mm。

故可得以下結論：L=Htanβ，（2.5≤L≤13.5）（1）

H=Lcotβ（2）

太陽24個小時旋轉360 °，每10 min移動的角度是一個定值。每小時15 °，則太陽15 min約為 4 °，可計算出：36 mm≤H ≤193 mm。本設計中取高度為40 mm。

2.3 光電檢測電路設計

光電檢測部分的電路主要有：晝夜檢測電路、陰晴檢測電路、晴天光線檢測電路。

2.3.1 晝夜檢測電路

晝夜檢測電路的作用是通過初檢判斷當前是白天還是黑夜，若為黑夜，則系統進入中斷，無需工作，切換為睡眠模。若為白天，則進一步進行陰晴檢測步驟。

工作原理：采用2CU1E型光敏二極管作為光敏元件，用其判斷白天黑夜。比較電路采用運算放大電路，該運放的輸出端接單片機P3.2上。運放的反相輸入端接固定電壓+5 V，運放的同相輸入端接2CU1E光敏二極管的正極，通過試驗確定R51=100 kΩ，R52=1 kΩ，R2=1 kΩ，R53=1 kΩ。晝夜檢測電路原理圖，如圖5所示。

2.3.2 陰晴檢測電路

本設計中采用兩種太陽能跟蹤方法：光電跟蹤法和角度跟蹤法。由于白天的太陽光線的強弱是不確定的，有陽光燦爛的晴天，也有陰云密布的陰天。有時陰天的太陽光線較弱，無法使光敏二極管導通，從而導致系統的光電檢測模塊失效，甚至是整個系統的混亂，此時采用角度跟蹤法更加合理。所以，在確定為白天之后，需要判斷的是否為晴天。電路圖，如圖6所示。

2.3.3 晴天時的光電檢測電路

該電路是本設計中實現太陽能光電跟蹤方式的核心電路。將五個3DU33型光敏二極管按照圖5安放在前端圓柱形太陽光接收裝置的底部。與接收陽光照射的電池表面平行，目的是保持統一的陽光入射角度。

此電路由D0-D4五個3DU33型光敏二極管、R0-R4五個定值電阻 、一個LM324芯片（封裝四個運算放大器U1-U3）構成。具體接線如下：5個3DU33型光敏二極管的負極共接電源；它們的正極分別與LM324芯片的輸入端相接：LM324芯片的4個同相輸入端均連接在D0的正極上，芯片的4個反相輸入端分別與剩余四個3DU33型光敏二極管D1-D4的正極相連接。構成了D0與D1、D2、D3、D4組成的四個相同的比較電路。LM324芯片的四個輸出端即四個運放的輸出端與單片機 AT89S51 P2.0-P2.3并行I/O口線相連接。因此，通過讀取P2.0-P2.3端口輸入電平的高低即可判斷出太陽光線入射的角度。電路圖，如圖7所示。

3 電機控制電路設計

在前篇所述的光電檢測電路中，光信號一步一步被轉化為單片機可識別的電信號，從而完成由單片AT89S51為內核的太陽能跟蹤系統的實現。本設計采用步進電動機來控制前端太陽能接收裝置的角度調整。而電機的轉動是通過AT89S51來控制的，通過對兩級 NPN三極管導通和截止的控制，進而實現對繼電器閉合或斷開的控制，從而達到控制電機的轉動目的。如圖8所示。

該電路的工作原理：當太陽光未正射前端接收裝置，通過前端的光電檢測電路，將電信號轉換為單片機AT89S51可以識別的電信號，假設D1受到光照，此時單片機的P2.0口線會輸入一個低電平。此時通過軟件控制系統的程序將P1.4口線清零，導致電機控制電路的第一個晶體管Q1截止，第二個晶體管Q2導通，于是繼電器閉和，電動機有電流而轉動，由此實現了單片機對電動機的控制。

4 時鐘電路設計

當光電檢測電路檢測到當前天氣為陰天時，軟件控制系統將轉變太陽能跟蹤方式，采用角度跟蹤方式，由于角度跟蹤方式是將當地當時的太陽角度參數的計算函數寫入，只需確定當前時間就可計算出確切數值。

本設計中采用DALLAS公司生產的DS1302串行實時時鐘芯片，與單片機相連，需要的串行時鐘SCLK、數據線I/O、復位線RST三根線。數據是以一次1-31個字節進行傳送的。如圖9所示。

5 結 語

基于AT89S51單片機的太陽能跟蹤系統，采用光電檢測追蹤與角度追蹤相結合的太陽能跟蹤方式，使用電機帶動雙軸實現360度無死角旋轉，能夠實現低成本、高精度、高穩定性的跟蹤效果。

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