基于單片機技術的室內照明光伏優化供電控制系統設計

閆璞+王貴鋒

摘 要：為了提高太陽能光伏電池的光電轉換效率，本文以單片機為控制核心，設計了室內照明光伏供電控制系統。通過采樣光敏電阻檢測與比較，雙軸機械跟蹤定位，使光伏電池組件板與太陽光垂直。系統主要由光敏電阻、A/D轉換TLC549芯片、主控單片機STC89C51、舵機轉動驅動、液晶顯示模塊等。系統結構簡單、制造成本低，能在人工不干預的情況下自動檢測光強度，特別適合與于氣候變化和無人看守的情況。

關鍵詞：光伏電池；轉換效率；單片機；陽光自動跟蹤

中圖分類號：TP21 文獻標志碼：A

Abstract：In order to improve the conversion efficiency of photovoltaic cell module， a sunlight automatic tracking system （SATS） was designed using a microcomputer on （MSC） a single chip as a control core in this paper. The orientation of photovoltaic cell module was automatically adjusted to be perpendicular to the rays of sun by checking and comparing the photosensitive resistance using， together with positioning of dual axis mechanical tracking. The system was composed of photosensitive resistance， A/D conversion chip TLC549， STC89C51， steering gear driving and liquid crystal display module. The designed system has many advantages including low cost， simple structure， light intensity checking， no artificial intervention and adaptability for various whether.

Keywords： photovoltaic cel； Conversion efficiency； Microcomputer on a single chip； Sunlight automatic tracking

0 引言

隨著世界經濟的飛速發展，煤、石油、天然氣等不可再生化石能源正在急劇減少。同時，這些石化燃料的大量使用給地球帶來的環境破壞不可小覷。太陽能是一種免費、潔凈無污染、取之不盡、用之不竭、分布范圍廣的永恒能源。人們利用太陽能量已經有3000年，但是真正把太陽能作為一種資源能量和潛力利用卻只有400年左右的時間，目前，對太陽能量更好地采集運用對今后的發展起著至關重大的作用。太陽能光伏電池是利用半導體器件的光電效應將光能轉化為電能的裝置。然而，由于太陽能存在著間歇性、分散性、光照方向和強度隨時間連續變化的問題，導致光伏電池的轉換效率較低。本文設計了室內照明光伏優化供電控制系統，能自動調節光伏組件的方位，使其與太陽光線始終垂直，有效提高了光電轉換效率。設計的系統制造成本低，結構簡單、能自動檢測光強，無需人工干預，適合氣候變化大和無人看守的情況，有較好的推廣和利用價值。

1 系統硬件結構設計

太陽光的強度變化會產生電信號，通過光電器件檢測和采集陽光強度。將信號傳輸到單片機中進行判斷比較，得出相應的控制信號，控制舵機或者步進電機的轉動，從而帶動聚光板的轉動，使其保持與太陽光的垂直。如圖1所示，設計的系統包括信號采集與處理電路、控制電路和執行機構組成。

在4個象限內分別放置4個用遮光板隔開的光敏電阻。當太陽光沒有正對4個光敏電阻而向某一個方向傾斜時，就會在其一側形成一定的陰影，產生明顯的光強度差。再通過單片機控制雙軸舵機機械裝置轉動并用液晶顯示屏顯示參數。

2 系統硬件電路設計

系統硬件電路由主控電路、太陽光線自動跟蹤、A/D轉換、太陽光跟蹤機械驅動和液晶屏顯示等單元組成。

2.1 主控電路

采用單片機STC89C51進行信號處理與控制。將P1端口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4設置為普通的I/O接口，控制5個發光二級管。前4個端口控制的發光二極管指示哪邊光照強，最后一個端口控制的發光二極管指示太陽能板是否光強足夠強即正對太陽。由于光電傳感模塊產生的是模擬信號，所以要將信號直接傳輸到單片內就必須在前面進行數模轉換，所以將P1.5，P1.6，P1.7端口設置為控制數模轉換芯片TCL549的工作以及數字信號的采集。同時P0端口作為一個舵機的驅動，以及將單片機處理計算得出舵機的位置數據傳輸到了液晶顯示屏進行顯示，并設置了一個驅動開關。最后的P2端口的P2.0～P2.3控制著光電傳感的工作起開關作用，P2.4端口通過三級管采集太陽能板電壓來檢測光照強度，將P3接口來控制液晶顯示屏的顯示，主控電路如圖2所示。

2.2 光敏傳感電路設計

光電傳感模塊包括4個光敏電阻、4個1K電阻和4個PNP晶體管。4個光敏電阻負責采集4個方向的不同光照強度的信號。為了使4個光敏電阻不互相影響以及兩兩光強差異可以足夠明顯，將4個光敏電阻分別放置于四象限并用遮光板兩兩分隔開。其中，串聯的4個固定起到了保護作用，4個NPN晶體管起開關作用，由單片機的P2端口控制。具體電路如圖3所示。

2.3 A/D轉換電路設計

將REF+、VCC端口接入VCC，REF-、GND端口接入GND，ANALOGIN端口接入光敏電阻輸出的模擬信號端，而CLK、/CS、DATA OUT端口分別接入單片機的P1.5、P1.6、P1.7端口，用單片機控制TLC549芯片以及采集數字信號。

2.4 驅動電路設計

驅動裝置由兩個可旋轉180度的舵機構成，可直接有單片機加上拉電阻驅動。將兩個舵機接入電源正負級后，再將控制端口分別接入單片機的P0.0、P0.1端口。將這兩個舵機交叉放置并用撐桿連接，用單片機控制其轉動方向，即可對太陽光進行跟蹤。

2.5 液晶顯示電路設計

如圖4所示，將LCD1602的GND、VCC分別接電源，VL端接上10K電位器控制其對比度。將RS、RW、E分別接到單片機的P0.5，P0.6，P0.7端口，用單片機控制其顯示顯示。然后將其D0～D7端口分別接入單片機的P3.0～P3.7端口，用單片機的P3端口來控制其顯示內容。

3 系統程序設計

3.1 主程序的設計

將采集到的傳感器信號，傳輸到TCL549芯片將模擬信號轉換成數字信號，然后傳輸到單片機中進行判斷和處理，控制舵機的轉動、指示燈和顯示屏。具體流程如圖5所示。首先進行單片機以及液晶屏的初始化，然后對掃描所有光電傳感的數據，并對比4個不同方向的光敏電阻AD數據，然后由單片機產生PWM波，來控制舵機的轉動并顯示相應的指示燈及改變顯示屏相應的參數。

3.2 光電傳感A/D轉換程序設計

光電傳感采集到的都是光強度的模擬信號，要將其傳入到單片機主程序處理，就必須對其進行A/D轉化。太陽能板光強度信號及4個不同方向的光敏電阻的信號需進行A/D轉換。

3.3 液晶顯示程序設計

液晶顯示屏主要要顯示當前的光照強度，太陽能板電壓，兩個舵機的位置，單片機直接通過具體信號信息通過程序函數ShowString_LCD1602（X，Y）。X為0顯示第一行數據，1顯示第二行數據；Y為要顯示的數組。

3.4 控制程序設計

轉速由波形占空比控制， PWM波控制舵機。采用的單片機的晶振頻率是12M，定時器T0產生定時脈沖，每隔10?s在控制舵機驅動管腳（P0.0和P0.1）加脈沖寬度為兩個機器周期的正脈沖。首先確定定時器T0初值。由于時鐘頻率是12MHz，因此定時器/計數器的技術脈沖的周期為 T= 12/12MHz = 1?s。又由于定時時長為 1?s。設定時器/計數器的初值是X，所以根據公式（216-X）×T=m ：

可求得X = 65536-10，因為定時器是16位，低八位計滿256，高八位加1，定時器/計數器高位TH0就應該除以256后的整數部分，定時器/計數器的低位TL0是除以256后的余數部分。為了得到控制舵機的方波并控制方波的占空比，設立標志位變量。檢查光電傳感對比差異，兩兩比較，但是信號不可能完全相同，所以設置了誤差范圍。

結論

本文以單片機STC89C51為控制核心，采用單片機控制方式實現了太陽能光伏電池室內照明優化控制系統。采用具有驅動電路的雙軸機械控制的舵機，可以直接接入單片機，更方便更易操作。硬件電路簡單而且控制開關多，軟件程序結構明朗有較好的人機交互。

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