AT89C51的自動轉向太陽能充電系統設計

廣東理工學院電氣與電子工程學院 覃 鳳 谷紅霞 周 瑩 曹美媛

本文介紹了以AT89C51為核心的太陽能充電系統的設計方法及過程。該系統具有自動轉向的特點，根據光照強度調節接光板方向，使其接收的太陽光強度最大，以達到最理想的充電效果；同時在充電的過程中，系統能進行實時檢測蓄電池的電壓值并顯示；此外，系統還設置充放電的門限值，當電池電壓充到超出設定值后，接光板不再轉向尋光，系統停止充電，并且“充滿”指示燈亮。當電池放電后，電壓低于設定值時，系統能自動調節接收板方向與陽光方向垂直，并且“充電”指示燈亮。

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。為人類創造了一種新的生活形態，使社會及人類進入一個節約能源、減少污染的時代。利用太陽能的基本原理是：首先收集太陽輻射的能量，通過特定的方式將其轉換成熱能。由于太陽的能量是一種可靠的能源，所以人們不斷地在探索各種開發利用太陽能的設備。太陽能充電系統就是其中之一，太陽能充電系統是靠接受儲存太陽光的能量來保證負載正常使用的。它利用太陽能，既省電又環保，它接有一塊太陽能電池板，通過聚焦和儲存太陽能，就可正常運作。

本文在傳統太陽能充電系統的基礎上著重討論充電的效率及檢測問題，同時加入跟蹤太陽光線自動調向和實時檢測充電數據的模塊。其中的自動調向模塊采集太陽光強參數，轉換后進行比較判斷，通過電機驅動轉向使充電系統的接光板根據太陽光強自動地調節采光板，即實現自動跟蹤。

1 系統設計

1.1 系統整體設計方案

本文所設計的太陽能充電系統采用以AT89C51單片機為控制核心的模塊化設計，包括采光電路、AD0808模數轉換模塊、充電檢測電路、LCD液晶顯示電路以及驅動電機模塊等五大主要模塊。系統的總體框圖如圖1所示。

圖1 太陽能充電系統整體框圖

圖2 采光/轉換電路原理圖

圖3 自動轉向電路控制原理圖

系統通過采光電路中的光敏電阻將光信號轉化為電信號，由模數轉換電路將模擬量轉換成數字量。LCD液晶顯示屏用于顯示充電系統的實時電壓值，并在單片機控制下與設定的門限電壓進行比較。若實測電壓小于門限值，則通過ULN2003A驅動步進電機使接光板自動轉向追光，否則保持不動。

1.2 主要電路模塊設計

1.2.1 采光/轉換電路

如圖2所示為本系統的采光/轉換電路原理圖，包括模/數轉換芯片ADC0808和光敏電阻兩部分。光敏電阻是基于內光電效應工作的，一般用于光的測量、控制和光電轉換，用來將光的變化轉換為電的變化。由于光照的變化影響光敏電阻的阻值，因而會引起回路電壓變化，此電壓值是模擬量，經過ADC0808進行模/數轉換后才送入單片機分析處理。

1.2.2 自動調向電路

為了更加充分有效地接收利用太陽能進行充電，需要接光板能根據太陽光的光照強度及角度進行自動跟蹤調整。在本系統中，采用兩相步進電機帶動接光板在0°到180°之間來回地轉動，以尋找最大感光的角度。步進電機的轉動由達林頓管（ULN2003A）來驅動，達林頓管是由單片機分析ADC0808采樣來的數字電壓信號，并將其與參考電壓進行比較后來控制的，通過這樣的工作過程使兩相步進電機進行正反轉，從而模擬實現接光板的“自動轉向尋光”。

充電檢測電路中檢測到的蓄電池的電量經過模數轉換后送入單片機進行分析處理，通過單片機的P0口輸出，控制將蓄電池的電量顯示在液晶法顯示屏上。單片機控制電路的原理圖如圖3所示。

1.2.3 充電檢測及顯示電路

在充電過程中，實時檢測并顯示蓄電池電量，當蓄電池的電壓值小于預設值時，紅色發光二極管亮，并且通過單片機的控制使步進電機自動轉向尋光；否則，充滿指示燈（綠色發光二極管）亮，停止充電。其電路原理圖如圖4所示。

圖4 充電檢測顯示電路原理圖

2 模擬測試

對自動轉向太陽能充電器的工作情況進行模擬測試，測試過程如下：

（1）測試中，為了仿真的需要，設定當電壓值大于3.9V時，表示太陽光線垂直照射在接光板上，小于3.9V時，表示光板與太陽光線不垂直。改變光敏電阻的感光源遠近，從而模擬改變太陽光照射在接光板上的角度，電機帶動接光板進行自動尋光。可以看到，當感光源充分靠近時，電機停止轉動，表明在誤差范圍內，該電路可以實現自動根據太陽光的強度自動調節接光板的方向，從而實現高效率地充電。

（2）液晶顯示屏LCD1602將充電檢測電路中蓄電池的電量經過AD轉換后的數字量顯示出來，即為當前蓄電池中電量，實現實時檢測并顯示蓄電池的電量。改變充電檢測電路中的電位器值模擬蓄電池中的電量的改變，當在液晶屏上顯示的數值大于設定4.3V時，充電檢測電路中充滿指示燈亮；液晶屏顯示的數值小于設定的閾值時充電指示燈亮，其模擬測試結果如圖5所示。

圖5 充電檢測電路仿真效果

結束語：通過仿真得到的實驗結果表明，本文設計的太陽能充電系統在一定誤差允許范圍內可以自動跟蹤太陽光強，實時檢測并顯示充電電量，在普通太陽能充電器的基礎上進一步增加了太陽能利用的有效性，更具有實用價值。對電量的檢測顯示準確度比較高，可行性強。此外，電路設計得較為規范，操作方法簡單易懂，硬件的設計也有一定的普及型，對今后研制開發功能全面的太陽能充電檢測器提供了一個重要的研究方向。