基于單片機的光電能量轉換數據采集系統設計

陳媛媛，王琦

（東方地球物理公司裝備服務處儀器中心，河北保定，072750）

0 引言

太陽能是清潔的一次能源，是無窮無盡的。當前，我國對太陽能的利用率較低。在節能減排與可持續發展戰略的實施下，充分利用太陽能資源是保護環境中重要的一步。將太陽能轉換成電能，再將其存儲在蓄電池里供人們使用，該電能清潔、穩定對國家的可持續發展具有非常重要的實際意義[1]。

1 系統設計方案

如圖1 所示為單片機的光電能量轉換數據采集系統的硬件結構圖，該系統的控制核心是51 單片機，供電的原理是太陽能通過最大光強點追蹤轉化為電能；該系統還帶有智能溫濕度測量系統，以SHT11 傳感器的濕度測量為主；通過DS1302 芯片顯示時間量，再以PS-232 總線為橋梁將信息傳送至電腦端進行分析，在通過顯示屏呈現出來[2]。該系統可以調整時間，同時還可以對濕度進行監測，當濕度超出限制值時，會發出警報。

圖1 單片機的光電能量轉換數據采集系統的硬件結構框圖

單片機的光電能量轉換數據采集系統主要分為以下兩部分：①光電能量轉換系統，該系統是設計的重點；②數據采集系統，該系統主要是采集數據（溫濕度、時間），除此之外，還包括顯示、警報等模塊。

2 光電能量轉換系統

單片機的光電能量轉換數據采集系統其主要目的是將太陽能轉換成電能，再利用系統將其存儲在蓄電池里，最后將太陽輻射通過單片機在給其供電。

■2.1 關于該系統的說明

基于單片機的光電能量轉換數據采集系統的能量源頭是太陽能，該系統不但可以幫助人們解決生產、生活中出現的斷電和電網異常問題，而且提高了太陽能的利用率，與我國的可持續發展主題相契合[3]。

單片機消耗的功率小，用太陽能板吸收的能量經過控制轉換得到的電能，適宜作為系統的供電來源，提高系統的工作效率與簡化使用方式是非常重要的。基于此，本設計在設計上考慮到多種影響因素，將太陽能板的固定轉動摒棄，利用光敏器跟蹤，讓程序控制太陽能板隨自大光強轉動。此方法簡單可靠，經過多次試驗測試，結果電路的精準控制不受周圍環境亮度的影響，能夠達到期望的指標。

■2.2 設計原理

以光敏電阻阻值受光照的影響為基礎，取4 個相同的光敏電阻放于電池板的不同位置（東西南北方向邊沿），其中控制版面的舵機控制太陽能板的上下左右軸轉動。如圖2所示為太陽能板的硬件示意圖，當太陽能電池板垂直接收太陽光時，各光敏電阻接收的光照強度相同，舵機不動，4 個光敏電阻阻值相同；當太陽光折射與電池板接收出現夾角時，各光敏電阻接收的光照強度不同，電阻阻值隨光強的增大而減小，此時舵機在高低電平的驅動下開始轉動，直至其中2 個電阻光照相同時，舵機停止轉動，等待下一次出現角度偏差繼續轉動[4]。

圖2 太陽能板硬件示意圖

■2.3 數據處理部分

LM393 比較器工作原理圖如圖3 所示。零點漂移的直流信號可以通過LM393 比較器、零電位調整單元來抵消。當輸入信號進入系統時，比較器會先對輸入信號進行判斷，再將光敏電阻的變化值轉化為電壓值，系統給出的高、低電平數值隨著輸出信號的強度變化而變化，同時該部分還可以協助系統屏蔽某些微小的信號，提高系統穩定工作。

圖3 LM393 比較器工作原理圖

3 數據采集系統設計

■3.1 溫濕度采集電路

溫濕度采集電路如圖4 所示，溫濕度采集電路主要是通過LM35 電壓型集成溫度傳感器來進行操作的，其測量的溫度幾乎不存在誤差，而且體積小、能耗低，還具有非常高的穩定性。該系統不需要外圍器件就可以將兩個電阻的串聯分壓進行植入，提高了數據的輸入效率，同時保證了傳輸的穩定性和距離。

圖4 溫濕度采集電路

■3.2 時鐘電路模塊

時鐘電路圖如圖5 所示，該模塊采用具有充電能力的電路DS1302，同時可以傳輸數據和保護掉電。

圖5 時鐘電路圖

■3.3 控制單元

控制單元的主要工作是控制舵機的工作狀態，它的工作依據是比較器送來的數字量。電池板轉向主要是通過舵機進行控制的，主要有一下幾個原因：①舵機與其他控制軟件相比，其對角度的控制更加精準；②舵機的穩定性好，可以鉗住已給定的角度，保證其不受外界干擾；③操作簡單，舵機的角度控制非常簡單，只需要改變占空比就可以，在很大程度上減輕了系統的工作量[5]。

■3.4 單片機外圍電路的設計

單片機外圍電路包含很多種：鍵盤輸入電路、RS-232通信電路、復位電路、鍵盤輸入、報警電路及顯示電路等。鍵盤輸入模塊如圖6 所示，該設計系統采用獨立式鍵盤系統，能實現對時間數據的修改和對溫濕度上下限值的設定。

圖6 獨立式鍵盤電路

4 系統測量與實驗結果分析

■4.1 程序流程

將C 語言與KEIL4 作為該程序的基礎，編寫初始化子程序和功能子程序。主程序的流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

（1）舵機控制子程序。單片機接收通過光敏電阻采集到的光強，并對經比較器得到的兩個數字量進行分析，如果數值出現差值，則驅動舵機，否則返回等待下一次差值的出現。

（2）測溫濕度子程序。通過LM35 電壓型集成溫度傳感器進行溫度采集，當單片機供電為5V、LM35 溫度檢測值線性較高時，其分辨率為14 位[6]。

■4.2 調試濕度電路

使用電路仿真軟件測試濕度電路，分析得到的方波來判斷傳感器的電容量改變。若輸出的為方波，則通過系統的震蕩電路來分析波形的周期發生變化，在通過分析比較最后得出系統改變的頻率值。

■4.3 系統實驗測量結果分析

為了證實該系統具有很好的測量精度，選取不同環境來進行試驗：

（1）天氣情況：雷陣雨轉中雨、溫度20-30℃。當天氣開始下雨時，濕度開始升高,當雨停時，濕度下降到80%左右。當下雨天氣時，陰暗光強度電壓輸出降低，光強度電壓輸出隨天氣晴朗而中升高。

（2）當濕度穩定時，光強隨溫度的變化而變化。

5 結語

隨著可續期發展戰略的實施，使我們越來越重視節能減排、保護環境。太陽能屬于取之不盡用之不竭的一次能源，充分利用太陽能資源是保護環境中非常重要的[7]。利用單片機設計的光電能量轉換數據采集系統具有很高的實用價值，該系統安裝較為簡單，運行穩定可靠，并且維護簡單、抗干擾能力強，滿足溫室環境的用電要求。