基于STC89C52的追光控制系統設計

趙珉通訊作者，甄麗娟

1.嶺南師范學院電子與電氣工程學院，廣東，湛江，524048；2.國家知識產權局專利局電學發明審查部，北京，100080

0 引言

我國作為全球最大的能源生產國、消費國和碳排放國，在當今能源短缺的大背景下提出力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的“雙碳”目標，其意義舉世矚目[1]。太陽能是新型綠色清潔能源的重要類型，具有總量巨大和儲備持久的特點，根據科學家目前對太陽核能消耗速率估計，其氫存儲量可維持上百億年[2-3]。提高太陽能光伏應用系統的光電轉化效率成為高效利用太陽能的關鍵。據研究，加入追光控制的光伏系統與固定姿態接收太陽光的系統相比，轉化效率能夠提高30%～40%[4-5]。

本文通過STC89C52芯片的綜合控制，設計了一個可用于小型太陽能應用系統的智能追光控制裝置。該系統可手動控制電池板的轉動，也可在自動模式下，通過雙軸跟蹤方式使電池板與入射光線保持垂直，以利于提高對太陽能的利用率。

1 設計方案

對太陽光的追蹤通常有兩種方案，一種是視日運動軌跡跟蹤，另一種是光電檢測追蹤[6]。視日運動軌跡跟蹤的可靠性和穩定性較高，但追蹤精度低。光電檢測追蹤通過光電二極管、光敏電阻等光電器件進行姿態控制，追蹤精度較高。本文依據光電檢測追蹤方案，采用STC89C52芯片作為核心，綜合控制5個模塊，即圖1所示的光電檢測模塊、AD轉換模塊、驅動模塊、顯示模塊和供電模塊。該系統采用雙軸追蹤方式，通過分布在電池板四周的光敏電阻動態地檢測照射在電池板表面的太陽光強度，并由單片機讀取該數值和控制電機驅動電池板沿縱向軸和水平軸的轉動，使電池板與入射光線垂直，實現自動追蹤。

圖1 系統原理框圖

2 硬件設計

本設計采用STC89C52作控制芯片。STC89C52是增強型8051單片機[7]，集成8K的Flash存儲器、512字節的SRAM及4K的EEPROM；有4個8位可編程并行I/O口、3個可編程的16位定時器/計數器、4路外部中斷和1個通用的全雙工異步收發串行口，并可通過定時器軟件實現多個UART，系統各模塊電路如下。

2.1 光電檢測模塊

如圖2所示，本設計中的光電檢測通過對稱分布于太陽能電池板四周的四個光敏電阻A、B、C、D實現。光敏電阻的電阻值會隨光照強度的變化而變化，具有靈敏度高、反應快速等特點。通常當光照強度由較小值逐漸增加時，光敏電阻的阻值會先按指數規律迅速下降；當光照強度進一步增大時，該電阻值的減小會逐漸趨于飽和，實際使用中一般取對數關系的線性區[8]。本設計中采用型號為GL5516的光敏電阻，亮電阻范圍為5～10kΩ。

圖2 光敏電阻分布

A與C、B與D構成了兩組響應器件，其檢測結果分別獨立控制電池板沿縱向軸和沿水平軸的旋轉。電池板轉動的平衡狀態是指檢測到A與C的電阻差及B與D的電阻差均小于特定范圍x。x的大小可根據實際使用需要進行設定。控制系統讀取這兩組光敏電阻的電阻值并進行對比，如果A與C電阻值相差超過x，則控制電池板沿縱向軸正向或反向轉動，直到兩者差值小于x為止；同理，如果B與D電阻值相差超過x，則控制電池板沿水平軸正向或反向轉動，直到兩者差值小于x為止。

2.2 AD轉換模塊

AD轉換模塊將光電檢測模塊傳輸過來的電信號轉換為數字信號，提供給單片機。本設計采用PCF8591芯片作為AD轉換器件。PCF8591是具有I2C總線接口、單獨供電、低功耗的AD轉換芯片。如圖3所示，G1～G4是光電檢測模塊中的四個光敏電阻，R2～R5為上拉電阻，四路分壓值接入PCF8591芯片的AIN0～AIN3口，經過AD轉換后再通過SCL、SDA接口與單片機進行數據傳輸。

圖3 AD轉換模塊電路

2.3 驅動模塊

驅動模塊選用兩個28BYJ-48四相五線型步進電機來帶動電池板的轉動。28BJY-48四相步進電機由一個8繞組的定子、一個6齒數的轉子和減速齒輪組成，其減速比為1/64。28BJY-48四相步進電機采用直流電源供電，具有瞬間啟動和緊急停止的優越特性，只需對電機的各相繞組按適合的時序通電，即可使電動機轉動。由于單片機的接口信號不足以驅動電動機運作，必須將信號放大才可以使步進電機運轉。本設計采用ULN2803作為驅動芯片，配合步進電機發揮功能。圖4為驅動模塊電路。IN1～IN8為輸入接口接單片機引腳，M1、M2分別為控制縱向和水平方向轉動的步進電機。

圖4 驅動模塊電路

2.4 顯示模塊

采用LCD1602液晶顯示器作為顯示模塊（圖5）。引腳3是液晶顯示偏壓，接一個可調電阻，可以手動調節，使數據在液晶屏上更好地顯示。

圖5 顯示模塊電路

2.5 電源模塊

系統的供電模塊設計了外部供電與電池板自供電兩種途徑，增加了實用靈活性。供電模塊包含一塊單晶硅電池板和一個4000mA蓄電池。圖6所示為采用LM2596的穩壓電路。在光源照射下，太陽能電池板向穩壓器輸入一個3.3～5V的電壓，經LM2596的2號輸出后再經紋波濾波向鋰電池以穩定的5V電壓進行充電。充電過程通過TP4056構成的充電電路進行，如圖7所示。

圖6 穩壓電路

圖7 充電電路

TP4056包含兩個漏極開路輸出的狀態指示輸出端，充電狀態指示端CHRG和電池故障狀態指示輸出端STDBY。當輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和芯片使能輸入端接高電平時，TP4056開始對電池充電，CHRG管腳輸出低電平，亮起紅燈，表示充電正在進行。如果電池電壓低于3V,充電器用小電流對電池進行預充電。當電池電壓超過3V時，充電器釆用恒流模式。當電池電壓接近4.2V時，充電電流逐漸減小，TP4056進入恒壓充電模式。當充電電流減小到充電結束閾值時，充電周期結束，亮起綠色LED燈，CHRG端輸出高阻態，STDBY端輸出低電位。

3 軟件設計

主程序首先對LCD1602進行初始化并開啟T0、T1定時器，開機后默認為手動模式。手動模式下，LCD屏幕顯示“hand mode”，通過定時器檢測四個按鍵是否按下，控制驅動模塊在水平方向和垂直方向的轉動，并周期性檢測模式切換按鍵是否按下。當按下模式切換按鍵時，系統轉變為自動模式，單片機讀取PCF8591上經過AD轉換的值，并將接收的值轉換為光敏電阻所受到照射的相對光強數值，顯示在LCD屏幕上，定時器計算所讀取的數值，判斷是否向控制模塊發送控制信息。

定義四個變量AD_Up、AD_Down、AD_Left、AD_Right，用于存儲單片機讀取AD轉換模塊中4個光敏電阻的數據，兩兩做差值，如AD_Up與AD_Down為一組，可用來判斷垂直方向上光線的位置。設置差值在10以內，根據數據差值的大小判斷驅動模塊轉動的方向，以控制驅動模塊將電池板向相應的方向轉動。

圖8 主程序流程

4 系統測試

本文設計智能追光控制裝置的目標是用于小型太陽能應用系統，所以在進行功能測試時，可選用臺燈或手電筒等簡易光源照射。手動控制模式下，電池板可在上、下、左、右按鍵的控制下靈活轉動。自動模式下，手動控制光源的移動，電池板對光源的移動持續做出姿態調整，較好地實現了自動追光功能。

5 結語

本文基于STC89C52單片機設計了一款追光控制系統，以提高小型太陽能應用系統的能量效能。對太陽光的追蹤通過兩對光敏電阻對入射電池板表面光線強度的檢測來實現，即以此控制電池板姿態，使之與入射光保持垂直的狀態。設計采用外部電源供電與電池板自供電相結合的供電方式，并在電池板自供電方式中引入穩壓電路對鋰電池進行充電。系統設計屏幕顯示狀態，方便用戶進行各項操作。