基于AT89S51的太阳能跟踪系统硬件电路设计

严峻

摘 要：太阳能跟踪系统的设计目标是控制太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光时刻垂直照射太阳能电池板的前端传感装置，一款优良的太阳能跟踪系统能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。文章详细介绍了AT89S51控制的太阳能跟踪系统的硬件电路设计过程，采用了多种跟踪方式相结合的光电检测电路，并设计了一款简易前端光电检测模块，成本低、效率高、稳定性好。

关键词：AT89S51；光电检测；硬件电路；太阳能跟踪系统

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0001-03

1 内核设计

51单片机是本系统的核心处理器，在本设计中它的主要作用是：接收从光电检测部分得到的信号，通过对该信号的分析处理后，输出信号控制步进电动机转动，从而带动太阳光接收装置水平竖直双轴转动，最终实现对太阳能的跟踪。

本设计中采用的是AT89S51单片机。AT89S51是一个低功耗高性能单片机，DIP40封装有40个引脚，32个外部双向并行I/O口线，2个外部中断源，2个16位可编程的定时/计数器，2个全双工串行通信口，支持在线编程。

2 光电检测模块的设计

2.1 光电传感器的选择

本设计采用光敏二极管作为前端太阳能电池板上的检测传感装置，因其具有良好的光电特性和较高灵敏度，且具有良好的稳定性和输出持续性。其符号和外形，如图1所示。

光敏二极管的参数：

①Umax：最高工作电压，无光照，其反向电流不超过0.1安培时，两端所加的反向最高电压值。

②Tr：响应时间，将光信号转换为电信号所需的时间。

③IL：光电流，有光照时，其两端加有正常反向工作电压时的电流值。

④Sn：光电灵敏度，光敏二极管对光的敏感程度。

⑤ID：暗电流，无光照射时，光敏二极管两端加有正常工作电压时的反向电流。

主要型号与参数，如图2所示。

根据上表，对价格、响应时间、灵敏度等参数进行综合考量后，确定了本设计中光敏二极管的型号：

①2CU1E作为检测昼夜的光敏元件。原因：响应时间短，光敏区大，易接收光线。

②2CU101D作为检测阴晴的光敏元件。原因：灵敏度高，细微的光线变化也能检测到

③3DU33作为晴天时检测太阳光是否正射的光敏元件，原因光敏区大，感应电流大，响应时间短。

2.2 前端太阳能检测装置的设计

前端太阳能光线检测装置由五个光敏二极管的组成，外部套有顶部开孔的圆柱形罩子，如图3 所示。

要想达到理想的检测效果，则需对罩子上开孔的直径、罩子的高度、内部光敏二极管的排列及间距等有严格的要求。照射的示意图，如图4所示。

为了达到良好的照射效果，圆柱体外罩上孔的直径D应为光敏二极管3DU33（D0）的直径5 mm。并处于其正上方。确保阳光直射时，完全照射到D0上。

同时必须注意的是：D0与D1、D2、D3、D4中任一个光敏二极管之间的距离不可以小于5 mm，各二极管之间的间距略大于光敏二极管的直径便可，确保光线时刻都能照射到任一个光敏二极管，且只能照射到卫衣一个光敏二极管上。因此，本设计中将间距定为6 mm（二极管直径为5 mm）。

我们设定每次检测的间隔时间为15 min，直射D0开始， 15 min后，太阳偏移，光线经外罩中孔斜射入内，照射二极管。当太阳光斜射时，设斜射角度为β，则可计算出圆柱型外罩的高度。在下一次检测到来之前，即15 min内，光线要从正射D0移动到照射D0不足直径的一半，或能照射到D1＼D2＼D3＼D4中的任意一个的直径一半以上。则阳光移动距离的L要大于或等于0.5倍光敏二极管的直径，即>=2.5 mm，同时要小于或等于1.5倍光敏二极管直径，再加二极管之间6mm的间距，即<=13.5 mm。

故可得以下结论：L=Htanβ，（2.5≤L≤13.5）（1）

H=Lcotβ（2）

太阳24个小时旋转360 °，每10 min移动的角度是一个定值。每小时15 °，则太阳15 min约为 4 °，可计算出：36 mm≤H ≤193 mm。本设计中取高度为40 mm。

2.3 光电检测电路设计

光电检测部分的电路主要有：昼夜检测电路、阴晴检测电路、晴天光线检测电路。

2.3.1 昼夜检测电路

昼夜检测电路的作用是通过初检判断当前是白天还是黑夜，若为黑夜，则系统进入中断，无需工作，切换为睡眠模。若为白天，则进一步进行阴晴检测步骤。

工作原理：采用2CU1E型光敏二极管作为光敏元件，用其判断白天黑夜。比较电路采用运算放大电路，该运放的输出端接单片机P3.2上。运放的反相输入端接固定电压+5 V，运放的同相输入端接2CU1E光敏二极管的正极，通过试验确定R51=100 kΩ，R52=1 kΩ，R2=1 kΩ，R53=1 kΩ。昼夜检测电路原理图，如图5所示。

2.3.2 阴晴检测电路

本设计中采用两种太阳能跟踪方法：光电跟踪法和角度跟踪法。由于白天的太阳光线的强弱是不确定的，有阳光灿烂的晴天，也有阴云密布的阴天。有时阴天的太阳光线较弱，无法使光敏二极管导通，从而导致系统的光电检测模块失效，甚至是整个系统的混乱，此时采用角度跟踪法更加合理。所以，在确定为白天之后，需要判断的是否为晴天。电路图，如图6所示。

2.3.3 晴天时的光电检测电路

该电路是本设计中实现太阳能光电跟踪方式的核心电路。将五个3DU33型光敏二极管按照图5安放在前端圆柱形太阳光接收装置的底部。与接收阳光照射的电池表面平行，目的是保持统一的阳光入射角度。

此电路由D0-D4五个3DU33型光敏二极管、R0-R4五个定值电阻 、一个LM324芯片（封装四个运算放大器U1-U3）构成。具体接线如下：5个3DU33型光敏二极管的负极共接电源；它们的正极分别与LM324芯片的输入端相接：LM324芯片的4个同相输入端均连接在D0的正极上，芯片的4个反相输入端分别与剩余四个3DU33型光敏二极管D1-D4的正极相连接。构成了D0与D1、D2、D3、D4组成的四个相同的比较电路。LM324芯片的四个输出端即四个运放的输出端与单片机 AT89S51 P2.0-P2.3并行I/O口线相连接。因此，通过读取P2.0-P2.3端口输入电平的高低即可判断出太阳光线入射的角度。电路图，如图7所示。

3 电机控制电路设计

在前篇所述的光电检测电路中，光信号一步一步被转化为单片机可识别的电信号，从而完成由单片AT89S51为内核的太阳能跟踪系统的实现。本设计采用步进电动机来控制前端太阳能接收装置的角度调整。而电机的转动是通过AT89S51来控制的，通过对两级 NPN三极管导通和截止的控制，进而实现对继电器闭合或断开的控制，从而达到控制电机的转动目的。如图8所示。

该电路的工作原理：当太阳光未正射前端接收装置，通过前端的光电检测电路，将电信号转换为单片机AT89S51可以识别的电信号，假设D1受到光照，此时单片机的P2.0口线会输入一个低电平。此时通过软件控制系统的程序将P1.4口线清零，导致电机控制电路的第一个晶体管Q1截止，第二个晶体管Q2导通，于是继电器闭和，电动机有电流而转动，由此实现了单片机对电动机的控制。

4 时钟电路设计

当光电检测电路检测到当前天气为阴天时，软件控制系统将转变太阳能跟踪方式，采用角度跟踪方式，由于角度跟踪方式是将当地当时的太阳角度参数的计算函数写入，只需确定当前时间就可计算出确切数值。

本设计中采用DALLAS公司生产的DS1302串行实时时钟芯片，与单片机相连，需要的串行时钟SCLK、数据线I/O、复位线RST三根线。数据是以一次1-31个字节进行传送的。如图9所示。

5 结 语

基于AT89S51单片机的太阳能跟踪系统，采用光电检测追踪与角度追踪相结合的太阳能跟踪方式，使用电机带动双轴实现360度无死角旋转，能够实现低成本、高精度、高稳定性的跟踪效果。

参考文献：

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