太阳能液晶显示系统的设计

谢光奇 伍锡鑫 易鸣伦 蒋纯志

湘南学院电子信息与电气工程学院 湘南郴州 423000



太阳能液晶显示系统的设计

谢光奇 伍锡鑫 易鸣伦 蒋纯志

湘南学院电子信息与电气工程学院 湘南郴州 423000

摘 要：系统主要由单片机STC89C52控制器、太阳能电池板、蓄电池、步进电机驱动电路、光照检测电路、液晶显示及线性电源组成。日照充足时，太阳能电池板接受光照并转化为电能，通过充电保护电路给蓄电池快速充电并给各模块电路供电；当日照不足时，切换为蓄电池供电；液晶显示时间。光敏电阻检测电路将光线的变化转变为高低电平，并传递给单片机，通过控制步进电机实现对太阳能电池面板角度的调整，使之感受最强光照。

关键词：单片机；太阳能；蓄电池；步进电机；显示

1 太阳能利用发展动态

太阳能作为地球上最丰富的可再生能源具有独特的优势和巨大的利用潜力，充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐及能源与环境的协调发展，大力使用太阳能资源对于落实科学发展观有着重要意义。对于太阳能，人类的早期利用主要是光和热。而光伏发电技术的出现为太阳能的利用开辟了广阔的领域。随着太阳能技术的发展，太阳能光伏液晶显示器的发展向着更深，更广的层次和领域发展。

2 系统结构及工作原理

2.1 系统结构

传感器检测到光照信息传递给单片机，单片机处理后控制电机驱动电路驱动步进电机，从而控制太阳能面板的角度，并通过液晶显示当前的时间。系统设计框图如图1所示。

图1 太阳能液晶显示系统总体结构

2.2 工作原理

日照充足时，太阳能电池板将光能转化为电能，一部分电能提供给控制系统和液晶显示器，剩余的电能通过充电电路快速给蓄电池充电，当蓄电池充电完毕时，通过比较电路判断进而切断充电电路，有效防止对蓄电池的过充；日照不足时，系统将自动切换为蓄电池供电。为了充分接受光照，系统采用传感器电路检测光照强度的最大值，驱动步进电机调整太阳能面板的角度，使太阳能面板感受最强光照。

3 硬件电路设计

3.1 电源电路的设计

电源电路的设计包括太阳能电池板的供电电路设计、蓄电池的充电电路与放电电路以及其他电路模块的供电电路设计。电源电路的设计如图2所示。该电图的solar端口用以接入太阳能电池；cell端口用以接入蓄电池；motor端口用以供给步进电机的电能需求；power端口用以接入传感器电路模块、1602液晶显示模块、单片机控制电路模块。该电路图由2个比较器、3个NPN三极管、2个二极管、2个7805芯片、1个发光二极管组及电阻组成。

第一个比较器的作用：单片机芯片第5引脚与比较器相连与基准电压比较，控制NPN三极管开与关，从而控制蓄电池充电电路的通断；第二个比较器的作用：当太阳能电池给蓄电池充电时，为防止对蓄电池过充电，通过对蓄电池的采样电压与基准电压比较来判断蓄电池是否充电完毕，若蓄电池充满电量，则采样电压与基准电压相等，比较器输出低电平，关断三极管，进而切断充电电路，防止蓄电池过充电而烧毁；若蓄电池电量不足，则采样电压将小于基准电压，比较器输出高电平，保持三极管的导通，进而开通充电电路给蓄电池充电。

第一个三极管用来做充电电路的开关，当比较器输入其高电平时开通充电电路；当比较器输入其低电平时关断充电电路。第二个与第三极管串联构成二级放大电路，用以给蓄电池快速充电。

二极管用来防止电流回流；发光二极管用来指示蓄电池是否充电。

图2 电源电路设计

3.2 单片机控制电路设计

单片机通过控制ULN2003芯片驱动步进电机，该步进电机采用双四拍运行方式，并可以正反转。单片机控制电路图如图3所示。

图3 单片机控制电路设计

步进电机工作电压为5 V，但需要的电流要从约100 mA～300 mA范围内变化，而该系统所采用的太阳能电池板输出的电流最高也只能达到220 mA左右，不能正常驱动步进电机，甚至影响其他电路模块。考虑依靠蓄电池给步进电机供电，在供电的同时，切断其充电电路以免发生干扰。单片机控制步进电机时，若电机得到指令运转的同时，单片机芯片的P1.4口将输出低电平，从而使电源电路中对应的比较器输出低电平，进而关闭充电电路。

单片机通过按键电路来调整液晶显示器显示日期和时钟，S1按键按下时时钟停止并且光标在第一个数字下闪烁，按下S2或S3时可对该数值进行加或减。继续按下S1时可对液晶显示器上的数字进行修改。

3.3 检测电路设计

传感器检测电路由光敏电阻、比较器以及普通陶瓷电阻构成的两个比较电路组成。传感器检测电路如图4所示。

图4 光照检测电路设计

图4中左图是光敏电阻的电压与基准电压产生比较，右图是两个光敏电阻在不同的光照条件下所产生的电压比较。

如图4所示，当光线强时，光敏电阻阻值变小，使其阻值远小于2 K，从而使其电压小于2 K电阻电压，经过比较器判断使S1和S2为高电平；当光线弱时，光明电阻阻值变大，使其阻值远大于2 K，从而使其电压高于2 K电阻电压，经过比较器判断使S1和S2为低电平。其中S1和S2的信号送给单片机判断，控制电机是否转动。如右图，当两个光敏电阻分别感受的光线强度是左强右弱时，S3为低电平S4为高电平；而当两个光敏电阻分别感受的光线强度是左弱右强时，S3为高电平S4为低电平。其中S3和S4的信号送给单片机判断，控制电机是否正反转。

单片机通过S1，S2，S3，S4端口接收传感器电路模块传来的信息并判断：若S1和S2同时为低电平或为高电平时，电机停转且不受S3和S4的影响；若S1和S2电平不一致时，S3为低电平S4为高电平时电机右转，S3为高电平S4为低电平时电机左转。

以上功能设置是为了使太阳能电池板只在日照充足的情况下感受光线变化而发生偏转，而在阴天或夜晚不受弱光线影响致使电机误动而耗电。

4 软件设计

总程序流程图如图5所示。

图5 总程序流程图

电源上电后，初始化液晶显示及单片机各端口，按键扫描进按键子程序，对显示时间进行调整，关敏电阻检测电路对光照检测的信息传递给单片机，判别S1=1，S2=0，S3=1，是则控制步进电机左转，否及左转后再判别S1=0，S2=1，S4=1，是则控制步进电机右转，否及右转后返回按键扫描。

5 结束语

随着太阳能技术的发展，太阳能光伏液晶显示器的发展向着更深，更广的层次和领域发展。设计实现了太阳能液晶显示，并且利用光敏电阻检测光照信息，单片机自动控制步进电机，调整太阳能面板，达到自动跟踪太阳能的功能，设计还实现了蓄电池过充电保护，太阳能面板在夜晚不跟踪等功能。

参考文献

［1］陈汝全.电子技术常用器件应用手册［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［2］王质朴，吕运朋. MCS-51单片机原理、接口及应用［M］.北京:北京理工大学出版社，2009.

［3］陶红艳，余成波. 传感器与现代检测技术［M］.北京:清华大学出版社吧，2009.

［4］康华光，邹寿彬，秦臻.电子技术基础:数字部分［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［5］谭浩强.C语言程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2000.

［6］程明.微特电机及系统［M］.北京:中国电力出版社，2009.

The Display System Design Based on Solar

Xie Guangqi， Wu Xixin， Yi Minglun， Jiang Chunzhi
College of Electronic Information and Electrical Engineering， Xiangnan University， Chenzhou， 423000， China

Abstract:The system is composed of STC89C52 microcontroller， solar panel， battery， drive circuit of Stepping motor ， illumination detection circuit， LCD and Linear power supply. When the sunshine is enough， the solar panel transforms the illumination into electricity， and charges the battery quickly and supplies the power to the system by charging protection circuit. When the sunlight is insuffcient， the battery supplies electric energy. LCD displays the time. Photosensitive resistance detection circuit outputs high and low levels to the microcontroller. The microcontroller adjusts the angle of the solar panel by controllers the stepping motor， and makes it feel the strongest light.

Key words:microcontroller； solar； battery； stepping motor； display

收稿日期：2015-06-24

作者简介：谢光奇，硕士，讲师。通信作者：蒋纯志，硕士，教授。

基金项目：湘南学院2013年大学生研究性学习与创新性实践项目（湘教通［2013］223-452，湘教通［2014］248-487）。