太阳能跟踪控制器硬件设计

摘要：为了实现对太阳能全面而且有效率的使用，常用的方法是跟踪太阳的方位角，从而增加太阳能吸收的输出功率。这篇文章描述了太阳能跟踪控制器的控制思想，以及系统硬件组成控制算法。通过这种简易跟踪控制器的设计以及双轴太阳能跟踪控制器的可靠控制，可以实现太阳能利用率的提高。而且，通过手电筒模拟太阳光源，可以证明的是这个系统可以可靠的工作。整个系统主要由硬件和软件组成，硬件部分包括：单片机89C54RD+电路，8位模数转换电路，光电检测电路，EEPROM电路，LED信号显示电路，供电电路，串行通讯电路等。此外，软件中单片机的控制和主监控程序是基于Keil uVision 2.0平台编写的。最后，两个电动的舵机拖动双轴机械装置对太阳光源进行方位角和高度角两个方向的跟踪。

关键词：太阳能；单片机89C54RD+；舵机；光电检测电路

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 16-0000-02

Solar Tracking Controller Hardware Design

Zu Hualong

(HeFei University of Technology,Hefei230061,China)

Abstract:In order to more fully and efficient use of solar energy,it is commonly used to track the sun’s trajectory to maximize output power.This article describes the solar tracking system control theory and the system hardware components and control algorithms.The design of a tracking and simple structure,and reliable control of dual-axis solar tracking system,improves the utilization of solar energy.And through tests of this solar tracking system by using a flashlight as the sun,it is proved that the system can work well.The whole system design includes two parts:hardware design and software design.The 89C54RD+ I/O configuration,8-bit analog-to-digital converter signal processing unit,photodiode intensity circuit,EEPROM circuit,LED diodes display circuit,the power supply circuit,and the serial communications circuit were designed in the hardware consideration.While the MCU control,the monitoring program,the PC monitoring and the data―handling program which developed in the software platform of Keil uVision 2.0 were concerned in the software design.And at last,two electric steering engines are used to drive double-axis tracking device which can control the azimuth and altitude angle of the cell board.

Keywords:Solar energy;MCU 89C54RD+;Electric steering engine;Photodiode intensity circuit

一、引言

课题来源及意义

本课题来源于大学生创新实验计划校级项目《太阳能跟踪定位系统开发》。成果已经做成实物，可以演示。

二、太阳能跟踪方案选择

（一）常用的太阳能跟踪控制方法比较

常用的太阳能跟踪控制方法一般有三种；匀速控制方法、光强控制方法和时空控制方法。

本设计采用的是光强控制方式，用两个光敏二极管检测水平方向的信号，再用两个二极管检测竖直方向的信号，从而实现在水平方向和竖直方向两个方向上的跟踪。

（二）机械结构设计

机械部分主要由支架、底座、两转动轴和舵机构成，可同时在方位角和高度角两个方向上跟踪。机械装置由舵机驱动，可以使电池板在水平方向上的0-180°和垂直方向上的+90~-90°之间自由旋转。单片机送出方位角和高度角电机的正反转控制信号，这样就构成了方位角和高度角的跟踪机构。

三、系统的硬件设计

硬件是实现各种功能的基础，软件发挥功能要依赖硬件的支持。硬件的可靠性直接关系到整个系统的可靠性。

（一）系统的总体硬件框图

图3.1描述了系统的总体框图：

图3.1系统总体框图

本系统采用STC89C54RD+作为核心控制器，主要由以下几个部分构成：M3）LCD显示电路（4）LED系统状态显示电路（5）串行通讯电路（（8）复位电路，以下各小节将对重点电路进行详细的介绍。所有的电路都是使用Protel进行绘制。

（二）串口通讯电路

这里使用的串口通讯标准是RS-232-C，与计算机相连，下载计算机写好的代码程序给单片机。而单片机的电平标准却是TTL电平，所以需要一个电平转换电路，这里使用MAX232通讯电路，实现对TTL和EIA电平的相互转换。如图3.2：

图3.2 串口通讯电路图3.3电源供电电路

（三）电源供电电路

电路外接电源从J9输入，整流二极管IN4007起到防止电源反向，以及给外加电源滤波的作用，紧接着接入三端稳压器MC7805T的Vin端，三端稳压器电压输入端Vin需要一个C3电容10uF的电容进行滤波，GND管脚接地。

（四）光电检测电路

本设计使用两个光敏二极管作为光强的检测元件，每个光敏二极管分别接一个总阻值为10K大小的可调电阻以及5V电压，作为一路光强检测电路。随着手电筒模拟太阳位置的变化，即不同光敏二极管感受太阳光的光强变化，光敏二极管的阻值会相应改变，则加在光敏二极管两端的电压也会改变，则加在可调电阻两端的电压也肯定会产生变化。在可调电阻固定一个阻值大小的情况下，手电筒在不同位置，则电阻两端的电压也会不同；同时，手电筒固定一个位置，由于两个光敏二极管想对于光源的位置和角度也不相同，则必然会导致两个光敏检测电路可调电阻输出的电压不同。将这一对电路各自的可调电阻的电压输入到一个AD620仪用放大器。AD620的输出再接到ADC0809中，进行模数转换。整体电路原理图如图3.4：

（五）液晶显示电路

本设计使用LCD1602芯片，各个字符的段码液晶显示屏是以若干个5*8或5*11点阵块组成的显示字符群。每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。主控制驱动电路为HD44780 CHITACHI及其他公司全兼容电路。液晶显示电路如图3.5：

图3.4 光电检测电路图3.5液晶显示电路

本设计P2^0到P2^7管脚直接与液晶的八个数据口相连接。P3^2控制RS管脚，P3^3控制R/W管脚，P3^4控制E管脚，背光源正极BLA接5V电源，背光源负极BLK接地，VSS接地，VDD接5V电源，V0液晶显示偏压接一个10K的滑动变阻器，可以调节显示的对比度。由此十一条控制命令可以知道，只要控制RS，R/W，D0-D7十个管脚，外加上一个使能信号E，就可以对液晶屏进行任意的写入数据和读出数据的控制。液晶显示屏的作用在于将光敏电路实时采样得到的光强数据，即两个AD620仪用放大器采样到的电压差值，通过ADC0809模数转换传入CPU之后，显示到液晶屏上，这样可以对两路光强信号进行实时了解。

（六）模数转换电路

本设计采用的模数转换器件是ADC0809，它是CMOS的8位A/D转换器，片内有8路模拟开关，可控制8个模拟量中的一个进入转换器中。ADC0809的分辨率为8位，转换时间约100us，含锁存控制的8路多路开关，输出有三态缓冲器控制，单5V电源供电。

ADC0809引脚连接

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。IN0～IN7：8路模拟量输入端。本设计只用了IN0和IN1两路通道，分别采集水平方向的电压差值模拟量和垂直方向的电压模拟量，IN0接第一个AD620的OUT端口；IN1接第二个AD620的OUT端口。其他六个输入通道，全部悬空。因此，只需要在IN0和IN1之间进行选择。如果要选择IN0和IN1通道，C地址线总是置为低电平，B地址线业总是为低电平，A地址线为低电平和高电平，为了方便扩展到四路输入，而且为了节约单片机引脚的使用，将C地址线直接接地，而A地址线接单片机的P1^3口，B地址线接单片机的P1^4口，进行地址选择。本设计ADC0809接线图如图3.6：

图3.6ADC0809的电路接线图

参考文献：

[1]吴国凤.C语言程序设计教程[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2005

[2]肖玲妮,袁增贵.Protel 99 SE印刷电路板设计教程[M].北京:清华大学出版社,2003

[3]杨将新,李华军,刘东骏.单片机程序设计及应用从基础到实践[M].北京:电子工业出版社,2005

[4]蒋廷彪.单片机原理及应用（MCS-51）[M].重庆:重庆大学出版社,2006

[5]康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1998

[6]阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1998

[7]于海生.微型控制计算机控制技术[M].北京:北京清华大学出版社,1998

[8]张洪润.单片机应用设计200例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006

[9]徐爱钧,彭秀华.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践[M].北京:电子工业出版社,2004,6

[10]樊峰鸣,马良涛.单轴太阳能跟踪系统的研究[J].河南城建高等专科学校学报,2000,9,3

[11]向平,程建民,毕玉庆.碟式太阳能跟踪装置的结构没计和动力分析[J].机械设计与制造,2009,9

[12]郑阿奇.Visual C++实用教程（第二版）[M].北京:电子工业出版社,2003

[13]向平,高沽,张晋.基于ARM7的太阳能跟踪控制系统硬件[J].机械与电子,2009,11

[14]戴训江,晁勤.太阳能单轴跟踪系统的PLC设计[J].可再生能源,2008,6

[15]王淼,王保利,焦翠坪,景崇友.太阳能跟踪系统设计[J].电气技术,2009,6.

[16]刘巍,王志超,沈垣,朱天宇,卞新高.太阳自动跟踪系统的研究与设计[J].水电能源科学,2009,4