AT89C51的自动转向太阳能充电系统设计

广东理工学院电气与电子工程学院 覃 凤 谷红霞 周 莹 曹美媛

本文介绍了以AT89C51为核心的太阳能充电系统的设计方法及过程。该系统具有自动转向的特点，根据光照强度调节接光板方向，使其接收的太阳光强度最大，以达到最理想的充电效果；同时在充电的过程中，系统能进行实时检测蓄电池的电压值并显示；此外，系统还设置充放电的门限值，当电池电压充到超出设定值后，接光板不再转向寻光，系统停止充电，并且“充满”指示灯亮。当电池放电后，电压低于设定值时，系统能自动调节接收板方向与阳光方向垂直，并且“充电”指示灯亮。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源、减少污染的时代。利用太阳能的基本原理是：首先收集太阳辐射的能量，通过特定的方式将其转换成热能。由于太阳的能量是一种可靠的能源，所以人们不断地在探索各种开发利用太阳能的设备。太阳能充电系统就是其中之一，太阳能充电系统是靠接受储存太阳光的能量来保证负载正常使用的。它利用太阳能，既省电又环保，它接有一块太阳能电池板，通过聚焦和储存太阳能，就可正常运作。

本文在传统太阳能充电系统的基础上着重讨论充电的效率及检测问题，同时加入跟踪太阳光线自动调向和实时检测充电数据的模块。其中的自动调向模块采集太阳光强参数，转换后进行比较判断，通过电机驱动转向使充电系统的接光板根据太阳光强自动地调节采光板，即实现自动跟踪。

1 系统设计

1.1 系统整体设计方案

本文所设计的太阳能充电系统采用以AT89C51单片机为控制核心的模块化设计，包括采光电路、AD0808模数转换模块、充电检测电路、LCD液晶显示电路以及驱动电机模块等五大主要模块。系统的总体框图如图1所示。

图1 太阳能充电系统整体框图

图2 采光/转换电路原理图

图3 自动转向电路控制原理图

系统通过采光电路中的光敏电阻将光信号转化为电信号，由模数转换电路将模拟量转换成数字量。LCD液晶显示屏用于显示充电系统的实时电压值，并在单片机控制下与设定的门限电压进行比较。若实测电压小于门限值，则通过ULN2003A驱动步进电机使接光板自动转向追光，否则保持不动。

1.2 主要电路模块设计

1.2.1 采光/转换电路

如图2所示为本系统的采光/转换电路原理图，包括模/数转换芯片ADC0808和光敏电阻两部分。光敏电阻是基于内光电效应工作的，一般用于光的测量、控制和光电转换，用来将光的变化转换为电的变化。由于光照的变化影响光敏电阻的阻值，因而会引起回路电压变化，此电压值是模拟量，经过ADC0808进行模/数转换后才送入单片机分析处理。

1.2.2 自动调向电路

为了更加充分有效地接收利用太阳能进行充电，需要接光板能根据太阳光的光照强度及角度进行自动跟踪调整。在本系统中，采用两相步进电机带动接光板在0°到180°之间来回地转动，以寻找最大感光的角度。步进电机的转动由达林顿管（ULN2003A）来驱动，达林顿管是由单片机分析ADC0808采样来的数字电压信号，并将其与参考电压进行比较后来控制的，通过这样的工作过程使两相步进电机进行正反转，从而模拟实现接光板的“自动转向寻光”。

充电检测电路中检测到的蓄电池的电量经过模数转换后送入单片机进行分析处理，通过单片机的P0口输出，控制将蓄电池的电量显示在液晶法显示屏上。单片机控制电路的原理图如图3所示。

1.2.3 充电检测及显示电路

在充电过程中，实时检测并显示蓄电池电量，当蓄电池的电压值小于预设值时，红色发光二极管亮，并且通过单片机的控制使步进电机自动转向寻光；否则，充满指示灯（绿色发光二极管）亮，停止充电。其电路原理图如图4所示。

图4 充电检测显示电路原理图

2 模拟测试

对自动转向太阳能充电器的工作情况进行模拟测试，测试过程如下：

（1）测试中，为了仿真的需要，设定当电压值大于3.9V时，表示太阳光线垂直照射在接光板上，小于3.9V时，表示光板与太阳光线不垂直。改变光敏电阻的感光源远近，从而模拟改变太阳光照射在接光板上的角度，电机带动接光板进行自动寻光。可以看到，当感光源充分靠近时，电机停止转动，表明在误差范围内，该电路可以实现自动根据太阳光的强度自动调节接光板的方向，从而实现高效率地充电。

（2）液晶显示屏LCD1602将充电检测电路中蓄电池的电量经过AD转换后的数字量显示出来，即为当前蓄电池中电量，实现实时检测并显示蓄电池的电量。改变充电检测电路中的电位器值模拟蓄电池中的电量的改变，当在液晶屏上显示的数值大于设定4.3V时，充电检测电路中充满指示灯亮；液晶屏显示的数值小于设定的阈值时充电指示灯亮，其模拟测试结果如图5所示。

图5 充电检测电路仿真效果

结束语：通过仿真得到的实验结果表明，本文设计的太阳能充电系统在一定误差允许范围内可以自动跟踪太阳光强，实时检测并显示充电电量，在普通太阳能充电器的基础上进一步增加了太阳能利用的有效性，更具有实用价值。对电量的检测显示准确度比较高，可行性强。此外，电路设计得较为规范，操作方法简单易懂，硬件的设计也有一定的普及型，对今后研制开发功能全面的太阳能充电检测器提供了一个重要的研究方向。