基于单片机的自动追光系统设计（51基础版）-设计说明书
电子校园网 编号：
M22001-01C-LW
设计摘要：
太阳能具有普遍、无害、巨大、长久等优点，太阳每年送给地球的辐射能相当于人类消耗能源总和的一万倍。因此太阳能的开发与利用是实现能源可持续发展最为直接的方式之一，对全球能源短缺和改善环境具有积极重要的意义。基于此，本设计是基于单片机的自动追光系统，该系统是以太阳能自动追光为主要研究对象，STC89C52单片机为主要控制关键，使用DS1302时钟模块获取当前时间。四个光敏电阻加ADC0832组成光照检测模块，外加太阳能板获取光能转化为电能，LCD1602显示屏主要显示电压、时间、光照强度。功能键可以进行自动、时间、追光模式的切换，切换显示设置界面以及修改时间。当在自动模式下，根据光强之和的设置范围则自动进入追光或时间模式进行操作；在追光模式时，根据水平、垂直方向的光照差值，舵机带动太阳能板转动。在时间模式时，若时间在设置时间点内则按照时间模式进行工作。LED指示灯部分，用作区分三种模式，例如：自动模式对应LED灯亮，追光模式对应LED灯灭，时间模式应LED灯闪。该系统采用单片机来实现太阳能自动追光系统有利于提高太阳能光电转化效率，并具有广泛的运用前景。
关键词：单片机；自动追光；太阳能板
字数：12000+
相关链接：
实物链接：
基于单片机的自动追光系统设计（32蓝牙+WIFI版）-实物设计
开题报告链接：
仿真链接：
内容预览：
摘 要
ABSTRACT
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
1.2 国内外研究现状
1.3 课题主要内容
2 系统设计方案
2.1 系统整体方案
2.2 单片机的选择
2.3 追光设备方案的选择
2.4 显示方案的选择
2.5 光照强度检测方案的选择
3系统设计与分析
3.1 整体系统设计分析
3.2 主控电路设计
3.2.1 STC89C52单片机
3.2.2 晶振电路和复位电路
3.3 液晶屏显示模块
3.4 光敏电阻器检测光照强度
4 系统程序设计
4.1 编程软件介绍
4.2 主程序流程设计
4.3 按键函数流程设计
4.4 显示函数流程图
4.5 处理函数流程图
5 实物调试
5.1 电路焊接总图
5.2 四个方向光照强度检测实物测试
5.3 设置时间实物测试
5.4 不同模式追光实物测试
6 仿真调试
6.1仿真总体设计
6.2追光模式下追光测试
6.3设置时间检测测试
6.4光照强度测试
结 论
参考文献
致 谢
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
随着全球对可再生能源的需求增加，太阳能作为一种最为广泛可利用的可再生能源之一，受到了广泛关注。太阳能是一种清洁、无污染的能源，对环境友好，能够减少对传统化石燃料的依赖，因此受到越来越多国家和地区的支持和推广。然而，太阳能电池板的能量转换效率受到多种因素的影响，其中之一就是太阳光的入射角度。当太阳光以垂直角度照射在太阳能电池板上时，能量转换效率最高。然而，由于太阳的位置不断变化，传统固定性的太阳能板就不能够获得充分的光能。太阳光的移动会决定光伏设备的发电效率,即太阳光直射光伏设备时,发电效率将达到最高[1]。因此，太阳能自动追光技术的出现可以解决太阳能电池板入射角度变化的问题，从而提高太阳能电池板的能量转换效率。通过使用光电传感器和电动装置，系统可以实时感知太阳的位置，并自动调整太阳能电池板的朝向，使其始终面向太阳。这样，太阳能电池板可以最大程度地接收太阳光的能量，提高能量转换效率。
为了保障光伏发电效率,本文提出了一种基于单片机的太阳能追光系统设计，主要采用舵机根据光照、时间等自动带动四位光敏电阻转动获取光能。一方面，考虑到四位光敏电阻对于光线十分敏感，且可靠性好 、体积小、灵敏度高、反应速度快、光谱特性好等特点，所以将其用于获取到四个方向的光照强度，可以比较精确的检测到光强。另一方面，由于舵机的工作原理是通过控制电路将输入的控制信号转换为电机的旋转角度。舵机内部的位置反馈装置可以感知电机的实际角度，并与输入的控制信号进行比较，从而实现精确的角度控制，并且具有快速的响应速度，能够在很短的时间内完成角度调整。通过两者相互配合，自动追踪太阳，太阳能电池板能够最大限度地吸收太阳光的能量，提高能源利用效率。
1.2 国内外研究现状
目前我国主要通过燃烧煤炭或者使用石油作为主要的燃料,使用这些作为燃料,不仅仅使得环境被污染,而且按照目前对煤炭的开采速度进行计算,我国的煤炭资源将在未来的80年内被开采完.而中国作为一个能源消耗大国,利用可再生的清洁能源是解决我国能源危机的可行方法之一.随着不可再生能源的大量消耗,在未来,不可再生能源将被损耗完,寻找可再生能源,成为我们地球上每个人的责任和义务,而太阳能作为清洁的可再生能源,一直是社会研究者对新能源的研究对象.为提高太阳能的利用率[2]。为了提高太阳能的利用率,杨文婷，田海涛等（2021）设计了一种跟踪控制系统,该系统是以AT89C51单片机为核心,采用光电跟踪和视日运动轨迹跟踪互补的控制方式.晴天,太阳光线较强,采用光电传感器跟踪模式;在阴雨天,当太阳光照不稳定时,采用视日运动轨迹跟踪模式.这样在任何气候条件下都保证了稳定而可靠的跟踪控制,更大限度地提高了跟踪精度.调试结果得出,控制系统稳定,可靠,跟踪精度高[3]。
传统的太阳能板位置固定，无法充足获取光能。对此为了改善固定式安装的光伏组件发电受太阳高度角和方位角的变化导致太阳能利用效率低的问题,赵永鑫，黄韬等（2021）设计一款基于单片机的光伏追日系统,系统在硬件上由控制模块,信号采集模块,命令执行模块,光伏电池板以及电源组成,在软件上采用单片机控制技术,通过步进电机驱动太阳能电池板时刻正对太阳,以达到太阳能利用率最大化.经测试,基于单片机的光伏追日系统能够根据光照度自动调整转角,增加光伏电池板的转换效率,步进电机转速和系统修正精度符合设计预期[4]。
岳庆玲（2021）分析国内外现有太阳自动跟踪装置的控制方式,结合现有的跟踪装置的优缺点,提出本设计方案.本方案采用光电跟踪方式设计,其电路设计简单,制作成本低,抗干扰性强,精度较高,提高了太阳能的利用率,对缓解能源需求紧张和环境污染严重等方面的问题都有很重要研究意义[5]。
国外许多国家和地区在太阳能自动追光技术的研究和应用方面也取得了重要进展。一些太阳能发电场和大规模太阳能电站在美国、欧洲、澳大利亚等地采用自动追光技术，以提高能源产量并优化发电效率。同时，一些新兴市场和发展中国家也开始关注太阳能自动追光技术，将其纳入太阳能项目中，以推动可再生能源发展。在国内外，科技公司、能源企业和研究机构致力于改进太阳能自动追光系统的性能和可靠性。针对不同地区的日照条件和环境特点，一些系统开始采用更加智能化的控制策略，结合气象数据和预测算法，以提前预测太阳位置和光照强度，进一步优化追光效果。
Sarkar D N , Bagchi A , Mohanti S ,et al利用阳光与逆变器电路一起使用来产生太阳能。落在由硅材料组成的太阳能电池阵列上的阳光基本上是一种半导体。太阳能电池阵列在步进电机的帮助下，根据使用微控制器的时间延迟进行旋转。所使用的微控制器属于AVR系列微控制器。具有光子的光，激发半导体，打破半导体和电子的禁能隙，从帷幡到导带激发，导致电流流动。由于低功耗应用，该直流电源直接馈送到可充电电池，而无需使用充电控制器。然后将该电源供应到连接到负载的逆变器（直流到交流转换器）[6]。
一些应用包括借助太阳能电池板/热电发电机/基于Rakine循环的技术发电，水净化，农产品干燥机和制冷。太阳能是无污染的，它可以在太阳能泵和一些分配水的系统的帮助下用于灌溉。全球研究人员已经报告了许多基于太阳能的泵送系统。在这项工作中， Singh D B , Mahajan A , Devli D ,et al.在2021年已经提出了基于太阳能的泵送系统的综述，并根据这项研究，已经得出结论[7]。
与上述几种设计方案相比，该设计方案更加方便易懂，便于实际操作，价格低廉，在集成电路的选择上更易于使用和精巧。
1.3 课题主要内容
本设计基于单片机的太阳能自动追光系统设计的系统软件。系统软件由STC89C52最小单片机，DS1302时钟模块，四位光敏电阻加ADC模数转换器，舵机加太阳能板，LCD1602显示模块以及LED指示灯，并具有单独的功能键控制模块一起形成。主要设计内容如下：
1）DS1302是一款实时时钟（RTC）芯片，被广泛用于嵌入式系统和电子设备中，用于提供准确的时间和日期信息；
2）用四位光敏电阻采集光照强度，并和ADC结合使用可以实现光照强度的数字化采集和处理；
3）根据四位光敏电阻检测四个方向的光照强度，通过光照强度差值，使用控制算法来计算舵机需要转动的角度，带动太阳能板获取光能，继而转化为电能；
4）LCD1602显示屏显示四个方向光照强度、时间以及当前模式；
5）LED指示灯，根据灯的不同状态表示不同模式；
