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随着对可再生能源的需求不断增长太阳能作为一种清洁、可持续的能源形式受到越来越多的关注和应用。太阳能光板通常固定在一个固定的角度上这限制了它们对太阳光的接收效率。为了充分利用太阳能资源提高太阳能光板的收集效率需要设计一个能够自动跟踪太阳光的系统。
本项目采用基于单片机的设计方案主控芯片选择STC89C52。在太阳能光板的四个角上安装了四个光敏电阻它们用于检测四个方向太阳光的最强位置。每个光敏电阻通过PCF8591模块与主控芯片相连利用模数转换器ADC采集各个通道的数据值。
通过对四个光敏传感器采集到的数据进行处理和比较主控芯片能够确定太阳光的最强位置所在。然后通过控制两个28BYJ-48-5V步进电机的运动太阳能光板可以实现左右和上下方向的旋转。通过调整太阳能光板的倾斜角度使其与太阳光保持垂直以获得最大的太阳能收集效率。
该太阳能跟踪器的设计旨在实现自动化的太阳光追踪以提高太阳能光板的能源收集效率。通过使用光敏电阻、ADC转换和步进电机控制等技术手段系统能够准确地确定太阳光的位置并自动调整太阳能光板的朝向。这将大大提高太阳能系统的能源输出并为可再生能源的利用做出贡献。 二、系统设计思路
2.1 硬件选型
【1】主控芯片STC89C52 STC89C52是一款高性价比的单片机具有丰富的外设和强大的计算能力。采用基于MCS-51内核的8位单片机架构拥有存储容量大8KB Flash和256B RAM和丰富的IO口32个适合控制太阳能跟踪器系统的各种功能。
【2】光敏电阻选择具有高灵敏度和较小尺寸的光敏电阻并根据光照条件进行选择。通过与PCF8591模块连接可以将光敏电阻的电阻值变化转换为相应的模拟电压信号。
【3】ADC模块PCF8591 PCF8591是一款常用的4通道12位ADC模块适用于将模拟信号转换为数字信号。通过连接4个光敏电阻到PCF8591的4个输入通道上可以实现数据的采集和转换。
【4】步进电机28BYJ-48-5V 28BYJ-48-5V步进电机是一个小型、低功耗的步进电机适用于低速应用。使用两个步进电机可以控制太阳能光板在水平和垂直方向上的旋转为太阳能跟踪器提供多个方向的调整。
2.2 设计思路
【1】硬件连接根据项目需求将STC89C52主控芯片与PCF8591模块、ULN2003驱动模块、28BYJ-48-5V步进电机、光敏电阻等进行正确的引脚连接。
【2】初始化设置在主函数开始部分进行必要的初始化设置例如设置I/O口方向、定义引脚连接、初始化I2C总线等。
【3】光敏电阻采集通过PCF8591模块采集4个光敏电阻的数据。使用I2C通信协议向PCF8591模块发送控制字节选择光敏电阻通道并通过ADC转换获取光敏电阻的数值。将采集到的数据存储在名为lightSensor的数组中每个元素对应一个光敏电阻通道。
【4】确定最强光位置根据采集到的光敏电阻数据通过比较找到最强光的位置。遍历lightSensor数组记录最大值的索引表示最强光所在的方向。
【5】步进电机控制根据最强光的位置控制步进电机的旋转使太阳能光板朝向最大光的方向。根据最大光位置的索引使用条件语句判断旋转方向然后调用StepperMotor_Rotate函数控制步进电机旋转。根据需求可以设置旋转步数和旋转方向以实现精确的转动控制。
【6】延时等待在步进电机旋转完成后可以添加适当的延时以等待太阳能光板调整到新的位置。可以根据实际情况调整延时时间确保光板稳定后进行下一次采集和控制。
【7】循环执行将上述步骤放置在一个无限循环中以实现持续的太阳能跟踪。程序将不断采集光敏电阻数据、确定最强光位置并通过步进电机控制太阳能光板旋转以获得最大的太阳能收集效率。
三、项目代码
3.1 PCF8591采集代码
以下是利用PCF8591的光敏电阻采集并通过串口打印的实现代码。
#include reg52.h
#include intrins.h// 定义PCF8591模块地址
#define PCF8591_ADDR 0x90// 定义光敏电阻通道
#define LDR_CHANNEL_1 0x00
#define LDR_CHANNEL_2 0x01
#define LDR_CHANNEL_3 0x02
#define LDR_CHANNEL_4 0x03// 定义波特率
#define BAUDRATE 9600// 函数声明
void delay(unsigned int time);
void uartInit();
void uartSendByte(unsigned char dat);
void uartSendString(unsigned char *str);
void pcf8591Init();
unsigned char pcf8591ReadChannel(unsigned char channel);void main() {unsigned char ldr1, ldr2, ldr3, ldr4;unsigned char str[20];uartInit(); // 初始化串口pcf8591Init(); // 初始化PCF8591模块while(1) {// 读取光敏电阻数据ldr1 pcf8591ReadChannel(LDR_CHANNEL_1);ldr2 pcf8591ReadChannel(LDR_CHANNEL_2);ldr3 pcf8591ReadChannel(LDR_CHANNEL_3);ldr4 pcf8591ReadChannel(LDR_CHANNEL_4);// 打印光敏电阻数据到串口sprintf(str, LDR1: %d, LDR2: %d, LDR3: %d, LDR4: %d\r\n, ldr1, ldr2, ldr3, ldr4);uartSendString(str);delay(1000); // 延时一段时间后再进行下一次采集和打印}
}// 延时函数
void delay(unsigned int time) {unsigned int i, j;for(i 0; i time; i) {for(j 0; j 125; j);}
}// 初始化串口
void uartInit() {TMOD 0x20; // 设置定时器1为模式2SCON 0x50; // 设置串口工作方式1允许接收TH1 256 - _cror(_cror(FOSC/12, 4), 4) / BAUDRATE; // 设置波特率TR1 1; // 启动定时器1
}// 串口发送单个字节
void uartSendByte(unsigned char dat) {SBUF dat;while (!TI); // 等待发送完成TI 0; // 清除发送完成标志位
}// 串口发送字符串
void uartSendString(unsigned char *str) {while (*str) {uartSendByte(*str);str;}
}// 初始化PCF8591模块
void pcf8591Init() {// 发送启动转换命令I2C_Start(); I2C_Send_Byte(PCF8591_ADDR); // 发送设备地址I2C_Wait_Ack();I2C_Send_Byte(0x40); // 发送转换命令选择通道0I2C_Wait_Ack();I2C_Stop();
}// 读取PCF8591模块的指定通道的数据值
unsigned char pcf8591ReadChannel(unsigned char channel) {unsigned char value;I2C_Start();I2C_Send_Byte(PCF8591_ADDR); // 发送设备地址I2C_Wait_Ack();I2C_Send_Byte(channel); // 发送通道号I2C_Wait_Ack();I2C_Start(); // 重新启动I2C_Send_Byte(PCF8591_ADDR 1); // 发送读取命令I2C_Wait_Ack();value I2C_Read_Byte(); // 读取数据I2C_Send_NAck();I2C_Stop();return value;
}
3.2 主项目框架代码
#include reg52.h// 定义PCF8591模块的引脚连接
#define PCF8591_ADDRESS 0x90 // PCF8591模块的I2C地址
#define PCF8591_CONTROL 0x00 // PCF8591模块的控制寄存器地址// 定义步进电机的引脚连接
sbit IN1 P1^0; // 步进电机引脚1
sbit IN2 P1^1; // 步进电机引脚2
sbit IN3 P1^2; // 步进电机引脚3
sbit IN4 P1^3; // 步进电机引脚4// 定义步进电机旋转方向
#define CW 0 // 顺时针
#define CCW 1 // 逆时针// 定义光敏电阻通道
#define CHANNEL_0 0 // 光敏电阻通道0
#define CHANNEL_1 1 // 光敏电阻通道1
#define CHANNEL_2 2 // 光敏电阻通道2
#define CHANNEL_3 3 // 光敏电阻通道3// 延时函数
void delay(unsigned int ms) {unsigned int i, j;for (i ms; i 0; i--)for (j 110; j 0; j--);
}// I2C总线启动
void I2C_Start() {SDA 1;SCL 1;delay(1);SDA 0;delay(1);SCL 0;delay(1);
}// I2C总线停止
void I2C_Stop() {SDA 0;SCL 1;delay(1);SDA 1;delay(1);
}// I2C发送一个字节的数据
void I2C_SendByte(unsigned char dat) {unsigned char i;for (i 0; i 8; i) {SDA (dat 0x80) 7;dat 1;delay(1);SCL 1;delay(1);SCL 0;delay(1);}SDA 1;delay(1);SCL 1;delay(1);while (SDA) continue;SCL 0;
}// 从PCF8591读取一个字节的数据
unsigned char PCF8591_ReadByte() {unsigned char i, dat 0;SDA 1;for (i 0; i 8; i) {dat 1;SCL 0;delay(1);SCL 1;delay(1);if (SDA) dat | 0x01;}SCL 0;return dat;
}// 设置PCF8591的控制字节
void PCF8591_SetControl(unsigned char ctrl) {I2C_Start();I2C_SendByte(PCF8591_ADDRESS);I2C_SendByte(PCF8591_CONTROL);I2C_SendByte(ctrl);I2C_Stop();
}// 读取光敏电阻的数据
unsigned int ReadLightSensor(unsigned char channel) {unsigned int value;PCF8591_SetControl(0x40 | channel); // 选择光敏电阻通道delay(10); // 延时等待转换完成I2C_Start();I2C_SendByte(PCF8591_ADDRESS | 0x01); // 续上一段value PCF8591_ReadByte(); // 读取高字节value (value 8) PCF8591_ReadByte(); // 读取低字节I2C_Stop();return value;
}// 控制步进电机旋转
void StepperMotor_Rotate(unsigned char direction, unsigned int steps) {unsigned int i;for (i 0; i steps; i) {// 顺时针旋转if (direction CW) {IN1 1; IN2 0; IN3 0; IN4 0;delay(10);IN1 0; IN2 1; IN3 0; IN4 0;delay(10);IN1 0; IN2 0; IN3 1; IN4 0;delay(10);IN1 0; IN2 0; IN3 0; IN4 1;delay(10);}// 逆时针旋转else if (direction CCW) {IN1 0; IN2 0; IN3 0; IN4 1;delay(10);IN1 0; IN2 0; IN3 1; IN4 0;delay(10);IN1 0; IN2 1; IN3 0; IN4 0;delay(10);IN1 1; IN2 0; IN3 0; IN4 0;delay(10);}}
}// 主函数
void main() {unsigned int lightSensor[4];unsigned char maxIndex;while (1) {// 采集光敏电阻数据lightSensor[0] ReadLightSensor(CHANNEL_0);lightSensor[1] ReadLightSensor(CHANNEL_1);lightSensor[2] ReadLightSensor(CHANNEL_2);lightSensor[3] ReadLightSensor(CHANNEL_3);// 确定最强光位置maxIndex 0;if (lightSensor[1] lightSensor[maxIndex]) maxIndex 1;if (lightSensor[2] lightSensor[maxIndex]) maxIndex 2;if (lightSensor[3] lightSensor[maxIndex]) maxIndex 3;// 控制步进电机旋转if (maxIndex 0) {StepperMotor_Rotate(CW, 100); // 右转} else if (maxIndex 1) {StepperMotor_Rotate(CCW, 100); // 左转} else if (maxIndex 2) {StepperMotor_Rotate(CW, 100); // 右转StepperMotor_Rotate(CW, 100); // 右转} else if (maxIndex 3) {StepperMotor_Rotate(CCW, 100); // 左转StepperMotor_Rotate(CCW, 100); // 左转}delay(1000); // 延时一段时间}
}
