芯耀
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一、前言
隨著對可再生能源的需求不斷增長，太陽能作為一種清潔、可持續(xù)的能源形式，受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。太陽能光板通常固定在一個固定的角度上，這限制了它們對太陽光的接收效率。為了充分利用太陽能資源，提高太陽能光板的收集效率，需要設(shè)計一個能夠自動跟蹤太陽光的系統(tǒng)。
本項目采用基于單片機的設(shè)計方案，主控芯片選擇STC89C52。在太陽能光板的四個角上，安裝了四個光敏電阻，它們用于檢測四個方向太陽光的最強位置。每個光敏電阻通過PCF8591模塊與主控芯片相連，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采集各個通道的數(shù)據(jù)值。
通過對四個光敏傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理和比較，主控芯片能夠確定太陽光的最強位置所在。然后，通過控制兩個28BYJ-48-5V步進電機的運動，太陽能光板可以實現(xiàn)左右和上下方向的旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)整太陽能光板的傾斜角度，使其與太陽光保持垂直，以獲得最大的太陽能收集效率。
該太陽能跟蹤器的設(shè)計旨在實現(xiàn)自動化的太陽光追蹤，以提高太陽能光板的能源收集效率。通過使用光敏電阻、ADC轉(zhuǎn)換和步進電機控制等技術(shù)手段，系統(tǒng)能夠準確地確定太陽光的位置，并自動調(diào)整太陽能光板的朝向。這將大大提高太陽能系統(tǒng)的能源輸出，并為可再生能源的利用做出貢獻。
二、系統(tǒng)設(shè)計思路
2.1 硬件選型
【1】主控芯片：STC89C52 STC89C52是一款高性價比的單片機，具有豐富的外設(shè)和強大的計算能力。采用基于MCS-51內(nèi)核的8位單片機架構(gòu)，擁有存儲容量大（8KB Flash和256B RAM）和豐富的IO口（32個），適合控制太陽能跟蹤器系統(tǒng)的各種功能。
【2】光敏電阻：選擇具有高靈敏度和較小尺寸的光敏電阻，并根據(jù)光照條件進行選擇。通過與PCF8591模塊連接，可以將光敏電阻的電阻值變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號。
【3】ADC模塊：PCF8591 PCF8591是一款常用的4通道12位ADC模塊，適用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通過連接4個光敏電阻到PCF8591的4個輸入通道上，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換。
【4】步進電機：28BYJ-48-5V 28BYJ-48-5V步進電機是一個小型、低功耗的步進電機，適用于低速應(yīng)用。使用兩個步進電機可以控制太陽能光板在水平和垂直方向上的旋轉(zhuǎn)，為太陽能跟蹤器提供多個方向的調(diào)整。
2.2 設(shè)計思路
【1】硬件連接：根據(jù)項目需求，將STC89C52主控芯片與PCF8591模塊、ULN2003驅(qū)動模塊、28BYJ-48-5V步進電機、光敏電阻等進行正確的引腳連接。
【2】初始化設(shè)置：在主函數(shù)開始部分，進行必要的初始化設(shè)置，例如設(shè)置I/O口方向、定義引腳連接、初始化I2C總線等。
【3】光敏電阻采集：通過PCF8591模塊采集4個光敏電阻的數(shù)據(jù)。使用I2C通信協(xié)議，向PCF8591模塊發(fā)送控制字節(jié)，選擇光敏電阻通道，并通過ADC轉(zhuǎn)換獲取光敏電阻的數(shù)值。將采集到的數(shù)據(jù)存儲在名為lightSensor的數(shù)組中，每個元素對應(yīng)一個光敏電阻通道。
【4】確定最強光位置：根據(jù)采集到的光敏電阻數(shù)據(jù)，通過比較找到最強光的位置。遍歷lightSensor數(shù)組，記錄最大值的索引，表示最強光所在的方向。
【5】步進電機控制：根據(jù)最強光的位置控制步進電機的旋轉(zhuǎn)，使太陽能光板朝向最大光的方向。根據(jù)最大光位置的索引，使用條件語句判斷旋轉(zhuǎn)方向，然后調(diào)用StepperMotor_Rotate函數(shù)控制步進電機旋轉(zhuǎn)。根據(jù)需求，可以設(shè)置旋轉(zhuǎn)步數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向，以實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)動控制。
【6】延時等待：在步進電機旋轉(zhuǎn)完成后，可以添加適當(dāng)?shù)难訒r，以等待太陽能光板調(diào)整到新的位置。可以根據(jù)實際情況調(diào)整延時時間，確保光板穩(wěn)定后進行下一次采集和控制。
【7】循環(huán)執(zhí)行：將上述步驟放置在一個無限循環(huán)中，以實現(xiàn)持續(xù)的太陽能跟蹤。程序?qū)⒉粩嗖杉饷綦娮钄?shù)據(jù)、確定最強光位置，并通過步進電機控制太陽能光板旋轉(zhuǎn)，以獲得最大的太陽能收集效率。
三、項目代碼
3.1 PCF8591采集代碼
以下是利用PCF8591的光敏電阻采集并通過串口打印的實現(xiàn)代碼。
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
// 定義PCF8591模塊地址
#define PCF8591_ADDR 0x90
// 定義光敏電阻通道
#define LDR_CHANNEL_1 0x00
#define LDR_CHANNEL_2 0x01
#define LDR_CHANNEL_3 0x02
#define LDR_CHANNEL_4 0x03
// 定義波特率
#define BAUDRATE 9600
// 函數(shù)聲明
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模塊
while(1) {
// 讀取光敏電阻數(shù)據(jù)
ldr1 = pcf8591ReadChannel(LDR_CHANNEL_1);
ldr2 = pcf8591ReadChannel(LDR_CHANNEL_2);
ldr3 = pcf8591ReadChannel(LDR_CHANNEL_3);
ldr4 = pcf8591ReadChannel(LDR_CHANNEL_4);
// 打印光敏電阻數(shù)據(jù)到串口
sprintf(str, "LDR1: %d, LDR2: %d, LDR3: %d, LDR4: %drn", ldr1, ldr2, ldr3, ldr4);
uartSendString(str);
delay(1000); // 延時一段時間后再進行下一次采集和打印
}
}
// 延時函數(shù)
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; // 設(shè)置定時器1為模式2
SCON = 0x50; // 設(shè)置串口工作方式1，允許接收
TH1 = 256 - _cror(_cror(FOSC/12, 4), 4) / BAUDRATE; // 設(shè)置波特率
TR1 = 1; // 啟動定時器1
}
// 串口發(fā)送單個字節(jié)
void uartSendByte(unsigned char dat) {
SBUF = dat;
while (!TI); // 等待發(fā)送完成
TI = 0; // 清除發(fā)送完成標志位
}
// 串口發(fā)送字符串
void uartSendString(unsigned char *str) {
while (*str) {
uartSendByte(*str);
str++;
}
}
// 初始化PCF8591模塊
void pcf8591Init() {
// 發(fā)送啟動轉(zhuǎn)換命令
I2C_Start();
I2C_Send_Byte(PCF8591_ADDR); // 發(fā)送設(shè)備地址
I2C_Wait_Ack();
I2C_Send_Byte(0x40); // 發(fā)送轉(zhuǎn)換命令，選擇通道0
I2C_Wait_Ack();
I2C_Stop();
}
// 讀取PCF8591模塊的指定通道的數(shù)據(jù)值
unsigned char pcf8591ReadChannel(unsigned char channel) {
unsigned char value;
I2C_Start();
I2C_Send_Byte(PCF8591_ADDR); // 發(fā)送設(shè)備地址
I2C_Wait_Ack();
I2C_Send_Byte(channel); // 發(fā)送通道號
I2C_Wait_Ack();
I2C_Start(); // 重新啟動
I2C_Send_Byte(PCF8591_ADDR + 1); // 發(fā)送讀取命令
I2C_Wait_Ack();
value = I2C_Read_Byte(); // 讀取數(shù)據(jù)
I2C_Send_NAck();
I2C_Stop();
return value;
}
3.2 主項目框架代碼
#include <reg52.h>
// 定義PCF8591模塊的引腳連接
#define PCF8591_ADDRESS 0x90 // PCF8591模塊的I2C地址
#define PCF8591_CONTROL 0x00 // PCF8591模塊的控制寄存器地址
// 定義步進電機的引腳連接
sbit IN1 = P1^0; // 步進電機引腳1
sbit IN2 = P1^1; // 步進電機引腳2
sbit IN3 = P1^2; // 步進電機引腳3
sbit IN4 = P1^3; // 步進電機引腳4
// 定義步進電機旋轉(zhuǎn)方向
#define CW 0 // 順時針
#define CCW 1 // 逆時針
// 定義光敏電阻通道
#define CHANNEL_0 0 // 光敏電阻通道0
#define CHANNEL_1 1 // 光敏電阻通道1
#define CHANNEL_2 2 // 光敏電阻通道2
#define CHANNEL_3 3 // 光敏電阻通道3
// 延時函數(shù)
void delay(unsigned int ms) {
unsigned int i, j;
for (i = ms; i > 0; i--)
for (j = 110; j > 0; j--);
}
// I2C總線啟動
void I2C_Start() {
SDA = 1;
SCL = 1;
delay(1);
SDA = 0;
delay(1);
SCL = 0;
delay(1);
}
// I2C總線停止
void I2C_Stop() {
SDA = 0;
SCL = 1;
delay(1);
SDA = 1;
delay(1);
}
// I2C發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)
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;
}
// 從PCF8591讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)
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;
}
// 設(shè)置PCF8591的控制字節(jié)
void PCF8591_SetControl(unsigned char ctrl) {
I2C_Start();
I2C_SendByte(PCF8591_ADDRESS);
I2C_SendByte(PCF8591_CONTROL);
I2C_SendByte(ctrl);
I2C_Stop();
}
// 讀取光敏電阻的數(shù)據(jù)
unsigned int ReadLightSensor(unsigned char channel) {
unsigned int value;
PCF8591_SetControl(0x40 | channel); // 選擇光敏電阻通道
delay(10); // 延時等待轉(zhuǎn)換完成
I2C_Start();
I2C_SendByte(PCF8591_ADDRESS | 0x01); // 續(xù)上一段
value = PCF8591_ReadByte(); // 讀取高字節(jié)
value = (value << 8) + PCF8591_ReadByte(); // 讀取低字節(jié)
I2C_Stop();
return value;
}
// 控制步進電機旋轉(zhuǎn)
void StepperMotor_Rotate(unsigned char direction, unsigned int steps) {
unsigned int i;
for (i = 0; i < steps; i++) {
// 順時針旋轉(zhuǎn)
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);
}
// 逆時針旋轉(zhuǎn)
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);
}
}
}
// 主函數(shù)
void main() {
unsigned int lightSensor[4];
unsigned char maxIndex;
while (1) {
// 采集光敏電阻數(shù)據(jù)
lightSensor[0] = ReadLightSensor(CHANNEL_0);
lightSensor[1] = ReadLightSensor(CHANNEL_1);
lightSensor[2] = ReadLightSensor(CHANNEL_2);
lightSensor[3] = ReadLightSensor(CHANNEL_3);
// 確定最強光位置
maxIndex = 0;
if (lightSensor[1] > lightSensor[maxIndex]) maxIndex = 1;
if (lightSensor[2] > lightSensor[maxIndex]) maxIndex = 2;
if (lightSensor[3] > lightSensor[maxIndex]) maxIndex = 3;
// 控制步進電機旋轉(zhuǎn)
if (maxIndex == 0) {
StepperMotor_Rotate(CW, 100); // 右轉(zhuǎn)
} else if (maxIndex == 1) {
StepperMotor_Rotate(CCW, 100); // 左轉(zhuǎn)
} else if (maxIndex == 2) {
StepperMotor_Rotate(CW, 100); // 右轉(zhuǎn)
StepperMotor_Rotate(CW, 100); // 右轉(zhuǎn)
} else if (maxIndex == 3) {
StepperMotor_Rotate(CCW, 100); // 左轉(zhuǎn)
StepperMotor_Rotate(CCW, 100); // 左轉(zhuǎn)
}
delay(1000); // 延時一段時間
}
}
