论文部分内容阅读
【摘 要】本文提出了一种新型的自动寻找最大光照面积点的方法，以AVR单片机为微控制器，通过感光元件采集光照信号能够获得最大面积太阳光照的方位，并通过云台让太阳能电池板跟随着太阳光照面积最大点位置的变化而变化。使太阳能电池板始终与太阳光垂直，可大幅提升太阳能的利用率。
【关键词】太阳能；自动跟随；ATmega16；光敏传感器
引言
由于社会的发展越发越快，人类对生活的要求也越来越高，从而带来的资源消耗也越来越大。一种新型的可再生能源“太阳能”越来越得到社会的关注。然而地面单位面积上获取的太阳光照会随着地球和太阳的相对运动而发生变化，为了能在单位面积上获取更多的太阳能，本论文设计了一种太阳自动跟踪系统，通过对太阳获取能量的位置进行测量和跟踪，最大化单位面积上接收的太阳能。
一、 ATmega16简介
AVR单片机ATmega16功耗较低，而且拥有较为丰富的片上使用资源：16K字节的系统内可编程Flash，512 字节的EEPROM，1K 字节的SRAM，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，四通道PWM，3个具有比较模式的定时器/计数器，片内/外中断，可编程串行USART，具有8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x、10x或200x）的差分通道，还有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行接口。
二、系统总体设计
本文设计的太阳自动跟随器可以自动跟随太阳以外，还可以由按键控制启动检测电路的时间间隔以及运行时间，并由OLED屏幕显示。因此太阳能自动跟随器的总体设计框图如图1所示。在太阳能自动跟随器的系统中采用了4组光敏传感器模块进行4个方位实时采集当前光照状态，用一个黑色挡板同时遮挡住4个传感器一半的受光面积。调整黑色挡板位置，使其在受垂直光照时OLED上显示其4个传感器所受到的光照均衡，将光照强度转换为电压信号，然后送给ATmega16微控制器芯片上的10位AD进行采集，并进行数据处理，得到相应的
光照强度，比较位置相对映两组传感器的光照强度进而控制输出端继电器的吸合，以达到控制云台的工作状态进行调节控制器与太阳的角度。并在OLED屏幕上显示出当前工作状态，以及当前光照强度等信息，给用户作为参考。
三、系统硬件电路设计
系统硬件电路由ATmega16最小系统、光敏传感器模块电路、继电器控制电路、键盘与显示电路、云台供电电路和系统供电电路。以下仅对部分模块电路以及云台供电电路进行介绍。
（一）光敏传感器模块电路
对光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系进行研究，发现它们之间呈近似对数特性，可采用简单的电子元件（例如二极管）对其进行对数压缩，理论上可使光照强度与通过光敏电阻的光电流呈线性变化。用以消除随着光照强度的变化而导致光敏电阻两端电压急剧跳变。经测试并将数据整理，观测其关系基本呈线性变化。通过运放将信号放大并传递给单片机。其硬件电路如图2所示。
（二）云台供电模块电路
将12V直流电压用XL6009升压，采用EG8010+IR2110S+闭锁纯正弦波逆变器驱动电路（单极性调制方式）将其逆变为24V交流信号，以供给云台运作。
（三）按键与显示模块
按键由2个小按键组成，用来设置启动系统的时间间隔以及运行时间，显示电路采用SPI总线将信息显示到OLED屏幕。
四、光敏传感器的标定
为了使用户更直接的观测到高照效果，本文对光敏传感器进行了标定。原理是将光敏传感器完全暴露在不同的光照强度下，用万用表测量传感器输出的电压，将其与输入量进行处理，得到两者对应的关系的标定曲线，用MATLAB对数据进行处理，找出其关系方程，并将该公式写入程序得到相应的光照强度。
五、系统软件设计
系统的软件设计主要包括按键扫描程序设计、OLED显示程序设计、A/D程序设计、定时程序的设计以及云台驱动程序的设计。下面给出系统软件设计总流程图，如图3所示。
六、实验测试
光敏传感（下转第134页上接第128页）器的测试数据如表1所示。云台和传感器可以跟随垂直光照而转动。实现太阳跟随的功能。
表1 光敏传感器测试数据
七、结论
以往的电路设计比较复杂繁琐，而且不能方便的观测传感器采集的数据。对于本系统设计，操作较为简单，具有良好的实时观测性，而且将跟随系统控制到了较小的误差范围。另外系统的控制器还留有空余的通道，可追加一些其它功能，例如故障检测，控制路灯等等。
参考文献：
[1]江海波、王卓然、耿德根.深入浅出AVR单片机.中国电力出版社，2008.6.1
[2]杭和平、邵明刚、杨芳.AVR单片机原理与GCC编程实践.中国电力出版社，2012.6
【关键词】太阳能；自动跟随；ATmega16；光敏传感器
引言
由于社会的发展越发越快，人类对生活的要求也越来越高，从而带来的资源消耗也越来越大。一种新型的可再生能源“太阳能”越来越得到社会的关注。然而地面单位面积上获取的太阳光照会随着地球和太阳的相对运动而发生变化，为了能在单位面积上获取更多的太阳能，本论文设计了一种太阳自动跟踪系统，通过对太阳获取能量的位置进行测量和跟踪，最大化单位面积上接收的太阳能。
一、 ATmega16简介
AVR单片机ATmega16功耗较低，而且拥有较为丰富的片上使用资源：16K字节的系统内可编程Flash，512 字节的EEPROM，1K 字节的SRAM，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，四通道PWM，3个具有比较模式的定时器/计数器，片内/外中断，可编程串行USART，具有8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x、10x或200x）的差分通道，还有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行接口。
二、系统总体设计
本文设计的太阳自动跟随器可以自动跟随太阳以外，还可以由按键控制启动检测电路的时间间隔以及运行时间，并由OLED屏幕显示。因此太阳能自动跟随器的总体设计框图如图1所示。在太阳能自动跟随器的系统中采用了4组光敏传感器模块进行4个方位实时采集当前光照状态，用一个黑色挡板同时遮挡住4个传感器一半的受光面积。调整黑色挡板位置，使其在受垂直光照时OLED上显示其4个传感器所受到的光照均衡，将光照强度转换为电压信号，然后送给ATmega16微控制器芯片上的10位AD进行采集，并进行数据处理，得到相应的
光照强度，比较位置相对映两组传感器的光照强度进而控制输出端继电器的吸合，以达到控制云台的工作状态进行调节控制器与太阳的角度。并在OLED屏幕上显示出当前工作状态，以及当前光照强度等信息，给用户作为参考。
三、系统硬件电路设计
系统硬件电路由ATmega16最小系统、光敏传感器模块电路、继电器控制电路、键盘与显示电路、云台供电电路和系统供电电路。以下仅对部分模块电路以及云台供电电路进行介绍。
（一）光敏传感器模块电路
对光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系进行研究，发现它们之间呈近似对数特性，可采用简单的电子元件（例如二极管）对其进行对数压缩，理论上可使光照强度与通过光敏电阻的光电流呈线性变化。用以消除随着光照强度的变化而导致光敏电阻两端电压急剧跳变。经测试并将数据整理，观测其关系基本呈线性变化。通过运放将信号放大并传递给单片机。其硬件电路如图2所示。
（二）云台供电模块电路
将12V直流电压用XL6009升压，采用EG8010+IR2110S+闭锁纯正弦波逆变器驱动电路（单极性调制方式）将其逆变为24V交流信号，以供给云台运作。
（三）按键与显示模块
按键由2个小按键组成，用来设置启动系统的时间间隔以及运行时间，显示电路采用SPI总线将信息显示到OLED屏幕。
四、光敏传感器的标定
为了使用户更直接的观测到高照效果，本文对光敏传感器进行了标定。原理是将光敏传感器完全暴露在不同的光照强度下，用万用表测量传感器输出的电压，将其与输入量进行处理，得到两者对应的关系的标定曲线，用MATLAB对数据进行处理，找出其关系方程，并将该公式写入程序得到相应的光照强度。
五、系统软件设计
系统的软件设计主要包括按键扫描程序设计、OLED显示程序设计、A/D程序设计、定时程序的设计以及云台驱动程序的设计。下面给出系统软件设计总流程图，如图3所示。
六、实验测试
光敏传感（下转第134页上接第128页）器的测试数据如表1所示。云台和传感器可以跟随垂直光照而转动。实现太阳跟随的功能。
表1 光敏传感器测试数据
七、结论
以往的电路设计比较复杂繁琐，而且不能方便的观测传感器采集的数据。对于本系统设计，操作较为简单，具有良好的实时观测性，而且将跟随系统控制到了较小的误差范围。另外系统的控制器还留有空余的通道，可追加一些其它功能，例如故障检测，控制路灯等等。
参考文献：
[1]江海波、王卓然、耿德根.深入浅出AVR单片机.中国电力出版社，2008.6.1
[2]杭和平、邵明刚、杨芳.AVR单片机原理与GCC编程实践.中国电力出版社，2012.6