基于单片机的光电能量转换数据采集系统设计

陈媛媛，王琦

（东方地球物理公司装备服务处仪器中心，河北保定，072750）

0 引言

太阳能是清洁的一次能源，是无穷无尽的。当前，我国对太阳能的利用率较低。在节能减排与可持续发展战略的实施下，充分利用太阳能资源是保护环境中重要的一步。将太阳能转换成电能，再将其存储在蓄电池里供人们使用，该电能清洁、稳定对国家的可持续发展具有非常重要的实际意义[1]。

1 系统设计方案

如图1 所示为单片机的光电能量转换数据采集系统的硬件结构图，该系统的控制核心是51 单片机，供电的原理是太阳能通过最大光强点追踪转化为电能；该系统还带有智能温湿度测量系统，以SHT11 传感器的湿度测量为主；通过DS1302 芯片显示时间量，再以PS-232 总线为桥梁将信息传送至电脑端进行分析，在通过显示屏呈现出来[2]。该系统可以调整时间，同时还可以对湿度进行监测，当湿度超出限制值时，会发出警报。

图1 单片机的光电能量转换数据采集系统的硬件结构框图

单片机的光电能量转换数据采集系统主要分为以下两部分：①光电能量转换系统，该系统是设计的重点；②数据采集系统，该系统主要是采集数据（温湿度、时间），除此之外，还包括显示、警报等模块。

2 光电能量转换系统

单片机的光电能量转换数据采集系统其主要目的是将太阳能转换成电能，再利用系统将其存储在蓄电池里，最后将太阳辐射通过单片机在给其供电。

■2.1 关于该系统的说明

基于单片机的光电能量转换数据采集系统的能量源头是太阳能，该系统不但可以帮助人们解决生产、生活中出现的断电和电网异常问题，而且提高了太阳能的利用率，与我国的可持续发展主题相契合[3]。

单片机消耗的功率小，用太阳能板吸收的能量经过控制转换得到的电能，适宜作为系统的供电来源，提高系统的工作效率与简化使用方式是非常重要的。基于此，本设计在设计上考虑到多种影响因素，将太阳能板的固定转动摒弃，利用光敏器跟踪，让程序控制太阳能板随自大光强转动。此方法简单可靠，经过多次试验测试，结果电路的精准控制不受周围环境亮度的影响，能够达到期望的指标。

■2.2 设计原理

以光敏电阻阻值受光照的影响为基础，取4 个相同的光敏电阻放于电池板的不同位置（东西南北方向边沿），其中控制版面的舵机控制太阳能板的上下左右轴转动。如图2所示为太阳能板的硬件示意图，当太阳能电池板垂直接收太阳光时，各光敏电阻接收的光照强度相同，舵机不动，4 个光敏电阻阻值相同；当太阳光折射与电池板接收出现夹角时，各光敏电阻接收的光照强度不同，电阻阻值随光强的增大而减小，此时舵机在高低电平的驱动下开始转动，直至其中2 个电阻光照相同时，舵机停止转动，等待下一次出现角度偏差继续转动[4]。

图2 太阳能板硬件示意图

■2.3 数据处理部分

LM393 比较器工作原理图如图3 所示。零点漂移的直流信号可以通过LM393 比较器、零电位调整单元来抵消。当输入信号进入系统时，比较器会先对输入信号进行判断，再将光敏电阻的变化值转化为电压值，系统给出的高、低电平数值随着输出信号的强度变化而变化，同时该部分还可以协助系统屏蔽某些微小的信号，提高系统稳定工作。

图3 LM393 比较器工作原理图

3 数据采集系统设计

■3.1 温湿度采集电路

温湿度采集电路如图4 所示，温湿度采集电路主要是通过LM35 电压型集成温度传感器来进行操作的，其测量的温度几乎不存在误差，而且体积小、能耗低，还具有非常高的稳定性。该系统不需要外围器件就可以将两个电阻的串联分压进行植入，提高了数据的输入效率，同时保证了传输的稳定性和距离。

图4 温湿度采集电路

■3.2 时钟电路模块

时钟电路图如图5 所示，该模块采用具有充电能力的电路DS1302，同时可以传输数据和保护掉电。

图5 时钟电路图

■3.3 控制单元

控制单元的主要工作是控制舵机的工作状态，它的工作依据是比较器送来的数字量。电池板转向主要是通过舵机进行控制的，主要有一下几个原因：①舵机与其他控制软件相比，其对角度的控制更加精准；②舵机的稳定性好，可以钳住已给定的角度，保证其不受外界干扰；③操作简单，舵机的角度控制非常简单，只需要改变占空比就可以，在很大程度上减轻了系统的工作量[5]。

■3.4 单片机外围电路的设计

单片机外围电路包含很多种：键盘输入电路、RS-232通信电路、复位电路、键盘输入、报警电路及显示电路等。键盘输入模块如图6 所示，该设计系统采用独立式键盘系统，能实现对时间数据的修改和对温湿度上下限值的设定。

图6 独立式键盘电路

4 系统测量与实验结果分析

■4.1 程序流程

将C 语言与KEIL4 作为该程序的基础，编写初始化子程序和功能子程序。主程序的流程图如图7 所示。

图7 主程序流程图

（1）舵机控制子程序。单片机接收通过光敏电阻采集到的光强，并对经比较器得到的两个数字量进行分析，如果数值出现差值，则驱动舵机，否则返回等待下一次差值的出现。

（2）测温湿度子程序。通过LM35 电压型集成温度传感器进行温度采集，当单片机供电为5V、LM35 温度检测值线性较高时，其分辨率为14 位[6]。

■4.2 调试湿度电路

使用电路仿真软件测试湿度电路，分析得到的方波来判断传感器的电容量改变。若输出的为方波，则通过系统的震荡电路来分析波形的周期发生变化，在通过分析比较最后得出系统改变的频率值。

■4.3 系统实验测量结果分析

为了证实该系统具有很好的测量精度，选取不同环境来进行试验：

（1）天气情况：雷阵雨转中雨、温度20-30℃。当天气开始下雨时，湿度开始升高,当雨停时，湿度下降到80%左右。当下雨天气时，阴暗光强度电压输出降低，光强度电压输出随天气晴朗而中升高。

（2）当湿度稳定时，光强随温度的变化而变化。

5 结语

随着可续期发展战略的实施，使我们越来越重视节能减排、保护环境。太阳能属于取之不尽用之不竭的一次能源，充分利用太阳能资源是保护环境中非常重要的[7]。利用单片机设计的光电能量转换数据采集系统具有很高的实用价值，该系统安装较为简单，运行稳定可靠，并且维护简单、抗干扰能力强，满足温室环境的用电要求。