謝光奇 伍錫鑫 易鳴倫 蔣純志

湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 湘南郴州 423000

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太陽(yáng)能液晶顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝光奇 伍錫鑫 易鳴倫 蔣純志

湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 湘南郴州 423000

摘 要：系統(tǒng)主要由單片機(jī)STC89C52控制器、太陽(yáng)能電池板、蓄電池、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、光照檢測(cè)電路、液晶顯示及線性電源組成。日照充足時(shí)，太陽(yáng)能電池板接受光照并轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)充電保護(hù)電路給蓄電池快速充電并給各模塊電路供電；當(dāng)日照不足時(shí)，切換為蓄電池供電；液晶顯示時(shí)間。光敏電阻檢測(cè)電路將光線的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖?，并傳遞給單片機(jī)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池面板角度的調(diào)整，使之感受最強(qiáng)光照。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；太陽(yáng)能；蓄電池；步進(jìn)電機(jī)；顯示

1 太陽(yáng)能利用發(fā)展動(dòng)態(tài)

太陽(yáng)能作為地球上最豐富的可再生能源具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的利用潛力，充分利用太陽(yáng)能有利于保持人與自然的和諧及能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，大力使用太陽(yáng)能資源對(duì)于落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀有著重要意義。對(duì)于太陽(yáng)能，人類的早期利用主要是光和熱。而光伏發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)為太陽(yáng)能的利用開(kāi)辟了廣闊的領(lǐng)域。隨著太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能光伏液晶顯示器的發(fā)展向著更深，更廣的層次和領(lǐng)域發(fā)展。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器檢測(cè)到光照信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)處理后控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而控制太陽(yáng)能面板的角度，并通過(guò)液晶顯示當(dāng)前的時(shí)間。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能液晶顯示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

日照充足時(shí)，太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，一部分電能提供給控制系統(tǒng)和液晶顯示器，剩余的電能通過(guò)充電電路快速給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池充電完畢時(shí)，通過(guò)比較電路判斷進(jìn)而切斷充電電路，有效防止對(duì)蓄電池的過(guò)充；日照不足時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換為蓄電池供電。為了充分接受光照，系統(tǒng)采用傳感器電路檢測(cè)光照強(qiáng)度的最大值，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整太陽(yáng)能面板的角度，使太陽(yáng)能面板感受最強(qiáng)光照。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電源電路的設(shè)計(jì)

電源電路的設(shè)計(jì)包括太陽(yáng)能電池板的供電電路設(shè)計(jì)、蓄電池的充電電路與放電電路以及其他電路模塊的供電電路設(shè)計(jì)。電源電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。該電圖的solar端口用以接入太陽(yáng)能電池；cell端口用以接入蓄電池；motor端口用以供給步進(jìn)電機(jī)的電能需求；power端口用以接入傳感器電路模塊、1602液晶顯示模塊、單片機(jī)控制電路模塊。該電路圖由2個(gè)比較器、3個(gè)NPN三極管、2個(gè)二極管、2個(gè)7805芯片、1個(gè)發(fā)光二極管組及電阻組成。

第一個(gè)比較器的作用：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片第5引腳與比較器相連與基準(zhǔn)電壓比較，控制NPN三極管開(kāi)與關(guān)，從而控制蓄電池充電電路的通斷；第二個(gè)比較器的作用：當(dāng)太陽(yáng)能電池給蓄電池充電時(shí)，為防止對(duì)蓄電池過(guò)充電，通過(guò)對(duì)蓄電池的采樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較來(lái)判斷蓄電池是否充電完畢，若蓄電池充滿電量，則采樣電壓與基準(zhǔn)電壓相等，比較器輸出低電平，關(guān)斷三極管，進(jìn)而切斷充電電路，防止蓄電池過(guò)充電而燒毀；若蓄電池電量不足，則采樣電壓將小于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出高電平，保持三極管的導(dǎo)通，進(jìn)而開(kāi)通充電電路給蓄電池充電。

第一個(gè)三極管用來(lái)做充電電路的開(kāi)關(guān)，當(dāng)比較器輸入其高電平時(shí)開(kāi)通充電電路；當(dāng)比較器輸入其低電平時(shí)關(guān)斷充電電路。第二個(gè)與第三極管串聯(lián)構(gòu)成二級(jí)放大電路，用以給蓄電池快速充電。

二極管用來(lái)防止電流回流；發(fā)光二極管用來(lái)指示蓄電池是否充電。

圖2 電源電路設(shè)計(jì)

3.2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過(guò)控制ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)采用雙四拍運(yùn)行方式，并可以正反轉(zhuǎn)。單片機(jī)控制電路圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)工作電壓為5 V，但需要的電流要從約100 mA～300 mA范圍內(nèi)變化，而該系統(tǒng)所采用的太陽(yáng)能電池板輸出的電流最高也只能達(dá)到220 mA左右，不能正常驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，甚至影響其他電路模塊?？紤]依靠蓄電池給步進(jìn)電機(jī)供電，在供電的同時(shí)，切斷其充電電路以免發(fā)生干擾。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，若電機(jī)得到指令運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，單片機(jī)芯片的P1.4口將輸出低電平，從而使電源電路中對(duì)應(yīng)的比較器輸出低電平，進(jìn)而關(guān)閉充電電路。

單片機(jī)通過(guò)按鍵電路來(lái)調(diào)整液晶顯示器顯示日期和時(shí)鐘，S1按鍵按下時(shí)時(shí)鐘停止并且光標(biāo)在第一個(gè)數(shù)字下閃爍，按下S2或S3時(shí)可對(duì)該數(shù)值進(jìn)行加或減。繼續(xù)按下S1時(shí)可對(duì)液晶顯示器上的數(shù)字進(jìn)行修改。

3.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

傳感器檢測(cè)電路由光敏電阻、比較器以及普通陶瓷電阻構(gòu)成的兩個(gè)比較電路組成。傳感器檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 光照檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖4中左圖是光敏電阻的電壓與基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生比較，右圖是兩個(gè)光敏電阻在不同的光照條件下所產(chǎn)生的電壓比較。

如圖4所示，當(dāng)光線強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值變小，使其阻值遠(yuǎn)小于2 K，從而使其電壓小于2 K電阻電壓，經(jīng)過(guò)比較器判斷使S1和S2為高電平；當(dāng)光線弱時(shí)，光明電阻阻值變大，使其阻值遠(yuǎn)大于2 K，從而使其電壓高于2 K電阻電壓，經(jīng)過(guò)比較器判斷使S1和S2為低電平。其中S1和S2的信號(hào)送給單片機(jī)判斷，控制電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)。如右圖，當(dāng)兩個(gè)光敏電阻分別感受的光線強(qiáng)度是左強(qiáng)右弱時(shí)，S3為低電平S4為高電平；而當(dāng)兩個(gè)光敏電阻分別感受的光線強(qiáng)度是左弱右強(qiáng)時(shí)，S3為高電平S4為低電平。其中S3和S4的信號(hào)送給單片機(jī)判斷，控制電機(jī)是否正反轉(zhuǎn)。

單片機(jī)通過(guò)S1，S2，S3，S4端口接收傳感器電路模塊傳來(lái)的信息并判斷：若S1和S2同時(shí)為低電平或?yàn)楦唠娖綍r(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)且不受S3和S4的影響；若S1和S2電平不一致時(shí)，S3為低電平S4為高電平時(shí)電機(jī)右轉(zhuǎn)，S3為高電平S4為低電平時(shí)電機(jī)左轉(zhuǎn)。

以上功能設(shè)置是為了使太陽(yáng)能電池板只在日照充足的情況下感受光線變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而在陰天或夜晚不受弱光線影響致使電機(jī)誤動(dòng)而耗電。

4 軟件設(shè)計(jì)

總程序流程圖如圖5所示。

圖5 總程序流程圖

電源上電后，初始化液晶顯示及單片機(jī)各端口，按鍵掃描進(jìn)按鍵子程序，對(duì)顯示時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，關(guān)敏電阻檢測(cè)電路對(duì)光照檢測(cè)的信息傳遞給單片機(jī)，判別S1=1，S2=0，S3=1，是則控制步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)，否及左轉(zhuǎn)后再判別S1=0，S2=1，S4=1，是則控制步進(jìn)電機(jī)右轉(zhuǎn)，否及右轉(zhuǎn)后返回按鍵掃描。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能光伏液晶顯示器的發(fā)展向著更深，更廣的層次和領(lǐng)域發(fā)展。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能液晶顯示，并且利用光敏電阻檢測(cè)光照信息，單片機(jī)自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整太陽(yáng)能面板，達(dá)到自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)能的功能，設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了蓄電池過(guò)充電保護(hù)，太陽(yáng)能面板在夜晚不跟蹤等功能。

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The Display System Design Based on Solar

Xie Guangqi， Wu Xixin， Yi Minglun， Jiang Chunzhi
College of Electronic Information and Electrical Engineering， Xiangnan University， Chenzhou， 423000， China

Abstract:The system is composed of STC89C52 microcontroller， solar panel， battery， drive circuit of Stepping motor ， illumination detection circuit， LCD and Linear power supply. When the sunshine is enough， the solar panel transforms the illumination into electricity， and charges the battery quickly and supplies the power to the system by charging protection circuit. When the sunlight is insuffcient， the battery supplies electric energy. LCD displays the time. Photosensitive resistance detection circuit outputs high and low levels to the microcontroller. The microcontroller adjusts the angle of the solar panel by controllers the stepping motor， and makes it feel the strongest light.

Key words:microcontroller； solar； battery； stepping motor； display

收稿日期：2015-06-24

作者簡(jiǎn)介：謝光奇，碩士，講師。通信作者：蔣純志，碩士，教授。

基金項(xiàng)目：湘南學(xué)院2013年大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)踐項(xiàng)目（湘教通［2013］223-452，湘教通［2014］248-487）。