基于单片机设计的太阳能跟踪器

一、前言

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2
    SCON = 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0
    I2C_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
    }
}