基于hym8563和单片机的低功耗太阳能电池自动跟踪系统的精.docx
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基于hym8563和单片机的低功耗太阳能电池自动跟踪系统的精
第1卷第2、3期2005年6月
沈阳工程学院学报（自然科学版
JournalofShenyangInstituteofEnginearing（NaturalScience
Vd.1No.2.3Jun.2005
基于HYM8563和单片机的低功耗
太阳能电池自动跟踪系统的设计
薛建国,
（福建莆田学院电子信息工程学系,福建莆田351100
摘要:
以单片机为核心,利用12C实时时钟芯片HYM8563定时唤醒进入待机的单片机,构建了由光电二极管检测和比较,方位角和高度角双轴机械跟踪定位系统组成的自动控制装置,这是一套自动使太阳能电池板保持与太阳光垂直的自动跟踪系统.介绍了系统的结构和工作原理.
关键词:
太阳跟踪;光电检测;自动定位;单片机;设计;HYM8563;89C52;低功耗
中图分类号:
TP29文献标识码:
A文章编号:
1673一1603（200502、03—0113—04
太阳能作为一种清洁无污染的能源,开发前景十
分广阔.然而它存在着间歇性、光照方向和强度随时间
不断变化的问题,这就对太阳能的收集和利用装置提
出了更高的要求.目前很多太阳能电池板阵列基本上
都是固定的,不能充分利用太阳能资源,发电效率低
下.据实验,在太阳能发电中,相同条件下,采用自动跟
踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%uJ.
一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统,
不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝
向,结构简单、成本低,而且在跟踪过程中能自动记忆
和更正不同时间的坐标位置,不必人工干预,特别适合
天气变化比较复杂和无人值守的情况,有效地提高了太阳能的利用率,有较好的推广应用价值.
1自动跟踪系统的组成和结构
自动跟踪系统由光电检测电路、双轴机械跟踪定位系统、时钟电路、单片机控制系统等几部分组成.1.1光电检测电路
太阳的方位随着观测位置和观测时间的不同而不同,因此,欲跟踪太阳就必须先对太阳进行检测定位.图.1是太阳光电定位装置中光电检测电路的俯视图,共由9个光电三极管组成.正中央1个,旁边8个围成一圈.将此检测板用一不透光的下方开口的圆柱体盖住,圆柱体的直径略大于检测板的外圆.圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞,以便光线通过.将整个光电检测装置安装在太阳能
收稿日期:
2005—02—15
作者简介:
薛建国（1965一,男,福建莆田人,高级讲师
图1光电检测管排列
光电池板上,光电二极管的检测面与电池板平行.在圆柱体的外面不受圆柱体遮挡的地方（确保会受到光线的照射也安装一个光电二极管,其朝向与圆柱体内的光电二极管朝向相同,用于检测环境亮度,并与圆柱体内的每个光电二级管及运放（可用LM324集成电路中的一个构成一个比较电路,如图2,适当调整图中电阻的阻值,这样当圆柱体内的光电二极管没有受光线照射时,运放将输出低电平.此电平可接到的输入端进行检测,圆柱体内的每个光电二级管各用一个单片机的输入端,共9个.这样就可以检测太阳光线的朝向,来决定哪个电机转动,向哪个方向转动.另外,为了增大光电二极管的检测范围,视实际情况需要,也可再增加一圈紧密排列的光电二极管,外圈的光电二极管与内圈的相应位置的光电二极管并联.
沈阳工程学院学报（自然科学版
2005年6月
图2检测比较电路
1.2双轴机械跟踪定位系统
双轴机械跟踪定位系统的机械部分主要由电池板支架、底座、2根转动轴和直流电机构成,见图3.整个
图3双轴机械跟踪定位系统示意图
电池板及检测装置安装在上部的电池板支架上,光电二极管检测平面和电池板面应平行.设计成双轴机械跟踪定位系统,可同时对方位角和高度角进行跟踪.机械装置由电机驱动,可以使电池板在水平方向上的360。
和垂直方向上的0~90。
2_间自由旋转.在转动轴上各固定一较大的齿轮,电机可通过传送带与小齿轮连接,并进行一定的转速比调整,以降低大齿轮转速和电机的调整功率.在2个小齿轮的对称位置上各安装2块小磁铁,在小齿轮旁边适当位置安装一个干簧管（干簧继电器,并调整其位置使小齿轮上的磁铁在经过干簧管时,干簧管能闭合,将此信号送由单片机进行判断,就能检测到转动的角度.单片机送出方位角和高度角的电机正反转控制信号,经2路三级管和继电器分别加在调整方位角和
高度角的2个电机上,这样就构成了方位角和高度角的跟踪机构.另外,在2个大齿轮边宜安装一锁定装置,在方位角和高度角没有调整时,该锁定装置通过安装在弹簧上（弹簧的另一端固定在大齿轮的轴心位置的铁片,锁定齿轮,以防因系统自重和外界因素导致方位角和高度角自行移动.在单片机发出正反转调整信号时,同时也驱动接通电磁阀,拉动该铁片,以解除锁定.
1.3时钟电路
由于系统要进行一些与时间有关的控制,若使用单片机进行计时,天长日久会引起较大的误差,这就需要使用实时时钟.因此使用武汉吴昱微电子有限公司生产的串行12C实时时钟/日历芯片HYM
8563.HYM
8563是一款低功耗CMOS实时时钟/Et历芯片,它提供可编程的时钟输出、定时器、报警器、中断输出和掉电检测器,所有的地址和数据都通过12C总线接口串行传递.最大总线速度为400kbits/s,工作电压范围宽:
1.0~5.5
v.由于HYM8563的中断输出及时钟输出均
为开漏输出,所以要外接上拉电阻.
HYM
8563内部有16个可寻址的8位并行寄存
器,见表1.前2个寄存器用作控制寄存器和状态寄存器,0FH为8定时器,受寄存器（0EH控制,TDl、TDO用于设定定时器的频率（4
096Hz、64Hz、1
Hz或1/60
rIz,,IE设定定时器开或关.
表1
I-IYM8563内部寄存器
地址
寄存器名称Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2BitlBitO00H控N/状态寄存器1TEST0STOP
TESTC00001H控制/状态寄存器20
0,II/rIP
AF
TF
AIE
TIE
02—08H时钟（秒到年计数器
时钟（秒到年计数器值09.0CH报警寄存器
分、时、日、星期和月报警寄存器值
0EH
定时器控制寄存器TE
一
一
一
一
一TDl
TI0
Q堕宣盟墨型盐塑壹壹益蕉盟鲞倒盐塑塑笪
注:
有关89C52的详细资料和与HYM
8563之间的IC通信程序详见该公司网站（http:
//www.haoyu—ic.corn/.
第1卷第2,3期薛建国:
基于HYM8563和单片机的低功耗太阳能电池自动跟踪系统的设计.115.
TIE=1为定时中断允许控制位,ⅣrIP=0为中断信号低电平/脉冲方式选择,因此要设TE=1,TIE=1,彤,IP=O,设定定时器的频率为1/60Hz（即1min,在OFI-I中置入定时间隔.定时器倒计数结束时,将设置中断申请标志位TF,并在脚产生一个低电平作为中断信号（送到89C52的脚引起89C52中断.中断申请标志位TF只能用软件清除.当读定时器时,返回当前倒计数的数值.
1.4单片机控制电路
单片机选用低损耗、高性能、CMOS8位微处理器AT89C52[2J,片内有8k字节的可擦写存储器,4组I/O口.若要求的存储量较多,则可改用STC89系列高性能单片机.
2系统电路图与工作原理
2.1电原理图
整个系统的电原理见图4,电源和部分重复的光电检测单元、高度角的三级管和继电器（和图中方位角的相同没有画出.图中D0为置于外部环境中的光电二极管,通过调整R27,可使在外界没有光线时,单片机P17脚检测到低电位,以判断昼夜.D1为置于圆柱体中央的光电二极管.适当调整R0和R1的值,使当圆住体中的光电二极管D1在受到光照时运放A1能输出高电平（1,而D1在没有受到光照时输出低电平（o.其他各路也同样处理.K1、I（2为行程开关,用于检测方位角和高度角的初始位置.继电器的2组触点一组用于控制电机的转动,另一组同时接通电磁阀,解除锁定.
2.2工作原理
图5为主程序框图.开机后,调用时间校正子程序,置HYM8563定时器为20min,调用全自动调整子程序,在开机后的第一次调整时,如遇阴天,因尚未存储正确的位置数据,程序将无法定位,这时应用人工光源模拟太阳光予以定位.有了初始数据后,程序就可自动调整.然后允许中断请求并选择边沿触发方式,置EA=1允许总中断.之后进入待机状态,以降低功耗.
89C52在待机状态,只有复位或中断才能唤醒.按键产生的电平和HYM8563定时器产生的电平通过2个与门连接到89C52的脚,因此,不论是按键,还是HYM8563定时器每隔20min产生的中断信号,都将唤醒89C52进入中断处理子程序（见图6.将时间间隔定为20min,既可以保持较高的发电效率又可以防止过于频繁的调整.
在中断处理子程序中,当光线正常时,将调用一次自动调整子程序,在晴天校正成功后,将小时（1—24和分（用1、2、3表示0、20、40min组成一个字节来表示时间,方位角和高度角合用2个字节,其中水平方位角占9位,高度角占7位,最大可分别表示512和128,故足以使调整角度达到10的精度,将这3个字节存储
图4系统的电原理
沈阳工程学院学报（自然科学版2005年6月
CALL时间较正
』
置HYM8563的定时器频率为1/60Hz,
rE=l,TIE=1,TI/TP=O,0FH为20
I
CAU.全自动调整
』
选择边沿触发方式允许IN哟
中断请求EA=I允许总中断
.I
70
待机（ID置1
l
图5主程序框图
到指定的89C52片内RAM区中.如遇阴天调整不成功,则不予存储,改为调用前次在同一时间段调整成功时的位置.这样既可以在阴天时,调用已存储的晴天时的太阳位置,也可以在晴天时自动校正,清除因不同季节太阳位置的变化而产生的积累误差.一个校正点要用3个字节,若1个小时校正4个点（间隔20min,一天假定调整14个小时,则共要用到126字节.而AT89C52片内有256字节RAM,因此,可视需要将时间间隔改为10min.
3结论
太阳自动跟踪系统能自动检测昼夜,并应用了太阳辐射与环境亮度的比较,使得该自动跟踪系统的
中断处理子程序
请HYM8563的中断标志位AF
读定时器（重新计时
关89C52总中断
扫描键盘（P3.6P3.7值
蛊CA需蒿蔷砑3l。
LL时间校正|f延时秒I
cALL全自动调整JIcALL自动调整
开89C52总中断
图6中断处理子程序框图
准确性高、可靠性强,在晴天检测过程中能实时回存正确的时间和角度数据,消除因季节变化而产生的积累误差.在阴天时能自动转动到以前晴天时的位置.即使是在天气变化比较复杂的情况下,系统也能正常工作,提高太阳能的利用效率.如果应用于太阳能电池板,则可从电池板直接获取电能,而无需另外输入能量,本系统也可用于其它太阳能利用装置.
参考文献
[1]陈维,李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能源工程,2003（3:
18—21.
[2]余永权.ATMEL89系列（MCS一51兼容Flash单片机原理及应用[M].北京:
电子工业出版社,2000。
[3]王文采.太阳能电池[J].现代物理知识,2003,15（6:
3—5.
DesignonautomaticfollowsystemoflowpowerconsumptionsolarcellbasedonHYM8563andsinglechip
XUEJian—guo
（DepamnentofElectronicsandInformationEngineering,PutianUniversity,Putian351100,China
Abstract:
Takingsinglechipascore,by12Creal—timeclock
chopHYM8563
wakesupandenterssinglechip.buildsthe
automaticcontroldevicewhichmakesupofazimuthandaltitudedouble—axesmechanicalfollowandorientationsystem,detectsandcomparesbyphotodiode.Thisdeviceenablessolarcell
paneltokeepuprightnesswithsunlightautomatically.Introducesthestructureandworkprincipleofthisdevice.
Keywords:
sunfollow;photoelectricitydetection;automaticorientation;singlechip;design;HYM8563;89C52;lowpowerconsumption
基于HYM8563和单片机的低功耗太阳能电池自动跟踪系统的
设计
作者:
薛建国,XUEJian-guo
作者单位:
福建莆田学院,电子信息工程学系,福建,莆田,351100
刊名:
沈阳工程学院学报（自然科学版
英文刊名:
JOURNALOFSHENYANGINSTITUTEOFENGINEERING（NATURALSCIENCE
年,卷（期:
2005,1（2
引用次数:
2次
参考文献（3条
1.陈维.李戬洪太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[期刊论文]-能源工程2003（3
2.余永权ATMEL89系列（MCS-51兼容Flash单片机原理及应用2000
3.王文采太阳能电池[期刊论文]-现代物理知识2003（6
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1.期刊论文王志超.韩东.徐贵力.毛建国.沈峘.WANGZhi-chao.HANDong.XUGui-li.MAOJian-guo.SHENHuan一种新型太阳跟踪器的设计-传感器与微系统2009,28（2
设计了基于位置敏感探测器（PSD的太阳跟踪器,实现对太阳的自动跟踪.该跟踪器能够适应各种天气,晴天时启动光电跟踪,阴雨天时启动日历跟踪,能够实现方位角在360°范围内,高度角在90°范围内自动跟踪.进行了系统误差分析与实验,实验结果表明:
该方法的跟踪精度在±12°,视场角度内为0.1°,各种天气情况下,跟踪器均能稳定地工作,能够达到预期的设计性能.
2.期刊论文薛建国.XUEJian-guo基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计-长春师范学院学报（自然科学版2005,24（3
本系统以单片机为核心,构建了由光电二极管检测和比较,方位角和高度角双轴机械跟踪定位系统组成的自动控制装置,设计出一套自动使太阳能电池板保持与太阳光垂直的自动跟踪系统.在晴天检测时能自动跟踪太阳并实时回存正确数据,消除因季节变化而产生的积累误差,在阴天时能自动引用晴天时的位置,控制精度高,具有广泛的应用潜力.实现了追踪太阳的效果,达到提高发电效率的目的.
引证文献（2条
1.戴训江.晁勤太阳能单轴跟踪系统的PLC设计[期刊论文]-可再生能源2008（03
2.戴训江.晁勤基于PLC的太阳能跟踪控制系统的设计[期刊论文]-能源工程2007（06
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2010年1月10日
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