摘 要
随着能源危机的严重性和可再生能源的重要性日益凸显，太阳能作为一种清洁、可再生的能源逐渐受到人们的关注。为了提高太阳能发电效率，本文设计并实现了一种基于51单片机的太阳能自动追光系统。
该系统通过光电传感器实时检测光照强度，并利用单片机控制步进电机实现太阳能板的自动追踪，以使太阳能板始终朝向太阳，最大限度地吸收太阳能。本文首先介绍了系统的背景与意义，并对国内外太阳能追光系统的发展现状进行了调研。接着，详细阐述了系统方案的设计，包括太阳跟踪方式的选择、系统总体设计要求与分析以及硬件选择。然后，对系统的硬件电路设计进行了详细的介绍，包括单片机控制电路、光电转换电路、AD转换模块电路和步进电机驱动电路等。接下来，对系统的软件设计进行了详细的阐述，包括按键部分子程序、指示灯部分子程序和主程序模数转换等。然后，对系统的组装硬件与调试进行了详细的介绍，包括元器件的选择与检测、元器件的焊接与组装以及硬件和软件的调试。
最后，对系统进行了结果与分析，评价了系统的性能，并总结了本文的工作，并展望了未来的研究方向。通过实验验证，本系统能够实现太阳能板的自动追踪，提高太阳能的利用效率，具有一定的实用价值。
关键词：太阳能；自动追光系统；51单片机；光电传感器；步进电机
章节安排
本论文共分为五个章节，具体安排如下：
第一章 绪论
本章主要介绍了论文的背景与意义，包括太阳能自动追光系统的重要性及应用场景。
第二章 系统方案的设计
本章主要介绍了太阳能自动追光系统的设计方案。讨论太阳跟踪的方式，对系统的可靠性、稳定性、精度等方面进行分析。接着介绍了硬件选择，包括主控单片机、光电传感器、继电器、液晶显示器、步进电机和机械按键等。最后对本章进行了小结。
第三章 系统硬件电路设计
本章主要介绍了太阳能自动追光系统的硬件电路设计。
第四章 系统软件设计
本章主要介绍了太阳能自动追光系统的软件设计。讨论软件系统的总体设计，包括系统的功能和模块划分。
第五章 组装硬件与调试
本章主要介绍了太阳能自动追光系统的硬件组装和调试过程。选用合适的元器件和进行质量检测。介绍元器件的焊接与组装的方法和步骤。接着讨论硬件调试和软件调试的过程和方法。最后对本章进行了小结。
应着论文的不同内容和研究方向，通过系统性的介绍和分析，全面展示了基于51单片机的太阳能自动追光系统的设计与实现过程。
2.1太阳跟踪方式
2.1.1光电跟踪
太阳能自动追光系统中，光电传感器被安装在光电转换电路中，通过对光照强度的感知，将光信号转换成电信号，然后传递给控制电路进行处理。根据太阳的位置调整太阳能板的角度，使其始终垂直。控制电路根据光电传感器的信号，通过调节步进电机或其他驱动装置，使太阳能板随着太阳的位置变化而自动调整角度。
光电跟踪具有简单、实用、高效的特点。相比于其他跟踪方式，光电跟踪不需要额外的复杂设备或传感器，只需要使用光电传感器即可实现太阳能自动追光。同时，光电传感器的成本较低，易于采购和安装，使得光电跟踪在太阳能系统中得到了广泛应用。
2.1.2视日运动轨迹跟踪
光电传感器可以将太阳的光线转化为电信号，通过测量光电传感器的输出信号强度来确定太阳的位置。通过与预先设定的太阳运动轨迹进行比较，可以确定太阳在天空中的位置。根据太阳的位置信息，系统可以控制步进电机来调整太阳能板的方向，使其始终面向太阳。视日运动轨迹跟踪方法不受天气条件的限制，可以在晴天、阴天和多云天气下都能正常工作。此外，该方法的实现相对简单，成本较低，适用于小规模的太阳能系统。
2.2系统总体设计要求及分析
2.2.1系统总体设计要求
系统总体设计要求是指在设计太阳能自动追光系统时，需要满足的各项设计要求和功能需求。系统总体设计要求如下：
1.系统需要能够实现太阳的自动跟踪功能。
2.系统需要具备较高的准确性和灵敏度。由于太阳的位置变化较为缓慢，系统需要能够精确地感知太阳的位置，并通过控制电机的转动，将太阳能电池板准确地对准太阳。
3.系统还需要具备良好的稳定性和可靠性。太阳能自动追光系统通常会长时间运行，因此系统的电路设计和硬件选择需要具备良好的稳定性，以确保系统的长时间稳定运行。
4.系统还需要具备一定的智能化和人机交互功能。通过添加LCD液晶显示屏和机械按键，可以实现对系统参数的设置和显示，使得用户可以方便地对系统进行操作和监控。
5.系统还需要具备较低的能耗和成本。太阳能追踪系统的主要目的是利用太阳能进行发电，因此系统的能耗应尽量低，以提高能源利用效率。同时，在硬件选择和电路设计时，还需要考虑成本因素，以降低系统的制造成本。
2.2.2系统总体设计分析
系统总体设计是太阳能自动追光系统的核心部分，它确定了系统的工作原理和功能实现方式。在系统总体设计分析中，将对系统的各个组成部分进行详细的分析和说明。
系统总体设计要求包括系统的跟踪精度、响应速度、稳定性等方面的要求。跟踪精度是指系统能够准确跟踪太阳位置的能力，响应速度是指系统对太阳位置变化的快速响应能力，稳定性是指系统在工作过程中的稳定性和抗干扰能力。通过对这些要求的分析，可以确定系统设计的目标和方向。
系统总体设计分析还需要考虑系统的实物平台搭建。通过搭建实物平台，可以将硬件和软件进行整合，并进行相应的调试和测试。这将有助于验证系统设计的可行性和有效性。
系统框图
系统框图是太阳能自动追光系统的结构图，它展示了系统各个组成部分之间的连接关系和功能模块的布局。本文的太阳能自动追光系统基于51单片机，主要由光电传感器、步进电机、LCD显示屏、机械按键和单片机等组成。
太阳能自动追光系统的核心部分是光电传感器，它能够感知太阳的光线强度，并将信号传递给单片机。单片机根据接收到的信号来判断太阳的位置，并控制步进电机的转动，使太阳能够始终处于光电传感器的最佳接收角度。
LCD显示屏用于显示系统的工作状态和相关信息，例如太阳的位置、光线强度等。机械按键用于手动调节系统的工作模式和参数设置。
在系统框图中，光电传感器通过模拟信号输入到单片机的ADC模块进行模数转换。单片机根据转换后的数字信号进行逻辑控制，并通过IO口控制步进电机的旋转方向和速度。
整个系统的工作流程如下：光电传感器感知太阳的光线强度，将模拟信号转换为数字信号后传递给单片机。单片机根据信号判断太阳的位置，并计算出步进电机需要转动的角度和方向。然后，单片机通过IO口控制步进电机的驱动电路，实现步进电机的转动。同时，系统的工作状态和相关信息通过LCD显示屏展示出来。
系统框图如下：
光电转换电路工作原理及电路设计
光电转换电路的设计需要根据光敏电阻的特性来选择合适的电路方案。常见的光电转换电路有电压分压电路和电流变送电路。电压分压电路通过将光敏电阻与固定电阻串联，将光敏电阻的电阻值转换为电压值，再通过运算放大器进行放大和滤波，最终得到与光照强度成正比的电压信号。电流变送电路通过将光敏电阻与电流源并联，在一定的电压下，光敏电阻的电流值与光照强度成正比，通过差分放大器进行放大和滤波，最终得到与光照强度成正比的电流信号。
在电路设计中，需要考虑光敏电阻的阻值范围、电源电压、放大器的增益和滤波器的参数等因素。根据实际需求，选择合适的元器件和参数，进行电路设计和仿真，确保光电转换电路能够准确、稳定地将光信号转换为电信号。
驱动电路子程序
当设定精度值为10时，本设计中的四个光敏电阻在光照下产生电压。若上下电压差大于10或按下向下键，水平电机反转；若下上电压差大于10或按下向上键，水平电机正转。类似地，若左右电压差大于10或按下向右键，方位电机右转；若右左电压差大于10或按下向左键，方位电机左转。具体程序如下。
if(((AD_Up<AD_Down)&&(AD_Down-AD_Up>10))||(!UP))//上转
{
for(i=0;i<10;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
P0=Motor_Up[j];
Delay_ms(10);
}
}
}
//
if(((AD_Up>AD_Down)&&(AD_Up-AD_Down>10))||(!DOWN))//下转
{
for(i=0;i<10;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
P0=Motor_Down[j];
Delay_ms(10);
}
}
}
/
if(((AD_Left<AD_Right)&&(AD_Right-AD_Left>10))||(!LEFT))//左转
{
for(i=0;i<10;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
P0=Motor_Left[j];
Delay_ms(10);
}
}
}
//
if(((AD_Left>AD_Right)&&(AD_Left-AD_Right>10))||(!RIGHT))//右转
{
for(i=0;i<10;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
P0=Motor_Right[j];
Delay_ms(10);
}
}
}
Delay_ms(100);//延时，可适当修改
}
}
元器件的焊接与组装
在太阳能自动追光系统的硬件设计中，元器件的焊接与组装是一个非常重要的环节，直接关系到系统的稳定性和性能。本章将详细介绍元器件的焊接和组装过程。
首先，需要准备好所需的元器件，包括STC89C51单片机、光电传感器、ULN2003继电器、LCD1602液晶显示、步进电机和机械按键等。在焊接之前，要确保元器件的质量和完整性，检查元器件是否损坏或有缺陷，并进行必要的清洁。
接下来，根据电路设计图，将元器件逐一焊接到电路板上。首先，焊接单片机和外围电路，包括复位电路、晶振电路等。注意焊接时要保持焊点的整齐和牢固，避免短路和虚焊现象的发生。然后，焊接光电传感器和AD转换模块，确保其连接正确和稳固。接着，焊接继电器和步进电机的驱动电路，确保电路连接正确并能正常工作。最后，焊接液晶显示和机械按键，确保其正常显示和操作。
在焊接过程中，需要注意以下几点。首先，选择合适的焊接工具和焊锡，保证焊接质量。其次，控制焊接温度和时间，避免过热和过度焊接。同时，要注意避免静电和电磁干扰，保护元器件的灵敏部分。最后，进行焊接后的检查，检查焊点是否牢固，电路是否连接正确，避免焊接错误和故障。
完成焊接后，需要进行组装。将焊接好的电路板安装到系统的机壳中，确保电路板和元器件的安全和稳定。同时，连接好电源和其他外部设备，进行必要的线路布置和固定。
在焊接和组装完成后，需要进行系统的调试和测试，确保系统能够正常工作。根据系统的设计要求和功能，进行相应的测试和调整，优化系统的性能。
硬件调试
硬件调试是太阳能自动追光系统开发过程中的重要环节，目的是确保系统各个硬件模块的正常工作和相互协调。本节将介绍硬件调试的步骤和方法。
每个单片机应用系统均需进行硬件调试，包括检查电路、电源等，确保无短路、断路等问题。通过上电测试验证时钟、复位电路等功能。之后，用发光二极管模拟太阳光调试温度控制和采集电路。硬件调试完成后，进行软件调试。电机调试时，用发光二极管模拟太阳光运动，通过调节电位器使光线准确照射在太阳能电池板中心。
图5-1为实物通电后的初始状态。
图5-3为，通过按键调节方向捕获光源的场景。
图5-4为，通过自动捕获光源的场景。
