摘要：近年来，在国民经济持续发展的带动下，随着人们对电力需求的快速增长，能源短缺成为了各国面临的重大问题，由于火力发电、核能发电等发电方式均消耗自然不可再生资源，这些资源用完了就不复存在了或者还需等待上亿年时间再生，人类等不起，人类更用不起。太阳能作为一种新能源，与常规能源相比具有储藏丰富、易于开发、安全无害等优点，太阳能热水器具有广阔的市场应用前景。但目前市场上常见的太阳能热水器多存在储水量少、加热慢、功能少、可靠性差等缺点，而且它与建筑物的结合存在一系列的问题。本文设计的太阳能热水器跟踪装置是将传统式太阳能热水器与电机调节结合起来，可以根据太阳的位置转动热水器上的太阳能板，最大化吸收太阳能，提高太阳能的利用率。
关键词：STC系列太阳能热水器控制；电机；太阳能
1引言
在世界能源短缺和传统动力转型的大背景下，太阳能是一种重要的清洁能源，目前制约太阳能发电的最大瓶颈是太阳利用率低。传统新型磁感STC太阳能跟踪装置虽在一定程度上提高了太阳能的利用率，但均存在着适用性和局限性。“新型磁感STC太阳能跟踪装置”，安装了增强型51内核芯片（STC12C5412AD）单片机控制电路，并以磁传感器进行电路驱动，具有加密性好、超强抗干扰、高抗静电、性能稳定和超低功耗等优点。因而，此装置具有很大的应用潜力，如果成功进军市场，将大大提高新型磁感STC太阳能跟踪装置的供给质量，更好的满足广大人民群众的需要。
2 硬件设计
整个硬件电路分成三块：1、电机驱动电路；2、接近开关电路；3、单片机控制电路（包含时钟显示部分）。
2.1电机驱动电路
电机描述：
电机驱动电路采用L298N直流电机\步进电机两用驱动器
驱动器尺寸：宽42mm、长78mm、最大高度23mm
主要元件：恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N、光电耦合器TLP521-1
工作电压方式：直流
工作电压：信号端 4~6V、控制端 5~36V
调速方式：直流电动机采用PWM信号平滑调速。
电机特点：
1、可实现电机正反转及调速。
2、启动性能好，启动转矩大。
3、工作电压可达到36V，4A。
4、可同时驱动两台直流电机。
5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中。
图1 电机驱动电路
2.2接近开关电路
接近开关采用车载装置中使用的传感器，可以在条件恶劣的环境下进行稳定的工作控制。
图2 接近开关电路
2.3单片机控制电路
单片机选择增强型51内核芯片（STC12C5412AD），内部集成10路AD转换，共28脚。体积小，性价比高、可靠性好。时间显示采用数码管显示方式，配用芯片74LS595。电路主要实现对电机驱动电路的控制和对接近开关电路采集信号的处理
特点：
1、加密性好。
2、超强抗干扰：①高抗静电（ESD保护）；②4KV快速脉冲干扰；③宽电压不怕电源抖动；④宽温度范围负40摄氏度到85度。
3、一个时钟机器周期，可用低频晶振，大幅度降低EMI。
4、超低功耗：①掉电模式典型功耗小于0.1uA.；②空闲模式典型功耗1.8mA；③正常工作模式典型功耗2.7——7mA；④掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统，如水表、气表、便携设备等。
图3单片机控制电路
3 软件设计
软件方面主要是对三个信号的控制处理：①对驱动电路中桥芯片L298N的控制；②对接近开关感应信号的处理；③对时钟显示的控制。三个信号的紧密配合是此装置无障碍运行的基础。
整体逻辑：追踪器一个工作周期分成18个时间段即：起点 7：00—8：00AM、8：00—8：30AM、8：30—9：00AM、9：00—9：30AM，9：30—10：00AM、3：30—5：00PM、回到起点。每个点有相应的信号监控（接近开关）。转轴的转动是要得到两个信号的确定（时钟信号和传感器器每点的接收信号）必须两个条件同时满足才能转动。反之停止。
3.1对驱动电路中桥芯片L298N的控制
一个电机控制分为4个端口，输出电压控制端口（VSS）、电机转向控制端口（IN1/IN2/IN3/IN4）、电机调速端口（PWM1/PWM2）、电机使能端口控制（ENA/ENB）。电机的驱动电压为24V所以输出电压段的控制电压也应为24V。
图4 L298N功能图
3.2对接近开关感应信号的处理
转轴上对每个控制的感应信号通过接近开关传输给单片机，结合时间信号来判断是否转动转轴。这是一个单独模块，是使用车载装置传感器，性能稳定。
3.3对时钟显示的控制
时钟显示是提供正常的时间计时和对传感器信号的配合使用，有时分秒的键控操作功能，按键采用防抖程序，时间采用定时/计数器操作。
4 项目特色与创新点
（1）该项目主要设计一种新型的太阳能跟踪系统，其安装了增强型51内核芯片（STC12C5412AD）单片机控制电路，并以磁传感器进行电路驱动，具有加密性好、超强抗 干扰、高抗静电、性能稳定和超低功耗等优点，具有广阔应用前景。
（2）我国的太阳能资源丰富，“绿色、节能、减排”已经成为全世界共同的话题，太阳能热水跟踪装置符合时代的主题。
5 优势
我国人口基数大，所需能源也非常多，而太阳能热水器跟踪装置能通过电机调节热水器上太阳能板的位置，充分吸收太阳能，将太阳能利用率更大化，减少资源浪费，节能环保，相比老式热水器，这将大大减少资源的浪费和成本的投入，使太阳能使用最大化。
6 总结
通过国内外现状的调查与研究，我们发现目前制约太阳能发电的最大瓶颈是太阳利用率低，虽然通过对太阳自动跟踪在很大程度上提高了太阳能的利用率，但各种跟踪方式均存在一定的适用性和局限性。所以太阳能电池板自动跟踪系统还需要更进一步的完善，还具有广阔的研究前景和发展空间。由于光伏电池的输出特性是非线性的，易受周围环境因素的影响，使得系统的跟踪精度很难提高，且结构较为复杂，但随着现代科技的迅速发展，太阳能自动跟踪技术的机构简化和跟踪精度的提高将成为必然的发展趋势。
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本文是2018年国家大学生创业训练“新型磁感STC太阳能跟踪装置”（项目编号：201810595060）项目成果
论文作者:卢雪梅,刘任镇,徐翔宇,甘海铭,李明健,潘豪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：太阳能论文; 电路论文; 电机论文; 信号论文; 装置论文; 电压论文; 单片机论文; 《基层建设》2019年第14期论文;