单片机的光控百叶窗设计
单片机的光控百叶窗设计[20191223155901]
摘要
光信号作为一个重要且普遍存在的信息传输源，在轻重工业、农业，服务业及日常生活等领域都有着重要的应用.作为光信号的主要能源载体太阳，可提供了大量可供利用的能源。而根据日夜交替的变化，本文利用太阳能作为能源，通过对室内光线进行采集，设计了能自动开启关闭的百叶窗系统。
本文详细阐述了百叶窗系统各个模块间的原理、结构与功能，并绘制出了设计原理图。以单片机为核心，通过采集光信号来控制百叶窗。通过室内光线强弱的改变，其百叶窗比普通百叶窗更有效的利用了太阳光，极大的节约了家庭能源。系统使用光敏电阻模块作为光线的采集器，而太阳能作为电源通过DC-DC稳压电路给AT89S52单片机、电机等提供电能。此系统操作简单，运行稳定，经济实用，具有一定的发展前景。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:光信号太阳能AT89S52DC-DC
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 光控太阳能百叶窗设计背景 1
1.2.1 智能光控技术的应用及发展 1
1.2.2太阳能电池的应用及发展 2
1.3 光控太阳能百叶窗设计的意义 2
2 系统设计工作原理及方案设计 3
2.1 太阳能电池的工作原理 3
2.2 稳压模块工作原理 4
2.3 系统方案设计 5
3 硬件电路设计 7
3.1 稳压模块电路设计 7
3.2 电源供电电路设计 8
3.3 光敏电阻模块电路设计 9
3.4 AT89S52单片机及外围电路设计 13
4 系统结果分析与优化 19
4.1 系统结果分析 19
4.2 系统优化 21
结束语 23
参考文献 24
附录 25
致谢 28
1 绪论
1.1 引言
太阳能作为一种用之不竭的能源，在人类生产生活中越来越多的取代化石燃料，逐渐改变了人类能源的结构，然而能源短缺仍然是当今社会的面临的一个课题。节约能源作为另一个解决能源短缺的发展方向，各种技术革新不断突破，越来越多的节能技术孕育而出。
智能光控技术发展越发成熟，各种小型实用的光控节能技术越发得到社会的重视。简易，实用，成本低的特点，让这些技术成果的应用于生活生产中的各个方面。本文以AT89S52单片机为主要核心将太阳能作为电源通过采集光信号来控制百叶窗的系统。
1.2 光控太阳能百叶窗设计背景
经济发展伴随着社会文明的进步，化石燃料逐渐消耗殆尽，能源枯竭短缺是我国乃至世界都在面临的一个严峻问题。能源是人类生产生活的重要保障，是人类赖以生存的重要资源，但是能源匮乏理当引起人们的重视。20世纪初，保护环境和节约能源已经成为了人类共同面临的重要课题，面对日益增长的能源消耗和日渐枯竭的能源需求，每个行业领域都在寻找解决之法。
人类生活离不开电能的存在，时光交替，精神文明随着物质文明的发展也呈现爆发式的提升，人们开始对生活中的各种环境的舒适度越发的挑剔，然而室内的环境是本文生活中接触最为频繁的场所，随之而来带来了巨大的能源消耗。生活的质量的提升，带来了生活的奢华化，照明装饰越来越美观，建筑的照明压力也越来越大。按现在的照明所消耗的能源比列，如果能够节约10%的照明所用的电，那就相当于节约了152万桶石油，这在当下能源紧缺的时代，可算是一个大数字了。因此，智能节能技术的研究在当今社会具有重要意义。
1.2.1 智能光控技术的应用及发展
智能光控技术包涵了众多分支，调光控制作为其中重要的一个部分，发展尤为迅速。调光系统控制策略作为调光控制的主要的核心发展方向，国外很多专家学者经过自己的多年潜心研究，相继提出了很多行之有效的方法,例如分时段控制和根据采光量控制法等[1]，这充分利用了白天夜晚时段的自然光，使室内照明更加节约能源。还有一切国外的学者提出了很多其他的其实的方法，譬如动静探测控制法，根据人员走动情况对照明灯具进行实时控制；场景控制法，根据场景需要选择适量的灯具进入工作状态；恒照度控制法，就是保持场景的亮度不会随光照的变化而变化。
在国内，众多学者对调控系统控制策略也展开了研究，一切专家学者根据采集天然光提出了自动调光系统补光的控制策略。还有一些学者则把重心放在了控制百叶窗的遮阳角度来使工作面上的光照强度达到最适合要求，当光强仍然无法满足设定的要求，则采用照明补充控制的方式。这些控制策略与方法为节约能源，保护环境做出了巨大贡献。
1.2.2太阳能电池的应用及发展
20世界70年代初期，“能源危机”席卷全球，人们开始逐渐意识到不能依靠传统化石燃料，于是各国开始重视太阳能电池的应用和发展。90年代以后，民用电开始归入太阳能发展战略中，越来越多的太阳能电池出现在你我他身边，同时，光伏行业也迎来了发展的春天。
发展至今，太阳能电池的种类繁多。按材料划分，可以大概分为晶硅太阳能电池，包括了单晶硅与多晶硅2种晶硅太阳能电池。还有两种薄膜太阳能电池，分别为化合物半导体薄膜太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池[2]，最后还有比较新兴光电化学太阳能电池等。但是却只有硅晶太阳能电池应用最广，形成了产业化生产。
1.3 光控太阳能百叶窗设计的意义
百叶窗起源于中国，从古至今运用十分广泛，百叶窗不但可以通风透光，还能保护个人隐私，同时也便于拆装与清洗。相比于布制的窗帘，百叶窗更易于改变室内的光照强度，起到很好的节能作用。在本文日常生活生产中，本文经常需要保持室内的光强在一定的范围内，防止光线直接照射造成的显示器模糊等问题。智能控制的百叶窗可以根据传感器和预先设定改变百叶窗的角度，改变外界光线照入室内的光强，从而改变室内的光线，不但可以节省大量的灯光照明所需的能源，还且本设计所有的能源都来自于太阳能，所以更加环保、洁净、无污染、方便和实用。
2 系统设计工作原理及方案设计
本设计采用了晶硅太阳能电池来作为整个系统的电源，然后采用一个稳压电路来将太阳能提供的电能输送到各个模块中。
2.1太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一种通过光化学反应和光电效应将光能转化成为电能的元器件装置。现阶段，利用光化学反应原理的太阳能电池发展比较缓慢，很多瓶颈问题还在探索之中，现今的一切光化学太阳能电池的转化效率都很低，所以本文中介绍的太阳能电池是以光电效应为原理。这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，太阳能电池又称为“光伏电池”。 能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
图2 .1 太阳能电池原理图
现以晶体硅太阳能电池为列子分析光生电的过程。如图2.1太阳能电池原理图，电池是由P、N两种不同的导电类型的半导体材料组成，因为两种不同材料导致构成了P-N结。
P-N结作用下，电子从P区往N区移动，空穴从N区往P区移动，形成内建电场。在内建电场两侧连在一起并且接上负载，则电路中就会产生电流和电压。这就是光能转化成电能的过程。
因为太阳直射角高度等原因，太阳能电池板的输出功率不可能保持一个稳定的值，同一块太阳电池板在不同的地方、不同的时间段，其输出功率也会随着太阳光的辐射强弱而改变。而且单片太阳能电池板的功率较低，所以一般为了获得较高的输出电压，都是将多片电池板，串并联在一起，形成太阳能电池阵列。目前，主流太阳能电池板的转化率只有10%-20%左右，但是一些发达国家通过研发新技术，已经将太阳能电池的光电转化效率提升至30%左右。
2.2 稳压模块工作原理
DC-DC稳压模块就是使用一个或者多个开关器件将一个等级的直流电压转化成另一个所需等级直流电压的器件。DC-DC稳压模块的原理为：保持直流出入端的电压稳定，然后通过可调节开关来控制器件的导通时间来控制输出的平均电压值。其中一种控制方法就是使用一个固定的频率来进行开关的不断切换，并且同时调整导通区长短从而来控制输出的平均电压值，这就是脉宽调制（PWM）的原理。脉宽调制法从控制方式上可以分为两类：即电压型控制(voltage mode contro1)方式和电流型控制(current mode contro1)方式。
图2.2为电压型控制方式的原理框图。如图所示，给定一个输入电压Vcc，电路将输入电压通过误差放大器，产生一个输出信号Vrror，然后Vrror再与一个固定的锯齿波进行比较，从而产生了一个用于控制作用的PWM信号[4]，进而PWM信号控制开关管的闭合与通路，达到了控制输出电压的目的。
图2.2 电压型控制方式的原理框图
输出电压的大小。
图2.3电流型控制方式的原理图
电压型控制方式对输入端的电流要求要求很低，几乎不需要什么电流，而电流型控制方式则对输入端的电压需求也很低，但电流型控制方式和电压型控制方式都是相对的，有的时候电流型控制方式所需要的的电流也很小。一般来说，电流型控制方式电阻较小，采用串联方式接入电路，而电压型控制方式电子较大，采用并联的方式接入电路。如果用电压型控制方式，则输入的阻抗越高天越好；如果是用电流型控制方式，则输入阻抗越低越好，根据本设计的需求，本文采用了电压型控制方式来实现电路的稳压。
摘要
光信号作为一个重要且普遍存在的信息传输源，在轻重工业、农业，服务业及日常生活等领域都有着重要的应用.作为光信号的主要能源载体太阳，可提供了大量可供利用的能源。而根据日夜交替的变化，本文利用太阳能作为能源，通过对室内光线进行采集，设计了能自动开启关闭的百叶窗系统。
本文详细阐述了百叶窗系统各个模块间的原理、结构与功能，并绘制出了设计原理图。以单片机为核心，通过采集光信号来控制百叶窗。通过室内光线强弱的改变，其百叶窗比普通百叶窗更有效的利用了太阳光，极大的节约了家庭能源。系统使用光敏电阻模块作为光线的采集器，而太阳能作为电源通过DC-DC稳压电路给AT89S52单片机、电机等提供电能。此系统操作简单，运行稳定，经济实用，具有一定的发展前景。
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关键字:光信号太阳能AT89S52DC-DC
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 光控太阳能百叶窗设计背景 1
1.2.1 智能光控技术的应用及发展 1
1.2.2太阳能电池的应用及发展 2
1.3 光控太阳能百叶窗设计的意义 2
2 系统设计工作原理及方案设计 3
2.1 太阳能电池的工作原理 3
2.2 稳压模块工作原理 4
2.3 系统方案设计 5
3 硬件电路设计 7
3.1 稳压模块电路设计 7
3.2 电源供电电路设计 8
3.3 光敏电阻模块电路设计 9
3.4 AT89S52单片机及外围电路设计 13
4 系统结果分析与优化 19
4.1 系统结果分析 19
4.2 系统优化 21
结束语 23
参考文献 24
附录 25
致谢 28
1 绪论
1.1 引言
太阳能作为一种用之不竭的能源，在人类生产生活中越来越多的取代化石燃料，逐渐改变了人类能源的结构，然而能源短缺仍然是当今社会的面临的一个课题。节约能源作为另一个解决能源短缺的发展方向，各种技术革新不断突破，越来越多的节能技术孕育而出。
智能光控技术发展越发成熟，各种小型实用的光控节能技术越发得到社会的重视。简易，实用，成本低的特点，让这些技术成果的应用于生活生产中的各个方面。本文以AT89S52单片机为主要核心将太阳能作为电源通过采集光信号来控制百叶窗的系统。
1.2 光控太阳能百叶窗设计背景
经济发展伴随着社会文明的进步，化石燃料逐渐消耗殆尽，能源枯竭短缺是我国乃至世界都在面临的一个严峻问题。能源是人类生产生活的重要保障，是人类赖以生存的重要资源，但是能源匮乏理当引起人们的重视。20世纪初，保护环境和节约能源已经成为了人类共同面临的重要课题，面对日益增长的能源消耗和日渐枯竭的能源需求，每个行业领域都在寻找解决之法。
人类生活离不开电能的存在，时光交替，精神文明随着物质文明的发展也呈现爆发式的提升，人们开始对生活中的各种环境的舒适度越发的挑剔，然而室内的环境是本文生活中接触最为频繁的场所，随之而来带来了巨大的能源消耗。生活的质量的提升，带来了生活的奢华化，照明装饰越来越美观，建筑的照明压力也越来越大。按现在的照明所消耗的能源比列，如果能够节约10%的照明所用的电，那就相当于节约了152万桶石油，这在当下能源紧缺的时代，可算是一个大数字了。因此，智能节能技术的研究在当今社会具有重要意义。
1.2.1 智能光控技术的应用及发展
智能光控技术包涵了众多分支，调光控制作为其中重要的一个部分，发展尤为迅速。调光系统控制策略作为调光控制的主要的核心发展方向，国外很多专家学者经过自己的多年潜心研究，相继提出了很多行之有效的方法,例如分时段控制和根据采光量控制法等[1]，这充分利用了白天夜晚时段的自然光，使室内照明更加节约能源。还有一切国外的学者提出了很多其他的其实的方法，譬如动静探测控制法，根据人员走动情况对照明灯具进行实时控制；场景控制法，根据场景需要选择适量的灯具进入工作状态；恒照度控制法，就是保持场景的亮度不会随光照的变化而变化。
在国内，众多学者对调控系统控制策略也展开了研究，一切专家学者根据采集天然光提出了自动调光系统补光的控制策略。还有一些学者则把重心放在了控制百叶窗的遮阳角度来使工作面上的光照强度达到最适合要求，当光强仍然无法满足设定的要求，则采用照明补充控制的方式。这些控制策略与方法为节约能源，保护环境做出了巨大贡献。
1.2.2太阳能电池的应用及发展
20世界70年代初期，“能源危机”席卷全球，人们开始逐渐意识到不能依靠传统化石燃料，于是各国开始重视太阳能电池的应用和发展。90年代以后，民用电开始归入太阳能发展战略中，越来越多的太阳能电池出现在你我他身边，同时，光伏行业也迎来了发展的春天。
发展至今，太阳能电池的种类繁多。按材料划分，可以大概分为晶硅太阳能电池，包括了单晶硅与多晶硅2种晶硅太阳能电池。还有两种薄膜太阳能电池，分别为化合物半导体薄膜太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池[2]，最后还有比较新兴光电化学太阳能电池等。但是却只有硅晶太阳能电池应用最广，形成了产业化生产。
1.3 光控太阳能百叶窗设计的意义
百叶窗起源于中国，从古至今运用十分广泛，百叶窗不但可以通风透光，还能保护个人隐私，同时也便于拆装与清洗。相比于布制的窗帘，百叶窗更易于改变室内的光照强度，起到很好的节能作用。在本文日常生活生产中，本文经常需要保持室内的光强在一定的范围内，防止光线直接照射造成的显示器模糊等问题。智能控制的百叶窗可以根据传感器和预先设定改变百叶窗的角度，改变外界光线照入室内的光强，从而改变室内的光线，不但可以节省大量的灯光照明所需的能源，还且本设计所有的能源都来自于太阳能，所以更加环保、洁净、无污染、方便和实用。
2 系统设计工作原理及方案设计
本设计采用了晶硅太阳能电池来作为整个系统的电源，然后采用一个稳压电路来将太阳能提供的电能输送到各个模块中。
2.1太阳能电池的工作原理
太阳能电池是一种通过光化学反应和光电效应将光能转化成为电能的元器件装置。现阶段，利用光化学反应原理的太阳能电池发展比较缓慢，很多瓶颈问题还在探索之中，现今的一切光化学太阳能电池的转化效率都很低，所以本文中介绍的太阳能电池是以光电效应为原理。这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，太阳能电池又称为“光伏电池”。 能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
图2 .1 太阳能电池原理图
现以晶体硅太阳能电池为列子分析光生电的过程。如图2.1太阳能电池原理图，电池是由P、N两种不同的导电类型的半导体材料组成，因为两种不同材料导致构成了P-N结。
P-N结作用下，电子从P区往N区移动，空穴从N区往P区移动，形成内建电场。在内建电场两侧连在一起并且接上负载，则电路中就会产生电流和电压。这就是光能转化成电能的过程。
因为太阳直射角高度等原因，太阳能电池板的输出功率不可能保持一个稳定的值，同一块太阳电池板在不同的地方、不同的时间段，其输出功率也会随着太阳光的辐射强弱而改变。而且单片太阳能电池板的功率较低，所以一般为了获得较高的输出电压，都是将多片电池板，串并联在一起，形成太阳能电池阵列。目前，主流太阳能电池板的转化率只有10%-20%左右，但是一些发达国家通过研发新技术，已经将太阳能电池的光电转化效率提升至30%左右。
2.2 稳压模块工作原理
DC-DC稳压模块就是使用一个或者多个开关器件将一个等级的直流电压转化成另一个所需等级直流电压的器件。DC-DC稳压模块的原理为：保持直流出入端的电压稳定，然后通过可调节开关来控制器件的导通时间来控制输出的平均电压值。其中一种控制方法就是使用一个固定的频率来进行开关的不断切换，并且同时调整导通区长短从而来控制输出的平均电压值，这就是脉宽调制（PWM）的原理。脉宽调制法从控制方式上可以分为两类：即电压型控制(voltage mode contro1)方式和电流型控制(current mode contro1)方式。
图2.2为电压型控制方式的原理框图。如图所示，给定一个输入电压Vcc，电路将输入电压通过误差放大器，产生一个输出信号Vrror，然后Vrror再与一个固定的锯齿波进行比较，从而产生了一个用于控制作用的PWM信号[4]，进而PWM信号控制开关管的闭合与通路，达到了控制输出电压的目的。
图2.2 电压型控制方式的原理框图
输出电压的大小。
图2.3电流型控制方式的原理图
电压型控制方式对输入端的电流要求要求很低，几乎不需要什么电流，而电流型控制方式则对输入端的电压需求也很低，但电流型控制方式和电压型控制方式都是相对的，有的时候电流型控制方式所需要的的电流也很小。一般来说，电流型控制方式电阻较小，采用串联方式接入电路，而电压型控制方式电子较大，采用并联的方式接入电路。如果用电压型控制方式，则输入的阻抗越高天越好；如果是用电流型控制方式，则输入阻抗越低越好，根据本设计的需求，本文采用了电压型控制方式来实现电路的稳压。
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