CN104156004A - 一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，它由太阳能电池板、方位探头、水平直流电机、竖直直流电机、底座、支架、齿轮、水平轴、竖直轴、轴承、联轴器、触发装置组成。本发明采用双轴自动追踪设计，大大提高了太阳能的利用率，绿色环保，节能减排；利用单片机AD模块检测锂电池电压，防止因为过度放电而损坏，功耗低、智能化；电压通过USB口引出，给手机、相机等充电，简单、方便；直接将系统放在窗户边上就可以了，可以实现自启动，只要有光，便能自动追光，高效实用。

Description

一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置

技术领域：

本发明涉及的是一种小型绿色能源系统，具体涉及的是一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置。

背景技术：

目前，日常生活中的小型消费类电子产品(如手机、相机等)基本上都是靠市电进行充电的，耗电量看似不起眼，每年的电费累加起来价格不菲，同时发电站烧煤供电对环境也会产生污染；少数电子产品是靠太阳能供电的，但是太阳能电池板是固定不动的，只有中午的时候能达到标准光照条件，其光能利用率极其底下。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，它由太阳能电池板、方位探头、水平直流电机、竖直直流电机、底座、支架、齿轮、水平轴、竖直轴、轴承、联轴器、触发装置组成；

竖直直流电机固定在底座的侧边，竖直轴固定在底座中间的轴承上，竖直直流电机通过齿轮与竖直轴咬合，支架固定在竖直轴上，支架的双侧各安装有一个轴承，轴承上穿有一根水平轴，太阳能电池板中心位置固定在水平轴上，在支架外侧的水平轴通过联轴器与水平固定的直流电机轴相连，支架上安装有四个触发装置，方位探头固定在太阳能电池板上；

竖直电机转动时，可以带动竖直轴左右转动；水平电机转动时，可以带动太阳能电池板上下转动；四个触发装置，控制系统在上下90度、左右350度范围内转动，当电机转到上下左右允许的最大转角时，会打到触碰开关，从而触发单片机控制电机停止转动；方位探头检测太阳的的方位，单片机采集方位信号，并作出相应指示，控制水平、竖直放置的电机转动，实现太阳能电池板始终正对着太阳，从而以最大面积高效吸收太阳能，并将能量储存在锂电池中，通过电压转换电路，给电子设备供电；同时采用AD转换器采集锂电池供电电压，若锂电池电量不足，单片机控制供电保护电路自动切断对外供电，以防止锂电池由于过度放电而损坏。

进一步的，所述的太阳能电池板为A级单晶硅材料，功率为5W，其中二极管D9的正极与太阳能电池板正极相连，负极与锂电池正极相连。

进一步的，所述的方位探头由五个光敏电阻、五个比较器、三个电阻、三个电位器组成；光敏电阻放在上、下、左、右、中五个位置固定，上下两个光敏电阻串联一起，一端接VCC，一端接地，中间引出两个端子，分别接向比较器CMP1的正输入端、比较器CMP2的负输入端，同时在VCC和GND之间接一个电位器W1，电位器W1中间端接到比较器CMP1的负输入端，电位器W1中间端再串接电阻R7接到比较器CMP2的正输入端；左右两个光敏电阻串联一起，一端接VCC，一端接地，中间引出两个端子，分别接向比较器CMP3的正输入端、比较器CMP4的负输入端，同时在VCC和GND之间接一个电位器W2，电位器W2中间端接到比较器CMP3的负输入端，电位器W2中间端再串接电阻R6接到比较器CMP4的正输入端；最中间的光敏电阻一端接VCC，另一端接电阻R5，然后再接地，光敏电阻和R5之间引出一个端子接到比较器CMP5的正输入端，电位器W3的上端接VCC，下端接GND，中间端接CMP5的负输入端；五个比较器输出端口COUT1、COUT2、COUT3、COUT4、COUT5分别接单片机的P5.0、P5.1、P5.2、P5.3、P5.4口。

进一步的，所述所述的直流电机为小型5V直流电机，用于控制和驱动直流电机的电机驱动器为L298，其中IN1、IN2、IN3、IN4分别与单片机的P4.1、P4.2、P4.3、P4.4口相连，OUT1和OUT2与水平电机相连，OUT3和OUT4与竖直电机相连，通过单片机输出PWM波来控制直流电机的转速快慢，二极管D1到D8起到续流作用。

进一步的，所述的触发装置由四个触碰开关、四个电阻组成，电阻R1、R2、R3、R4的一端与+3.3v相连，另一端分别与触碰开关S1、S2、S3、S4公共端相连，触碰开关的常开端与地相连，同时触碰开关S1、S2、S3、S4的公共端分别与单片机的IO口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连。所述触发装置分别安放在支架上下左右最大转角处，防止电机因堵转而损坏。

进一步的，所述的锂电池为5V10000mA。

进一步的，所述供电保护电路由继电器J、电压转换芯片1117和USB输出口组成；1117输入端与锂电池正极相连，接地端与锂电池负极相连，输出端为3.3v电压，给单片机及其它模块供电；同时继电器J的公共端与锂电池的正极相连，继电器的常开端与USB的正极相连，只有当锂电池的电量充足时，单片机才控制继电器导通。

进一步的，所述AD转换器采用电压采集模块提供输入的电路，电压采集模块是由串联电阻R8和R9组成，电阻R8的一端与锂电池正极相连，另一端与R9相连，R9另一端与锂电池负极相连。同时R8和R9的中间与单片机上的AD采集输入口P6.0相连，从而可以实时监测锂电池的电量。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明采用双轴自动追踪设计，大大提高了太阳能的利用率，绿色环保，节能减排；利用单片机AD模块检测锂电池电压，防止因为过度放电而损坏，功耗低、智能化；电压通过USB口引出，给手机、相机等充电，简单、方便；直接将系统放在窗户边上就可以了，可以实现自启动，只要有光，便能自动追光，高效实用。

附图说明：

图1为本发明的机械结构示意图。

图2为底座结构俯视图。

图3为本发明的系统设计结构框图。

图4为电机驱动模块电路图。

图5为方位探头模块电路图。

图6为防堵转触发装置电路图。

图7为AD电压采集及对外供电保护模块电路图。

图8为程序设计流程图，包括主程序设计流程图和AD中断程序流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为本发明的机械结构示意图。图2为底座结构俯视图。一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，主要包括太阳能电池板9、方位探头10、水平直流电机8、竖直直流电机2、底座1、支架5、齿轮3、水平轴6、竖直轴4、轴承7。硬件平台主要是先把竖直电机2固定在底座1的中心侧边，再把竖直轴4固定在底座1中间的轴承上，竖直电机2通过齿轮3与竖直轴4咬合，当电机2转动时，可以带动竖直轴4左右转动。然后将支架5固定在竖直轴4上，在支架5的双侧各安装一个轴承7，轴承7上穿一根水平轴6，太阳能电池板9中心位置固定在水平轴6上，在支架5外侧的水平轴6通过联轴器与水平固定的直流电机轴8相连，当水平电机8转动时，可以带动太阳能电池板9上下转动。

图3为本发明的系统设计结构框图。太阳能电池板将光能转换成电能，储存在锂电池中，锂电池在单片机的控制下智能对外供电。利用方位探头检测光照强度和太阳方位，单片机首先读取光照强度信号，若是黑夜，则进入休眠模式，若是白天，则再读取太阳方位信号，进行数据处理后，控制电机做相应转动。同时利用AD中断实时检测锂电池电压，，如锂电池电量不足，系统会自动切断对外供电电路，防止电池因过度放电而损坏。

图4为电机驱动模块电路图。电机驱动器型号为L298，其中IN1、IN2、IN3、IN4为驱动器的四路输入，分别与单片机的P4.1、P4.2、P4.3、P4.4口相连，对应四路输出OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，其中OUT1和OUT2与水平电机两端相连，OUT3和OUT4与竖直电机两端相连，通过单片机的P4.1、P4.2、P4.3、P4.4口输出PWM波来调整直流电机的转速快慢，二极管D1到D8起到续流作用，可以有效防止电机由于惯性产生逆电流烧坏驱动器。ENA和ENB为通道使能端，接高电平即可，VCC为驱动器工作电压，接+5V，VSS为电机驱动电压，由于本发明所选直流电机功耗较小，VSS接+5V就可以了，1脚、8脚和15脚接地。

图5为方位探头模块电路图。方位探头由五个光敏电阻、五个比较器、三个电阻、三个电位器组成。所述光敏电阻放在上、下、左、右、中五个位置固定。上下两个光敏电阻串联一起，一端接VCC，一端接地，中间引出两个端子，分别接向比较器CMP1的正输入端、比较器CMP2的负输入端，同时在VCC和GND之间接一个电位器W1，电位器W1中间端接到比较器CMP1的负输入端，在串接电阻R7接到比较器CMP2的正输入端；同理，左右两个光敏电阻串联一起，一端接VCC，一端接地，中间引出两个端子，分别接向比较器CMP3的正输入端、比较器CMP4的负输入端，同时在VCC和GND之间接一个电位器W2，电位器W2中间端接到比较器CMP3的负输入端，在串接电阻R6接到比较器C4的正输入端；最中间的光敏电阻一端接VCC，另一端接电阻R5，然后再接地，光敏电阻和R5之间引出一个端子接到比较器CMP5的正输入端，电位器W3的上端接VCC，下端接GND，中间端接CMP5的负输入端。五个比较器输出端口COUT1、COUT2、COUT3、COUT4、COUT5分别接单片机的P5.0、P5.1、P5.2、P5.3、P5.4口。

图6为防堵转触发装置电路图。触发装置由四个触碰开关、四个电阻组成，所述触发装置分别安放在支架上下左右最大转角处。电阻R1、R2、R3、R4的一端与+3.3v相连，另一端分别与触碰开关S1、S2、S3、S4公共端相连，触碰开关的常开端与地相连，同时触碰开关S1、S2、S3、S4的公共端分别与单片机的IO口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连，当没有触发时，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3为高电平，当有触发时，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3变为低电平，单片机检测到低电平后立即控制相应电机做相应转动，防止电机因堵转而损坏。

图7为AD电压采集及对外供电保护模块电路图。电压采集模块是由串联电阻R8和R9组成，电阻R8的一端与锂电池正极相连，另一端与R9相连，R9另一端与锂电池负极相连。同时R8和R9的中间与单片机上的AD采集输入口P6.0相连，从而可以实时监测锂电池的电量。所述对外供电保护电路由继电器J、电压转换芯片1117和USB输出口组成。1117输入端与锂电池正极相连，接地端与锂电池负极相连，输出端为3.3v电压，给单片机及其它模块供电。同时继电器J的公共端与锂电池的正极相连，继电器的常开端与USB的正极相连，只有当锂电池的电量充足时，单片机才控制继电器导通，这样USB端才能正常对外供电。

图8为程序设计流程图，包括主程序设计流程图和AD中断程序流程图。左边为主程序设计流程图，即开机之后，系统初始化，单片机检测是否由光照，若有光照，则读取太阳方位信号，然后调整太阳能电池板位置，调整完毕后休眠15分钟，再回到光强检测位置，如此循环；同时采用AD中断模式实时采集锂电池电压，如图8右侧所示为AD中断程序流程图，即AD中断开始，采集锂电池电压，单片机判断锂电池是否欠压，若是则切断对外供电电路，中断结束，若不是，直接执行中断结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，其特征在于，它由太阳能电池板、方位探头、水平直流电机、竖直直流电机、底座、支架、齿轮、水平轴、竖直轴、轴承、联轴器、触发装置组成；

竖直直流电机固定在底座的侧边，竖直轴固定在底座中间的轴承上，竖直直流电机通过齿轮与竖直轴咬合，支架固定在竖直轴上，支架的双侧各安装有一个轴承，轴承上穿有一根水平轴，太阳能电池板中心位置固定在水平轴上，在支架外侧的水平轴通过联轴器与水平固定的直流电机轴相连，支架上安装有四个触发装置，方位探头固定在太阳能电池板上；

竖直电机转动时，可以带动竖直轴左右转动；水平电机转动时，可以带动太阳能电池板上下转动；四个触发装置，控制系统在上下90度、左右350度范围内转动，当电机转到上下左右允许的最大转角时，会打到触碰开关，从而触发单片机控制电机停止转动；方位探头检测太阳的的方位，单片机采集方位信号，并作出相应指示，控制水平、竖直放置的电机转动，实现太阳能电池板始终正对着太阳，从而以最大面积高效吸收太阳能，并将能量储存在锂电池中，通过电压转换电路，给电子设备供电；同时采用AD转换器采集锂电池供电电压，若锂电池电量不足，单片机控制供电保护电路自动切断对外供电，以防止锂电池由于过度放电而损坏。

2.如权利要求1所述的一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，其特征在于，所述太阳能电池板为A级单晶硅材料，功率为5W，其中二极管D9的正极与太阳能电池板正极相连，负极与锂电池正极相连。

3.如权利要求1所述的一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，其特征在于，所述方位探头由五个光敏电阻、五个比较器、三个电阻、三个电位器组成；

光敏电阻放在上、下、左、右、中五个位置固定，上下两个光敏电阻串联一起，一端接VCC，一端接地，中间引出两个端子，分别接向比较器CMP1的正输入端、比较器CMP2的负输入端，同时在VCC和GND之间接一个电位器W1，电位器W1中间端接到比较器CMP1的负输入端，电位器W1中间端再串接电阻R7接到比较器CMP2的正输入端；左右两个光敏电阻串联一起，一端接VCC，一端接地，中间引出两个端子，分别接向比较器CMP3的正输入端、比较器CMP4的负输入端，同时在VCC和GND之间接一个电位器W2，电位器W2中间端接到比较器CMP3的负输入端，电位器W2中间端再串接电阻R6接到比较器CMP4的正输入端；最中间的光敏电阻一端接VCC，另一端接电阻R5，然后再接地，光敏电阻和R5之间引出一个端子接到比较器CMP5的正输入端，电位器W3的上端接VCC，下端接GND，中间端接CMP5的负输入端；五个比较器输出端口COUT1、COUT2、COUT3、COUT4、COUT5分别接单片机的P5.0、P5.1、P5.2、P5.3、P5.4口。

4.如权利要求1所述的一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，其特征在于，所述直流电机为小型5V直流电机，用于控制和驱动直流电机的电机驱动器为L298，其中IN1、IN2、IN3、IN4分别与单片机的P4.1、P4.2、P4.3、P4.4口相连，OUT1和OUT2与水平电机相连，OUT3和OUT4与竖直电机相连，通过单片机输出PWM波来控制直流电机的转速快慢，二极管D1到D8起到续流作用。

5.如权利要求1所述的一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，其特征在于，所述触发装置由四个触碰开关、四个电阻组成，电阻R1、R2、R3、R4的一端与+3.3v相连，另一端分别与触碰开关S1、S2、S3、S4公共端相连，触碰开关的常开端与地相连，同时触碰开关S1、S2、S3、S4的公共端分别与单片机的IO口P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连，所述触发装置分别安放在支架上下左右最大转角处，防止电机因堵转而损坏。

6.如权利要求1所述的一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，其特征在于，所述锂电池为5V10000mA。

7.如权利要求1所述的一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，其特征在于，所述供电保护电路由继电器J、电压转换芯片1117和USB输出口组成；1117输入端与锂电池正极相连，接地端与锂电池负极相连，输出端为3.3v电压，给单片机及其它模块供电；同时继电器J的公共端与锂电池的正极相连，继电器的常开端与USB的正极相连，只有当锂电池的电量充足时，单片机才控制继电器导通。

8.如权利要求1所述的一种小型太阳能自动追踪与智能供电装置，其特征在于，所述AD转换器采用电压采集模块提供输入的电路，电压采集模块是由串联电阻R8和R9组成，电阻R8的一端与锂电池正极相连，另一端与R9相连，R9另一端与锂电池负极相连，同时R8和R9的中间与单片机上的AD采集输入口P6.0相连，从而可以实时监测锂电池的电量。