孙飞 段海涛 张永钦
石家庄铁道大学 050043
摘要：对于燃料短缺并且经济落后的西部地区，为了解决当地人民能源不足的问题，开发高效清洁的太阳能显得尤为重要。本作品基于现有机械式太阳灶增加语音提示调控模块，利用四象限光敏电阻比较法对光线进行定位，将光线照射在不同光敏电阻上的面积和强度产生的电压差信号输入单片机，利用单片机控制语音模块输出具体语音提示，例如：“请向上调节”，之后进行人工调节；当调整到最佳位置时，会提示：“调节完成”以示调整结束。设计旨在充分利用清洁廉价的太阳能，降低能耗并解决西部地区能源短缺问题，并解决现有太阳灶的缺点，实现节能减排的理念。
关键词：半自动；太阳灶；四象限光线定位；
1 设计方案
本设计主要受西部地区太阳能资源利用效率不足以及现有太阳灶存在的诸多问题受到启发，问题如下：
（1）西部地区农牧民可用能源少且太阳能使用效率低。
（2）人为操作的纯机械式太阳灶精确度不高。
（3）自动跟踪式太阳灶成本高、结构复杂。
表1 聚光式太阳灶参数
2 语音调节太阳灶方位角
2.1四象限光敏电阻光强比较法
利用四象限光敏电阻比较法可以准确追踪太阳光线方位，工作原理是利用太阳光线在四个光敏电阻上照射的光照强度的不同产生电压差，单片机会接收电压差信号控制语音模块BY8301进行语音输出，然后根据语音的提示人工进行调节找到合适的聚光位置。光敏电阻排列方式如图2所示：A，B，C，D，E是五个型号为GL5537的光敏电阻，其中A，B，C，D按照上下左右的顺序进行排列，并用两个相互垂直且高为3cm的隔板F1，F2将四个同型号光敏电阻隔开，隔板主要用来挡太阳光。如图2所示，如果光线垂直照射太阳灶时，四个光敏电阻接收到的光照强度相同不产生电压差，此时语音不进行提示。当光线相对于太阳灶是倾斜的，则接收光强较多的光敏电阻阻值减小，此时光敏电阻AB之间会有电压差UAB，此信号用于判断上下调节；光敏电阻CD之间会有电压差UCD，此信号用于判断左右调节。
通过AB电压差进行上下调节电路图如图3所示，当光线照射在A上面积和光照强度比B大时，光敏电阻A阻值下降比B大，点6的电位比点5小，输出高电平信号，此时单片机接收低电平信号对语音模块进行控制输出语音：“请向上调节”，此时通过语音提示人工进行不断向上调节；并且优先使用CD用于进行左右调节，方法和原理与AB相同。当调节完成后，单片机会控制语音模块输出语音：“调节完成”。
2.2附加判断型光敏电阻提高精度
由于光敏电阻易受温度影响以及其时延特性，有可能会出现光线垂直照射时依旧会产生电压差进行语音提示，为了再次改进精准度，添加一个和太阳灶平行的进行辅助定位的光敏电阻E（如图5所示），型号和其余光敏电阻相同，用高为3cm直径为0.8cm的无盖圆筒遮挡太阳光，当太阳光垂直照射太阳灶时，光敏电阻E阻值减小，电压比较器输出高电平信号，单片机收到信号直接控制语音模块输出：“调节完成”。
图5光敏电阻E排列方式
2.3单片机STC89C52控制系统
本设计使用44管脚的C52单片机用于编程控制，通过接收五个光敏电阻输入进来的电压信号来对语音模块BY8301进行编程控制
3 工作流程
将太阳灶放置于光照充足无遮挡物的空旷场地，打开语音提示调控模块，根据语音提示，例如：“请向上调节”进行人工调节太阳灶的方向（在此装置中，直接转动太阳灶聚光板可进行左右方向的调节，摇动摇把进行上下方向的调节，其中顺时针转动摇把为向上调节聚光板，逆时针摇动摇把为向下调节聚光板），当调整到最佳聚光位置时会有“调节完成”的提示，之后关闭电源进行正常使用，可减小能量损耗，提高太阳能的利用效率。
4 性能测试
?对于性能测试方面，采用铝锅内加温水至沸腾所需时间来衡量性能差异。
?选取测试时间为11:30-12:00，因为正午时太阳天顶角变动很小，而且此时在太阳灶采光平面上与垂直于太阳直射的平面上测得的辐照值之间的差变化最小。
?应用全辐射仪在垂直于太阳辐射的平面上测定太阳辐照，所得结果为542W/m2并且波动范围较小，满足太阳灶测试条件。
?环境温度为30℃，风力较小。
5 测试结果
根据上述过程测试结果如下表所示：
表2 测试结果
对比测试结果，对于半自动太阳灶烧水时间短于纯机械式，而与全自动式的测试结果相近，说明本装置在精准度方面弥补了纯机械式太阳灶的缺点；另一方面，又降低了自动跟踪式太阳灶控制器、电机等成本，利于在西部地区进行推广，有较好的经济效应。
参考文献
[1] 胡文飞. 入户聚光式太阳灶的可行性研究[D].武汉理工大学,2011.
[2] 张鹤丰. 中国农作物秸秆燃烧排放气态、颗粒态污染物排放特征的实验室模拟[D].复旦大学,2009.
[3]聚光式太阳灶的设计与制作(Ⅷ)——太阳灶技术要求和测试方法[J].太阳能,2005(04):25-26.
[4] 叶宏,冯卫东,葛新石.太阳灶性能测试国际标准简介[J].太阳能,2002(03):21-22.
作者简介：
孙飞，男，2000.10.04，湖北省利川市，本科，石家庄铁道大学，050043，工业设计
段海涛，男，1999.11.19，安徽省合肥市，本科，石家庄铁道大学，050043，机械设计制造及自动化
张永钦，男，2000.07.01，河北省衡水市，本科，石家庄铁道大学，050043，机械设计制造及自动化（卓越）