李 超 王再明 甘 銘 韋穩(wěn)穩(wěn) 劉 剛

(黃石理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北黃石435003)

如今，太陽能資源已越來越受到人們的關(guān)注，如何提高太陽能資源的利用效率已經(jīng)成為當(dāng)今世界能源行業(yè)重要的話題。本系統(tǒng)旨在設(shè)計一個模擬強點光源追蹤裝置，以提高光源的利用率。裝置由模擬強光源和光源追蹤2部分構(gòu)成。模擬強光源裝置采用TI公司的LM317組成可調(diào)恒流源裝置控制1 W高亮度LED光源，并且使用電阻分流和MSP430內(nèi)部ADC采樣數(shù)顯[1]。追蹤裝置采用高性能、低功耗AVR單片機Atmega16作為主控芯片，將采集到的信號進行綜合判別和處理，然后控制舵機實現(xiàn)對光源的跟蹤。為保證有效及時的跟蹤光源，本設(shè)計采用了帶聚光罩的多光敏感光控制裝置，并采用凸透鏡裝置對接收光源聚光采樣，采用逐次比較定位法實現(xiàn)對點光源的實時跟蹤，并可以通過鍵盤對裝置進行校準(zhǔn)。同時點光源也可以做圓周、直線、曲線等運動，即改變點光源的位置，探測源能夠很快而準(zhǔn)確的追蹤到點光源。

此項目主要是點光源追蹤研究，其主要的目的是研究如何提高太陽能的利用率。而且此裝置只需要換上其他的傳感器，則可以實現(xiàn)物體追蹤的功能，如人體熱釋電感應(yīng)追蹤。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由光源跟蹤裝置和點光源控制裝置組成，其中光源跟蹤裝置包含光源檢測模塊、按鍵模塊、舵機控制模塊、LCD數(shù)顯模塊;點光源控制裝置包含恒流源調(diào)節(jié)模塊、LED發(fā)光源、電源檢測模塊和LCD顯示模塊。光源跟蹤裝置如圖1所示，點光源控制裝置如圖2所示。

圖1 光源跟蹤裝置

圖2 點光源控制裝置

本系統(tǒng)以ATmega16單片機為控制核心。在光源跟蹤裝置中，用光敏電阻作為光源檢測傳感器，以 ATmega16單片機內(nèi)部8路10位ADC進行采樣和轉(zhuǎn)換[2]，雙舵機構(gòu)成激光筆控制執(zhí)行機構(gòu)，由單片機對A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行處理，采用 PID算法輸出 PWM波控制舵機帶動激光筆指向光源[3]。在點光源控制裝置中，采用 TI公司的 LM317設(shè)計橫流輸出裝置，通過調(diào)節(jié)電位器，使得輸出電流在一定范圍內(nèi)可連續(xù)可調(diào)，MSP430單片機內(nèi)部ADC進行采樣并通過計算獲得電流值，并在1602 LCD屏上顯示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 光源檢測電路

圖3是光源跟蹤裝置中光線檢測的電路圖，由6個光敏電阻組成。4個水平，垂直上下各1個，實物圖如圖4所示。將光敏電阻放在一個不透明的圓筒中，圓筒前部安裝凸透鏡，以便聚光。當(dāng)圓筒與光源正對時，水平方向上中間2個光敏電阻各得到一半光斑，記錄此時AD的輸出數(shù)據(jù)max。當(dāng)不正對時，AD的輸出數(shù)據(jù)大于max，控制其中一部舵機轉(zhuǎn)動，直至AD輸出的數(shù)據(jù)達(dá)到max，此時水平方向上中間2個光敏電阻各得到一半的光斑，即激光筆與光源正對，完成水平方向的光源跟蹤。垂直方向光源跟蹤同水平方向，為了ADC采樣達(dá)到更高的精準(zhǔn)度，減小誤差，采用LM317設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)的5V基準(zhǔn)源，給光源檢測電路提供電源和ADC采樣的基準(zhǔn)電壓。

圖3 光線檢測電路圖

圖4 傳感裝置示意圖

2.2 可調(diào)恒流源電路

點光源控制電路如圖5所示，選用 TI公司的LM317，通過調(diào)節(jié)電位器 RP2，使得輸出電流在137～375 mA間可調(diào)節(jié);在LM317輸出端把4個1 W 5.1 Ω電阻串聯(lián)再并聯(lián)組成的電阻網(wǎng)絡(luò)串入LED光源，測量此電阻網(wǎng)絡(luò)的端電壓，并送入MSP430內(nèi)部ADC進行采樣，通過計算獲得電流值，并在1602 LCD屏上顯示。通過4個電阻組成網(wǎng)絡(luò)進行電壓測量可以減小每個電阻上的功耗，從而減小因溫升引起電阻值的變化，提高電流測量精度。其電路輸出電流可由公式(1)計算。

因輸出電流要求控制在150～350 mA之間，即根據(jù) LM317計算公式(1)，可知限流電阻需在 3.57～8.33 Ω 之間。從電阻和變阻器功耗出發(fā)，我們設(shè)計了圖5中的R電阻網(wǎng)絡(luò)，其中 RP2是100 Ω精密多圈電位器，Vref為 1.25 V，R2和 R4分別為10 Ω 和 5.1 Ω 2 W 水泥電阻，通過 R4與RP2串聯(lián)然后并聯(lián) R2，其輸出電流可由公式(1)計算得到。

因R電阻網(wǎng)絡(luò)電壓保持1.25 V不變，可以計算得到 R2上的電流為 1.25/10=0.125 A=125 mA，其功率為0.125×0.125×10=156 mW，當(dāng) RP2為 0 Ω 時，R4上電流為1.25/5.1=245 mA，其功率為1.25 ×1.25/5.1=306 mW，即R電阻網(wǎng)絡(luò)總最大功耗為156+306=462 mW;當(dāng)RP2為 100 Ω 時，R4上電流為1.25/105.1=12 mA，其功率為0.012×0.012×5.1=0.7 mW，此時RP2上的功耗為0.012×0.012×100=14 mW。RP2上的功率可由公式(2)表示。

由公式(2)對RP2進行求導(dǎo)可知，當(dāng)RP2=5.1 Ω時，RP 上最大功耗為15 mW，由此可知，在精密多圈電位器上的功耗小于器件要求的最大極限值，從而確保電位器上沒有過高溫升，從而保證了電流的測量精度和電路的穩(wěn)定性與可靠性。

圖5 點光源控制電路

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)控制部分主要采取PID模糊控制算法控制2舵機的運轉(zhuǎn)來保證對光的精確度，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序框圖

PID算法控制是目前應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨立、參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點。它按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制，目前包含3種比較簡單的PID控制算法，分別是:增量式算法、位置式算法、微分先行。在本系統(tǒng)中，我們主要采用了位置式算法，先將I、D設(shè)為0，調(diào)好P，達(dá)到基本的響應(yīng)速度和誤差，再加上 I，使誤差為0，這時再加入D，3個參數(shù)要反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到較好的結(jié)果。

在系統(tǒng)運行前，需要通過按鍵手動校準(zhǔn)，通過按鍵調(diào)節(jié)，首先將激光對準(zhǔn)光源，采樣到當(dāng)時的ADC值，進行記錄，通過調(diào)節(jié)可變電位器，使得ADC采樣值為最大max，并記錄為標(biāo)準(zhǔn)值。

光源檢測電路的ADC0-ADC4連接AT-mega的內(nèi)部ADC端口進行采樣分析，把采樣到的信號與標(biāo)準(zhǔn)值進行實時分析計算，控制舵機的旋轉(zhuǎn)來控制檢測瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的升降，使得激光始終對準(zhǔn)光源，并在液晶上顯示對應(yīng)數(shù)據(jù)[4]。

經(jīng)過實際制作測量，本系統(tǒng)光源對準(zhǔn)的精準(zhǔn)度在5 mm以內(nèi)，滿足本設(shè)計需求。

恒流源部分，僅僅采用單片機內(nèi)部ADC采樣數(shù)顯，程序設(shè)計比較簡單，經(jīng)實際測量分析，誤差在1 mA以內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種關(guān)于點光源追蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計和控制算法，并提出設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于通過光敏電阻的器件性質(zhì)，將光照強度和電壓信號量相聯(lián)系，通過 ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，給 ATmega16單片機進行分析，采用PID算法控制。經(jīng)測試表明本系統(tǒng)具有反應(yīng)時間短、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、靈敏度高等優(yōu)點。

[1]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001:189-197

[2]馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:302-321

[3]霍罡.可編程程序控制器模擬量及PID算法應(yīng)用案例[M].北京:高等教育出版社，2008:97-111

[4]姚俊武.自重構(gòu)機器人協(xié)作功能的規(guī)劃與實現(xiàn)[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報，2010，5(1):1-4