歐陽(yáng)輝，李澤滔，杜嘉明

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

隨著新能源的發(fā)展，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注這一行業(yè)。太陽(yáng)能是人們最早接觸找的新能源，但是現(xiàn)在太陽(yáng)能電池板大多都固定在一個(gè)方向使得太陽(yáng)能的利用率不高［1］。本設(shè)計(jì)可以拓展為太陽(yáng)能發(fā)電的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能自動(dòng)根據(jù)太陽(yáng)光方向來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能電池板朝向，而且在跟蹤過(guò)程中能自動(dòng)記憶和更正不同時(shí)間的坐標(biāo)位置，不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無(wú)人值守的情況，有效地提高了太陽(yáng)能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制電路以單片機(jī)為核心，能夠?qū)Σ杉哪M信號(hào)進(jìn)行處理和判斷對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制［2］。系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)處理信號(hào)并進(jìn)行判斷，步進(jìn)電機(jī)控制電路根據(jù)單片機(jī)傳出的信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)組成以單片機(jī)STC12C5A60S2為核心，光強(qiáng)度檢測(cè)模塊，時(shí)鐘模塊，步進(jìn)電機(jī)控制電路模塊。傳感器采用光敏電阻，STC12C5A6S2單片機(jī)自帶10位A/D，能夠識(shí)別模擬信號(hào)。并采用光強(qiáng)度檢測(cè)電路測(cè)量，以光敏電阻傳感器［3］作為測(cè)量元件，構(gòu)成光電測(cè)量模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)核心控制

本系統(tǒng)的核心控制器由兩塊STC12C5A60S2［4］組成。單片機(jī)1對(duì)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作出判斷與比較，在P2口發(fā)出信號(hào)與單片機(jī)2通信，如圖2。單片機(jī)2通過(guò)接收單片機(jī)1的P2口發(fā)出的信號(hào)作出判斷控制水平與豎直方向上的電機(jī)運(yùn)作以求太陽(yáng)能板正對(duì)光線。

圖2 單片機(jī)通訊連接圖

2.2 光強(qiáng)度檢測(cè)模塊

比較控制式太陽(yáng)跟蹤裝置。設(shè)置一個(gè)直筒形外殼，在直筒外部，東、南、西、北四個(gè)方向上分別布置4只光電阻，如圖3。

圖3 光敏電阻分布圖

其中一對(duì)光敏電阻［5］(PI，P3)東西對(duì)稱安裝在直筒的兩側(cè)，用來(lái)粗略的檢測(cè)太陽(yáng)由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度即方位角;另一對(duì)光電阻(PZ，P4)南北對(duì)稱安裝在直筒的兩側(cè)，用來(lái)粗略檢測(cè)太陽(yáng)的視高度即高度角;在直筒內(nèi)部，東、南、西、北四個(gè)方向上也分別布置4只光電阻;其中一對(duì)光電阻(PS，P7)東西對(duì)稱安裝在直筒的內(nèi)側(cè)，用來(lái)精確檢測(cè)太陽(yáng)由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度;另一對(duì)光電阻(P6，PS)南北對(duì)稱安裝在直筒的內(nèi)側(cè)，用來(lái)精確檢測(cè)太陽(yáng)的高度。其電路圖如圖4所示。

圖4 光敏電阻電路圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)模塊

本文選用的是28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，額定電壓5 V，相數(shù)為4，步距角 5.625/64，減速比 1∶64。電機(jī)線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，電機(jī)示意圖如圖5所示。

圖5 電機(jī)示意圖

步進(jìn)電機(jī)的主要特性:

1)步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的角度(稱為步角)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。

2)28BYJ48是減速步進(jìn)電機(jī)，減速比為1∶64，步進(jìn)角為5.625/64°。如果需要轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，那么需要360/5.625×64=4 096個(gè)脈沖信號(hào)。

3)步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。

4)改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。

各線圈通電順序如表1所示。

表1 電機(jī)相序表

相順序從0到1稱為一步，電機(jī)軸將轉(zhuǎn)過(guò)5.625°，四相四拍為0-1-2-3則稱為通電一周，若循環(huán)進(jìn)行這種通電一周的操作，電機(jī)便連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，而進(jìn)行相反的通電順序如3-2-1-0將使電機(jī)同速反轉(zhuǎn)。同理四相八拍的通電順序?yàn)锳AB-B-BC-C-CD-D-DA-A(本設(shè)計(jì)用的是四相八拍)。通電一周的周期越短，即驅(qū)動(dòng)頻率越高，則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可能太快，因?yàn)樗孔咭徊叫枰欢ǖ臅r(shí)間，若信號(hào)頻率過(guò)高，可能導(dǎo)致電機(jī)失步，甚至只在原步顫動(dòng)［6］。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本文采用單片機(jī)STC12C5A60S2對(duì)該四線八相制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)I/O口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)特定芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)［7］。選用ULN2003構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。

ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7 K的基極電阻，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500 mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50 V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)，程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，編譯環(huán)境為Keil uVision4。程序中主要有以下幾個(gè)主要子程序:主程序，初始化、采集、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序［8］。轉(zhuǎn)換過(guò)程中光敏電阻的采光是時(shí)時(shí)變化的，所以A/D通道的數(shù)據(jù)比較過(guò)程會(huì)有一定波動(dòng)，如不加閥值比較則會(huì)致使電機(jī)不停工作，最后太陽(yáng)能板無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)光。在閥值的選定上，通過(guò)實(shí)物測(cè)試，最后選定在+5(-5)。這個(gè)閥值既能保證數(shù)據(jù)比較的準(zhǔn)確性又能保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)軟件主要流程圖如圖7。

圖7 軟件流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)兩片STC12C5A60S2分別控制數(shù)傳感器信號(hào)的采集與比對(duì)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)光源的自適應(yīng)控制。同時(shí)又利用STC12C5A60S2內(nèi)部計(jì)時(shí)器，節(jié)約了大量資源。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，本設(shè)計(jì)的各方面的性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)前的要求，對(duì)太陽(yáng)能板實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)具有一定的意義，具有一定的推廣價(jià)值。

［1］ 琪琳，吳曉鳳.基于ARM的光源跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)試，2011(02):61-64

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［3］ 金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工程出版社，2012:11-14

［4］ 宋鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機(jī)高速A/D轉(zhuǎn)換方法［J］.煤礦機(jī)械，2010(06):219-221

［5］ 夏淑麗，張江偉.基于光敏技術(shù)的點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2011(02):291-294

［6］ 劉寶志.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究［D］.山東:山東大學(xué)碩士論文，2010

［7］ 林敏，等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防大學(xué)出版社，2009.1

［8］ 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009