太陽(yáng)光入射角光電檢測(cè)裝置*

苗鳳娟，劉嘉坤，陶佰睿 ，董 建

(齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

隨著人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們正面臨著石油和煤炭等礦物燃料枯竭的嚴(yán)重威脅。太陽(yáng)能作為一種被新開(kāi)發(fā)應(yīng)用的能源，具有應(yīng)用廣泛、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)［1］。但是太陽(yáng)能利用時(shí)受光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間的變化影響，一般固定角度安裝太陽(yáng)能裝置對(duì)太陽(yáng)能的利用率不高［2］。

研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，采用光電檢測(cè)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，為此，研制低成本太陽(yáng)光入射角光電檢測(cè)跟蹤裝置來(lái)解決太陽(yáng)能利用率不高的問(wèn)題是十分必要的［3］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中通過(guò)東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的檢測(cè)跟蹤機(jī)構(gòu)，來(lái)達(dá)到使太陽(yáng)能電池板始終正對(duì)太陽(yáng)照射角，從而達(dá)到提高太陽(yáng)能利用率的目的，因此轉(zhuǎn)向部分首先需要雙軸機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)滿足東西向和南北向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)［4］。

為此，本系統(tǒng)采用4 個(gè)分布式光敏電阻對(duì)太陽(yáng)光入射角進(jìn)行光電檢測(cè)，交叉對(duì)比所受光照強(qiáng)度，當(dāng)板面沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，因角度差會(huì)造成兩兩對(duì)應(yīng)的光敏電阻上所接受的光強(qiáng)不同，從而產(chǎn)生微弱的壓差，該壓差與標(biāo)準(zhǔn)壓差送入四通道電壓比較器LM324 芯片中進(jìn)行比較輸出，得出4 路高低電平的信號(hào)變化，該變化信號(hào)就是太陽(yáng)方位的實(shí)時(shí)反應(yīng)，再將輸出的4 路信號(hào)送入H－橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D中，驅(qū)動(dòng)2 個(gè)直流電機(jī)按相應(yīng)的方位進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，當(dāng)位移到控制板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，芯片無(wú)輸出，電機(jī)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，最終達(dá)到跟蹤太陽(yáng)光線的目的。光電檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其基本組成主要有:光敏電阻、電壓比較器、三端穩(wěn)壓器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)和直流電源等部分。

圖1 光電檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 四通道電壓比較器的電路設(shè)計(jì)

在Protues 平臺(tái)中，選取4 個(gè)光敏電阻電路，然后加入4 個(gè)LM324 電壓比較器，把4 個(gè)光敏電阻分別命名為:DONG、XI、BEI、NAN，4 個(gè)LM324 分別命名為:U1A、U1B、U1C、U1D。電路連接如圖2 所示。這里，U1D 的4 端連接在第一個(gè)光敏電阻DONG 的1 端同時(shí)連接R2和滑動(dòng)變阻器RV1，RV1 一端接R3連到U1D 的11 端，RV1 的另一端直接U1D 的13端。將U1D 的12 端接第2 個(gè)光敏電阻XI的1 端和U1A 的2 端，將RV1 的滑動(dòng)端接R4后再接U1A 的3 端，同時(shí)XI的2 端和U1A 的11 端相連。U1B 的4端接第3 個(gè)光敏電阻BEI 的1 端，U1B 的5 端接BEI 的2 端，RV1 的滑動(dòng)端接U1B 的6 端，將RV1的另一端接R5再連接U1C 的10 端，把最后一個(gè)光敏電阻NAN 的1 端接U1C 的9 端，同時(shí)NAN 的2端接U1C 的11 端［5］。

圖2 四通道電壓比較器LM324 電路

2.2 LED 顯示電路設(shè)計(jì)

為了使電壓比較器輸出的4 個(gè)信號(hào)清晰可見(jiàn)，在電路中增加了LED 顯示電路。首先在元件庫(kù)中找到4 個(gè)LED_RED，分別命名為:D、X、B、N。將四通道電壓比較器的4 個(gè)輸出14、1、7、8 端分別接4個(gè)LED，最后經(jīng)過(guò)電阻R6連接地端，如圖3 所示。當(dāng)光源的強(qiáng)度不同時(shí)，4 個(gè)光敏電阻產(chǎn)生不同的電壓，通過(guò)四通道電壓比較器LM324 對(duì)產(chǎn)生壓差的比較輸出高低電平，從而驅(qū)動(dòng)4 個(gè)LED 指示燈發(fā)光，通過(guò)對(duì)指示燈的觀察可以判斷出受光最強(qiáng)光敏電阻［6］。

圖3 LED 顯示電路設(shè)計(jì)

2.3 三端穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

在元件庫(kù)里找到LM7806 芯片、12 V 直流電源、和開(kāi)關(guān)L1。將LM7806 命名為U3，12 V 直流電源為BAT1，開(kāi)關(guān)為L(zhǎng)1。因?yàn)長(zhǎng)M7806 的1 腳接電壓輸入端，2 腳接地，3 腳接輸出端，LM7806 的1 腳接開(kāi)關(guān)L1再接12 V 直流電源BAT1 的正極，負(fù)極接LM7806 的2 腳再接地［7］。電路連接如圖4 所示。

圖4 三端穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

三端穩(wěn)壓電路連接到四通道電壓比較電路中，將LM7806 的3 腳連接到U1D 的4 端，為電壓比較器提供+6 V 的電源，LM7806 的3 腳接地［8］。這樣就組成了一個(gè)具有三端穩(wěn)壓器的電壓比較電路，如圖5 所示，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

2.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖5 電壓比較電路

在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中選取了Unitrode 公司的“L293D”電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，首先在元件庫(kù)中找到直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D，將其命名為U2 并放置在系統(tǒng)仿真電路右邊空白處。根據(jù)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D 的特性，將其各個(gè)引腳與當(dāng)前的電路連接起來(lái)，其中VSS 接三段穩(wěn)壓器LM7806 的3 腳即接入+6 V 電壓，VS 直接與LM7806 的1 腳相連即接入12 V 直流電壓。將四通道電壓比較器四個(gè)輸出端14、1、7、8 依次與驅(qū)動(dòng)芯片L293D 的IN1、IN2、IN3、IN4 4 個(gè)引腳相連接，作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的4 個(gè)輸入［9］。接下來(lái)將L293D 的EN1、EN2 兩個(gè)引腳都接在LM7806 的3 端即接入+6 V 電壓。最后將LM7806 的2 個(gè)接地端GND 接地，如圖6 所示。

圖6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

在元件庫(kù)中找到2 個(gè)直流電機(jī)模塊，分別命名為M1和M2，分別將M1和M2的兩端與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D 的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 引腳相連，即L293D 輸出驅(qū)動(dòng)兩直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖7 所示［10］。

圖7 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)仿真和調(diào)試

3.1 系統(tǒng)整體仿真原理圖

Proteus 軟件中，在ISIS 工作界面上找到相應(yīng)的元器件，主要的電子器件有模擬光源對(duì)應(yīng)的4 個(gè)光敏電阻、4 個(gè)LM324 組成的四通道電壓比較器、4 個(gè)LED 指示燈、1 個(gè)三段穩(wěn)壓器LM7806、1 個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L293D、2 個(gè)直流減速電機(jī)M1和M2，將這些元器件按照系統(tǒng)的原理框圖依次連接起來(lái)構(gòu)成了系統(tǒng)仿真電路。

3.2 硬件和軟件的調(diào)試

本系統(tǒng)的調(diào)試主要包括硬件和軟件調(diào)試，這兩者是密不可分的，很多硬件的錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和修正的［11］。但一般是先排除明顯的硬件錯(cuò)誤以后，再與軟件結(jié)合起來(lái)調(diào)試從而進(jìn)一步的糾正出現(xiàn)的錯(cuò)誤。因此硬件的調(diào)試是至關(guān)重要的，如果硬件調(diào)試不成功，軟件設(shè)計(jì)是無(wú)從做起的［12］。

3.2.1 硬件調(diào)試步驟

(1)根據(jù)太陽(yáng)光入射角光電檢測(cè)系統(tǒng)原理圖生成了PCB 版圖如圖8 所示，并制成了PCB 電路板，將所有元器件焊接好后的實(shí)物如圖9 所示，檢查實(shí)物連接是否正確，用萬(wàn)用表檢測(cè)連線，4 通道電壓比較器LM324 與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)L293D 和三段穩(wěn)壓電路7806 模塊相互連接，檢查元器件焊接是否正確，上述檢查完成后再進(jìn)行通電［13］。

圖8 系統(tǒng)硬件電路PCB 版圖

圖9 系統(tǒng)實(shí)物圖

(2)電路板接上大于+12 V 的直流電源，檢測(cè)外接電源是否正確，如果電壓正常，說(shuō)明工作正常［14］。

(3)經(jīng)過(guò)對(duì)電路的計(jì)算，仔細(xì)選取四通道電壓比較電路中用到的電阻阻值，確保實(shí)物能正常工作。其中與電壓比較器相連的電阻我們選用2 個(gè)阻值為10 kΩ 的電阻，和2 個(gè)阻值為5 100 kΩ 的電阻，這4 個(gè)電阻的功率都為1/8 W。滑動(dòng)變阻器選用的是阻值為5 kΩ 的滑動(dòng)電阻，和4 個(gè)LED 指示燈相連的電阻阻值調(diào)整為100 Ω，調(diào)試之后可以實(shí)現(xiàn)正常的工作［15］。

(4)經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，確定了光敏電阻和控制板的空間的最佳位置，把4 個(gè)光敏電阻保持豎直向上，即垂直于電路板，再向各自外側(cè)彎曲30°呈放射狀［16］。

在確認(rèn)過(guò)硬件電路連接及焊接工藝無(wú)誤后，我們就開(kāi)始采用連擊仿真的方式進(jìn)行軟件調(diào)試。

3.2.2 軟件調(diào)試

聯(lián)機(jī)仿真必須借助仿真開(kāi)發(fā)裝置、示波器、萬(wàn)用表等工具，這些工具是開(kāi)發(fā)電路板的最基本工具［17］。調(diào)試手段可采用單步或設(shè)置斷點(diǎn)運(yùn)行方式，檢查仿真結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)仿真中的機(jī)器碼錯(cuò)誤，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)中的硬件故障，仿真及硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤［18］。

將整體仿真圖的一部分連接出來(lái)，并按照硬件調(diào)試中確定的電阻阻值賦給仿真電路圖中的各個(gè)電阻，如圖10 所示，將R2、R3的阻值設(shè)為10 kΩ，點(diǎn)擊確定。

圖10 電阻賦值

重復(fù)上面步驟將R4、R6的阻值設(shè)為5 100 kΩ，RV1的阻值設(shè)為5 kΩ，R5的阻值設(shè)為100 Ω，如圖11 所示。

當(dāng)這部分系統(tǒng)調(diào)試完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕開(kāi)始仿真，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，證明仿真調(diào)試成功，如圖12 所示。

圖11 所有電阻參數(shù)賦值后

圖12 賦值后的仿真結(jié)果

3.3 仿真調(diào)試后的結(jié)果顯示

系統(tǒng)整體的仿真原理圖調(diào)試好后，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，使光敏電阻在3 種不同狀態(tài)下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊左下角“開(kāi)始鍵”進(jìn)行仿真，3 種具有代表性的仿真結(jié)果如下。

如圖13，調(diào)節(jié)模擬光源使XI所受光強(qiáng)大于DO，DO 和XI產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)電壓比較器LM324進(jìn)行比較分別輸出低電平和高電平，這時(shí)指示燈D滅X 亮，信號(hào)經(jīng)過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)M1反轉(zhuǎn)。同理，BE 所受光強(qiáng)大于NA，BE 和NA 產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)電壓比較器LM324 進(jìn)行比較分別輸出高電平和低電平，這時(shí)指示燈B 亮N 滅，信號(hào)經(jīng)過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)M2正轉(zhuǎn)。

圖13 B、X 亮N、D 滅M1 反轉(zhuǎn)M2 正轉(zhuǎn)

如圖14，調(diào)節(jié)模擬光源使XI所受光強(qiáng)小于DO，DONG 和XI產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)電壓比較器LM324 進(jìn)行比較分別輸出高電平和低電平，這時(shí)指示燈D 亮X 滅，信號(hào)經(jīng)過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)M1 正轉(zhuǎn)。同理，BE 所受光強(qiáng)小于NA，BE 和NA 產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)電壓比較器LM324 進(jìn)行比較分別輸出低電平和高電平，這時(shí)指示燈B 滅N 亮，信號(hào)經(jīng)過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)M2反轉(zhuǎn)。

圖14 B、X 滅N、D 亮M1 正轉(zhuǎn)M2 反轉(zhuǎn)

如圖15，BE 所受光強(qiáng)等于NA，BE 和NA 產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)電壓比較器LM324 進(jìn)行比較后均輸出高電平，這時(shí)指示燈B 和N 都亮，同時(shí)信號(hào)送入直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D 但芯片無(wú)輸出，所以M2不轉(zhuǎn)。同理，調(diào)節(jié)模擬光源使XI所受光強(qiáng)等于DO，DONG 和XI產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)電壓比較器LM324 進(jìn)行比較都輸出高電平，這時(shí)指示燈D 和X 都亮，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片無(wú)輸出M1也不轉(zhuǎn)。

圖15 X、N、B、D 都亮M1、M2 都不轉(zhuǎn)動(dòng)

4 結(jié)論

本文的主要研究?jī)?nèi)容是太陽(yáng)光入射角光電檢測(cè)裝置。本系統(tǒng)為機(jī)電一體裝置，采用2 個(gè)電機(jī)雙維錯(cuò)位放置，通過(guò)控制板驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，最終達(dá)到跟蹤太陽(yáng)光線的目的。

(1)通過(guò)比較選擇了光敏電阻作為光電傳感器，用4 個(gè)光敏電阻連接成2 組電壓比較電路，實(shí)現(xiàn)判斷太陽(yáng)所在位置的功能，這樣可以大大簡(jiǎn)化電路。

(2)按照各部分電路的設(shè)計(jì)將電路元件焊接到制好的PCB 電路板上。聯(lián)合硬件、軟件、機(jī)械裝置來(lái)調(diào)試電路，最終實(shí)現(xiàn)檢測(cè)跟蹤的功能。

由于本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求比較高，還有很多地方存在著不足之處:在功能上需要更加完善:本系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置報(bào)警裝置，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)不能做出報(bào)警動(dòng)作，這樣也會(huì)影響系統(tǒng)的追蹤質(zhì)量。在機(jī)械裝置方面也存在問(wèn)題:機(jī)械裝置能夠帶動(dòng)太陽(yáng)板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是有限的，這樣也制約了追蹤的時(shí)間段。希望有更多的人參與到這項(xiàng)研究中來(lái)，性能好、精度高、低成本的太陽(yáng)光電檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)是我們的目標(biāo)［19］。

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