采用數字照度傳感器的光源自動跟隨系統設計

謝維，葉如燕，朱青松

（1.北京電子科技職業學院，北京100176；2.北京工業大學，北京100124）

物聯網是通過射頻識別、無線傳感器網絡、全球定位系統等信息傳感設備，把物品與互聯網連接起來，進行信息通信與交換，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡，是前沿熱點研究領域之一。目前，物聯網中的各傳感節點基本都采用干電池或開關電源供電。雖然傳感節點功耗較低，但是干電池維持使用時間較短，實際物聯網項目測試中，2個1號堿性干電池至多使用1個月就需要進行更換，并且干電池是化學電池，對環境污染嚴重。相對于干電池來說，開關電源不會對環境造成污染，但需要有220V的交流輸入電壓，在一些供電不足的戶外環境中就不能使用。豐富的太陽輻射能是重要的能源，取之不盡、用之不竭且無污染，能夠被自由利用。然而，當前較低的光電轉換效率成為其發展的瓶頸，提高光伏發電效率及應用技術水平，是光伏領域的重要研究內容［1－4］。本研究通過保持太陽能電池板表面與太陽光線垂直，大幅提高發電功率，理論上比固定安裝的電池板轉換效率提高30%以上。本研究通過對太陽能的有效利用為物聯網傳感節點提供可靠能源，具有較高的理論意義和應用價值，實現節點在戶外環境下無需維護、無人值守、保證全天候工作［5－8］。

1 光源自動跟隨系統總體方案

該系統以STC12C5A60S2單片機作為控制器，利用單片機的模擬串口對4個數字光照度傳感器BH1710進行采集，得到4個方位的光照強度，進而控制相應方向電機電源的繼電器動作，控制雙軸電機運動，太陽能電池板提供給鋰電池充電能源，同時提供單片機和傳感節點工作電源，當外界光強不足時由鋰電池作為傳感節點的后備能源持續工作，工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理示意

2 光源自動跟隨系統的設計

2.1 光照傳感器模塊

照度傳感器BH1710FVC具有與人的視覺靈敏度相似的優良光譜靈敏度，檢測光照范圍大且功耗低，可以測量從黑暗到日光直射環境的寬范圍的照度，范圍為1～65 535lx。BH1710為16位串行數字輸出型環境光傳感器，采用I2C總線接口，可以便捷地與單片機系統進行通信。另外，BH1710內置待機功能，待機電流只有0.01μA，有助于便攜式電子機器朝低電流方向更進一步發展，其外圍應用電路如圖2所示。

圖2 BH1710外圍應用電路示意

BH1710為數字型照度傳感器，器件本身有三種精度模式：高精度、中精度和低精度。其中高精度分辨率為1lx，測量時間120ms；中精度分辨率為4lx，測量時間16ms；低分辨率為32lx，測量時間2.9ms。通過程序向BH1710發送不同控制指令，即可實現不同模式的選擇。

該系統設計采用上、下、左、右4個光照強度傳感器，分別測得4個方向上的光照強度，上下一組，左右一組，分別進行對比，當它們的光照強度達到一定差值后，電機就向著光照強度小的方向轉動，以達到最佳的收光狀態，其控制原理如圖3所示。

圖3 基于照度傳感器的控制原理示意

2.2 鋰電池充電模塊

僅讓光伏電池板轉到最佳位置還不足夠，光伏電池的輸出電壓和電流會隨著光照的不同而變化，采用最大功率點跟蹤方法保證每個光照時刻光伏電池組件輸出的功率都應為最大值。有光照情況下由光伏電池板對鋰電池充電，同時提供單片機和節點工作電流；無光照情況下由鋰電池單獨提供單片機和節點工作電流。

該設計采用CN3722對蓄電池進行充電，CN3722是一款可使用太陽能電池供電的PWM降壓模式充電管理集成電路，具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能。CN3722具有恒流恒壓充電模式，非常適合于單節或多節鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理。恒流充電電流由連接于CSP管腳和BAT管腳之間的電流檢測電阻RCS設置，在恒壓充電模式，恒壓充電電壓由外部電阻分壓網絡設置。鋰電池充電模塊原理如圖4所示。該電路中：M1為P溝道MOS管FDS4435；D1，D2為肖特基二極管SS33；電感L為22μH。

圖4 鋰電池充電模塊原理示意

3 實驗步驟及結果

該光源自動跟隨控制系統軟件流程如圖5所示。

圖5 光源自動跟隨控制系統軟件流程示意

太陽能電池板工作電壓17.5V，開路電壓21.5V。太陽能電池板輸出連接CN3722鋰電池充電模塊，輸出12.6V，對3個串聯的4.2V／4 000mAH的鋰電池充電。同時12.6V直流電壓經單相正弦波逆變電路轉換輸出220V交流電，繼電器驅動相應方向的交流電機。太陽能電池板當前的方向位置由1號、2號、3號、4號等4個照度傳感器BH1710檢測，分別代表上、下、左、右的光照強度，通過模擬串口輸入到單片機STC12C5A60S2的I／O口，軟件程序對水平和垂直方向的光強度差值做出控制，照度傳感器BH1710檢測精度較高，為防止電機干擾，采用了滯環控制方法，滯環控制區間值為0x22，當水平方向1號傳感器測得的光照強度小于3號傳感器則水平電機正轉，減小差值，相反則水平電機反轉以減小差值。同理，垂直方向也由2號與4號傳感器檢測控制，最后雙軸電機運動直至水平或垂直方向上的2個傳感器輸出基本一致，達到自動跟蹤陽光的效果。

4 結束語

該項目主要研究用于物聯網傳感節點的光源跟隨控制系統，通過單片機接收光照強度傳感器數據進行自動跟蹤控制，同時采用光伏電池的最大功率跟蹤技術，使光伏電池工作在最大功率輸出狀態，進一步提高太陽能量的利用率。研制的樣機可以基本實現其功能，實用價值較好，可推廣應用到環境監測、大棚種植監控等其他場合。

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