基于單片機的矩陣式太陽敏感器設計

仉英旭++徐濤++劉其然

摘 要： 矩陣式太陽敏感器系統是精度高、測量信息量大并能快速處理的敏感系統。文章設計的矩陣式太陽敏感器，利用光敏電阻作為敏感元件，將光敏電阻排列成4×4矩陣，采用狹縫式光學頭部，同時采集到兩個軸姿態夾角的數字信息；利用ADC0809對光敏電阻的信號進行模數轉換，由單片機STC89C52實現數據的采集和處理，將結果在LCD液晶顯示器顯示，同時通過串口將結果傳輸到上位機。實驗結果表明，該太陽敏感器具有一定的精度，在一定范圍內能夠滿足太陽的角度測量。

關鍵詞： 太陽敏感器； 光敏電阻； 單片機； ADC089； LCD

中圖分類號：TP216 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）03-01-03

Matrix sun sensor design with MCU

Zhang Yingxu， Xu Tao， Liu Qiran

（Dept. of Automation， Shenyang Aerospace University， Shenyang， Liaoning 110136， China）

Abstract： Matrix type sun sensor system is a sensitive system with high precision， high measurement information and fast processing. In this paper， the designed matrix sun sensor using photo-resistors as the sensitive element， the photo-resistors are arranged in a 4×4 matrix， the slit type optical head is used to acquire the digital information of two-axis attitude angle； The ADC0809 converts the analog signals to digital signals； The microcontroller unit （MCU） STC89C52 is used to process the signal and output the sensing results to LCD unit. Meanwhile， the results are transferred to the PC by serial port. The experimental results show that the sun sensor has a certain precision， can meet the sun's angle measurement in a certain range.

Key words： sun sensor； photo-resistor； MCU； ADC0809； LCD

0 引言

作為航天器姿態控制系統中的重要測量部件，太陽敏感器一直是航天領域應用最廣泛的敏感器之一，所有衛星都配備太陽敏感器實現太陽的角度測量，以調整其太陽能電池板對準太陽光。基本原理是通過測量太陽光線與衛星某一體軸之間的夾角，確定太陽在敏感器本體坐標系中的位置，再通過坐標矩陣變換得到太陽在衛星本體坐標系中的位置，實現衛星的姿態控制[1-5]。目前，太陽敏感器主要包括0-1式、模擬式和數字式三種。其中，0-1式又稱為太陽發現探測器，發現太陽即輸出階躍信號，用于衛星的粗定姿；模擬式太陽敏感器又稱為余弦檢測器，多采用光電池作為其傳感器器件，輸出信號強度與太陽光的入射角度余弦成比例[6-7]；數字式太陽敏感器通過計算太陽光線在探測器上的相對中心位置偏差來計算太陽光的角度，主要包括CCD和CMOS兩種：CCD太陽敏感器主要包括線列CCD太陽敏感器和面陣CCD式太陽敏感器[8-11]，而CMOS數字式太陽敏感器主要是面陣式[12-14]。另外，隨著MEMS（微機電系統）技術的發展，太陽敏感器也設計了微型的傳感器系統[13，15]。

本文使用低成本的光敏電阻作為敏感元件，以單片機為核心設計了矩陣式的太陽敏感器，實現了光敏電阻矩陣信息的采集、轉換、處理、顯示，并設計了與上位機的串口通信接口。

1 矩陣式太陽敏感器原理

將光敏電阻排布成為矩陣，考慮將光敏電阻間的間距設定為3cm，光學頭部距離光敏電阻矩陣距離為1.5cm，為了檢測到盡可能多的光照，將十字交叉的兩條狹縫斜開于光學頭部上，將太陽光垂直穿過光學頭部照射到光敏電阻的情況設為垂直方向90?，以右側方位為水平0?方向，得到光線穿過光學頭部狹縫交叉點照射在光敏電阻矩陣平面上的不同位置36種，通過測量不同光照角度可以計算出36種太陽光入射光線在水平和豎直方向的角度，即36種衛星相對于太陽的光學姿態信息。光敏電阻位置及36種光照情況狹縫交點位置如圖1所示。

圖1 光敏電阻位置及36種光照情況狹縫交點位置

矩陣式太陽敏感器的光學頭部采用狹縫式，當太陽光照射到敏感器時，光線穿過光學頭部照射到與其對應入射角度的光敏電阻上，阻值變化顯著；而其他光敏電阻由于光學頭部的遮擋而沒被光直射，其電阻值不會發生明顯變化。

2 光學敏感單元設計

太陽敏感器的光學頭部可以分為狹縫式、小孔式和棱鏡式等。設計初期考慮過小孔式光學頭部，因為小孔式光學頭部遮光性好，可以保證光學頭部內部的黑暗程度，防止過多光源進入而影響其他光敏電阻矩陣。但考慮到本次設計僅僅采用4×4共16個光敏電阻，數量較少，間隙較大，如果采用小孔式光學頭部，會出現許多光線照射不到光敏電阻上的情況，這會給矩陣式太陽敏感器的應用帶來很大的不足。所以，本次設計采用狹縫式光學頭部。考慮到如果狹縫的方向與光敏電阻排列的方向一致，那么光照情況就分為4行4列，共16種光照情況，這樣設計，能夠檢測到太陽的光學姿態角度情況較少，無論是角度范圍還是精度都比較低。所以，本次設計最終選擇采用傾斜開狹縫的方式制作光學頭部，這樣橫縱兩個方向都會由原來的4種情況變為6種情況，相對應的太陽的光學姿態角度情況也從16種增長到36種，在角度的范圍和精度上都有很大的提高。光學頭部如圖2所示。

圖2 光學頭部

3 系統硬件總體設計

矩陣式太陽敏感器的信號處理部分采用STC89C52單片機和ADC0809模數轉換器實現。ADC0809模數轉換器是8位A/D轉換器，有8路輸入通道，由于傳感器采用4×4光敏電阻矩陣，共有16個輸入端，所以本次設計采用兩塊ADC0809模數轉換器對傳感器采集到的數據進行轉換，并將轉換結果傳輸到STC89C52單片機進行數據處理，同時用LCD1602液晶顯示器顯示處理后測得的太陽角度，即載體相對于太陽的姿態角度，并將角度通過RS232接口上傳到上位機。其硬件方案系統框圖如圖3所示。

[太陽光][光學頭部][光敏電阻矩陣][ADC0809][52

單

片

機＼&][LCD液晶模塊顯示] [RS232接口上傳]

圖3 硬件方案系統框圖

4 系統軟件總體設計

矩陣式太陽敏感器系統采用光敏電阻矩陣作為敏感元件，檢測太陽光穿過光學頭部的光線。當光線照射到光敏電阻時，其電阻值將會減小，光敏電阻分得電壓值也會隨之減小。此時通過ADC0809讀取各個光敏電阻電壓變化獲取太陽光照射情況。單片機啟動A/D轉換芯片，將ADC0809讀取并轉換后的數據傳輸到單片機中，單片機對接收到的數據進行分析處理，根據光敏電阻電阻值的變化經標定、比較，最終判斷出太陽光的入射角度，最終將檢測到的結果用液晶模塊LCD1602顯示，同時按照串口通信協議將結果通過串口發送至上位機。其系統軟件流程圖如圖4所示。

[開始][單片機初始化][LCD初始化][光敏電阻矩陣數據采集][啟動A/D轉換] [讀取單片機轉換后的值][數據角度變化][LCD顯示角度信息][角度信息上傳到上位機][結束]

圖4 系統軟件流程圖

5 系統標定

完成光學頭部的制作后，利用實驗轉臺對設計的36種光照情況進行標定，修改程序的顯示結果，令LCD1602液晶顯示器顯示太陽光入射的兩個維度的角度。標定后，為了顯示數據的準確性，利用36種情況光線通過狹縫交點照射的位置，光敏電阻間距離和光學頭部的高度來計算入射光的角度，用標定值結合理論計算值確定更為準確的測量結果。36種特定編號數組序號所對應的角度如表1所示。

6 結束語

本文設計的矩陣式太陽敏感器系統可以同時測量太陽光兩個軸姿態夾角的數字信息，在水平方向的檢測范圍是0?～333?，測試精度約為15?；在豎直方向的檢測范圍是15?～45?以及90?，測試精度大約為1?。該系統能把光敏電阻采集到的數據進行快速處理，使測量更為簡便快捷，相對成本也比較低。

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