雙軸步進(jìn)電機(jī)光源跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁伯圣

【摘 要】本文闡述了利用PIC886單片機(jī)為主控芯片，分別連接兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，載著光敏電阻與太陽能板達(dá)到尋光的目的，使太陽能板調(diào)節(jié)自身角度始終垂直于太陽光照射方向，從而提高設(shè)備工作效率。

【關(guān)鍵詞】點(diǎn)光源跟蹤;光敏傳感器;步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號： TM383.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）18-0015-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.007

Design of Light Source Tracking System for Two-Axis Stepping Motor

DING Bo-sheng

（Dongfeng Electrical ?Technology Co.，ltd.Anhui，Hefei Anhui 231202，China）

【Abstract】This paper describes the use of PIC886 microcontroller as the main control chip，connecting two stepper motors，carrying photoresistors and solar panels to achieve the purpose of seeking light，so that the solar panels adjust their own angle perpendicular to the direction of sunlight illumination，thereby improving the efficiency of the equipment.

【Key words】Point source tracking;Photosensitive sensor;Stepping motor

0 引言

光源跟蹤是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的實(shí)用技術(shù)，將該技術(shù)應(yīng)用于太陽能設(shè)備上，能使太陽能板調(diào)節(jié)自身角度始終垂直于太陽光照射方向，從而提高設(shè)備工作效率，如何對太陽能進(jìn)行更好地利用對緩解能源危機(jī)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。近些年來隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，越來越多的跟蹤手段也被研究出來，例如圖像定位跟蹤和旋轉(zhuǎn)電流跟蹤等。本設(shè)計(jì)利用PIC886單片機(jī)為主控芯片，分別連接兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分為自動與手動模式，載著光敏電阻與太陽能板達(dá)到尋光的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用光敏電阻采集光強(qiáng)通過自身阻值改變[4]，對應(yīng)輸出電壓模擬量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入PIC886單片機(jī)為主控芯片，由單片機(jī)引腳分別連接兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)載著光敏電阻與太陽能板達(dá)到尋光的目的。尋光的模式分為自動與手動模式。太陽光經(jīng)過太陽能板與充電管理模塊后給鋰電池進(jìn)行充電，并對整個(gè)電路進(jìn)行供電。本系統(tǒng)硬件主要有：PIC886單片機(jī)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動模塊、光敏電阻模塊、電源管理模塊、太陽能充電模塊、AD轉(zhuǎn)換電路。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 PIC886單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PIC886單片機(jī)模塊包括電源電路，復(fù)位電路，晶振電路等組成[5]。復(fù)位電路功能為芯片設(shè)置一個(gè)初始狀態(tài)，便于觀察整個(gè)電路的初始狀態(tài)。晶振電路由一個(gè)晶振和兩個(gè)電容組成，提供單片機(jī)所需要頻率。

2.2 步進(jìn)電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。本設(shè)計(jì)將來自AD轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號，再由單片機(jī)的八個(gè)I/O口控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動的角度與方向。

2.3 光敏電阻模塊設(shè)計(jì)

光敏電阻器是利用相關(guān)光感效應(yīng)的半導(dǎo)體元器件制作而成的，隨著入射光增大，電阻阻值減小，入射光減小，電阻阻值增大。光敏電阻都是形似薄片的結(jié)構(gòu)，使相關(guān)的受光面積增強(qiáng)，用于盡可能多的光能。當(dāng)其受到入射光的照射時(shí)，光敏電阻內(nèi)部產(chǎn)生空穴對，使光敏電阻內(nèi)部的電流增強(qiáng)。光敏電阻的內(nèi)部構(gòu)造呈梳狀，是為了獲得更高的靈敏度精確度。光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片和電極等組成的。本設(shè)計(jì)由光敏電阻采集光強(qiáng)改變自身阻值，所得電流模擬量，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量，輸入單片機(jī)進(jìn)行比較運(yùn)算。

2.4 電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源管理模塊包含升壓模塊、過壓保護(hù)模塊、充電管理模塊等組成。主要完成太陽能給鋰電池充電，電源升壓供硬件電路使用及過壓保護(hù)功能。

2.5 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

AD轉(zhuǎn)化模塊是跟蹤系統(tǒng)的核心模塊，主要功能為：將光敏電阻的模擬量信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字信號，共處理器進(jìn)行數(shù)字信號處理。系統(tǒng)先起動總線函數(shù)，功能為啟動I2C總線。首先發(fā)送起始條件的數(shù)據(jù)信號，起始條件建立時(shí)間大于4.7us，延時(shí)，發(fā)送起始信號，起始條件鎖定時(shí)間大于4us時(shí)，鉗住I2C總線，供總線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

總線結(jié)束函數(shù)功能為結(jié)束I2C總線，把總線資源讓出給其他外部設(shè)備使用。I2C結(jié)束條件為首先發(fā)送結(jié)束條件的數(shù)據(jù)信號，然后發(fā)送結(jié)束條件的時(shí)鐘信號，結(jié)束條件建立時(shí)間大于4us，發(fā)送I2C總線結(jié)束信號。

字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)功能為將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)可以是地址，也可以是數(shù)據(jù)，發(fā)完后等待應(yīng)答信號，并對此狀態(tài)位進(jìn)行操作，發(fā)送數(shù)據(jù)正常，將標(biāo)志位置1，數(shù)據(jù)不正常或未接收到應(yīng)答數(shù)據(jù)則置標(biāo)志位為0.。本系統(tǒng)程序中，利循環(huán)設(shè)定要長度為16位傳送的數(shù)據(jù)，然后置高時(shí)鐘線，開啟數(shù)據(jù)接收模式，在保持時(shí)鐘信號高電平大于4us，當(dāng)發(fā)送完16位數(shù)據(jù)后釋放I2C總線，準(zhǔn)備接收應(yīng)答信號，最后判斷是否接收到應(yīng)答信號。

字節(jié)數(shù)據(jù)接收函數(shù)，功能為用來接收從外部設(shè)備發(fā)送來來的數(shù)據(jù)，并判斷總線錯(cuò)誤，發(fā)完后應(yīng)答從機(jī)。

應(yīng)答子函數(shù)功能為處理器進(jìn)行應(yīng)答信號。利用判斷語句，判斷在此發(fā)出應(yīng)答或非應(yīng)答信號，設(shè)定時(shí)鐘低電平周期大于4us，最后清時(shí)鐘線，鉗住I2C總線以便繼續(xù)接收。

3 軟件設(shè)計(jì)

本次程序設(shè)計(jì)分為PIC單片機(jī)主程序與AD轉(zhuǎn)換程序兩個(gè)部分。其中，主程序包含單片機(jī)控制程序與數(shù)字信號計(jì)算程序，AD轉(zhuǎn)換程序包含模擬信號的接收、轉(zhuǎn)換與輸出，軟件子程序模塊主要有主函數(shù)模塊、單片機(jī)初始化模塊按鍵讀取子函數(shù)、模式切換函數(shù)、AD轉(zhuǎn)換子程序、伺服電機(jī)控制子程序、PID算法子模塊等，流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

為驗(yàn)證上述跟蹤系統(tǒng)的功能及伺服電機(jī)隨動特性，本方案進(jìn)行了系統(tǒng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，硬件調(diào)試、軟件編程等工作來搭建雙軸步進(jìn)電機(jī)光源跟蹤樣機(jī)。將實(shí)物裝上3.7V鋰電池，系統(tǒng)默認(rèn)為自動模式，并通過相應(yīng)的LED點(diǎn)亮進(jìn)行顯示;按下中間的獨(dú)立按鍵可切換為手動模式，自動模式下可用激光筆照射光敏電阻，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動是分步轉(zhuǎn)動的。脈沖的個(gè)數(shù)是用來控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量的，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動與停止做到精準(zhǔn)定位，通過單片機(jī)控制脈沖的頻率，從而來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)在無超載的情況下，其不受其負(fù)載變化的影響，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與停止位置僅僅取決于脈沖信號的頻率與數(shù)量，所以只要直接通過控制程序，設(shè)定電機(jī)的頻率和數(shù)量，就能達(dá)到控制電機(jī)的目的。通過四個(gè)獨(dú)立按鍵來控制而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于PIC886單片機(jī)的控制系統(tǒng)，采用入射光的強(qiáng)度啟動自動追蹤模式，提高了系統(tǒng)的追蹤精度。系統(tǒng)建立后進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明雙周步進(jìn)電機(jī)光源跟蹤系統(tǒng)能準(zhǔn)確穩(wěn)定地跟蹤太陽光的入射方向，加入了手動按鍵調(diào)試方案后系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作靈活，具有一定實(shí)用價(jià)值。

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