基于光敏電阻的太陽能板光源自動跟蹤演示裝置

李加定,萬若楠,曾慶瑞

(廣州城市理工學院 電子信息工程學院，廣東 廣州 510800)

在新工科建設背景下，加強課程知識融合，創新工程教育方式和手段已成為共識[1-2]. 大學物理實驗在工程教育中具有不可或缺的基礎性作用. 同時由于工科各專業學生將來從事工程設計、研發、制作等工作，其知識結構從專業訴求上偏向于應用，而當前大學物理實驗教學存在內容與專業知識脫節，導致學生的學習興致不高[2]. 為了破解這一矛盾，需要加強大學物理實驗課程與其他學科的專業知識融合，針對電子、通信、自動化等專業開設的大學物理實驗課程作出積極嘗試，將單一的基礎實驗改成基礎實驗+綜合創新實驗的方式，與單片機、傳感器技術等課程設計結合起來培養學生的綜合實踐能力[3-6].

“典型傳感器輸出特性研究與應用”是大學物理實驗課程常開設的實驗之一[7]，該實驗與工程類專業知識聯系緊密，是創新實驗常見的突破口與出發點. 本文從傳統的光敏電阻實驗出發，先設計了解光敏電阻的基本特性的實驗并介紹接入電路的方法，再設計并制作基于光敏電阻的太陽能板光源自動跟蹤演示裝置.

1 光敏電阻傳感器的基本特性和應用

基于電阻類傳感器設計出的方案和成果豐富多樣[8-9],例如基于溫度傳感器的溫控加熱裝置，基于位移傳感器的液面控制裝置，基于紅外光檢測的自動門裝置，等等. 本文以光敏電阻傳感器的設計方案為例.

1.1 光敏電阻傳感器的基本特性

了解光敏電阻的物理原理和基本參量，設計實驗方案測量光敏電阻在亮光、暗光等不同光照強度下的電阻值，測量電路如圖1所示. 其中，電源V0為12 V，RP為滑動變阻器，待測光敏電阻RT與標準電阻R0串聯，電壓表V通過單刀雙鍵開關K選擇測量RT或R0兩端的電壓，從而測量光敏電阻在不同電壓和光照情況下的阻值,結果如表1所示.

圖1 光敏電阻特性實驗電路

表1 光敏電阻伏安特性實驗數據

1.2 光敏電阻接入電路的常見方法

圖2是光敏電阻接入電路的常見方法，輸出電壓經過數模轉換后進入單片機，與電阻值成正比. 在接入前學生應先了解光敏電阻的初態電阻值，以及在受外界影響時電阻的變化范圍.

圖2 光敏電阻轉換電路

1.3 光敏電阻傳感器的簡單應用

利用光敏電阻模擬控制路燈“晚上亮燈、白天不亮”[10]. 實驗采用的光敏電阻T5528在亮光和暗光下的電阻為1 kΩ～1 MΩ，采用LED發光二極管模擬路燈，光敏電阻RT使用最大值為1 MΩ的可調電阻. 光照下，RT接近1 kΩ，LED不亮. 光照減弱時，RT電阻增加，當阻值增加到10%暗電阻大小時，三極管Q1的Vbe=0.675 V，集電極-發射極導通，LED燈亮(見圖3). 為實現此效果，需確定R1，R2和R4的阻值，利用Multisim軟件調試，結合市面常見的電阻器件阻值，并與RT，LED和Q1相匹配，當R1=47 Ω，R2=47 kΩ時可實現目標.

圖3 暗光自動亮燈實驗仿真電路圖

2 太陽能板光源自動跟蹤裝置的設計

2.1 設計思路與預期效果

在太陽能板4個方位安裝4個相同的光敏電阻，如圖4所示.

圖4 光敏電阻在太陽能板上的分布示意圖

當點光源置于正上方時，4個光敏電阻接收的光照強度一致，電阻相同，電機不工作. 當點光源以一定的角度斜入射到太陽能板，例如水平方向P1和P3接收光照強度不等，單片機采集到的電壓不同，驅使步進電機向電阻值減少的方向轉動，直到阻值相等，電機才停止轉動，隨后另一方位也執行相同操作. 這樣，不論光線由哪個方向入射，步進電機都會驅動云臺轉動，使太陽能板正對著光源，實現自動跟蹤效果.

2.2 硬件設計

包括光敏電阻、單片機、步進電機、太陽能板(配套充電與儲電裝置)和二維云臺等核心部件.

2.2.1 光敏電阻的選擇與接入電路設計

結合性價比和設計要求，選擇T5528型光敏電阻，轉換電路如圖5所示. 光敏電阻D1～D4與4個10 kΩ電阻串聯，D1～D4的電平通過PCF8591 模數/數模轉換芯片的4個模擬輸入口轉換成數字電壓后，傳給單片機處理.

圖5 光電轉換電路

2.2.2 步進電動機的選擇與驅動電路的構建

步進電機是將電脈沖轉化為角位移的執行機構，電機驅動電路接收到周期脈沖信號后，驅動電機正轉或反轉固定角度. 調節脈沖數量可調節角位移量，從而實現精準定位. 由于演示裝置的質量不大，5 V DC步進電機即可勝任，故選擇性價比較高的28BYJ-48型步進電機.

單片機P1.0～P1.3端口通過ULN2003驅動控制電機的藍粉黃橙4根接入導線，與其內部ABCD 4個線圈繞組連接(見圖6)，線圈采用1組與2組線圈交替勵磁，即為4-1-2相驅動. 單片機P1端口輸出表2中0x08→0x09的1組脈沖信號，表示電機正轉；反之，輸出0x09→0x08的脈沖信號，表示電機反轉.

圖6 步進電機接線電路圖

表2 步進電機驅動方式(4-1-2相驅動)

2.2.3 太陽能板充電與供電模塊

根據演示裝置需求，采用大小為110 mm×80 mm的太陽能板，由于太陽能輸出電量不穩定，需要先將電能經TP4056充電模塊存入到蓄電池，如圖7所示. 蓄電池的輸出電壓為3.7 V，若直接對外供電則不足以驅動步進電機，先經過TP4056供電輸出，加載DC-DC升壓模塊，將電壓提升到5 V. 其中，TP4056芯片在充電和供電過程中具有防止過充和溫度過高的保護措施，是太陽能板常見的必備器件[11].

圖7 太陽能板充電與供電電路

LM393芯片將蓄電池輸出電壓與參考電壓(本裝置設定4.0 V)進行比較，其中參考電壓由可調電阻設定，接入LM393的輸入“-”端. 當蓄電池輸出電壓低于參考電壓時，LM393輸出低電平，綠燈亮，表示可正常充電；過充時，蓄電池的電壓高于參考電壓，紅燈亮，綠燈熄，從而達到提示效果.

2.2.4 單片機主控電路

控制芯片采用 STC89C52RC單片機. 其中，單片機P0.0～P0.1端口接光敏電阻，用于采集信號；P1.0～P1.7接步進電機，驅動ULN2003；P0.2～P0.6接按鍵電路輸入(1個為主控開關，4個為方位開關)，可供手動模式調節電機轉動. 另外，還有顯示工作狀態的LED，以及其他必要的電路，如下載接口、時鐘電路和復位電路.

2.3 軟件設計

據前面分析，太陽能板有手動與自動2種模式，其中自動模式流程如圖8所示. 電阻比較由2個電阻上對應的電壓比較而來，電機轉動1周期即為單片機P1口輸出的脈沖信號控制電機轉動一定的角度.

圖8 自動模式的軟件流程圖

2.4 實物制作

太陽能板光源自動跟蹤演示裝置的云臺3D模型如圖9所示，實物如圖10所示. 整個裝置由太陽能板、二維電動云臺(又稱舵機云臺)和電路板主要部件構成. 其中二維電動云臺自行制作完成，包括：墊板、左右壓板、側板、同向扣、夾板(各2塊)、電機左右支架板(3塊)、電機帶動板、電機固定板、底部和控制板固定支架(各4個)、底板(面積為220 mm×170 mm)和電機(2臺)，整個模型的質量約700 g.

圖9 二維自由旋轉平臺的3D模型圖

圖10 太陽能板光源跟蹤演示裝置實物圖

3 調試效果

設計本裝置的目標是太陽能板跟蹤光源轉動，時刻對準光源方向，接收最大光照. 分別測試了手動與自動模式下的調節效果. 手動模式下，通過4個方位按鍵控制步進電機轉動，根據調試結果，其中最大俯仰轉角為175°，水平轉角為360°. 自動調節模式下，通過主控開關按鍵開啟，使用手機光源或手電筒光源照射太陽能板，均能實現太陽能板自動對準光源，達到設計要求.

若要光源跟蹤裝置演示效果明顯，裝置從初始狀態轉動到對準光源狀態所需時間間隔(響應完成時間)非常重要. 為此，進行了實驗測試，在自動模式下暗光環境中，手機光源距離太陽能板約30 cm處，從5個不同位置照射太陽能板，采用秒表計時，測得響應完成時間如表3所示.

表3 光源跟蹤裝置不同位置的響應完成時間

可見，該裝置能在6 s內完成轉向對準光源，先水平角方位轉動，后俯仰角方位轉動，中間停頓約1 s. 在白天室內環境，遮窗關燈，排除強光源干擾，手機光源照射時本裝置也能響應轉動并對準手機光源，滿足演示需求.

4 結束語

在現有大學物理實驗的基礎上，打破學科界限，強調綜合創新運用[12]. 在此背景下，設計并制作了太陽能板光源自動跟蹤裝置，作為教學演示裝置，其物理原理清晰，演示效果明顯. 作為由基礎物理實驗向電子電工實踐過渡的實驗課程設計案例，有積極的教學參考價值. 其循序漸進的實驗過程能幫助學生克服從理論到實踐的心理障礙，交叉融合知識，提高學生的學習興趣.