歐陽輝，李澤滔，杜嘉明

(貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著新能源的發(fā)展，越來越多的人開始關(guān)注這一行業(yè)。太陽能是人們最早接觸找的新能源，但是現(xiàn)在太陽能電池板大多都固定在一個方向使得太陽能的利用率不高［1］。本設(shè)計可以拓展為太陽能發(fā)電的自動跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能自動根據(jù)太陽光方向來調(diào)整太陽能電池板朝向，而且在跟蹤過程中能自動記憶和更正不同時間的坐標位置，不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

控制電路以單片機為核心，能夠?qū)Σ杉哪M信號進行處理和判斷對步進電機實現(xiàn)控制［2］。系統(tǒng)通過傳感器采集太陽光并將其轉(zhuǎn)化成單片機能夠識別的信號，通過單片機處理信號并進行判斷，步進電機控制電路根據(jù)單片機傳出的信號轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)組成以單片機STC12C5A60S2為核心，光強度檢測模塊，時鐘模塊，步進電機控制電路模塊。傳感器采用光敏電阻，STC12C5A6S2單片機自帶10位A/D，能夠識別模擬信號。并采用光強度檢測電路測量，以光敏電阻傳感器［3］作為測量元件，構(gòu)成光電測量模塊。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)核心控制

本系統(tǒng)的核心控制器由兩塊STC12C5A60S2［4］組成。單片機1對通過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作出判斷與比較，在P2口發(fā)出信號與單片機2通信，如圖2。單片機2通過接收單片機1的P2口發(fā)出的信號作出判斷控制水平與豎直方向上的電機運作以求太陽能板正對光線。

圖2 單片機通訊連接圖

2.2 光強度檢測模塊

比較控制式太陽跟蹤裝置。設(shè)置一個直筒形外殼，在直筒外部，東、南、西、北四個方向上分別布置4只光電阻，如圖3。

圖3 光敏電阻分布圖

其中一對光敏電阻［5］(PI，P3)東西對稱安裝在直筒的兩側(cè)，用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角;另一對光電阻(PZ，P4)南北對稱安裝在直筒的兩側(cè)，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角;在直筒內(nèi)部，東、南、西、北四個方向上也分別布置4只光電阻;其中一對光電阻(PS，P7)東西對稱安裝在直筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度;另一對光電阻(P6，PS)南北對稱安裝在直筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽的高度。其電路圖如圖4所示。

圖4 光敏電阻電路圖

2.3 步進電機模塊

本文選用的是28BYJ-48步進電機，額定電壓5 V，相數(shù)為4，步距角 5.625/64，減速比 1∶64。電機線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，電機示意圖如圖5所示。

圖5 電機示意圖

步進電機的主要特性:

1)步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度(稱為步角)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。

2)28BYJ48是減速步進電機，減速比為1∶64，步進角為5.625/64°。如果需要轉(zhuǎn)動1圈，那么需要360/5.625×64=4 096個脈沖信號。

3)步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。

4)改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。

各線圈通電順序如表1所示。

表1 電機相序表

相順序從0到1稱為一步，電機軸將轉(zhuǎn)過5.625°，四相四拍為0-1-2-3則稱為通電一周，若循環(huán)進行這種通電一周的操作，電機便連續(xù)的轉(zhuǎn)動起來，而進行相反的通電順序如3-2-1-0將使電機同速反轉(zhuǎn)。同理四相八拍的通電順序為AAB-B-BC-C-CD-D-DA-A(本設(shè)計用的是四相八拍)。通電一周的周期越短，即驅(qū)動頻率越高，則電機轉(zhuǎn)速越快，但步進電機的轉(zhuǎn)速也不可能太快，因為它每走一步需要一定的時間，若信號頻率過高，可能導致電機失步，甚至只在原步顫動［6］。

2.4 電機驅(qū)動模塊

本文采用單片機STC12C5A60S2對該四線八相制步進電機進行控制。通過I/O口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過特定芯片驅(qū)動步進電機［7］。選用ULN2003構(gòu)成步進電機的驅(qū)動電路。

ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成。ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7 K的基極電阻，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500 mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50 V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 電機驅(qū)動電路

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計，程序采用C語言進行設(shè)計，編譯環(huán)境為Keil uVision4。程序中主要有以下幾個主要子程序:主程序，初始化、采集、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)程序，電機驅(qū)動控制程序［8］。轉(zhuǎn)換過程中光敏電阻的采光是時時變化的，所以A/D通道的數(shù)據(jù)比較過程會有一定波動，如不加閥值比較則會致使電機不停工作，最后太陽能板無法準確對光。在閥值的選定上，通過實物測試，最后選定在+5(-5)。這個閥值既能保證數(shù)據(jù)比較的準確性又能保證電機的正常運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)軟件主要流程圖如圖7。

圖7 軟件流程圖

3 結(jié)束語

本文通過兩片STC12C5A60S2分別控制數(shù)傳感器信號的采集與比對和電機驅(qū)動控制電路實現(xiàn)了點光源的自適應(yīng)控制。同時又利用STC12C5A60S2內(nèi)部計時器，節(jié)約了大量資源。在進行實驗后，本設(shè)計的各方面的性能均能達到設(shè)計前的要求，對太陽能板實時跟蹤太陽具有一定的意義，具有一定的推廣價值。

［1］ 琪琳，吳曉鳳.基于ARM的光源跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電子測試，2011(02):61-64

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［3］ 金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機械工程出版社，2012:11-14

［4］ 宋鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機高速A/D轉(zhuǎn)換方法［J］.煤礦機械，2010(06):219-221

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［6］ 劉寶志.步進電機的精確控制方法研究［D］.山東:山東大學碩士論文，2010

［7］ 林敏，等.計算機控制技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:國防大學出版社，2009.1

［8］ 郭天祥.新概念51單片機C語言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009