徐勝男，位浩杰，任學(xué)智，陳文娟

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島　266580)

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智能光跟蹤綜合演示儀的研制

徐勝男，位浩杰，任學(xué)智，陳文娟*

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島266580)

研制了一款基于C8051F021單片機(jī)控制的智能光跟蹤綜合演示儀。利用儀器自帶的LED光源系統(tǒng)，模擬不同角度和亮度的光源變化，通過三維光敏傳感器根據(jù)測得光強(qiáng)的大小，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并傳遞到單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制機(jī)械調(diào)整模塊調(diào)整裝置的位置，以找到光強(qiáng)最強(qiáng)的位置，完成光源的跟蹤定位，從而演示光跟蹤現(xiàn)象的工作原理。

光跟蹤；三維光敏傳感器；C8051F021單片機(jī)

光源跟蹤技術(shù)是一項(xiàng)高新實(shí)用技術(shù)，在很多領(lǐng)域尤其是太陽能設(shè)備上有著極其重要的應(yīng)用[1-2]。研制一款智能光跟蹤綜合演示儀，通過儀器自帶的LED光源系統(tǒng)，按照操作者的要求模擬不同的光源變化，從而模擬演示光跟蹤系統(tǒng)的工作原理。該演示儀可用于大學(xué)物理及相關(guān)課程的課堂教學(xué)演示，對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思維能力與創(chuàng)新能力有著十分重要的作用[3-5]。

1　智能光跟蹤綜合演示儀整體設(shè)計(jì)

智能光跟蹤綜合演示儀其核心部分主要由智能光跟蹤系統(tǒng)和LED光源控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，其中智能光跟蹤系統(tǒng)主要由三維光敏傳感器、機(jī)械調(diào)整模塊和單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成；LED光源控制系統(tǒng)主要由手持遙控器、紅外傳輸模塊、LED光源陣列和光源控制模塊構(gòu)成。系統(tǒng)工作時(shí)先通過遙控器選擇LED光源陣列的發(fā)光方式，數(shù)據(jù)通過紅外傳輸?shù)姆绞絺髦凉庠纯刂颇K并加以實(shí)現(xiàn)，LED光源陣列發(fā)光以后，三維光敏傳感器根據(jù)測得光強(qiáng)的大小，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并傳遞到單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)通過判斷從而控制機(jī)械調(diào)整模塊調(diào)整裝置的位置，以找到光強(qiáng)最強(qiáng)的位置，即完成光源的跟蹤定位。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1　智能光跟蹤綜合演示儀原理框圖

圖2　智能光跟蹤綜合演示儀

2　LED光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED光源控制系統(tǒng)主要由手持遙控器、紅外傳輸模塊、LED光源陣列和光源控制模塊構(gòu)成，其中光源控制模塊為本系統(tǒng)的核心，由單片機(jī)控制將紅外傳輸?shù)降男盘?hào)進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)變成不同的LED光源顯示組合。

2.1手持遙控器

為了方便操作，演示儀所使用的遙控器為基

于WD6122芯片的21鍵可編程紅外遙控器。該遙控器使用WD6122芯片，通用紅外遙控發(fā)射集成電路,采用CMOS工藝制造,最多可外接64個(gè)按鍵,并有三組雙重按鍵，封裝形式為SOP-24和SOP-20。通過自定義設(shè)定了LED光源的單個(gè)光源顯示和多個(gè)組合光源顯示模式，并可以人為的調(diào)節(jié)每個(gè)光源的亮度，以便于調(diào)整光強(qiáng)位置，同時(shí)還設(shè)置了光源自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式，無需人工遙控，光源即可在一定的時(shí)間內(nèi)自由轉(zhuǎn)換，這樣就可以更清晰的展現(xiàn)光跟蹤系統(tǒng)的工作過程。

2.2紅外傳輸模塊

紅外傳輸模塊采用新僑光電公司的VS1838紅外接收器為核心，其具有設(shè)計(jì)小型化、內(nèi)置專用IC、寬角度長距離接受、抗干擾強(qiáng)及低電壓工作等一系優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于視聽器材，家用電器及其他無線電器遙控產(chǎn)品上。VS1838內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測二極管、放大器、限幅器、帶通濾波器、積分電路、比較器等[6]。VS1838的應(yīng)用電路圖如圖3所示。

圖3　VS1838紅外傳輸模塊電路圖

2.3LED光源陣列

LED光源陣列的排列如圖4所示。

圖4　LED光源陣列分布

儀器頂部安裝了5個(gè)LED光源，其型號(hào)2WG4插針9頭5050LED燈泡，該型號(hào)單個(gè)LED燈泡亮度相當(dāng)于9W鹵素?zé)襞萘炼?，每個(gè)燈均可單獨(dú)控制，也可以組合控制，亮度也能在設(shè)定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過遙控器的調(diào)節(jié)組合，能產(chǎn)生數(shù)十種不同方向不同亮度的光源組合形式，完全滿足模擬光源變化的需要。

3　智能光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1三維光敏傳感器

光電傳感器已在信號(hào)檢測、光電準(zhǔn)直、光電對準(zhǔn)、光電自動(dòng)跟蹤、光電制導(dǎo)等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7]。本系統(tǒng)中的三維光敏傳感器正是基于光電傳感器設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)如圖5所示。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長在可見光附近，包括紅外線波長和紫外線波長[8]。工作時(shí)，光線通過三維光敏傳感器，使得4個(gè)光敏元件分別輸出光電流i1，i2,i3,i4(順時(shí)針)。由于電流的幅值較小，需要經(jīng)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓U1,U2,U3,U4,模塊將電壓型號(hào)傳遞到單片機(jī)，為進(jìn)一步的運(yùn)算判斷做準(zhǔn)備。

圖5　三維光敏傳感器

3.2單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)選用低功耗、高性能的CMOS八位微處理器C8051F021，片內(nèi)集成64K字節(jié)的可擦寫存儲(chǔ)器,4352字節(jié)的片內(nèi)RAM，4組I/O口,以流水線處理指令。C8051F021運(yùn)行

速度快，其上集成了8路12位A/D轉(zhuǎn)換器和8路8位A/D轉(zhuǎn)換器[9]。C8051F021的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/12C、UART、SPI、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)、定時(shí)器、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器WDT和時(shí)鐘振蕩器等[10]。三維光敏傳感器輸出的電流信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閁1，U2，U3，U4，此時(shí)我們定義UX，UY，如式(1)和式(2)所表示。

UX=U3-U1

(1)

UY=U4-U2

(2)

經(jīng)過單片機(jī)處理后得到UX，UY。表示三維光敏傳感器中心的偏離光線最強(qiáng)位置所產(chǎn)生的電壓，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使UX、UY趨近于零，實(shí)現(xiàn)對光源的高度角和方位角的實(shí)時(shí)跟蹤，其電路圖如圖6所示。

圖6　控制模塊電路模擬圖

3.3機(jī)械調(diào)整模塊

機(jī)械調(diào)整模塊由L298N專用驅(qū)動(dòng)集成電路和兩個(gè)不同平面的控制電機(jī)組成。L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，即內(nèi)涵二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)[11]。L298N用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而方便的受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)只需改變輸入端的邏輯電平即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的止轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)[12]。其電路圖如圖7所示。

控制電機(jī)的安裝如圖8所示，這樣的安裝方式保證了跟蹤裝置能在三維空間進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)，以便于捕捉光線最強(qiáng)位置。

圖7　L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

圖8　控制電機(jī)安裝示意圖

4　結(jié)　　論

設(shè)計(jì)的智能光跟蹤綜合演示儀目前已完成制作，并已應(yīng)用于中國石油大學(xué)(華東)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室的演示教學(xué)中，演示效果明顯。演示儀器的制作填補(bǔ)了國內(nèi)光跟蹤類演示儀器的空白，對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高課堂教學(xué)質(zhì)量，有著良好的積極意義。演示儀器已申請專利。

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Development of Colligation Demonstration Instrument for Smart Solar Tracking Techniques

XU Sheng-nan,WEI Hao-jie,REN Xue-zhi,CHEN Wen-juan

(China University of Petroleum,Shandong Qingdao 266580)

It developed a comprehensive demonstration instrument of smart solar tracking techniques based on C8051F021 single-chip microcomputer.Using LED illuminant system the part of instrument,the demonstration instrument can simulate the illuminant changes of different angle and different luminance.According to the measured light intensity,photosensitive sensor convert analog to digital quantity and pass to the single-chip microcomputer control system.So controlling module adjusts the device to point to a position of the strongest intensity.Thus the demonstration instrument complete tracking of illuminant and demonstrate smart solar tracking techniques.

solar tracking；photosensitive sensor；C8051F021 single-chip microcomputer

2016-03-06

中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)研究與實(shí)踐項(xiàng)目(QN201531)；中國石油大學(xué)(華東)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(JS201415)；中國石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目

1007-2934(2016)04-0074-04

O4-33

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.024

*通訊聯(lián)系人