楊 斌

（廣東東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 佛山 528225）

0 引言

隨著資源消耗不斷上升，發(fā)現(xiàn)新能源，提高資源的利用率是一個(gè)關(guān)鍵的問題。太陽能是一種大自然本身具有的可再生能量，用之不盡且沒有污染，合理的使用太陽能可以很好的解決資源方面的問題[1]。目前市場上大部分的太陽傘功能單一，而且隨著太陽的移動(dòng)，有部分位置無法遮陰[2]。少部分電動(dòng)傘，在原有的基礎(chǔ)上添加了太陽板，用太陽板進(jìn)行收集陽光，并把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)還裝有干電池用于儲(chǔ)能，當(dāng)太陽光不夠強(qiáng)烈時(shí)會(huì)進(jìn)行電能補(bǔ)充，但是太陽板固定，利用效率不高[3]。智能節(jié)能太陽傘，一方面利用太陽提供能量，另一方面為人們遮陽避暑以及提供一些便利的功能如：手機(jī)充電，風(fēng)扇散熱等[4]。以上功能，均由太陽能作為唯一能源進(jìn)行提供，并且不會(huì)產(chǎn)生任何的污染成分，綠色，環(huán)保。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)由控制模塊、光照檢測模塊、執(zhí)行模塊、溫濕度檢測模塊、散熱模塊、電燈模塊、電源模塊等組成。其中，控制模塊最小系統(tǒng)由四部分組成：STM32F103芯片[5]、復(fù)位電路、供電電路、晶振電路；檢測模塊主要由4個(gè)光敏電阻及其外圍電路構(gòu)成；執(zhí)行模塊主要包括舵機(jī)和所需的驅(qū)動(dòng)電路；溫濕度檢測模塊主要由DHT11溫濕度傳感器和外圍電路構(gòu)成；散熱模塊由風(fēng)扇和外圍電路構(gòu)成；電燈模塊由一個(gè)LED燈管和繼電器等外圍電路構(gòu)成。

接收到陽光時(shí)，4個(gè)光敏電阻會(huì)產(chǎn)生不一樣的電阻，電阻小的方向與太陽光線的方向相同，因此，本系統(tǒng)采用光敏電阻檢測太陽照射下產(chǎn)生電阻的差值，可以精確定位太陽相對位置[9-10]。當(dāng)光線直射到光電傳感器（4個(gè)光敏電阻）時(shí)，他們的左右、上下差值會(huì)趨近 0，從此可以通過舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來判斷此時(shí)太陽光的位置。

電器部分采用自動(dòng)控制，通過STM32單片機(jī)控制光敏傳感器來判斷太陽的方向并且自動(dòng)定位瞄準(zhǔn)太陽，對太陽進(jìn)行持續(xù)的跟蹤和對太陽光高效率的利用。同時(shí)通過溫度傳感器、光敏傳感器等傳感器收集數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度高于設(shè)定的24 ℃時(shí)，進(jìn)而控制風(fēng)扇的打開，當(dāng)光敏檢測到光線暗時(shí)，小燈打開。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 overall system design block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中最為重要的地方，相當(dāng)于人類的大腦，一旦控制系統(tǒng)不能正常工作，其它外圍電路以及一些傳感器都無法工作，所以說設(shè)計(jì)中最為重要的地方就是對于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最小系統(tǒng)由 STM32F103 芯片、供電電路、復(fù)位電路、晶振電路四部分組成。

2.2 舵機(jī)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇LD-27MG數(shù)字舵機(jī)[6]。其具體參數(shù)為：（1）尺寸：40×20×40.5 mm；（2）速度：0.16 sec/60° 7.4 V；（3）工作電壓：5-7.4 V。

該舵機(jī)的額定電壓為 6 V，空載電流為100 mA，有超大的扭力，扭矩為20 kg·cm，可以實(shí)現(xiàn)雨傘的移動(dòng)，精度高，虛位小，有三條接線口，分別為信號線、電源正極線、地線，因此接線比較容易。

其中舵機(jī)原理圖如圖2所示。

圖2 舵機(jī)模塊電路Fig.2 steering gear module circuit

2.3 光照檢測模塊設(shè)計(jì)

光敏傳感器使用時(shí)，要通過對光照敏感的電子元件將光信息變成電子數(shù)據(jù)，對于不同顏色的光，檢測到的數(shù)據(jù)信息是不同的，還能實(shí)現(xiàn)許多檢測功能[7]。本設(shè)計(jì)的光照信息采集模塊主要應(yīng)用光敏電阻的工作原理制作而成，在不同的光照情況下，檢測到的信息不同，傳感器的輸出為高電位，轉(zhuǎn)換信號，將數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將根據(jù)程序執(zhí)行檢測任務(wù)。

光照檢測傳感器結(jié)構(gòu)仿真如圖 3所示。用光照檢測傳感器（4個(gè)光敏電阻）產(chǎn)生電壓的差值并通過單片機(jī)處理來確定太陽能利用裝置與太陽的水平相對位置。光照檢測傳感器檢測電路主要由光電傳感器、電阻、復(fù)位按鈕以及STM32芯片里的內(nèi)置ADC組成[8]。

圖3 光照檢測傳感器結(jié)構(gòu)仿真Fig.3 structure simulation of light detection sensor

2.4 溫濕度傳感器DHT11設(shè)計(jì)

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器由電阻式感濕元器件和NTC測溫元件組成[9]，輸出的是數(shù)字信號。為確保傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，使用了一種特殊技術(shù)來確定溫度和濕度以及數(shù)字采集，每個(gè)傳感器都將被精確校準(zhǔn)，并編寫成程序使得校準(zhǔn)系數(shù)存在OTP內(nèi)存中[10]。產(chǎn)品的封裝僅為4個(gè)引腳，連接方便，采用單線串行接口，這樣簡單快捷的讓系統(tǒng)進(jìn)行集成，同時(shí)還擁有體積小、功耗低、信號傳輸距離較遠(yuǎn)、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。

電源引腳：該溫濕度傳感器的工作電壓在3-5.5 V之間，在上電1 S后，才能發(fā)送任何指令，因?yàn)?S前是不穩(wěn)定狀態(tài)。如果電源引腳部分有雜波，可通過增加一個(gè)電容進(jìn)行濾波。

串行接口（單線雙向）：單片機(jī)和 DHT11傳感器的數(shù)據(jù)通訊是同步的，通過單總線數(shù)據(jù)模式，傳輸一次數(shù)據(jù)（分?jǐn)?shù)+整數(shù)）的時(shí)間大約是4 MS。

原理圖接線如圖4所示。

圖4 溫濕度電路模塊Fig.4 temperature and humidity circuit module

2.5 風(fēng)扇設(shè)計(jì)

這部分采用繼電器加12 V的電腦散熱風(fēng)扇。繼電器有三個(gè)點(diǎn)，一個(gè)可以動(dòng)（點(diǎn) 3）和兩個(gè)靜止不動(dòng)（點(diǎn)1和點(diǎn)2）。當(dāng)線圈失電時(shí)，點(diǎn)3和點(diǎn)1接觸，此時(shí)電路斷開，不給風(fēng)扇通電；當(dāng)線圈通電時(shí)，點(diǎn)3立刻和原來接觸點(diǎn)1斷開，從而打到點(diǎn)2位置，此時(shí)風(fēng)扇的電路為通路，風(fēng)扇打開。利用這一原理，可以有效的保護(hù)電路的安全，提高安全性和穩(wěn)定性。

原理圖接線如圖5所示。

圖5 風(fēng)扇電路模塊Fig.5 fan circuit module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件所使用的開發(fā)環(huán)境為Keil uVision5，編寫設(shè)計(jì)采用的語言為C語言。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的功能：

（1）通過光敏電阻檢測到光照強(qiáng)度；

（2）實(shí)現(xiàn)太陽定位和跟蹤；

（3）根據(jù)光照強(qiáng)度控制電燈的開閉；

（4）根據(jù)檢測到的溫濕度值進(jìn)而控制散熱模塊的運(yùn)行。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

首先，單片機(jī)上電后先進(jìn)行一系列的初始化，對系統(tǒng)的時(shí)鐘等進(jìn)行初始化，然后接下來開始執(zhí)行主程序，進(jìn)而調(diào)動(dòng)各個(gè)子程序，檢測光照是否暗，當(dāng)周圍的環(huán)境比較亮?xí)r，關(guān)閉LED燈，然后對太陽進(jìn)行跟蹤定位，當(dāng)周圍的環(huán)境變暗，雨傘恢復(fù)直立狀態(tài)，并且打開LED燈；檢測當(dāng)前的溫度是否達(dá)到26 ℃，當(dāng)大于等于26 ℃時(shí)，打開風(fēng)扇，當(dāng)溫度小于26 ℃時(shí)，關(guān)閉風(fēng)扇。

程序設(shè)計(jì)思路見圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 program flow chart

3.2 定位跟蹤程序設(shè)計(jì)

當(dāng)光電傳感器（4個(gè)光敏電阻）傳回相應(yīng)的阻值并且通過4路ADC傳回STM32單片機(jī)的內(nèi)部的4路ADC檢測裝置，采用ADC四通道逐次轉(zhuǎn)換(單次、單通道軟件觸發(fā))的方式來檢測四個(gè)不同的ad數(shù)值，通過其差值來檢測出太陽的相對位置并反饋到通過數(shù)據(jù)的處理，4路PWM輸出模式用于控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)，需要時(shí)間脈沖，脈沖時(shí)間通常為 20 ms，部分控制脈沖是高脈沖電平的一部分，控制角度通常為0.5 ms-2.5 ms之間。通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到設(shè)備在水平和俯仰方向上的有機(jī)運(yùn)動(dòng)。測量的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和實(shí)際的太陽角度如下表1所示。

表1 太陽高度角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 experimental data sheet of solar altitude angle

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 系統(tǒng)制作

一個(gè)簡單的項(xiàng)目在開發(fā)過程中主要分為 5個(gè)主要步驟，第一步：整體系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)以及該系統(tǒng)在對應(yīng)領(lǐng)域的需求；第二步：對于概念進(jìn)行建模仿真；第三步：進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)；第四步：編寫程序；第五步：反復(fù)調(diào)試軟硬件系統(tǒng)，讓二者協(xié)調(diào)工作，并且穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 原理圖設(shè)計(jì)

從原理圖中能夠得到，整個(gè)系統(tǒng)具體分成以下幾個(gè)模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、舵機(jī)模塊、光照檢測模塊、溫濕度測試模塊、散熱模塊、LED模塊以及電源模塊等。如圖7所示。

圖7 原理圖Fig.7 the schematic diagram

4.3 運(yùn)行結(jié)果分析

在實(shí)物運(yùn)行過程中，我們用手機(jī)燈模擬太陽光，通過手機(jī)燈的轉(zhuǎn)動(dòng)，來模擬太陽的移動(dòng)和實(shí)現(xiàn)光線的強(qiáng)弱變化，當(dāng)光強(qiáng)檢測裝置檢測到的數(shù)據(jù)存在差別時(shí)，舵機(jī)控制雨傘向光照較強(qiáng)的方向調(diào)整，當(dāng)兩端的檢測裝置檢測到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)基本相同時(shí)，停止調(diào)整；把手機(jī)燈關(guān)掉后，雨傘會(huì)直立，然后打開LED燈；用雙手捂熱溫度傳感器，模擬夏天的感覺，風(fēng)扇會(huì)打開反之風(fēng)扇關(guān)閉；同時(shí)還可進(jìn)行充電。

從以上的原理圖設(shè)計(jì)以及運(yùn)行結(jié)果分析可以實(shí)現(xiàn)實(shí)物硬件的制作和調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能方位跟蹤系統(tǒng)、開燈、散熱、充電等功能。圖8為綠色節(jié)能智能系統(tǒng)的實(shí)物圖。

圖8 綠色節(jié)能智能系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 physical drawing of green energy-saving intelligent system

5 結(jié)論

太陽能是一種應(yīng)用價(jià)值極高的綠色新型能源，因此其具有較高的應(yīng)用價(jià)值。本文圍繞單片機(jī)進(jìn)行太陽能綠色智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，四個(gè)方位上的光敏電阻實(shí)時(shí)檢測不同方位太陽光的強(qiáng)度，當(dāng)檢測到有差異的時(shí)候，就會(huì)發(fā)送一個(gè)信號到單片機(jī)中，單片機(jī)就會(huì)控制舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)陽傘的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行太陽的跟隨。同時(shí)溫濕度傳感器一直在工作，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的溫度值或者濕度值時(shí)候，風(fēng)扇就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，開始對環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)。將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并把轉(zhuǎn)換的電能運(yùn)用到設(shè)備中去，適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)提倡的節(jié)能減排生活且環(huán)保、無污染；市場非常廣泛，使用價(jià)值高。