李加定,萬(wàn)若楠,曾慶瑞

(廣州城市理工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510800)

在新工科建設(shè)背景下，加強(qiáng)課程知識(shí)融合，創(chuàng)新工程教育方式和手段已成為共識(shí)[1-2]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在工程教育中具有不可或缺的基礎(chǔ)性作用. 同時(shí)由于工科各專業(yè)學(xué)生將來(lái)從事工程設(shè)計(jì)、研發(fā)、制作等工作，其知識(shí)結(jié)構(gòu)從專業(yè)訴求上偏向于應(yīng)用，而當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在內(nèi)容與專業(yè)知識(shí)脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興致不高[2]. 為了破解這一矛盾，需要加強(qiáng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程與其他學(xué)科的專業(yè)知識(shí)融合，針對(duì)電子、通信、自動(dòng)化等專業(yè)開(kāi)設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程作出積極嘗試，將單一的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)改成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的方式，與單片機(jī)、傳感器技術(shù)等課程設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力[3-6].

“典型傳感器輸出特性研究與應(yīng)用”是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程常開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)之一[7]，該實(shí)驗(yàn)與工程類(lèi)專業(yè)知識(shí)聯(lián)系緊密，是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)常見(jiàn)的突破口與出發(fā)點(diǎn). 本文從傳統(tǒng)的光敏電阻實(shí)驗(yàn)出發(fā)，先設(shè)計(jì)了解光敏電阻的基本特性的實(shí)驗(yàn)并介紹接入電路的方法，再設(shè)計(jì)并制作基于光敏電阻的太陽(yáng)能板光源自動(dòng)跟蹤演示裝置.

1 光敏電阻傳感器的基本特性和應(yīng)用

基于電阻類(lèi)傳感器設(shè)計(jì)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(cè)的自動(dòng)門(mén)裝置，等等. 本文以光敏電阻傳感器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量光敏電阻在亮光、暗光等不同光照強(qiáng)度下的電阻值，測(cè)量電路如圖1所示. 其中，電源V0為12 V，RP為滑動(dòng)變阻器，待測(cè)光敏電阻RT與標(biāo)準(zhǔn)電阻R0串聯(lián)，電壓表V通過(guò)單刀雙鍵開(kāi)關(guān)K選擇測(cè)量RT或R0兩端的電壓，從而測(cè)量光敏電阻在不同電壓和光照情況下的阻值,結(jié)果如表1所示.

圖1 光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)電路

表1 光敏電阻伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 光敏電阻接入電路的常見(jiàn)方法

圖2是光敏電阻接入電路的常見(jiàn)方法，輸出電壓經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)，與電阻值成正比. 在接入前學(xué)生應(yīng)先了解光敏電阻的初態(tài)電阻值，以及在受外界影響時(shí)電阻的變化范圍.

圖2 光敏電阻轉(zhuǎn)換電路

1.3 光敏電阻傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用

利用光敏電阻模擬控制路燈“晚上亮燈、白天不亮”[10]. 實(shí)驗(yàn)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(fā)光二極管模擬路燈，光敏電阻RT使用最大值為1 MΩ的可調(diào)電阻. 光照下，RT接近1 kΩ，LED不亮. 光照減弱時(shí)，RT電阻增加，當(dāng)阻值增加到10%暗電阻大小時(shí)，三極管Q1的Vbe=0.675 V，集電極-發(fā)射極導(dǎo)通，LED燈亮(見(jiàn)圖3). 為實(shí)現(xiàn)此效果，需確定R1，R2和R4的阻值，利用Multisim軟件調(diào)試，結(jié)合市面常見(jiàn)的電阻器件阻值，并與RT，LED和Q1相匹配，當(dāng)R1=47 Ω，R2=47 kΩ時(shí)可實(shí)現(xiàn)目標(biāo).

圖3 暗光自動(dòng)亮燈實(shí)驗(yàn)仿真電路圖

2 太陽(yáng)能板光源自動(dòng)跟蹤裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路與預(yù)期效果

在太陽(yáng)能板4個(gè)方位安裝4個(gè)相同的光敏電阻，如圖4所示.

圖4 光敏電阻在太陽(yáng)能板上的分布示意圖

當(dāng)點(diǎn)光源置于正上方時(shí)，4個(gè)光敏電阻接收的光照強(qiáng)度一致，電阻相同，電機(jī)不工作. 當(dāng)點(diǎn)光源以一定的角度斜入射到太陽(yáng)能板，例如水平方向P1和P3接收光照強(qiáng)度不等，單片機(jī)采集到的電壓不同，驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)向電阻值減少的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到阻值相等，電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后另一方位也執(zhí)行相同操作. 這樣，不論光線由哪個(gè)方向入射，步進(jìn)電機(jī)都會(huì)驅(qū)動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能板正對(duì)著光源，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤效果.

2.2 硬件設(shè)計(jì)

包括光敏電阻、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、太陽(yáng)能板(配套充電與儲(chǔ)電裝置)和二維云臺(tái)等核心部件.

2.2.1 光敏電阻的選擇與接入電路設(shè)計(jì)

結(jié)合性價(jià)比和設(shè)計(jì)要求，選擇T5528型光敏電阻，轉(zhuǎn)換電路如圖5所示. 光敏電阻D1～D4與4個(gè)10 kΩ電阻串聯(lián)，D1～D4的電平通過(guò)PCF8591 模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的4個(gè)模擬輸入口轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓后，傳給單片機(jī)處理.

圖5 光電轉(zhuǎn)換電路

2.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇與驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)建

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接收到周期脈沖信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)固定角度. 調(diào)節(jié)脈沖數(shù)量可調(diào)節(jié)角位移量，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位. 由于演示裝置的質(zhì)量不大，5 V DC步進(jìn)電機(jī)即可勝任，故選擇性價(jià)比較高的28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī).

單片機(jī)P1.0～P1.3端口通過(guò)ULN2003驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)的藍(lán)粉黃橙4根接入導(dǎo)線，與其內(nèi)部ABCD 4個(gè)線圈繞組連接(見(jiàn)圖6)，線圈采用1組與2組線圈交替勵(lì)磁，即為4-1-2相驅(qū)動(dòng). 單片機(jī)P1端口輸出表2中0x08→0x09的1組脈沖信號(hào)，表示電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，輸出0x09→0x08的脈沖信號(hào)，表示電機(jī)反轉(zhuǎn).

圖6 步進(jìn)電機(jī)接線電路圖

表2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式(4-1-2相驅(qū)動(dòng))

2.2.3 太陽(yáng)能板充電與供電模塊

根據(jù)演示裝置需求，采用大小為110 mm×80 mm的太陽(yáng)能板，由于太陽(yáng)能輸出電量不穩(wěn)定，需要先將電能經(jīng)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(duì)外供電則不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，先經(jīng)過(guò)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(guò)程中具有防止過(guò)充和溫度過(guò)高的保護(hù)措施，是太陽(yáng)能板常見(jiàn)的必備器件[11].

圖7 太陽(yáng)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(shè)定4.0 V)進(jìn)行比較，其中參考電壓由可調(diào)電阻設(shè)定，接入LM393的輸入“-”端. 當(dāng)蓄電池輸出電壓低于參考電壓時(shí)，LM393輸出低電平，綠燈亮，表示可正常充電；過(guò)充時(shí)，蓄電池的電壓高于參考電壓，紅燈亮，綠燈熄，從而達(dá)到提示效果.

2.2.4 單片機(jī)主控電路

控制芯片采用 STC89C52RC單片機(jī). 其中，單片機(jī)P0.0～P0.1端口接光敏電阻，用于采集信號(hào)；P1.0～P1.7接步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)ULN2003；P0.2～P0.6接按鍵電路輸入(1個(gè)為主控開(kāi)關(guān)，4個(gè)為方位開(kāi)關(guān))，可供手動(dòng)模式調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng). 另外，還有顯示工作狀態(tài)的LED，以及其他必要的電路，如下載接口、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路.

2.3 軟件設(shè)計(jì)

據(jù)前面分析，太陽(yáng)能板有手動(dòng)與自動(dòng)2種模式，其中自動(dòng)模式流程如圖8所示. 電阻比較由2個(gè)電阻上對(duì)應(yīng)的電壓比較而來(lái)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1周期即為單片機(jī)P1口輸出的脈沖信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度.

圖8 自動(dòng)模式的軟件流程圖

2.4 實(shí)物制作

太陽(yáng)能板光源自動(dòng)跟蹤演示裝置的云臺(tái)3D模型如圖9所示，實(shí)物如圖10所示. 整個(gè)裝置由太陽(yáng)能板、二維電動(dòng)云臺(tái)(又稱舵機(jī)云臺(tái))和電路板主要部件構(gòu)成. 其中二維電動(dòng)云臺(tái)自行制作完成，包括：墊板、左右壓板、側(cè)板、同向扣、夾板(各2塊)、電機(jī)左右支架板(3塊)、電機(jī)帶動(dòng)板、電機(jī)固定板、底部和控制板固定支架(各4個(gè))、底板(面積為220 mm×170 mm)和電機(jī)(2臺(tái))，整個(gè)模型的質(zhì)量約700 g.

圖9 二維自由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的3D模型圖

圖10 太陽(yáng)能板光源跟蹤演示裝置實(shí)物圖

3 調(diào)試效果

設(shè)計(jì)本裝置的目標(biāo)是太陽(yáng)能板跟蹤光源轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)光源方向，接收最大光照. 分別測(cè)試了手動(dòng)與自動(dòng)模式下的調(diào)節(jié)效果. 手動(dòng)模式下，通過(guò)4個(gè)方位按鍵控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)調(diào)試結(jié)果，其中最大俯仰轉(zhuǎn)角為175°，水平轉(zhuǎn)角為360°. 自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，通過(guò)主控開(kāi)關(guān)按鍵開(kāi)啟，使用手機(jī)光源或手電筒光源照射太陽(yáng)能板，均能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)光源，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

若要光源跟蹤裝置演示效果明顯，裝置從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)光源狀態(tài)所需時(shí)間間隔(響應(yīng)完成時(shí)間)非常重要. 為此，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在自動(dòng)模式下暗光環(huán)境中，手機(jī)光源距離太陽(yáng)能板約30 cm處，從5個(gè)不同位置照射太陽(yáng)能板，采用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)得響應(yīng)完成時(shí)間如表3所示.

表3 光源跟蹤裝置不同位置的響應(yīng)完成時(shí)間

可見(jiàn)，該裝置能在6 s內(nèi)完成轉(zhuǎn)向?qū)?zhǔn)光源，先水平角方位轉(zhuǎn)動(dòng)，后俯仰角方位轉(zhuǎn)動(dòng)，中間停頓約1 s. 在白天室內(nèi)環(huán)境，遮窗關(guān)燈，排除強(qiáng)光源干擾，手機(jī)光源照射時(shí)本裝置也能響應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)并對(duì)準(zhǔn)手機(jī)光源，滿足演示需求.

4 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)有大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，打破學(xué)科界限，強(qiáng)調(diào)綜合創(chuàng)新運(yùn)用[12]. 在此背景下，設(shè)計(jì)并制作了太陽(yáng)能板光源自動(dòng)跟蹤裝置，作為教學(xué)演示裝置，其物理原理清晰，演示效果明顯. 作為由基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)向電子電工實(shí)踐過(guò)渡的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)案例，有積極的教學(xué)參考價(jià)值. 其循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程能幫助學(xué)生克服從理論到實(shí)踐的心理障礙，交叉融合知識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.