太阳光入射角光电检测装置*

2013-12-22苗凤娟刘嘉坤陶佰睿

电子器件 2013年1期

苗凤娟，刘嘉坤，陶佰睿，董建

(齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006)

随着人类社会和经济的快速发展，人们正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁。太阳能作为一种被新开发应用的能源，具有应用广泛、绿色环保、经济效益高等优点［1］。但是太阳能利用时受光照方向和强度随时间的变化影响，一般固定角度安装太阳能装置对太阳能的利用率不高［2］。

研究发现，相同条件下，采用光电检测跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，为此，研制低成本太阳光入射角光电检测跟踪装置来解决太阳能利用率不高的问题是十分必要的［3］。

1 系统结构设计

本设计中通过东西向的方位角跟踪和南北向的高度角的检测跟踪机构，来达到使太阳能电池板始终正对太阳照射角，从而达到提高太阳能利用率的目的，因此转向部分首先需要双轴机械转动机构来满足东西向和南北向的自由转动［4］。

为此，本系统采用4 个分布式光敏电阻对太阳光入射角进行光电检测，交叉对比所受光照强度，当板面没有对准太阳时，因角度差会造成两两对应的光敏电阻上所接受的光强不同，从而产生微弱的压差，该压差与标准压差送入四通道电压比较器LM324 芯片中进行比较输出，得出4 路高低电平的信号变化，该变化信号就是太阳方位的实时反应，再将输出的4 路信号送入H－桥电机驱动芯片L293D中，驱动2 个直流电机按相应的方位进行正转或反转，当位移到控制板对准太阳时，芯片无输出，电机进入锁定状态，最终达到跟踪太阳光线的目的。光电检测系统硬件结构如图1 所示，其基本组成主要有:光敏电阻、电压比较器、三端稳压器、电机驱动器、直流电机和直流电源等部分。

图1 光电检测系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 四通道电压比较器的电路设计

在Protues 平台中，选取4 个光敏电阻电路，然后加入4 个LM324 电压比较器，把4 个光敏电阻分别命名为:DONG、XI、BEI、NAN，4 个LM324 分别命名为:U1A、U1B、U1C、U1D。电路连接如图2 所示。这里，U1D 的4 端连接在第一个光敏电阻DONG 的1 端同时连接R2和滑动变阻器RV1，RV1 一端接R3连到U1D 的11 端，RV1 的另一端直接U1D 的13端。将U1D 的12 端接第2 个光敏电阻XI的1 端和U1A 的2 端，将RV1 的滑动端接R4后再接U1A 的3 端，同时XI的2 端和U1A 的11 端相连。U1B 的4端接第3 个光敏电阻BEI 的1 端，U1B 的5 端接BEI 的2 端，RV1 的滑动端接U1B 的6 端，将RV1的另一端接R5再连接U1C 的10 端，把最后一个光敏电阻NAN 的1 端接U1C 的9 端，同时NAN 的2端接U1C 的11 端［5］。

图2 四通道电压比较器LM324 电路

2.2 LED 显示电路设计

为了使电压比较器输出的4 个信号清晰可见，在电路中增加了LED 显示电路。首先在元件库中找到4 个LED_RED，分别命名为:D、X、B、N。将四通道电压比较器的4 个输出14、1、7、8 端分别接4个LED，最后经过电阻R6连接地端，如图3 所示。当光源的强度不同时，4 个光敏电阻产生不同的电压，通过四通道电压比较器LM324 对产生压差的比较输出高低电平，从而驱动4 个LED 指示灯发光，通过对指示灯的观察可以判断出受光最强光敏电阻［6］。

图3 LED 显示电路设计

2.3 三端稳压电路设计

在元件库里找到LM7806 芯片、12 V 直流电源、和开关L1。将LM7806 命名为U3，12 V 直流电源为BAT1，开关为L1。因为LM7806 的1 脚接电压输入端，2 脚接地，3 脚接输出端，LM7806 的1 脚接开关L1再接12 V 直流电源BAT1 的正极，负极接LM7806 的2 脚再接地［7］。电路连接如图4 所示。

图4 三端稳压电路设计

三端稳压电路连接到四通道电压比较电路中，将LM7806 的3 脚连接到U1D 的4 端，为电压比较器提供+6 V 的电源，LM7806 的3 脚接地［8］。这样就组成了一个具有三端稳压器的电压比较电路，如图5 所示，使整个系统更加稳定。

2.4 直流电机驱动电路设计

图5 电压比较电路

在直流电机驱动电路设计中选取了Unitrode 公司的“L293D”电机驱动芯片，首先在元件库中找到直流电机驱动芯片L293D，将其命名为U2 并放置在系统仿真电路右边空白处。根据直流电机驱动芯片L293D 的特性，将其各个引脚与当前的电路连接起来，其中VSS 接三段稳压器LM7806 的3 脚即接入+6 V 电压，VS 直接与LM7806 的1 脚相连即接入12 V 直流电压。将四通道电压比较器四个输出端14、1、7、8 依次与驱动芯片L293D 的IN1、IN2、IN3、IN4 4 个引脚相连接，作为直流电机驱动电路的4 个输入［9］。接下来将L293D 的EN1、EN2 两个引脚都接在LM7806 的3 端即接入+6 V 电压。最后将LM7806 的2 个接地端GND 接地，如图6 所示。

图6 直流电机驱动控制电路

在元件库中找到2 个直流电机模块，分别命名为M1和M2，分别将M1和M2的两端与直流电机驱动芯片L293D 的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 引脚相连，即L293D 输出驱动两直流电机正转或者反转的驱动信号，如图7 所示［10］。

图7 直流驱动电机驱动电路

3 系统仿真和调试

3.1 系统整体仿真原理图

Proteus 软件中，在ISIS 工作界面上找到相应的元器件，主要的电子器件有模拟光源对应的4 个光敏电阻、4 个LM324 组成的四通道电压比较器、4 个LED 指示灯、1 个三段稳压器LM7806、1 个直流电机驱动器L293D、2 个直流减速电机M1和M2，将这些元器件按照系统的原理框图依次连接起来构成了系统仿真电路。

3.2 硬件和软件的调试

本系统的调试主要包括硬件和软件调试，这两者是密不可分的，很多硬件的错误是在软件调试中被发现和修正的［11］。但一般是先排除明显的硬件错误以后，再与软件结合起来调试从而进一步的纠正出现的错误。因此硬件的调试是至关重要的，如果硬件调试不成功，软件设计是无从做起的［12］。

3.2.1 硬件调试步骤

(1)根据太阳光入射角光电检测系统原理图生成了PCB 版图如图8 所示，并制成了PCB 电路板，将所有元器件焊接好后的实物如图9 所示，检查实物连接是否正确，用万用表检测连线，4 通道电压比较器LM324 与直流电机驱动L293D 和三段稳压电路7806 模块相互连接，检查元器件焊接是否正确，上述检查完成后再进行通电［13］。

图8 系统硬件电路PCB 版图

图9 系统实物图

(2)电路板接上大于+12 V 的直流电源，检测外接电源是否正确，如果电压正常，说明工作正常［14］。

(3)经过对电路的计算，仔细选取四通道电压比较电路中用到的电阻阻值，确保实物能正常工作。其中与电压比较器相连的电阻我们选用2 个阻值为10 kΩ 的电阻，和2 个阻值为5 100 kΩ 的电阻，这4 个电阻的功率都为1/8 W。滑动变阻器选用的是阻值为5 kΩ 的滑动电阻，和4 个LED 指示灯相连的电阻阻值调整为100 Ω，调试之后可以实现正常的工作［15］。

(4)经过多次调试，确定了光敏电阻和控制板的空间的最佳位置，把4 个光敏电阻保持竖直向上，即垂直于电路板，再向各自外侧弯曲30°呈放射状［16］。

在确认过硬件电路连接及焊接工艺无误后，我们就开始采用连击仿真的方式进行软件调试。

3.2.2 软件调试

联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具，这些工具是开发电路板的最基本工具［17］。调试手段可采用单步或设置断点运行方式，检查仿真结果是否符合设计要求。通过检测可发现仿真中的机器码错误，同时也可以发现用户系统中的硬件故障，仿真及硬件设计错误［18］。

将整体仿真图的一部分连接出来，并按照硬件调试中确定的电阻阻值赋给仿真电路图中的各个电阻，如图10 所示，将R2、R3的阻值设为10 kΩ，点击确定。

图10 电阻赋值

重复上面步骤将R4、R6的阻值设为5 100 kΩ，RV1的阻值设为5 kΩ，R5的阻值设为100 Ω，如图11 所示。

当这部分系统调试完成后，点击运行按钮开始仿真，可以发现系统可以正常运行，证明仿真调试成功，如图12 所示。

图11 所有电阻参数赋值后

图12 赋值后的仿真结果

3.3 仿真调试后的结果显示

系统整体的仿真原理图调试好后，调节光照强度，使光敏电阻在3 种不同状态下进行仿真实验，点击左下角“开始键”进行仿真，3 种具有代表性的仿真结果如下。

如图13，调节模拟光源使XI所受光强大于DO，DO 和XI产生的电压经过电压比较器LM324进行比较分别输出低电平和高电平，这时指示灯D灭X 亮，信号经过直流电机驱动芯片驱动M1反转。同理，BE 所受光强大于NA，BE 和NA 产生的电压经过电压比较器LM324 进行比较分别输出高电平和低电平，这时指示灯B 亮N 灭，信号经过直流电机驱动芯片驱动M2正转。

图13 B、X 亮N、D 灭M1 反转M2 正转

如图14，调节模拟光源使XI所受光强小于DO，DONG 和XI产生的电压经过电压比较器LM324 进行比较分别输出高电平和低电平，这时指示灯D 亮X 灭，信号经过直流电机驱动芯片驱动M1 正转。同理，BE 所受光强小于NA，BE 和NA 产生的电压经过电压比较器LM324 进行比较分别输出低电平和高电平，这时指示灯B 灭N 亮，信号经过直流电机驱动芯片驱动M2反转。

图14 B、X 灭N、D 亮M1 正转M2 反转

如图15，BE 所受光强等于NA，BE 和NA 产生的电压经过电压比较器LM324 进行比较后均输出高电平，这时指示灯B 和N 都亮，同时信号送入直流电机驱动芯片L293D 但芯片无输出，所以M2不转。同理，调节模拟光源使XI所受光强等于DO，DONG 和XI产生的电压经过电压比较器LM324 进行比较都输出高电平，这时指示灯D 和X 都亮，直流电机驱动芯片无输出M1也不转。

图15 X、N、B、D 都亮M1、M2 都不转动

4 结论

本文的主要研究内容是太阳光入射角光电检测装置。本系统为机电一体装置，采用2 个电机双维错位放置，通过控制板驱动平台，最终达到跟踪太阳光线的目的。

(1)通过比较选择了光敏电阻作为光电传感器，用4 个光敏电阻连接成2 组电压比较电路，实现判断太阳所在位置的功能，这样可以大大简化电路。

(2)按照各部分电路的设计将电路元件焊接到制好的PCB 电路板上。联合硬件、软件、机械装置来调试电路，最终实现检测跟踪的功能。

由于本系统的实现技术要求比较高，还有很多地方存在着不足之处:在功能上需要更加完善:本系统没有设置报警装置，如果系统发生故障，系统不能做出报警动作，这样也会影响系统的追踪质量。在机械装置方面也存在问题:机械装置能够带动太阳板转动的角度是有限的，这样也制约了追踪的时间段。希望有更多的人参与到这项研究中来，性能好、精度高、低成本的太阳光电检测跟踪系统是我们的目标［19］。

［1］刘慧芬.我国发展太阳能产业政策刍议［J］.科学技术与工程，2008，43(23):74－76.

［2］杨金焕，毛家俊，陈中华. 不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算［J］. 上海交通大学学报，2002，36(7):1032－1036.

［3］冯垛生.太阳能发电原理与应用［M］.人民邮电出版社，2007:69－73.

［4］周篁.美国可再生能源发展和节能现状［J］. 中外能源，2007，45(34):57－61.

［5］黄宝圣.太阳能电池的新进展［J］. 化学教育，2000，66(51):7－9.

［6］ Elizabeth Harder，Jacqueline MacDonald Gibson. The Costs and Benefits of Large－Scale Solar Photovoltaic Power Production in Abu Dhabi，United Arab Emirates［J］. Renewable Energy，2011，36:789－796.

［7］沈文忠.面向下一代光伏产业的硅太阳电池研究新进展［J］.Chinese Journal of Nature，2010，32(3):134－142.

［8］李敏，刘京城，刘俊.一种新型的太阳能自动跟踪装置［J］. 电子器件，2008，31(5):1700－1708.

［9］张耀明. 采集太阳光的照明系统研究［J］. 中国工程科学，2002，10(5):63－65.

［10］段忠宝.基于太阳自动跟踪系统的光电探测器设计［J］. 机械工程与自动化，2011，12(7):13－15.

［11］苑玮琦.基于视觉的太阳方位检测装置的研究［J］. 计算机测量与控制，2008，16(9):21－22.

［12］李万军.基于Proteus 的单片机虚拟实验平台的开发［J］.工业控制计算机，2008，21(10):20－21.

［13］范宇龙，朱林生，吴俊卿.便携式太阳能逆变电源［J］. 电子器件，2000，33(6):798－800.

［14］汤世松.双轴伺服太阳能跟踪系统的设计［J］. 自动化仪表，2011，32(9):33－34.

［15］郭洪雨.从低碳经济看太阳能开发利用前景［J］. 城市开发，2009，17(7):39－40.

［16］张顺心.基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究［J］.河北工业大学学报，2003，23(14):27－29.

［17］方文弟.分布式能源系统微型电网技术期刊论文［J］.四川电力技术学报，2008，36(15):30－31.

［18］高晓.火炬接力遥控车的制作［J］. 电子制作学报，2011，40(19):37－38.