基于STC12C5A60S2的点光源自适应控制系统

2015-01-15欧阳辉李泽滔杜嘉明

现代机械 2015年2期

欧阳辉，李泽滔，杜嘉明

(贵州大学电气工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

随着新能源的发展，越来越多的人开始关注这一行业。太阳能是人们最早接触找的新能源，但是现在太阳能电池板大多都固定在一个方向使得太阳能的利用率不高［1］。本设计可以拓展为太阳能发电的自动跟踪系统，该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板朝向，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。

1 系统总体设计

控制电路以单片机为核心，能够对采集的模拟信号进行处理和判断对步进电机实现控制［2］。系统通过传感器采集太阳光并将其转化成单片机能够识别的信号，通过单片机处理信号并进行判断，步进电机控制电路根据单片机传出的信号转动。系统组成以单片机STC12C5A60S2为核心，光强度检测模块，时钟模块，步进电机控制电路模块。传感器采用光敏电阻，STC12C5A6S2单片机自带10位A/D，能够识别模拟信号。并采用光强度检测电路测量，以光敏电阻传感器［3］作为测量元件，构成光电测量模块。系统设计框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统的设计与实现

2.1 系统核心控制

本系统的核心控制器由两块STC12C5A60S2［4］组成。单片机1对通过A/D转换后的数据作出判断与比较，在P2口发出信号与单片机2通信，如图2。单片机2通过接收单片机1的P2口发出的信号作出判断控制水平与竖直方向上的电机运作以求太阳能板正对光线。

图2 单片机通讯连接图

2.2 光强度检测模块

比较控制式太阳跟踪装置。设置一个直筒形外壳，在直筒外部，东、南、西、北四个方向上分别布置4只光电阻，如图3。

图3 光敏电阻分布图

其中一对光敏电阻［5］(PI，P3)东西对称安装在直筒的两侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;另一对光电阻(PZ，P4)南北对称安装在直筒的两侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在直筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4只光电阻;其中一对光电阻(PS，P7)东西对称安装在直筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度;另一对光电阻(P6，PS)南北对称安装在直筒的内侧，用来精确检测太阳的高度。其电路图如图4所示。

图4 光敏电阻电路图

2.3 步进电机模块

本文选用的是28BYJ-48步进电机，额定电压5 V，相数为4，步距角 5.625/64，减速比 1∶64。电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，电机示意图如图5所示。

图5 电机示意图

步进电机的主要特性:

1)步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度(称为步角)转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。

2)28BYJ48是减速步进电机，减速比为1∶64，步进角为5.625/64°。如果需要转动1圈，那么需要360/5.625×64=4 096个脉冲信号。

3)步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4)改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

各线圈通电顺序如表1所示。

表1 电机相序表

相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过5.625°，四相四拍为0-1-2-3则称为通电一周，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如3-2-1-0将使电机同速反转。同理四相八拍的通电顺序为AAB-B-BC-C-CD-D-DA-A(本设计用的是四相八拍)。通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动［6］。

2.4 电机驱动模块

本文采用单片机STC12C5A60S2对该四线八相制步进电机进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过特定芯片驱动步进电机［7］。选用ULN2003构成步进电机的驱动电路。

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7 K的基极电阻，在5 V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500 mA，并且能够在关态时承受50 V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。驱动电路如图6所示。

图6 电机驱动电路

2.5 系统软件设计

本设计，程序采用C语言进行设计，编译环境为Keil uVision4。程序中主要有以下几个主要子程序:主程序，初始化、采集、转换数据程序，电机驱动控制程序［8］。转换过程中光敏电阻的采光是时时变化的，所以A/D通道的数据比较过程会有一定波动，如不加阀值比较则会致使电机不停工作，最后太阳能板无法准确对光。在阀值的选定上，通过实物测试，最后选定在+5(-5)。这个阀值既能保证数据比较的准确性又能保证电机的正常运转。系统软件主要流程图如图7。