太陽光入射角光電檢測裝置*

苗鳳娟，劉嘉坤，陶佰睿 ，董 建

(齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

隨著人類社會和經濟的快速發展，人們正面臨著石油和煤炭等礦物燃料枯竭的嚴重威脅。太陽能作為一種被新開發應用的能源，具有應用廣泛、綠色環保、經濟效益高等優點［1］。但是太陽能利用時受光照方向和強度隨時間的變化影響，一般固定角度安裝太陽能裝置對太陽能的利用率不高［2］。

研究發現，相同條件下，采用光電檢測跟蹤發電設備要比固定發電設備的發電量提高35%，為此，研制低成本太陽光入射角光電檢測跟蹤裝置來解決太陽能利用率不高的問題是十分必要的［3］。

1 系統結構設計

本設計中通過東西向的方位角跟蹤和南北向的高度角的檢測跟蹤機構，來達到使太陽能電池板始終正對太陽照射角，從而達到提高太陽能利用率的目的，因此轉向部分首先需要雙軸機械轉動機構來滿足東西向和南北向的自由轉動［4］。

為此，本系統采用4 個分布式光敏電阻對太陽光入射角進行光電檢測，交叉對比所受光照強度，當板面沒有對準太陽時，因角度差會造成兩兩對應的光敏電阻上所接受的光強不同，從而產生微弱的壓差，該壓差與標準壓差送入四通道電壓比較器LM324 芯片中進行比較輸出，得出4 路高低電平的信號變化，該變化信號就是太陽方位的實時反應，再將輸出的4 路信號送入H－橋電機驅動芯片L293D中，驅動2 個直流電機按相應的方位進行正轉或反轉，當位移到控制板對準太陽時，芯片無輸出，電機進入鎖定狀態，最終達到跟蹤太陽光線的目的。光電檢測系統硬件結構如圖1 所示，其基本組成主要有:光敏電阻、電壓比較器、三端穩壓器、電機驅動器、直流電機和直流電源等部分。

圖1 光電檢測系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 四通道電壓比較器的電路設計

在Protues 平臺中，選取4 個光敏電阻電路，然后加入4 個LM324 電壓比較器，把4 個光敏電阻分別命名為:DONG、XI、BEI、NAN，4 個LM324 分別命名為:U1A、U1B、U1C、U1D。電路連接如圖2 所示。這里，U1D 的4 端連接在第一個光敏電阻DONG 的1 端同時連接R2和滑動變阻器RV1，RV1 一端接R3連到U1D 的11 端，RV1 的另一端直接U1D 的13端。將U1D 的12 端接第2 個光敏電阻XI的1 端和U1A 的2 端，將RV1 的滑動端接R4后再接U1A 的3 端，同時XI的2 端和U1A 的11 端相連。U1B 的4端接第3 個光敏電阻BEI 的1 端，U1B 的5 端接BEI 的2 端，RV1 的滑動端接U1B 的6 端，將RV1的另一端接R5再連接U1C 的10 端，把最后一個光敏電阻NAN 的1 端接U1C 的9 端，同時NAN 的2端接U1C 的11 端［5］。

圖2 四通道電壓比較器LM324 電路

2.2 LED 顯示電路設計

為了使電壓比較器輸出的4 個信號清晰可見，在電路中增加了LED 顯示電路。首先在元件庫中找到4 個LED_RED，分別命名為:D、X、B、N。將四通道電壓比較器的4 個輸出14、1、7、8 端分別接4個LED，最后經過電阻R6連接地端，如圖3 所示。當光源的強度不同時，4 個光敏電阻產生不同的電壓，通過四通道電壓比較器LM324 對產生壓差的比較輸出高低電平，從而驅動4 個LED 指示燈發光，通過對指示燈的觀察可以判斷出受光最強光敏電阻［6］。

圖3 LED 顯示電路設計

2.3 三端穩壓電路設計

在元件庫里找到LM7806 芯片、12 V 直流電源、和開關L1。將LM7806 命名為U3，12 V 直流電源為BAT1，開關為L1。因為LM7806 的1 腳接電壓輸入端，2 腳接地，3 腳接輸出端，LM7806 的1 腳接開關L1再接12 V 直流電源BAT1 的正極，負極接LM7806 的2 腳再接地［7］。電路連接如圖4 所示。

圖4 三端穩壓電路設計

三端穩壓電路連接到四通道電壓比較電路中，將LM7806 的3 腳連接到U1D 的4 端，為電壓比較器提供+6 V 的電源，LM7806 的3 腳接地［8］。這樣就組成了一個具有三端穩壓器的電壓比較電路，如圖5 所示，使整個系統更加穩定。

2.4 直流電機驅動電路設計

圖5 電壓比較電路

在直流電機驅動電路設計中選取了Unitrode 公司的“L293D”電機驅動芯片，首先在元件庫中找到直流電機驅動芯片L293D，將其命名為U2 并放置在系統仿真電路右邊空白處。根據直流電機驅動芯片L293D 的特性，將其各個引腳與當前的電路連接起來，其中VSS 接三段穩壓器LM7806 的3 腳即接入+6 V 電壓，VS 直接與LM7806 的1 腳相連即接入12 V 直流電壓。將四通道電壓比較器四個輸出端14、1、7、8 依次與驅動芯片L293D 的IN1、IN2、IN3、IN4 4 個引腳相連接，作為直流電機驅動電路的4 個輸入［9］。接下來將L293D 的EN1、EN2 兩個引腳都接在LM7806 的3 端即接入+6 V 電壓。最后將LM7806 的2 個接地端GND 接地，如圖6 所示。

圖6 直流電機驅動控制電路

在元件庫中找到2 個直流電機模塊，分別命名為M1和M2，分別將M1和M2的兩端與直流電機驅動芯片L293D 的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 引腳相連，即L293D 輸出驅動兩直流電機正轉或者反轉的驅動信號，如圖7 所示［10］。

圖7 直流驅動電機驅動電路

3 系統仿真和調試

3.1 系統整體仿真原理圖

Proteus 軟件中，在ISIS 工作界面上找到相應的元器件，主要的電子器件有模擬光源對應的4 個光敏電阻、4 個LM324 組成的四通道電壓比較器、4 個LED 指示燈、1 個三段穩壓器LM7806、1 個直流電機驅動器L293D、2 個直流減速電機M1和M2，將這些元器件按照系統的原理框圖依次連接起來構成了系統仿真電路。

3.2 硬件和軟件的調試

本系統的調試主要包括硬件和軟件調試，這兩者是密不可分的，很多硬件的錯誤是在軟件調試中被發現和修正的［11］。但一般是先排除明顯的硬件錯誤以后，再與軟件結合起來調試從而進一步的糾正出現的錯誤。因此硬件的調試是至關重要的，如果硬件調試不成功，軟件設計是無從做起的［12］。

3.2.1 硬件調試步驟

(1)根據太陽光入射角光電檢測系統原理圖生成了PCB 版圖如圖8 所示，并制成了PCB 電路板，將所有元器件焊接好后的實物如圖9 所示，檢查實物連接是否正確，用萬用表檢測連線，4 通道電壓比較器LM324 與直流電機驅動L293D 和三段穩壓電路7806 模塊相互連接，檢查元器件焊接是否正確，上述檢查完成后再進行通電［13］。

圖8 系統硬件電路PCB 版圖

圖9 系統實物圖

(2)電路板接上大于+12 V 的直流電源，檢測外接電源是否正確，如果電壓正常，說明工作正常［14］。

(3)經過對電路的計算，仔細選取四通道電壓比較電路中用到的電阻阻值，確保實物能正常工作。其中與電壓比較器相連的電阻我們選用2 個阻值為10 kΩ 的電阻，和2 個阻值為5 100 kΩ 的電阻，這4 個電阻的功率都為1/8 W。滑動變阻器選用的是阻值為5 kΩ 的滑動電阻，和4 個LED 指示燈相連的電阻阻值調整為100 Ω，調試之后可以實現正常的工作［15］。

(4)經過多次調試，確定了光敏電阻和控制板的空間的最佳位置，把4 個光敏電阻保持豎直向上，即垂直于電路板，再向各自外側彎曲30°呈放射狀［16］。

在確認過硬件電路連接及焊接工藝無誤后，我們就開始采用連擊仿真的方式進行軟件調試。

3.2.2 軟件調試

聯機仿真必須借助仿真開發裝置、示波器、萬用表等工具，這些工具是開發電路板的最基本工具［17］。調試手段可采用單步或設置斷點運行方式，檢查仿真結果是否符合設計要求。通過檢測可發現仿真中的機器碼錯誤，同時也可以發現用戶系統中的硬件故障，仿真及硬件設計錯誤［18］。

將整體仿真圖的一部分連接出來，并按照硬件調試中確定的電阻阻值賦給仿真電路圖中的各個電阻，如圖10 所示，將R2、R3的阻值設為10 kΩ，點擊確定。

圖10 電阻賦值

重復上面步驟將R4、R6的阻值設為5 100 kΩ，RV1的阻值設為5 kΩ，R5的阻值設為100 Ω，如圖11 所示。

當這部分系統調試完成后，點擊運行按鈕開始仿真，可以發現系統可以正常運行，證明仿真調試成功，如圖12 所示。

圖11 所有電阻參數賦值后

圖12 賦值后的仿真結果

3.3 仿真調試后的結果顯示

系統整體的仿真原理圖調試好后，調節光照強度，使光敏電阻在3 種不同狀態下進行仿真實驗，點擊左下角“開始鍵”進行仿真，3 種具有代表性的仿真結果如下。

如圖13，調節模擬光源使XI所受光強大于DO，DO 和XI產生的電壓經過電壓比較器LM324進行比較分別輸出低電平和高電平，這時指示燈D滅X 亮，信號經過直流電機驅動芯片驅動M1反轉。同理，BE 所受光強大于NA，BE 和NA 產生的電壓經過電壓比較器LM324 進行比較分別輸出高電平和低電平，這時指示燈B 亮N 滅，信號經過直流電機驅動芯片驅動M2正轉。

圖13 B、X 亮N、D 滅M1 反轉M2 正轉

如圖14，調節模擬光源使XI所受光強小于DO，DONG 和XI產生的電壓經過電壓比較器LM324 進行比較分別輸出高電平和低電平，這時指示燈D 亮X 滅，信號經過直流電機驅動芯片驅動M1 正轉。同理，BE 所受光強小于NA，BE 和NA 產生的電壓經過電壓比較器LM324 進行比較分別輸出低電平和高電平，這時指示燈B 滅N 亮，信號經過直流電機驅動芯片驅動M2反轉。

圖14 B、X 滅N、D 亮M1 正轉M2 反轉

如圖15，BE 所受光強等于NA，BE 和NA 產生的電壓經過電壓比較器LM324 進行比較后均輸出高電平，這時指示燈B 和N 都亮，同時信號送入直流電機驅動芯片L293D 但芯片無輸出，所以M2不轉。同理，調節模擬光源使XI所受光強等于DO，DONG 和XI產生的電壓經過電壓比較器LM324 進行比較都輸出高電平，這時指示燈D 和X 都亮，直流電機驅動芯片無輸出M1也不轉。

圖15 X、N、B、D 都亮M1、M2 都不轉動

4 結論

本文的主要研究內容是太陽光入射角光電檢測裝置。本系統為機電一體裝置，采用2 個電機雙維錯位放置，通過控制板驅動平臺，最終達到跟蹤太陽光線的目的。

(1)通過比較選擇了光敏電阻作為光電傳感器，用4 個光敏電阻連接成2 組電壓比較電路，實現判斷太陽所在位置的功能，這樣可以大大簡化電路。

(2)按照各部分電路的設計將電路元件焊接到制好的PCB 電路板上。聯合硬件、軟件、機械裝置來調試電路，最終實現檢測跟蹤的功能。

由于本系統的實現技術要求比較高，還有很多地方存在著不足之處:在功能上需要更加完善:本系統沒有設置報警裝置，如果系統發生故障，系統不能做出報警動作，這樣也會影響系統的追蹤質量。在機械裝置方面也存在問題:機械裝置能夠帶動太陽板轉動的角度是有限的，這樣也制約了追蹤的時間段。希望有更多的人參與到這項研究中來，性能好、精度高、低成本的太陽光電檢測跟蹤系統是我們的目標［19］。

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