秦夢雅，谷晨顏，周 可

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽 合肥 230000）

0 引言

多功能自動(dòng)追光旋轉(zhuǎn)衣架主要研究追光功能,主要有機(jī)械設(shè)計(jì)和自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)。 想要通過兩臺步進(jìn)電機(jī)協(xié)同合作來對太陽進(jìn)行跟蹤,這一部分屬于機(jī)械設(shè)計(jì)。 而控制部分的設(shè)計(jì)采用電光檢測追蹤模式,這一功能主要基于單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。 達(dá)到太陽能充電系統(tǒng)的追光自動(dòng)化,需要利用51 單片機(jī)來做的雙軸自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光系統(tǒng),這其中包含一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng),它是主要來檢測太陽的當(dāng)前位置來得以保證陽光的垂直照射能被電池板準(zhǔn)確接收,而主要的核心部分就是太陽傳感系統(tǒng)以及追蹤控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)具有一個(gè)休眠的狀態(tài),進(jìn)入休眠的狀態(tài)陽光很微弱,光強(qiáng)沒有辦法產(chǎn)出足夠的電能,沒法滿足系統(tǒng)工作的條件,這時(shí)備用電池會(huì)提供電量來進(jìn)行周期性的檢測,等到太陽光強(qiáng)到一定程度時(shí),自動(dòng)追蹤太陽的定位,定位信息由控制系統(tǒng)將經(jīng)緯位置和傳感器的反饋進(jìn)行匯總得出同時(shí)自動(dòng)換算并調(diào)整。 信息傳到追蹤器,進(jìn)而通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)來改變方向,來確保陽光的垂直照射。 就算當(dāng)時(shí)是陰雨天氣也不會(huì)影響該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

1 功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1.1 光電追蹤

本設(shè)計(jì)主要是想要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光這一功能,達(dá)到這一功能就要利用跟蹤頭,控制組件以及位置檢測器等組成的光電尋蹤系統(tǒng)。 發(fā)揮主要功能的是位置檢測器,它主要是由光敏傳感器構(gòu)成,運(yùn)用光敏傳感器的特性去檢測位置信息。 當(dāng)位置檢測器接收到一點(diǎn)點(diǎn)微弱的信號,控制組件進(jìn)行接受并且進(jìn)行放大處理,處理完成之后傳送到執(zhí)行元件,系統(tǒng)的執(zhí)行元件即為跟蹤頭。

1.1.2 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤

視日尋蹤法就是通過確定太陽的位置計(jì)算從而達(dá)到控制尋蹤效果。 地平坐標(biāo)系跟蹤法是結(jié)構(gòu)上經(jīng)常采用的方式之一,同時(shí)極軸式跟蹤法也是。 雙軸跟蹤方式運(yùn)用了兩根轉(zhuǎn)軸,垂直于地面的轉(zhuǎn)軸叫作方位軸,其作用為調(diào)整方位角,第二根轉(zhuǎn)軸叫作俯仰軸,其作用為調(diào)整高度角。 這種通過太陽的高度角和方位角進(jìn)行追蹤的方式,可能會(huì)因?yàn)榻嵌鹊牟粩喔淖?需要轉(zhuǎn)軸進(jìn)行無休止的轉(zhuǎn)動(dòng)來捕捉到太陽的具體位置。

多功能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光系統(tǒng)主要功能有追蹤太陽的定位,這一功能的實(shí)現(xiàn)需要立刻停止控制電路與轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路的結(jié)合,實(shí)際操作中要用到專用的芯片以及微控制器,微控制器的種類很多,需要進(jìn)行挑選。 同時(shí)如果只是單單使用直流電機(jī)還是不能夠得到確切的控制定位,需要將直流電機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器相結(jié)合,這樣既能實(shí)現(xiàn)確切的定位控制也能達(dá)到速度控制的效果。

本設(shè)計(jì)主要采用光敏電阻光強(qiáng)比較法,當(dāng)陽光進(jìn)行垂直照射的時(shí)候,由于光敏電阻的阻值會(huì)隨著日照強(qiáng)度的大小進(jìn)行轉(zhuǎn)變,兩者是呈現(xiàn)反比的數(shù)學(xué)關(guān)系,而電池板東西方向的底部有2 個(gè)光敏電阻,完全一樣,所以當(dāng)光敏電阻阻值相同時(shí),電機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 如果日照陽光與電池板有了夾角,光敏電阻阻值發(fā)生變化了,電壓也隨之發(fā)生改變,那時(shí)就會(huì)引起電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)［1］。

1.1.3 步進(jìn)電機(jī)選擇

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī),適用于在速度精度要求不是很高的中小型微型機(jī)床中,能夠?qū)㈦娒}沖轉(zhuǎn)變成為角位移或者時(shí)線位移形式。 步進(jìn)電機(jī)有3 種類型,分別為機(jī)電式、直線式以及磁電式。 步進(jìn)電機(jī)的選擇要考慮到設(shè)計(jì)需達(dá)到的功能,要考慮到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及空起頻率的影響。

多功能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光系統(tǒng)主要功能有追蹤太陽的定位,這一功能的實(shí)現(xiàn)需要立刻停止控制電路與轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路的結(jié)合,實(shí)際操作中要用到專用的芯片以及微控制器,微控制器的種類很多,需要進(jìn)行挑選。 同時(shí)如果只是單單使用直流電機(jī)還是不能夠得到確切的控制定位,需要將直流電機(jī)和旋轉(zhuǎn)編碼器相結(jié)合,這樣既能實(shí)現(xiàn)確切的定位控制也能達(dá)到速度控制的效果。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 光電轉(zhuǎn)換器

接收到的日光,在光電轉(zhuǎn)換器的工作下將得到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,然后再有單片機(jī)去具體分析轉(zhuǎn)變成的電信號,太陽能電池面板則需要通過步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)得到始終垂直的入射光線,進(jìn)而達(dá)到利用太陽能的最高效率。

(1）光電探測器的特性是可以將陽光輻射轉(zhuǎn)換成電能量,利用這種特性可以達(dá)到光電追蹤這一目的,其工作原理就是利用了光電效應(yīng),與熱探測器的特性不同,熱探測器是通過吸收日照輻射后溫度升高,從而改變其電學(xué)性能［2］。

(2）光電子發(fā)射器件:光電管與光電倍增管,主要特點(diǎn)就是靈銳度高,穩(wěn)定性好,響應(yīng)速率快和噪音小,都是屬于電流放大器件的一種。

(3）光電導(dǎo)器件:通常為光敏電阻,具備光電導(dǎo)效應(yīng),由半導(dǎo)體材質(zhì)做成的一種光電探測器,在近、中、遠(yuǎn)紅外波段都有適用的類型。

1.2.3 單片機(jī)

采用的AT89C51 單片機(jī),是一種8 位單片機(jī),同時(shí)采用ATMEL 高密度非易失性的存儲(chǔ)技術(shù),具有很強(qiáng)的靈活性,同時(shí)功能性強(qiáng)、價(jià)格合理也是其特點(diǎn)之一,51單片機(jī)也具備功耗更低,性能更強(qiáng)等優(yōu)勢。

主要特征:(1）全靜態(tài)工作頻率:24 MHz；三級程序存儲(chǔ)器鎖定。 (2）內(nèi)部的 RMA 為 128 字節(jié)。 (3）2 個(gè)16 位的定時(shí)器或者計(jì)數(shù)器；6 個(gè)中斷源；可編程全雙工串行通道；片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。

1.2.4 驅(qū)動(dòng)器

采用MT-2HB03M 驅(qū)動(dòng)器。 特點(diǎn):雙極驅(qū)動(dòng)工作電壓12～40 V；驅(qū)動(dòng)電流0.8～3.5 A；很低的電源損耗,但是卻有很高的開關(guān)效率。 設(shè)計(jì)中通過電位器的調(diào)節(jié),來改變驅(qū)動(dòng)器的電流大小,順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),電流增加,反之逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),電流減小。 實(shí)驗(yàn)中采取共陽極接法,將脈沖信號輸入正端,電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制正段以及電機(jī)脫機(jī)控制正段接入電源,使驅(qū)動(dòng)器內(nèi)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流,輸入的信號通過脈沖信號輸入負(fù)端進(jìn)入,最后電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制負(fù)端和電機(jī)脫機(jī)控制負(fù)端在低電平使起作用［3］。

1.3 系統(tǒng)軟件的開發(fā)

通過程序編程讓單片機(jī)去控制步進(jìn)電機(jī),當(dāng)系統(tǒng)開始進(jìn)行工作時(shí)接收板對準(zhǔn)太陽,能夠?qū)崟r(shí)觀察到太陽的方向,進(jìn)行全方面追蹤,這是多功能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。 光電追蹤以及視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤主要利用尋蹤裝置控制系統(tǒng)的芯片完成,而系統(tǒng)的控制同時(shí)利用主控芯片完成。

光電跟蹤是主要跟蹤方式。 電壓信號的產(chǎn)生是由于日光照到光敏傳感器上,引起了電阻阻值的改變而發(fā)生的,得到的2 個(gè)不同的電壓值通過采用差分放大的方式,將差值與預(yù)設(shè)值做對比,經(jīng)過幾次對比求值,如果差值和預(yù)設(shè)值不同,那么光強(qiáng)檢測電路的輸出端電平變化,發(fā)出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 產(chǎn)品發(fā)展趨勢

多功能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光晾衣架的前景是一片良好的。 首先,人們對生活便捷程度有著越來越高的要求的前提下,自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光晾衣架更能滿足居民的需要,這種趨勢也將帶動(dòng)整個(gè)智能行業(yè)的發(fā)展,而智能衣架作為智能家居一部分,因此晾衣架行業(yè)有著較為穩(wěn)定的剛性需求。 其次,消費(fèi)者的觀念也正在發(fā)生轉(zhuǎn)變,更加關(guān)注產(chǎn)品的功能是否多樣化,是否適應(yīng)所在區(qū)域的氣候條件等因素,這些都推進(jìn)了整個(gè)晾衣架行業(yè)都在向著智能方向發(fā)展。 最后,隨著勞動(dòng)力數(shù)量下降,導(dǎo)致勞動(dòng)力成本提升,傳統(tǒng)晾衣架制造方式存在大量煩瑣的手工環(huán)節(jié),使用效率低下,造成成本浪費(fèi),所以自動(dòng)化生產(chǎn)也已經(jīng)成為傳統(tǒng)晾衣架制造業(yè)升級的趨勢之一。 多功能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光晾衣架,運(yùn)用太陽能追光系統(tǒng),不會(huì)為環(huán)境帶來任何傷害,而且也能高效滿足人們的需求。

3 結(jié)語

多功能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光晾衣架主要核心技術(shù)是太陽能追光系統(tǒng),是基于單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng),還有智能控制系本系統(tǒng)統(tǒng)等相結(jié)合,充分利用光電尋蹤模式,從而能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的追蹤精密度。 太陽能追光系統(tǒng)還會(huì)得到更廣闊的運(yùn)用,投入到更多的生活設(shè)備中,提高人們生活質(zhì)量,這也預(yù)示著太陽能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追光這一項(xiàng)技術(shù)將成為最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。