江亮，王慧敏，張?zhí)斐?，王本?/p>

（皖西學(xué)院電子與信息工程學(xué)院,安徽六安,237012）

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)四個(gè)光照傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度，通過(guò)光照數(shù)據(jù)去控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，確保太陽(yáng)能板接收光照面積最大，提高太陽(yáng)能板發(fā)電率，其次對(duì)于能量?jī)?chǔ)能這一過(guò)程我們通過(guò)3.7V鋰電池充電保護(hù)板并通過(guò)穩(wěn)壓二極管和防倒灌保護(hù)二極管確保充電過(guò)程安全，同時(shí)在放電這一環(huán)節(jié)我們通過(guò)降壓模塊使輸出電壓為3.3V，保證輸出穩(wěn)定電壓。

本系統(tǒng)總框圖如圖1所示，以STM32F103ZET6作為核心處理器，主控板由光照傳感模塊、云臺(tái)、nrf24l01無(wú)線通信模塊、藍(lán)牙模塊、TFT彩屏、太陽(yáng)能板等構(gòu)成。通過(guò)檢測(cè)光照強(qiáng)度反饋控制太陽(yáng)能板位置，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接受，并通過(guò)TFT彩屏顯示，以及藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端。最后我們通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離接受和發(fā)送，并通過(guò)藍(lán)牙模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端，更加便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件模塊

2.1 電源模塊

為確保充電過(guò)程安全我們通過(guò)穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)了防止電流倒灌現(xiàn)象，同時(shí)通過(guò)降壓模塊使輸出電壓穩(wěn)定。

2.2 BH1750光強(qiáng)傳感器模塊

BH1750由光敏二極管、AD采集、晶振等組成，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算放大電路后由AD采集電壓，電壓與光照強(qiáng)度一一對(duì)應(yīng)，與光電特性呈線性關(guān)系，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為16位二進(jìn)制數(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器中，與單片機(jī)采用IIC通信模式[1]。

2.3 NRF24L01 2.4G無(wú)線模塊

NRF24L01 2.4G無(wú)線模塊采用內(nèi)部集成的協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)無(wú)線通信模塊數(shù)據(jù)發(fā)送的接收，其傳輸速度可以達(dá)到2M(bps)。模塊使用板載PCB天線，可實(shí)現(xiàn)1100米無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射長(zhǎng)度和接受長(zhǎng)度的單個(gè)數(shù)據(jù)包在1～32個(gè)字節(jié)，模塊采用SPI通信模式[2]。

2.4 HC-05藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)采用HC-05藍(lán)牙模塊，模塊之間可以設(shè)置主從機(jī)，主機(jī)可自主連接從機(jī)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)出指令后接收傳入數(shù)據(jù)，并且從機(jī)不會(huì)主動(dòng)建立連接其它模塊，確保數(shù)據(jù)單向發(fā)送與接受和接受數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。其采用串口通信，可通過(guò)設(shè)置波特率改變模塊的傳出速率[3]。

2.5 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是一種通過(guò)伺服電機(jī)進(jìn)行精確的位置控制或輸出較高的扭矩。電機(jī)的周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，以50HZ的頻率產(chǎn)生脈沖，通過(guò)輸入電壓差控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)判斷電壓差的正負(fù)決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪控制電位器選擇，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程圖

系統(tǒng)采用BH1750模塊采集光源，并采用卡爾曼濾波算法提高光照數(shù)據(jù)的精確度，然后將數(shù)據(jù)傳送給主控器，STM32F103單片機(jī)通過(guò)采集的數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)通過(guò)PID算法控住云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)追光系統(tǒng)。同時(shí)我們通過(guò)nrf24l01模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粏纹瑱C(jī)中實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸，藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端，便于用戶(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，TFT液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。圖2主機(jī)流程圖、圖3從機(jī)流程圖如下[1-7]。

圖2 主機(jī)程序流程圖

圖3 從機(jī)程序流程圖

3.2 自動(dòng)追光系統(tǒng)

首先通過(guò)BH1750光照傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入濾波算法中[5]，最終得出更加精確穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷數(shù)據(jù)之間的差值決定是否需要改動(dòng)太陽(yáng)能板的位置，若數(shù)據(jù)之間的差值大于設(shè)定值，則通過(guò)控制云臺(tái)使太陽(yáng)能板向光照強(qiáng)度大的方向移動(dòng)，反之則不，由此提高發(fā)電效率[7]。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)追光系統(tǒng)

3.3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過(guò)nrf24l01模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離發(fā)送和接受[2]，以及藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端[3]。首先確定倆個(gè)主控板主機(jī)和從機(jī)關(guān)系，我們將數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)一端設(shè)置為發(fā)送端，顯示數(shù)據(jù)那一端設(shè)置為接收端，發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)分別將數(shù)據(jù)保存到數(shù)組中，發(fā)送端向NRF的發(fā)送緩沖區(qū)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，接收端從NRF的接收緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù)，接收端將采集到的數(shù)據(jù)顯示在TFT液晶屏中，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端。其流程圖如圖5所示。

圖5 無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送接受流程圖

NRF的發(fā)送緩沖區(qū)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)代碼：

3.4 卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波（Kalman filtering）是一種用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，對(duì)于每個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)擾動(dòng)和觀測(cè)誤差（即噪聲）， 其算法是時(shí)域?yàn)V波，也是一種優(yōu)估算法，根據(jù)已知的先驗(yàn)值，預(yù)算下一時(shí)刻的估算值[5]。

其線性隨機(jī)微分方程：X(k)=A X(k-1)+BU(k)+W(k)

再加上系統(tǒng)的測(cè)量值：Z(k)=H X(k)+V(k)

其具體公式如下：

3.5 PID算法

PID算法通過(guò)比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，首先比例環(huán)節(jié)我們通過(guò)放大或縮小數(shù)據(jù)差，使系統(tǒng)快速達(dá)到目標(biāo)值，比例系數(shù)越大可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)大幅度振蕩，積分環(huán)節(jié)通過(guò)多次累加偏差得到期望值，對(duì)于積分環(huán)節(jié)為防止最終值超過(guò)目標(biāo)值通常在積分環(huán)節(jié)除以積分的時(shí)間，對(duì)于微分環(huán)節(jié)主要是解決到達(dá)目標(biāo)值后出現(xiàn)波動(dòng)給出值與目標(biāo)值之間存在波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的輸出有著預(yù)判作用。

4 測(cè)試方案

4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果

4.1.1 測(cè)試設(shè)備及條件

所用的測(cè)試設(shè)備有手電筒、萬(wàn)用表、秒表等。

測(cè)試條件：實(shí)驗(yàn)室提供場(chǎng)地、相關(guān)資料查詢(xún)、硬件模塊滿(mǎn)足指標(biāo)。

4.1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）追光系統(tǒng)檢測(cè)：通過(guò)測(cè)量上下左右四個(gè)方位的光照強(qiáng)度，判斷太陽(yáng)能板移動(dòng)的方向，同時(shí)通過(guò)時(shí)間測(cè)量檢驗(yàn)系統(tǒng)的靈敏度。

（2）電壓輸出： 通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓判斷系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性。

（3）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸：通過(guò)主機(jī)檢測(cè)的數(shù)據(jù)和從機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比判斷檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

4.1.3 結(jié)果分析

由表1可知：經(jīng)反復(fù)測(cè)試，可得追光系統(tǒng)穩(wěn)定且靈敏。由表2可知：輸出電壓與系統(tǒng)目標(biāo)輸出電壓誤差較小。由表3可知：主機(jī)采集的數(shù)據(jù)與從機(jī)接受的數(shù)據(jù)完全相同。

表1 追光系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

表2 降壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

表3 無(wú)線數(shù)據(jù)模塊采集

5 總結(jié)與心得

本系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)作為主控模塊，設(shè)計(jì)并制作主要包括BH1750光強(qiáng)傳感器、云臺(tái)、無(wú)線傳輸模塊等。通過(guò)查閱資料以及通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)程序進(jìn)行修改，最終技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)追光系統(tǒng)這一環(huán)節(jié)，我們通過(guò)分析各種模塊的性能，并查閱資料，最終選定具有與與光電特性呈線性關(guān)系的BH1750光強(qiáng)傳感器，并通過(guò)采集的數(shù)據(jù)反饋控制云臺(tái)。經(jīng)研究為穩(wěn)定的控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)位置，需要PID算法，經(jīng)團(tuán)隊(duì)一起努力，最終調(diào)出制動(dòng)效果最理想的參數(shù)，解決了問(wèn)題，同時(shí)我們對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程數(shù)據(jù)是如何發(fā)送以及主從機(jī)如何設(shè)定進(jìn)行深入的探究。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)提高了我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，以及提高了小組成員工作的效率，對(duì)日后的科研有著巨大的幫助。