刘傲迪 王艳 程振 张超
（宿州学院 机械与电子工程学院 安徽 宿州 234000）
摘要：由于太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。尽管目前已有很多太阳能设备，如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但对太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是能量利用率不高。对于绝大部分的太阳能设备，如果它的能量转换部分能始终保持与太阳光线垂直，就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，能量转换部分若想始终保持与太阳光线垂直，就必须要跟踪太阳。
关键词：12单片机，步进电机，光敏传感器，自动化
1 引言
对于目前大型光伏发电系统的设计，特别是在国内，大多数太阳能电池板阵列仍旧采用的是固定角度安装方法，即《国家太阳光伏电源系统安装工程设计规范》中根据不同地区所提出的最佳倾角式安装规范。虽然这种安装方式整齐划一，便于管理，且不会增加额外的系统成本，但却存在余弦效应，即太阳光线的入射方向始终与太阳能电池板阵列存在一定的角度偏差，无法垂直入射，进而导致光伏发电系统的效率低下。
2 基本原理
该实验是当四路光敏传感器采集光信号，将模拟量经AD转化为数字量，12单片机
进一步将收集到的信号处理，首先在1602显示屏上显示光的强度，并同时判断是步进电机1还是步进电机2转动（步进电机1控制左右，步进电机2控制上下）。此时工作状态指示灯亮，电机进行转动，从而使光与采集板垂直，完成光的最大化利用。
3 模块原件介绍
3.1 LCD1602液晶
LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。
LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。不同厂家生产的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一样的。为了降低成本，绝大多数制造商都直接将裸片做到板子上。
3.2 采集模块
光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光敏传感器采用防静电袋封装。在使用的过程中应该避免在潮湿的环境中使用，还应该注意表面的损伤和污染程度，它们应该均会影响光电流。
光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开关等电子产品光自动控制领域。
光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制LED灯具的自动开关。因此在自动控制、家用电器中得到广泛的应用，对于远程的照明灯具，例如：在电视机中作亮度自动调节，照相机中作自动曝光；另外，在路灯、航标等自动控制电路、卷带自停装置及防盗报警装置中等。
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图1：光敏传感器
3.3 步进电机模块
步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比,其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需的转角、速度和方向。
PID 控制：PID 控制作为一种简单而实用的控制方法 , 在步进电机驱动中获得了广泛的应用。它根据给定值 r( t) 与实际输出值 c(t) 构成控制偏差 e( t) , 将偏差的比例 、积分和微分通过线性组合构成控制量 ,对被控对象进行控制 。文献将集成位置传感器用于二相混合式步进电机中 ,以位置检测器和矢量控制为基础 ,设计出了一个可自动调节的 PI 速度控制器 ,此控制器在变工况的条件下能提供令人满意的瞬态特性 。文献根据步进电机的数学模型 ,设计了步进电机的 PID 控制系统 ,采用 PID 控制算法得到控制量 ,从而控制电机向指定位置运动 。最后 ,通过仿真验证了该控制具有较好的动态响应特性 。采用 PID 控制器具有结构简单 、鲁棒性强 、可靠性高等优点 ,但是它无法有效应对系统中的不确定信息 。
目前 , PID 控制更多的是与其他控制策略相结合 , 形成带有智能的新型复合控制 。这种智能复合型控制具有自学习 、自适应 、自组织的能力 ,能够自动辨识被控过程参数 , 自动整定控制参数 , 适应被控过程参数的变化 ,同时又具有常规 PID 控制器的特点。
4 系统设计
4.1 主控电路
主控电路采用stc12单片机，是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。采用 USB 接口线5V 电源供电：充电宝、电脑 USB 接口等均能满足设计电源的需求。设计端口数量也足以满足设计需求，无需外扩 IO 端口，节省了成本、降低了设计的难度。[1][2]
4.2 电源电路
外部电源给传感器供电,供电电压为12V。采用 USB 接口线5V 电源供电：充电宝、充电器USB 接口等均能满足设计电源的需求。也可采用锂离子电池作为移动电源，并设计出可充电接口和电源变换电路，以此来完成充电与其他模块的供电功能。
本设计选用的步进电机型号为24BYJ48—5V,共有4对磁极即4相,5根线依次为红、橙(A)、黄B)、粉(C)、蓝(D)五种颜色。其中蓝线和黄线是一对,橙线和粉线是--对,红线是这两组线圈抽头的公共线。蓝线和黄线、橙线和粉线接控制脉冲输出,所以只需要4个输出接口。通过内部逻辑程序的管脚分配,选用的是驱动芯片的前4个管脚，红线接+5 V的直流电源。
4.3 机械结构的构建
步进电机需要两个合理的摆放位置，正确实现一个水平，另一个竖直放置，共同协作控制光采集板。
该项目在机械结构方面需要一定研究，将各个传感器融合构建，使自动追光系统在使用时更加方便美观。
5 数据处理
该设计通过光敏传感器感知外界光的强弱，通过数据口将感知的数据传到单片机内部，经过单片机处理，将光的强度显示在102显示屏上，并且通过单片机控制两个不同维度步进电机的旋转角度，从而将光敏电阻与光源点最近。
6 主程序电路设计
收集所需要的12最小系统、LCD1602液晶显示屏、光敏传感器模块、步进电机传感器搭建完成并设计好机械结构。熟悉各个模块的作用以及相应的源码，分阶段完成实现各个模块的功能。[3]
首先，通过12最小系统板测量光敏传感器的数值，可以通过串口发送到上位机，进一步将数值显示到1602显示屏上；[4]然后，单独用12最小系统控制步进电机转动，可以控制转动方向、角度；最后，通过光敏传感器控制步进电机转动，从而达到最后目标。[5]
7 结束语
通过对本设计的研究,将开环器件步进电机与光敏电阻有效结合,最终实现了带反馈的闭环可控系统,提高了电机的实用性，进而增强光的采集率。
本设计逻辑简单、可靠性好,设计理念可以有效地应用在各种需要采集光强度的仪器上，也可以根据需求测量出实际应用中的最佳向光角,具有广泛的应用情景。
参考文献
[1]陈晓鸽，昂军.Protel?99SE标准实例教程[M].北京:机械工业出版社,2010:139-183.
[2]王美川，王紫婷.基于FPGA控制的步进电机驱动设计[J].电子测量技术2008,31（6）:184-187.
[3]林海波，基于单片机的步进电机均匀细分驱动器的实现[J].自动化仪表2004,25（9）:60?-63.
[4]徐爱钧,单片机原理实用教程.电子工业出版社，2011.
[5]王雪文,传感器原理及应用[ M ].北京：北京航空航天大学出版社,2009.