基于光敏电阻的太阳能板光源自动跟踪演示装置

李加定,万若楠,曾庆瑞

(广州城市理工学院 电子信息工程学院，广东 广州 510800)

在新工科建设背景下，加强课程知识融合，创新工程教育方式和手段已成为共识[1-2]. 大学物理实验在工程教育中具有不可或缺的基础性作用. 同时由于工科各专业学生将来从事工程设计、研发、制作等工作，其知识结构从专业诉求上偏向于应用，而当前大学物理实验教学存在内容与专业知识脱节，导致学生的学习兴致不高[2]. 为了破解这一矛盾，需要加强大学物理实验课程与其他学科的专业知识融合，针对电子、通信、自动化等专业开设的大学物理实验课程作出积极尝试，将单一的基础实验改成基础实验+综合创新实验的方式，与单片机、传感器技术等课程设计结合起来培养学生的综合实践能力[3-6].

“典型传感器输出特性研究与应用”是大学物理实验课程常开设的实验之一[7]，该实验与工程类专业知识联系紧密，是创新实验常见的突破口与出发点. 本文从传统的光敏电阻实验出发，先设计了解光敏电阻的基本特性的实验并介绍接入电路的方法，再设计并制作基于光敏电阻的太阳能板光源自动跟踪演示装置.

基于电阻类传感器设计出的方案和成果丰富多样[8-9],例如基于温度传感器的温控加热装置，基于位移传感器的液面控制装置，基于红外光检测的自动门装置，等等. 本文以光敏电阻传感器的设计方案为例.

1.1 光敏电阻传感器的基本特性

了解光敏电阻的物理原理和基本参量，设计实验方案测量光敏电阻在亮光、暗光等不同光照强度下的电阻值，测量电路如图1所示. 其中，电源V0为12 V，RP为滑动变阻器，待测光敏电阻RT与标准电阻R0串联，电压表V通过单刀双键开关K选择测量RT或R0两端的电压，从而测量光敏电阻在不同电压和光照情况下的阻值,结果如表1所示.

图1 光敏电阻特性实验电路

表1 光敏电阻伏安特性实验数据

1.2 光敏电阻接入电路的常见方法

图2是光敏电阻接入电路的常见方法，输出电压经过数模转换后进入单片机，与电阻值成正比. 在接入前学生应先了解光敏电阻的初态电阻值，以及在受外界影响时电阻的变化范围.

图2 光敏电阻转换电路

1.3 光敏电阻传感器的简单应用

利用光敏电阻模拟控制路灯“晚上亮灯、白天不亮”[10]. 实验采用的光敏电阻T5528在亮光和暗光下的电阻为1 kΩ～1 MΩ，采用LED发光二极管模拟路灯，光敏电阻RT使用最大值为1 MΩ的可调电阻. 光照下，RT接近1 kΩ，LED不亮. 光照减弱时，RT电阻增加，当阻值增加到10%暗电阻大小时，三极管Q1的Vbe=0.675 V，集电极-发射极导通，LED灯亮(见图3). 为实现此效果，需确定R1，R2和R4的阻值，利用Multisim软件调试，结合市面常见的电阻器件阻值，并与RT，LED和Q1相匹配，当R1=47 Ω，R2=47 kΩ时可实现目标.

图3 暗光自动亮灯实验仿真电路图

2.1 设计思路与预期效果

在太阳能板4个方位安装4个相同的光敏电阻，如图4所示.

图4 光敏电阻在太阳能板上的分布示意图

当点光源置于正上方时，4个光敏电阻接收的光照强度一致，电阻相同，电机不工作. 当点光源以一定的角度斜入射到太阳能板，例如水平方向P1和P3接收光照强度不等，单片机采集到的电压不同，驱使步进电机向电阻值减少的方向转动，直到阻值相等，电机才停止转动，随后另一方位也执行相同操作. 这样，不论光线由哪个方向入射，步进电机都会驱动云台转动，使太阳能板正对着光源，实现自动跟踪效果.

2.2 硬件设计

包括光敏电阻、单片机、步进电机、太阳能板(配套充电与储电装置)和二维云台等核心部件.

2.2.1 光敏电阻的选择与接入电路设计

结合性价比和设计要求，选择T5528型光敏电阻，转换电路如图5所示. 光敏电阻D1～D4与4个10 kΩ电阻串联，D1～D4的电平通过PCF8591 模数/数模转换芯片的4个模拟输入口转换成数字电压后，传给单片机处理.

图5 光电转换电路

2.2.2 步进电动机的选择与驱动电路的构建

步进电机是将电脉冲转化为角位移的执行机构，电机驱动电路接收到周期脉冲信号后，驱动电机正转或反转固定角度. 调节脉冲数量可调节角位移量，从而实现精准定位. 由于演示装置的质量不大，5 V DC步进电机即可胜任，故选择性价比较高的28BYJ-48型步进电机.

单片机P1.0～P1.3端口通过ULN2003驱动控制电机的蓝粉黄橙4根接入导线，与其内部ABCD 4个线圈绕组连接(见图6)，线圈采用1组与2组线圈交替励磁，即为4-1-2相驱动. 单片机P1端口输出表2中0x08→0x09的1组脉冲信号，表示电机正转；
反之，输出0x09→0x08的脉冲信号，表示电机反转.

图6 步进电机接线电路图

表2 步进电机驱动方式(4-1-2相驱动)

2.2.3 太阳能板充电与供电模块

根据演示装置需求，采用大小为110 mm×80 mm的太阳能板，由于太阳能输出电量不稳定，需要先将电能经TP4056充电模块存入到蓄电池，如图7所示. 蓄电池的输出电压为3.7 V，若直接对外供电则不足以驱动步进电机，先经过TP4056供电输出，加载DC-DC升压模块，将电压提升到5 V. 其中，TP4056芯片在充电和供电过程中具有防止过充和温度过高的保护措施，是太阳能板常见的必备器件[11].

图7 太阳能板充电与供电电路

LM393芯片将蓄电池输出电压与参考电压(本装置设定4.0 V)进行比较，其中参考电压由可调电阻设定，接入LM393的输入“-”端. 当蓄电池输出电压低于参考电压时，LM393输出低电平，绿灯亮，表示可正常充电；
过充时，蓄电池的电压高于参考电压，红灯亮，绿灯熄，从而达到提示效果.

2.2.4 单片机主控电路

控制芯片采用 STC89C52RC单片机. 其中，单片机P0.0～P0.1端口接光敏电阻，用于采集信号；
P1.0～P1.7接步进电机，驱动ULN2003；
P0.2～P0.6接按键电路输入(1个为主控开关，4个为方位开关)，可供手动模式调节电机转动. 另外，还有显示工作状态的LED，以及其他必要的电路，如下载接口、时钟电路和复位电路.

2.3 软件设计

据前面分析，太阳能板有手动与自动2种模式，其中自动模式流程如图8所示. 电阻比较由2个电阻上对应的电压比较而来，电机转动1周期即为单片机P1口输出的脉冲信号控制电机转动一定的角度.

图8 自动模式的软件流程图

2.4 实物制作

太阳能板光源自动跟踪演示装置的云台3D模型如图9所示，实物如图10所示. 整个装置由太阳能板、二维电动云台(又称舵机云台)和电路板主要部件构成. 其中二维电动云台自行制作完成，包括：垫板、左右压板、侧板、同向扣、夹板(各2块)、电机左右支架板(3块)、电机带动板、电机固定板、底部和控制板固定支架(各4个)、底板(面积为220 mm×170 mm)和电机(2台)，整个模型的质量约700 g.

图9 二维自由旋转平台的3D模型图

图10 太阳能板光源跟踪演示装置实物图

设计本装置的目标是太阳能板跟踪光源转动，时刻对准光源方向，接收最大光照. 分别测试了手动与自动模式下的调节效果. 手动模式下，通过4个方位按键控制步进电机转动，根据调试结果，其中最大俯仰转角为175°，水平转角为360°. 自动调节模式下，通过主控开关按键开启，使用手机光源或手电筒光源照射太阳能板，均能实现太阳能板自动对准光源，达到设计要求.

若要光源跟踪装置演示效果明显，装置从初始状态转动到对准光源状态所需时间间隔(响应完成时间)非常重要. 为此，进行了实验测试，在自动模式下暗光环境中，手机光源距离太阳能板约30 cm处，从5个不同位置照射太阳能板，采用秒表计时，测得响应完成时间如表3所示.

表3 光源跟踪装置不同位置的响应完成时间

可见，该装置能在6 s内完成转向对准光源，先水平角方位转动，后俯仰角方位转动，中间停顿约1 s. 在白天室内环境，遮窗关灯，排除强光源干扰，手机光源照射时本装置也能响应转动并对准手机光源，满足演示需求.

在现有大学物理实验的基础上，打破学科界限，强调综合创新运用[12]. 在此背景下，设计并制作了太阳能板光源自动跟踪装置，作为教学演示装置，其物理原理清晰，演示效果明显. 作为由基础物理实验向电子电工实践过渡的实验课程设计案例，有积极的教学参考价值. 其循序渐进的实验过程能帮助学生克服从理论到实践的心理障碍，交叉融合知识，提高学生的学习兴趣.