双轴步进电机光源跟踪系统设计

【摘 要】本文阐述了利用PIC886单片机为主控芯片，分别连接两个步进电机，载着光敏电阻与太阳能板达到寻光的目的，使太阳能板调节自身角度始终垂直于太阳光照射方向，从而提高设备工作效率。

【关键词】点光源跟踪;光敏传感器;步进电机

中图分类号： TM383.6 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）18-0015-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.007

Design of Light Source Tracking System for Two-Axis Stepping Motor

DING Bo-sheng

（Dongfeng Electrical  Technology Co.，ltd.Anhui，Hefei Anhui 231202，China）

【Abstract】This paper describes the use of PIC886 microcontroller as the main control chip，connecting two stepper motors，carrying photoresistors and solar panels to achieve the purpose of seeking light，so that the solar panels adjust their own angle perpendicular to the direction of sunlight illumination，thereby improving the efficiency of the equipment.

【Key words】Point source tracking;Photosensitive sensor;Stepping motor

0 引言

光源跟踪是一项应用广泛的实用技术，将该技术应用于太阳能设备上，能使太阳能板调节自身角度始终垂直于太阳光照射方向，从而提高设备工作效率，如何对太阳能进行更好地利用对缓解能源危机具有非常重要的现实意义[1-3]。近些年来随着科学的不断发展，越来越多的跟踪手段也被研究出来，例如图像定位跟踪和旋转电流跟踪等。本设计利用PIC886单片机为主控芯片，分别连接两个步进电机分为自动与手动模式，载着光敏电阻与太阳能板达到寻光的目的。

1 系统结构设计

本系统利用光敏电阻采集光强通过自身阻值改变[4]，对应输出电压模拟量经模数转换后进入PIC886单片机为主控芯片，由单片机引脚分别连接两个步进电机，分别由两个步进电机载着光敏电阻与太阳能板达到寻光的目的。寻光的模式分为自动与手动模式。太阳光经过太阳能板与充电管理模块后给锂电池进行充电，并对整个电路进行供电。本系统硬件主要有：PIC886单片机系统、步进电机及驱动模块、光敏电阻模块、电源管理模块、太阳能充电模块、AD转换电路。

2 硬件電路设计

2.1 PIC886单片机系统设计

PIC886单片机模块包括电源电路，复位电路，晶振电路等组成[5]。复位电路功能为芯片设置一个初始状态，便于观察整个电路的初始状态。晶振电路由一个晶振和两个电容组成，提供单片机所需要频率。

2.2 步进电机模块设计

步进电机是将电脉冲信号转换为机械能，从而达到控制电机的目的。本设计将来自AD转换器输入的数字信号，再由单片机的八个I/O口控制两个电机的转动的角度与方向。

2.3 光敏电阻模块设计

光敏电阻器是利用相关光感效应的半导体元器件制作而成的，随着入射光增大，电阻阻值减小，入射光减小，电阻阻值增大。光敏电阻都是形似薄片的结构，使相关的受光面积增强，用于尽可能多的光能。当其受到入射光的照射时，光敏电阻内部产生空穴对，使光敏电阻内部的电流增强。光敏电阻的内部构造呈梳状，是为了获得更高的灵敏度精确度。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片和电极等组成的。本设计由光敏电阻采集光强改变自身阻值，所得电流模拟量，经过AD转换器得到数字量，输入单片机进行比较运算。

2.4 电源管理模块设计

电源管理模块包含升压模块、过压保护模块、充电管理模块等组成。主要完成太阳能给锂电池充电，电源升压供硬件电路使用及过压保护功能。

2.5 AD转换模块设计

AD转化模块是跟踪系统的核心模块，主要功能为：将光敏电阻的模拟量信号转化为对应的数字信号，共处理器进行数字信号处理。系统先起动总线函数，功能为启动I2C总线。首先发送起始条件的数据信号，起始条件建立时间大于4.7us，延时，发送起始信号，起始条件锁定时间大于4us时，钳住I2C总线，供总线发送或接收数据。

总线结束函数功能为结束I2C总线，把总线资源让出给其他外部设备使用。I2C结束条件为首先发送结束条件的数据信号，然后发送结束条件的时钟信号，结束条件建立时间大于4us，发送I2C总线结束信号。

字节数据发送函数功能为将数据发送出去，数据可以是地址，也可以是数据，发完后等待应答信号，并对此状态位进行操作，发送数据正常，将标志位置1，数据不正常或未接收到应答数据则置标志位为0.。本系统程序中，利循环设定要长度为16位传送的数据，然后置高时钟线，开启数据接收模式，在保持时钟信号高电平大于4us，当发送完16位数据后释放I2C总线，准备接收应答信号，最后判断是否接收到应答信号。

字节数据接收函数，功能为用来接收从外部设备发送来来的数据，并判断总线错误，发完后应答从机。

应答子函数功能为处理器进行应答信号。利用判断语句，判断在此发出应答或非应答信号，设定时钟低电平周期大于4us，最后清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收。

3 软件设计

本次程序设计分为PIC单片机主程序与AD转换程序两个部分。其中，主程序包含单片机控制程序与数字信号计算程序，AD转换程序包含模拟信号的接收、转换与输出，软件子程序模块主要有主函数模块、单片机初始化模块按键读取子函数、模式切换函数、AD转换子程序、伺服电机控制子程序、PID算法子模块等，流程图如图4所示。

4 系统调试

为验证上述跟踪系统的功能及伺服电机随动特性，本方案进行了系统系统总体设计，硬件调试、软件编程等工作来搭建双轴步进电机光源跟踪样机。将实物装上3.7V锂电池，系统默认为自动模式，并通过相应的LED点亮进行显示;按下中间的独立按键可切换为手动模式，自动模式下可用激光笔照射光敏电阻，步进电机的转动是分步转动的。脉冲的个数是用来控制步进电机的角位移量的，将电机的转动与停止做到精准定位，通过单片机控制脉冲的频率，从而来控制电机的转速。电机在无超载的情况下，其不受其负载变化的影响，电机的转速与停止位置仅仅取决于脉冲信号的频率与数量，所以只要直接通过控制程序，设定电机的频率和数量，就能达到控制电机的目的。通过四个独立按键来控制而控制步进电机的轉向。

5 结束语

本系统是基于PIC886单片机的控制系统，采用入射光的强度启动自动追踪模式，提高了系统的追踪精度。系统建立后进行了现场测试，测试结果表明双周步进电机光源跟踪系统能准确稳定地跟踪太阳光的入射方向，加入了手动按键调试方案后系统工作稳定，操作灵活，具有一定实用价值。

【参考文献】

[1]钱发飞，张培欧.基于单片机的X-Y轴步进电机控制系统开发[J].高师理科学刊，2017，37（08）：38-45.

[2]张五一，罗冬冬，程宾.基于RS485多机通信的四轴步进电机同步控制系统[J].中原工学院学报，2015，26（03）：19-23.

[3]谭翠兰.点光源跟踪系统的设计[J].江汉大学学报（自然科学版），2014，42（01）：49-54.

[4]薛永风，朱学军，方贇.基于FX2N-20GM的双轴步进控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2011（09）：73-76.

[5]潘永雄.新编单片机原理与应用[M].西安电子科技大学出版社，2013.

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