采用數(shù)字照度傳感器的光源自動(dòng)跟隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝維，葉如燕，朱青松

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100176；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124）

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息通信與交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，是前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一。目前，物聯(lián)網(wǎng)中的各傳感節(jié)點(diǎn)基本都采用干電池或開關(guān)電源供電。雖然傳感節(jié)點(diǎn)功耗較低，但是干電池維持使用時(shí)間較短，實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目測(cè)試中，2個(gè)1號(hào)堿性干電池至多使用1個(gè)月就需要進(jìn)行更換，并且干電池是化學(xué)電池，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。相對(duì)于干電池來說，開關(guān)電源不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，但需要有220V的交流輸入電壓，在一些供電不足的戶外環(huán)境中就不能使用。豐富的太陽輻射能是重要的能源，取之不盡、用之不竭且無污染，能夠被自由利用。然而，當(dāng)前較低的光電轉(zhuǎn)換效率成為其發(fā)展的瓶頸，提高光伏發(fā)電效率及應(yīng)用技術(shù)水平，是光伏領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容［1－4］。本研究通過保持太陽能電池板表面與太陽光線垂直，大幅提高發(fā)電功率，理論上比固定安裝的電池板轉(zhuǎn)換效率提高30%以上。本研究通過對(duì)太陽能的有效利用為物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)提供可靠能源，具有較高的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在戶外環(huán)境下無需維護(hù)、無人值守、保證全天候工作［5－8］。

1 光源自動(dòng)跟隨系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制器，利用單片機(jī)的模擬串口對(duì)4個(gè)數(shù)字光照度傳感器BH1710進(jìn)行采集，得到4個(gè)方位的光照強(qiáng)度，進(jìn)而控制相應(yīng)方向電機(jī)電源的繼電器動(dòng)作，控制雙軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，太陽能電池板提供給鋰電池充電能源，同時(shí)提供單片機(jī)和傳感節(jié)點(diǎn)工作電源，當(dāng)外界光強(qiáng)不足時(shí)由鋰電池作為傳感節(jié)點(diǎn)的后備能源持續(xù)工作，工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理示意

2 光源自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 光照傳感器模塊

照度傳感器BH1710FVC具有與人的視覺靈敏度相似的優(yōu)良光譜靈敏度，檢測(cè)光照范圍大且功耗低，可以測(cè)量從黑暗到日光直射環(huán)境的寬范圍的照度，范圍為1～65 535lx。BH1710為16位串行數(shù)字輸出型環(huán)境光傳感器，采用I2C總線接口，可以便捷地與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。另外，BH1710內(nèi)置待機(jī)功能，待機(jī)電流只有0.01μA，有助于便攜式電子機(jī)器朝低電流方向更進(jìn)一步發(fā)展，其外圍應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 BH1710外圍應(yīng)用電路示意

BH1710為數(shù)字型照度傳感器，器件本身有三種精度模式：高精度、中精度和低精度。其中高精度分辨率為1lx，測(cè)量時(shí)間120ms；中精度分辨率為4lx，測(cè)量時(shí)間16ms；低分辨率為32lx，測(cè)量時(shí)間2.9ms。通過程序向BH1710發(fā)送不同控制指令，即可實(shí)現(xiàn)不同模式的選擇。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用上、下、左、右4個(gè)光照強(qiáng)度傳感器，分別測(cè)得4個(gè)方向上的光照強(qiáng)度，上下一組，左右一組，分別進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)它們的光照強(qiáng)度達(dá)到一定差值后，電機(jī)就向著光照強(qiáng)度小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到最佳的收光狀態(tài)，其控制原理如圖3所示。

圖3 基于照度傳感器的控制原理示意

2.2 鋰電池充電模塊

僅讓光伏電池板轉(zhuǎn)到最佳位置還不足夠，光伏電池的輸出電壓和電流會(huì)隨著光照的不同而變化，采用最大功率點(diǎn)跟蹤方法保證每個(gè)光照時(shí)刻光伏電池組件輸出的功率都應(yīng)為最大值。有光照情況下由光伏電池板對(duì)鋰電池充電，同時(shí)提供單片機(jī)和節(jié)點(diǎn)工作電流；無光照情況下由鋰電池單獨(dú)提供單片機(jī)和節(jié)點(diǎn)工作電流。

該設(shè)計(jì)采用CN3722對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，CN3722是一款可使用太陽能電池供電的PWM降壓模式充電管理集成電路，具有太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能。CN3722具有恒流恒壓充電模式，非常適合于單節(jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理。恒流充電電流由連接于CSP管腳和BAT管腳之間的電流檢測(cè)電阻RCS設(shè)置，在恒壓充電模式，恒壓充電電壓由外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。鋰電池充電模塊原理如圖4所示。該電路中：M1為P溝道MOS管FDS4435；D1，D2為肖特基二極管SS33；電感L為22μH。

圖4 鋰電池充電模塊原理示意

3 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果

該光源自動(dòng)跟隨控制系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 光源自動(dòng)跟隨控制系統(tǒng)軟件流程示意

太陽能電池板工作電壓17.5V，開路電壓21.5V。太陽能電池板輸出連接CN3722鋰電池充電模塊，輸出12.6V，對(duì)3個(gè)串聯(lián)的4.2V／4 000mAH的鋰電池充電。同時(shí)12.6V直流電壓經(jīng)單相正弦波逆變電路轉(zhuǎn)換輸出220V交流電，繼電器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)方向的交流電機(jī)。太陽能電池板當(dāng)前的方向位置由1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)等4個(gè)照度傳感器BH1710檢測(cè)，分別代表上、下、左、右的光照強(qiáng)度，通過模擬串口輸入到單片機(jī)STC12C5A60S2的I／O口，軟件程序?qū)λ胶痛怪狈较虻墓鈴?qiáng)度差值做出控制，照度傳感器BH1710檢測(cè)精度較高，為防止電機(jī)干擾，采用了滯環(huán)控制方法，滯環(huán)控制區(qū)間值為0x22，當(dāng)水平方向1號(hào)傳感器測(cè)得的光照強(qiáng)度小于3號(hào)傳感器則水平電機(jī)正轉(zhuǎn)，減小差值，相反則水平電機(jī)反轉(zhuǎn)以減小差值。同理，垂直方向也由2號(hào)與4號(hào)傳感器檢測(cè)控制，最后雙軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)直至水平或垂直方向上的2個(gè)傳感器輸出基本一致，達(dá)到自動(dòng)跟蹤陽光的效果。

4 結(jié)束語

該項(xiàng)目主要研究用于物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的光源跟隨控制系統(tǒng)，通過單片機(jī)接收光照強(qiáng)度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤控制，同時(shí)采用光伏電池的最大功率跟蹤技術(shù)，使光伏電池工作在最大功率輸出狀態(tài)，進(jìn)一步提高太陽能量的利用率。研制的樣機(jī)可以基本實(shí)現(xiàn)其功能，實(shí)用價(jià)值較好，可推廣應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)、大棚種植監(jiān)控等其他場(chǎng)合。

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