多功能自動旋轉(zhuǎn)追光衣架設計

秦夢雅，谷晨顏，周 可

（安徽三聯(lián)學院，安徽 合肥 230000）

0 引言

多功能自動追光旋轉(zhuǎn)衣架主要研究追光功能,主要有機械設計和自動跟蹤系統(tǒng)控制部分設計。 想要通過兩臺步進電機協(xié)同合作來對太陽進行跟蹤,這一部分屬于機械設計。 而控制部分的設計采用電光檢測追蹤模式,這一功能主要基于單片機的自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。 達到太陽能充電系統(tǒng)的追光自動化,需要利用51 單片機來做的雙軸自動旋轉(zhuǎn)追光系統(tǒng),這其中包含一個監(jiān)控系統(tǒng),它是主要來檢測太陽的當前位置來得以保證陽光的垂直照射能被電池板準確接收,而主要的核心部分就是太陽傳感系統(tǒng)以及追蹤控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)具有一個休眠的狀態(tài),進入休眠的狀態(tài)陽光很微弱,光強沒有辦法產(chǎn)出足夠的電能,沒法滿足系統(tǒng)工作的條件,這時備用電池會提供電量來進行周期性的檢測,等到太陽光強到一定程度時,自動追蹤太陽的定位,定位信息由控制系統(tǒng)將經(jīng)緯位置和傳感器的反饋進行匯總得出同時自動換算并調(diào)整。 信息傳到追蹤器,進而通過電機驅(qū)動來改變方向,來確保陽光的垂直照射。 就算當時是陰雨天氣也不會影響該系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。

1 功能的設計與實現(xiàn)

1.1 機械設計

1.1.1 光電追蹤

本設計主要是想要實現(xiàn)自動旋轉(zhuǎn)追光這一功能,達到這一功能就要利用跟蹤頭,控制組件以及位置檢測器等組成的光電尋蹤系統(tǒng)。 發(fā)揮主要功能的是位置檢測器,它主要是由光敏傳感器構成,運用光敏傳感器的特性去檢測位置信息。 當位置檢測器接收到一點點微弱的信號,控制組件進行接受并且進行放大處理,處理完成之后傳送到執(zhí)行元件,系統(tǒng)的執(zhí)行元件即為跟蹤頭。

1.1.2 視日運動軌跡跟蹤

視日尋蹤法就是通過確定太陽的位置計算從而達到控制尋蹤效果。 地平坐標系跟蹤法是結構上經(jīng)常采用的方式之一,同時極軸式跟蹤法也是。 雙軸跟蹤方式運用了兩根轉(zhuǎn)軸,垂直于地面的轉(zhuǎn)軸叫作方位軸,其作用為調(diào)整方位角,第二根轉(zhuǎn)軸叫作俯仰軸,其作用為調(diào)整高度角。 這種通過太陽的高度角和方位角進行追蹤的方式,可能會因為角度的不斷改變,需要轉(zhuǎn)軸進行無休止的轉(zhuǎn)動來捕捉到太陽的具體位置。

多功能自動旋轉(zhuǎn)追光系統(tǒng)主要功能有追蹤太陽的定位,這一功能的實現(xiàn)需要立刻停止控制電路與轉(zhuǎn)動控制電路的結合,實際操作中要用到專用的芯片以及微控制器,微控制器的種類很多,需要進行挑選。 同時如果只是單單使用直流電機還是不能夠得到確切的控制定位,需要將直流電機和旋轉(zhuǎn)編碼器相結合,這樣既能實現(xiàn)確切的定位控制也能達到速度控制的效果。

本設計主要采用光敏電阻光強比較法,當陽光進行垂直照射的時候,由于光敏電阻的阻值會隨著日照強度的大小進行轉(zhuǎn)變,兩者是呈現(xiàn)反比的數(shù)學關系,而電池板東西方向的底部有2 個光敏電阻,完全一樣,所以當光敏電阻阻值相同時,電機就會停止轉(zhuǎn)動。 如果日照陽光與電池板有了夾角,光敏電阻阻值發(fā)生變化了,電壓也隨之發(fā)生改變,那時就會引起電機的運行轉(zhuǎn)動［1］。

1.1.3 步進電機選擇

步進電機又稱脈沖電動機,適用于在速度精度要求不是很高的中小型微型機床中,能夠?qū)㈦娒}沖轉(zhuǎn)變成為角位移或者時線位移形式。 步進電機有3 種類型,分別為機電式、直線式以及磁電式。 步進電機的選擇要考慮到設計需達到的功能,要考慮到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及空起頻率的影響。

多功能自動旋轉(zhuǎn)追光系統(tǒng)主要功能有追蹤太陽的定位,這一功能的實現(xiàn)需要立刻停止控制電路與轉(zhuǎn)動控制電路的結合,實際操作中要用到專用的芯片以及微控制器,微控制器的種類很多,需要進行挑選。 同時如果只是單單使用直流電機還是不能夠得到確切的控制定位,需要將直流電機和旋轉(zhuǎn)編碼器相結合,這樣既能實現(xiàn)確切的定位控制也能達到速度控制的效果。

1.2 自動控制系統(tǒng)設計

1.2.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構

1.2.2 光電轉(zhuǎn)換器

接收到的日光,在光電轉(zhuǎn)換器的工作下將得到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,然后再有單片機去具體分析轉(zhuǎn)變成的電信號,太陽能電池面板則需要通過步進電機的旋轉(zhuǎn)得到始終垂直的入射光線,進而達到利用太陽能的最高效率。

(1）光電探測器的特性是可以將陽光輻射轉(zhuǎn)換成電能量,利用這種特性可以達到光電追蹤這一目的,其工作原理就是利用了光電效應,與熱探測器的特性不同,熱探測器是通過吸收日照輻射后溫度升高,從而改變其電學性能［2］。

(2）光電子發(fā)射器件:光電管與光電倍增管,主要特點就是靈銳度高,穩(wěn)定性好,響應速率快和噪音小,都是屬于電流放大器件的一種。

(3）光電導器件:通常為光敏電阻,具備光電導效應,由半導體材質(zhì)做成的一種光電探測器,在近、中、遠紅外波段都有適用的類型。

1.2.3 單片機

采用的AT89C51 單片機,是一種8 位單片機,同時采用ATMEL 高密度非易失性的存儲技術,具有很強的靈活性,同時功能性強、價格合理也是其特點之一,51單片機也具備功耗更低,性能更強等優(yōu)勢。

主要特征:(1）全靜態(tài)工作頻率:24 MHz；三級程序存儲器鎖定。 (2）內(nèi)部的 RMA 為 128 字節(jié)。 (3）2 個16 位的定時器或者計數(shù)器；6 個中斷源；可編程全雙工串行通道；片內(nèi)時鐘振蕩器。

1.2.4 驅(qū)動器

采用MT-2HB03M 驅(qū)動器。 特點:雙極驅(qū)動工作電壓12～40 V；驅(qū)動電流0.8～3.5 A；很低的電源損耗,但是卻有很高的開關效率。 設計中通過電位器的調(diào)節(jié),來改變驅(qū)動器的電流大小,順時針轉(zhuǎn)動,電流增加,反之逆時針轉(zhuǎn)動,電流減小。 實驗中采取共陽極接法,將脈沖信號輸入正端,電機正反轉(zhuǎn)控制正段以及電機脫機控制正段接入電源,使驅(qū)動器內(nèi)產(chǎn)生驅(qū)動電流,輸入的信號通過脈沖信號輸入負端進入,最后電機正反轉(zhuǎn)控制負端和電機脫機控制負端在低電平使起作用［3］。

1.3 系統(tǒng)軟件的開發(fā)

通過程序編程讓單片機去控制步進電機,當系統(tǒng)開始進行工作時接收板對準太陽,能夠?qū)崟r觀察到太陽的方向,進行全方面追蹤,這是多功能自動旋轉(zhuǎn)追光系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。 光電追蹤以及視日運動軌跡跟蹤主要利用尋蹤裝置控制系統(tǒng)的芯片完成,而系統(tǒng)的控制同時利用主控芯片完成。

光電跟蹤是主要跟蹤方式。 電壓信號的產(chǎn)生是由于日光照到光敏傳感器上,引起了電阻阻值的改變而發(fā)生的,得到的2 個不同的電壓值通過采用差分放大的方式,將差值與預設值做對比,經(jīng)過幾次對比求值,如果差值和預設值不同,那么光強檢測電路的輸出端電平變化,發(fā)出脈沖控制步進電機的運轉(zhuǎn)。

2 產(chǎn)品發(fā)展趨勢

多功能自動旋轉(zhuǎn)追光晾衣架的前景是一片良好的。 首先,人們對生活便捷程度有著越來越高的要求的前提下,自動旋轉(zhuǎn)追光晾衣架更能滿足居民的需要,這種趨勢也將帶動整個智能行業(yè)的發(fā)展,而智能衣架作為智能家居一部分,因此晾衣架行業(yè)有著較為穩(wěn)定的剛性需求。 其次,消費者的觀念也正在發(fā)生轉(zhuǎn)變,更加關注產(chǎn)品的功能是否多樣化,是否適應所在區(qū)域的氣候條件等因素,這些都推進了整個晾衣架行業(yè)都在向著智能方向發(fā)展。 最后,隨著勞動力數(shù)量下降,導致勞動力成本提升,傳統(tǒng)晾衣架制造方式存在大量煩瑣的手工環(huán)節(jié),使用效率低下,造成成本浪費,所以自動化生產(chǎn)也已經(jīng)成為傳統(tǒng)晾衣架制造業(yè)升級的趨勢之一。 多功能自動旋轉(zhuǎn)追光晾衣架,運用太陽能追光系統(tǒng),不會為環(huán)境帶來任何傷害,而且也能高效滿足人們的需求。

3 結語

多功能自動旋轉(zhuǎn)追光晾衣架主要核心技術是太陽能追光系統(tǒng),是基于單片機的自動控制系統(tǒng),還有智能控制系本系統(tǒng)統(tǒng)等相結合,充分利用光電尋蹤模式,從而能夠提高整個系統(tǒng)的追蹤精密度。 太陽能追光系統(tǒng)還會得到更廣闊的運用,投入到更多的生活設備中,提高人們生活質(zhì)量,這也預示著太陽能自動旋轉(zhuǎn)追光這一項技術將成為最有發(fā)展前景的技術之一。