仉英旭++徐濤++劉其然

摘 要： 矩陣式太陽(yáng)敏感器系統(tǒng)是精度高、測(cè)量信息量大并能快速處理的敏感系統(tǒng)。文章設(shè)計(jì)的矩陣式太陽(yáng)敏感器，利用光敏電阻作為敏感元件，將光敏電阻排列成4×4矩陣，采用狹縫式光學(xué)頭部，同時(shí)采集到兩個(gè)軸姿態(tài)夾角的數(shù)字信息；利用ADC0809對(duì)光敏電阻的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)STC89C52實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，將結(jié)果在LCD液晶顯示器顯示，同時(shí)通過(guò)串口將結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該太陽(yáng)敏感器具有一定的精度，在一定范圍內(nèi)能夠滿足太陽(yáng)的角度測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)敏感器； 光敏電阻； 單片機(jī)； ADC089； LCD

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）03-01-03

Matrix sun sensor design with MCU

Zhang Yingxu， Xu Tao， Liu Qiran

（Dept. of Automation， Shenyang Aerospace University， Shenyang， Liaoning 110136， China）

Abstract： Matrix type sun sensor system is a sensitive system with high precision， high measurement information and fast processing. In this paper， the designed matrix sun sensor using photo-resistors as the sensitive element， the photo-resistors are arranged in a 4×4 matrix， the slit type optical head is used to acquire the digital information of two-axis attitude angle； The ADC0809 converts the analog signals to digital signals； The microcontroller unit （MCU） STC89C52 is used to process the signal and output the sensing results to LCD unit. Meanwhile， the results are transferred to the PC by serial port. The experimental results show that the sun sensor has a certain precision， can meet the sun's angle measurement in a certain range.

Key words： sun sensor； photo-resistor； MCU； ADC0809； LCD

0 引言

作為航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中的重要測(cè)量部件，太陽(yáng)敏感器一直是航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的敏感器之一，所有衛(wèi)星都配備太陽(yáng)敏感器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的角度測(cè)量，以調(diào)整其太陽(yáng)能電池板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光?；驹硎峭ㄟ^(guò)測(cè)量太陽(yáng)光線與衛(wèi)星某一體軸之間的夾角，確定太陽(yáng)在敏感器本體坐標(biāo)系中的位置，再通過(guò)坐標(biāo)矩陣變換得到太陽(yáng)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系中的位置，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)控制[1-5]。目前，太陽(yáng)敏感器主要包括0-1式、模擬式和數(shù)字式三種。其中，0-1式又稱為太陽(yáng)發(fā)現(xiàn)探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)即輸出階躍信號(hào)，用于衛(wèi)星的粗定姿；模擬式太陽(yáng)敏感器又稱為余弦檢測(cè)器，多采用光電池作為其傳感器器件，輸出信號(hào)強(qiáng)度與太陽(yáng)光的入射角度余弦成比例[6-7]；數(shù)字式太陽(yáng)敏感器通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)光線在探測(cè)器上的相對(duì)中心位置偏差來(lái)計(jì)算太陽(yáng)光的角度，主要包括CCD和CMOS兩種：CCD太陽(yáng)敏感器主要包括線列CCD太陽(yáng)敏感器和面陣CCD式太陽(yáng)敏感器[8-11]，而CMOS數(shù)字式太陽(yáng)敏感器主要是面陣式[12-14]。另外，隨著MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)敏感器也設(shè)計(jì)了微型的傳感器系統(tǒng)[13，15]。

本文使用低成本的光敏電阻作為敏感元件，以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了矩陣式的太陽(yáng)敏感器，實(shí)現(xiàn)了光敏電阻矩陣信息的采集、轉(zhuǎn)換、處理、顯示，并設(shè)計(jì)了與上位機(jī)的串口通信接口。

1 矩陣式太陽(yáng)敏感器原理

將光敏電阻排布成為矩陣，考慮將光敏電阻間的間距設(shè)定為3cm，光學(xué)頭部距離光敏電阻矩陣距離為1.5cm，為了檢測(cè)到盡可能多的光照，將十字交叉的兩條狹縫斜開(kāi)于光學(xué)頭部上，將太陽(yáng)光垂直穿過(guò)光學(xué)頭部照射到光敏電阻的情況設(shè)為垂直方向90?，以右側(cè)方位為水平0?方向，得到光線穿過(guò)光學(xué)頭部狹縫交叉點(diǎn)照射在光敏電阻矩陣平面上的不同位置36種，通過(guò)測(cè)量不同光照角度可以計(jì)算出36種太陽(yáng)光入射光線在水平和豎直方向的角度，即36種衛(wèi)星相對(duì)于太陽(yáng)的光學(xué)姿態(tài)信息。光敏電阻位置及36種光照情況狹縫交點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 光敏電阻位置及36種光照情況狹縫交點(diǎn)位置

矩陣式太陽(yáng)敏感器的光學(xué)頭部采用狹縫式，當(dāng)太陽(yáng)光照射到敏感器時(shí)，光線穿過(guò)光學(xué)頭部照射到與其對(duì)應(yīng)入射角度的光敏電阻上，阻值變化顯著；而其他光敏電阻由于光學(xué)頭部的遮擋而沒(méi)被光直射，其電阻值不會(huì)發(fā)生明顯變化。

2 光學(xué)敏感單元設(shè)計(jì)

太陽(yáng)敏感器的光學(xué)頭部可以分為狹縫式、小孔式和棱鏡式等。設(shè)計(jì)初期考慮過(guò)小孔式光學(xué)頭部，因?yàn)樾】资焦鈱W(xué)頭部遮光性好，可以保證光學(xué)頭部?jī)?nèi)部的黑暗程度，防止過(guò)多光源進(jìn)入而影響其他光敏電阻矩陣。但考慮到本次設(shè)計(jì)僅僅采用4×4共16個(gè)光敏電阻，數(shù)量較少，間隙較大，如果采用小孔式光學(xué)頭部，會(huì)出現(xiàn)許多光線照射不到光敏電阻上的情況，這會(huì)給矩陣式太陽(yáng)敏感器的應(yīng)用帶來(lái)很大的不足。所以，本次設(shè)計(jì)采用狹縫式光學(xué)頭部?？紤]到如果狹縫的方向與光敏電阻排列的方向一致，那么光照情況就分為4行4列，共16種光照情況，這樣設(shè)計(jì)，能夠檢測(cè)到太陽(yáng)的光學(xué)姿態(tài)角度情況較少，無(wú)論是角度范圍還是精度都比較低。所以，本次設(shè)計(jì)最終選擇采用傾斜開(kāi)狹縫的方式制作光學(xué)頭部，這樣橫縱兩個(gè)方向都會(huì)由原來(lái)的4種情況變?yōu)?種情況，相對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)的光學(xué)姿態(tài)角度情況也從16種增長(zhǎng)到36種，在角度的范圍和精度上都有很大的提高。光學(xué)頭部如圖2所示。

圖2 光學(xué)頭部

3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

矩陣式太陽(yáng)敏感器的信號(hào)處理部分采用STC89C52單片機(jī)和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器是8位A/D轉(zhuǎn)換器，有8路輸入通道，由于傳感器采用4×4光敏電阻矩陣，共有16個(gè)輸入端，所以本次設(shè)計(jì)采用兩塊ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸?shù)絊TC89C52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)用LCD1602液晶顯示器顯示處理后測(cè)得的太陽(yáng)角度，即載體相對(duì)于太陽(yáng)的姿態(tài)角度，并將角度通過(guò)RS232接口上傳到上位機(jī)。其硬件方案系統(tǒng)框圖如圖3所示。

[太陽(yáng)光][光學(xué)頭部][光敏電阻矩陣][ADC0809][52

單

片

機(jī)＼&][LCD液晶模塊顯示] [RS232接口上傳]

圖3 硬件方案系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

矩陣式太陽(yáng)敏感器系統(tǒng)采用光敏電阻矩陣作為敏感元件，檢測(cè)太陽(yáng)光穿過(guò)光學(xué)頭部的光線。當(dāng)光線照射到光敏電阻時(shí)，其電阻值將會(huì)減小，光敏電阻分得電壓值也會(huì)隨之減小。此時(shí)通過(guò)ADC0809讀取各個(gè)光敏電阻電壓變化獲取太陽(yáng)光照射情況。單片機(jī)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換芯片，將ADC0809讀取并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)光敏電阻電阻值的變化經(jīng)標(biāo)定、比較，最終判斷出太陽(yáng)光的入射角度，最終將檢測(cè)到的結(jié)果用液晶模塊LCD1602顯示，同時(shí)按照串口通信協(xié)議將結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)。其系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

[開(kāi)始][單片機(jī)初始化][LCD初始化][光敏電阻矩陣數(shù)據(jù)采集][啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換] [讀取單片機(jī)轉(zhuǎn)換后的值][數(shù)據(jù)角度變化][LCD顯示角度信息][角度信息上傳到上位機(jī)][結(jié)束]

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

5 系統(tǒng)標(biāo)定

完成光學(xué)頭部的制作后，利用實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的36種光照情況進(jìn)行標(biāo)定，修改程序的顯示結(jié)果，令LCD1602液晶顯示器顯示太陽(yáng)光入射的兩個(gè)維度的角度。標(biāo)定后，為了顯示數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，利用36種情況光線通過(guò)狹縫交點(diǎn)照射的位置，光敏電阻間距離和光學(xué)頭部的高度來(lái)計(jì)算入射光的角度，用標(biāo)定值結(jié)合理論計(jì)算值確定更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。36種特定編號(hào)數(shù)組序號(hào)所對(duì)應(yīng)的角度如表1所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的矩陣式太陽(yáng)敏感器系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量太陽(yáng)光兩個(gè)軸姿態(tài)夾角的數(shù)字信息，在水平方向的檢測(cè)范圍是0?～333?，測(cè)試精度約為15?；在豎直方向的檢測(cè)范圍是15?～45?以及90?，測(cè)試精度大約為1?。該系統(tǒng)能把光敏電阻采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，使測(cè)量更為簡(jiǎn)便快捷，相對(duì)成本也比較低。

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