CN102620709A - 一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器，该光线敏感器由电源系统、光敏二极管、测量系统、微处理器和外部接口组成；外部接口与微处理器连接，微处理器与测量系统和电源系统连接，测量系统和光敏二极管及电源系统连接，电源系统与光敏二极管、测量系统和微处理器连接，光敏二极管与电源系统和测量系统连接；一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，它有五大步骤：步骤一：将系统组成件连线和供电；步骤二：入射光分解投影；步骤三：产生反向电流及测量电压；步骤四：测量VT；步骤五：处理计算。本发明的光线采集采用光敏二极管，成本低，算法简单，运算速度快，入射方向越接近中心测量精度越高，非常适合运用于光线跟踪系统。

Description

一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光线入射方向测量传感器，尤其涉及一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法，属电子信息技术领域。

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源问题已经成为制约地区经济发展的重要瓶颈。同时，石油、煤炭等不可再生能源的大量使用，已经造成较为严重的环境污染问题，危害人民身体健康，影响人民生活质量。在这一背景下，大家都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。

太阳的光辐射是取之不尽、用之不竭的无污染能源。太阳与地球的平均距离为1.5亿km。在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW/m²，称为太阳常数。到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射功率密度约为1kW/m²，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率若换算为电功率约为177×10¹²kW，比目前全世界的平均消费电力还要大数亿倍。

目前，太阳能的利用主要分为两个方面：其一是利用光热效应，即把太阳光的辐射能转换为热能。太阳能热水器和太阳灶就是典型的例子；太阳能利用的另一主要方面是利用光生伏特效应(简称光伏“Photovoltaic，PV”效应，也称为“光生电动势”效应)将太阳光的辐射能直接转变为电能，太阳电池就是具有这种性能的半导体器件。

中国的太阳能资源非常丰富，特别是在西藏、新疆、青海、甘肃、宁夏等西北高原地区，日光强而且下雨天少，年平均日照时间长，太阳能资源特别丰富。例如我国西藏地区的年平均总辐射量为5800mJ/m²，上海是4600mJ/m²。

在如此庞大的太阳辐射之下，人类的利用却非常有限，因此提高太阳能利用的效率成为了人们重要研究方向。作为太阳能电池，做到准确地对日定向，是提高光电转换效率的重要方法之一。太阳敏感器成为了这一技术的瓶颈所在。

目前太阳敏感器主要分为“0-1”式太阳敏感器、模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器。

“0-1”式太阳敏感器又称太阳发现探测器，即只要有太阳就能产生输出信号，可以用来保护仪器，使航天器或实验仪器定位。它的结构也比较简单，敏感器上面开一个狭缝，底面贴光电池，当卫星搜索太阳时，一旦太阳进入该探测器视场内，则光电池就产生一个阶跃响应，说明发现了太阳。持续的阶跃信号指示太阳位于敏感器视场内。一般来说，卫星的粗定姿是由“0-1”式的太阳敏感器来完成的，主要用来捕获太阳，判断太阳是否出现在视场中。“0-1”式的太阳敏感器要能够全天球覆盖，且所有敏感器同时工作。这种敏感器虽然实现起来比较简单，但是比较容易受到外来光源的干扰。

模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器，常使用光电池作为其传感器件，它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关，其关系式为：I(θ)＝I₀cosθ，其中，θ-太阳光束与光电池法线方向的夹角。I₀-光电池的短路电流；模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天球工作的，其视场一般在20°～30°左右，精度在1°左右。

数字式太阳敏感器是通过计算太阳光线在探测器上相对中心的位置的偏差来计算太阳光的角度的敏感器，主要有CCD和APS两种。数字式的太阳敏感器的视场一般在±60°左右，其精度能够达到≤0.05°。其原理多是采用太阳光通过狭缝照射在CCD探测器上，通过计算太阳成像偏离CCD中心的位置来计算太阳光的夹角。

大型太阳能发电站的太阳能电池阵和航天器的太阳帆板已经很好地做到了对日定向，前者是已知发电站地理位置通过计算太阳运行的轨道来进行对日定向的，后者是通过昂贵的太阳敏感器来进行对日定向的。但是对于现今广大的普通用户来说，不可能做到每个用户都能计算太阳位置，对于即将出现的太阳能交通工具更是不可能做到每一辆车上都安装昂贵的太阳敏感器。研制出一种低成本并且能保证一定精度的光线敏感器势在必行。本发明中的光线敏感器，成本低廉，可以在一定精度范围内测量光线入射方向，为普通用户提高光电转化效率迈出了第一步。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法，它用于测量光线入射方向，由于光敏二极管成本低廉、算法简单可靠、对计算能力要求低，使得本发明具有低成本、精度可变的特点。

2、技术方案：

(1)本发明一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器，其结构如图1所示：该光线敏感器由电源系统、光敏二极管、测量系统、微处理器和外部接口组成；它们之间的位置连接关系是：外部接口与微处理器连接，微处理器与测量系统和电源系统连接，测量系统和光敏二极管及电源系统连接，电源系统与光敏二极管、测量系统和微处理器连接，光敏二极管与电源系统和测量系统连接。

所述电源系统是采用LM2576芯片的固定输出电压型电源系统；

所述光敏二极管是2CU2B；

所述测量系统是采用ADC0809芯片的典型电压测量系统

所述微处理器是8位ATMEGA128单片机；

所述外部接口可以根据用户需要安装。

(2)本发明一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：见图1，将系统组成件连线和供电，其中，采用ADC0809芯片作为测量系统中的模数转换模块，微处理器是采用ATMEGA128芯片，三枚光敏二极管分别按空间直角坐标系的x、y、z三轴方向安装连接，测量系统将测得三颗光敏二极管上的光强，分别是I_x，I_y，I_z，

I_x＝I₀cosα，I_y＝I₀cosβ，I_z＝I₀cosλ

其中，I₀为入射光强，α为入射光矢量与x轴的夹角，β为入射光矢量与y轴的夹角，λ为入射光与z轴的夹角。测量系统将测量值I_x、I_y、I_z读出并传给微处理器，微处理器首先合成入射光矢量强度

$I_0=\sqrt{I_x^2+I_y^2+I_z^2}$

再计算出入射光矢量与x、y、z三轴的夹角

α＝arccos(I_x/I₀)，β＝arccos(I_y/I₀)，λ＝arccos(I_z/I₀)

最后将结果转换为欧拉角或者四元数的形式，进行保存或者发送给其他设备。

步骤二：入射光分解投影。参阅图2，入射光矢量投影到空间直角坐标系的x、y、z三轴上，投影之后的光强为

I_x＝I₀cosα，I_y＝I₀cosβ，I_z＝I₀cosλ

步骤三：产生反向电流及测量电压。参阅图3，在光敏二极管两端加上反向电压，再串联一个电阻。光敏二极管在受到光照时反向电流随光照增强而增大，通过测量电路中的电流即可得到光敏二极管上的光照强度。在电阻的高压端引出测量电压VT，由欧姆定律得电路中电流为I＝VT/R，由此可得电流I与测量电压VT是正比例关系，即可将VT标识为当前的光照强度。

步骤四：测量VT。参阅图4，R1、R2、R3电阻的高压端模拟信号分别接在ADC0809的IN0、IN1、IN2口。正参考REF+端口接VCC。负参考REF-端口接GND。参阅图5，ADC0809上的三个地址端口ADD A、ADD B、ADD C和地址锁存端口ALE分别接在ATMEGA128的PE3、PE2、PE1、PE0口。ADC0809的时钟端口CLK、开始转换端口START、输出允许端口OE分别接在ATMEGA128的PA0、PA1、PA2口。ADC0809的转换完成标志端口EOC接在ATMEGA128的PD0口。ADC0809的数据端口D0～D7口分别接在ATMEGA128的PB0～PB8口。时钟端口CLK频率范围为1MHZ以下。

设备运行时，第一步由ATMEGA128给出地址和地址锁存信号；第二步由ATMEGA给出START信号；第三步等待ADC0809进行模拟量到数字量的转换，直到EOC端口输出高电平；第四步由ATMEGA128给出输出使能OE信号；第五步由ATMEGA128从D0～D7口读出转换结果。到此一次转换结束，如需再次转换，重复第一步到第五步即可。其中，IN0、IN1、IN2对应的地址编码分别是000、001、010。START信号、地址锁存信号是正向脉冲信号。OE信号是高电平信号，OE端口需要在整个数据读取过程中维持高电平。

步骤五：处理计算。入射光矢量为I₀＝(I_x，I_y，I_z)，投影在三正交坐标轴上，照射到光敏二极管上，产生反向电流，引起的VT分别为(V_ax，V_ay，V_az)，通过数模转换测量到三电压的数字量为(V_dx，V_dy，V_dz)，则最终测量到的入射光方向矢量为

R＝(-V_dx，-V_dy，-V_dz)

入射光与x、y、z三轴的夹角分别为

$\mathrm{\α}=\arccos (V_{\mathrm{dx}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

$\mathrm{\β}=\arccos (V_{\mathrm{dy}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

$\mathrm{\λ}=\arccos (V_{\mathrm{dz}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

其中，从(V_ax，V_ay，V_az)到(V_dx，V_dy，V_dz)的误差很小，可以忽略。

从(I_x，I_y，I_z)到(V_ax，V_ay，V_az)的误差为系统测量的主要误差，主要来源于光敏二极管个体之间的差异，要减小该误差可以进行如下操作：给出一个标准的入射光I＝(-1，-1，-1)，测量是否有V_dx＝V_dy＝V_dz，若不相等，则调节与光敏二极管串联的电阻大小，使之相等。

3、优点及功效：本发明一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法，其优点在于：本发明的光线采集部分采用光敏二极管，成本低，可大规模应用；算法简单，运算速度快，对处理器硬件要求低；入射方向越接近中心测量精度越高，非常适合运用于光线跟踪系统。

附图说明

图1所示为本发明的功能框图；

图2所示为入射光线正交分解示意图；

图3所示为光敏二极管测量原理图；

图4所示为光敏二极管与测量模块电路；

图5所示为测量模块与微处理器电路；

图中具体标号如下：

r、入射光矢量            rx、入射光x轴分量        ry、入射光y轴分量

rz、入射光z轴分量        VCC、电源                GND、接地

VT、采样电压             R、电阻                  R1、电阻

R2、电阻              R3、电阻              D1、光敏二极管

D2、光敏二极管        D3、光敏二极管        U1、ADC0809

U2、ATMEGA128

具体实施方案

下面结合附图和实施方案对本发明的技术方案进一步说明。

(1)本发明一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器，其结构如图1所示：该光线敏感器由电源系统、光敏二极管、测量系统、微处理器和外部接口组成；它们之间的位置连接关系是：外部接口与微处理器连接，微处理器与测量系统和电源系统连接，测量系统和光敏二极管及电源系统连接，电源系统与光敏二极管、测量系统和微处理器连接，光敏二极管与电源系统和测量系统连接；

所述电源系统是采用LM2576芯片的固定输出电压型电源系统；

所述光敏二极管是2CU2B；

所述测量系统是采用ADC0809芯片的典型电压测量系统；

所述微处理器是8位ATMEGA128单片机；

所述外部接口可以根据用户需要安装。

(2)本发明一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：见图1，将系统组成件连线和供电，其中，采用ADC0809芯片作为测量系统中的模数转换模块，微处理器是采用ATMEGA128芯片，三枚光敏二极管分别按空间直角坐标系的x、y、z三轴方向安装连接，测量系统将测得三颗光敏二极管上的光强，分别是I_x，I_y，I_z，

I_x＝I₀cosα，I_y＝I₀cosβ，I_z＝I₀cosλ

其中，I₀为入射光强，α为入射光矢量与x轴的夹角，β为入射光矢量与y轴的夹角，λ为入射光与z轴的夹角。测量系统将测量值I_x、I_y、I_z读出并传给微处理器，微处理器首先合成入射光矢量强度

$I_0=\sqrt{I_x^2+I_y^2+I_z^2}$

再计算出入射光矢量与x、y、z三轴的夹角

α＝arccos(I_x/I₀)，β＝arccos(I_y/I₀)，λ＝arccos(I_z/I₀)

最后将结果转换为欧拉角或者四元数的形式，进行保存或者发送给其他设备。

步骤二：入射光分解投影。参阅图2，入射光矢量投影到空间直角坐标系的x、y、z三轴上，投影之后的光强为

I_x＝I₀cosα，I_y＝I₀cosβ，I_z＝I₀cosλ

步骤三：产生反向电流及测量电压。参阅图3，在光敏二极管两端加上反向电压，再串联一个电阻。光敏二极管在受到光照时反向电流随光照增强而增大，通过测量电路中的电流即可得到光敏二极管上的光照强度。在电阻的高压端引出测量电压VT，由欧姆定律得电路中电流为I＝VT/R，由此可得电流I与测量电压VT是正比例关系，即可将VT标识为当前的光照强度。

步骤四：测量VT。参阅图4，R1、R2、R3电阻的高压端模拟信号分别接在ADC0809的IN0、IN1、IN2口。正参考REF+端口接VCC。负参考REF-端口接GND。参阅图5，ADC0809上的三个地址端口ADD A、ADD B、ADD C和地址锁存端口ALE分别接在ATMEGA128的PE3、PE2、PE1、PE0口。ADC0809的时钟端口CLK、开始转换端口START、输出允许端口OE分别接在ATMEGA128的PA0、PA1、PA2口。ADC0809的转换完成标志端口EOC接在ATMEGA128的PD0口。ADC0809的数据端口D0～D7口分别接在ATMEGA128的PB0～PB8口。时钟端口CLK频率范围为1MHZ以下。

设备运行时，第一步由ATMEGA128给出地址和地址锁存信号；第二步由ATMEGA给出START信号；第三步等待ADC0809进行模拟量到数字量的转换，直到EOC端口输出高电平；第四步由ATMEGA128给出输出使能OE信号；第五步由ATMEGA128从D0～D7口读出转换结果。到此一次转换结束，如需再次转换，重复第一步到第五步即可。其中，IN0、IN1、IN2对应的地址编码分别是000、001、010。START信号、地址锁存信号是正向脉冲信号。OE信号是高电平信号，OE端口需要在整个数据读取过程中维持高电平。

步骤五：处理计算。入射光矢量为I₀＝(I_x，I_y，I_z)，投影在三正交坐标轴上，照射到光敏二极管上，产生反向电流，引起的VT分别为(V_ax，V_ay，V_az)，通过数模转换测量到三电压的数字量为(V_dx，V_dy，V_dz)，则最终测量到的入射光方向矢量为

R＝(-V_dx，-V_dy，-V_dz)

入射光与x、y、z三轴的夹角分别为

$\mathrm{\α}=\arccos (V_{\mathrm{dx}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

$\mathrm{\β}=\arccos (V_{\mathrm{dy}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

$\mathrm{\λ}=\arccos (V_{\mathrm{dz}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

其中，从(V_ax，V_ay，V_az)到(V_dx，V_dy，V_dz)的误差很小，可以忽略。

从(I_x，I_y，I_z)到(V_ax，V_ay，V_az)的误差为系统测量的主要误差，主要来源于光敏二极管个体之间的差异，要减小该误差可以进行如下操作：给出一个标准的入射光I＝(-1，-1，-1)，测量是否有V_dx＝V_dy＝V_dz，若不相等，则调节与光敏二极管串联的电阻大小，使之相等。

Claims (2)

1.一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器，其特征在于：该光线敏感器由电源系统、光敏二极管、测量系统、微处理器和外部接口组成；外部接口与微处理器连接，微处理器与测量系统和电源系统连接，测量系统和光敏二极管及电源系统连接，电源系统与光敏二极管、测量系统和微处理器连接，光敏二极管与电源系统和测量系统连接；

所述电源系统是采用LM2576芯片的固定输出电压型电源系统；

所述光敏二极管是2CU2B；

所述测量系统是采用ADC0809芯片的典型电压测量系统

所述微处理器是8位ATMEGA128单片机；

所述外部接口可以根据用户需要安装。

2.一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：将系统组成件连线和供电：采用ADC0809芯片作为测量系统中的模数转换模块，微处理器是采用ATMEGA128芯片，三枚光敏二极管分别按空间直角坐标系的x、y、z三轴方向安装连接，测量系统将测得三颗光敏二极管上的光强，分别是I_x，I_y，I_z，

I_x＝I₀cosα，I_y＝I₀cosβ，I_z＝I₀cosλ

其中，I₀为入射光强，α为入射光矢量与x轴的夹角，β为入射光矢量与y轴的夹角，λ为入射光与z轴的夹角；测量系统将测量值I_x、I_y、I_z读出并传给微处理器，微处理器首先合成入射光矢量强度

$I_0=\sqrt{I_x^2+I_y^2+I_z^2}$

再计算出入射光矢量与x、y、z三轴的夹角

α＝arccos(I_x/I₀)，β＝arccos(I_y/I₀)，λ＝arccos(I_z/I₀)

最后将结果转换为欧拉角或者四元数的形式，进行保存或者发送给其他设备；

步骤二：入射光分解投影：入射光矢量投影到空间直角坐标系的x、y、z三轴上，投影之后的光强为

I_x＝I₀cosα，I_y＝I₀cosβ，I_z＝I₀cosλ；

步骤三：产生反向电流及测量电压：在光敏二极管两端加上反向电压，再串联一个电阻，光敏二极管在受到光照时反向电流随光照增强而增大，通过测量电路中的电流即得到光敏二极管上的光照强度；在电阻的高压端引出测量电压VT，由欧姆定律得电路中电流为I＝VT/R，由此得电流I与测量电压VT是正比例关系，即将VT标识为当前的光照强度；

步骤四：测量VT：R1、R2、R3电阻的高压端模拟信号分别接在ADC0809的IN0、IN1、IN2口，正参考REF+端口接VCC，负参考REF-端口接GND，ADC0809上的三个地址端口ADD A、ADD B、ADD C和地址锁存端口ALE分别接在ATMEGA128的PE3、PE2、PE1、PE0口；ADC0809的时钟端口CLK、开始转换端口START、输出允许端口OE分别接在ATMEGA128的PA0、PA1、PA2口；ADC0809的转换完成标志端口EOC接在ATMEGA128的PD0口，ADC0809的数据端口D0～D7口分别接在ATMEGA128的PB0～PB8口，时钟端口CLK频率范围为1MHZ以下；

设备运行时，第一步由ATMEGA128给出地址和地址锁存信号；第二步由ATMEGA给出START信号；第三步等待ADC0809进行模拟量到数字量的转换，直到EOC端口输出高电平；第四步由ATMEGA128给出输出使能OE信号；第五步由ATMEGA128从D0～D7口读出转换结果；到此一次转换结束，如需再次转换，重复第一步到第五步即可；其中，IN0、IN1、IN2对应的地址编码分别是000、001、010；START信号、地址锁存信号是正向脉冲信号，OE信号是高电平信号，OE端口需要在整个数据读取过程中维持高电平；

步骤五：处理计算：入射光矢量为I₀＝(I_x，I_y，I_z)，投影在三正交坐标轴上，照射到光敏二极管上，产生反向电流，引起的VT分别为(V_ax，V_ay，V_az)，通过数模转换测量到三电压的数字量为(V_dx，V_dy，V_dz)，则最终测量到的入射光方向矢量为

R＝(-V_dx，-V_dy，-V_dz)

入射光与x、y、z三轴的夹角分别为

$\mathrm{\α}=\arccos (V_{\mathrm{dx}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

$\mathrm{\β}=\arccos (V_{\mathrm{dy}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

$\mathrm{\λ}=\arccos (V_{\mathrm{dz}}/\sqrt{V_{\mathrm{dx}}^2+V_{\mathrm{dy}}^2+V_{\mathrm{dz}}^2})$

其中，从(V_ax，V_ay，V_az)到(V_dx，V_dy，V_dz)的误差很小，忽略不计；

从(I_x，I_y，I_z)到(V_ax，V_ay，V_az)的误差为系统测量的主要误差，主要来源于光敏二极管个体之间的差异，要减小该误差进行如下操作：给出一个标准的入射光I＝(-1，-1，-1)，测量是否有V_dx＝V_dy＝V_dz，若不相等，则调节与光敏二极管串联的电阻大小，使之相等。

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