摘 要：矩阵式太阳敏感器系统是精度高、测量信息量大并能快速处理的敏感系统。文章设计的矩阵式太阳敏感器，利用光敏电阻作为敏感元件，将光敏电阻排列成4×4矩阵，采用狭缝式光学头部，同时采集到两个轴姿态夹角的数字信息；利用ADC0809对光敏电阻的信号进行模数转换，由单片机STC89C52实现数据的采集和处理，将结果在LCD液晶显示器显示，同时通过串口将结果传输到上位机。实验结果表明，该太阳敏感器具有一定的精度，在一定范围内能够满足太阳的角度测量。
关键词：太阳敏感器；光敏电阻；单片机；ADC089；LCD
0 引言
作为航天器姿态控制系统中的重要测量部件，太阳敏感器一直是航天领域应用最广泛的敏感器之一，所有卫星都配备太阳敏感器实现太阳的角度测量，以调整其太阳能电池板对准太阳光。基本原理是通过测量太阳光线与卫星某一体轴之间的夹角，确定太阳在敏感器本体坐标系中的位置，再通过坐标矩阵变换得到太阳在卫星本体坐标系中的位置，实现卫星的姿态控制[1-5]。目前，太阳敏感器主要包括0-1式、模拟式和数字式三种。其中，0-1式又称为太阳发现探测器，发现太阳即输出阶跃信号，用于卫星的粗定姿；模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器，多采用光电池作为其传感器器件，输出信号强度与太阳光的入射角度余弦成比例[6-7]；数字式太阳敏感器通过计算太阳光线在探测器上的相对中心位置偏差来计算太阳光的角度，主要包括CCD和CMOS两种：CCD太阳敏感器主要包括线列CCD太阳敏感器和面阵CCD式太阳敏感器[8-11]，而CMOS数字式太阳敏感器主要是面阵式[12-14]。另外，随着MEMS（微机电系统）技术的发展，太阳敏感器也设计了微型的传感器系统[13,15]。
本文使用低成本的光敏电阻作为敏感元件，以单片机为核心设计了矩阵式的太阳敏感器，实现了光敏电阻矩阵信息的采集、转换、处理、显示，并设计了与上位机的串口通信接口。
1 矩阵式太阳敏感器原理
将光敏电阻排布成为矩阵，考虑将光敏电阻间的间距设定为3cm，光学头部距离光敏电阻矩阵距离为1.5cm，为了检测到尽可能多的光照，将十字交叉的两条狭缝斜开于光学头部上，将太阳光垂直穿过光学头部照射到光敏电阻的情况设为垂直方向90°，以右侧方位为水平0°方向，得到光线穿过光学头部狭缝交叉点照射在光敏电阻矩阵平面上的不同位置36种，通过测量不同光照角度可以计算出36种太阳光入射光线在水平和竖直方向的角度，即36种卫星相对于太阳的光学姿态信息。光敏电阻位置及36种光照情况狭缝交点位置如图1所示。
图1 光敏电阻位置及36种光照情况狭缝交点位置
矩阵式太阳敏感器的光学头部采用狭缝式，当太阳光照射到敏感器时，光线穿过光学头部照射到与其对应入射角度的光敏电阻上，阻值变化显著；而其他光敏电阻由于光学头部的遮挡而没被光直射，其电阻值不会发生明显变化。
2 光学敏感单元设计
太阳敏感器的光学头部可以分为狭缝式、小孔式和棱镜式等。设计初期考虑过小孔式光学头部，因为小孔式光学头部遮光性好，可以保证光学头部内部的黑暗程度，防止过多光源进入而影响其他光敏电阻矩阵。但考虑到本次设计仅仅采用4×4共16个光敏电阻，数量较少，间隙较大，如果采用小孔式光学头部，会出现许多光线照射不到光敏电阻上的情况，这会给矩阵式太阳敏感器的应用带来很大的不足。所以，本次设计采用狭缝式光学头部。考虑到如果狭缝的方向与光敏电阻排列的方向一致，那么光照情况就分为4行4列，共16种光照情况，这样设计，能够检测到太阳的光学姿态角度情况较少，无论是角度范围还是精度都比较低。所以，本次设计最终选择采用倾斜开狭缝的方式制作光学头部，这样横纵两个方向都会由原来的4种情况变为6种情况，相对应的太阳的光学姿态角度情况也从16种增长到36种，在角度的范围和精度上都有很大的提高。光学头部如图2所示。
图2 光学头部
3 系统硬件总体设计
矩阵式太阳敏感器的信号处理部分采用STC89C52单片机和ADC0809模数转换器实现。ADC0809模数转换器是8位A/D转换器，有8路输入通道，由于传感器采用4×4光敏电阻矩阵，共有16个输入端，所以本次设计采用两块ADC0809模数转换器对传感器采集到的数据进行转换，并将转换结果传输到STC89C52单片机进行数据处理，同时用LCD1602液晶显示器显示处理后测得的太阳角度，即载体相对于太阳的姿态角度，并将角度通过RS232接口上传到上位机。其硬件方案系统框图如图3所示。
图3 硬件方案系统框图
4 系统软件总体设计
矩阵式太阳敏感器系统采用光敏电阻矩阵作为敏感元件，检测太阳光穿过光学头部的光线。当光线照射到光敏电阻时，其电阻值将会减小，光敏电阻分得电压值也会随之减小。此时通过ADC0809读取各个光敏电阻电压变化获取太阳光照射情况。单片机启动A/D转换芯片，将ADC0809读取并转换后的数据传输到单片机中，单片机对接收到的数据进行分析处理，根据光敏电阻电阻值的变化经标定、比较，最终判断出太阳光的入射角度，最终将检测到的结果用液晶模块LCD1602显示，同时按照串口通信协议将结果通过串口发送至上位机。其系统软件流程图如图4所示。
图4 系统软件流程图
5 系统标定
表1 36种特定编号数组序号所对应的角度
完成光学头部的制作后，利用实验转台对设计的36种光照情况进行标定，修改程序的显示结果，令LCD1602液晶显示器显示太阳光入射的两个维度的角度。标定后，为了显示数据的准确性，利用36种情况光线通过狭缝交点照射的位置，光敏电阻间距离和光学头部的高度来计算入射光的角度，用标定值结合理论计算值确定更为准确的测量结果。36种特定编号数组序号所对应的角度如表1所示。
6 结束语
本文设计的矩阵式太阳敏感器系统可以同时测量太阳光两个轴姿态夹角的数字信息，在水平方向的检测范围是0°～333°，测试精度约为15°；在竖直方向的检测范围是15°～45°以及90°，测试精度大约为1°。该系统能把光敏电阻采集到的数据进行快速处理，使测量更为简便快捷，相对成本也比较低。
