- 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統的設計
- 跟蹤系統驅動(dòng)器接口電路
- 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路
- 限位信號采集電路
太陽(yáng)能是已知的最原始的能源，它干凈、可再生、豐富，而且分布范圍廣，具有非常廣闊的利用前景。但太陽(yáng)能利用效率低，這一問(wèn)題一直影響和阻礙著(zhù)太陽(yáng)能技術(shù)的普及，如何提高太陽(yáng)能利用裝置的效率，始終是人們關(guān)心的話(huà)題，太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統的設計為解決這一問(wèn)題提供了新途徑，從而大大提高了太陽(yáng)能的利用效率。
跟蹤太陽(yáng)的方法可概括為兩種方式：光電跟蹤和根據視日運動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器件根據入射光線(xiàn)的強弱變化產(chǎn)生反饋信號到計算機，計算機運行程序調整采光板的角度實(shí)現對太陽(yáng)的跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結構設計較為方便；缺點(diǎn)是受天氣的影響很大，如果在稍長(cháng)時(shí)間段里出現烏云遮住太陽(yáng)的情況，會(huì )導致跟蹤裝置無(wú)法跟蹤太陽(yáng)，甚至引起執行機構的誤動(dòng)作。
而視日運動(dòng)軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是能夠全天候實(shí)時(shí)跟蹤，所以本設計采用視日運動(dòng)軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法，利用步進(jìn)電機雙軸驅動(dòng)，通過(guò)對跟蹤機構進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制，實(shí)現對太陽(yáng)的全天候跟蹤。該系統適用于各種需要跟蹤太陽(yáng)的裝置。該文主要從硬件和軟件方面分析太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統的設計與實(shí)現。
系統總體設計
本文介紹的是一種基于單片機控制的雙軸太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統，系統主要由平面鏡反光裝置、調整執行機構、控制電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤系統電路控制結構框圖如圖1所示，系統機械結構示意圖如圖2所示。
任意時(shí)刻太陽(yáng)的位置可以用太陽(yáng)視位置精確表示。太陽(yáng)視位置用太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角兩個(gè)角度作為坐標表示。太陽(yáng)高度角指從太陽(yáng)中心直射到當地的光線(xiàn)與當地水平面的夾角。太陽(yáng)方位角即太陽(yáng)所在的方位，指太陽(yáng)光線(xiàn)在地平面上的投影與當地子午線(xiàn)的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線(xiàn)在陽(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。系統采用水平方位步進(jìn)電機和俯仰方向步進(jìn)電機來(lái)追蹤太陽(yáng)的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽(yáng)的位置。上位機負責任意時(shí)刻太陽(yáng)高度角和方位角的計算，并運用軟件計算出當前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電動(dòng)機運行的步數，將數據送給跟蹤系統驅動(dòng)器，單片機接收上位機送來(lái)的數據，驅動(dòng)步進(jìn)電機的運行。系統具有實(shí)現復位、水平方位的調整，俯仰方向的調整，太陽(yáng)的跟蹤及手動(dòng)校準等功能。[page]
硬件電路設計
1跟蹤系統驅動(dòng)器接口電路
跟蹤系統中微處理器選用89系列性?xún)r(jià)比高和功耗低的89C52。74HC14芯片是6非門(mén)施密特觸發(fā)器，與P1．1和P1．2口相連，控制方位限位信號。74HC240芯片，八反相三態(tài)緩沖器／線(xiàn)驅動(dòng)器，用于數據緩沖及總線(xiàn)驅動(dòng)。系統使用兩片74HC240芯片，通過(guò)P0口引腳控制，兩片74HC240的16個(gè)輸出引腳作為步進(jìn)電機驅動(dòng)電路的輸入控制信號，分別控制步進(jìn)電機俯仰方向和水平方位的正反轉。系統與上位機的通信選用MAX485接口芯片，由P1．0口控制其收發(fā)狀態(tài)。驅動(dòng)器接口電路如圖3所示。
2步進(jìn)電機驅動(dòng)電路
步進(jìn)電動(dòng)機是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉換成相應角位移的執行器。在跟蹤系統中，以74HC240的16個(gè)輸出信號作為步進(jìn)電機驅動(dòng)器的輸入控制信號，用以控制步進(jìn)電機俯仰方向和水平方位的正反轉。圖4所示的是步進(jìn)電機一路驅動(dòng)電路圖，系統共有四路驅動(dòng)電路，分別驅動(dòng)步進(jìn)電機俯仰方向和水平方位的正反轉。
其中，水平方位電機由D7，D6，D5，D4驅動(dòng)；俯仰方向電機由D3，D2，D1，D0驅動(dòng)。跟蹤裝置中步進(jìn)電機選用42BYG250C型，步矩角1．8°。水平俯仰方向步進(jìn)電機運行的最大角度是360°，共需運行20000步。減速器的傳動(dòng)比為1：100，即電機轉動(dòng)100°時(shí)水平轉臺相應轉動(dòng)1°。以步進(jìn)電機1．8°的步距角計算，當鏡面裝置的水平轉臺轉動(dòng)1°時(shí)，步進(jìn)電機發(fā)出100／1．8個(gè)脈沖，由此可以計算平面鏡法向量的方位角為a時(shí)步進(jìn)電機發(fā)出的脈沖數為100α／1．8個(gè)。步進(jìn)電機動(dòng)作頻率可手動(dòng)設置，默認情況下，步進(jìn)電機每隔15s動(dòng)作一次。[page]
3限位信號采集電路
采用光電耦合器與電壓比較器電路組成的微機步進(jìn)電機限位電路，其電路圖如圖5所示。
限位電路中利用雙三態(tài)門(mén)來(lái)控制步進(jìn)電機的脈沖通路。工作原理是：在到達限位位置之前，光耦導通，電壓比較器LM393的反向輸入端有信號，允許步進(jìn)電機控制脈沖從此通過(guò)。當限位桿到達限位位置時(shí)，擋住了光耦的光通路，使LM393的反向輸入端無(wú)信號，步進(jìn)電機就停止。
軟件設計
太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統的軟件分為兩部分，一是步進(jìn)電機控制部分，主要由單片機完成。單片機的軟件設計采用模塊化設計的方法，主要分為如下幾個(gè)軟件模塊：主程序模塊、串行口中斷處理模塊、正常跟蹤處理模塊、串行口中斷復位處理模塊等。單片機主程序流程圖如圖6所示。
[page]軟件的另一部分為PC機部分，PC機軟件部分主要是負責任意時(shí)刻太陽(yáng)位置的計算并運用軟件計算出當前狀況下俯仰與水平方向步進(jìn)電機運行的步數，并將數據送給跟蹤系統驅動(dòng)器。與單片機通信的部分使用VC++中的MSComm控件來(lái)編譯串口通訊的應用程序，采用MSComm32．OCX控件。使用控件的屬性進(jìn)行串口設置，使用控件的事件驅動(dòng)進(jìn)行串口響應，使用控件的方法完成串行口接收和發(fā)送數據。PC機通信流程圖如圖7所示。
上位機控制系統具有實(shí)現復位、水平方位的調整，俯仰方向的調整，太陽(yáng)位置的跟蹤、手動(dòng)校準及計算當日數據等功能。其中“設置”按鈕，可進(jìn)行地方經(jīng)緯度、波特率、步進(jìn)電機動(dòng)作頻率等的設置。上位機可執行程序控制界面如圖8所示，圖9所示的是控制主界面下“設置”按鈕的對話(huà)框。
試驗觀(guān)察數據分析
由于影響跟蹤精度的因素很多，不僅跟當地緯度、太陽(yáng)赤緯角、太陽(yáng)時(shí)角的取值有關(guān)，還跟步進(jìn)電機的精度以及跟蹤轉臺的機械結構有關(guān)，因而需要對跟蹤軌跡的程序進(jìn)行校正。校正采用手動(dòng)操作，通過(guò)控制水平俯仰方位步進(jìn)電機，使兩個(gè)軸帶動(dòng)平面鏡反光裝置轉動(dòng)，同時(shí)不斷觀(guān)察平面鏡反射太陽(yáng)光的影子，當影子中心剛好聚在指定點(diǎn)時(shí)為最佳，記錄下從原點(diǎn)到該點(diǎn)兩軸的步進(jìn)電機各自走過(guò)的步數，根據實(shí)際運行步數與理論運行步數之差，可計算得到角度之差，就是高度角和方位角的修正值。校正可以選擇任一天中幾個(gè)不同時(shí)刻進(jìn)行。系統在實(shí)際運行時(shí)，觀(guān)察到太陽(yáng)在正午至下午3點(diǎn)期間，高度角方位角變化曲線(xiàn)存在明顯拐點(diǎn)，變化比較顯著(zhù)，在此期間內系統對太陽(yáng)位置的跟蹤存在誤差。
表1中列出了2009年1月12日中午至下午三時(shí)左右的理論數據，并用系統的手動(dòng)校準功能，記錄下不同時(shí)刻的步進(jìn)電機實(shí)際運行步數。
為了更準確地得到太陽(yáng)實(shí)際位置的參數修正值，應在春夏秋冬四季中不同時(shí)刻分別觀(guān)測記錄數據，將得到的一組高度角和方位角的校正值，擬合其曲線(xiàn)。用校正系數校正理論值存入控制程序，可以提高跟蹤精度。
本文介紹的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置可以有效地提高太陽(yáng)能利用率，適用于各種需要跟蹤太陽(yáng)的裝置。經(jīng)過(guò)試驗、測試和實(shí)際使用，各項指標均達到了設計要求。本文設計的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置是基于視日運動(dòng)規律，為使系統具有更高的跟蹤精度，可采用光電傳感器跟蹤校正，構成由視日運動(dòng)規律跟蹤和傳感器跟蹤的混合跟蹤系統。隨著(zhù)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的廣泛應用，它定會(huì )有助于提高綠色能源利用的進(jìn)程，為環(huán)境保護和提高人民的生活質(zhì)量做出更大的貢獻。
