太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尤金正,鄒麗新,周 同,王海燕,杜偉巍

摘 要:設(shè)計(jì)一種根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律自動(dòng)跟蹤太陽的系統(tǒng)。采用雙軸跟蹤的辦法,利用步進(jìn)電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng),通過對(duì)跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的實(shí)時(shí)跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種需要跟蹤太陽的裝置。主要從硬件和軟件方面分析太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中狀況良好,表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞:太陽;自動(dòng)跟蹤;實(shí)時(shí);步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào):TK513.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-139-04

Design of Automatic Solar Tracking System

YOU Jinzheng,ZOU Lixin,ZHOU Tong,WANG Haiyan,DU Weiwei

(Department of Physics Science and Technology,Soochow University,Suzhou,215006,China)

Abstract:An automatic solar tracking system in accordance with characteristics of the sun moving is designed,adopting biax tracking way,driven by the two step-by-step electric motors,controlling the two degree of freedom of both level and pitching to achieve real-time tracking of the sun.The system can be applicable for a variety of devices to track the sun.Both the hardware and software analyse the implementation of automatic solar tracking system.The operation of system is in good condition in the experiment,showing higher stability and attaining the achievement of the anticipant targets.

Keywords:sun;automatic tracking;real-time;stepping motor

0 引 言

太陽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。但太陽能利用效率低,這一問題一直影響和阻礙著太陽能技術(shù)的普及,如何提高太陽能利用裝置的效率,始終是人們關(guān)心的話題,太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問題提供了新途徑,從而大大提高了太陽能的利用效率。

跟蹤太陽的方法可概括為兩種方式:光電跟蹤和根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器件根據(jù)入射光線的強(qiáng)弱變化產(chǎn)生反饋信號(hào)到計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序調(diào)整采光板的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便;缺點(diǎn)是受天氣的影響很大,如果在稍長(zhǎng)時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況,會(huì)導(dǎo)致跟蹤裝置無法跟蹤太陽,甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。而視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤,所以本設(shè)計(jì)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法,利用步進(jìn)電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng),通過對(duì)跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的全天候跟蹤。該系統(tǒng)適用于各種需要跟蹤太陽的裝置。該文主要從硬件和軟件方面分析太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文介紹的是一種基于單片機(jī)控制的雙軸太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)[1],系統(tǒng)主要由平面鏡反光裝置[2]、調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤系統(tǒng)電路控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[3,4]。

圖1 跟蹤系統(tǒng)電路控制結(jié)構(gòu)框圖

任意時(shí)刻太陽的位置可以用太陽視位置精確表示。太陽視位置用太陽高度角和太陽方位角兩個(gè)角度作為坐標(biāo)表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。太陽方位角即太陽所在的方位,指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角,可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰方向步進(jìn)電機(jī)來追蹤太陽的方位角和高度角,從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽的位置[5]。上位機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽高度角和方位角的計(jì)算,并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的步數(shù),將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器,單片機(jī)接收上位機(jī)送來的數(shù)據(jù),驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水平方位的調(diào)整,俯仰方向的調(diào)整,太陽的跟蹤及手動(dòng)校準(zhǔn)等功能。

圖2 跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器接口電路

跟蹤系統(tǒng)中微處理器選用89系列性價(jià)比高和功耗低的89C52。74HC14芯片是6非門施密特觸發(fā)器,與P11和P12口相連,控制方位限位信號(hào)[6]。74HC240芯片,八反相三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動(dòng)器,用于數(shù)據(jù)緩沖及總線驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)使用兩片74HC240芯片,通過P0口引腳控制,兩片74HC240的16個(gè)輸出引腳作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸入控制信號(hào),分別控制步進(jìn)電機(jī)俯仰方向和水平方位的正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)與上位機(jī)的通信選用MAX485接口芯片,由P1.0口控制其收發(fā)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)器接口電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)器接口電路原理圖

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制,并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的執(zhí)行器。在跟蹤系統(tǒng)中,以74HC240的16個(gè)輸出信號(hào)作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入控制信號(hào),用以控制步進(jìn)電機(jī)俯仰方向和水平方位的正反轉(zhuǎn)。圖4所示的是步進(jìn)電機(jī)一路驅(qū)動(dòng)電路圖,系統(tǒng)共有四路驅(qū)動(dòng)電路,分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)俯仰方向和水平方位的正反轉(zhuǎn)。其中,水平方位電機(jī)由D7,D6,D5,D4驅(qū)動(dòng);俯仰方向電機(jī)由D3,D2,D1,D0驅(qū)動(dòng)。跟蹤裝置中步進(jìn)電機(jī)選用42BYG250C型,步矩角1.8°。水平俯仰方向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的最大角度是360°,共需運(yùn)行20 000步。減速器的傳動(dòng)比為1∶100,即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)100°時(shí)水平轉(zhuǎn)臺(tái)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)1°。以步進(jìn)電機(jī)1.8°的步距角計(jì)算,當(dāng)鏡面裝置的水平轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)1°時(shí),步進(jìn)電機(jī)發(fā)出100/18個(gè)脈沖,由此可以計(jì)算平面鏡法向量的方位角為α?xí)r步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)為100α/1.8個(gè)[7]。步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作頻率可手動(dòng)設(shè)置,默認(rèn)情況下,步進(jìn)電機(jī)每隔15 s動(dòng)作一次。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.3 限位信號(hào)采集電路

采用光電耦合器與電壓比較器電路組成的微機(jī)步進(jìn)電機(jī)限位電路,其電路圖如圖5所示。

圖5 限位信號(hào)采集電路圖

限位電路中利用雙三態(tài)門來控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖通路。工作原理是:在到達(dá)限位位置之前,光耦導(dǎo)通,電壓比較器LM393的反向輸入端有信號(hào),允許步進(jìn)電機(jī)控制脈沖從此通過。當(dāng)限位桿到達(dá)限位位置時(shí),擋住了光耦的光通路,使LM393的反向輸入端無信號(hào),步進(jìn)電機(jī)就停止。

3 軟件設(shè)計(jì)

太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的軟件分為兩部分,一是步進(jìn)電機(jī)控制部分,主要由單片機(jī)完成。單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)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(fù)位處理模塊等[8]。單片機(jī)主程序流程圖如圖6所示。

軟件的另一部分為PC機(jī)部分[9],PC機(jī)軟件部分主要是負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽位置的計(jì)算并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù),并將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器。與單片機(jī)通信的部分使用VC++中的MSComm控件來編譯串口通訊的應(yīng)用程序,采用MSComm32.OCX控件。使用控件的屬性進(jìn)行串口設(shè)置,使用控件的事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行串口響應(yīng),使用控件的方法完成串行口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。PC機(jī)通信流程圖如圖7所示。

圖6 單片機(jī)主程序流程圖

圖7 PC機(jī)通信流程圖

圖6 單片機(jī)主程序流程圖

圖7 PC機(jī)通信流程圖

上位機(jī)控制系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水平方位的調(diào)整,俯仰方向的調(diào)整,太陽位置的跟蹤、手動(dòng)校準(zhǔn)及計(jì)算當(dāng)日數(shù)據(jù)等功能。其中“設(shè)置”按鈕,可進(jìn)行地方經(jīng)緯度、波特率、步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作頻率等的設(shè)置。上位機(jī)可執(zhí)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(shè)置”按鈕的對(duì)話框。

4 試驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)分析

由于影響跟蹤精度的因素很多,不僅跟當(dāng)?shù)鼐暥取⑻柍嗑暯恰⑻枙r(shí)角的取值有關(guān),還跟步進(jìn)電機(jī)的精度以及跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān),因而需要對(duì)跟蹤軌跡的程序進(jìn)行校正。校正采用手動(dòng)操作,通過控制水平俯仰方位步進(jìn)電機(jī),使兩個(gè)軸帶動(dòng)平面鏡反光裝置轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)不斷觀察平面鏡反射太陽光的影子,當(dāng)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(jī)各自走過的步數(shù),根據(jù)實(shí)際運(yùn)行步數(shù)與理論運(yùn)行步數(shù)之差,可計(jì)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(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí),觀察到太陽在正午至下午3點(diǎn)期間,高度角方位角變化曲線存在明顯拐點(diǎn),變化比較顯著,在此期間內(nèi)系統(tǒng)對(duì)太陽位置的跟蹤存在誤差。

圖8 上位機(jī)主控界面

圖9“設(shè)置“按鈕對(duì)話框

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(shù)據(jù),并用系統(tǒng)的手動(dòng)校準(zhǔn)功能,記錄下不同時(shí)刻的步進(jìn)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行步數(shù)。

為了更準(zhǔn)確地得到太陽實(shí)際位置的參數(shù)修正值,應(yīng)在春夏秋冬四季中不同時(shí)刻分別觀測(cè)記錄數(shù)據(jù),將得到的一組高度角和方位角的校正值,擬合其曲線。用校正系數(shù)校正理論值存入控制程序,可以提高跟蹤精度[10]。

5 結(jié) 語

本文介紹的太陽自動(dòng)跟蹤裝置可以有效地提高太陽能利用率,適用于各種需要跟蹤太陽的裝置。經(jīng)過試驗(yàn)、測(cè)試和實(shí)際使用,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本文設(shè)計(jì)的太陽自動(dòng)跟蹤裝置是基于視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為使系統(tǒng)具有更高的跟蹤精度,可采用光電傳感器跟蹤校正,構(gòu)成由視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律跟蹤和傳感器跟蹤的混合跟蹤系統(tǒng)。隨著太陽能自動(dòng)跟蹤裝置的廣泛應(yīng)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(hù)和提高人民的生活質(zhì)量做出更大的貢獻(xiàn)。

表1 太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)記錄表日期:2008.1.12

時(shí)間

太陽方位/(°)

太陽高度/(°)

鏡面方位/(°)

鏡面高度/(°)

俯仰方向

步進(jìn)電機(jī) /步水平方位

步進(jìn)電機(jī) /步

初始數(shù)值實(shí)際數(shù)值初始數(shù)值實(shí)際數(shù)值

12:0188.630 337.073 124.926 371.681 3320310690970

12:1291.832 637.064 827.678 973.287 23002909401 070

12:2395.027 136.925 630.891 374.876 62802701 5701 330

12:3498.236.656 434.718 876.440 12602501 6802 540

12:45101.33836.259 339.38677.962 82402402 2402 610

12:55104.15135.789 644.629 679.292 62302303 0903 650

13:06107.19135.156 651.923 380.661 62302504 2104 890

13:15109.62934.55159.486 181.670 12602806 4306 770

13:25112.28133.788 970.036 482.611 72803307 0307 980

13:36115.12332.846 484.529 783.327 73404108 6309 610

13:46117.63531.899 499.752 583.584 746048010 89011 470

13:56120.07430.870 7115.29683.408 253054012 07012 690

14:06122.4429.764 6129.35982.819 859060013 16013 680

14:16124.73228.585 5141.01481.898 762064014 07014 390

14:26126.94927.337 4150.28180.734 466069014 76015 040

14:36129.09326.024 6157.60479.397 770072015 26015 550

14:46131.16524.651163.46477.937 573075015 75015 860

14:56133.16623.220 6168.25276.385 576078016 02016 160

15:01134.14122.485 2170.33775.581 778080016 16016 280

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