小型定日鏡控制系統(tǒng)的研究*

李 杰 ，劉二林 ，魏曉文 ，李瑞彪 ，黃恩培

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

太陽能因具有普遍性、清潔性等特點(diǎn)，具有很大的開發(fā)潛力[1-2]。在我國，太陽能資源豐富，但在對太陽能的利用中存在間歇性、光照強(qiáng)度不足等問題，使得對太陽能的利用率很低[3-4]。基于此，項(xiàng)目組設(shè)計了一種開環(huán)控制的小型定日鏡系統(tǒng)，定日鏡系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)反射鏡面的水平角度與俯仰角度，將鏡面所反射出的光線能夠定向地照射在集熱塔的上面，實(shí)現(xiàn)對太陽能的收集與利用[5]。該設(shè)計不僅可以應(yīng)用在類似于集熱塔的熱量收集方面，同時也可以應(yīng)用在比如暗室照明、光線的感應(yīng)等很多需要自動反射太陽光的場所中，對降低化石能源的使用量、減少二氧化碳排放有著積極的促進(jìn)作用[6]。

1 定日鏡中太陽位置與鏡面反射角度的計算

1.1 太陽位置的計算

根據(jù)球面三角形公式解天文三角形可得太陽高度角和方位角計算公式如下所示[7]。太陽赤緯角δ為：

式中，φ代表當(dāng)?shù)氐木暥龋臑槌嗑暯堑臄?shù)值，ω為時角的數(shù)值。

由以上公式可得到太陽的高度角H和方位角A。

1.2 鏡面反射角度的計算

確定好太陽位置后，再結(jié)合向量的運(yùn)算方法，建立如圖1 所示的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到一組太陽入射光線的向量和反射光線的向量。根據(jù)入射角與反射角的位置關(guān)系，結(jié)合計算得到的入射光線的向量和反射光線的向量，計算出法線向量，按照法線向量就可以對鏡面姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的角度調(diào)整[8]。

圖1 入射光線與反射光線之間位置關(guān)系

其中，n為全年中的第幾天。太陽時角ω為：

其中，TR為全24 小時制時間。

太陽高度角H和方位角A為：

其中，Hs、As分別為入射方向的太陽高度角和太陽方位角。

其中，Hr、Ar分別為反射方向的太陽高度角和太陽方位角。

2 硬件設(shè)計

課題組設(shè)計的定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)由以STM32f103RCT6 為核心的跟蹤控制單元、GPS 模塊、光強(qiáng)檢測模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊以及降壓模塊組成。其跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。該系統(tǒng)工作后，通過GPS 接收并解碼的位置信息計算出太陽的高度角和方位角，并將其作為單片機(jī)的輸入信號。再根據(jù)此刻的太陽高度角和方位角計算出太陽入射的角度及方向，進(jìn)而得到此時的定日鏡鏡面角度。單片機(jī)通過兩路PWM 輸出對應(yīng)的脈沖信號，控制兩臺舵機(jī)調(diào)整定日鏡鏡面的水平角度與俯仰角度來改變反射光線的位置，從而達(dá)到定向反射光線的作用[9]。同時對光強(qiáng)進(jìn)行檢測，判斷是否進(jìn)入休眠狀態(tài)。此外，還增加了降壓模塊，對系統(tǒng)的電路起到了保護(hù)作用。

圖2 跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)方式如下。

1）控制器模塊：本設(shè)計使用以STM32f103RCT6為主芯片的單片機(jī)開發(fā)板。這種開發(fā)板預(yù)置有多組外設(shè)接口，便于下載程序到芯片。同時，可以將開發(fā)板與電腦連接，便于對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)督，能夠很好地滿足系統(tǒng)的控制要求。

2）GPS 模塊：選用型號為ATK1218-BD。采用GPS 衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星共同發(fā)送信號的雙模定位芯片，該芯片能夠同時提供經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、海拔數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)，且直接可以用單片機(jī)的電源進(jìn)行供電。

3）光強(qiáng)檢測模塊：在此選用普通光敏電阻即可。通過采集光敏電阻測量電路輸出的電壓值來判斷此刻太陽光的強(qiáng)弱，若太陽光不足，則系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)[10]。

4）驅(qū)動模塊：采用兩臺型號為MG995 的數(shù)字舵機(jī)。驅(qū)動方式為PWM 進(jìn)行驅(qū)動，適合用于本系統(tǒng)的采光裝置。

5）電源模塊：系統(tǒng)的電源模塊采用兩節(jié)18650 電池。該型號電池可以進(jìn)行循環(huán)充電，理想狀態(tài)之下計算充滿一次電，可以對系統(tǒng)供電達(dá)到200 h，符合設(shè)計需要。

6）降壓模塊：采用的型號為LM2596S DC-DC 芯片。在系統(tǒng)設(shè)計中，在電源模塊里增加兩路降壓模塊，為芯片提高降壓保護(hù)的作用，防止當(dāng)舵機(jī)卡位或者其他情況時電流過大損壞單片機(jī)芯片。

3 軟件設(shè)計

采用C 語言進(jìn)行編程，主要包括主程序、GPS 模塊程序、舵機(jī)角度控制程序等，其中，主程序如圖3所示。

圖3 主程序

程序總體設(shè)計流程為設(shè)置循環(huán)主程序，由GPS模塊產(chǎn)生詳細(xì)的位置信息和時間信息，然后將位置、時間信息發(fā)送給單片機(jī)；在程序中，寫入一個程序讀取該信息，在子程序里開始初始化兩路PWM 程序，按照設(shè)置的延時與占空比，系統(tǒng)請求中斷返回到主函數(shù)，程序輸出對應(yīng)的PWM 脈沖，按照設(shè)定的角度輸出給舵機(jī)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

GPS 模塊以38 400 的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將系統(tǒng)所接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試和分析。分析數(shù)據(jù)時采用GPS 模塊配套的串口軟件GNSS_Viewer-7.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和調(diào)試。課題組以甘肅省蘭州市安寧區(qū)為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，得到所需要的參數(shù)信息。

4.2 參數(shù)分析

根據(jù)GPS 模塊返回的位置參數(shù)，計算從早晨8：30 到下午17：30 的太陽高度角H、方位角A及時角ω之間的變化規(guī)律，設(shè)置程序捕捉參數(shù)間隔的時間是每30 min 捕獲一次。以2022 年4 月23 日為實(shí)驗(yàn)日期，觀察一天中定日鏡調(diào)整鏡面共19 次，一天之內(nèi)太陽高度角H、方位角A及時角ω的變化趨勢圖，如圖5 所示。

圖5 一天之內(nèi)太陽高度角H、方位角A及時角ω 的變化趨勢

由圖5 可知，在每天的正午時刻（12：00）太陽高度角和方位角達(dá)到最高值。按照計算得到的參數(shù)信息，建立數(shù)學(xué)模型，來確定太陽光線的向量，根據(jù)得到的向量數(shù)據(jù)求出法向量，對此法向量繪制折線圖，并分解到三個坐標(biāo)軸上，分別為(x)、(y)、(z)。對分解后的三個參數(shù)進(jìn)行分析，從而計算得到定日鏡的鏡面角度所需要的調(diào)整值。分解后的向量參數(shù)值如圖6所示。

圖6 分解后的向量參數(shù)值

得到了太陽光線的法向量，再按照定日鏡面的法向量和太陽光線法向量相平行的基本原則，計算得到定日鏡的鏡面角所需要調(diào)整的角度。

4.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將定日鏡系統(tǒng)置于光照之下，GPS模塊的外置天線放在無遮擋和無干擾的環(huán)境之中，再調(diào)整定日鏡的鏡面來選取一個目標(biāo)位置作為反射的基準(zhǔn)點(diǎn)。通過串口將電腦和控制器進(jìn)行連接，對GPS 模塊進(jìn)行初始化，在串口助手中查看GPS 模塊的各項(xiàng)參數(shù)是否正常。做好一系列準(zhǔn)備工作之后，將整個系統(tǒng)進(jìn)行完整的連接。啟動系統(tǒng)進(jìn)行工作，記錄鏡面的變化角度，觀測太陽光的反射位置是否在設(shè)定的范圍之內(nèi)。對每個角度調(diào)整后的反射點(diǎn)進(jìn)行拍攝，對比每個反射點(diǎn)位的變化范圍是否超出設(shè)定的要求。實(shí)驗(yàn)時上午10：00 和10：30，中午12：00 和 12：30 兩組鏡面的反射光點(diǎn)的位置的變化圖，如圖7所示。

圖7 反射光點(diǎn)的位置變化

通過光影可知太陽位置的變化，在太陽光線變化的過程之中，反射的光點(diǎn)始終在規(guī)定的范圍之內(nèi)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以判斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基本的功能。

5 結(jié)論

本設(shè)計為一種開環(huán)控制的定日鏡，可以實(shí)現(xiàn)自動跟隨太陽的旋轉(zhuǎn)，通過反射作用，始終將太陽的光線反射在同一個位置來進(jìn)行熱量的收集。設(shè)計系統(tǒng)通過檢測太陽光線的位置，把GPS 模塊接收并解碼的位置信息作為單片機(jī)的輸入信號，單片機(jī)對接收到的參數(shù)信息進(jìn)行處理和分析，最終轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)舵機(jī)角度的脈沖信號并輸出到驅(qū)動舵機(jī)；舵機(jī)接受脈沖信號后按照設(shè)定的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動，通過調(diào)整定日鏡鏡面的水平角度與俯仰角度，達(dá)到自動調(diào)整反射光線位置的目的，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的基本功能。該系統(tǒng)具有跟蹤精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，提高了對太陽能的利用率，具有很廣闊的市場應(yīng)用前景。