专利名称：太阳跟踪控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种太阳跟踪控制装置，特别是涉及太阳能利用中的高精度跟踪控制装置。
背景技术：
太阳跟踪系统一般可分为电动式和机械式两大类，其中机械式太阳跟踪系统稳定性差，跟踪精度低，适应性差。电动式又可分为传感器控制、时钟控制或传感器和时钟相结合的控制方式。
其中传感器控制跟踪精度较低，其原因是传感器的灵敏度有一定的限制、运算放大电路受到环境温度变化和电磁波干扰的影响。且传感器跟踪容易出现误跟踪现象，其原因是多云天气时，云彩的边缘存在亮斑，传感器跟踪不能分辨亮斑和真正的太阳位置，进行盲目跟踪。
时钟控制也存在着需要手动调整初始位置、存在累积误差等缺点，其原因是存在传动误差和步进电机失步现象。
现有的传感器和时钟相结合的控制方式都是由工控机或微型机实现，价格昂贵。其控制核心是通用的微型机或工控机，通过其具备的运算能力处理时钟和传感器信号，并利用采集控制卡进行数据采集和控制量的输出。由于其本身具有的一些特点，这种结构方式并不十分适合太阳跟踪控制(1)微型机或工控机本身的功耗较大，影响了太阳能系统运行的经济性；(2)微型机或工控机一般要求安装在室内，距离聚光器较远，由于传感器随聚光器转动，传感器信号需要传送较远的距离。长距离的传输导致信号容易受到干扰，出现错误信号的机会增大；(3)微型机或工控机价格昂贵，所具有的运算速度远远地高于太阳跟踪控制所需，所具备的配置也不必要，因此造成了资源的浪费。
实用新型内容本实用新型提供一种以单片机为核心的全自动太阳跟踪控制装置，其跟踪方式是传感器和时钟控制相结合。并且提供人为干预的手段，包括日期、时间的调整；自动或强制运行方式的选择；初始运行参数的设定等。
本实用新型与上述微型机或工控机方案相比，具备如下优点(1)功耗低，只需5V供电电源；(2)体积小，操作简单，可以安放在聚光器旁边，提高了传感器信号的可靠性；(3)成本低，可与聚光器组成单元，形成模块化结构。
本实用新型所采用的技术方案太阳相对地球的运行存在一定规律，因此地平坐标系统的高度角和方位角或极轴坐标系统的赤纬角和时角可以由日期、时间、当地的纬度、经度完全确定。本实用新型选用的80C196KC单片机利用这种规律，计算出太阳的位置，进行精确跟踪。同时，单片机定时检查太阳传感器的输入信号，当聚光器轴线与太阳位置误差超过四分之一度时，利用太阳传感器的输入信号对聚光器进行自动调整，当调整结束后，返回时钟控制模式。另外，本实用新型提供人机对话渠道，使管理员可以改变装置的运行参数。
本实用新型由太阳传感器和单片机控制电路组成。太阳传感器是由主传感器和参考传感器组成，安装在聚光器上，随聚光器一同运动。主传感器提供偏差信号；参考传感器提供直射辐射的参考值，同时通过运算放大电路和软件方法对主传感器的偏差信号进行修正。单片机控制电路包括单片机，运算放大电路，接入单片机的A/D转换口，外接存储器，时钟芯片，8255A与单片机的总线连接，LED显示电路与8255A的输出口相连，输入输出接口接入单片机的输入输出引脚，控制按键电路与单片机的中断、复位、输入口连接，串行通信电路与单片机的串行接口相连接。
主传感器由截顶四面金字塔形布置的四块光电池组成，不相邻的两块光电池组成一组，各光电池的法线方向与金字塔的对称轴成相同角度，角度范围可以从10°至40°。
参考传感器由前后遮挡的一组光电池组成。
单片机是Inte116位高性能单片机。
运算放大电路采用了四运放集成电路LM224。主传感器轴线与太阳位置的偏离值，以下简称主传感器偏离值，由主传感器提供的偏差信号与参考信号经运算放大电路后，通过软件方法还原得到。具体做法是，两个主传感器偏差信号分别与参考信号加法放大，并通过A/D转换成为数字量PV1、PV2，同时参考信号经放大和A/D转换成为数字量PV；所得PV、PV1和PV2经数字调零和滑动窗口平均处理得PV′，PV1′和PV2′；两个主传感器偏离值分别为 和 LED显示电路采用了软件译码、动态显示的方法，驱动16个7段LED显示器。控制按键电路提供了两个中断触发键、一个模式选择开关和一个复位触发键，与LED显示电路配合实现人机对话。
串行通信电路采用单一5V电源供电的MAX232A电平转换芯片，实现TTL和RS232之间的电平转换。
与现有设计相比，本实用新型有如下优点(1)采用了时钟控制和传感器控制相结合的方法，避免了单独传感器控制的不稳定和盲目跟踪，避免了单独时钟控制的累积误差。
(2)四块光电池截顶四面金字塔形布置，避免了光电池的局部遮挡造成的发热现象，有利于延长光电池的寿命。
(3)主传感器偏差信号与参考信号通过四运放集成电路同时放大，保证了信号增益的同一性，再通过软件还原，使主传感器信号受到的环境影响(包括太阳直射辐射强度和环境温度)被参考传感器信号抵消，有利于系统的稳定性。
(4)时钟控制和传感器控制相结合的跟踪由单片机系统实现，大大地降低了高精度跟踪控制器的生产成本。
图1为本实用新型具体实施方式
的原理框图；图2为本实用新型具体实施方式
主传感器的原理图；图3为本实用新型具体实施方式
参考传感器的原理图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例的详细说明本实用新型。
图1为本实用新型的具体实施例，本实用新型主要由太阳传感器和单片机控制电路组成。太阳传感器包括主传感器10和参考传感器11；单片机控制电路包括80C196KC单片机1，运算放大电路2，外接存储器3，时钟芯片4，输出扩展5，显示电路6，输入输出接口7，控制按键电路8和串行通信接口9。
主传感器10和参考传感器11的输出接运算放大电路2的输入，运算放大电路2的输出接入单片机1。外接存储器3、时钟芯片4、输出扩展5分别通过总线与单片机1相连。输出扩展5输出的信号接入显示电路6。单片机1的相应引脚通过输入输出接口7与外部驱动电路、电源相连。控制按键电路8接入单片机1的输入引脚。串行通信接口9连接单片机1的串行通信引脚。
主传感器10由4片光电池截顶四面金字塔形布置而成，布置方法如图2a所示各光电池的法线方向与金字塔的对称轴成相同角度，角度范围为10°至40°。
相邻梯形面的底边相互垂直，不相邻的两片光电池组成一组，共组成两组光电池组。两组光电池组的电路连接方法相同，两组光电池组之间没有连接。光电池组的电路连接如图2b所示光电池1的正极和光电池2的负极相连并连接输出端，光电池1的负极和光电池2的正极相连并接地，输出端与地之间通过1KΩ的电阻相连。
参考传感器11由两片光电池前后遮挡布置、连接，组成光电池组。布置方法和电路接法如图3所示，其电路连接方式是光电池5的正极和光电池6的负极相连并连接输出端，光电池5的负极和光电池6的正极相连并接地，输出端与地之间通过1KΩ的电阻相连。
单片机1采用80C196KC单片机，16位的运算方式，带有8个10位A/D转换接口，具有高速输入输出、PTS事务处理等先进特性。运算放大电路2采用了四运放集成电路LM224。外接存储器3包括16K的程序存储器27128和2K的数据存储器6116。LED显示电路6是采用16位片选信号和8位数字信号驱动的动态显示电路，包括16个7段LED显示器。控制按键电路8包括了两个中断触发按键、一个复位键和一个模式选择键。串行通信接口9采用了5V单一电源供电的RS232电平变换芯片MAX232A。
工作方式如下本实用新型实施例装置大部分时间工作在时钟控制状态，并随时监视传感器信号。单片机1读取时钟芯片4提供的日期和时间，通过计算得到太阳的准确位置，即聚光器的期望位置，与聚光器的实际位置相减，通过PID算法并与补偿控制算法相结合得到输出值，并通过输入输出接口7输出驱动信号；聚光器的实际位置由来自输入输出接口7的信号通过增量式算法得到。
主传感器10和参考传感器11通过运算放大电路2将信号送入单片机1，单片机1定时对送入的信号进行处理。当参考信号大于程序设定的参考信号阀值，同时主传感器偏离值大于程序设定的主传感器偏离阀值时，说明聚光器轴线与太阳位置误差超过了四分之一度，系统变为太阳传感器控制。这时，用主传感器偏离值代替聚光器期望位置和实际位置的差值，通过PID算法并与补偿控制算法相结合得到输出值，其结果使主传感器偏离值减小并最终等于0。当主传感器偏离值等于零时，说明聚光器的实际位置与期望位置相同，这时，重置实际位置使其等于期望位置，并使系统重新回到时钟控制状态。
单片机1实时地将系统的日期、时间、位置量和运行状态通过输出扩展5，由显示电路6显示出来，使管理员可以及时了解系统的运行状况。控制按键电路8提供干预程序运行的手段，与显示电路6相配合，提供人机对话的渠道。串行接口9实现TTL电平和RS232电平的转换，提供单片机和上位机的串行通信接口。
权利要求1.一种太阳跟踪控制器，包括太阳传感器和单片机控制电路，其特征在于太阳传感器是由主传感器(10)和参考传感器(11)组成；单片机控制电路包括单片机(1)、运算放大电路(2)、外接存储器(3)、时钟芯片(4)、输出扩展(5)、显示电路(6)、输入输出接口(7)、控制按键电路(8)和串行通信接口(9)。
2.根据权利要求1所述的太阳跟踪控制器，其特征在于，主传感器(10)和参考传感器(11)的输出接运算放大电路(2)的输入，运算放大电路(2)的输出接入单片机(1)；外接存储器(3)、时钟芯片(4)、输出扩展(5)分别通过总线与单片机(1)相连；输出扩展(5)输出的信号接入显示电路(6)，单片机(1)的相应引脚通过输入输出接口(7)与外部驱动电路、电源相连；控制按键电路(8)接入单片机(1)的输入引脚，串行通信接口(9)连接单片机(1)的串行通信引脚。
3.根据权利要求1和2所述的太阳跟踪控制器，其特征在于所述的主传感器(10)由截顶四面金字塔形布置的四块光电池组成，不相邻的两块光电池组成一组，各光电池的法线方向与金字塔的对称轴成相同角度，角度范围为10°至40°；光电池相邻梯形面的底边相互垂直，不相邻的两片光电池组成一组，两组光电池组之间不连接；各组内光电池(1)的正极和光电池(2)的负极相连并连接输出端，光电池(1)的负极和光电池(2)的正极相连并接地，输出端与地之间通过1KΩ的电阻相连。
4.根据权利要求1至3的任何一项所述的太阳跟踪控制器，其特征在于所述的参考传感器(11)由两片光电池前后遮挡布置、连接，组成光电池组；光电池(5)的正极和光电池(6)的负极相连并连接输出端，光电池(5)的负极和光电池(6)的正极相连并接地，输出端与地之间通过1KΩ的电阻相连。
5.根据权利要求1至5的任何一项所述的太阳跟踪控制器，其特征在于控制按键电路(8)提供了两个中断触发键、一个模式选择开关和一个复位触发键，与LED显示电路(6)配合实现人机对话。
专利摘要一种太阳跟踪控制器，它主要适用于太阳能利用中的高精度跟踪控制。所述太阳跟踪控制器由单片机控制电路和太阳传感器组成。太阳传感器是由主传感器(10)和参考传感器(11)组成，安装在聚光器上，随聚光器一同运动。主传感器(10)提供偏差信号；参考传感器(11)提供直射辐射的参考值，同时通过运算放大电路和软件方法对主传感器的偏差信号进行修正。单片机控制电路包括单片机(1)、运算放大电路(2)、外接存储器(3)、时钟芯片(4)、显示电路(6)、输入输出接口(7)、控制按键电路(8)、串行通信口(9)等部分，能够实现人机对话。本实用新型功耗低，体积小，操作简单，可安装在聚光器旁，提高传感器信号的可靠性。
文档编号F24J2/38GK2662152SQ200320127758
公开日2004年12月8日 申请日期2003年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者郑飞, 李安定, 杨培尧, 李斌, 臧春城, 李鑫 申请人:中国科学院电工研究所