光源跟踪系统的制作方法
【专利摘要】光源跟踪系统，主要是解决现有光源跟踪系统费用高及精度低的问题。本发明提供一种光源跟踪系统，该系统包括单片机，供电系统，串口通信模块，信息采集模块，步进电机控制模块，上位机，光源传感器及步进电机。本发明的光源跟踪系统实现了对光源的跟踪定位，从而实现对太阳能电池板的跟踪控制，整个系统采用模块化设计，结构简单，操作简单，易于掌握。
【专利说明】
光源跟踪系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种光源跟踪系统，属于太阳能技术应用领域。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展，能源和资源的消耗速度越来越快。传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出。这时候全世界把目光都投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势成为人们重视的焦点。丰富的太阳能资源是取之不尽用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的资源。中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上，大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，与同玮度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越的多，理论储量达每年17000亿吨标准煤，因此在我国太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。由于太阳能在新能源开发与研究中占有举足轻重的地位，因此，开发一套功能和结构合理、反应迅速，智能控制的光源跟踪系统具有重要的现实意义。
[0003]目前我国国内的跟踪器基本有两大类:一类是根据地球绕日运行规律计算跟踪运动轨迹的主动式跟踪器;另一类是实时探测太阳对地位置，控制对日角度的被动式跟踪器。在这两大类中的比较有代表性、应用较多的跟踪器有时钟式跟踪器与光敏元件比较式跟踪器:
[0004]时钟式跟踪器有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法:根据太阳在太空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。其特点是电路简单，但由于时钟累积误差不断增加，系统的跟踪精度很低;系统需外接电源，日夜不停的运转，浪费能源。
[0005]光敏元件比较式跟踪器利用光敏元件在光照时性能参数发生变化的原理，将四个完全相同的光敏元件分别放置于采光板的东南西北方向边沿处。如果太阳光垂直照射采光板，东西或者南北两个光敏元件接收到的光照强度相同，此时电机不转动。当太阳光线与采光板的法线有一夹角时，光敏元件反应出照度差，信号采集电路采集到光敏元件的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电机转动，直至两个光敏元件上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，而电路也比较容易实现。但是这类跟踪器价格昂贵，且不能适应自然界中光线的变化，跟踪效果不太理想。
[0006]以上两类跟踪器主要存在以下缺陷:
[0007]主动式跟踪系统属于不可逆跟踪，在跟踪过程中，系统对控制误差和机械传动误差无法修正，造成较大的累积误差，跟踪精度会随时间推移降低。跟踪的目的在于提高入射能量密度，如果精度低，跟踪效率低，跟踪装置还额外提高了成本，在太阳能利用系统中添加跟踪器就失去了原来的意义。虽然采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪器精度较高，但其高昂的成本不适合民用。
[0008]被动式跟踪系统不受地理位置的限制，跟踪精度较高，具有很大的发展潜力。其中成本相对较低、精度较高的光敏元件控制式跟踪器属于比较理想的跟踪器。但这种跟踪器只是从理论上来看比较理想，要把理论变成实际产品，要开发出真正廉价、高精、实用的自动跟踪平台，在理论基础上还得解决以下的问题:第一，光敏元件比较式跟踪器虽然原理简单，但目前市场上的价格相对于民用来说还是很高；另外，大自然中大气情况是复杂多变的，真正的高精度跟踪，对跟踪平台的要求非常高。
【发明内容】
[0009]针对上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种光源跟踪系统，整个系统采用模块化设计，结构简单，操作简单，易于掌握。
[0010]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0011 ]光源跟踪系统，该系统包括单片机，供电系统，串口通信模块，信息采集模块，步进电机控制模块，上位机，光源传感器及步进电机；
[0012]所述供电系统与单片机连接，为单片机提供电源;所述单片机分别与串口通信模块、信息采集模块、步进电机控制模块的一端连接;所述串口通信模块另一端与上位机通讯，用于数据的接收与发送;所述上位机用于监控及显示时间、日期、当前发电装置实际的高度角度值以及方位角度值;所述信息采集模块另一端与光源传感器相连接，所述光源传感器通过信息采集模块检测将光强信号转成相应的电流信号输出，所述单片机将电流信号转换成为单片机能够识别的数字信号，并且用这个数字信号衡量光源的强弱，进而控制步进电机调整角度;所述步进电机控制模块的另一端与步进电机相连接，实现对步进电机的控制。
[0013]进一步地，所述供电系统的电路采用LM2576稳压模块Ul，其中脚I进行电源输入，脚2稳压输出，脚3接地，脚4反馈输入，脚5为控制稳压模块引脚，低电平打开，高电平关闭，其中电容Cl和电容C2起到平滑滤波的作用，放电线圈LI起到去高次谐波的作用；反馈电压VCC约为5V。
[0014]进一步地，所述单片机的电路为最小系统，采用STC12C5410AD模块U3，包括晶振电路Yl、复位电路及插针电路，还提供了 1K的ROM和512K的RAM及A/D转换器，所述A/D转换器为ADC0-ADC7，共8个。
[0015]进一步地，所述晶振电路Yl负责为系统提供连续的时钟脉冲，所有设备根据时钟脉冲进行有规律的工作，取指令，指令译码，指令执行等一系列有规律的操作。
[0016]进一步地，所述复位电路为阻容复位电路，电容C7在上接高电平，电阻R19在下接地，中间为RST，所述RST与所述单片机中的引脚3RST连接，用于光源传感器复位。
[0017]进一步地，所述插针电路中的Pl口主要负责光强信号量的输入，Pl 口包括P10、?11、？12、？13、？14、？15、？16及？17，分别对应连接单片机中的？10、？11、？12、？13、？14、卩15、?16及？17，？1口中？10用于参考电压输入，？11、？12、？13、？14用于信息采集模块的光强信号量的输入，？3口主要负责步进电机控制，？3口包括?30、？31、？32、？33、？34、？35及?37，分别对应连接单片机中的？30、？31、？32、？33、？34、？35及?37，？3口中？30、？31负责串口通信模块的收发数据，分别与串口通信模块的引脚9与引脚10对应连接，P32、P34、P35、P37与所述步进电机控制模块中的引脚5、引脚6、引脚7对应连接，用于水平和垂直方向的步进电机控制，所述P32与P34控制水平方向，所述P35与P37控制垂直方向。
[0018]进一步地，所述串口通信模块采用型号为MAX232模块U2，采用的是RS-232异步串行通信标准，该模块通过电平转换电路实现TTL电平与RS-232电平之间的转换，该模块共有16个引脚;其中引脚15和引脚16接电源的正负极，引脚1、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6外接电容C17、电容C18、电容C19、电容C20作为电压栗，用来提升电压，所述电容C17、电容C18、电容C19、电容C20均为104电容，引脚7、引脚10和引脚8、引脚9作为一对数据收发的引脚，其中引脚9与引脚10与单片机的插针电路的P30与P31 口连接，引脚8作为数据输入通过转换变为引脚9输出的TTL电平，以保证单片机接收，引脚10作为TTL数据的输入引脚通过转换变为引脚7输出的标准RS-232电平，以保证上位机的接收，该模块实现了上位机和单片机之间的全双工通信。
[0019]进一步地，所述步进电机控制模块采用TA8435芯片U4，所述TA8435芯片U4—共有24个引脚，所述TA8435芯片U4根据用户的控制要求来完成步进脉冲的产生，步进电机的步进角和相数决定了此芯片的控制模式:由于步进电机为2相步进电机，所以TA8435芯片U4中设有A方向的引脚20与引脚23和B方向的引脚16与引脚19。
[0020]进一步地，所述信息采集模块型号为BH1620FVC模块U7，该信息采集模块共有5个引脚，其中引脚I和引脚2接电源的正负极，引脚3和引脚4为增益控制引脚，引脚3和引脚4作用是将微小的电流放大相应的倍数之后输出，这对引脚的应用省略了运算放大的过程；弓丨脚5为输出端，将电流输出到单片机的P11、P12、P13、P14 口，单片机通过A/D转换器得到水平方向和垂直方向4个值，通过这4个值的比对，先水平方向，后垂直方向，来确定最强的光源入射位置，实现光源检测的功能。
[0021]本发明的有益效果:
[0022]本发明的系统结合步进电机、光源传感器、单片机以及A/D转换技术实现对光源的跟踪定位，从而实现对太阳能电池板的跟踪控制，整个系统实现了对光源的跟踪定位，采用模块化设计，结构简单，操作简易，易于掌握。
【附图说明】
[0023]图1是本发明的系统模块框图；
[0024]图2是本发明的供电系统的电路；
[0025]图3是本发明的单片机的电路；
[0026]图4是本发明的单片机的插针电路；
[0027]图5是本发明的单片机中的复位单路；
[0028]图6是本发明的信息采集模块的电路；
[0029]图7是本发明的串口通信模块的电路；
[0030]图8是本发明的步进电机控制模块的电路；
[0031 ]图9是本发明的系统工作流程图。
【具体实施方式】
[0032]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]参照图1，光源跟踪系统，该系统包括单片机，供电系统，串口通信模块，信息采集模块，步进电机控制模块，上位机，光源传感器及步进电机;供电系统与单片机连接，为单片机提供电源;单片机是控制核心，实现各部分电路的控制功能，所述单片机分别与串口通信模块、信息采集模块、步进电机控制模块连接；串口通信模块实现数据的接收与发送，所述串口通信模块另一端与上位机通讯，用于数据的接收与发送;所述上位机用于监控及显示时间、日期、当前发电装置实际的高度角度值以及方位角度值;所述信息采集模块另一端与光源传感器相连接，所述光源传感器通过信息采集模块检测将检测光强的光强信号转成相应的电流信号输出，所述单片机将电流信号转换成为单片机能够识别的数字信号，并且用这个数字信号衡量光源的强弱，进而控制步进电机调整角度;所述步进电机控制模块的另一端与步进电机相连接，实现对步进电机的控制。
[0034]参照图2，供电系统的电路采用LM2576稳压模块Ul，其中脚I进行电源输入，脚2稳压输出，脚3接地，脚4反馈输入，脚5为控制稳压模块引脚，低电平打开，高电平关闭，其中电容Cl和电容C2起到平滑滤波的作用，放电线圈LI起到去高次谐波的作用，反馈电压VCC约为5V。
[0035]参照图3-5，单片机的电路为最小系统，采用STC12C5410AD模块U3，包括晶振电路Y1、复位电路及插针电路;其中晶振电路Yl负责为系统提供连续的时钟脉冲，所有设备根据时钟脉冲进行有规律的工作，取指令，指令译码，指令执行等一系列有规律的操作，参照图5，所述复位电路采用阻容复位电路，电容C7在上接高电平，电阻Rl9在下接地，中间为RST，所述RST与所述单片机中的引脚3RST连接，用于光源传感器复位;此外，单片机还提供了 1K的ROM和512K的RAM及A/D转换器，所述A/D转换器为ADC0-ADC7，共8个。
[0036]参照图3-4，插针电路中的Pl 口主要负责光强信号量的输入，Pl 口包括P10、P11、?12、？13、？14、？15、？16及？17，分别对应连接单片机中的？10、？11、？12、？13、？14、？15、卩16及P17，P1 口中PlO用于参考电压输入，pll、pl2、P13、P14与信息采集模块的引脚5连接，用于光强信号量的输入，？3口主要负责步进电机控制，？3口包括?30、？31、？32、？33、？34、？35及?37，分别对应连接单片机中的？30、？31、？32、？33、？34、？35及?37，？3口中？30、？31负责串口通信模块的收发数据，分别与串口通信模块的引脚9与引脚1对应连接，P3 2、P34、P3 5、P3 7与步进电机控制模块中的引脚5、引脚6与引脚7连接，用于水平和垂直方向的步进电机控制，所述P32与P34控制水平方向，所述P35与P37控制垂直方向。
[0037]参照图6，信息采集模块型号为BH1620FVC模块U7，该信息采集模块共有5个引脚，其中引脚I和引脚2接电源的正负极，引脚3和引脚4为增益控制引脚，引脚3和引脚4作用是将微小的电流放大相应的倍数之后输出，这对引脚的应用省略了运算放大的过程；引脚5为输出端，将电流输出到单片机的P11、P12、P13、P14 口，单片机通过A/D转换器得到水平方向和垂直方向4个值，通过这4个值的比对，先水平方向，后垂直方向，来确定最强的光源入射位置，实现光源检测的功能。
[0038]参照图7，串口通信模块采用型号为MAX232模块U2，采用的是RS-232异步串行通信标准，该模块U2通过电平转换电路实现TTL电平与RS-232电平之间的转换，该模块共有16个引脚;其中引脚15和引脚16接电源的正负极，引脚1、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6外接电容C17、电容C18、电容C19、电容C20作为电压栗，用来提升电压，电容C17、电容C18、电容C19、电容C20均为104，，引脚7、引脚10和引脚8、引脚9作为一对数据收发的引脚，其中引脚9与引脚10与单片机的插针电路的P30与P31连接，引脚8作为数据输入通过转换变为引脚9输出的TTL电平，以保证单片机接收，引脚10作为TTL数据的输入引脚通过转换变为引脚7输出的标准RS-232电平，以保证上位机的接收;该模块实现了上位机和单片机之间的全双工通
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[0039]参照图8，步进电机控制模块采用ΤΑ8435芯片U4，该ΤΑ8435芯片U4根据用户的控制要求来完成步进脉冲的产生，步进电机的步进角和相数决定了所述ΤΑ8435芯片U4的控制模式:由于步进电机为2相步进电机，所以ΤΑ8435芯片U4中设有A方向的引脚20与引脚23和B方向的引脚16与引脚19，ΤΑ8435芯片U4—共有24个引脚，其中各引脚的功能如下:
[0040]引脚I(SG):信号地；
[0041 ]引脚2(RESET):复位端，低电平有效，当该端有效时，电路复位到起始状态，此时在任何激励方式下，输出各相都置于它们的原点；
[0042]引脚3(ENABLE):使能端，低电平有效；当该端为高电平时电路处于维持状态，此时各相输出被强制关闭；
[0043]引脚4(0SC):该脚外接电容的典型值可决定芯片内部驱动级的斩波频率，本实施例中外接电容C23 = 3000uF ；
[0044]引脚5(CW/CCW):正、反转控制引脚；
[0045]引脚6、引脚7(CKl、CK2):时钟输入端，可选择单时钟输入或双时钟输入，最大时钟输入频率为5000Hz ；
[0046]引脚8、引脚9(Ml、M2):选择激励方式，00表示步进电机工作在整步方式，10为半步方式，01为1/4细分方式，11为1/8细分方式；
[0047]引脚1(REFIN):VNF输入控制，接高电平时VNF为0.8V，接低电平时VNF为0.5V;
[0048]弓丨脚13(VCC):逻辑电路供电引脚，一般为5V;
[0049]引脚15、引脚24(VMB、VMA):B相和A相负载电源端；
[0050]引脚16、引脚19(B、B):B相输出引脚；
[0051]引脚17、引脚22(PGB、PGA):B相和A相负载地；
[0052]弓丨脚18、引脚21(NFB、NFA): B相和A相电流检测端；
[0053]引脚20、引脚23(A、A):A相输出引脚；
[0054]参照图9，整个系统的工作流程为:光源传感器通过信息采集模块将光强信号转成相应的电流信号输出，上述单片机自带的A/D转换器将电流信号转换成为单片机能够识别的数字信号，然后用这个数字信号来衡量光源的强弱，如果信号电压大于参考电压，则步进电机右转，再经计算差额后在上位机中显示信息，如果信号电压不大于参考电压，则步进电机左转，再经计算差额后在上位机中显示信息。
[0055]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.光源跟踪系统，其特征在于，该系统包括单片机，供电系统，串口通信模块，信息采集模块，步进电机控制模块，上位机，光源传感器及步进电机； 所述供电系统与单片机连接，为单片机提供电源;所述单片机分别与串口通信模块、信息采集模块、步进电机控制模块的一端连接;所述串口通信模块另一端与上位机通讯，用于数据的接收与发送;所述上位机用于监控及显示时间、日期、当前发电装置实际的高度角度值以及方位角度值;所述信息采集模块另一端与光源传感器相连接，所述光源传感器通过信息采集模块检测将光强信号转成相应的电流信号输出，所述单片机将电流信号转换成为单片机能够识别的数字信号，并且用这个数字信号衡量光源的强弱，进而控制步进电机调整角度;所述步进电机控制模块的另一端与步进电机相连接，实现对步进电机的控制。2.如权利要求1所述的光源跟踪系统，其特征在于，所述供电系统的电路采用LM2576稳压模块Ul，其中脚I进行电源输入，脚2稳压输出，脚3接地，脚4反馈输入，脚5为控制稳压模块引脚，低电平打开，高电平关闭，其中电容Cl和电容C2起到平滑滤波的作用，放电线圈LI起到去高次谐波的作用，反馈电压VCC为5V。3.如权利要求1所述的光源跟踪系统，其特征在于，所述单片机的电路为最小系统，采用STC12C541OAD模块U3，包括晶振电路Y1、复位电路及插针电路，还提供了 1K的ROM和512K的RAM及A/D转换器，所述A/D转换器为ADC0-ADC7，共8个。4.如权利要求3所述的光源跟踪系统，其特征在于，所述晶振电路Yl负责为系统提供连续的时钟脉冲，所有设备根据时钟脉冲进行有规律的工作，取指令，指令译码，指令执行等一系列有规律的操作。5.如权利要求3所述的光源跟踪系统，其特征在于，所述复位电路为阻容复位电路，电容C7在上接高电平，电阻R19在下接地，中间为RST，所述RST与所述单片机中的引脚3RST连接，用于光源传感器复位。6.如权利要求3所述的光源跟踪系统，其特征在于，所述插针电路中的Pl口主要负责光强信号量的输入，？1口包括？10、？11、？12、？13、？14、？15、？16及？17，分别对应连接单片机中的？10、？11、？12、？13、？14、？15、？16及？17，？1口中？10用于参考电压输入，？11、？12、？13、卩14用于信息采集模块的光强信号量的输入;P3 口主要负责步进电机控制，P3 口包括P30、P31、?32、？33、？34、？35及?37，分别对应连接单片机中的？30、？31、？32、？33、？34、？35及?37，卩3口中P30、P31分别与串口通信模块中的引脚9与引脚10连接，负责串口通信模块的收发数据，P32、P34、P35、P37与所述步进电机控制模块中的引脚5、引脚6、引脚7对应连接，用于水平和垂直方向的步进电机控制，所述P32与P34控制水平方向，所述P35与P37控制垂直方向。7.如权利要求1所述的光源跟踪系统，其特征在于，所述串口通信模块采用型号为MAX232模块U2，采用的是RS-232异步串行通信标准，该MAX232模块U2通过电平转换电路实现TTL电平与RS-232电平之间的转换，共有16个引脚:其中引脚15和引脚16接电源的正负极，引脚1、引脚2、引脚3、引脚4、引脚5、引脚6外接电容C17、电容C18、电容C19、电容C20作为电压栗，用来提升电压，所述电容C17、电容C18、电容C19、电容C20均为104电容，引脚7、引脚10和引脚8、引脚9作为一对数据收发的引脚，其中引脚9与引脚10与单片机的插针电路的P30与P31 口连接，引脚8作为数据输入通过转换变为引脚9输出的TTL电平，以保证单片机的接收，引脚10作为TTL数据的输入引脚通过转换变为引脚7输出的标准RS-232电平，以保证上位机的接收;该模块实现了上位机和单片机之间的全双工通信。8.如权利要求1所述的光源跟踪系统，其特征在于，所述步进电机控制模块采用TA8435芯片U4，所述TA8435芯片U4—共有24个引脚，所述TA8435芯片U4根据用户的控制要求来完成步进脉冲的产生，步进电机的步进角和相数决定了此芯片的控制模式:由于步进电机为2相步进电机，所以TA8435芯片U4中设有A方向的引脚20与引脚23和B方向的引脚16与引脚19。9.如权利要求1所述的光源跟踪系统，其特征在于，所述信息采集模块型号为BHl 620FVC模块U7，该信息采集模块共有5个引脚，其中引脚I和引脚2接电源的正负极，引脚3和引脚4为增益控制引脚，引脚3和引脚4作用是将微小的电流放大相应的倍数之后输出，这对引脚的应用省略了运算放大的过程；引脚5为输出端，将电流输出到单片机的P11、P12、P13、P14口，单片机通过A/D转换器得到水平方向和垂直方向4个值，通过这4个值的比对，先水平方向，后垂直方向，来确定最强的光源入射位置，实现光源检测的功能。
【文档编号】G05D3/12GK105929854SQ201610290043
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】夏辉, 孙阳, 孟磊
【申请人】沈阳师范大学