專利名稱：太陽自動(dòng)追蹤裝置及其追蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽自動(dòng)追蹤裝置，具體地說，涉及一種采用GPS模塊、電子羅盤和傾角傳感器的雙軸太陽自動(dòng)追蹤裝置。
背景技術(shù)：
目前，太陽能接收裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)大多采用固定式裝置，這種裝置簡單，但只能朝向一個(gè)固定的方向，使太陽能的接收效率很低。為了提高太陽能利用效率，太陽能接收裝置增加了追蹤系統(tǒng)。Nader Barsoum于2011年5月在《Intelligent Control and Automation》其月干丨J第二卷第二其月上發(fā)表的論文"Fabrication of Dual-Axis Solar Tracking Controller I^roject”提出了采用一種光電追蹤方法，該方式受天氣影響大，需要人工根據(jù)實(shí)際地理位置進(jìn)行調(diào)整，降低了追蹤裝置的實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有接收方式的不足，本發(fā)明的目的是在于提供一種太陽自動(dòng)追蹤裝置，該裝置采用了 GPS模塊、電子羅盤和傾角傳感器，實(shí)現(xiàn)了全天候追蹤太陽，自動(dòng)調(diào)整位置，提高了太陽能接收效率。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種太陽自動(dòng)追蹤裝置，包括太陽能極板、水平固定軸、固定太陽能極板和水平固定軸的水平支架、支撐水平支架的豎直軸、底座、帶動(dòng)豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的豎直直流電機(jī)，帶動(dòng)水平固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的水平直流電機(jī)，自動(dòng)控制電路，其特征在于，所述自動(dòng)控制電路包括STC單片機(jī)、GPS芯片、傾角傳感器模塊、電子羅盤和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。所述STC單片機(jī)UlO的31、40引腳接+3. 3V電源，20引腳接地，9引腳接復(fù)位電路， 18,19引腳接11.0592M晶振的兩個(gè)引腳；STC單片機(jī)UlO的IOUl引腳分別接GPS芯片U7 的5、4引腳，STC單片機(jī)UlO的PIN1、PIN2、PIN3、PIN4、ENAIN和ENBIN引腳分別接光電耦合器U1、U3、TO、U6、U8和U9的2引腳，STC單片機(jī)UlO的27引腳接傾角傳感器Ull的SCL 引腳和電子羅盤U12的SCL引腳，STC單片機(jī)UlO的28引腳接傾角傳感器Ull的SDA引腳和電子羅盤U12的SDA引腳所述GPS芯片U7的1、19和20引腳接3. 3V電源，GPS芯片U7的2、3、10、11、12、 13、14、15、16、18和30引腳接地，GPS芯片U7的4引腳接STC單片機(jī)UlO的10引腳，GPS芯片U7的45引腳接STC單片機(jī)UlO的11引腳，GPS芯片U7的17引腳接天線，GPS芯片U7 的21引腳接備用電池，其它引腳懸空。所述傾角傳感器模塊Ull的3. 3V引腳接+3. 3V電源，GND引腳接地，SCL接STC單片機(jī)UlO的27引腳，SDA引腳接STC單片機(jī)UlO的28引腳，其他引腳懸空。所述電子羅盤模塊U12的3V3引腳接+3. 3V電源，GND引腳接地，SCL引腳接STC 單片機(jī)UlO的27引腳，SDA引腳接UlO單片機(jī)的28引腳，其他引腳懸空。所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4采用U98芯片，U4的mi、IN2、IN3、IN4、ENA和ENB引腳分別接到光耦合器ui、U3、U5、U6、U8和U9的3引腳。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4的2、3、13和14引腳分別接水平直流電機(jī)204的1、2引腳和豎直直流電機(jī)303的1、2引腳。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4的1、15、8引腳接地，9引腳接5電源，4引腳接12V電源。太陽自動(dòng)追蹤方法包括如下步驟(一 )初始化STC單片機(jī)UlO 設(shè)置STC單片機(jī)串口的工作波特率為4800BPS，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止標(biāo)志位和沒有校驗(yàn)位；串口接收程序采用中斷方式接收數(shù)據(jù)；(二)初始化I2C協(xié)議=STC單片機(jī)UlO使能I2C協(xié)議通信用的SCL引腳和SDA弓| 腳，并設(shè)置傾角傳感器模塊Ull和電子羅盤U12的工作模式；(三)單片機(jī)接收GPS數(shù)據(jù)(1)串口發(fā)生中斷，STC單片機(jī)UlO接收到GPS芯片 U7發(fā)送的數(shù)據(jù)，GPS芯片U7發(fā)送NMEA_0183系列數(shù)據(jù)，STC單片機(jī)UlO判斷并選擇$GPRMC 類型數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，如果不是$GPRMC型數(shù)據(jù)，STC單片機(jī)UlO就繼續(xù)接收數(shù)據(jù)并判斷其類型，直到接收到完整的一個(gè)$GPRMC類型數(shù)據(jù)包，STC單片機(jī)UlO接將GPS數(shù)據(jù)從ACSII碼形式轉(zhuǎn)換成數(shù)值型數(shù)據(jù)，STC單片機(jī)UlO將時(shí)間、日期、緯度、經(jīng)度等數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部RAM中， 用來計(jì)算太陽位置，(3) STC單片機(jī)UlO對(duì)緯度、經(jīng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)取平均方法的濾波處理；(四)計(jì)算太陽位置(1)計(jì)算太陽赤緯角5=23.45°sin360(^+w)，η
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為1月1日起的第幾天，η由GPS芯片U7發(fā)送的$GPRMC數(shù)據(jù)包的日期部分算出， (2)計(jì)算太陽時(shí)角ω = 15° (Η-12)，！1為M小時(shí)制的時(shí)間，(3)計(jì)算入射角θζ = cos-1 [sin δ sin Φ +cos δ cos Φ cos ω ], Φ 為緯度，(4)計(jì)算高度角 α =90° - θ ζ, θ 2為
…, _, sinasin0-sin5
太陽入射角，計(jì)算水平方位角W = COS1 cosa^g(|) ，α為太陽高度角；(五)讀取太陽能極板數(shù)據(jù)STC單片機(jī)讀取傾角傳感器模塊Ull和電子羅盤U12 的數(shù)據(jù)，獲得太陽能極板的俯仰角和水平角數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中；(六)比較數(shù)據(jù)、控制電機(jī)⑴比較傳感器測量值和STC單片機(jī)UlO計(jì)算數(shù)值，
(2)當(dāng)太陽能極板ιο 俯仰角大于計(jì)算所得的太陽俯仰角，STC單片機(jī)υι 通過Pim和 PIN2、ENAIN引腳控制水平直流電機(jī)204，使水平直流電機(jī)204通過齒輪205、206帶動(dòng)水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)201，在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整過程中STC單片機(jī)UlO —直通過傾角傳感器模塊Ull測量太陽能極板101的俯仰角，當(dāng)太陽能極板101的俯仰角和計(jì)算的太陽俯仰角相同時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)；反之， 當(dāng)太陽能極板101的俯仰角小于計(jì)算所得的太陽俯仰角，控制水平直流電機(jī)204反轉(zhuǎn)，直到太陽能極板101俯仰角和太陽高度角相同，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。等到下一刻鐘，再繼續(xù)調(diào)整俯仰角，
(3)當(dāng)太陽能極板101的水平方位角角大于計(jì)算所得的太陽水平方位角，單片機(jī)通過PIN3 和PIN4、ENBIN引腳控制豎直直流電機(jī)303，使豎直直流電機(jī)303通過齒輪302、304帶動(dòng)豎直軸203轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整過程中STC單片機(jī)UlO —直通過電子羅盤U12測量太陽能極板 101的水平方位角，當(dāng)太陽能極板101的水平方位角和計(jì)算的太陽水平方位角相同時(shí)，豎直直流電機(jī)303停止轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，當(dāng)太陽能極板101的水平方位角小于計(jì)算所得的太陽水平方位角，控制豎直直流電機(jī)303反轉(zhuǎn)，直到太陽能極板101的水平方位角和太陽水平方位角相同，豎直直流電機(jī)303停止轉(zhuǎn)動(dòng)。等到下一刻鐘，再繼續(xù)調(diào)整方位角。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果是1.追蹤范圍大。整體包括底座、水平軸部分和豎直軸部分。水平軸部分用來固定
5太陽能極板，完成太陽能極板的俯仰動(dòng)作；豎直軸部用于支撐水平固定軸完成水平而內(nèi)的 360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，實(shí)現(xiàn)了立體全方位追蹤。2.實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè)。根據(jù)GPS采集的經(jīng)緯度、時(shí)間等數(shù)據(jù)，計(jì)算太陽位置，運(yùn)用電子羅盤、傾角傳感器進(jìn)行校正，不需要人工調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)作業(yè)。3.適合各地域工作，能夠在全球各地進(jìn)行隨時(shí)隨地太陽追蹤。


下面結(jié)合附圖和實(shí)際實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1是整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，圖中101-太陽能極板，102-水平支架，103-大U型支架，104-小U型支架，105-底座。圖2是水平軸機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，圖中201-水平固定軸，202-固定螺母，203-豎直軸，204-水平直流電機(jī)，205-水平軸小齒輪，206-水平軸大齒輪。圖3是豎直軸機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，圖中301-豎直軸固定軸承，302-豎直軸小齒輪， 303-豎直直流電機(jī)，304-豎直軸大齒輪。圖4是傾角傳感器模塊和電子羅盤在太陽能極板上的位置分布示意圖。圖5是整機(jī)控制電路圖。圖6是單片機(jī)程序流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1是系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。整體結(jié)構(gòu)可分為底座、水平軸部分和豎直軸部分。底座105用于固定整個(gè)系統(tǒng)，使整機(jī)不發(fā)生傾倒。水平軸部分包括水平固定軸201、固定螺母202、豎直軸203、水平直流電機(jī)204、小齒輪205和大齒輪206，水平軸部分用來固定太陽能極板101，完成太陽能極板101的俯仰動(dòng)作。豎直軸部分包括大U型支架103、小U 型支架104、豎直軸203、豎直軸固定軸承301、豎直軸小齒輪302、豎直軸電機(jī)303和豎直軸大齒輪304，豎直軸部分用于支撐水平固定軸201完成水平面內(nèi)的360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2是水平軸機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。水平直流電機(jī)204固定在水平支架102的右端， 電機(jī)機(jī)身在水平支架102的內(nèi)側(cè)，電機(jī)中心軸通過水平支架102右端圓孔后，與水平支架 102用螺釘固定，水平直流電機(jī)204中心軸固定小齒輪205，與小齒輪205組成齒輪組的大齒輪206固定在太陽能極板101水平固定軸201上，太陽能極板101的水平固定軸201固定在水平支架102的右側(cè)軸承中。水平直流電機(jī)204帶動(dòng)小齒輪205轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)大齒輪206轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪206帶動(dòng)太陽能極板101圍繞水平固定軸201轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽能極板101隨水平固定軸201轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示，太陽能極板101是長方形平面板，AB邊和CD邊與水平支架102的寬度相同，沿太陽能極板101的AC、BD邊的中心線EF和水平固定軸201固定在一起。傾角傳感器模塊Ull和電子羅盤U12位于太陽能極板101的中心線EF上。水平直流電機(jī)204轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)太陽能極板101轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整太陽能極板101的俯仰角度。整個(gè)水平軸機(jī)械結(jié)構(gòu)靠豎直軸203支撐，水平支架102的水平中心和豎直軸203固定在一起。圖3是豎直軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。大U型支架103和小U型支架104倒立放置， 大U型支架103固定在小U型支架104的上方。豎直軸203上端固定在水平支架102的中心處，下端和豎直軸大齒輪304固定，中間被固定軸承301固定，固定軸承301固定在大U型支架103上，豎直軸203穿過固定軸承301中心。大U型支架103用螺釘固定在底座105 上。豎直直流電機(jī)303固定在小U型支架104的內(nèi)側(cè)用螺釘固定，豎直軸電機(jī)303中心軸穿過小U型支架104上的圓孔，豎直軸電機(jī)303中心軸上固定豎直軸小齒輪302。豎直軸電機(jī)303帶動(dòng)齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，豎直軸203隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。豎直軸203帶動(dòng)上方的水平軸機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽能極板101隨水平軸機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)整水平方位角的功能。圖5是整機(jī)的控制電路圖，其中包含STC單片機(jī)U10，傾角傳感器模塊U11，電子羅盤U12，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4，GPS芯片U7，光電耦合器U1、U3、U5、U6、U8和U9。STC單片機(jī)UlO的31,40引腳接+3. 3V電源，20引腳接地，9引腳接復(fù)位電路，18、 19引腳接11. 0592M晶振的兩個(gè)引腳；STC單片機(jī)UlO的IOUl引腳分別接GPS芯片U7的 5、4引腳，STC單片機(jī)UlO的PIN1、PIN2、PIN3、PIN4、ENAIN和ENBIN引腳分別接光電耦合器U1、U3、U5、U6、U8和U9的2引腳，STC單片機(jī)UlO的27引腳接傾角傳感器Ull的SCL引腳和電子羅盤U12的SCL引腳，STC單片機(jī)UlO的28引腳接傾角傳感器Ull的SDA引腳和電子羅盤U12的SDA引腳。整機(jī)控制電路部分以STC單片機(jī)UlO為核心，STC單片機(jī)UlO讀取各個(gè)模塊發(fā)送的的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，發(fā)送控制命令。GPS 芯片 U7 的 1、19 和 20 引腳接 3. 3V 電源，GPS 芯片 U7 的 2、3、10、11、12、13、14、 15、16、18和30引腳接地，GPS芯片U7的4引腳接STC單片機(jī)UlO的10引腳，GPS芯片U7 的45引腳接STC單片機(jī)UlO的11引腳，GPS芯片U7的17引腳接天線，GPS芯片U7的21 引腳接備用電池，其它引腳懸空。GPS模塊可以接收到GPS衛(wèi)星下發(fā)的位置數(shù)據(jù)，并經(jīng)過內(nèi)部處理將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼的形式，通過串口發(fā)送出去，串口工作方式固定為4800BPS、8 位數(shù)據(jù)、1位停止位、沒有校驗(yàn)位。傾角傳感器模塊Ull的3. 3V引腳接+3. 3V電源，GND引腳接地，SCL接STC單片機(jī) UlO的27引腳，SDA引腳接STC單片機(jī)UlO的28引腳，其他引腳懸空。如圖4所示，將傾角傳感器模塊Ull平行固定在太陽能極板101上，傾角傳感器模塊Ull測出的是太陽能極板 101和水平面之間的夾角角度，此角度用來校驗(yàn)太陽能極板是否轉(zhuǎn)到指定俯仰角度。電子羅盤模塊U12的3V3引腳接+3. 3V電源，GND引腳接地，SCL引腳接STC單片機(jī)UlO的27引腳，SDA引腳接UlO單片機(jī)的28引腳，其他引腳懸空。如圖4所示，電子羅盤模塊U12固定在太陽能極板表面，電子羅盤模塊U12測量得到的是太陽能極板101和地球磁場之間的夾角，也就是太陽能極板101與南北方向間的夾角，該夾角數(shù)據(jù)用來校驗(yàn)太陽能極板101是否轉(zhuǎn)到指定的水平方位角。光電耦合器Ul、U3、U5、U6、U8和U9的1引腳分別接300歐姆電阻，然后接3. 3V 電源，2弓I腳分別接STC單片機(jī)UlO的PINl、PIN2、PIN3、PIN4、ENAIN和ENBIN引腳。光電耦合器U1、U3、TO、U6、U8和U9的4引腳接12V電源，3引腳經(jīng)IK歐姆電阻接地，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4采用L298芯片，U4的INl、IN2、IN3、IN4、ENA和ENB引腳分別接到光耦合器 U1、U3、TO、U6、U8和U9的3引腳。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4的2、3、13和14引腳分別接水平直流電機(jī)204的1、2引腳和豎直直流電機(jī)303的1、2引腳。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4的1、15、 8引腳接地，9引腳接5電源，4引腳接12V電源。圖6是單片機(jī)程序流程圖。太陽追蹤裝置的核心功能由STC單片機(jī)UlO完成，STC 單片機(jī)UlO的工作程序流程為首先初始化系統(tǒng)，完成串口功能的初始化，將串口設(shè)置在異步工作方式，8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，波特率為4800BPS ；設(shè)置1 協(xié)議通信的引腳，并設(shè)置傾角傳感器模塊Ul 1和電子羅盤U12的工作模式；STC單片機(jī)UlO通過10、11引腳接收GPS 芯片U7的數(shù)據(jù)，并將GPS獲得的數(shù)據(jù)由ASCII碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以應(yīng)用到后期的計(jì)算；根據(jù)GPS芯片U7獲得的數(shù)據(jù)和太陽的軌跡方程計(jì)算得到太陽的位置，包括太陽相對(duì)于觀察者的俯仰角和水平方位角；STC單片機(jī)UlO通過27、28引腳，以1 協(xié)議讀取傾角傳感器Ull 和電子羅盤U12的測量數(shù)據(jù)太陽能極板的俯仰角和水平方位角；將計(jì)算數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)比較，根據(jù)誤差值，STC單片機(jī)UlO發(fā)送控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將太陽能極板轉(zhuǎn)動(dòng)到計(jì)算得到的位置。本實(shí)用型的太陽追蹤過程包括如下步驟STC單片機(jī)UlO初始化，接收GPS數(shù)據(jù)， 計(jì)算太陽位置，讀取傳感器獲取太陽能極板的俯仰角和水平方位角，比較計(jì)算值與測量值， 單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整太陽能極板垂直于太陽光線，使太陽能極板達(dá)到最大的太陽能接收效率。具體過程如下(一 )初始化STC單片機(jī)UlOSTC單片機(jī)UlO在開始供電工作和復(fù)位按鍵被按下時(shí)就會(huì)從程序的開始處執(zhí)行程序，首先執(zhí)行功能初始化。(1)初始化串口STC單片機(jī)UlO用串口與GPS芯片U7之間用串口進(jìn)行通信；設(shè)置STC單片機(jī)串口的工作波特率為4800BPS，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止標(biāo)志位和沒有校驗(yàn)位；串口接收程序采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。(2)初始化I2C協(xié)議STC單片機(jī)UlO使能I2C協(xié)議通信用的SCL引腳和SDA引腳，并設(shè)置傾角傳感器模塊Ull和電子羅盤U12的工作模式。( 二)單片機(jī)接收GPS數(shù)據(jù)STC單片機(jī)UlO接收GPS芯片U7數(shù)據(jù)過程包括以下幾步(1)串口發(fā)生中斷，STC單片機(jī)UlO接收到GPS芯片U7發(fā)送的數(shù)據(jù)。GPS芯片U7 發(fā)送NMEA_0183系列數(shù)據(jù)，STC單片機(jī)UlO判斷并選擇$GPRMC類型數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，如果不是$GPRMC型數(shù)據(jù)，STC單片機(jī)UlO就繼續(xù)接收數(shù)據(jù)并判斷其類型，直到接收到完整的一個(gè) $GPRMC類型數(shù)據(jù)包。(2)以接收到的逗號(hào)個(gè)數(shù)作為數(shù)據(jù)的間隔標(biāo)志位，當(dāng)接收到第一個(gè)逗號(hào)時(shí)，后面將接收UTC時(shí)間數(shù)據(jù)，第二個(gè)逗號(hào)后面是數(shù)據(jù)有效標(biāo)志位，第三位后面是緯度數(shù)據(jù)，第四位后面是緯度標(biāo)志位，第五位后面是經(jīng)度數(shù)據(jù)，第六位后面是經(jīng)度標(biāo)志位，第八位后面是日期數(shù)據(jù)，十二位是數(shù)據(jù)包的最后一位，以此判定一次完整的數(shù)據(jù)包接收完畢。例如天津地區(qū)的接收到的一個(gè)完整$GPRMC型數(shù)據(jù)包如下$GPRMC,125645.000，A,3903.7017，N,11717.2674，Ε，0· 00，102.23，080911，，， Α*62(3) STC單片機(jī)UlO接將GPS數(shù)據(jù)從ACSII碼形式轉(zhuǎn)換成數(shù)值型數(shù)據(jù)，STC單片機(jī) UlO將時(shí)間、日期、緯度、經(jīng)度等數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部RAM中，用來計(jì)算太陽位置。(4) STC單片機(jī)UlO對(duì)緯度、經(jīng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)取平均方法的濾波處理。(三)計(jì)算太陽位置
規(guī)定符號(hào)意義如下Φ-緯度，δ-太陽赤緯角，ω-太陽時(shí)角，θζ-太陽入射角， α-太陽高度角，A-太陽水平方位角。計(jì)算過程為(1)計(jì)算太陽赤緯角:5=23.45。Sin36(^= + ”)，n為1月1日起的第幾天，η由
GPS芯片U7發(fā)送的$GPRMC數(shù)據(jù)包的日期部分算出。(2)計(jì)算太陽時(shí)角ω = 15° (Η_12)，H為M小時(shí)制的時(shí)間。ω為正表示偏東， 反之偏西。H由GPS芯片U7發(fā)送的$GPRMC數(shù)據(jù)包UTC時(shí)間部分得到，并由經(jīng)度值做出修正。(3)計(jì)算入身寸角θ z = cos-1 [sin δ sin Φ +cos δ cos Φ cos ω ]。(4)計(jì)算高度角α =90° - θ ζ。
…, _, sin α sin φ - sin δ(5)計(jì)算水平方位角= cos -.。
cos α cos φ(四)讀取太陽能極板數(shù)據(jù)STC單片機(jī)讀取傾角傳感器模塊Ull和電子羅盤U12的數(shù)據(jù)，獲得太陽能極板的俯仰角和水平角數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中。(五)比較數(shù)據(jù)、控制電機(jī)(1)比較傳感器測量值和STC單片機(jī)UlO計(jì)算數(shù)值。(2)當(dāng)太陽能極板101俯仰角大于計(jì)算所得的太陽俯仰角，STC單片機(jī)UlO通過 PINl和PIN2、ENAIN引腳控制水平直流電機(jī)204，使水平直流電機(jī)204通過齒輪205、206帶動(dòng)水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)201，在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整過程中STC單片機(jī)UlO —直通過傾角傳感器模塊Ull測量太陽能極板101的俯仰角，當(dāng)太陽能極板101的俯仰角和計(jì)算的太陽俯仰角相同時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，當(dāng)太陽能極板101的俯仰角小于計(jì)算所得的太陽俯仰角，控制水平直流電機(jī)204 反轉(zhuǎn)，直到太陽能極板101俯仰角和太陽高度角相同，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。等到下一刻鐘，再繼續(xù)調(diào)整俯仰角。(2)當(dāng)太陽能極板101的水平方位角角大于計(jì)算所得的太陽水平方位角，單片機(jī)通過PIN3和PIN4、ENBIN引腳控制豎直直流電機(jī)303，使豎直直流電機(jī)303通過齒輪302、 304帶動(dòng)豎直軸203轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整過程中STC單片機(jī)UlO —直通過電子羅盤U12測量太陽能極板101的水平方位角，當(dāng)太陽能極板101的水平方位角和計(jì)算的太陽水平方位角相同時(shí)，豎直直流電機(jī)303停止轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，當(dāng)太陽能極板101的水平方位角小于計(jì)算所得的太陽水平方位角，控制豎直直流電機(jī)303反轉(zhuǎn)，直到太陽能極板101的水平方位角和太陽水平方位角相同，豎直直流電機(jī)303停止轉(zhuǎn)動(dòng)。等到下一刻鐘，再繼續(xù)調(diào)整方位角。這樣完成一次太陽位置的追蹤。
權(quán)利要求
1.一種太陽自動(dòng)追蹤裝置，包括太陽能極板、水平固定軸、固定太陽能極板和水平固定軸的水平支架、支撐水平支架的豎直軸、底座、帶動(dòng)豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的豎直直流電機(jī)，帶動(dòng)水平固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的水平直流電機(jī)，自動(dòng)控制電路，其特征在于，所述自動(dòng)控制電路包括STC單片機(jī)、GPS芯片、傾角傳感器模塊、電子羅盤和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽自動(dòng)追蹤裝置，其特征在于，所述STC單片機(jī)UlO的31、 40引腳接+3. 3V電源，20引腳接地，9引腳接復(fù)位電路，18、19引腳接11. 0592M晶振的兩個(gè)引腳；STC單片機(jī)UlO的10、11引腳分別接GPS芯片U7的5、4引腳，STC單片機(jī)UlO的 Pirn、PIN2、PIN3、PIN4、ENAIN 和 ENBIN 引腳分別接光電耦合器 Ul、U3、U5、U6、U8 和 U9 的 2引腳，STC單片機(jī)UlO的27引腳接傾角傳感器Ull的SCL引腳和電子羅盤U12的SCL引腳，STC單片機(jī)UlO的28引腳接傾角傳感器Ull的SDA引腳和電子羅盤U12的SDA引腳
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽自動(dòng)追蹤裝置，其特征在于，所述GPS芯片U7的1、19和 20 引腳接 3. 3V 電源，GPS 芯片 U7 的 2、3、10、11、12、13、14、15、16、18 和 30 引腳接地，GPS 芯片U7的4引腳接STC單片機(jī)UlO的10引腳，GPS芯片U7的45引腳接STC單片機(jī)UlO的 11引腳，GPS芯片U7的17引腳接天線，GPS芯片U7的21引腳接備用電池，其它引腳懸空。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽自動(dòng)追蹤裝置，其特征在于，所述傾角傳感器模塊Ull的 3. 3V引腳接+3. 3V電源，GND引腳接地，SCL接STC單片機(jī)UlO的27引腳，SDA引腳接STC 單片機(jī)UlO的28引腳，其他引腳懸空。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽自動(dòng)追蹤裝置，其特征在于，所述電子羅盤模塊U12的 3V3引腳接+3. 3V電源，GND引腳接地，SCL引腳接STC單片機(jī)UlO的27引腳，SDA引腳接 UlO單片機(jī)的觀引腳，其他引腳懸空。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽自動(dòng)追蹤裝置，其特征在于，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4采用 L298 芯片，U4 的 INK IN2、IN3、IN4、ENA 禾口 ENB 引腳分別接到光耦合器 Ul、U3、U5、U6、U8 和U9的3引腳。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4的2、3、13和14引腳分別接水平直流電機(jī)204的1、 2引腳和豎直直流電機(jī)303的1、2引腳。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊U4的1、15、8引腳接地，9引腳接5電源，4引腳接12V電源。
7.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的太陽自動(dòng)追蹤裝置的追蹤方法，其特征在于，包括如下步驟(一)初始化STC單片機(jī)UlO設(shè)置STC單片機(jī)串口的工作波特率為4800BPS，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止標(biāo)志位和沒有校驗(yàn)位；串口接收程序采用中斷方式接收數(shù)據(jù)；(二)初始化I2C協(xié)議STC單片機(jī)UlO使能I2C協(xié)議通信用的SCL引腳和SDA引腳， 并設(shè)置傾角傳感器模塊Ull和電子羅盤U12的工作模式；(三)單片機(jī)接收GPS數(shù)據(jù)(1)串口發(fā)生中斷，STC單片機(jī)UlO接收到GPS芯片U7發(fā)送的數(shù)據(jù)，GPS芯片U7發(fā)送NMEA_0183系列數(shù)據(jù)，STC單片機(jī)UlO判斷并選擇$GPRMC類型數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，如果不是$GPRMC型數(shù)據(jù)，STC單片機(jī)UlO就繼續(xù)接收數(shù)據(jù)并判斷其類型，直到接收到完整的一個(gè)$GPRMC類型數(shù)據(jù)包，STC單片機(jī)UlO接將GPS數(shù)據(jù)從ACSII碼形式轉(zhuǎn)換成數(shù)值型數(shù)據(jù)，STC單片機(jī)UlO將時(shí)間、日期、緯度、經(jīng)度等數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部RAM中，用來計(jì)算太陽位置，(3) STC單片機(jī)UlO對(duì)緯度、經(jīng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行多次數(shù)據(jù)取平均方法的濾波處理；(四)計(jì)算太陽位置⑴計(jì)算太陽赤緯角6=23.45°sin360(^+n),n為1365月1日起的第幾天，η由GPS芯片U7發(fā)送的$GPRMC數(shù)據(jù)包的日期部分算出，⑵計(jì)算太陽時(shí)角ω = 15 ° (Η-12)，H為M小時(shí)制的時(shí)間，(3)計(jì)算入射角θ z = cos-1 [sin δ sin Φ +cos δ cos Φ cos ω ], Φ 為緯度，(4)計(jì)算高度角 α =90° - θ ζ, θ 2為太陽入射角，計(jì)算水平方位角W = COS-1-3lIT一，a為太陽高度角；cos a cos ψ(五)讀取太陽能極板數(shù)據(jù)STC單片機(jī)讀取傾角傳感器模塊Ull和電子羅盤U12的數(shù)據(jù)，獲得太陽能極板的俯仰角和水平角數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中；(六)比較數(shù)據(jù)、控制電機(jī)(1)比較傳感器測量值和STC單片機(jī)UlO計(jì)算數(shù)值，(2) 當(dāng)太陽能極板101俯仰角大于計(jì)算所得的太陽俯仰角，STC單片機(jī)UlO通過Pim和PIN2、 ENAIN引腳控制水平直流電機(jī)204，使水平直流電機(jī)204通過齒輪205、206帶動(dòng)水平軸轉(zhuǎn)動(dòng) 201，在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整過程中STC單片機(jī)UlO —直通過傾角傳感器模塊Ull測量太陽能極板101 的俯仰角，當(dāng)太陽能極板101的俯仰角和計(jì)算的太陽俯仰角相同時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，當(dāng)太陽能極板101的俯仰角小于計(jì)算所得的太陽俯仰角，控制水平直流電機(jī)204反轉(zhuǎn)，直到太陽能極板101俯仰角和太陽高度角相同，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。等到下一刻鐘，再繼續(xù)調(diào)整俯仰角，(3) 當(dāng)太陽能極板101的水平方位角角大于計(jì)算所得的太陽水平方位角，單片機(jī)通過PIN3和 PIN4、ENBIN控制豎直直流電機(jī)303，使豎直直流電機(jī)303通過齒輪302、304帶動(dòng)豎直軸203 轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整過程中STC單片機(jī)UlO —直通過電子羅盤U12測量太陽能極板101的水平方位角，當(dāng)太陽能極板101的水平方位角和計(jì)算的太陽水平方位角相同時(shí)，豎直直流電機(jī)303停止轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，當(dāng)太陽能極板101的水平方位角小于計(jì)算所得的太陽水平方位角， 控制豎直直流電機(jī)303反轉(zhuǎn)，直到太陽能極板101的水平方位角和太陽水平方位角相同，豎直直流電機(jī)303停止轉(zhuǎn)動(dòng)。等到下一刻鐘，再繼續(xù)調(diào)整方位角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽自動(dòng)追蹤裝置及其追蹤方法，該裝置包括太陽能極板、水平固定軸、固定太陽能極板和水平固定軸的水平支架、支撐水平支架的豎直軸、底座、帶動(dòng)豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的豎直直流電機(jī)，帶動(dòng)水平固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的水平直流電機(jī)，由STC單片機(jī)、GPS芯片、傾角傳感器模塊、電子羅盤和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成的自動(dòng)控制電路。本發(fā)明太陽自動(dòng)追蹤裝置具有追蹤范圍大、自動(dòng)化、適合各地域廣等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05D3/12GK102411377SQ201110455788
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉鳳弟, 張明學(xué), 木亞, 王利強(qiáng), 董欣 申請(qǐng)人:天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)