CN108279711A - 一种高精度太阳位置检测装置及其自动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度太阳位置检测装置及其自动检测方法，检测装置包括有单片机，分别与单片机连接的第一步进电机、第二步进电机、四个光电接收电路，每个光电接收电路均包括有与单片机连接的光电接收管，第一步进电机的输出轴为竖直向上且轴向转动，第二步进电机连接于第一步进电机的输出轴上，第二步进电机的输出轴为水平设置且轴向转动，第二步进电机的输出轴上连接有平行于竖直面的转动扇片，四个光电接收管均匀固定于转动扇片的弧形边缘处。本发明采用四支光电接收管用于太阳的跟踪检查，大大提高了测量精度，满足高聚焦要求的太阳能应用；本发明采用两台不同转动方位的步进电机采集太阳能聚焦的最佳三维位置，检测精度高，检测快速准确。

Description

一种高精度太阳位置检测装置及其自动检测方法

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，具体是一种高精度太阳位置检测装置及其自动检测方法。

背景技术

在我国大力提倡发展新型能源，太阳能作为一种清洁、长久的能源，有着很大的开发潜力。目前固定的太阳能接收利用率太低，如果要提高太阳能的接收利用率，必须采取跟踪接收。而跟踪接收的前提是要实现太阳位置检测，当前跟踪技术采用的方法有太阳轨迹跟踪法、光电追踪法以及混合追踪法。但是现有的高精度太阳位置检测装置成本太高，而成本低的精度又达不到要求，制约了太阳能的跟踪利用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高精度太阳位置检测装置及其自动检测方法，用于太阳能利用的跟踪检测，从而满足高聚焦要求的太阳能应用。

本发明的技术方案为：

一种高精度太阳位置检测装置，包括有单片机，分别与单片机连接的第一步进电机驱动电路、第二步进电机驱动电路、第一光电接收电路、第二光电接收电路、第三光电接收电路和第四光电接收电路；所述的第一光电接收电路包括有与单片机连接的第一光电接收管，所述的第二光电接收电路包括有与单片机连接的第二光电接收管，所述的第三光电接收电路包括有与单片机连接的第三光电接收管，所述的第四光电接收电路包括有与单片机连接的第四光电接收管；所述的第一步进电机驱动电路包括有与单片机连接的第一电机驱动芯片和与第一电机驱动芯片连接的第一步进电机，所述的第二步进电机驱动电路包括有与单片机连接的第二电机驱动芯片和与第二电机驱动芯片连接的第二步进电机，第一步进电机的输出轴为竖直向上且轴向转动，所述的第二步进电机连接于第一步进电机的输出轴上，第二步进电机的输出轴为水平设置且轴向转动，所述的第二步进电机的输出轴上连接有转动扇片，转动扇片平行于竖直面，第一光电接收管、第二光电接收管、第三光电接收管和第四光电接收管分别均匀固定于转动扇片的弧形边缘处。

所述的转动扇片的圆心角为90度，所述的第一光电接收管和第四光电接收管位于转动扇片弧形边缘的两端部，所述的第二光电接收管、第三光电接收管位于第一光电接收管和第四光电接收管之间。

所述的第一光电接收电路、第二光电接收电路、第三光电接收电路和第四光电接收电路均包括有运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和电容，第一光电接收管、第二光电接收管、第三光电接收管和第四光电接收管的负极均接地，第一光电接收管、第二光电接收管、第三光电接收管和第四光电接收管的正极通过对应的第一电阻与对应的运算放大器的正向输入端连接，运算放大器的反向输入端通过第二电阻连地，运算放大器的输出端连接单片机的光电信号输入端口，运算放大器的反向输入端通过第三电阻与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出端通过电容接地。

所述的高精度太阳位置检测装置还包括有分别与单片机连接的显示电路、按键电路和串口数据输出电路；所述的显示电路包括有与单片机连接的液晶显示屏；所述的按键电路包括有多个按键，每个按键的一端均接地，另一端均连接单片机；所述的串口数据输出电路包括有与单片机连接的485转换芯片。

一种高精度太阳位置检测装置的自动检测方法，具体包括有以下步骤：

(1)、高精度太阳位置检测装置上电启动，第一步进电机、第二步进电机会自动检测进入初始坐标位置，第一步进电机的初始坐标位置即定位转动扇片在XY轴水平面上的初始坐标位置，第二步进电机的初始坐标位置即定位转动扇片在XZ轴竖直面上的初始坐标位置，转动扇片的初始坐标位置即第一光电接收管位于水平面、接收光路为水平接收即可；

(2)、当检测装置达到设置检测时间，即启动第一步进电机顺时针方向旋转，第一步进电机每走一步，第一光电接收电路、第二光电接收电路、第三光电接收电路、第四光电接收电路分别自动采集一次光照数据，将四组光照数据相加后和上一步光照数据比较，保留光照数据大的一组，同时记录此组数据对应的步数，直到旋转一周360度停止；再次启动第一步进电机逆时针方向旋转，和顺时针旋转同样记录数据，直到返回初始坐标位置即旋转一周360度停止，将顺时针和逆时针两次旋转时记录的最大光照数据对应的步数相加再取平均值，再换算成角度，即是太阳光线相对本检测装置初始坐标的水平角度；

(3)、水平角度测量结束后，再将第一步进电机旋转到步骤(2)得到的水平角度，此时四支光电接收管的接收方向和太阳照射线在一个平面上，由于第一光电接收管的初始坐标是水平接收，启动第二步进电机带动转动扇片顺时针方向旋转，第二步进电机每走一步，第一光电接收电路自动采集一次光照数据，且采集的光照数据和上一步光照数据比较，保留光照数据大的一组，同时记录此组数据对应的步数，直到转动扇片旋转90度停止；再次启动第二步进电机逆时针方向旋转，返回时同样由第一光电接收电路进行数据采集比较，第一光电接收管返回到初始水平位置后，将顺时针和逆时针两次旋转时记录的最大光照数据对应的步数相加再取平均值，再换算成角度，即是太阳光线和水平面之间的角度。

所述的第一步进电机和第二步进电机均选用减速步进电机，步距角为7.5°/85.25°。

所述的步骤(3)测量完成后，自动将第一步进电机和第二步进电机返回到初始坐标，等待下一次检测，检测的数据通过显示电路输出显示，采用串口数据输出电路依据Modbus RTU协议输出。

本发明的优点：

本发明采用四支光电接收管用于太阳的跟踪检查，大大提高了测量精度，采用减速步进电机减小步距角，测量角度可精确到7.5/85.25＝0.088度，能满足高聚焦要求的太阳能应用；本发明采用两台不同转动方位的步进电机采集太阳能聚焦的最佳三维位置，检测精度高，检测快速准确。

附图说明

图1是本发明高精度太阳位置检测装置的结构示意图。

图2是本发明高精度太阳位置检测装置的原理框图。

图3是本发明单片机的电路图。

图4是本发明第一光电接收电路、第二光电接收电路、第三光电接收电路和第四光电接收电路的电路图。

图5是本发明第一电机驱动芯片与第一步进电机的电路图。

图6是本发明第二电机驱动芯片与第二步进电机的电路图。

图7是本发明显示电路的电路图。

图8是本发明按键电路的电路图。

图9是本发明串口数据输出电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1-图3，一种高精度太阳位置检测装置，包括有单片机IC1，分别与单片机IC1连接的第一步进电机驱动电路1、第二步进电机驱动电路2、第一光电接收电路3、第二光电接收电路4、第三光电接收电路5、第四光电接收电路6、显示电路7、按键电路8和串口数据输出电路9；

见图4，第一光电接收电路3包括有与单片机IC1连接的第一光电接收管VD1、双运算放大器IC2的放大器A1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和电容C1，第二光电接收电路4包括有与单片机IC1连接的第二光电接收管VD2、双运算放大器IC2的放大器A2、第一电阻R4、第二电阻R5、第三电阻R6和电容C2，第三光电接收电路5包括有与单片机IC1连接的第三光电接收管VD3、双运算放大器IC3的放大器A1、第一电阻R7、第二电阻R8、第三电阻R9和电容C3，第四光电接收电路6包括有与单片机IC1连接的第四光电接收管VD4、双运算放大器IC3的放大器A1、第一电阻R10、第二电阻R11、第三电阻R12和电容C4；第一光电接收管VD1、第二光电接收管VD2、第三光电接收管VD3和第四光电接收管VD4的负极接地；第一光电接收管VD1的正极通过第一电阻R1与双运算放大器IC2放大器A1的正向输入端连接，双运算放大器IC2放大器A1的通过第二电阻R2连地，双运算放大器IC2放大器A1的输出端连接单片机IC1的光电信号输入端口P1.0，双运算放大器IC2放大器A1的反向输入端通过第三电阻R3与双运算放大器IC2放大器A1的输出端连接，双运算放大器IC2放大器A1的输出端通过电容C1接地；第二光电接收管VD2的正极通过第一电阻R4与双运算放大器IC2放大器A2的正向输入端连接，双运算放大器IC2放大器A2的通过第二电阻R5连地，双运算放大器IC2放大器A2的输出端连接单片机IC1的光电信号输入端口P1.1，双运算放大器IC2放大器A2的反向输入端通过第三电阻R6与双运算放大器IC2放大器A2的输出端连接，双运算放大器IC2放大器A2的输出端通过电容C2接地；第三光电接收管VD3的正极通过第一电阻R7与双运算放大器IC3放大器A1的正向输入端连接，双运算放大器IC3放大器A1的通过第二电阻R8连地，双运算放大器IC3放大器A1的输出端连接单片机IC1的光电信号输入端口P1.2，双运算放大器IC3放大器A1的反向输入端通过第三电阻R9与双运算放大器IC3放大器A1的输出端连接，双运算放大器IC3放大器A1的输出端通过电容C3接地；第四光电接收管VD4的正极通过第一电阻R10与双运算放大器IC3放大器A2的正向输入端连接，双运算放大器IC3放大器A2的通过第二电阻R11连地，双运算放大器IC3放大器A2的输出端连接单片机IC1的光电信号输入端口P1.3，双运算放大器IC3放大器A2的反向输入端通过第三电阻R12与双运算放大器IC3放大器A2的输出端连接，双运算放大器IC3放大器A2的输出端通过电容C4接地；

见图1、见图5和图6，第一步进电机驱动电路1包括有与单片机IC1的端口P2.0、P2.1、P2.2和P2.3连接的第一电机驱动芯片IC5和与第一电机驱动芯片IC5连接的第一步进电机DW1，第二步进电机驱动电路2包括有与单片机IC1的端口P2.4、P2.5、P2.6和P2.7连接的第二电机驱动芯片IC6和与第二电机驱动芯片IC6连接的第二步进电机DW2，第一步进电机DW1的输出轴为竖直向上且轴向转动，第二步进电机DW2连接于第一步进电机DW1的输出轴上，第二步进电机DW2的输出轴为水平设置且轴向转动，第二步进电机DW2的输出轴上连接有圆心角为90度的转动扇片10，转动扇片10平行于竖直面，第一光电接收管VD1、第二光电接收管VD2、第三光电接收管VD3和第四光电接收管VD4分别均匀固定于转动扇片10的弧形边缘处，且第一光电接收管VD1和第四光电接收管VD4位于转动扇片10弧形边缘的两端部，第二光电接收管VD2、第三光电接收管VD3位于第一光电接收管VD1和第四光电接收管VD4之间。

见图7，显示电路7包括有与单片机IC1连接的液晶显示屏IC4，其中，液晶屏IC4的CS端口接单片机的端口P3.3，液晶屏IC4的RST端口接单片机的端口P3.4，液晶屏IC4的AO端口接单片机的端口P3.5，液晶屏IC4的SCL端口接单片机的端口P3.6，液晶屏IC4的SDA端口接单片机的端口P3.7；

见图8，按键电路8包括有四个按键S1、S2、S3和S4，每个按键S1、S2、S3和S4的一端均接地，按键S1的另一端连接单片机的端口P1.4，按键S2的另一端连接单片机的端口P1.5，按键S3的另一端连接单片机的端口P1.6，按键S4的另一端连接单片机的端口P1.7；

见图9，串口数据输出电路9包括有与单片机IC1串口P3.0、P3.1和控制端口P3.2连接的485转换芯片IC7，串口数据由485转换芯片IC7转换后经A、B端口输出。

见图1，一种高精度太阳位置检测装置的自动检测方法，具体包括有以下步骤：

(1)、高精度太阳位置检测装置上电启动，第一步进电机DW1、第二步进电机DW2会自动检测进入初始坐标位置，第一步进电机DW1的初始坐标位置即定位转动扇片10在XY轴水平面上的初始坐标位置，第二步进电机DW2的初始坐标位置即定位转动扇片10在XZ轴竖直面上的初始坐标位置，转动扇片10的初始坐标位置即第一光电接收管VD1位于水平面、接收光路为水平接收即可；

(2)、当检测装置达到设置检测时间，即启动第一步进电机DW1顺时针方向旋转，第一步进电机DW1每走一步，第一光电接收电路3、第二光电接收电路4、第三光电接收电路5、第四光电接收电路6分别自动采集一次光照数据，将四组光照数据相加后和上一步光照数据比较，保留光照数据大的一组，同时记录此组数据对应的步数，直到旋转一周360度停止；再次启动第一步进电机DW1逆时针方向旋转，和顺时针旋转同样记录数据，直到返回初始坐标位置即旋转一周360度停止，将顺时针和逆时针两次旋转时记录的最大光照数据对应的步数相加再取平均值，再换算成角度，即是太阳光线相对本检测装置初始坐标的水平角度；

(3)、水平角度测量结束后，再将第一步进电机既是旋转到步骤(2)得到的水平角度，此时四支光电接收管VD1、VD2、VD3和VD4的接收方向和太阳照射线在一个平面上，由于第一光电接收管VD1的初始坐标是水平接收，启动第二步进电机DW2带动转动扇片10顺时针方向旋转，第二步进电机DW2每走一步，第一光电接收电路3自动采集一次光照数据，且采集的光照数据和上一步光照数据比较，保留光照数据大的一组，同时记录此组数据对应的步数，直到转动扇片10旋转90度停止；再次启动第二步进电机DW2逆时针方向旋转，返回时同样由第一光电接收电路3进行数据采集比较，第一光电接收管VD1返回到初始水平位置后，将顺时针和逆时针两次旋转时记录的最大光照数据对应的步数相加再取平均值，再换算成角度，即是太阳光线和水平面之间的角度。

测量完成后，自动将第一步进电机DW1和第二步进电机DW2返回到初始坐标，等待下一次检测，检测的数据通过显示电路7输出显示，采用串口数据输出电路9依据ModbusRTU协议输出。

其中，第一步进电机DW1和第二步进电机DW2均选用减速步进电机，步距角为7.5°/85.25°。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种高精度太阳位置检测装置，其特征在于：包括有单片机，分别与单片机连接的第一步进电机驱动电路、第二步进电机驱动电路、第一光电接收电路、第二光电接收电路、第三光电接收电路和第四光电接收电路；所述的第一光电接收电路包括有与单片机连接的第一光电接收管，所述的第二光电接收电路包括有与单片机连接的第二光电接收管，所述的第三光电接收电路包括有与单片机连接的第三光电接收管，所述的第四光电接收电路包括有与单片机连接的第四光电接收管；所述的第一步进电机驱动电路包括有与单片机连接的第一电机驱动芯片和与第一电机驱动芯片连接的第一步进电机，所述的第二步进电机驱动电路包括有与单片机连接的第二电机驱动芯片和与第二电机驱动芯片连接的第二步进电机，第一步进电机的输出轴为竖直向上且轴向转动，所述的第二步进电机连接于第一步进电机的输出轴上，第二步进电机的输出轴为水平设置且轴向转动，所述的第二步进电机的输出轴上连接有转动扇片，转动扇片平行于竖直面，第一光电接收管、第二光电接收管、第三光电接收管和第四光电接收管分别均匀固定于转动扇片的弧形边缘处。

2.根据权利要求1所述的一种高精度太阳位置检测装置，其特征在于：所述的转动扇片的圆心角为90度，所述的第一光电接收管和第四光电接收管位于转动扇片弧形边缘的两端部，所述的第二光电接收管、第三光电接收管位于第一光电接收管和第四光电接收管之间。

3.根据权利要求1所述的一种高精度太阳位置检测装置，其特征在于：所述的第一光电接收电路、第二光电接收电路、第三光电接收电路和第四光电接收电路均包括有运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和电容，第一光电接收管、第二光电接收管、第三光电接收管和第四光电接收管的负极均接地，第一光电接收管、第二光电接收管、第三光电接收管和第四光电接收管的正极通过对应的第一电阻与对应的运算放大器的正向输入端连接，运算放大器的反向输入端通过第二电阻连地，运算放大器的输出端连接单片机的光电信号输入端口，运算放大器的反向输入端通过第三电阻与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出端通过电容接地。

4.根据权利要求1所述的一种高精度太阳位置检测装置，其特征在于：所述的高精度太阳位置检测装置还包括有分别与单片机连接的显示电路、按键电路和串口数据输出电路；所述的显示电路包括有与单片机连接的液晶显示屏；所述的按键电路包括有多个按键，每个按键的一端均接地，另一端均连接单片机；所述的串口数据输出电路包括有与单片机连接的485转换芯片。

5.根据权利要求1所述的一种高精度太阳位置检测装置的自动检测方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：

(1)、高精度太阳位置检测装置上电启动，第一步进电机、第二步进电机会自动检测进入初始坐标位置，第一步进电机的初始坐标位置即定位转动扇片在XY轴水平面上的初始坐标位置，第二步进电机的初始坐标位置即定位转动扇片在XZ轴竖直面上的初始坐标位置，转动扇片的初始坐标位置即第一光电接收管位于水平面、接收光路为水平接收即可；

(2)、当检测装置达到设置检测时间，即启动第一步进电机顺时针方向旋转，第一步进电机每走一步，第一光电接收电路、第二光电接收电路、第三光电接收电路、第四光电接收电路分别自动采集一次光照数据，将四组光照数据相加后和上一步光照数据比较，保留光照数据大的一组，同时记录此组数据对应的步数，直到旋转一周360度停止；再次启动第一步进电机逆时针方向旋转，和顺时针旋转同样记录数据，直到返回初始坐标位置即旋转一周360度停止，将顺时针和逆时针两次旋转时记录的最大光照数据对应的步数相加再取平均值，再换算成角度，即是太阳光线相对本检测装置初始坐标的水平角度；

(3)、水平角度测量结束后，再将第一步进电机旋转到步骤(2)得到的水平角度，此时四支光电接收管的接收方向和太阳照射线在一个平面上，由于第一光电接收管的初始坐标是水平接收，启动第二步进电机带动转动扇片顺时针方向旋转，第二步进电机每走一步，第一光电接收电路自动采集一次光照数据，且采集的光照数据和上一步光照数据比较，保留光照数据大的一组，同时记录此组数据对应的步数，直到转动扇片旋转90度停止；再次启动第二步进电机逆时针方向旋转，返回时同样由第一光电接收电路进行数据采集比较，第一光电接收管返回到初始水平位置后，将顺时针和逆时针两次旋转时记录的最大光照数据对应的步数相加再取平均值，再换算成角度，即是太阳光线和水平面之间的角度。

6.根据权利要求5所述的一种高精度太阳位置检测装置的自动检测方法，其特征在于：所述的第一步进电机和第二步进电机均选用减速步进电机，步距角为7.5°/85.25°。

7.根据权利要求5所述的一种高精度太阳位置检测装置的自动检测方法，其特征在于：所述的步骤(3)测量完成后，自动将第一步进电机和第二步进电机返回到初始坐标，等待下一次检测，检测的数据通过显示电路输出显示，采用串口数据输出电路依据Modbus RTU协议输出。