主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2013-04-23
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1．3 太陽(yáng)位置的確定
因?yàn)樵谔烨蛏系乃袌A圈中，地平是在自然界中唯一能看到的在天空中被勾畫(huà)出的圓，同時(shí)，鉛垂線所具體代表的垂線，以及由水準(zhǔn)儀所定出的水平線是在幾何坐標(biāo)系中惟一能容易直接觀測(cè)的參考方向。所以，地平參考系一直是實(shí)用中必不可少的參考系統(tǒng)。在實(shí)際觀測(cè)中，最重要的幾何坐標(biāo)系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標(biāo)系。把直接觀測(cè)的天空形象用嚴(yán)格的幾何方式系統(tǒng)表示時(shí)，它也是實(shí)際中唯一可用的坐標(biāo)系。因此，太陽(yáng)跟蹤器采用地平坐標(biāo)系直觀方便，操作性強(qiáng)，但是，也存在軌跡坐標(biāo)計(jì)算沒(méi)有具體公式可用的問(wèn)題。而在赤道坐標(biāo)卻嚴(yán)格已知，同時(shí)，赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系都與地球運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，因此，通過(guò)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽(yáng)和觀測(cè)者位置之間的關(guān)系。綜合分析，在進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤觀測(cè)時(shí)，兩維程控太陽(yáng)跟蹤器的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型采用地平坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，并借助赤道坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以獲得即時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角。
雖然太陽(yáng)在天球上的位置每日、每時(shí)都有變化，但是其運(yùn)行具有嚴(yán)格的規(guī)律性。根據(jù)其相互運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以通過(guò)天文公式計(jì)算出太陽(yáng)在赤道坐標(biāo)系中的太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角。在實(shí)際使用中，由于太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角是建立在赤道坐標(biāo)系中，不便于直接應(yīng)用，因此一般將其轉(zhuǎn)換到人們所熟悉的地平坐標(biāo)系中，即由太陽(yáng)赤緯角和時(shí)角計(jì)算出太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。當(dāng)太陽(yáng)高度角和方位角確定后，太陽(yáng)的位置也就唯一確定了。
根據(jù)天體幾何學(xué)中太陽(yáng)運(yùn)行軌跡算法公式，太陽(yáng)的位置通過(guò)下列球面三角公式精確求出：
sinH=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω (1)
sinA=cosδ·sinτ／cosH (2)
其中，太陽(yáng)高度角為H，太陽(yáng)方位角為A，涉及3個(gè)天文地理坐標(biāo)：δ為太陽(yáng)赤緯角，φ為觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度，ω為觀測(cè)時(shí)的太陽(yáng)時(shí)角。這3個(gè)天文地理坐標(biāo)可以通過(guò)以下方式獲得：
①觀測(cè)地點(diǎn)的地理緯度通過(guò)GPS等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。
②赤緯角和時(shí)角的計(jì)算需要通過(guò)時(shí)間確定。由于太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平太陽(yáng)時(shí)，即太陽(yáng)沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率，在工程計(jì)算中，就會(huì)存在時(shí)差問(wèn)題(真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之差)，因此必須采用真太陽(yáng)時(shí)，否則在實(shí)際觀測(cè)中無(wú)法達(dá)到精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽(yáng)時(shí)，可以根據(jù)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)時(shí)差值，真太陽(yáng)時(shí)計(jì)算公式如下：
真太陽(yáng)時(shí)(視時(shí))=時(shí)差+平太陽(yáng)時(shí)(平時(shí)) (3)
其中：時(shí)差可以根據(jù)地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的規(guī)律由天體力學(xué)算出，在每年的天文年歷中可以查到。
2 系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)能根據(jù)裝置所在地點(diǎn)的地理參數(shù)自動(dòng)計(jì)算太陽(yáng)的高度角和方位角，并結(jié)合系統(tǒng)對(duì)天氣的檢測(cè)結(jié)果，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成追日。
(1)太陽(yáng)能收集裝置安裝位置及工作時(shí)間的獲取
借助GPS等設(shè)備通過(guò)終端輸入模塊為系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)前所在地區(qū)的經(jīng)緯度、時(shí)間等參數(shù)，這是實(shí)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)高度角及方位角的基礎(chǔ)，若系統(tǒng)所處地理位置發(fā)生較大變化，則需要重新輸入地理位置坐標(biāo)及當(dāng)前時(shí)間。
(2)太陽(yáng)高度角及方位角的計(jì)算
根據(jù)太陽(yáng)能收集裝置安裝位置及工作時(shí)間實(shí)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)高度角及方位角是本設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一，需進(jìn)一步深入研究其算法實(shí)現(xiàn)，這是能否實(shí)現(xiàn)精確追日的關(guān)鍵。
(3)步進(jìn)電機(jī)對(duì)太陽(yáng)能收集裝置的角度驅(qū)動(dòng)
經(jīng)ATmega32單片機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生相應(yīng)脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能收集裝置進(jìn)行角度驅(qū)動(dòng)而完成偏擺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能收集裝置隨太陽(yáng)位置變化的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)。
(4)工作狀態(tài)下天氣情況的檢測(cè)
若為陰雨天氣，則停止對(duì)太陽(yáng)能追日裝置的角度校正。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 硬件組成框圖
系統(tǒng)硬件除通用電路(電源電路、JTAG電路、RS232串口通信電路)外主要分為8個(gè)部分，具體為ATmega32單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤(pán)電路、LCD顯示電路、時(shí)鐘電路、光電傳感器電路、光敏檢測(cè)以及蜂鳴器電路。組成框圖如圖3所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/159420.htm
3．2 處理器電路
選擇ATmega32單片機(jī)作為主控芯片。處理器采用了較為簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位電路，該電路使單片機(jī)在上電時(shí)可靠復(fù)位。選用12 MHz晶體振蕩器，單片機(jī)在該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，每秒可以執(zhí)行12M條單周期指令。處理器電路如圖4所示。
評(píng)論