基于LabVIEW和單片機的太陽自動跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)

第頁1引言1.1課題的研究背景當今世界正面臨能源短缺，許多國家對能源問題十分重視，包括核能，水力能，風能，太陽能，地熱能等可持續(xù)發(fā)展能源。在諸多的可持續(xù)能源中，太陽能是一種取之不盡，用之不絕的清潔能源，在開發(fā)和利用過程中能節(jié)約大量化石能源，不僅環(huán)保，而且安全。太陽能有著非常廣闊的前景，在眾多的可再生清潔能源中，被科學家認為是未來的主要能源之一，其主要優(yōu)勢有如下幾點：（1）到達地球大氣外層的太陽照射強度其中約30%被大氣層反射回外太空，其余到達地面的能量被大氣，海水，陸地，植物吸收。這些能源相當于全世界2009年全部能源消耗的8000倍。也就是說地球表面一小時接收的太陽能足夠人類使用一年。（2）存在的普遍性，從空間上來說，太陽能非常容易獲得，在地球表面無處不在，同時沒有勘探和開采成本，可隨時獲取，這為能源缺乏的國家提供了一種可行性的方法。（3）環(huán)保，在獲取和利用太陽能的過程中不會產(chǎn)生污染氣體排放，像風能，潮汐能一樣對環(huán)境無污染，是新時期的理想能源。1.2課題的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀1.2.1太陽自動跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程隨著科技的發(fā)展,測量領域發(fā)展迅猛,僅就測量方式來說,已經(jīng)從最早的電磁感應的指針儀表發(fā)展到以微處理器為基礎的智能化儀表。但是,隨著虛擬儀器的出現(xiàn),人類在測量技術上的發(fā)展已經(jīng)進入到一個新的時代。虛擬儀器從最初的設想到現(xiàn)在的技術發(fā)日漸成熟,標志著虛擬儀器技術對傳統(tǒng)測量技術的工業(yè)革命。所謂的LabVIEW就是在基于PC的基礎上,用戶根據(jù)自己的需要和設想開發(fā)測量平臺。其核心是將傳統(tǒng)的測量儀器硬件和計算機軟件結合起來,完成測量任務。通過LabVIEW搭建的控制系統(tǒng),外圍硬件設備只是為了數(shù)據(jù)的傳輸提供通道,軟件才是控制系統(tǒng)的核心。對于使用者來說,可以通過修改LabVIEW后面板的程序來改變平臺的功能,這可以充分發(fā)揮用戶的想象力,按照自己的構思,設計自己的虛擬儀器平臺。目前,隨著太陽能跟蹤技術的發(fā)展,由于虛擬儀器有著互換性強、成本低廉等非常明顯的優(yōu)勢,虛擬儀器逐漸應用到太陽能跟蹤中。1.2.2太陽自動跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀：（1）國外發(fā)展現(xiàn)狀在國外,埃及吉薩電子研究所的AtiaYousry建立的基于LabVIEW和微控制器接口的太陽能電池曲線測量系統(tǒng),該系統(tǒng)通過虛擬儀器建立光伏太陽能電池及其模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在太陽能電池板跟蹤太陽過程中,通過虛擬儀器和單片機的串行接口建立通訊,相關數(shù)據(jù)信息顯示在虛擬儀器建立的用戶界面上,實時測量和監(jiān)控太陽能電池的位置信息。印度的NITSilchar電子工程系建立的基于LabVIEWSVM二維太陽能電池板跟蹤系統(tǒng),該系統(tǒng)通過光敏電阻來實現(xiàn)自動跟蹤太陽,使得太陽的入射光線垂直照射到太陽能電池板上,得到最大的發(fā)電功率,太陽能電池板的運動由兩個步進電機控制,該系統(tǒng)跟蹤精度高,已經(jīng)投入使用。（2）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在國內(nèi),南通大學電子工程系設計的基于LabVIEW的無線監(jiān)控聚焦光伏發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)通過雙拋物面反射器聚焦和跟蹤技術產(chǎn)生太陽能光伏發(fā)電,無線遠程監(jiān)控通過Zigbee和LabVIEW來完成,系統(tǒng)通過上位機和下位機建立通訊,實現(xiàn)對系統(tǒng)在線監(jiān)測、遠程控制、故障診斷等操作。湖北工業(yè)大學的曾利霞設計的基于視日運動軌跡的雙軸太陽跟蹤系統(tǒng),該系統(tǒng)通過天文知識計算出太陽的高度角和方位角,利用工控機控制兩個軸的伺服電機轉動,通過LabVIEW設計用戶界面,實現(xiàn)雙軸跟蹤,跟蹤精度在±2°。香港大學建筑系的KPcheung和scMHui教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關系，理論分析表明:太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽可使接收器的熱接收率大大提高，進而提高了太陽能裝置的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領域。因此，本文研究了關于如何充分高效利用太陽能的方法，希望在所有能接收到陽光的地方都能充分利用這一能源。綜上所述,Amonix公司和Acciona太陽能公司幵發(fā)的太陽能跟蹤裝置主要是基于天文知識,計算太陽的運動軌跡,從而驅動跟蹤裝置跟蹤太陽,這種裝置不受天氣的影響,跟蹤精度取決于算法的算法的準確性,同時由于是開環(huán)控制,電機在運行中的產(chǎn)生的誤差難以消除,隨著運行時間的不斷增加精度會降低。而對于國內(nèi)的漢龍集團的核心產(chǎn)品Zstaig2000和武漢理工大學的楊培環(huán)設計的光筒式二級傳感器,由于是閉環(huán)控制,跟蹤精度比較高,但是由于光敏元件受天氣影響很大,在陰天和多云天氣條件下光電跟蹤失效,同時可能因為雜光的影響導致誤跟蹤,因而很難保證跟蹤的準確性和穩(wěn)定性。1.3課題研究的意義太陽能是一種清潔的可再生能源，具備許多化石能源不具備的優(yōu)點，許多國家都在積極大力發(fā)展太陽能發(fā)電技術，很大程度上緩解了人類的能源危機，是實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一，所以當今開發(fā)太陽能發(fā)電技術勢在必行。因為太陽能密度很低，分散性很高，雖然太陽的輻射總量很大，但是到達地球的表面時密度很低，同時太陽能受到天氣影響，具有不穩(wěn)定性，同時也考慮到晝夜，季節(jié)周期性變化，地球經(jīng)緯度，海拔等的不同。使得太陽輻射光到達地球時處于不穩(wěn)定，不斷變化的狀態(tài)。因而，太陽能的利用裝置必須具備相當?shù)拿娣e才能提高光能利用率。當今提高光伏發(fā)電效率的途徑主要有兩個：其一是提高光伏電池的光電轉換效率，即有效使用跟蹤技術，隨著新材料和新工藝的發(fā)展，光伏電池光電轉換效率越來越高；同時，隨著批量化生產(chǎn)，其成本也越來越低一般的對光伏系統(tǒng)實行跟蹤，即減少光伏電池的余弦效應。目前，使用較多的是平板光伏發(fā)電系統(tǒng)，即把光能轉成電能。由于電池本身轉化效率較低，同時電池的余弦效應，系統(tǒng)的光電轉換效率低，一般在10%左右。帶有跟蹤技術的平板光伏系統(tǒng)，即具有雙軸跟蹤的光伏系統(tǒng)，由于實現(xiàn)了跟蹤，減少了光電池的余弦效應。因此，附帶跟蹤技術的平板光伏系統(tǒng)，發(fā)電效率可以達到12%～18%。在太陽能跟蹤光伏系統(tǒng)中，目前主要有太陽運動軌跡和光電跟蹤兩種跟蹤方式。它們的應用原理不同。太陽運動軌跡跟蹤是通過數(shù)學公式，得出每天太陽的運動軌跡，從而實現(xiàn)跟蹤裝置自動跟蹤太陽。而光電跟蹤是通過光敏元件來檢測太陽光線位置變化，從而控制裝置跟蹤太陽。據(jù)測試使用上述兩種方式可以使發(fā)電量提高30%左右，本次畢業(yè)設計在不考慮天氣陰晴的情況下，通過光電跟蹤自動跟蹤太陽，設計的一種基于LabVIEW和單片機的太陽自動監(jiān)控系統(tǒng)。2太陽跟蹤方式及控制系統(tǒng)的選擇太陽跟蹤方式包括太陽軌跡跟蹤，光電跟蹤以及二者相結合的混合跟蹤的方式。跟蹤方式的不同決定了控制系統(tǒng)的復雜程度和控制方式。根據(jù)不同的控制方式，可以選擇不同的硬件支持。2.1跟蹤方式概述由于地球的自轉和公轉，太陽的位置相對于地面的某一固定點而言，無時無刻都在變化，即使是連續(xù)兩天的同一時刻，由于太陽的赤緯角的不同，該點的太陽高度角也不同。由于太陽能電池板的發(fā)電效率與太陽的入射角密切相關，當太陽光線垂直照射太陽能電池板時，發(fā)電效率最高。為了太陽能的利用率，現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)通常都采用跟蹤控制方式。因此，如果通過實時跟蹤太陽光來調整電池板的朝向，使之與與太陽光垂直，從而可以提高太陽能的采集效果。通過理論估計，采用自動跟蹤方式將使發(fā)電量提高40%，從而降低投資成本的20%以上。2.2跟蹤方案選擇跟蹤太陽光線的方法有很多種，目前國內(nèi)主要采用以下三種方式：（1）通過計算太陽的高度角和方位角的太陽運動軌跡跟蹤方法；（2）通過光電傳感器計算太陽光線入射角的光電跟蹤方法；（3）太陽運動軌跡跟蹤和光電跟蹤的混合跟蹤；通過比較，在不考慮天氣陰晴的情況下本設計采用光電跟蹤。2.2.1光電跟蹤原理這種跟蹤方式的工作原理:太陽光線的變化使光敏元件輸出信號發(fā)生變化，光電元件通過信號的變化來確定太陽的位置，輸信號經(jīng)過一系列的處理后傳給微處理器，從而檢測出太陽入射光線的偏差角度ε。當ε大于跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度時，通過控制系統(tǒng)調整跟蹤裝置的方位角和高度角，使得調整后的ε小于入射角，此時跟蹤機構停止跟蹤。過一段時間后，由于太陽的運動引起偏差角度ε再度大于入射角時，此時控制系統(tǒng)再次驅動跟蹤裝置跟蹤，就這樣不斷循環(huán)，通過檢測偏差角度ε來驅動跟蹤裝置跟蹤太陽。下邊是光電跟蹤原理圖。圖2.1光電跟蹤原理圖2.2.2光電跟蹤流程通過光電傳感器采集光電信號，通過這些信號計算太陽入射光線的偏差角，當大于設定的偏差值[]裝置定位，小于設定值時，則重新采集光電信號，計算入射光線偏差角，直至大于設定值；跟蹤裝置定位后，再次采集光電信號，計算入射光線偏差，如果入射光線偏差小于設定的偏差值時，則停止跟蹤，如果入射光線偏差大于設定值時，則跟蹤裝置重新定位，直至小于設定值。以下是光電跟蹤流程圖。圖2.2光電跟蹤流程圖2.2.3跟蹤坐標選擇太陽在宇宙中的方位，一般來說我們以目測者為圓心，半徑長度為無窮的球體，描述此設想的球體是天球，以其為研究對象。太陽在天空中的位置隨時間，日期的不同而不同，盡管太陽相對于地面觀測者來說總是變動的，雖然太陽總是變動的，但是太陽東升西落有嚴格的規(guī)律性，我們可以通過兩種不同的坐標系來確定，對于赤道坐標系，太陽的位置有赤緯角和時緯角兩個參數(shù)不易確定，同時赤道坐標系是對整個宇宙空間而言，因此赤道坐標系不適宜太陽能利用工程。對于地平坐標系而言，由于其是針對地面上某一觀測點而言的。我們總是從地球某一地平面上觀察太陽的運行，不同的經(jīng)緯度地區(qū)，太陽的軌跡也不相同。因此，本次設計選取地平面坐標系來計算，通過計算高度角和方位角來確定太陽的位置。地平面坐標系如圖2.3。圖2.3地平面坐標系圖地平坐標系是以地平圈為基本圈，以地面觀測點為基點的天球坐標系，太陽在天空中的位置由太陽的高度角和太陽的方位角確定，如2.3圖中所示，太陽的高度角表示的是太陽光線與地平面的夾角，其變化范圍是0～90度。方位角表示太陽光線在地面的投影與該地正南方向之間的夾角，正對時為0度。向西為正，向東為負。(1)高度角的計算:(2.1)(2)方位角的計算：(2.2)其中為太陽時角，為太陽赤緯角，為跟蹤裝置當?shù)氐木暥取?.3控制系統(tǒng)的的選擇太陽自動跟蹤系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計方式有很多種，目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，控制部分大致有三種（1）基于DSP控制；（2）基于單片機控制；(3)基于虛擬儀器的控制。由于題目要求，所以選擇基于虛擬儀器的控制。下面做一個的簡單的介紹。硬件以計算機為核心,利用單片機采集數(shù)據(jù),軟件以LabVIEW圖形化編程方式,該編程語言直觀簡單,容易操作。與傳統(tǒng)的測量儀器相比,虛擬儀器有著非常明顯的優(yōu)勢。以前的測量技術主要依賴于硬件,互換性差,與其它設備相連有技術限制,而對于虛擬儀器而言,其軟件是核心,這樣就使得成本低廉,同時由于虛擬儀器由模塊化構成,因此用戶可以自己的需求設計,另外互換性強,通過各種總線接口就可以與其它外設相連。這樣也方便了LabVIEW和外設間的通訊。由于是圖形化編程方式,同時提供了在線幫助,對于初學編程的人來說,門濫很低。可以通過很直觀的方式就可以建立非常美觀的人機交互界面,各種所要測試的數(shù)據(jù)信息也在可以直觀的顯示在界面上。LabVIEW對于測試、控制領域來說是非常好的一個助手。綜上所述,本課題之所以選擇虛擬儀器和單片機相結合,主要有以下優(yōu)勢:(1)單片機具有功能強大的I/O口,為搭建外圍電路創(chuàng)造了了條件;同時內(nèi)部集成了A/D轉換電路,可以對光電傳感器采集的電信號經(jīng)性轉換;另外內(nèi)部有功能強大的的定時器/計數(shù)器及通訊接口,方便了和基于PC機的虛擬儀器通訊。(2)單片機相對于DSP和運動控制卡而言,控制成本低,使用簡單。(3)采用基于PC機的虛擬儀器作為上位機可以控制多臺下位機,同時由于LabVIEW編寫代碼簡單,對于初學者而言,無需太多的編程經(jīng)驗就可以輕易上手。(4)通過Labview中的TCP/IP相關函數(shù)組可以實現(xiàn)遠程控制。選擇C/S模式,即客戶/服務模式。一方面可以接受太陽能跟蹤系統(tǒng)發(fā)過來的信息,并將信息通過串行端口送至服務器端的計算機;另一方面,接受服務器發(fā)送的控制信息,并通過無線模塊送至太陽能跟蹤系統(tǒng),驅動跟蹤裝置跟蹤太陽,實現(xiàn)遠程控制更加智能化人性化。基于以上優(yōu)點,我們選擇了虛擬儀器和單片機相結合的控制方式。3太陽自動跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計3.1光電采集模塊本模塊中所采用光電傳感器為4塊相同的光敏電阻用來作四象限光電采集部分。太陽跟蹤傳感器是本系統(tǒng)的關鍵部件。為了保證太陽能板的受光面始終與太陽光線保持垂直而不發(fā)生偏離，采用特制的四象限光敏電阻作為太陽跟蹤誤差校正用傳感器。如圖3.1所示為四象限跟蹤太陽傳感器原理圖，當光軸對準太陽時，光斑的中心在光軸上。四個象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號。當光軸未對準太陽時即太陽光與光軸成一角度時，光線經(jīng)光學系統(tǒng)照射到四象限光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移即由于各象限的光功率與各象限的光斑面積成正比，每個象限被光斑覆蓋的面積不同，因此各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同，根據(jù)上述將進行A/D轉換，然后送入單片機，單片機通過驅動設備可控制俯仰角電機和方位角電機轉動。直到則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對準太陽，根據(jù)以上原理即可對太陽能板位置誤差進行校正。圖3.1光電采集模型圖3.2單片機控制步進電機設計本次設計的控制系統(tǒng)選用了AT89C51單片機作為智能單元。它是一種低功耗，低電壓，高性能的8位單片機。片內(nèi)帶有一個4KB的FLASH可編程,可擦除的只讀存儲器。該系統(tǒng)為地平坐標系的雙軸自動跟蹤控制系統(tǒng)，因此采用雙坐標步進電機控制，雙坐標步進電機控制就是在X軸方向控制1臺步進電機，在Y軸方向控制1臺步進電機。這2臺步進電機同時驅動同一個對象，使對象在一個平面上以任意曲線運動。AT89C51單片機通過P2口輸出控制脈沖信號，P1.0～P1.3為一路，P2.0～P2.3為一路,分兩路各控制1臺步進電機,采用ULN2803達林頓芯片驅動步進電機各相繞組，圖中L1，L2即為步進電機的各相線圈，光電采集和A/D轉換部分采用PDF8591芯片動作，下邊是整套下位機硬件設計電路圖。圖3.2太陽自動跟蹤硬件電路圖3.3虛擬儀器和單片機相結合的太陽自動跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖如圖3.3所示主要由上位機、下位機、執(zhí)行機構組成,其中上位機主要是由LabVIEW軟件編寫的人機交互界面構成;下位機主要由單片機AT89C51、高度角和方位角絕對式編碼器、光電傳感器、高度角和方位角步進電機、高度角步進電機驅動器和方位角步進電機驅動器、信號調理電路組成;執(zhí)行機構由減速器和電機構成。各部分的功能如下:(1)上位機:即人機交互界面,就是通過LabVIEW做的前面板界面。主要功、 能包括:太陽運動軌跡的計算,可以提前計算出一天中太陽的運動軌跡;通訊、端口的設置,包括通訊口和波特率的設置;跟蹤方式的選擇,如太陽運動軌跡跟蹤、光電跟蹤、混合跟蹤;顯示跟蹤裝置的各個時刻的高度角和方位角信息。上位機主要是向下位機發(fā)送控制指令,驅動步進電機轉動使太陽跟蹤裝置跟蹤太陽光線,同時下位機把跟蹤裝置的位置信息反饋給上位機,以便于監(jiān)測跟蹤裝置的位置狀態(tài)。同時上位機還預先計算出太陽的運動軌跡,以便于控制跟蹤裝置太陽運動軌跡跟蹤。(2)下位機:下位機主要由驅動器、89C51單片機、髙度角和方位角步進電機、光電傳感器、高度角和方位角編碼器構成,它們構成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。在太陽運動軌跟蹤過程中,上位機發(fā)送控制命令給單片機控制高度角和方位角電機的轉動,同時單片機將跟蹤裝置的高度角和方位角位置信息通過串口通訊傳給上位機,通過和入射角的比較驅動電機進行下一次的跟蹤。在光電跟蹤過程中,光電傳感器的電流信號經(jīng)過轉換、放大,把太陽跟蹤裝置偏離太陽入射光線的偏差角度傳給上位機,上位機驅動電機使跟蹤裝置跟蹤太陽。(3)執(zhí)行機構:該部分主要有兩部分組成,其中減速器的作用是減速,使得跟蹤裝置平穩(wěn)緩慢轉動;電機包括高度角電機和方位角電機,作用是驅動跟蹤裝置做仰俯運動和水平旋轉運動。該系統(tǒng)通過光電傳感器(使用四象限光敏電阻)來采集太陽入射光線,當太陽入射光線發(fā)生變化時(即未垂直照射在光電傳感器上時),光電傳感器輸出的電信號發(fā)生變化,這種電信號經(jīng)過信號調理電路的I/V轉換和放大后傳給單片機,單片機通過計算處理后把電壓信號通過串口通訊傳給上位機,PC機通過LabVIEW對這些信號處理后通過串口通信發(fā)送指令給單片機,單片機接到指令后驅動高度角和方位角電機轉動,從而實現(xiàn)了跟蹤裝置跟蹤太陽的目的。圖3.3控制系統(tǒng)組成結構原理圖4太陽自動跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計對于一個基于LabVIEW的控制系統(tǒng)，軟件設計是太陽能跟蹤系統(tǒng)的關鍵，設計一個完整的軟件流程同時能實現(xiàn)各部分程序是本設計的重點。本章以LabVIEW為開發(fā)平臺，對太陽自動跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)的軟件進行設計，主要包括系統(tǒng)的整體流程設計,光電跟蹤軟件設計，其他主要功能設計，監(jiān)控界面的設計。4.1LabVIEW介紹LabVIEW是時下比較流行的編程語言,其源代碼稱之為G代碼,它和平常我們所用的編程語言C和C++有非常大的差別,C和C++編寫的代碼是從上至下運行,LabVIEW在程序運行時是按照數(shù)據(jù)流執(zhí)行的,數(shù)據(jù)流的方向表明代碼執(zhí)行的先后順序,對于一個程序而言,當它所需要的數(shù)據(jù)全部獲取后才得出結果。虛擬儀器集數(shù)據(jù)的釆集和分析、控制、輸出、人機交互界面等功能與一身,只要確定了接口設備,用戶就可以通過軟件編程來完成各種功能。虛擬儀器的實質是通過PC機各種總線和各種控制器建立通訊,控制器將采集的信號經(jīng)過一系列的處理傳給虛擬儀器,虛擬儀器通過軟件編程對數(shù)據(jù)做出相應的處理。LabVIEW程序分為前面板和程序框圖兩部分。前面板是用戶接口，用于向程序中輸入各種控制參數(shù)，并以數(shù)字或圖形形式輸出測試結果。我們可以把它想象為傳統(tǒng)儀器的面板，面板上自然會有表頭、按鈕、撥盤等各種元件。程序框圖是程序的源代碼，可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機箱里用來實現(xiàn)儀器功能的零部件。下面分別介紹一下程序前面板和程序框圖。4.1.1前面板前面板是人機交互的界面,主要有顯示控件和控制控件構成,顯示量主要用于向用戶顯示數(shù)據(jù)和信息,控制控件主要用于用戶向程序發(fā)送控制信號及數(shù)據(jù)。我們?nèi)绻麑I程序比作一部機器的話,控制控件相對于儀器的控制開關和數(shù)據(jù)進入端口,而顯示控件相當于機器的顯示屏,把后臺的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后顯示在屏幕上。如圖4.1所示，為前面板的示意圖。圖4.1LabVIEW前面板示意圖4.1.2程序框圖用戶通過程序框圖編寫圖形化源代碼,又稱G代碼,這種代碼類似于傳統(tǒng)編程語言的源代碼,通過圖形化源代碼對前面板上的輸入量進行控制。節(jié)點的連線表示程序框圖中數(shù)據(jù)的流向。同時,程序框圖中提供了豐富的函數(shù)控件,這些函數(shù)控件能徹底的把工程師從復雜枯濕的文本編程中走出來。如圖4.2為程序框圖示意圖。圖4.2LabVIEW程序框圖示意圖4.2光電跟蹤軟件設計4.2.1設計流程這里的光電跟蹤指的是太陽方位的跟蹤,光電跟蹤流程圖如圖4.3所示,程序開始運行后,根據(jù)光電傳感器采集到太陽方位的四路信號經(jīng)過放大、I/V和A/D轉換后變成Ua、Ub、Uc、Ud,根據(jù)這四組信號計算出太陽光斑中心在四象限桂光電池上的當量偏移量Ex和Ey,通過Ex和Ey可以計算出太陽光線在方位角和高度角上的偏移角度βx和βy,如果|βx|和|βy|的值都小于閥值入射角θ,則說明太陽光線的累積誤差比較小,在允許的誤差范圍內(nèi)近似平行于太陽光線,不需要跟蹤。當|βx|大于入射角θ,則說明光電傳感器的主光軸不與太陽光線平行,需要進行方位角跟蹤,當βx大于0時,說明太陽光線在方位角方向在向西偏移,則方位角步進電機驅動太陽電池板向西轉動;當βx小于0時,說明太陽光線在方位角方向向東偏移,則方位角步進電機驅動太陽電池板向東轉動。當|βy|大于入射角θ,則說明光電傳感器的主光軸不與太陽光線平行,需要進行高度角跟蹤,當βy大于0時,說明太陽光線在高度角方向向南偏移,則高度角步進電機驅動太陽電池板向南轉動;當βy小于0時說明太陽光線在高度角方向在向北偏移,則高度角步進電機驅動太陽電池板向北轉動。調整完畢后,一次跟蹤結束。圖4.3光電跟蹤流程圖下位機光電傳感的數(shù)據(jù)采集流程框圖如圖4.4所示,數(shù)據(jù)采集程序開始時,首先將采集次數(shù)初始化為0,STC89C51單片機將采集到的四路信號放在一個數(shù)組中,每采集一次數(shù)據(jù)采集次數(shù)加1,延時2s后進行下一次的數(shù)據(jù)釆集,當采集次數(shù)大于設定值n時,數(shù)據(jù)采集結束,跳出循環(huán)。最后將采集到的每組數(shù)據(jù)中的四個值相對應的相加取均值,均值后的結果為U1、U2、U3、U4。這樣做的主要目的通過多次數(shù)據(jù)采集減少了由于天氣變化和其它雜光干擾而造成的數(shù)據(jù)波動,從而可以獲得相對穩(wěn)定和實時反應太陽光照情況數(shù)據(jù),也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外,延時時間可根據(jù)跟蹤系統(tǒng)安裝地的太陽轄射和氣候情況所決定,一般為幾秒至幾十秒;采集數(shù)據(jù)的次數(shù)一般為4至10次,采集次數(shù)并不是越大越好,次數(shù)越多不僅增加了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算負擔,同時由于次數(shù)過多,所需的時間也多,采集的數(shù)據(jù)可能會與開始時刻的數(shù)據(jù)出入很大,這樣會降低跟統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤的精度,因此采集次數(shù)視情況而定。圖4.4數(shù)據(jù)采集流程圖4.2.2程序設計太陽自動跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)采用光電跟蹤時高度角和方位角的調整程序如圖4.5和圖4.6所示。圖4.5為方位角調整程序,當采集到的βx絕對值大于入射角0.2且值為正數(shù)時,上位機發(fā)送數(shù)字77給下位機,方位角步進電機正轉,即向西轉動；當采集到的βx絕對值大于入射角0.2且值為負數(shù)時,上位機發(fā)送數(shù)字78給下位機,方位角步進電機反轉,即向東轉動。如果βx的絕對值比0.2小,說明太陽光線的累積誤差比較小,在允許的誤差范圍內(nèi)近似于太陽光線，不需要跟蹤。圖4.5方位角調整程序圖4.6為高度角調整程序，當采集到的βx絕對值大于入射角0.2時，說明光電傳感器的主光軸不與太陽光線平行，需要進行高度角跟蹤，當βy大于0時，發(fā)送數(shù)據(jù)80給下位機，高度角步進電機正轉，即向南偏移；當βy小于0時，發(fā)送數(shù)據(jù)79給下位機，高度角步進電機反轉，即向北偏移；如果βx的絕對值小于0.2，說明太陽光線的累積誤差比較小，在允許的誤差范圍內(nèi)近似平行于太陽光線，不需要跟蹤。圖4.6高度角調整程序4.2.3通訊口程序設計計算機和單片機之間的數(shù)據(jù)傳送有兩種通訊方式:串行通訊和并行通訊。由于串行通訊具有成本低、線路少、適合遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點,而并行通訊雖然傳輸速度快,但是由于線路多容易產(chǎn)生干擾同時成本髙,因此本課題采用串行接口和上位機通訊。如圖4.7所示為串口通訊的基本程序。其中通訊口可以選擇coml、com2、com3,本文通訊端口選擇coml口;波特率的選擇有4800、9600、19200,一般來是說波特率越高,傳輸?shù)乃俾室苍娇?但是有時候有些無法避免的干擾,核能使某個頻率段通訊錯碼率很高,反而是較低的波特率可以實現(xiàn)穩(wěn)定的通訊,本文通訊的波特率選擇9600;對于串口資源中終止符的設置,將其設置為TRUE,避免當通訊過程中收到ASCII碼為10的字符(即換行符)時停止結束數(shù)據(jù),不管后面有沒有數(shù)據(jù)。在上位機和下位機通訊時,主機和從機在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時要有一定的時間間隔,通常時間間隔設置為200ms就行了。設置時間間隔主要目的是因為串口是底層硬件,上位機發(fā)送數(shù)據(jù)到串口需要一定的時間,同時單片機對上位機的指令也要一定得反應時間,為了上位機和下位機傳輸數(shù)據(jù)不發(fā)生錯亂,因此要時間延遲。另外還需要設定的串口讀的最大字節(jié)輸入數(shù),在上位機和下位機通訊時,如果設定的最大字節(jié)輸入數(shù)為50時,如果串口緩沖區(qū)的字節(jié)輸入數(shù)少于50,則程序會停留在串口讀的節(jié)點上,如果在超時的時間(默認為20s)內(nèi)沒有達到50個字節(jié)數(shù)的話,程序就會報超時的錯誤,解決辦法是加了屬性節(jié)點BytesatPort,目的是讀取當前緩沖區(qū)的所有字節(jié)數(shù),不需要任何等待。通訊完畢后要關閉串口。圖4.7通訊口程序4.3上位機監(jiān)控界面通過基于PC的圖形化編程軟件LabVIEW建立人機界面,用戶可以直觀方便的在前面板上設置跟蹤系統(tǒng)的運行參數(shù),同時太陽跟蹤系統(tǒng)的運行狀態(tài)、參數(shù)的變化可以直觀的的顯示在人機界面上,用戶一目了然。4.3.1通訊口監(jiān)控如圖4.8所示，設置通訊端口以及波特率大小,同時控制通訊的通斷。圖4.8通訊口設置4.3.2光電跟蹤監(jiān)控如圖4.9和4.10所示，顯示跟蹤裝置高度角和方位角的跟蹤情況。圖4.9高度角監(jiān)控界面圖4.10方位角監(jiān)控界面4.4光電跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)的測試測試過程中首先將光筒式太陽方位檢測傳感器按照上面介紹的方式水平放置在陽光底下進行光電跟蹤的實驗,每隔20分鐘單片機采集—次四象限的四路輸出電壓，然后根據(jù)式(2.1)和(2.2)計算當前時刻下太陽光線在方位角和高度角的偏；移分量Ux和Uy,同時根據(jù)電子星圖軟件SKYMAP得到相應時間下的太陽高度角和方位角的科學計算值和，則和可以看作為當前時刻下太陽光線的偏移角度值,通過繪制Ux和以及Uy和a的關系曲線,看Ux和Uy是否能反映太陽光線在方位角和高度角的方向上的偏移角度。圖4.10、圖4.11、圖4.12為2014年4月12號所測得的數(shù)據(jù)繪制的關系曲線圖。圖4.10太陽光線在方位角上偏移角度的關系曲線由圖4-5所示,由于太陽方位角的變化范圍為-1200～1200正午時刻太陽方位角為00,由于正午時刻之前,太陽光線在B和C象限上的光照面積比A和D象限大,所以Ux為負值,隨著方位角的增大,Ux也逐漸增大,并且在正午時刻(12點23分)由負值變?yōu)檎?Ux在下午3點40左右達到最大值,之后隨著方位角繼續(xù)向西最大,Ux逐漸減小,在日落時刻為0,因為隨著方位角的繼續(xù)最大,超出了光電傳感器的檢測范圍,太陽光落在四象限硅光電池感光區(qū)域的面積逐漸減小,直至為0。通過上圖我們可以得知，可以直白的表示太陽光線在方位角上的變化情況角度。對于太陽光線在高度角上的偏移角度與Uy關系情況,需要分上午和下午分別來分析,因為在正午時刻之前,高度角一直增大,正午時刻之后,高度角逐漸減小。圖4-6為上午太陽光線在高度角上的偏移角度a與Uy的關系曲線圖。圖4-7為下午太陽光線在高度角上的偏移角度a與Uy的關系曲線圖。圖4.11上午太陽光線在高度角上的偏移角度a與Uy的關系曲線圖圖4.12下午太陽光線在高度角上的偏移角度與Uy的關系曲線圖由圖4-10所示,由于太陽高度角的而變化范圍是0～900,太陽光線在A和B象限上的光照面積比C和D象限大,所以Uy-直大于0。太陽光線在正午時刻之前,太陽的高度角一直增大,相應的Uy—直增大,直至到正午時刻達到最大值。下午太陽髙度角由大到小變化,相應的Uy也一直減小,直至太陽落山時刻,太陽光線變暗,Uy趨于0。所以,通過上面的實驗可以說明太陽光線在方位角和高度角的偏移分量Ux和Uy可以很好地反映太陽高度角和方位角的變化,因此可以通過實時采集Ux和Uy的值傳給上位機來控制跟蹤系統(tǒng)進行光電跟蹤。5總結經(jīng)過為期近三個月的努力，我的畢業(yè)設計終于接近了尾聲。這次的畢業(yè)設計我選擇的是基于LabVIEW和單片機的太陽自動跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)的設計研究。沒選題之前我就清楚的知道畢業(yè)設計不是一項簡單的工作，后來開始做這項工作時才深深的體會到畢業(yè)設計到底是個什么概念，真的需要以一種極其認真的態(tài)度對待畢設，需要整整一個長期的過程來完成的任務，真的很不簡單。畢業(yè)設計是對四年來的學習的一次檢驗，這才是對大學學習真正的考核。紙上得來終覺淺，需知此事要躬行。以前總覺得只要每次的期末考試考個優(yōu)秀的成績就很不錯了。但是，當做了這次的畢設才覺得以前的自己在動手能力方面還存在欠缺，原來自己學的那點知識遠遠不足以順利完成此次的畢設。我的畢設首先要掌握好電力電子技術，數(shù)模電，單片機，C語言程序設計，電機學，微機原理與接口技術等課程。開始的時候發(fā)現(xiàn)這些知識基本忘得差不多了，于是又拿著書重新溫習了一遍，同時還要去圖書館自學關于LabVIEW圖形化編程，在網(wǎng)上看教學視頻，不懂的地方還要加入LabVIEW討論群進行討論。這些東西必須自己親自去實踐，誰都替代不了?；居布娐愤€好，可是像控制電路，驅動電路，A/D轉換電路之類的實在是無從下手，好復雜。只能根據(jù)查閱的資料分析并加以改善得出最符合設計要求的。在畢設中一些問題有時候實在是想不通，尤其是做實物模型時光電板不能很準確的跟蹤太陽光，這里需要處理軟件程序的更改問題同時要進行不斷地調試，原理只是理論，而實物運行則是實踐，最使我感到頭疼的是關于LabVIEW的編程和與整個下位機系統(tǒng)的通訊，由于始終沒實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的配置問題，致使畢設最終還是沒能達到完美的設計結局。除此之外，在畢設過程中也毫無疑問提高了自己的獨立思考與自學能力，因為每個人的題目都是獨一無二的，不像以往的課程設計有人能和你一起探討，所有的知識都要自己通過查閱資料來獲取，每一個的結果都要經(jīng)過在軟件中一次次失敗最后才能得出正確結果。這也是我最后一次以一個學生的身份來完成一項重要的任務，在設計的過程中我受益匪淺。一路磕磕絆絆，畢設終于到了最后的階段，畢設也為我四年的大學四年學習生涯畫上了圓滿的句號。附錄A附錄B#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineacharchar#defineAddWr0x90//寫數(shù)據(jù)地址#defineAddRd0x91//讀數(shù)據(jù)地址#defineControl_Byte10x0#defineControl_Byte20x1 #defineControl_Byte30x2#defineControl_Byte40x3uintx,y,x1,y1,z1;uchari,a,num1,num2,num3,num4,numx,numy,qian,bai,shi,ge,sd,t1,t2,ADtemp;achart,u,u1;sbitSda=P3^7;//定義總線連接端口sbitScl=P3^6;sbitA1=P1^0;sbitB1=P1^1;sbitC1=P1^2;sbitD1=P1^3;sbitwela=P2^7;sbitdula=P2^6;sbitF1=P1^0;sbitF2=P1^1;sbitF3=P1^2;sbitF4=P1^3;unsignedcharcodeFFW[8]={0xfe,0xfc,0xfd,0xf9,0xfb,0xf3,0xf7,0xf6};//反轉unsignedcharcodeZFW[8]={0xf6,0xf7,0xf3,0xfb,0xf9,0xfd,0xfc,0xfe};//正轉unsignedintK;unsignedcharcodeFFZ[]={0xEE,0xCC,0xDD,0x99,0xBB,0x33,0x77,0x66}; //反反轉unsignedcharcodeZZZ[]={0x66,0x77,0x33,0xBB,0x99,0xDD,0xCC,0xEE};//正正轉unsignedcharcodeZFZ[]={0x6E,0x7C,0x3D,0xB9,0x9B,0xD3,0xC7,0xE6}; //正反轉unsignedcharcodeFZZ[]={0xE6,0xC7,0xD3,0x9B,0xB9,0x3D,0x7C,0x6E}; 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Scl=0; mdelay(); } mdelay(); returnk;}voidwrite_add(ucharaddress,uchardate){ start(); writebyte(0xa0);//地址 respons(); writebyte(address); respons(); writebyte(date); respons(); stop();}ucharread_add(ucharaddress1,ucharadd,ucharch){ uchardate; start(); writebyte(address1); respons(); writebyte(ch); respons(); start(); writebyte(add); respons(); date=readbyte(); stop(); returndate;}voidsend_add(ucharaddress,ucharch,uchardate){ start(); writebyte(address); respons(); writebyte(ch); respons(); writebyte(date); respons(); stop();}voidmotor_ffw(){unsignedchari;//unsignedintj; //for(j=0;j<10;j++)//轉1*n圈{for(i=0;i<8;i++)//一個周期轉30度{if(K==1)P1=FFW[i]&0x1f;//取數(shù)據(jù) if(K==2)P1=ZFW[i]&0x1f; if(K==3)P1=FFZ[i]; if(K==4)P1=ZZZ[i]; if(K==5)P1=FZZ[i]; if(K==6)P1=ZFZ[i]; if(K==7)P2=FFW[i]; if(K==8)P2=ZFW[i];speed(sd);//調節(jié)轉速}}}voiddisplayg(){ wela=1; P0=tablewe[1]; wela=0; dula=1; P0=tabledu[ge]; dula=0;}voiddisplays(){ wela=1; P0=tablewe[2]; wela=0; dula=1; P0=tabledu[shi]; 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{P1=0;} */ //mdelay(); //displays(); //mdelay(); }附錄C參考文獻[1]王國安,米鴻濤,鄧天宏等.太陽高度角和日出日落時刻太陽方位角一年變化范圍的計算[J].氣象與環(huán)境科學,2007(9):161-164.[2] AlistairB.Sproul.Derivationofthesolargeometricrelationsusingvectoranalysis[J].RenewableEnergy,2007(32):1187-1195.[3]劉海波,王建芳,于海芹等.太陽能工程中幾種相關角度的計算及應用[J].中國建設動態(tài):陽光能源,2010(6