專利名稱：錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種能檢測(cè)出太陽光方位，使錨泊浮標(biāo)用太陽能電池板能自動(dòng)跟蹤太陽方位的錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，浮標(biāo)系統(tǒng)在海洋資源開發(fā)、環(huán)境預(yù)報(bào)、海上運(yùn)動(dòng)、防災(zāi)救災(zāi)、國防建設(shè)和科學(xué) 研究等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。按系留方式區(qū)分，浮標(biāo)系統(tǒng)可分為系留式和自由漂移式兩種。 這兩種系統(tǒng)本身又可分成水面和水下的浮標(biāo)系統(tǒng)。不論何種浮標(biāo)系統(tǒng)，浮標(biāo)電源是浮標(biāo)系 統(tǒng)的重要部分，浮標(biāo)電源技術(shù)也是浮標(biāo)技術(shù)重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)之一。目前，浮標(biāo)系統(tǒng)使用的供 電方式有兩種一是只用蓄電池，二是采用太陽能電池+蓄電池。只用蓄電池的供電方式， 蓄電池需要定期換回對(duì)其重新充電，這不僅給浮標(biāo)管理帶來較大的工作量，而且需要較大 的維持費(fèi)用支持。采用太陽能電池+蓄電池的供電方式，晴天白晝利用太陽能電池供電系 統(tǒng)對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行供電，并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；夜晚或陰雨天由蓄電池對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)供電，因 此，第二種供電方式克服了第一種供電方式的缺點(diǎn)，也正因此，第二種供電方式在浮標(biāo)系統(tǒng) 中得到廣泛的應(yīng)用。目前，公知的浮標(biāo)用太陽電池供電系統(tǒng)中電池板的安裝方法有兩種一是使用一 塊電池板，并采用固定的安裝方法；二是把幾塊太陽能電池板安裝在一個(gè)棱臺(tái)的側(cè)板上，而 棱臺(tái)是固定在浮標(biāo)上的。浮標(biāo)在海上，由于受風(fēng)、浪、流的影響，其方向是不定的。顯然，使 用一塊固定安裝的電池板，電池板會(huì)因風(fēng)、浪、流的影響而偏離最佳的受光角度，并且不能 自動(dòng)調(diào)節(jié)使之處于最佳的受光位置。把幾塊太陽能電池板安裝在一個(gè)棱臺(tái)的側(cè)板上，雖然 能保證總有一塊、或幾塊、或部分電池板朝向太陽光，但難以保證這些電池板都位于最佳的 受光角度，并且總有電池板位于陰影面，這大大地降低了太陽能電池板的利用率。陸上用的太陽能自動(dòng)跟蹤控制器在陸上太陽能裝置中得到了廣泛應(yīng)用，但陸上用 太陽能裝置中的電池板除了跟蹤太陽的運(yùn)動(dòng)外，沒有其它外力使之轉(zhuǎn)動(dòng)或漂動(dòng)。而海上浮 標(biāo)上的太陽能裝置中的電池板則不一樣，它會(huì)因海上風(fēng)、浪、流的影響而使其采光面漂浮不 定，因而，陸上用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器不能用于控制浮標(biāo)上的太陽能裝置中電池板。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的浮標(biāo)用太陽能電池供電系統(tǒng)中太陽能電池板不能自動(dòng)調(diào)節(jié)或利 用率低的不足，以及克服陸上用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器不能用于控制浮標(biāo)上的太陽能裝置 中電池板的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，該控制器的輸出控 制信號(hào)連接至一個(gè)驅(qū)動(dòng)太陽能電池板的微型步進(jìn)電機(jī)，使太陽能電池板能跟蹤太陽，一旦 電池板因風(fēng)、浪、流的影響而偏離最佳的受光角度，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，整個(gè)太陽能電池板能調(diào) 節(jié)到最佳的受光方位。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控 制器，包括太陽能傳感器、太陽能傳感器安裝棱臺(tái)、智能充電模塊、微處理器、連接微處理器的按鍵、A/D轉(zhuǎn)換器、PC機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及DC-DC轉(zhuǎn)換器；所述的太陽能傳感器安裝 棱臺(tái)為用板材做成的正十二邊形的棱臺(tái)，棱臺(tái)側(cè)板的傾 角等于浮標(biāo)安裝地點(diǎn)太陽的高度角，棱臺(tái)的十二個(gè)側(cè)板及上、下端面板的中心處各有一個(gè) 通孔；所述的太陽能傳感器包括筒體及設(shè)置在筒體內(nèi)的一塊橫隔板、一個(gè)光敏電阻以及 信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換電路；所述的筒體為前端開口、后端帶有端蓋的殼體，并且后端蓋的中心處 有一個(gè)通孔，在筒體的內(nèi)腔中置有一橫隔板，該橫隔板上固定光敏電阻和布置信號(hào)放大與 轉(zhuǎn)換電路，光敏電阻固定在橫隔板的中心處，光敏電阻的檢測(cè)面在筒體內(nèi)朝向前端口，并從 前端口受光，光敏電阻的引腳和信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換電路連接；整個(gè)太陽能傳感器的輸出引腳 經(jīng)筒體的后端蓋中心孔引出筒體外，之后再經(jīng)其安裝棱臺(tái)下端面板的中心孔引出棱臺(tái)外；所述的正十二邊形棱臺(tái)各側(cè)板孔內(nèi)各放置一個(gè)太陽能傳感器用于檢測(cè)太陽光的 方位，每個(gè)側(cè)板通孔外表孔口處貼裝尺寸孔口相同的透光玻璃；所述的太陽光方位傳感器 中的光敏電阻的檢測(cè)面與其安裝側(cè)板的平面平行；所述的正十二邊形棱臺(tái)的上端面板的中 心孔內(nèi)放置一個(gè)太陽能傳感器用于檢測(cè)太陽的輻照強(qiáng)度，當(dāng)太陽的輻照度低于或高于工作 照度時(shí)，自動(dòng)跟蹤控制器就輸出關(guān)機(jī)或開機(jī)信號(hào)，在上端面板的中心孔外表孔口處貼裝尺 寸與孔口相同的透光玻璃。所述的太陽能傳感器安裝棱臺(tái)固定在錨泊浮標(biāo)上一個(gè)太陽光不被遮擋的水平面 上，其上、下端面與水平面平行；被控制的太陽能電池板安裝在錨泊浮標(biāo)上一個(gè)太陽光不被 遮擋的水平面上，其傾角與太陽能傳感器安裝棱臺(tái)側(cè)板的傾角等同，都等于浮標(biāo)安裝地點(diǎn) 太陽的高度角；太陽能傳感器安裝棱臺(tái)各側(cè)板上的太陽能傳感器采集太陽光照強(qiáng)度，其輸 出電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入微處理器，微處理器經(jīng)過比較后可確定太陽光與當(dāng)前太陽能 電池板受光面垂直線之間的夾角，微處理器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使太陽能電 池板轉(zhuǎn)動(dòng)到最佳受光方位。所述的微處理器的型號(hào)為PHILIPS公司推出的ARM7TDMI-S架構(gòu)的LPC2148，其中 的固件完成電源控制、太陽能傳感器信號(hào)的采樣、太陽光與當(dāng)前太陽能電池板受光面垂直 線之間夾角的計(jì)算、電機(jī)驅(qū)動(dòng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)成完全中斷驅(qū)動(dòng)；嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇谕ㄓ崊f(xié)議保證了通 訊的可靠性；將固件中的程序分為調(diào)試模式和正常工作模式；配合硬件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的極低 功耗；串口通訊軟件采用LabVIEW編寫，該通訊軟件具有良好的可移植性和人機(jī)界面，另外 采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐ㄓ崊f(xié)議及超時(shí)重發(fā)機(jī)制，用于設(shè)置參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)及調(diào)試信息；微處理器自帶 實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其工作模式是整個(gè)系統(tǒng)在大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔喚醒 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光照采樣及驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成后，又重新轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；控制系統(tǒng)采用太陽能 電池板供電，其光電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)于蓄電池中；在太陽落山后，將整個(gè)系統(tǒng) 休眠，以減少功耗，到第二天太陽升起時(shí)，才重新將系統(tǒng)喚醒。所述的DC-DC轉(zhuǎn)換器的型號(hào)為美國國家半導(dǎo)體公司推出的LM-2596，它不但能提 供穩(wěn)定的電壓和大電流輸出，而且具有低功耗特性，且可以開關(guān)轉(zhuǎn)換。所述的智能充電模塊的智能充電管理芯片的型號(hào)為美國德州儀器推出的UC3906。所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用美國德州儀器生產(chǎn)的微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片 L293，結(jié)合固件程序，能夠精確控制步進(jìn)電機(jī)，形成準(zhǔn)閉環(huán)控制。所述的A/D轉(zhuǎn)換器的型號(hào)為微芯公司推出的MCP3208，具有12位轉(zhuǎn)換精度，且可以通過SPI接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制。電路中使用兩個(gè)MCP3802進(jìn)行總線式連接，可擴(kuò)展16路A/D 轉(zhuǎn)換通道。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)一是把太陽能傳感器安裝在固定于浮 標(biāo)上的正十二邊形棱臺(tái)的各側(cè)板孔內(nèi)，由于正十二邊形棱臺(tái)的對(duì)稱性，即使浮標(biāo)因風(fēng)、浪、 流的影響轉(zhuǎn)動(dòng)或漂移，總能檢測(cè)出太陽光與當(dāng)前太陽能電池板受光面垂直線之間的夾角， 通過控制器的驅(qū)動(dòng)操作，從而使太陽能電池板能自動(dòng)跟蹤太陽光；二是太陽能傳感器及其 安裝棱臺(tái)、控制電路的結(jié)構(gòu)簡單、成本低，因此，本發(fā)明的性價(jià)比顯然優(yōu)越于把幾塊太陽能 電池板安裝在一個(gè)棱臺(tái)側(cè)面上的技術(shù)。


圖1是本發(fā)明錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明太陽能傳感器安裝棱臺(tái)示意圖；
圖3是本發(fā)明太陽能傳感器8的結(jié)構(gòu)的立體示意圖；圖4是本發(fā)明太陽能傳感器8的俯視示意圖；圖5是本發(fā)明微處理器接口電路原理圖；圖6是本發(fā)明按鍵電路原理圖；圖7是本發(fā)明RS232通訊接口電路原理圖；圖8是本發(fā)明步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路原理圖；圖9是本發(fā)明DC-DC轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖；圖10是本發(fā)明智能充電管理電路原理圖；圖11是本發(fā)明微處理器3. 3V電源電路原理圖；圖12是本發(fā)明太陽能傳感器電流采樣電路原理圖；圖13是本發(fā)明A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖14是本發(fā)明JTAG調(diào)試接口電路原理圖；圖15是本發(fā)明系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖；圖16是本發(fā)明系統(tǒng)時(shí)鐘以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路原理圖；圖17是本發(fā)明主程序流程圖；圖18是本發(fā)明按鍵功能處理流程圖；圖19是本發(fā)明工作\休眠處理流程圖；圖20是本發(fā)明上位PC機(jī)端軟件界面。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明說明如下本錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器包括下述的硬件和軟件。本錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器的硬件參見圖1，一種錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，包括微處理器5、按鍵6、太陽 能傳感器安裝棱臺(tái)7、太陽能傳感器8、A/D轉(zhuǎn)換器9、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11、智能充電模塊2、 DC-DC轉(zhuǎn)換器4。微處理器5LPC2148是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它通過串口與PC機(jī)10通訊，獲取 系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)和交互信息；微處理器5內(nèi)部具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，通過設(shè)置可使微處理器5從休眠狀態(tài)中喚醒，每次喚醒，太陽能傳感器8的輸出電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號(hào)后輸入微處理器5，微處理器5經(jīng)過比較后可確定太陽光與當(dāng)前太陽能電池板1受光 面垂直線之間的夾角，微處理器5控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使太陽能電池板1 轉(zhuǎn)動(dòng)到最佳受光方位；太陽能電池板1在采光過程中，通過智能充電模塊2的充電管理芯片 UC3906對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池3進(jìn)行充電；蓄電池3提供系統(tǒng)的整體電源，該電源通過 DC-DC轉(zhuǎn)換器4變換為5V直流穩(wěn)壓電源，5V直流電源為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11、太陽能傳感器 8中信號(hào)處理電路供電，同時(shí)經(jīng)過圖11中芯片AS1117-3. 3轉(zhuǎn)換為微處理器5所需的3. 3V 工作電壓；DC-DC轉(zhuǎn)換器4的型號(hào)為LM-2596，其使能控制腳為低電平使能，接入微處理器 5，當(dāng)微處理器5進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，可以關(guān)閉5V直流，轉(zhuǎn)為微處理器5外接紐扣電池供電，此 時(shí)系統(tǒng)只需5uA的電流。 本錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器硬件的特點(diǎn)如下1、12路均勻分布在傳感 器安裝棱臺(tái)7上的太陽能傳感器8將所采集的光照強(qiáng)度經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器9輸入微處理器5， 微處理器5根據(jù)最強(qiáng)光照傳感器所在的位置以及當(dāng)前太陽能電池板1所在的位置，可確定 太陽光與當(dāng)前太陽能電池板1受光面垂直線之間的夾角，使太陽能電池板1進(jìn)行太陽最佳 光照跟蹤。2、系統(tǒng)電源為太陽能電池板1經(jīng)智能充電模塊2向閥控式密封鉛酸蓄電池3充 電，所述蓄電池3為12V/7Ah，它經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器4向系統(tǒng)供電。3、微處理器5采用PHILIPS 公司推出的ARM7TDMI-S架構(gòu)的LPC2148，在固件程序中以響應(yīng)事件為驅(qū)動(dòng)，保證了程序的 穩(wěn)定性；精確控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)方式；計(jì)算太陽光與當(dāng)前太陽能電池板1受光面垂直線 之間的夾角；微處理器5自帶的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以讓系統(tǒng)進(jìn)入極低功耗的休眠狀態(tài)，并根據(jù)系 統(tǒng)要求進(jìn)行喚醒；微處理器5通過串口與PC機(jī)10連接，通過PC機(jī)10端的軟件，可以調(diào)試、 設(shè)置微處理器5的工作參數(shù)，該軟件在LabVIEW環(huán)境下運(yùn)行；微處理器5系統(tǒng)最終的工作形 式是在脫機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行，即無需與PC機(jī)10連接；控制系統(tǒng)的工作模式是整個(gè)系統(tǒng)大部分 時(shí)間工作在低功耗的休眠狀態(tài)下，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔喚醒系統(tǒng)，喚醒后，根據(jù)太陽能電池 板1偏離太陽光的角度對(duì)太陽能電池板1進(jìn)行一次校正，完成之后，又重新進(jìn)入休眠狀態(tài)； 當(dāng)在晚上或者陰雨天氣時(shí)，系統(tǒng)工作在休眠模式。4、DC_DC轉(zhuǎn)換器4的型號(hào)為美國國家半導(dǎo)體公司的LM-2596，它不但能提供穩(wěn)定的 電壓和大電流輸出，而且具有低功耗特性，且可以開關(guān)轉(zhuǎn)換。5、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11采用美國德州儀器生產(chǎn)的微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片 L293，結(jié)合固件程序，能夠精確控制步進(jìn)電機(jī)，形成準(zhǔn)閉環(huán)控制。6、A/D轉(zhuǎn)換電路9采用微芯公司的MCP3802芯片，具有12位轉(zhuǎn)換精度，且可以通 過SPI接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制。電路中使用兩個(gè)MCP3802進(jìn)行總線式連接，可擴(kuò)展16路A/D轉(zhuǎn) 換通道。下面對(duì)系統(tǒng)硬件各部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。< 一 >太陽能傳感器安裝棱臺(tái)圖2是太陽能傳感器安裝棱臺(tái)7的示意圖，所述的太陽能傳感器安裝棱臺(tái)7為用 板材做成的正十二邊形的棱臺(tái)，棱臺(tái)各側(cè)板7-3的傾角等于浮標(biāo)安裝地點(diǎn)太陽的高度角， 棱臺(tái)各側(cè)板7-3中心處各有一個(gè)通孔7-4，上端面板7-1中心處有一個(gè)通孔7-2，下端面板 7-5中心處有一個(gè)通孔7-6?！炊堤柲軅鞲衅?br> 參見圖3和圖4，所述的太陽能傳感器8包括筒體8-4及設(shè)置在筒體8_4內(nèi)的一 塊橫隔板8-3、一個(gè)光敏電阻8-1以及信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換電路8-2 ；所述的筒體8-4為前端開 口、后端帶有端蓋的殼體，并且后端蓋的中心處有一個(gè)通孔，在筒體8-4的內(nèi)腔中置有一橫 隔板8-3，該橫隔板8-3上固定光敏電阻8-1和布置信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換電路8-2，光敏電阻8-1 固定在橫隔板8-3的中心處，光敏電阻8-1的檢測(cè)面在筒體8-4內(nèi)朝向前端口，并從前端口 受光，光敏電阻8-1的引腳和信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換電路8-2連接；整個(gè)太陽能傳感器8的輸出引 腳經(jīng)筒體8-4的后端蓋中心孔引出筒體8-4外，之后再經(jīng)其安裝棱臺(tái)7下端面板7-5的中 心孔7-6引出棱臺(tái)7外。參見圖2，所述的傳感器安裝棱臺(tái)7各側(cè)板7-3的通孔7-4內(nèi)各放置一個(gè)太陽能傳 感器8用于檢測(cè)太陽光的方位，每個(gè)側(cè)板7-3的通孔7-4外表處貼裝尺寸與通孔7-4相同的 透光玻璃；所述的太陽光方位傳感器8中的光敏電阻8-1的檢測(cè)面與其安裝側(cè)板7-3的平 面平行；所述的傳感器安裝棱臺(tái)7的上端面板7-1的中心孔7-2內(nèi)放置一個(gè)太陽能傳感器 8用于檢測(cè)太陽的輻照強(qiáng)度，當(dāng)太陽的輻照度低于或高于工作照度時(shí)，自動(dòng)跟蹤控制器就輸 出關(guān)機(jī)或開機(jī)信號(hào)，在上端面板7-1的中心孔7-2外表處貼裝尺寸與通孔7-2相同的透光 玻璃?！慈滴⑻幚砥鱈PC2148接口電路LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7 TDMI-S CPU的 微控制器，并帶有32kB SRAM和512kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口 和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。內(nèi)置了寬范圍的串行通信接 口(多個(gè)UART、SPI、SSP多個(gè)32位定時(shí)器、45個(gè)高速GPIO 口以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸 發(fā)的外部中斷管腳，資源非常豐富。自帶的實(shí)時(shí)時(shí)鐘使系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下只需一個(gè)3V的紐 扣電池就能工作，耗電僅需要5uA。較小的封裝和很低的功耗等特點(diǎn)使LPC2148特別適用于 本發(fā)明的要求。參見圖5，微控制器5采用JTAG接口，可以方便的對(duì)程序進(jìn)行在線調(diào)試和燒錄，讀 寫flash中的數(shù)據(jù)。參見圖13，A/D轉(zhuǎn)換器9中，具有SPI接口的A/D轉(zhuǎn)換芯片MCP3802檢測(cè)12路太 陽能傳感器的采光能量，通過SPI通訊輸入微處理器5。實(shí)時(shí)時(shí)鐘是LPC2148內(nèi)部自帶，只需配置外部晶振電路和紐扣電池，即可工作在 正常模式或者休眠模式下。參見圖6，按鍵1(查找)、按鍵2(后退)、按鍵3(記錄)、按鍵4(向右)、按鍵5(向 左)分別用于人工控制時(shí)的“開啟一次校正”、“歸位”、“記憶狀態(tài)”、“電機(jī)右轉(zhuǎn)”、“電機(jī)左 轉(zhuǎn)，，。參見圖7， 串口通訊電路用于微處理器5與PC機(jī)10進(jìn)行調(diào)試信息及系統(tǒng)狀態(tài)等通 訊。參見圖8，I/O 口 Pl. 16，Pl. 17，Pl. 18，P0. 28，P0. 29，P0. 30 分別接入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)
動(dòng)器11的輸入引腳。參見圖15，系統(tǒng)復(fù)位電路采用具有手動(dòng)復(fù)位和電壓監(jiān)視的MAX811進(jìn)行管理。參見圖16，32. 768MHz和11. 059MHz振蕩電路分別為實(shí)時(shí)時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘接口提 供精準(zhǔn)的振蕩頻率。
〈四〉步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路參見圖8，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路11采用L293作為驅(qū)動(dòng)芯片，通過程序進(jìn)行細(xì)分控制，可以精確地控制驅(qū)動(dòng)太陽能電池板1的微型步進(jìn)電機(jī)左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)1. 8度，并且在LPC2148 中采用一中斷引腳定位轉(zhuǎn)軸的零點(diǎn)位置。<五>DC_DC轉(zhuǎn)換電路參見圖9，在該電路中，當(dāng)蓄電池3電壓超過7V時(shí)，LM2596的使能端被拉低，DC-DC 轉(zhuǎn)換器4開始工作，并向系統(tǒng)提供5V電壓；若蓄電池3電壓小于7V，LM-2596使能端拉高， 轉(zhuǎn)換自動(dòng)關(guān)閉，停止向系統(tǒng)供電?！戳抵悄艹潆婋娐穮⒁妶D10，太陽能電池板1在光照正常時(shí)，提供額定18V直流電壓和300mA直流電 流，它通過智能充電管理芯片UC3906向閥控式密封鉛酸蓄電池3充電；UC3906可以自動(dòng)管 理鉛酸蓄電池3的快充、勻充以及浮充過程，因此可以提高蓄電池3的效率和壽命，達(dá)到真 正的免維護(hù)使用。鉛酸蓄電池3的額定電壓為12V，容量為7Ah，浮充電壓為13.8V，過充電 壓為15V，最大充電電流為250mA?！雌摺堤柲軅鞲衅麟娐穮⒁妶D12，太陽能傳感器8主要是由光敏電阻8-1組成的光照電流采樣電路。電 路采用MAX471芯片，將光敏電阻8-1感應(yīng)光照產(chǎn)生的電流信號(hào)，按一定比例轉(zhuǎn)換為電壓信 號(hào)輸出。系統(tǒng)中有13路太陽能傳感器8，其中12路均勻分布在安裝棱臺(tái)7側(cè)板7-3的通孔 7-4內(nèi)為判斷太陽的最佳方位提供數(shù)據(jù)，另一路安裝在棱臺(tái)7上端面板7-1的通孔7-2內(nèi)， 用于確定環(huán)境光照，如晴天還是陰天，也用于輔助實(shí)時(shí)時(shí)鐘確定白天或者黑夜。本錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器的軟件本錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器的控制軟件包括兩部分LPC2148中的固件 及上位PC機(jī)的通訊軟件。< 一 >固件編程本控制系統(tǒng)的固件程序在Windows XP操作系統(tǒng)下，采用ADS1. 2進(jìn)行編程，語言主 要采用C語言。本控制系統(tǒng)的固件程序流程圖如圖17、圖18和圖19所示，首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化， 中斷配置、實(shí)時(shí)時(shí)鐘配置、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至零點(diǎn)、串口通訊配置、SPI接口設(shè)置，如無按鍵按下，系 統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)操作。實(shí)時(shí)時(shí)鐘每隔5分鐘進(jìn)行一次中斷，根據(jù)光照環(huán)境和時(shí)間段，判斷是否進(jìn) 行太陽能電池板1的方位校正或者休眠。若進(jìn)行校正，則執(zhí)行AD采集，對(duì)12路A/D轉(zhuǎn)換值 進(jìn)行最大值比較，進(jìn)而計(jì)算當(dāng)前太陽能電池板1偏離最佳光照的相對(duì)位置，以輸出信號(hào)控 制驅(qū)動(dòng)太陽能電池板1步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行太陽能電池板1的方位校正。當(dāng)有按鍵按下，“查找”按鍵使太陽能電池板1進(jìn)行一次最佳方位的校正；“后退” 按鍵使驅(qū)動(dòng)太陽能電池板1的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至零點(diǎn)，并記錄狀態(tài)參數(shù)；“記錄”按鍵使系統(tǒng) 記錄當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)；“向左”和“向右”按鍵使驅(qū)動(dòng)太陽能電池板1的步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針或者 順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)接收到串口數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)串口數(shù)據(jù)幀的格式，進(jìn)行命令解釋，進(jìn)入相關(guān)處理，如 參數(shù)的讀寫、調(diào)試信息等。
〈二〉上位PC機(jī)的通訊軟件上位PC機(jī)10的界面如圖20所示，該軟件主要用于顯示與設(shè)定系統(tǒng)的工作參數(shù)。 當(dāng)系統(tǒng)工作在校正方位狀態(tài)中，LED顯示控件為紅色；當(dāng)系統(tǒng)在休眠中，LED顯示控件為綠 色；界面中的“系統(tǒng)時(shí)間”顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)，并可通過“時(shí)鐘圖標(biāo)”設(shè)定系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘； “自動(dòng)/手動(dòng)”用于選擇以自動(dòng)或者手動(dòng)方式調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)；“當(dāng)前環(huán)境光照電流”用于顯 示當(dāng)前環(huán)境光照下的電流大小，單位為mA ；"12路光照碼盤”中的“0 11”分別代表棱臺(tái) 上的12個(gè)太陽能傳感器，而碼盤上的指針總是指向光照最佳的太陽能傳感器，即指示了最 佳光照方位。錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器控制錨泊浮標(biāo)上的電池板跟蹤太陽光照的工 作原理如下太 一個(gè)太陽光不被遮擋的水平面上，其傾角與太陽能傳感器安裝棱臺(tái)7側(cè)板7-3的傾角等 同，都等于浮標(biāo)安裝地點(diǎn)太陽的高度角。太陽能傳感器安裝棱臺(tái)7各側(cè)板7-3上的太陽能 傳感器8采集太陽光照強(qiáng)度，其輸出電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn)換后送入微處理器5，微處 理器5經(jīng)過比較后可確定太陽光與當(dāng)前太陽能電池板1受光面垂直線之間的夾角，微處理 器5控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器11驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使太陽能電池板1轉(zhuǎn)動(dòng)到最佳受光方位。
權(quán)利要求
1.一種錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，包括微處理器、按鍵、太陽能傳感器安裝棱 臺(tái)、太陽能傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、智能充電模塊、DC-DC轉(zhuǎn)換器；其特征在 于所述的太陽能傳感器安裝棱臺(tái)(7)為用板材做成的正十二邊形的棱臺(tái)，棱臺(tái)各側(cè) 板(7-3)的傾角等于浮標(biāo)安裝地點(diǎn)太陽的高度角，棱臺(tái)各側(cè)板(7-3)中心處各有一個(gè)通 孔(7-4)，上端面板(7-1)中心處有一個(gè)通孔(7-2)，下端面板(7-5)中心處有一個(gè)通孔 (7-6)；所述的太陽能傳感器(8)包括筒體(8-4)及設(shè)置在筒體(8-4)內(nèi)的一塊橫隔板(8-3)、 一個(gè)光敏電阻(8-1)以及信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換電路(8-2)；所述的筒體(8-4)為前端開口、后端 帶有端蓋的殼體，并且后端蓋的中心處有一個(gè)通孔，在筒體(8-4)的內(nèi)腔中置有一橫隔板 (8-3)，該橫隔板(8-3)上固定光敏電阻(8-1)和布置信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換電路(8-2)，光敏電 阻(8-1)固定在橫隔板(8-3)的中心處，光敏電阻(8-1)的檢測(cè)面在筒體(8-4)內(nèi)朝向前 端口，并從前端口受光，光敏電阻(8-1)的引腳和信號(hào)放大與轉(zhuǎn)換電路(8-2)連接；整個(gè)太 陽能傳感器⑶的輸出引腳經(jīng)筒體(8-4)的后端蓋中心孔引出筒體(8-4)夕卜，之后再經(jīng)其 安裝棱臺(tái)(7)下端面板(7-5)的中心孔(7-6)引出棱臺(tái)(7)外；所述的傳感器安裝棱臺(tái)(7)各側(cè)板(7-3)的通孔(7-4)內(nèi)各放置一個(gè)太陽能傳感器 (8)用于檢測(cè)太陽光的方位，每個(gè)側(cè)板(7-3)的通孔(7-4)外表處貼裝尺寸與通孔(7-4) 相同的透光玻璃；所述的太陽光方位傳感器(8)中的光敏電阻(8-1)的檢測(cè)面與其安裝側(cè) 板(7-3)的平面平行；所述的傳感器安裝棱臺(tái)(7)的上端面板(7-1)的中心孔(7-2)內(nèi)放 置一個(gè)太陽能傳感器(8)用于檢測(cè)太陽的輻照強(qiáng)度，當(dāng)太陽的輻照度低于或高于工作照度 時(shí)，自動(dòng)跟蹤控制器就輸出關(guān)機(jī)或開機(jī)信號(hào)，在上端面板(7-1)的中心孔(7-2)外表處貼裝 尺寸與通孔(7-2)相同的透光玻璃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，其特征在于所述的太 陽能傳感器安裝棱臺(tái)(7)固定在錨泊浮標(biāo)上一個(gè)太陽光不被遮擋的水平面上，其上端面 (7-1)和下端面(7-5)與水平面平行；被控制的太陽能電池板(1)安裝在錨泊浮標(biāo)上一個(gè) 太陽光不被遮擋的水平面上，其傾角與太陽能傳感器安裝棱臺(tái)(7)側(cè)板(7-3)的傾角等同， 都等于浮標(biāo)安裝地點(diǎn)太陽的高度角；太陽能傳感器安裝棱臺(tái)(7)各側(cè)板(7-3)上的太陽 能傳感器(8)采集太陽光照強(qiáng)度，其輸出電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(9)轉(zhuǎn)換后送入微處理器 (5)，微處理器(5)經(jīng)過比較后可確定太陽光與當(dāng)前太陽能電池板(1)受光面垂直線之間的 夾角，微處理器(5)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(11)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使太陽能電池板(1)轉(zhuǎn)動(dòng)到最 佳受光方位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，其特征在于所述的微處 理器(5)的型號(hào)為PHILIPS公司推出的ARM7TDMI-S架構(gòu)的LPC2148，其中的固件完成電源 控制、太陽能傳感器(8)的信號(hào)采樣、太陽光與當(dāng)前太陽能電池板(1)受光面垂直線之間夾 角的計(jì)算、電機(jī)驅(qū)動(dòng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)成完全中斷驅(qū)動(dòng)；嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇谕ㄓ崊f(xié)議保證了通訊的可靠 性；將固件中的程序分為調(diào)試模式和正常工作模式；配合硬件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的極低功耗；串 口通訊軟件采用LabVIEW編寫，該通訊軟件具有良好的可移植性和人機(jī)界面，另外采用嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)耐ㄓ崊f(xié)議及超時(shí)重發(fā)機(jī)制，用于設(shè)置參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)及調(diào)試信息；微處理器(5)自帶實(shí) 時(shí)時(shí)鐘，其工作模式是整個(gè)系統(tǒng)在大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔喚醒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光照采樣及驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成后，又重新轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；控制系統(tǒng)采用太陽能電 池板(1)供電，其光電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)于蓄電池(3)中；在太陽落山后，將整個(gè) 系統(tǒng)休眠，以減少功耗，到第二天太陽升起時(shí)，才重新將系統(tǒng)喚醒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，其特征在于所述的 DC-DC轉(zhuǎn)換器(4)的型號(hào)為美國國家半導(dǎo)體公司推出的LM-2596，它不但能提供穩(wěn)定的電壓 和大電流輸出，而且具有低功耗特性，且可以開關(guān)轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，其特征在于所述的智能 充電模塊的智能充電管理芯片的型號(hào)為美國德州儀器推出的UC3906。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，其特征在于所述的步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(11)采用美國德州儀器生產(chǎn)的微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片L293，結(jié)合固件程 序，能夠精確控制步進(jìn)電機(jī)，形成準(zhǔn)閉環(huán)控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，其特征在于所述的A/D 轉(zhuǎn)換器(9)的型號(hào)為微芯公司推出的MCP3208，具有12位轉(zhuǎn)換精度，且可以通過SPI接口進(jìn) 行轉(zhuǎn)換控制；電路中使用兩個(gè)MCP3802進(jìn)行總線式連接，可擴(kuò)展16路A/D轉(zhuǎn)換通道。
全文摘要
一種錨泊浮標(biāo)用太陽能自動(dòng)跟蹤控制器，包括傳感器及其安裝棱臺(tái)、智能充電模塊、微處理器、連接微處理器的按鍵、A/D轉(zhuǎn)換器、PC機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及DC-DC轉(zhuǎn)換器。傳感器安裝棱臺(tái)為正十二邊形的棱臺(tái)，棱臺(tái)側(cè)板的傾角等于浮標(biāo)安裝處太陽的高度角，棱臺(tái)的十二個(gè)側(cè)板及上、下端面板的中心處各有一個(gè)通孔。棱臺(tái)和被控制的太陽能電池板正確地固定在錨泊浮標(biāo)上。棱臺(tái)各側(cè)板孔內(nèi)傳感器采集太陽光照強(qiáng)度，其輸出信號(hào)經(jīng)處理后送入微處理器比較，可確定太陽光與當(dāng)前太陽能電池板受光面之間的相對(duì)位置，控制步進(jìn)電機(jī)使太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)到最佳受光方位。棱臺(tái)上端面板的中心孔內(nèi)傳感器用于檢測(cè)太陽的輻照強(qiáng)度，根據(jù)輻照強(qiáng)度自動(dòng)跟蹤控制器輸出關(guān)機(jī)或開機(jī)信號(hào)。
文檔編號(hào)G05D3/00GK102005973SQ201010522649
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者何真, 劉璨, 吳振陸, 愈國燕, 杜健航, 王筱珍, 王貴, 鄢奉林 申請(qǐng)人:廣東海洋大學(xué)