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基于STM32F103的自动光跟踪系统

时间:2016-07-04来源: 作者: 点击: 160次


   摘要:本文提出了一种基于STM32F103的自动光跟踪系统的实现方法。此系统主要应用在光热或光伏发电系统上,通过STM32F103对光敏电阻采集的数据进行分析实现系统的闭环控制,光照强时通过光敏传感器按四象限安装法实现系统全方位自动跟踪,阴天或多云时通过 伺服机构每分钟至东向西转动0.25o对太阳进行粗略跟踪。并且在大风、大雪、雾霾等恶劣条件下对系统进行保护。

  关键字:STM32F103;光跟踪系统; 闭环控制; 保护

The Sun  Automatically Tracking System Based on 

STM32F103

LIU Ming-qiang,  WANG Cheng,  LIU Xun,  LIU Jin,  ZHANG Zheng-xiang

(GuiZhou Institute of electronics industry, Guizhou 550004, China)

Abstract:

This paper presents a method to achieve automatic optical tracking system based on a STM32F103. This system is mainly used in photothermal or photovoltaic systems, photoresistor’s data collected will be analyzed to achieve closed-loop control system by STM32F103, four-quadrant installation of method to achieve automatic and all-round automatic tracking system, the rotation of servo is per minute 0.5o from east to west, in order to achieve a coarse tracing . The system will be protected when it’s high winds, heavy snow, haze and other harsh weather.

Key words:  STM32F103; optical tracking system; closed-loop controlprotected

1 引言

能源是发展的原动力,在传统的能源利用领域主要以煤、石油、天然气等非再生资源为主。非再生资源的过度使用将会造成资源枯竭、环境恶化等一系列问题,面对能源与环境,环境与经济增长等的诸多矛盾日益突出,探索和利用新能源迫在眉睫[1]

太阳能作为新能源的一个应用领域,具有无污染,储量大、取之不竭等特点。据统计太阳每秒钟向太空发射的能量约3.8*1020 MW,其中有22亿分之一投射到地球上。投射到地球上的太阳辐射被大气层反射、吸收之后,还有约70%投射到地面[2-3]。尽管如此,投射到地面上的太阳能一年中仍高达1.05*1018kWh,相当于1.3*106亿吨标煤,其中我国陆地面积每年接收的太阳辐射能相当于2.4*104亿吨标煤。按照目前太阳质量消耗速率计,太阳内部的热核反应足以维持6*1010年,相对于人类发展历史的有限年代而言,可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。

据《全球新能源发展报告2015》显示,2014年全球总发电量23131.2TWh,同比增长3.2%。化石燃料发电量占全球总发电量比重的66.6%,比重持续下降。新能源发电延续了高速增长的趋势,年发电量同比增速达到19%,占全球发电量总额的6.2%。2014年,化石能源累计装机容量持续下降至65.1%,新能源累计装机容量则由2013年的9.5%上涨至10.9%,其中中国发电装机累计达1360GW,同比增9.5%,为全球第一。随着新能源装机量的爆发式增长,相应的配套设备厂商也迎来了一场发展的春天,太阳能发电的增长扩大了太阳跟踪系统市场。

2 概述

传统光跟踪方式主要有机械式、重力式、压差式和控放式等不同类型,在一些跟踪精度要求不是很高的领域中有着广泛应用,但传统式跟踪普遍存在控制精度低,需要人为干涉,不能实现全自动跟踪的缺点,这都极大限制了其发展,追求低耗能高精度的跟踪系统是发展的趋势[4-7]

目前,国内国外实现光跟踪的方法很多,从结构上来说主要有单轴跟踪和双轴跟踪, 从实现方式上来说有从单一方式的跟踪发展到混合式跟踪,主要有三种方式:一种是基于光敏传感器的光电跟踪,一种是基于天文日的视日轨迹跟踪,其次是两种混合跟踪的方式[5-8]

3 系统结构

在此系统设计过程中综合考虑成本、精度和运用环境等因素的前提下,采用了伺服光电双轴跟踪方式。主要由光电传感器模块、控制柜模块、双轴伺服机构模块和监控室模块组成。光电传感模块采集光电信号,传至控制块模块进行数据分析处理,转换为伺服控制信号对伺服机构进行控制,监控室模块主要是在初始化或者极端天气等情况下通过485总线或无线模块对整个系统进行群控控制。各模块间的关系如图1.1所示。

1 太阳跟踪系统结构示意图

3.1 光电传感模块

光电跟踪是通过安装在不同位置的光敏电阻对太阳光的检测,根据光敏元件变化情况与太阳的位置关系从而确定太阳位置的方法。基本原理是:将光敏传感器按一定规律固定在跟踪装置上,当太阳偏移时通过光敏器件的光敏器件的电阻发生变化,电阻的变化转换成电压的变化,通过数模转换和计算处理后得到跟踪信号,通过跟踪信号驱动伺服机构动作,调整装置角度实现准确跟踪[9]。在此系统中由于考虑到价格和可靠性等因素,选择光敏电阻12528。传感器结构如图2所示,其中光敏电阻的安装与柱面成γ度,主体直径为D,透光孔直径为d,柱体高度为h。由此可以计算出传感器的粗调范围和精调范围。

2 光电传感器结构示意图

  当太阳光线与中心轴成α-β ~ α,即

α = 180o – (90o – γ) = 90o + γ

α - β = 90o + γ – arctan (d+D)/2h

所以当太阳光线与中心轴所成角度在90o + γ – arctan (d+D)/2h至90o + γ之间是使用上面四个光敏电阻进行粗调,当小于90o + γ – arctan (d+D)/2h使用底部四个光敏电阻进行精调。当光线与中心轴所成角度大于90o + γ时光电传感反应不灵敏及超出了此系统的调整精度范围。

采样电路如图3所示,RG1~RG8 为精调和粗调级的光敏电阻,R1~R8为采样电阻,C1~C8为滤波电容,通过分压原理进行采样,分别采集精调级BL,BR,BU,BD及粗调级TL,TR,TU,TD的电压

VBL,BR,BU,BDTL,TR,TU,TD=3.3R1-8/( RG1-8+ R1-8)

通过STM32F103T8内部的AD转换模块采集电压,转换为数字信号后,通过485传送至信号处理模块进行处理。

3 采样电路图

3.2 系统信号处理及电机控制模块

随着时间的变化太阳的高度角和方位角不断变化,在此过程中表现为粗调级和精调级光敏电阻左右、上下的差值发生变化,根据光电传感头采集的电压信号的强弱及相对传感器额差值大小来判断太阳的位置,根据差值的大小来调整伺服机构的转动角度实现对太阳的精确对准[10-12]

信号处理模块及电机控制模块基于微控制器STM32F103及实时嵌入式操作系统uC/OS-II进行开发,系统上电后通过STM32对系统的时钟,GPIO模块,定时器模块,ADC模块,DMA模块,BKP模块,458模块,电机模块等进行初始化,操作系统创建任务函数对光电传感器采集的数据进行分析,根据光照情况对伺服机构进行控制。

如图4所示,系统以两分钟为周期对接收到的光电信号数据进行分析处理,对系统实施相应的控制。当采集到的传感器数据的最大值小于1500mV,可认为此时太阳已经落山且太阳还未升起,此时需要把跟踪系统调整到初始位置,及正对东方,以便第二天太阳升起时能快速响应太阳的跟踪;当采集到的传感器数据的最大值大于2300mV小于2800时可认为此时属于阴天,雨雪及雾霾等光照强度较低的天气,此时由于光照强度较低光能的利用效益低,鉴于对电能节约的理念,此时不对太阳进行跟踪,伺服机构不动作;当采集到的传感器数据的最大值大于2800mV小于3000mV,可认为此时属于多云光照强度相对较低的天气,此时光能有一定的利用价值,但是由于此时有云层对太阳光的遮挡,如果启动光电跟踪跟踪机构容易产生误动作,可能不是对太阳的跟踪而是对云层边沿或云层中强度较强的点进行跟踪,而云层中光照强度较高的位置不确定,所以此时不能启动光电跟踪,但此时可以采用时跟的方式对太阳进行大致跟踪,具体为伺服机构每分自东向西旋转0.25o(太阳每秒转过角度 = ( 360o+360O/365)/24*60*60s = 0.00418o/s)。

当采集到的传感器数据的最大值大于3000mV时可认为此时光照强度较高为晴天此时需要开启光电跟踪对太阳进行实时高精度跟踪。当粗调级左右、上下两对传感器的之差的绝对值的最大值大于600mV时,根据差值正负,对伺服机构进行相应调整,此时转速为4.8 o/s,转速快能使系统快速进入跟踪精度范围;当粗调级左右、上下两对传感器的之差的绝对值的最大值大于200mV小于600mV, 伺服机构进行相应调整,此时转速为1 o/s,系统能快速进入精调级范围。当精调级左右、上下两对传感器的之差的绝对值的最大值大于80mV小于200mV, 伺服机构进行相应调整,此时转速为0.48 o/s; 当精调级左右、上下两对传感器的之差的绝对值的最大值大于50mV小于80mV, 伺服机构进行相应调整,此时转速为0.3 o/s; 当精调级左右、上下两对传感器的之差的绝对值的最大值小于50mV时,此时可认为系统已经能正对太阳,停止系统跟踪,等待下一个跟踪周期进行跟踪。

4 系统软件处理流程图

4 总结

  经过多次试验验证此系统能够实现太阳的实时跟踪,跟踪精度高,反应灵敏,快速定位,系统稳定,误动作少,在光热、光伏等领域有较大市场,能显著提高光能的利用率。

5 参考文献

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[2].      志华,刘剑军. 国内太阳能热发电技术发展与应用现状[J]. 太阳能,2013,24:29-32.

[3].      CHONG K K,WONG C W. General formula for on-axis sun-tracking system and its application in improving tracking accuracy of solar collector[J].Solar Energy,2009,83:298-305


[4].      侯长来. 太阳跟踪装置的双模式控制系统[J]. 可再生能源,2010,01:89-92.

[5].      李鹏,廖锦城,蔡兰兰,杨培环,吴贺利,翟鹏程,张清杰. 双轴太阳跟踪系统运动控制规律的研究[J]. 机械制造,2010,06:23-26.

[6].      刘剑,李彤,陈兆华. 太阳能电池板自动跟踪系统[J]. 现代建筑电气,2016,02:58-61.

[7].      张金敏,王斌. 光照快速变化条件下的运动目标检测[J]. 光电工程,2016,02:14-21.

[8].      马健,向平,赵卫凤,毕玉庆. 基于步进电机的太阳跟踪系统设计[J]. 电力电子技术,2008,09:34-36.

[9].      JOACHIM Benemann. Building ⁃ integrated PV modules [J]. Solar Energy Materials & Solar Cells,2001,67:345⁃354.

[10].   耿其东,李春燕. 双轴式太阳跟踪装置控制系统的研究[J]. 机械与电子,2011,03:53-56.

[11].   王红睿,王玉鹏,方伟. 智能双模式太阳跟踪器[J]. 光学精密工程,2011,07:1605-1611.

[12].   郑恩让,李明勇,宁铎. 双模式互补高精度太阳跟踪系统的设计[J]. 自动化与仪表,2013,02:16-19.

 

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