李 杰 ，劉二林 ，魏曉文 ，李瑞彪 ，黃恩培

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

太陽(yáng)能因具有普遍性、清潔性等特點(diǎn)，具有很大的開發(fā)潛力[1-2]。在我國(guó)，太陽(yáng)能資源豐富，但在對(duì)太陽(yáng)能的利用中存在間歇性、光照強(qiáng)度不足等問(wèn)題，使得對(duì)太陽(yáng)能的利用率很低[3-4]。基于此，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一種開環(huán)控制的小型定日鏡系統(tǒng)，定日鏡系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡面的水平角度與俯仰角度，將鏡面所反射出的光線能夠定向地照射在集熱塔的上面，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的收集與利用[5]。該設(shè)計(jì)不僅可以應(yīng)用在類似于集熱塔的熱量收集方面，同時(shí)也可以應(yīng)用在比如暗室照明、光線的感應(yīng)等很多需要自動(dòng)反射太陽(yáng)光的場(chǎng)所中，對(duì)降低化石能源的使用量、減少二氧化碳排放有著積極的促進(jìn)作用[6]。

1 定日鏡中太陽(yáng)位置與鏡面反射角度的計(jì)算

1.1 太陽(yáng)位置的計(jì)算

根據(jù)球面三角形公式解天文三角形可得太陽(yáng)高度角和方位角計(jì)算公式如下所示[7]。太陽(yáng)赤緯角δ為：

式中，φ代表當(dāng)?shù)氐木暥?，δ為赤緯角的?shù)值，ω為時(shí)角的數(shù)值。

由以上公式可得到太陽(yáng)的高度角H和方位角A。

1.2 鏡面反射角度的計(jì)算

確定好太陽(yáng)位置后，再結(jié)合向量的運(yùn)算方法，建立如圖1 所示的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到一組太陽(yáng)入射光線的向量和反射光線的向量。根據(jù)入射角與反射角的位置關(guān)系，結(jié)合計(jì)算得到的入射光線的向量和反射光線的向量，計(jì)算出法線向量，按照法線向量就可以對(duì)鏡面姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的角度調(diào)整[8]。

圖1 入射光線與反射光線之間位置關(guān)系

其中，n為全年中的第幾天。太陽(yáng)時(shí)角ω為：

其中，TR為全24 小時(shí)制時(shí)間。

太陽(yáng)高度角H和方位角A為：

其中，Hs、As分別為入射方向的太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。

其中，Hr、Ar分別為反射方向的太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。

2 硬件設(shè)計(jì)

課題組設(shè)計(jì)的定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)由以STM32f103RCT6 為核心的跟蹤控制單元、GPS 模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊以及降壓模塊組成。其跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。該系統(tǒng)工作后，通過(guò)GPS 接收并解碼的位置信息計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角，并將其作為單片機(jī)的輸入信號(hào)。再根據(jù)此刻的太陽(yáng)高度角和方位角計(jì)算出太陽(yáng)入射的角度及方向，進(jìn)而得到此時(shí)的定日鏡鏡面角度。單片機(jī)通過(guò)兩路PWM 輸出對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，控制兩臺(tái)舵機(jī)調(diào)整定日鏡鏡面的水平角度與俯仰角度來(lái)改變反射光線的位置，從而達(dá)到定向反射光線的作用[9]。同時(shí)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否進(jìn)入休眠狀態(tài)。此外，還增加了降壓模塊，對(duì)系統(tǒng)的電路起到了保護(hù)作用。

圖2 跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)方式如下。

1）控制器模塊：本設(shè)計(jì)使用以STM32f103RCT6為主芯片的單片機(jī)開發(fā)板。這種開發(fā)板預(yù)置有多組外設(shè)接口，便于下載程序到芯片。同時(shí)，可以將開發(fā)板與電腦連接，便于對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，能夠很好地滿足系統(tǒng)的控制要求。

2）GPS 模塊：選用型號(hào)為ATK1218-BD。采用GPS 衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星共同發(fā)送信號(hào)的雙模定位芯片，該芯片能夠同時(shí)提供經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、海拔數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)，且直接可以用單片機(jī)的電源進(jìn)行供電。

3）光強(qiáng)檢測(cè)模塊：在此選用普通光敏電阻即可。通過(guò)采集光敏電阻測(cè)量電路輸出的電壓值來(lái)判斷此刻太陽(yáng)光的強(qiáng)弱，若太陽(yáng)光不足，則系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)[10]。

4）驅(qū)動(dòng)模塊：采用兩臺(tái)型號(hào)為MG995 的數(shù)字舵機(jī)。驅(qū)動(dòng)方式為PWM 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，適合用于本系統(tǒng)的采光裝置。

5）電源模塊：系統(tǒng)的電源模塊采用兩節(jié)18650 電池。該型號(hào)電池可以進(jìn)行循環(huán)充電，理想狀態(tài)之下計(jì)算充滿一次電，可以對(duì)系統(tǒng)供電達(dá)到200 h，符合設(shè)計(jì)需要。

6）降壓模塊：采用的型號(hào)為L(zhǎng)M2596S DC-DC 芯片。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在電源模塊里增加兩路降壓模塊，為芯片提高降壓保護(hù)的作用，防止當(dāng)舵機(jī)卡位或者其他情況時(shí)電流過(guò)大損壞單片機(jī)芯片。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程，主要包括主程序、GPS 模塊程序、舵機(jī)角度控制程序等，其中，主程序如圖3所示。

圖3 主程序

程序總體設(shè)計(jì)流程為設(shè)置循環(huán)主程序，由GPS模塊產(chǎn)生詳細(xì)的位置信息和時(shí)間信息，然后將位置、時(shí)間信息發(fā)送給單片機(jī)；在程序中，寫入一個(gè)程序讀取該信息，在子程序里開始初始化兩路PWM 程序，按照設(shè)置的延時(shí)與占空比，系統(tǒng)請(qǐng)求中斷返回到主函數(shù)，程序輸出對(duì)應(yīng)的PWM 脈沖，按照設(shè)定的角度輸出給舵機(jī)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

GPS 模塊以38 400 的波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將系統(tǒng)所接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試和分析。分析數(shù)據(jù)時(shí)采用GPS 模塊配套的串口軟件GNSS_Viewer-7.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和調(diào)試。課題組以甘肅省蘭州市安寧區(qū)為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，得到所需要的參數(shù)信息。

4.2 參數(shù)分析

根據(jù)GPS 模塊返回的位置參數(shù)，計(jì)算從早晨8：30 到下午17：30 的太陽(yáng)高度角H、方位角A及時(shí)角ω之間的變化規(guī)律，設(shè)置程序捕捉參數(shù)間隔的時(shí)間是每30 min 捕獲一次。以2022 年4 月23 日為實(shí)驗(yàn)日期，觀察一天中定日鏡調(diào)整鏡面共19 次，一天之內(nèi)太陽(yáng)高度角H、方位角A及時(shí)角ω的變化趨勢(shì)圖，如圖5 所示。

圖5 一天之內(nèi)太陽(yáng)高度角H、方位角A及時(shí)角ω 的變化趨勢(shì)

由圖5 可知，在每天的正午時(shí)刻（12：00）太陽(yáng)高度角和方位角達(dá)到最高值。按照計(jì)算得到的參數(shù)信息，建立數(shù)學(xué)模型，來(lái)確定太陽(yáng)光線的向量，根據(jù)得到的向量數(shù)據(jù)求出法向量，對(duì)此法向量繪制折線圖，并分解到三個(gè)坐標(biāo)軸上，分別為(x)、(y)、(z)。對(duì)分解后的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，從而計(jì)算得到定日鏡的鏡面角度所需要的調(diào)整值。分解后的向量參數(shù)值如圖6所示。

圖6 分解后的向量參數(shù)值

得到了太陽(yáng)光線的法向量，再按照定日鏡面的法向量和太陽(yáng)光線法向量相平行的基本原則，計(jì)算得到定日鏡的鏡面角所需要調(diào)整的角度。

4.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將定日鏡系統(tǒng)置于光照之下，GPS模塊的外置天線放在無(wú)遮擋和無(wú)干擾的環(huán)境之中，再調(diào)整定日鏡的鏡面來(lái)選取一個(gè)目標(biāo)位置作為反射的基準(zhǔn)點(diǎn)。通過(guò)串口將電腦和控制器進(jìn)行連接，對(duì)GPS 模塊進(jìn)行初始化，在串口助手中查看GPS 模塊的各項(xiàng)參數(shù)是否正常。做好一系列準(zhǔn)備工作之后，將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行完整的連接。啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行工作，記錄鏡面的變化角度，觀測(cè)太陽(yáng)光的反射位置是否在設(shè)定的范圍之內(nèi)。對(duì)每個(gè)角度調(diào)整后的反射點(diǎn)進(jìn)行拍攝，對(duì)比每個(gè)反射點(diǎn)位的變化范圍是否超出設(shè)定的要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)上午10：00 和10：30，中午12：00 和 12：30 兩組鏡面的反射光點(diǎn)的位置的變化圖，如圖7所示。

圖7 反射光點(diǎn)的位置變化

通過(guò)光影可知太陽(yáng)位置的變化，在太陽(yáng)光線變化的過(guò)程之中，反射的光點(diǎn)始終在規(guī)定的范圍之內(nèi)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以判斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基本的功能。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)為一種開環(huán)控制的定日鏡，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)反射作用，始終將太陽(yáng)的光線反射在同一個(gè)位置來(lái)進(jìn)行熱量的收集。設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)光線的位置，把GPS 模塊接收并解碼的位置信息作為單片機(jī)的輸入信號(hào)，單片機(jī)對(duì)接收到的參數(shù)信息進(jìn)行處理和分析，最終轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)舵機(jī)角度的脈沖信號(hào)并輸出到驅(qū)動(dòng)舵機(jī)；舵機(jī)接受脈沖信號(hào)后按照設(shè)定的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整定日鏡鏡面的水平角度與俯仰角度，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整反射光線位置的目的，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本功能。該系統(tǒng)具有跟蹤精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，提高了對(duì)太陽(yáng)能的利用率，具有很廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。