CN101782745A - 太阳光聚光器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳光聚光器控制系统，包括太阳光跟踪传感器：由环境光传感器、方位角传感器和高度角传感器组成，将东西南北方向的太阳光信号转换成电信号；中央处理电路：对太阳光跟踪传感器的信号进行采集后，经运算放大电路放大信号后传输给中央处理器，中央处理器分析后给出控制信号至动作驱动电路；动作驱动电路：由驱动器、继电器和电机组成，中央处理器给出的控制信号经驱动器放大后驱动继电器，由继电器控制电机动作。本发明结构简单，控制精度高，而成本低廉，性价比好。

Description

太阳光聚光器控制系统

技术领域

本发明涉及一种太阳光聚光器的控制系统，该控制系统用于太阳光聚光器上感光传感器信号的采集、分析和处理，并驱动太阳光聚光器机械部分动作跟踪太阳光。

背景技术

随着地球人口的增长，能源已成为迫切需要解决的焦点问题之一。越来越多的人将解决的关键投注在自然能源上，如太阳能、潮汐能等。提高太阳光利用率，实时跟踪太阳的位置，实现光线直射是关键。太阳光跟踪可以使太阳能更有效地转换成热能、机械能、电能和化学能，其中太阳热能利用历史最为久远，开发最为普遍；现在，太阳光能的应用也正变为一个新的研究领域。电灯照明日益成为商业建筑电力消耗最大支出的现状，促使人们重新关注绿色照明技术，从而使以太阳能采光照明的开发利用不断得到世界各国的重视。大型建筑中应用太阳光改善“室内采光”已经越来越受到建筑师们的极大关注，即采集太阳光并利用光缆把它传输到需要的地方，如大型会议室、教室、危险品仓库、矿井、地下商场、人防工程等等。欧美及日本等发达国家已开发了一系列太阳光采光照明系统，并在工业和民用建设中应用，即节省了能源，又提高了室内环境品质，有益于健康。因此，太阳光采光照明具有显著的经济效益和社会效益。但是，由于现有的太阳光采光照明系统结构复杂、造价昂贵，特别是控制系统部分的电路复杂，限制了其在中国国内的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可精确控制太阳光聚光器的控制系统，其结构简单、成本低廉、可靠性高、操作方便且能满足太阳光聚光器的控制要求，从而在保证使用性能的前提下，降低制造成本，以利于在我国推广应用。

本发明所述的太阳光聚光器控制系统，包括，

太阳光跟踪传感器：包括环境光传感器、方位角传感器和高度角传感器，

中央处理电路：包括信号放大电路、限位开关电路和中央处理器，

动作驱动电路：包括驱动器和继电器，

太阳光跟踪传感器将太阳光聚光器所处位置的光信号转换成电信号并经放大后送至中央处理电路，中央处理器分析后给出各种控制信号至动作驱动电路，经动作驱动电路的驱动器处理后，控制相应的各继电器工作，由继电器控制电机、电磁离合器动作调整聚光器始终对准阳光。

所述太阳光跟踪传感器包括环境光传感器、方位角传感器和高度角传感器，三者位于一个共同的基座上，所述环境光传感器由两个硅光电池构成，两个硅光电池呈90°布置在基座上。

方位角传感器和高度角传感器结构相同且相互垂直布置，两者都是由两个硅光电池、一块遮阳板组成，两块遮阳板呈垂直状态、间隔一定距离固定在基座上，两个硅光电池分别安装在两块遮阳板外侧底部的基座上。

在基座的侧面设有转动限位开关触发块，在基座外内对应位置分别设有两个转动限位开关；在基座下上的摆动轴上装有摆动限位开关触发块，在摆动轴外内对应位置分别设有两个摆动限位开关；在中央处理电路中设有限位开关电路，限位开关电路的输入端连接转动限位开关和摆动限位开关，输出端连接中央处理器。

本发明首先通过一个环境光传感器测量所处的环境是否有阳光，光度传感器得到环境光信号后，在黑夜或是阴天的情况下，需要光时，切换到由电产生光的状态，不需要光时，系统不动作；在白天有太阳的情况下，方位角传感器和高度角传感器接收太阳光，将光信号转换成电信号，再经放大之后送入中央处理器，中央处理器中的模数转换器将模拟信号转换成数字信号，中央处理器对这些数字信号进行分析，判断此时经聚光器汇聚的光斑是否包围光纤入口，包围则系统不动作，如果光斑偏离光纤入口，则输出相应的控制代码，控制电动机，电磁离合器动作，从而控制聚光器转动和摆动调节使光纤入口处始终在光斑之内，这样采光面始终正对太阳，吸收的光能最大，且跟踪精度较高。本发明结构简单，控制精度高，而成本低廉，性价比好。

附图说明

图1为本发明控制系统流程图。

图2为本发明环境光传感器的示意图。

图3为本发明方位角传感器的示意图。

图4为本发明高度角传感器和方位角传感器位置布置示意图。

图5为本发明方位角传感器和高度角传感器的工作状态图。

图6为本发明中央处理电路的流程示意图。

图7为本发明中央处理电路中的放大电路示意图。

图8为本发明转动限位开关的布置示意图。

图9为本发明摆动限位开关的布置示意图。

图10为本发明中央处理电路中的限位开关电路图。

图11为本发明动作驱动电路框图。

图12为主控芯片电路图。

图13为动作驱动电路。

图14为继电器电路。

图15为限位开关电路。

具体实施方式

本发明包括机械部分和电路控制部分，机械部分的结构示意图参见本申请人申请号为200820185735.6的实用新型专利。

如图1所示，本发明控制系统包括由环境光传感器、方位角传感器和高度角传感器组成的太阳光跟踪传感器，

由信号放大电路、限位开关电路和中央处理器组成中央处理电路和由驱动器和继电器组成的动作驱动电路。

电源电路：包括专用的隔离电源220VAC-24VDC/220VAC-5VAC/220VAC-12VDC.

系统保护电路：包括过压、过流、正负反接保护。

系统复位电路和系统避雷电路；

水温控制系统：自动控制在40度时2个电扇进行冷却工作；在50度时大电扇进行冷却工作；在60度时滤光片进入光纤上方；在70度时用灯杯在遮住光斑头尾全部开灯；直至温度下到30度后恢复原态。

系统光伏电池给蓄电池充电，内外电源共存电路；

尾灯装置4盞5W的LED灯；尾灯处设有光敏传感器，当室内亮度低于50勒克斯时，尾灯4盞LED灯开；当室内亮度超过300勒克斯时，尾灯4盞LED灯关。

设有水温度显示，各部分故障指示灯，名牌、单位、日期显示，电灯自动或手动开关，滤光器开关，内外电源开关的液晶显示屏电路。

太阳光跟踪传感器的输出端与中央处理电路的放大电路输入端连接，放大电路输出端与中央处理器输入端连接；限位开关电路输出端与中央处理电路的放大电路输入端连接，该放大电路输出端与中央处理器输入端连接；中央处理器输出端与驱动电路的驱动器输入端连接，驱动器输出端与各继电器连接。太阳光跟踪传感器将太阳光聚光器所处位置的光信号转换成电信号并送至中央处理器，中央处理器将太阳光聚光器的各种位置光信号进行采集后转换成电信号由运放电路放大后给中央处理器，中央处理器分析后发出相应的控制信号至动作驱动电路，经动作驱动电路的驱动器处理后控制驱动相应的各继电器工作，由继电器控制电机动作。其中，中央处理器实时采集限位开关电路的动作信息，控制太阳光聚光器的移动位移。将太阳光聚光器运动过程中的位移情况传输给中央处理电路的中央处理器，保证太阳光聚光器到达极限位置后停止运动，防止太阳光聚光器超过运动极限而损坏。

太阳光跟踪传感器用来检测太阳光的位置，其输出端与放大电路输入端连接，包括环境光传感器22、方位角传感器21、高度角传感器23，它们设在基座20上。如图2所示为环境光传感器22，环境光传感器22用来检测环境光的亮度以此来判断是否有太阳，环境光传感器22由两个硅光电池A构成，两个硅光电池呈90°布置，以保证即使在太阳光斜射时仍然可以接收到足够的太阳光。图3所示为方位角传感器21的示意图，方位角传感器21的结构和高度角传感器23的结构完全一样，它们都是由硅光电池C和遮阳板B组成，两个硅光电池C分别安装在遮阳板B外侧底部的基座20上。

图4所示为高度角传感器和方位角传感器的位置布置示意图，二者的安装方向相互垂直。图中，E代表正东方向，S代表正南方向。图5所示为方位角传感器和高度角传感器的工作状态图，根据两个硅光电池C有无光照，把传感器分成三种状态：当左边硅光电池有光照而右边硅光电池没有光照时，聚光器就需逆时针调节(图5a)；当左边硅光电池没有光照而右边硅光电池有光照时，聚光器就需顺时针调节(图5b)；当左边硅光电池和右边硅光电池都有光照时，聚光器无需调节(图5c)。

图6所示为中央处理电路的流程示意图，中央处理电路主要由信号放大电路、限位开关电路和中央处理器即主控芯片电路组成，主控芯片电路主要包括PIC16F877A单片机，信号放大电路主要包括LM358运算放大器及一些电阻电容。从环境光传感器22、方位角传感器21和高度角传感器23的硅光电池输出的电压信号比较弱，需经过运算放大电路将信号放大，和限位开关电路所给的限位信号同时送入主控芯片的模数转换接口，主控芯片通过对信号进行分析、判断，确定系统需要的调整方法，然后给各太阳光聚光器各部分指令。限位开关电路所给的限位信号同时送入中央处理器的模数转换接口，中央处理器通过对信号进行分析、判断，确定系统需要的调整方法。

如图7所示为中央处理电路中的放大电路，包括一个运算放大器和三个电阻R1、R2和R3，两个电容C1和C2。R2和R3决定这个放大电路的放大倍数，为(1+R3/R2)，即将输入的传感器信号放大(1+R3/R2)倍后输出，电容C1，C2为滤波电容，整个系统有6个这样的放大电路分别对传感器信号进行放大。

限位开关电路由一系列感应式限位开关构成，防止机械部分转动或摆动过度造成损坏；另外在电器电路开关控制回路中联接避雷器，图8所示为转动限位开关的布置示意图。在基座20的侧面设有转动限位开关触发块K，在基座20外对应位置分别设有两个转动限位开关K1和K2，转动限位开关的型号为J3-B4C1，转动限位开关K1和K2保证转台只能在180度范围内转动，图中E代表正东方向，S代表正南方向。如图9所示为摆动限位开关的布置示意图。在基座20下的摆动轴上装有摆动限位开关触发块F，在摆动轴外对应位置分别设有两个摆动限位开关F1和F2，摆动限位开关的型号为J3-B4C1，摆动限位开关F1和F2保证转台只能在90度范围内摆动，从而保护摆动机构不会过度摆动而损坏机械部分。图10为限位开关电路，包括一个限位开关和三个电阻。限位开关电路的输入端连接转动限位开关和摆动限位开关，输出端连接中央处理器，当限位开关电路的限位开关F1和F2感应到物体时，就输出一个低电平即限位开关信号为‘0’，当没感应到物体时，输出为一个高电平即限位开关信号为‘1’。本系统有8个这样的限位电路，分别感应系统的极限位置。

图11所示为动作驱动电路，控制信号通过驱动芯片后驱动继电器通断来控制电机和电磁离合器电源，实现系统中所要实现的功能。它由一块驱动器即驱动芯片ULN2003、7个双刀双掷的固体继电器、两个电磁离合器和两个二极管组成。驱动器用来对中央处理器输出的控制信号进行功率放大以获得足够的驱动能力驱动继电器的线圈。继电器作为可控开关用来对电机、离合器以及灯的电源进行控制，采用继电器同时实现控制信号和强电信号的隔离，提高系统的可靠性和安全性。驱动芯片ULN2003将由主控芯片发过来的弱控制信号，转换成电压为24V、驱动能力较强的驱动信号。主电机开关继电器和主电机正反转继电器联合构成控制主电机的控制电路，当系统转动和摆动位置需要调整时，主电机需要运行，这时，主电机开关继电器开关接通，主电机通电开始转动，通过主电机正反转继电器来控制主电机是正转还是反转，一旦系统调节到位了，主电机开关继电器开关断开，主电机停转。转动继电器和摆动继电器则来控制两个电磁离合器的吸合与分离，当系统转动需要调节，那么转动继电器开关导通，其控制的电磁离合器上电吸合，这时主电机带动系统进行转动调节(正反转动由正反转继电器控制)，当转动调节到位后，转动电磁离合器掉电分离，如果还需调节摆动，则使摆动离合器上电吸合，进行摆动调节，如果都调节到位，那么离合器都掉电分开，主电机停转。电磁离合器上的二极管是为防止电磁离合器突然关断时，电磁离合器里的线圈感生电压烧毁线圈。灯电机开关继电器和灯电机正反转继电器的作用和主电机开关继电器和主电机正反转继电器作用一样，用来控制灯电机的运转和正反方向。灯开关继电器则是用来控制等的接通和关断，在黑夜或是阴天的情况下，需要光时，就通过灯电机将灯伸出并接通，不需要灯或白天有太阳的情况，就通过灯电机将灯缩回，关断灯电源。

图12为系统的主控中心即中央处理器，该中央处理器具有高性能的PISC，运算速度快DC-200ns，确保了实时采集8路限位开关信号和8路传感器信号的功能，如果任意一路向中央处理器发出请求信号，中央处理器马上进入中断，发出响应的控制信号，控制信号共有7路，各自对应不同驱动电路。中央处理器的性能和速度保证了整个控制系统的实时性、高效性。

图13为主控驱动和继电器切换电路，UNL2003是高电压、大电流达林顿陈列，控制7个继电器的工作状态，由继电器的断开和闭合状态来控制电机的动作和方向，该电路工作电压高工作电流大，输出还可以高负载电流并行运行，确保了大功率电机的正常工作。

图14为电机驱动继电器的工作电路，继电器为常开型的，在没有收的UNL2003的驱动信号前是断开的，当收的UNL2003的驱动信号后继电器闭合，输出端和输入端短路，继电器的输出端和电机的输入端相连接，故继电器闭合电机工作。

图15为限位开关电路，限位开关是NPN型、电感式、常开型的电路，限位开关的动作情况实时被中央处理器所采集，当限位开关动作时中央处理器就马上发出控制信号给UNL2003，当UNL2003收的中央处理器的信号后立即驱动相应的继电器断开，确保极限位置不被越过。

图12-15分别是动作驱动电路、继电器电路和限位开关电路，它们构成本发明的主要电路部分。

本发明提供了太阳光聚光器的控制器的思路，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种太阳光聚光器控制系统，其特征在于包括：

太阳光跟踪传感器：包括环境光传感器、方位角传感器和高度角传感器，

中央处理电路：包括信号放大电路、限位开关电路和中央处理器，

动作驱动电路：包括驱动器和继电器，

太阳光跟踪传感器将太阳光聚光器所处位置的光信号转换成电信号并经放大后送至中央处理电路，中央处理器分析后给出各种控制信号至动作驱动电路，经动作驱动电路的驱动器处理后，控制相应的各继电器工作，由继电器控制电机、电磁离合器动作调整聚光器始终对准阳光。

2.根据权利要求1所述的太阳光聚光器控制系统，其特征在于包括：太阳光跟踪传感器包括环境光传感器、方位角传感器和高度角传感器，三者位于一个共同的基座上，所述环境光传感器由两个硅光电池构成，两个硅光电池呈90°布置在基座上。

3.根据权利要求2所述的太阳光聚光器控制系统，其特征在于方位角传感器和高度角传感器结构相同且相互垂直布置，两者都是由两个硅光电池、一块遮阳板组成，两块遮阳板呈垂直状态、间隔一定距离固定在基座上，两个硅光电池分别安装在两块遮阳板外侧底部的基座上。

4.根据权利要求2或3所述的太阳光聚光器控制系统，其特征在于包括：在基座的侧面设有转动限位开关触发块，在基座外内对应位置分别设有两个转动限位开关；在基座下上的摆动轴上装有摆动限位开关触发块，在摆动轴外内对应位置分别设有两个摆动限位开关；在中央处理电路中设有限位开关电路，限位开关电路的输入端连接转动限位开关和摆动限位开关，输出端连接中央处理器。

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