CN111044008A - 一种太阳方位测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种太阳方位测量传感器，包括底座（1）、垂直固定在底座（1）上的支柱（2）以及设在支柱（2）上的水平固定轴（3）；所述水平固定轴（3）上设有圆形基座，所述圆形基座上表面设有投影针（4）；所述投影针（4）垂直于所述圆形基座的上表面；所述投影针（4）采用不透明材料制成，其底端固定于所述圆形基座上表面的圆心处；本发明能有效抵抗干扰、方位感应准确度高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体讲是一种太阳方位测量传感器。
背景技术
现有的太阳方位测量传感器一般直接采用检测阳光在基面两侧的照射强度差来判别方位，这会导致阴天情况下传感器混乱指示不清，尤其会给出错误的方位反馈。极少数基于太阳光阴影判别法的方案却由于结构不合理而存在受环境污染物干扰传感器的情况，例如落叶或者灰尘的覆盖产生阴影而造成干扰进而导致传感器无法判别真正的方位。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种有效抵抗干扰、方位感应准确度高的太阳方位测量传感器。
本发明的技术解决方案如下：一种太阳方位测量传感器，包括底座、垂直固定在底座上的支柱以及设在支柱上的水平固定轴；
所述水平固定轴上设有圆形基座，所述圆形基座上表面设有投影针；所述投影针垂直于所述圆形基座的上表面；所述投影针采用不透明材料制成，其底端固定于所述圆形基座上表面的圆心处；
所述圆形基座上表面环绕所述投影针设有环形光敏电阻阵列，所述环形光敏电阻阵列由串联排布在环形基板上的N个编号为1～N的光敏电阻组成；所述环形基板上相邻的光敏电阻相互接触紧密排列；所述环形光敏电阻阵列排布在环形基板上的光敏电阻可选任意起点按照顺时针或者逆时针顺序依次编号为1～N；每个光敏电阻的中心到所述投影针轴线的距离均为R，其与所述投影针长度L和外径d以及所述光敏电阻的半径r之间的关系为R≤(L+d+2r)/2，其中，4r≤d≤6r；
所述水平固定轴上设有可绕其旋转的透明球形罩，所述透明球形罩包围所述圆形基座及所述投影针并不与它们接触；
所述透明球形罩的球心位于所述水平固定轴的轴线上，所述透明球形罩的一端外壁固定设有与所述水平固定轴同轴且可转动配合的空心齿轮；
所述支柱上设有可相对其旋转的风杯，所述风杯转轴的轴线与所述空心齿轮轴线平行，且所述风杯转轴末端设有与所述空心齿轮啮合的驱动齿轮；
所述圆形基座内部设有与N个串联光敏电阻电连接的电压采样模块，所述电压采样模块通过单片机采样编号为1～N的光敏电阻两端的模数转换电压V1～VN并保存在单片机寄存器中，所述电压采样模块通过贯穿所述水平固定轴的总线与设于支柱上的总线接口电连接；与所述总线接口连接的总线包括所述电压采样模块供电电源线和串行数据总线，如SPI或IIC等，所述电压采样模块的主控芯片可采用STM32系列MCU，由于N个光敏电阻串联，流过的电流相同，通过MCU的AD采样引脚获取每个光敏电阻两端的电压，将该电压通过AD转换后存储在寄存器中供总线输出给外部控制模块使用，如控制太阳能电池板方位角度的控制模块通过总线接口与本发明传感器连接通过总线协议读取到与编号为1～N的串联光敏电阻对应的模数转换电压V1～VN。
所述底座上设有与所述透明球形罩下半球接触的弧形毛刷，所述弧形毛刷的两端连线与所述水平固定轴的轴线平行。
所述环形光敏电阻阵列的每个光敏电阻的伏安特性曲线和光照特性曲线相同。
所述圆形基座的上表面与所述底座的底面平行。
所述圆形基座的上还设有覆盖所述环形光敏电阻阵列的磨砂玻璃。它能有效均衡投射到光敏电阻上的光亮度，而更有效的区分所述投影针在阳光下投射到光敏电阻上的阴影，起到对光照亮度的平滑滤波的作用。
所述风杯的转轴轴向限位在包含轴承的支柱上。
所述投影针采用石墨或者黑色金属材料制成。
所述弧形毛刷的外轮廓弧线所在圆与所述底座的底面垂直，且外轮廓弧线的圆心角为120-170°，具体以不影响所述透明球形罩相对于所述水平固定轴旋转为准。
本发明的有益效果是：本发明可根据所述投影针投射在环形光敏电阻阵列上的阴影判断太阳光方位，根据编号1～N的光敏电阻所对应的方位角可映射出传感器所指示出的方位；当没有太阳光的阴天时，由于阴影辨识度小，每个光敏电阻的阻值趋于一致进而导致采样的电压基本相等；可以使传感器输出无效值，进而防止应用于太阳能电池板方位调节机构时出现频繁误调节动作。本发明还设有可通过风力驱动的风杯，所述风杯通过其转轴末端的驱动齿轮驱动所述空心齿轮进而驱动所述透明球形罩旋转，与其接触的弧形毛刷就可以对所述透明球形罩透光表面进行及时的清理作用，从而有效防止了所述透明球形罩表面被落叶或灰尘覆盖影响投影针的阴影辨识度。
附图说明
图1为本发明的局部剖视结构示意图。
图2为图1中A-A向剖视结构示意图。
图3为本发明正视结构示意图。
图4为本发明实施例中应用示意图。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
实施例
如图1-4所示，一种太阳方位测量传感器，包括底座1、垂直固定在底座1上的支柱2以及设在支柱2上的水平固定轴3；
所述水平固定轴3上设有圆形基座，所述圆形基座上表面设有投影针4；所述投影针4垂直于所述圆形基座的上表面；所述投影针4采用不透明材料制成，其底端固定于所述圆形基座上表面的圆心处即所述投影针4与所述圆形基座同轴；
所述圆形基座上表面环绕所述投影针4设有环形光敏电阻阵列5，所述环形光敏电阻阵列5由串联排布在环形基板5.1上的N个编号为1～N的光敏电阻5.2组成；所述环形基板5.1上相邻的光敏电阻5.2相互接触紧密排列；所述环形光敏电阻阵列5排布在环形基板5.1上的光敏电阻5.2可选任意起点按照顺时针或者逆时针顺序依次编号为1～N；每个光敏电阻5.2的中心到所述投影针4轴线的距离均为R，其与所述投影针4长度L和外径d以及所述光敏电阻5.2的半径r之间的关系为R≤(L+d+2r)/2，其中，4r≤d≤6r；作为优选，r＝2mm，d＝8mm，L＝50mm，R＝30mm。其中，N根据光敏电阻半径r大小作调整使得满足上述关系式的同时相邻的光敏电阻5.2相互接触紧密排列即可。
所述水平固定轴3上设有可绕其旋转的透明球形罩6，所述透明球形罩6包围所述圆形基座及所述投影针4并不与它们接触；这样可以保证透明球形罩6绕轴自由旋转。
所述透明球形罩6的球心位于所述水平固定轴3的轴线上，所述透明球形罩6的一端外壁固定设有与所述水平固定轴3同轴且可转动配合的空心齿轮6.1；空心齿轮6.1与所述透明球形罩6外壁固定且通过轴承套在所述水平固定轴3上。
所述支柱2上设有可相对其旋转的风杯7，所述风杯7转轴的轴线与所述空心齿轮6.1轴线平行，且所述风杯7转轴末端设有与所述空心齿轮6.1啮合的驱动齿轮7.1；所述风杯7与现有的风杯式风速计风杯相同，它由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空杯固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。作为优选驱动齿轮7.1的齿数小于所述空心齿轮6.1的齿数。较佳地所述空心齿轮6.1与驱动齿轮7.1的齿数比大于10:1。
所述圆形基座内部设有与N个串联光敏电阻5.2电连接的电压采样模块8，所述电压采样模块8通过单片机采样编号为1～N的光敏电阻5.2两端的模数转换电压V1～VN并保存在单片机寄存器中，所述电压采样模块8通过贯穿所述水平固定轴3的总线与设于支柱2上的总线接口9电连接；与所述总线接口9连接的总线包括所述电压采样模块8供电电源线和串行数据总线，如SPI或IIC等，所述电压采样模块8的主控芯片可采用STM32系列MCU，由于N个光敏电阻5.2串联，流过的电流相同，通过MCU的AD采样引脚获取每个光敏电阻5.2两端的电压，将该电压通过AD转换后存储在寄存器中供总线输出给外部控制模块使用，如控制太阳能电池板方位角度的控制模块通过总线接口9与本发明传感器连接通过总线协议读取到与编号为1～N的串联光敏电阻5.2对应的模数转换电压V1～VN。
所述底座1上设有与所述透明球形罩6下半球接触的弧形毛刷10，所述弧形毛刷10的两端连线与所述水平固定轴3的轴线平行。
每个光敏电阻5.2的伏安特性曲线和光照特性曲线相同。
所述圆形基座的上表面与所述底座1的底面平行。
所述圆形基座的上还设有覆盖所述环形光敏电阻阵列5的磨砂玻璃。它能有效均衡投射到光敏电阻上的光亮度，而更有效的区分所述投影针4在阳光下投射到光敏电阻上的阴影，起到对光照亮度的平滑滤波的作用。
所述风杯7的转轴轴向限位在包含轴承的支柱2上。
所述投影针4采用石墨或者黑色金属材料制成。
所述透明球形罩6由上下半球组成，材质优选为玻璃，如图1所示，左端可通过端部轴承与所述水平固定轴3可转动配合，右端通过上下拼合固定组成的空心齿轮6.1与所述水平固定轴3可转动配合，较佳地，空心齿轮6.1与所述水平固定轴3之间设有轴承。为加强结合力，所述透明球形罩6由上下半球拼合处可采用透明胶体胶合。
所述弧形毛刷10的外轮廓弧线所在圆与所述底座1的底面垂直，且外轮廓弧线的圆心角为120-170°，具体以不影响所述透明球形罩6相对于所述水平固定轴3旋转为准。
采用所述太阳方位测量传感器获取太阳方位的方法，包括以下步骤：
1)将所述太阳方位测量传感器至于室外水平面上并通过总线接口9供电，外部MCU通过总线接口9与其连接并读取所述电压采样模块8采样到的编号为1～N的光敏电阻5.2两端的对应的模数转换电压V1～VN；多次读取V1～VN并分别求取V1～VN的平均值
作为优选，每隔1秒读取3次数据求取平均值；
2)比较
的大小，得到最大值EVM，其中m属于1～N之一，即光敏电阻5.2的编号；计算
如果
则由编号为m的光敏电阻5.2中心指向所述投影针4下端部中心的矢量指示出了太阳的方位，如图4所示，其中
为可调节的灵敏度系数；优选
为5-10；如果
传感器输出无效值，代表未识别出太阳方位。
本发明在太阳能电池方位调整机构中作为太阳方位传感器使用时首先确定传感器与太阳能电池初始方位的角度映射关系，如果
则由编号为m的光敏电阻5.2中心指向所述投影针4下端部中心的矢量指示出了太阳的方位，那么太阳能电池方位调整机构根据角度映射关系调整太阳能电池朝向传感器指向的方位即可；如果
传感器输出无效值，代表未识别出太阳方位；太阳能电池方位调整机构不做任何动作，也许是阴天或无太阳光照射的情况，进而避免频繁误动作，本发明主要测量太阳的大致方位，东西南北等，太阳高度无法测量，所以作为优化，可将太阳能电池俯仰角调整为45°仰角。
本发明可根据所述投影针4投射在环形光敏电阻阵列5上的阴影判断太阳光方位，根据编号1～N的光敏电阻5.2所对应的方位角可映射出传感器所指示出的方位；当没有太阳光的阴天时，由于阴影辨识度小，每个光敏电阻5.2的阻值趋于一致进而导致采样的电压基本相等；可以使传感器输出无效值，进而防止应用于太阳能电池板方位调节机构时出现频繁误调节动作。本发明还设有可通过风力驱动的风杯7，所述风杯7通过其转轴末端的驱动齿轮7.1驱动所述空心齿轮6.1进而驱动所述透明球形罩6旋转，与其接触的弧形毛刷10就可以对所述透明球形罩6透光表面进行及时的清理作用，从而有效防止了所述透明球形罩6表面被落叶或灰尘覆盖影响投影针4的阴影辨识度。
以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (5)
1.一种太阳方位测量传感器，其特征在于：包括底座（1）、垂直固定在底座（1）上的支柱（2）以及设在支柱（2）上的水平固定轴（3）；
所述水平固定轴（3）上设有圆形基座，所述圆形基座上表面设有投影针（4）；所述投影针（4）垂直于所述圆形基座的上表面；所述投影针（4）采用不透明材料制成，其底端固定于所述圆形基座上表面的圆心处；
所述圆形基座上表面环绕所述投影针（4）设有环形光敏电阻阵列（5），所述环形光敏电阻阵列（5）由串联排布在环形基板（5.1）上的N个编号为1～N的光敏电阻（5.2）组成；所述环形基板（5.1）上相邻的光敏电阻（5.2）相互接触；所述环形光敏电阻阵列（5）排布在环形基板（5.1）上的光敏电阻（5.2）可选任意起点按照顺时针或者逆时针顺序依次编号为1～N；
每个光敏电阻（5.2）的中心到所述投影针（4）轴线的距离均为R，其与所述投影针（4）长度L和外径d以及所述光敏电阻（5.2）的半径r之间的关系为R≤（L+d+2r）/2，其中，4r≤d≤6r；
所述水平固定轴（3）上设有可绕其旋转的透明球形罩（6），所述透明球形罩（6）包围所述圆形基座及所述投影针（4）并不与它们接触；
所述透明球形罩（6）的球心位于所述水平固定轴（3）的轴线上，所述透明球形罩（6）的一端外壁固定设有与所述水平固定轴（3）同轴且可转动配合的空心齿轮（6.1）；
所述支柱（2）上设有可相对其旋转的风杯（7），所述风杯（7）转轴的轴线与所述空心齿轮（6.1）轴线平行，且所述风杯（7）转轴末端设有与所述空心齿轮（6.1）啮合的驱动齿轮（7.1）；
所述圆形基座内部设有与N个串联光敏电阻（5.2）电连接的电压采样模块（8），所述电压采样模块（8）通过单片机采样编号为1～N的光敏电阻（5.2）两端的模数转换电压V1～VN并保存在单片机寄存器中，所述电压采样模块（8）通过贯穿所述水平固定轴（3）的总线与设于支柱（2）上的总线接口（9）电连接；
所述底座（1）上设有与所述透明球形罩（6）下半球接触的弧形毛刷（10），所述弧形毛刷（10）的两端连线与所述水平固定轴（3）的轴线平行。
2.根据权利要求1所述的太阳方位测量传感器，其特征在于：所述环形光敏电阻阵列（5）每个光敏电阻（5.2）的伏安特性曲线和光照特性曲线相同。
3.根据权利要求1所述的太阳方位测量传感器，其特征在于：所述圆形基座的上还设有覆盖所述环形光敏电阻阵列（5）的磨砂玻璃。
4.根据权利要求1所述的太阳方位测量传感器，其特征在于：所述投影针（4）采用石墨或者黑色金属材料制成。
5.根据权利要求1所述的太阳方位测量传感器，其特征在于：所述风杯（7）的转轴轴向限位在包含轴承的支柱（2）上。
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