CN204462868U - 一种基于单片机的太阳自动跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，CMOS摄像头与单片机连接，单片机与驱动电机连接，驱动电机顶端设置有双轴转台，双轴转台与太阳能电池板连接，双轴转台包括有转动平台、Y轴电机、X轴电机、X向转轴、Y向转轴，转动平台底部通过X向转轴与X轴电机连接，转动平台一端通过Y向转轴与Y轴电机连接，采用基于单片机来构建太阳跟踪装置，采用CMOS图像传感器来感知太阳方位，并通过微控制器计算获取太阳跟踪误差，实现对太阳的高精度跟踪，加入视日运动规律，在跟踪目标丢失时，对系统进行重新定位，该系统的结构简单轻便，功耗低，环境适应能力强，能应用于各种太阳能设备。

Description

一种基于单片机的太阳自动跟踪装置

【技术领域】

本实用新型涉及单片机控制跟踪装置技术领域，具体的说是一种基于单片机的太阳自动跟踪装置。

【背景技术】

随着社会的发展和进步，环保节能已经成为人类可持续发展的必要条件。目前，再生能源的开发和利用越来越受到人们的关注。太阳能由于其普遍、无害、无限、长久等特点，成为最绿色、最理想、最可靠的替代能源。但太阳能同时存在分散，不稳定，效率低等特点，太阳能光伏系统为解决这一问题提供了条件。

就目前的太阳能光伏系统而言，如何最大限度提高太阳能的转换率，仍是国内外的研究热点。有研究表明，和始终朝南的固定表面相比，与太阳辐射方向始终保持垂直的表面对太阳能的利用率提高约33％。太阳跟踪装置可以保证太阳辐射方向始终垂直于太阳能电池板平面，使接收到的太阳辐射大大增加，提高了太阳能的接受率与利用率，因而得到广泛的应用。

太阳跟踪装置的分类方法有很多，按照跟踪方法，主要可分为视日运动跟踪和光电跟踪，视日运动跟踪又可分为单轴跟踪和双轴跟踪。光电跟踪装置有较高灵敏度，结构简单，能通过反馈消除累积误差，具有较大优势，但受环境影响很大。其关键部件是光电传感器，常用的是光敏电阻。由于光敏电阻安装位置不连续和环境光散射等因素的影响，系统不能连续跟踪太阳，精度有限。视日运动跟踪能够全天候实时跟踪，但是存在累积误差。其中，单轴跟踪装置结构简单，但跟踪误差大；双轴跟踪装置算法复杂，跟踪难度较大，但跟踪精度较高。

因此，为克服上述技术的不足而设计出一种结构简单轻便，功耗低，环境适应能力强，能应用于各种太阳能设备的一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，正是发明人所要解决的问题。

【实用新型内容】

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其结构简单轻便，功耗低，环境适应能力强，能应用于各种太阳能设备，有非常好的实用价值。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其包括CMOS摄像头、单片机、驱动电机、双轴转台、太阳能电池板，所述CMOS摄像头与单片机连接，所述单片机与驱动电机连接，所述驱动电机顶端设置有双轴转台，所述双轴转台与太阳能电池板连接。

进一步，装置包括有蓄电池，所述蓄电池分别与单片机、驱动电机连接。

进一步，所述双轴转台包括有转动平台、Y轴电机、X轴电机、X向转轴、Y向转轴，所述转动平台底部通过X向转轴与X轴电机连接，所述转动平台一端通过Y向转轴与Y轴电机连接。

进一步，所述X轴电机和Y轴电机分别与电机控制模块连接，所述电机控制模块通过串口通信与单片机连接。

进一步，所述X轴电机和电机控制模块设置在转台基座内。

进一步，所述转动平台与水平面呈四十五度夹角。

进一步，所述CMOS摄像头内设置有    CMOS图像传感器。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用基于单片机来构建太阳跟踪装置，采用CMOS图像传感器来感知太阳方位，并通过微控制器计算获取太阳跟踪误差，实现对太阳的高精度跟踪，加入视日运动规律，在跟踪目标丢失时，对系统进行重新定位。同时，该系统的结构简单轻便，功耗低，环境适应能力强，能应用于各种太阳能设备。

【附图说明】

图1是本实用新型结构示意图。

图2是本实用新型中双轴转台的结构图。

附图标记说明：1-CMOS摄像头；2-ARM控制器；3-蓄电池；4-驱动电机；5-双轴转台；6-太阳能电池板；7-转动平台；8-Y轴电机；9-电机控制模块；10-X轴电机；11-转台基座；12-X向转轴；13-Y向转轴。

【具体实施方式】

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型，应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落在申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型以单片机作为主控制器，采用CMOS图像传感器采集图像，并利用双轴转台5来支撑太阳能电池板6，其中双轴转台5集成了电机驱动与控制部分，通过串口与主控制器的单片机2进行通信。

参见图1是本实用新型结构示意图，装置包括CMOS摄像头1、单片机2、驱动电机4、双轴转台5、太阳能电池板6，CMOS摄像头1内设置有CMOS图像传感器，CMOS图像传感器与单片机2连接，单片机2与驱动电机4连接，驱动电机4顶端设置有双轴转台5，双轴转台5与太阳能电池板6连接。

装置包括有蓄电池3，蓄电池3分别与单片机2、驱动电机4连接，CMOS摄像头1与太阳能电池板6处在同一平面，并固连在双轴转台5上，单片机2与双轴转台5的电机驱动部分采用串口通信方式，装置的供电均由蓄电池3支持，因而形成了一个独立装置。

参见图2是本实用新型中双轴转台5的结构图，双轴转台5包括有转动平台7、Y轴电机8、X轴电机10、X向转轴12、Y向转轴13，转动平台7底部通过X向转轴12与X轴电机10连接，转动平台7一端通过Y向转轴13与Y轴电机8连接，X轴电机10和Y轴电机8分别与电机控制模块9连接，电机控制模块9通过串口通信与单片机2连接，X轴电机10和电机控制模块9设置在转台基座11内，转动平台7与水平面呈四十五度夹角。

本实用新型的基本工作原理是，根据视日运动规律或CMOS图像传感器采集的天空图像，利用单片机2求取装置跟踪控制参数，并通过串口来控制双轴转台5的转动。

从实用角度考虑，太阳跟踪装置的低功耗设计显得尤为重要，单片机2在保证高性能的前提下能够尽量降低功耗，相对于PC机，单片机占用空间较小，质量轻，可靠性强，硬件资源丰富，在简化装置结构的同时为装置功能扩展提供了可能，运用单片机构建的嵌入式图像处理平台大大提高了图像的处理速度，同时有效降低了系统成本，图像处理系统还具有拆装方便，配置灵活等优点，安全性得到大大提高。

系统采用集成式双轴转台，其结构如图2所示，工作电压为24 V，可利用蓄电池供电，在图2中，x向为水平方向，y向为垂直方向，x向转角对应太阳方位角，y向转角对应太阳高度角，该双轴转台x向转动范围为-157°~+157°，y向转动范围为0°~90°，集成了电机控制模块9，并提供串行接口，单片机2可以利用串口通信来控制并驱动双轴转台5在x向和y向上的转动。

 图像传感器主要有CCD、CMOS、CIS三种，其中CMOS图像传感器集成度高，价格低廉，而且可以实现数字化输出，提高了系统设计的灵活性，同时也具有较高的抗干扰性和稳定性。本实用新型采用的图像传感器为COMS摄像头，其功耗为30μW，阵列大小为1300×1028 pixels，焦距为4.85 mm，像素大小为3.18μm×3.18μm。

本实用新型在早晨唤醒跟踪控制装置，启动跟踪控制，进入跟踪模式，下午休眠系统，系统关闭跟踪控制，进入待机模式，同时系统采用粗跟踪和精跟踪，粗跟踪采用视日运动跟踪，精跟踪采用基于计算机视觉的跟踪，粗跟踪为精跟踪提供初始工作条件，精跟踪保证系统的跟踪精度。

唤醒跟踪控制系统时，采用视日运动开环进行粗跟踪，粗跟踪的基本过程是，根据太阳运行的天文规律，利用系统时间和给定的当地经纬度确定太阳高度角和太阳方位角，来驱动并控制步进电机，从而调整太阳能电池板6的角位置，粗跟踪的目的是为了让太阳进入图像传感器的视野范围，主要用于首次定位和目标丢失后的重新定位。

系统工作在跟踪模式时，周期性采集图像，采用基于计算机视觉的闭环校正进行精跟踪，精跟踪的基本过程是，通过对采集图像进行处理，获取太阳角度偏差量，由太阳角度偏差量可得到转台应转过的角度，从而使太阳能电池板能正对太阳，精跟踪的目的是为了保证系统跟踪精度。

系统工作在跟踪模式时，由于阴天、雨天或其他原因，太阳光线很弱或基本看不见，导致CMOS图像传感器无法捕捉到太阳，此时，太阳能电池板6的工作效率很低，为了减小跟踪系统能耗，不进行电机动作并保持当前状态，同时设置累计标志S，它表示图像传感器在连续S个采样周期内没有捕捉到太阳，当S累计到设定值N时，采用视日运动开环重新粗定位，并重置累计标志S，这样在降低系统能耗的同时可以提高系统可靠性。

本实用新型太阳跟踪装置采用视日运动跟踪和基于计算机视觉的跟踪相结合的方式，一方面采用视日运动跟踪进行初始粗定位和系统丢失目标时的重新粗定位，另一方面采用基于计算机视觉的跟踪进行精确跟踪，基于计算机视觉的跟踪方法采用CMOS图像传感器采集太阳光斑，利用单片机2处理采集到的图像，实现对太阳的实时跟踪，实验结果表明，该实用新型可以连续跟踪太阳的角度变化，能够达到较高的跟踪精度；当跟踪目标丢失时，能够利用视日运动跟踪对系统重新定位，具有较好的环境适应能力。该系统具有较低的日均功耗、较高的跟踪精度和可靠性，结构简单轻便，可应用于各种太阳能光伏系统。

Claims (7)

1.一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其特征在于：其包括CMOS摄像头、单片机、驱动电机、双轴转台、太阳能电池板，所述CMOS摄像头与单片机连接，所述单片机与驱动电机连接，所述驱动电机顶端设置有双轴转台，所述双轴转台与太阳能电池板连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其特征在于：装置包括有蓄电池，所述蓄电池分别与单片机、驱动电机连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其特征在于：所述双轴转台包括有转动平台、Y轴电机、X轴电机、X向转轴、Y向转轴，所述转动平台底部通过X向转轴与X轴电机连接，所述转动平台一端通过Y向转轴与Y轴电机连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其特征在于：所述X轴电机和Y轴电机分别与电机控制模块连接，所述电机控制模块通过串口通信与单片机连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其特征在于：所述X轴电机和电机控制模块设置在转台基座内。

6.根据权利要求3所述的一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其特征在于：所述转动平台与水平面呈四十五度夹角。

7.根据权利要求1所述的一种基于单片机的太阳自动跟踪装置，其特征在于：所述CMOS摄像头内设置有CMOS图像传感器。