CN204719546U - 一种自动追光的太阳能充电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自动追光的太阳能充电装置，包括控制单元、偏转系统、充电系统；偏转系统包括太阳光位置传感器、步进电机驱动单元、上驱动步进电机、下驱动步进电机；充电系统包括太阳能电池板、蓄电池、稳压单元、充电指示灯、温度检测单元、报警单元；太阳光位置传感器、步进电机驱动单元与控制单元连接；步进电机驱动单元分别与上驱动步进电机、下驱动步进电机连接；控制单元与蓄电池、稳压单元、充电指示灯、温度检测单元、报警单元连接；太阳能电池板与稳压单元连接。本实用新型能使太阳能电池板始终自动跟踪太阳运动，最大限度地利用太阳能充电。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种自动追光的太阳能充电装置。
背景技术
当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。
太阳能充电器已经成为太阳能利用中的一个重要环节，特别是对于野外工作者或旅游人士，其意义更为重大。现已公布的关于太阳能充电器的专利大多是减小充电器的体积(如中国专利申请号201410437378.8公开的一种太阳能充电器)或者是改进电路结构(如中国专利申请号201120002621.5公开的太阳能充电器)的研究。而在应用充电器同时对自动追踪太阳光的研究并不是很多。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种自动追光的太阳能充电装置。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种自动追光的太阳能充电装置，包括控制单元、偏转系统、充电系统；
偏转系统包括太阳光位置传感器、步进电机驱动单元、上驱动步进电机、下驱动步进电机；
充电系统包括太阳能电池板、蓄电池、稳压单元、充电指示灯、温度检测 单元、报警单元；
太阳光位置传感器、步进电机驱动单元与控制单元连接；
步进电机驱动单元分别与上驱动步进电机、下驱动步进电机连接；
控制单元与蓄电池、稳压单元、充电指示灯、温度检测单元、报警单元连接；
太阳能电池板与稳压单元连接。
作为优选，还包括U形架；U形架由下驱动步进电机驱动其转动；太阳能电池板两侧设有转轴与U形架两端连接；在U形架的一端装有上驱动步进电机，上驱动步进电机的输出轴与太阳能电池板的转轴连接并可驱动太阳能电池板绕其转轴转动。
作为优选，控制单元采用MSP430G2553为主控芯片。
作为优选，太阳光位置传感器包括设在太阳能电池板上的8个光敏电阻和中心圆杆；8个光敏电阻排列成间距均匀的圆环形；中心圆杆竖立于排列成圆环形的光敏电阻的圆心，中心圆杆的高度与光敏电阻排列的圆环形的直径相适配，使得阳光斜射一定角度时中心圆杆所产生的阴影能够遮盖排列成为环形的光敏电阻。
作为进一步优选，构成环形的8个光敏电阻中通过中心圆杆相对的每2个光敏电阻同为一组且共为四组，各组光敏电阻经过分压后连接到电压跟随器U2、U3，电压跟随器U2、U3输出四组电压，其中第一组电压分别接到电压比较器U5的第4、5引脚，第二组电压分别接到电压比较器U5的第6、7引脚，每三组电压分别接到电压比较器U5的第10、11引脚，每四组电压后分别接到电压比较器U5的第8、9引脚；电压比较器U5判断后通过第1，2，13，14引脚分别与控制单元的主控芯片MSP430G2553上P1.2、P1.3、P1.4、P1.5I/O端口相连。
作为优选，还包括充电控制芯片CN3063；蓄电池通过充电控制芯片CN3063升压到5V后连接USB接口。
作为进一步优选，充电控制芯片CN3063的第7、8引脚分别与一个红色 LED发光二极管和一个绿色LED发光二极管连接，其中红灯亮绿灯灭表示正在充电，红灯灭绿灯亮表示充电完成，红灯灭绿灯灭则充电连接有错误。
本实用新型的有益效果是：
能够自动保持太阳能电池板正对入射阳光，可最大限度地利用太阳能进行充电。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的电路系统示意图。
图2是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的结构示意图。
图3是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的稳压单元电路图。
图4是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的报警单元电路图。
图5是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的充电控制芯片CN3063及外围电路图。
图6是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的太阳光位置传感器位置图。
图7是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的太阳光位置传感器电路中第一、二组与电压跟随器连接电路图。
图8是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的太阳光位置传感器电路中第三、四组与电压跟随器连接电路图。
图9是本实用新型自动追光的太阳能充电装置实施例的太阳光位置传感器电路图。
图2中标记：1-USB接口，2-温度检测单元，3-太阳光位置传感器，4-太阳能电池板，5-稳压单元，6-控制单元，7-步进电机驱动单元，8-报警单元，9-蓄电池，10-上驱动步进电机，11-下驱动步进电机，12-充电指示灯，13- 控制相关电路。
具体实施方式
图1是一种自动追光的太阳能充电装置，包括控制单元6、偏转系统、充电系统；
偏转系统包括太阳光位置传感器3、步进电机驱动单元7、上驱动步进电机10、下驱动步进电机11。
充电系统包括太阳能电池板4、蓄电池9、稳压单元5、充电指示灯12、温度检测单元2、报警单元8。
太阳光位置传感器3、步进电机驱动单元7与控制单元6连接。步进电机驱动单元7分别与上驱动步进电机10、下驱动步进电机11连接。
控制单元6与蓄电池9、稳压单元5、充电指示灯12、温度检测单元2、报警单元8连接。
太阳能电池板4与稳压单元5连接。
图2是整体结构，在一个立方体形状的壳体中安装了蓄电池9、稳压单元5、充电指示灯12、温度检测单元2、报警单元8、步进电机驱动单元7。
在壳体顶部固定装有下驱动步进电机11，下驱动步进电机11驱动一个U形架转动。太阳能电池板4两侧设有转轴与U形架两端连接。在U形架的一端装有上驱动步进电机10，其输出轴与太阳能电池板4的转轴连接并可驱动太阳能电池板4转动。
太阳光位置传感器3固定在太阳能电池板4的中间。
充电指示灯12设在壳体的侧壁，并设有USB接口1。
在壳体中，将温度检测单元2中的温度传感器靠近蓄电池9放置。
控制单元6采用主控芯片MSP430G2553。
当蓄电池9的温度过高时，温度检测单元2给控制单元6发送信号使其自 动切断充电电路以保护电路并触发报警装置8。
在图3的稳压单元5中，将LM2940一端与太阳能电池板4连接，另一端连接到充电控制单元CN3063上，再将蓄电池9接到CN3063充电引脚处实现5V电压充电。
为得到更高精确的温度，采用温度传感器AM2302，这是一款含有已校准数字信号输出的传感器，其内部集成了高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，并且连接简单，将温度检测单元2引脚直接与控制单元6连接即可。
在图4的报警单元8电路中，三极管的基集与控制单元MSP430G2553的P1.7引脚相连，三极管的集电极与蜂鸣器相连，蜂鸣器另一端连接到开关上，开关再与5V电源连接，连接开关是当蜂鸣器发声时，可以手动关闭声音。
在图5中，充电控制芯片CN3063的第7、8引脚分别与一个红色LED发光二极管和一个绿色LED发光二极管连接。用红色和绿色LED指示灯直观显示出充电状态，红灯亮绿灯灭则正在充电，红灯灭绿灯亮则充电结束，红灯灭绿灯灭则充电连接有错误。
在图6中太阳光位置传感器3由8个光敏电阻和一个圆柱木杆组成，圆柱木杆放置在8个光敏电阻构成环形的圆心处。8个光敏电阻围成一圈，其中通过中心圆杆相对的2只光敏电阻为同一组，即1号位置与5号位置的2只光敏电阻、2号位置和6号位置的2只光敏电阻、3号位置和7号位置的2只光敏电阻、4号位置和8号位置的2只光敏电阻，共分为4组。
在图7、8、9中，图7中OUT1-OUT4与图9中OUT1-OUT4直接相连，图8中OUT5-OUT8与图9中OUT5-OUT8直接相连。在电路中光敏电阻R5、R7、R11、R15、R8、R12、R16、R19的一端与5V电源连接，另一端分别通过分压电阻R6、R9、R13、R17、R10、R14、R18、R20接地，另外光敏电阻经分压后连接到U2、U3组成的电压跟随器输入端，电压跟随器输出四组电压，其中第一组电压分别接到U5电压比较器的第4、5引脚，第二组电压分别接到U5电压比较器的第6、7引脚，第三组电压分别接到U5电压比较器的第10、11引脚，第四组 电压分别接到U5电压比较器的第8、9引脚，U5电压比较器判断后通过第1，2，13，14引脚分别与主控芯片MSP430G2553 P1.2、P1.3、P1.4、P1.5 I/O端口相连。
追光过程中，将同一组中2个光敏电阻值进行比较。如有同一组中2个光敏电阻阻值不同，则采集到电压值就不同。根据光敏电阻采集电压与光敏电阻成正比的关系算出图6中各光敏电阻对的压差，将1号位置和5号位置的光敏电阻的电压差记为ΔV1，k，将2号位置和6号位置的光敏电阻的电压差记为ΔV2，k，将3号位置和7号位置的光敏电阻的电压差记为ΔV3，k，将4号位置和8号位置的光敏电阻的电压差记为ΔV4，k，其中k代表当前采样时刻，对应下一时刻采样电压差依次表示为ΔV1，k+1、ΔV2，k+1、ΔV3，k+1、ΔV4，k+1。
当ΔV1，k、ΔV2，k、ΔV3，k、ΔV4，k任意一个数值大于接近于零的极小值时(该极小值由多次实验确定)，电压比较器输出电平给主控芯片MSP430G2553，主控芯片MSP430G2553通过P1.2、P1.3、P1.4、P1.5 I/O端口收到信号后，就会控制电机10和电机11进行旋转。
上驱动步进电机10与下驱动步进电机11的旋转组合模式共有四种，分别定义如下，模式1：上驱动步进电机10和下驱动步进电机11均按顺时针方向旋转；模式2：上驱动步进电机10按顺时针方向旋转、下驱动步进电机11按逆时针方向旋转；模式3：上驱动步进电机10按逆时针方向旋转、下驱动步进电机11按顺时针方向旋转；模式3：上驱动步进电机10和下驱动步进电机11均按逆时针方向旋转。
采取模式1→模式2→模式3→模式4四种模式先后试探旋转。首先选定模式1、且按照电机控制的最小步长进行旋转，旋转一步后再检测各组当前时刻的电压差，如果ΔV1.k+1＞ΔV1，k、ΔV2.k+1＞ΔV2，k、ΔV3.k+1＞ΔV3，k、ΔV4.k+1＞ΔV4，k中任何一组成立则说明步进电动机旋转方向不对，则改变旋转模式。以此类推若满足ΔV1.k+1＜ΔV1，k、ΔV2.k+1＜ΔV2，k、ΔV3.k+1＜ΔV3，k、ΔV4.k+1＜ΔV4，k则表示旋转方向正确，按照此方向继续控制，直至调整到某个位置(对应时刻记为p)，ΔV1，p、ΔV2，p、ΔV3，p、ΔV4，p均达到接近于零的极小值， 即继续向前调节一步，ΔV1，p+1、ΔV2，p+1、ΔV3，p+1、ΔV4，p+1会增大，则终止电机旋转。此时，太阳能板基本与太阳光垂直。然后每隔一定的时间再检测当前的各光敏电阻对的压差即ΔV1，k、ΔV2，k、ΔV3，k、ΔV4，k，如果任意一个压差大于接近于零的极小值时，就再次返回前文所述的检测、控制过程，从而实现不间断检测和实时跟踪太阳光，实现最高效率的利用太阳能的目的。当然，检测间隔要根据实际实验合理调整，避免过于频繁检测与控制带来额外的能耗。
以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1. 一种自动追光的太阳能充电装置，其特征在于：包括控制单元、偏转系统、充电系统；
所述偏转系统包括太阳光位置传感器、步进电机驱动单元、上驱动步进电机、下驱动步进电机；
所述充电系统包括太阳能电池板、蓄电池、稳压单元、充电指示灯、温度检测单元、报警单元；
所述太阳光位置传感器、步进电机驱动单元与控制单元连接；
所述步进电机驱动单元分别与上驱动步进电机、下驱动步进电机连接；
所述控制单元与蓄电池、稳压单元、充电指示灯、温度检测单元、报警单元连接；
所述太阳能电池板与稳压单元连接。
2. 根据权利要求1所述的太阳能充电装置，其特征在于：还包括U形架；所述U形架由下驱动步进电机驱动其转动；所述太阳能电池板两侧设有转轴与U形架两端连接；在U形架的一端装有上驱动步进电机，上驱动步进电机的输出轴与太阳能电池板的转轴连接并可驱动太阳能电池板绕其转轴转动。
3. 根据权利要求1所述的太阳能充电装置，其特征在于：所述控制单元采用MSP430G2553为主控芯片。
4. 根据权利要求2或3所述的太阳能充电装置，其特征在于：所述太阳光位置传感器包括设在太阳能电池板上的8个光敏电阻和中心圆杆；所述8个光敏电阻排列成间距均匀的圆环形；所述中心圆杆竖立于排列成圆环形的光敏电阻的圆心，中心圆杆的高度与光敏电阻排列的圆环形的直径相适配，使得阳光斜射一定角度时中心圆杆所产生的阴影能够遮盖排列成为环形的光敏电阻。
5. 根据权利要求4所述的太阳能充电装置，其特征在于：构成环形的8个光敏电阻中通过中心圆杆相对的每2个光敏电阻同为一组且共为四组，各组光敏电阻经过分压后连接到电压跟随器U2、U3，电压跟随器U2、U3输出四组电压，其中第一组电压分别接到电压比较器U5的第4、5引脚，第二组电压分别接到电压比较器U5的第6、7引脚，每三组电压分别接到电压比较器U5的第10、11引脚，每四组电压后分别接到电压比较器U5的第8、9引脚；电压比较器U5判断后通过第1,2,13,14引脚分别与控制单元的主控芯片MSP430G2553上P1.2、P1.3、P1.4、P1.5 I/O端口相连。
6. 根据权利要求1所述的太阳能充电装置，其特征在于：还包括充电控制芯片CN3063；所述蓄电池通过充电控制芯片CN3063升压到5V后连接USB接口。
7. 根据权利要求6所述的太阳能充电装置，其特征在于：所述充电控制芯片CN3063的第7、8引脚分别与一个红色LED发光二极管和一个绿色LED发光二极管连接，其中红灯亮绿灯灭表示正在充电，红灯灭绿灯亮表示充电完成，红灯灭绿灯灭则充电连接有错误。
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| CN107398914A (zh) * | 2017-08-11 | 2017-11-28 | 汕头市快畅机器人科技有限公司 | 一种自动追光机器人及其追光方法 |
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