CN206270766U - 一种基于ahrs模块的太阳能双轴视日跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统由机身主体和控制模块经连接构成；机身主体包括太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元及支撑机构，支撑机构由底座和焊接于底座中央的减速机支座构成，太阳方位角调整单元设于减速机支座上，太阳高度角调整单元设于太阳方位角调整单元上；控制模块包括单片机，单片机分别接外部时钟模块、人机交互模块、电机驱动模块及AHRS模块；太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元均与电机驱动模块连接，太阳高度角调整单元与AHRS模块连接。本实用新型的太阳能双轴视日跟踪系统能对太阳能双轴视日跟踪系统的太阳高度角和方位角控制，实现了对太阳的跟踪，有效提高了发电效率。

Description

一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统

技术领域

本实用新型属于跟踪系统技术领域，具体涉及一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统。

背景技术

能源是经济社会发展的命脉，是提高人们生活水平的保障。在能源日趋匮乏的今天，全世界都把目光投向了可再生能源，希望能改变人类的能源结构，实现可持续发展。太阳能作为一种新兴的可再生能源，对于缓解能源危机，并在极大程度上改善环境污染有着极其重要的意义。

太阳能的开发利用具有巨大的市场前景。目前，太阳能光伏发电存在的一个瓶颈问题就是发电效率低，而解决此问题的办法之一是开发出太阳能跟踪系统，使太阳能电池板能始终面向太阳，以提高光伏发电的效率。

现有的太阳跟踪系统角度检测主要用编码器及角位移传感器等。这些检测装置大多安装复杂，且安装精度要求高、校准费时，成本也高。在使用的过程中常常会由于安装误差导致传感器容易损坏。AHRS称为航姿参考系统，它包括有多个轴向传感器，能为飞行器提供航向，横滚和侧翻信息，这类系统能为飞行器提供准确可靠的姿态与航行信息，若将AHRS模块应用于太阳能电池板的角度检测则具有创新意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，能对太阳能双轴视日跟踪系统的太阳高度角和方位角进行控制，使太阳能电池板始终与太阳光线垂直，实现了对太阳的跟踪，有效提高了发电效率。

本实用新型所采用的技术方案是，一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，由机身主体和控制模块经连接构成；机身主体，包括有太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元及支撑机构，且支撑机构由底座和垂直焊接于底座中央的减速机支座构成，太阳方位角调整单元设置于减速机支座上，太阳高度角调整单元设置于太阳方位角调整单元上且与太阳方位角调整单元连接；控制模块，包括有单片机，且单片机采用STC89C52RC单片机最小系统作为核心控制单元；单片机分别连接外部时钟模块、人机交互模块、电机驱动模块及AHRS模块；太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元均与电机驱动模块连接，太阳高度角调整单元与AHRS模块连接。

本实用新型的特点还在于：

太阳方位角调整单元，包括有设置于减速机支座上端的蜗轮-蜗杆减速机和直流电机，且蜗轮-蜗杆减速机与直流电机连为一体；蜗轮-蜗杆减速机的上部焊接有竖直设置的立柱，太阳高度角调整单元支撑于立柱的上端；直流电机分别通过导线与电机驱动模块、太阳高度角调整单元内的太阳能电池板连接。

太阳高度角调整单元由太阳能电池板支撑-调整一体化装置和太阳能电池板经连接构成；太阳能电池板支撑-调整一体化装置，包括有太阳能电池板支撑单元和太阳能电池板调整单元；太阳能电池板支撑单元，包括有水平设置的回转轴，且回转轴的中部与通过U型螺栓a、U型螺栓b与立柱连接，回转轴的一端通过左支座连接左支撑架，回转轴的另一端通过右支座连接右支撑架，且左支撑架通过支撑杆与右支撑架连接；太阳能电池板与左支撑架、支撑杆和右支撑架连为一体，即左支撑架、支撑杆和右支撑架共同对太阳能电池板起到支撑固定作用，太阳能电池板通过导线与AHRS模块连接；太阳能电池板调整单元，包括有直流电动推杆，且直流电动推杆分别通过导线与太阳能电池板、电机驱动模块连接；直流电动推杆的缸体通过销轴a与推杆支座连接，直流电动推杆的缸杆通过销轴b与支撑杆的中部连接。

电机驱动模块内采用H桥芯片L298N，在L298N芯片上反向并联续流二极管电路。

外部时钟模块为DS1302芯片。

AHRS模块采用GY-953。

人机交互模块包括有液晶显示屏和按钮开关。

液晶显示屏采用LCD1602；按钮开关由开关S1和S2构成。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，通过AHRS模块及其他模块配合，能直接读出当时太阳的高度角和方位角，从而实现对太阳能双轴跟踪系统的方位角和高度角进行控制。

(2)本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，较现有的结构控制装置而言：AHRS模块能同时检测太阳的高度角和方位角，由于仅需一个模块，所以所需成本低；AHRS模块能通过软件来补偿安装误差，不需要过高的安装精度，能有效降低安装难度。

(3)本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，能为太阳能双轴视日跟踪系统的研究提供良好的理论基础和试验平台。

附图说明

图1是本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统的结构示意图；

图2是本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统内部电路连接示意图。

图中，1.底座，2.减速机支座，3.蜗轮-蜗杆减速机，4.直流电机，5.销a，6.推杆支座，7.立柱，8.缸体，9.回转轴，10.右支座，11.缸杆，12.太阳能电池板，13.销b，14.支撑杆，15.U型螺栓a，16.左支座，17.U型螺栓b，18.直流电动推杆，19.左支撑架，20.右支撑架，21.电机驱动模块，22.AHRS模块，23.按钮开关，24.液晶显示屏，25.外部时钟模块，26.单片机，27.人机交互模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其结构如图1图2所示，由机身主体和控制模块经连接构成；机身主体，包括有太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元及支撑机构，且支撑机构由底座1和垂直焊接于底座1中央的减速机支座2构成，太阳方位角调整单元设置于减速机支座2上，太阳高度角调整单元设置于太阳方位角调整单元上且与太阳方位角调整单元连接；太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元均与控制模块连接。

控制模块，如图2所示，包括有单片机26，单片机26分别连接外部时钟模块25、人机交互模块27、电机驱动模块21及AHRS模块22；太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元均与电机驱动模块21连接，太阳高度角调整单元与AHRS模块22连接。

太阳方位角调整单元，如图1所示，包括有设置于减速机支座2上端的蜗轮-蜗杆减速机3和直流电机4，且蜗轮-蜗杆减速机3与直流电机4连为一体；蜗轮-蜗杆减速机3的上部焊接有竖直设置的立柱7，太阳高度角调整单元支撑于立柱7的上端；直流电机4分别通过导线与电机驱动模块21、太阳高度角调整单元内的太阳能电池板12连接；蜗轮-蜗杆减速机3和直流电机4相互配合能为太阳高度角调整单元调整太阳高度角提供动力。

太阳高度角调整单元，如图1及图2所示，由太阳能电池板支撑-调整一体化装置和太阳能电池板12经连接构成；太阳能电池板支撑-调整一体化装置，包括有太阳能电池板支撑单元和太阳能电池板调整单元；太阳能电池板支撑单元，包括有水平设置的回转轴9，且回转轴9的中部与通过U型螺栓a15、U型螺栓b17与立柱7连接，回转轴9的一端通过左支座16连接左支撑架19，回转轴9的另一端通过右支座10连接右支撑架20，且左支撑架19通过支撑杆14与右支撑架20连接；太阳能电池板12与左支撑架19、支撑杆14和右支撑架20连为一体，即左支撑架19、支撑杆14和右支撑架20共同对太阳能电池板12起到支撑固定作用，太阳能电池板12通过导线与AHRS模块22连接；太阳能电池板调整单元，包括有直流电动推杆18，且直流电动推杆18分别通过导线与太阳能电池板12、电机驱动模块21连接；直流电动推杆18的缸体8通过销轴a5与推杆支座6连接，直流电动推杆18的缸杆11通过销轴b13与支撑杆14的中部连接。

单片机26采用STC89C52RC单片机最小系统作为核心控制单元；单片机26内分别集成有太阳时角获取模块、太阳高度角获取模块及太阳方位角获取模块。

电机驱动模块21内采用H桥芯片L298N，在L298N芯片上反向并联续流二极管电路，用于防止在其内部功率管产生很高电压，导致损坏器件；电机驱动模块21通过单片机26的P1.4～P1.7，P2.0～P2.1对直流电机4的M1和直流电动推杆18的M2进行转向控制；其中，单片机26的P1.4～P1.7与电机驱动模块21的IN1～IN4相连，单片机26的P2.0与电机驱动模块21使能ENA相连，单片机26的P2.1与电机驱动模块21使能ENB相连，VSS接5V电源为电机驱动模块21 供电，VS接36V电源为驱动电压；ISENA和ISEN B分别接地，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4均作为输出，通过反向并联续流二极管电路实现对直流电机4的M1和直流电动推杆18的M2正反转的控制，以此调整太阳能电池板12对太阳高度角的跟踪；用IN1、IN2控制直流电机4的M1转动，以此调整太阳方位角；IN1＝0，IN2＝1，直流电机4的M1顺时针转动，方位角增大；IN1＝1，IN2＝0，直流电机4的M1逆时针转动，方位角减小；用IN3，IN4控制直流电动推杆18的M2上推和下拉，以此调整太阳能电池板12对太阳高度角的跟踪；IN3＝1，IN4＝0时直流电动推杆18的M2上推，高度角增大；IN3＝0，IN4＝1，此时直流电动推杆18的M2下拉，高度角减小；同时EN1、EN2为输入信号A、B调速端，输入PWM信号改变脉宽可调速；全部置高电平，全速运动。L298N控制信号与电机转向控制关系，如表1所示。

表1

外部时钟模块25为DS1302芯片，该芯片有时序控制，而且抗干扰、体积小、连线少；用于记录当地时间，通过读取时间并经过内部的处理得到太阳高度角和方位角；同时DS1302芯片有内部供电，不接外部电源仍能进行时钟计时，即掉电不清零；实时时钟电路由3V电源供电，晶振Y1为32.768kHz，接在X1和X2端口上作为基准时钟信号；REST为复位/片选信号，连接单片机26的P2.7口，通过REST输入驱动置高电平启动数据传送，SCLK为低电平时，才能将REST置为高电平；SCLK与单片机26的P2.6相连，IO为串行数据输入输出端与单片机26的P2.5相连；VCC1连接纽扣电池确保掉电不清零；VCC2连接5V电源，GND接地。

AHRS模块22采用GY-953，工作电压3V～5V，功耗小且体积小，其工作原理是通过陀螺仪与加速度传感器，磁场感器经过数据融合处理后直接得到太阳高度角和方位角。

人机交互模块27包括有液晶显示屏24和按钮开关23，液晶显示屏24采用LCD1602，能在液晶屏24上显示当前的太阳高度角和方位角，其价格便宜且使用方便；其中DATA0～DATA7分别与单片机26的P0.0～P0.7相连，使能EN与单片机26的P1.0相连，RW与单片机26的P1.1相连，RS与单片机26的P1.2相连，对液晶显示屏24进行供电和接地；按钮开关23由开关S1和S2构成。

采用36V电源给电机驱动模块21进行供电，单片机26的电路需要5V电压供电，因此采用DC-DC可调降压芯片进行降压处理。

直流电机4的精度等级为0.1°，减速比62：1，工作温度在-40℃～80℃。

直流电动推杆18的行程为150mm。

利用本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统对太阳进行一次跟踪，其方法如下：

步骤a、利用按钮开关23启动人机交互模块27，由单片机26读取获取的当前时间，具体包括年、月、日、时、分、秒；

由于单片机26内预先内置有太阳时角获取模块、太阳高度角获取模块及太阳方位角获取模块，并结合外部时钟模块25得到当前时间，从而得到用角度表示的太阳时角；

其中太阳时角获取模块内置如下算法：

τ＝(S_O-12)×15° (1)；

式(1)中，τ为太阳时角，S_O为真太阳时，单位为小时；

太阳高度角获取模块和太阳方位角获取模块分别内置如下算法：

在式(2)和式(3)中，E_D为太阳赤纬角，为当地的地理纬度，τ为当时的太阳时角；

步骤b、通过单片机26读取AHRS模块22获取的太阳能电池板12面向太阳的高度角α1和方位角γ1；

比较经单片机26处理后得到的太阳高度角α、太阳方位角γ与经AHRS模块22读到的太阳高度角α1和方位角γ1，得到太阳高度角偏差Δα和太阳方位角Δγ；

步骤c、设定一个阈值|δ|，将太阳高度角偏差Δα和方位角偏差Δγ分别和设定的阈值|δ|进行比较，并通过单片机26处理的结果判断直流电机4正转或反转以及直流电动推杆18的上推或下拉，并利用电机驱动模块21来驱动直流电机4和直流电动推杆18作出动作。因机械本身的运动误差或因风力等因素引起的摆动，为了防止跟踪系统太阳高度角α和太阳方位角γ左右摆动而不能正常结束跟踪或因风力等导致重新唤醒跟踪系统，其阈值|δ|一般取1°～2°，以达到节能的效果；

步骤d、由AHRS模块22读取驱动后的太阳能电池板12面向太阳的高度角α1和方位角γ1，并进行保存；

步骤e、将太阳高度角α1、方位角γ1与经单片机26内算法得到的太阳高度角α和方位角γ再次比较：若偏差不在阈值|δ|范围内，即Δα>|δ|，Δγ>|δ|时，Δα<|δ|，Δγ>|δ|时或Δα>|δ|，Δγ<|δ|时，则执行步骤c；

若太阳高度角偏差Δα和方位角偏差Δγ在阈值|δ|范围内，即Δα<|δ|，Δγ<|δ|时，则一次跟踪结束，并通过液晶显示屏24显示外部时钟模块25读到的时间和此时太阳能电池板的高度角α_s和方位角γ_s。

本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，能对太阳能双轴视日跟踪系统的太阳高度角和方位角进行控制，使太阳能电池板始终与太阳光线垂直，实现了对太阳的跟踪，有效提高了发电效率。本实用新型一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统使用起来非常方便，能实现不同时刻太阳的实时定位跟踪。

Claims (8)

1.一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其特征在于，由机身主体和控制模块经连接构成；

所述机身主体，包括有太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元及支撑机构，且所述支撑机构由底座(1)和垂直焊接于底座(1)中央的减速机支座(2)构成，所述太阳方位角调整单元设置于减速机支座(2)上，所述太阳高度角调整单元设置于太阳方位角调整单元上且与太阳方位角调整单元连接；

所述控制模块，包括有单片机(26)，且所述单片机(26)采用STC89C52RC单片机最小系统作为核心控制单元；所述单片机(26)分别连接外部时钟模块(25)、人机交互模块(27)、电机驱动模块(21)及AHRS模块(22)；

所述太阳高度角调整单元、太阳方位角调整单元均与电机驱动模块(21)连接，太阳高度角调整单元与AHRS模块(22)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其特征在于，所述太阳方位角调整单元，包括有设置于减速机支座(2)上端的蜗轮-蜗杆减速机(3)和直流电机(4)，且所述蜗轮-蜗杆减速机(3)与直流电机(4)连为一体；

所述蜗轮-蜗杆减速机(3)的上部焊接有竖直设置的立柱(7)，所述太阳高度角调整单元支撑于立柱(7)的上端；

所述直流电机(4)分别通过导线与电机驱动模块(21)、太阳高度角调整单元内的太阳能电池板(12)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其特征在于，所述太阳高度角调整单元由太阳能电池板支撑-调整一体化装置和太阳能电池板(12)经连接构成；

所述太阳能电池板支撑-调整一体化装置，包括有太阳能电池板支撑单元和太阳能电池板调整单元；

所述太阳能电池板支撑单元，包括有水平设置的回转轴(9)，且回转轴(9)的中部与通过U型螺栓a(15)、U型螺栓b(17)与立柱(7)连接，所述回转轴(9)的一端通过左支座(16)连接左支撑架(19)，所述回转轴(9)的另一端通过右支座(10)连接右支撑架(20)，且所述左支撑架(19)通过支撑杆(14)与右支撑架(20)连接；

所述太阳能电池板(12)与左支撑架(19)、支撑杆(14)和右支撑架(20)连为一体，即左支撑架(19)、支撑杆(14)和右支撑架(20)共同对太阳能电池板(12)起到支撑固定作用，所述太阳能电池板(12)通过导线与AHRS模块(22)连接；

所述太阳能电池板调整单元，包括有直流电动推杆(18)，且直流电动推杆(18)分别通过导线与太阳能电池板(12)、电机驱动模块(21)连接；所述直流电动推杆(18)的缸体(8)通过销轴a(5)与推杆支座(6)连接，所述直流电动推杆(18)的缸杆(11)通过销轴b(13)与支撑杆(14)的中部连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其特征在于，所述电机驱动模块(21)内采用H桥芯片L298N，在L298N芯片上反向并联续流二极管电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其特征在于，所述外部时钟模块(25)为DS1302芯片。

6.根据权利要求1所述的一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其特征在于，所述AHRS模块(22)采用GY-953。

7.根据权利要求1所述的一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其特征在于，所述机交互模块(27)，包括有液晶显示屏(24)和按钮开关(23)。

8.根据权利要求7所述的一种基于AHRS模块的太阳能双轴视日跟踪系统，其特征在于，所述液晶显示屏(24)采用LCD1602；

所述按钮开关(23)由开关S1和S2构成。