主動(dòng)式太陽(yáng)能追日系統設計
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1．3 太陽(yáng)位置的確定
因為在天球上的所有圓圈中，地平是在自然界中唯一能看到的在天空中被勾畫(huà)出的圓，同時(shí)，鉛垂線(xiàn)所具體代表的垂線(xiàn)，以及由水準儀所定出的水平線(xiàn)是在幾何坐標系中惟一能容易直接觀(guān)測的參考方向。所以，地平參考系一直是實(shí)用中必不可少的參考系統。在實(shí)際觀(guān)測中，最重要的幾何坐標系就是以地方天文地平作為基本參考圈的地平坐標系。把直接觀(guān)測的天空形象用嚴格的幾何方式系統表示時(shí)，它也是實(shí)際中唯一可用的坐標系。因此，太陽(yáng)跟蹤器采用地平坐標系直觀(guān)方便，操作性強，但是，也存在軌跡坐標計算沒(méi)有具體公式可用的問(wèn)題。而在赤道坐標卻嚴格已知，同時(shí)，赤道坐標系和地平坐標系都與地球運動(dòng)密切相關(guān)，因此，通過(guò)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽(yáng)和觀(guān)測者位置之間的關(guān)系。綜合分析，在進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤觀(guān)測時(shí)，兩維程控太陽(yáng)跟蹤器的運動(dòng)數學(xué)模型采用地平坐標系作為基準坐標系，并借助赤道坐標系來(lái)進(jìn)行空間坐標轉換以獲得即時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角。
雖然太陽(yáng)在天球上的位置每日、每時(shí)都有變化，但是其運行具有嚴格的規律性。根據其相互運動(dòng)規律，可以通過(guò)天文公式計算出太陽(yáng)在赤道坐標系中的太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角。在實(shí)際使用中，由于太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角是建立在赤道坐標系中，不便于直接應用，因此一般將其轉換到人們所熟悉的地平坐標系中，即由太陽(yáng)赤緯角和時(shí)角計算出太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。當太陽(yáng)高度角和方位角確定后，太陽(yáng)的位置也就唯一確定了。
根據天體幾何學(xué)中太陽(yáng)運行軌跡算法公式，太陽(yáng)的位置通過(guò)下列球面三角公式精確求出：
sinH=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω (1)
sinA=cosδ·sinτ／cosH (2)
其中，太陽(yáng)高度角為H，太陽(yáng)方位角為A，涉及3個(gè)天文地理坐標：δ為太陽(yáng)赤緯角，φ為觀(guān)測點(diǎn)的地理緯度，ω為觀(guān)測時(shí)的太陽(yáng)時(shí)角。這3個(gè)天文地理坐標可以通過(guò)以下方式獲得：
①觀(guān)測地點(diǎn)的地理緯度通過(guò)GPS等精密導航儀器可以方便獲得。
②赤緯角和時(shí)角的計算需要通過(guò)時(shí)間確定。由于太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運動(dòng)很復雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平太陽(yáng)時(shí)，即太陽(yáng)沿著(zhù)周年運動(dòng)的平均速率，在工程計算中，就會(huì )存在時(shí)差問(wèn)題(真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之差)，因此必須采用真太陽(yáng)時(shí)，否則在實(shí)際觀(guān)測中無(wú)法達到精度要求。為了得到準確的真太陽(yáng)時(shí)，可以根據定時(shí)標準來(lái)校準時(shí)差值，真太陽(yáng)時(shí)計算公式如下：
真太陽(yáng)時(shí)(視時(shí))=時(shí)差+平太陽(yáng)時(shí)(平時(shí)) (3)
其中：時(shí)差可以根據地球繞太陽(yáng)公轉的規律由天體力學(xué)算出，在每年的天文年歷中可以查到。
2 系統總體方案
系統能根據裝置所在地點(diǎn)的地理參數自動(dòng)計算太陽(yáng)的高度角和方位角，并結合系統對天氣的檢測結果，驅動(dòng)電機完成追日。
(1)太陽(yáng)能收集裝置安裝位置及工作時(shí)間的獲取
借助GPS等設備通過(guò)終端輸入模塊為系統設定當前所在地區的經(jīng)緯度、時(shí)間等參數，這是實(shí)時(shí)計算太陽(yáng)高度角及方位角的基礎，若系統所處地理位置發(fā)生較大變化，則需要重新輸入地理位置坐標及當前時(shí)間。
(2)太陽(yáng)高度角及方位角的計算
根據太陽(yáng)能收集裝置安裝位置及工作時(shí)間實(shí)時(shí)計算太陽(yáng)高度角及方位角是本設計方案的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一，需進(jìn)一步深入研究其算法實(shí)現，這是能否實(shí)現精確追日的關(guān)鍵。
(3)步進(jìn)電機對太陽(yáng)能收集裝置的角度驅動(dòng)
經(jīng)ATmega32單片機實(shí)時(shí)計算產(chǎn)生相應脈沖來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機，通過(guò)傳動(dòng)機構對太陽(yáng)能收集裝置進(jìn)行角度驅動(dòng)而完成偏擺，進(jìn)而實(shí)現太陽(yáng)能收集裝置隨太陽(yáng)位置變化的實(shí)時(shí)旋轉。
(4)工作狀態(tài)下天氣情況的檢測
若為陰雨天氣，則停止對太陽(yáng)能追日裝置的角度校正。
3 系統硬件設計
3．1 硬件組成框圖
系統硬件除通用電路(電源電路、JTAG電路、RS232串口通信電路)外主要分為8個(gè)部分，具體為ATmega32單片機、電機驅動(dòng)電路、鍵盤(pán)電路、LCD顯示電路、時(shí)鐘電路、光電傳感器電路、光敏檢測以及蜂鳴器電路。組成框圖如圖3所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/159420.htm
3．2 處理器電路
選擇ATmega32單片機作為主控芯片。處理器采用了較為簡(jiǎn)單的阻容復位電路，該電路使單片機在上電時(shí)可靠復位。選用12 MHz晶體振蕩器，單片機在該時(shí)鐘驅動(dòng)下，每秒可以執行12M條單周期指令。處理器電路如圖4所示。
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