一种太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，单片机通过接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空间向量的值以获知太阳光垂直入射方向，并向太阳方位角调整机构和太阳高度角调整机构发送执行信号。同时，霍尔传感器及其电路模块的输出信号和三个光电传感器的输出信号也一并输入到单片机中，经运算处理后可获知太阳方位角调整机构的电机转轴位置和太阳高度角调整机构中电动推杆的行程位置，便可准确地控制这两个机构调整到位。本发明专利技术采取硅光板自动适应太阳高度角和方位角变化的方法，提高硅光板的光电转换效率，同时也提升了太阳能供电LED路灯的无光使用时长，减小其对光照条件的依赖程度。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法
本专利技术涉及太阳能路灯设计领域。
技术介绍
太阳能供电LED路灯目前在很多城市中已经应用起来，该类型路灯的优点是使用寿命高，维护周期较长，需要的人工干预少；它无需布线，可大大减少因布线导致的路面破坏；而且它使用的能源是清洁无污染的太阳能，真正达到节能减排的目的。然而太阳能供电LED路灯也有很多缺点，例如用于产生电能的硅光板造价高；硅光板的光电转换效率低；太阳能路灯最严重的缺点就是受光照条件影响大，该缺点往往作为评判太阳能路灯优劣的重要参考。
技术实现思路
本专利技术提供一种自动跟踪太阳角度的太阳能路灯的设计方案。该方案提出了利用光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的与太阳光垂直入射方向相同的单位空间向量λ的值，经过STC90C516RD+处理后，获得太阳方位变化时在D3、D4、D5、D6和D7处接收光照强度为最大的光敏二极管所在位置的方法和获得太阳高度变化时在D1、D5和D2处接收光照强度为最大的光敏二极管所在位置的方法。提出了利用霍尔传感器及其电路模块检测太阳方位角调整机构的电机转轴位置的方法和利用光电传感器检测太阳高度角调整机构的电动推杆行程位置的方法。提出了STC90C516RD+根据光照强度为最大的光敏二极管所在位置控制太阳方位角调整机构和太阳高度角调整机构运动，使两个机构都朝着太阳光照强度最大的方向旋转，进而调整太阳能电池板的位置，使之与太阳入射光垂直的方法。该方案还提出了利用共集电极放大电路、DPDT继电器和SRD继电器组成电机正反转电路的方法。该方案最后提出了一种利用光敏电阻识别昼夜变化并控制路灯自动开启的方法。本专利技术的有益效果：自动跟踪太阳角度的太阳能路灯针对太阳能路灯的缺点，采取硅光板自动适应太阳高度角和方位角变化的方法，提高硅光板的光电转换效率，同时也提升了太阳能供电LED路灯的无光使用时长，减小其对光照条件的依赖程度。附图说明图1为本专利技术中半球形光敏二极管集成传感器的俯视图图2为本专利技术中霍尔传感器摆放位置示意图图3为本专利技术中利用LM339N芯片处理霍尔传感器输出信号的接线图图4为本专利技术中路灯的驱动电路原理图图5为本专利技术中控制直流电机正反转和启停的驱动电路原理图图6为本专利技术中光敏二极管集成传感器的空间直角坐标系图图7为本专利技术中光敏电阻模块接线图具体实施方式本专利技术公布一种基于STC90C516RD+的太阳能路灯自动跟踪太阳角度的设计方案。该太阳能供电LED路灯采用图1所示的一种黑色半球形光敏二极管集成传感器获取太阳光垂直入射方向，该传感器及其电路模块可根据太阳光垂直入射方向的改变而输出与该方向相同的单位空间向量的值。路灯的太阳方位角调整机构的电机转轴周围安装有5个霍尔传感器用于检测电机转轴的位置，并采用LM339N芯片对霍尔传感器的输出信号进行处理。路灯的太阳高度角调整机构的电动推杆内安装有三个光电传感器用于检测电动推杆行程的初始位置、中间位置和最终位置。STC90C516RD+通过接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空间向量的值以获知太阳光垂直入射方向，并向太阳方位角调整机构和太阳高度角调整机构发送执行信号。同时，霍尔传感器及其电路模块的输出信号和三个光电传感器的输出信号也一并输入到STC90C516RD+中，经STC90C516RD+运算处理后可获知太阳方位角调整机构的电机转轴位置和太阳高度角调整机构中电动推杆的行程位置，便可准确地控制这两个机构调整到位。调整后的太阳能电池板能够与太阳光垂直入射方向垂直，提高了它的光电转换效率。路灯还配备了光敏电阻模块，可识别环境的昼夜变化，控制路灯的自动开启和关闭。下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。实施例1：利用半球形光敏二极管集成传感器及其电路模块的输出来控制太阳方位角调整机构运动使太阳能电池板跟随太阳方位变化的方法。该方法采用如图1所示的光敏二极管集成传感器由厚度为3mm以上的黑色半球壳和7个光敏二极管组成。黑色半球壳上有7个直径为5mm的通孔用于安装光敏二极管，通孔和光敏二极管之间紧密贴合，并且所有通孔的中心轴交汇于黑色半球壳的球心。黑色半球壳上的通孔位置如图1所示，其中D5孔位于半球壳的顶点处，在D3～D7孔中，相邻两孔的轴线夹角为θ，D1、D5和D2孔相邻两孔的轴线夹角为η。设光敏二极管集成传感器的球心为原点O，以过点O并平行于D5孔的轴线设立X轴，以过点O并垂直于D1和D2孔的轴线设立Y轴，以过点O并垂直于X轴和Y轴设立Z轴，X轴、Y轴和Z轴的正向与球面的法向相同，设立空间直角坐标系，如图6所示。让xoz平面与南北方向平行并且X轴与水平面的夹角呈58度安装光敏二极管集成传感器，便可使光敏二极管集成传感器可以最大范围地接收太阳光垂直入射的方向。光敏二极管集成传感器及其电路模块可以输出与太阳光垂直入射方向相同的单位空间向量λ的值，该值记为λ(-x,-y,-z)。由光敏二极管集成传感器及其电路模块的工作原理：在D3～D7处，接收到的光照强度为最大的光敏二极管所在的孔的轴线与坐标系的平面xoz的夹角为θ的整数倍，记该夹角为qθ(q为整数，孔D3、D4、D5、D6和D7处q的值分别取-2、-1、0、1和2)，并且令β＝qθ，x＝cosαcosβ，y＝cosαsinβ。所以令β＝arctan(y/x)，q＝β/θ，就可以定义：q＝-2时，D3处接收到的光照强度为最大；q＝-1时，D4处接收到的光照强度为最大；q＝0时，D5处接收到的光照强度为最大；q＝1时，D6处接收到的光照强度为最大；q＝2时，D7处接收到的光照强度为最大。利用STC90C516RD+接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空间向量λ的值为λ(-x,-y,-z)，并利用上述两个公式β＝arctan(y/x)，q＝β/θ计算出q的值，根据上述定义，获得D3～D7中接收光照强度最大的位置。同时利用STC90C516RD+接收霍尔传感器及其电路模块的输出信号检测太阳方位角调整机构的电机转轴位置。经STC90C516RD+运算后输出电机正反转信号和启停信号，使太阳方位角调整机构朝着D3～D7中太阳光照强度最大的位置旋转，进而带动太阳能电池板跟随太阳方位进行变化，输出的信号经电机正反转电路后控制电机运动。STC90C516RD+的程序步骤如下：步骤1：初始化STC90C516RD+，完成后进入步骤2；步骤2：输出电机顺时针旋转信号，当电机转轴转动到Hall3所处位置时，电机停止供电；步骤3：接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空间向量λ的值λ(-x,-y,-z)，并令β＝arctan(y/x)，q＝β/θ，计算的q的大小。当q＝-2时，进入步骤4；当q＝-1时，进入步骤5；当q＝0时，进入步骤6；当q＝1时，进入步骤7；当q＝2时，进入步骤8；步骤4：接收霍尔传感器及其电路模块的输出的电机转轴位置，若电机转轴不处于Hall3所处位置，则电机顺时针转，使转轴到达Hall3所处位置后返回步骤3；步骤5：接收霍尔传感器及其电路模块的输出的电机转轴位置，若电机转轴处于Hall3所处位置，则电机逆时针转，使转轴到达Hall4所处位置后返回步骤3；若电机转轴处于Hall5、Hall本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，其特征在于，控制模块通过接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空间向量的值以获知太阳光垂直入射方向，并向太阳方位角调整机构和太阳高度角调整机构发送执行信号，实现太阳能路灯自动跟踪太阳角度。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，其特征在于，控制模块通过接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空间向量的值以获知太阳光垂直入射方向，并向太阳方位角调整机构和太阳高度角调整机构发送执行信号，实现太阳能路灯自动跟踪太阳角度。2.根据权利要求1所述的太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，其特征在于，还包括使用霍尔传感器检测太阳方位角调整机构的电机转轴位置和太阳高度角调整机构中电动推杆的行程位置，并将检测信息输入到所述控制模块中。3.根据权利要求1所述的太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，其特征在于，还包括采用光敏电阻检测昼夜变化，控制路灯自动开启和关闭。4.根据权利要求1所述的太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，其特征在于，所述控制方法的具体实现包括：在光敏二极管集成传感器的D3～D7孔中，定义相邻两孔的轴线夹角为θ，D1、D5和D2孔相邻两孔的轴线夹角为η；设光敏二极管集成传感器的球心为原点O，以过点O并平行于D5孔的轴线设立X轴，以过点O并垂直于D1和D2孔的轴线设立Y轴，以过点O并垂直于X轴和Y轴设立Z轴，X轴、Y轴和Z轴的正向与球面的法向相同，设立空间直角坐标系，并满足xoz平面与南北方向平行并且X轴与水平面的夹角呈58度安装光敏二极管集成传感器。5.根据权利要求4所述的太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，其特征在于，还包括：在D3～D7处，接收到的光照强度为最大的光敏二极管所在的孔的轴线与坐标系的平面xoz的夹角为θ的整数倍，记该夹角为qθ，q为整数，孔D3、D4、D5、D6和D7处q的值分别取-2、-1、0、1和2，即q＝-2时，D3处接收到的光照强度为最大；q＝-1时，D4处接收到的光照强度为最大；q＝0时，D5处接收到的光照强度为最大；q＝1时，D6处接收到的光照强度为最大；q＝2时，D7处接收到的光照强度为最大；控制模块接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空间向量λ的值为λ(-x,-y,-z)，并利用公式β＝arctan(y/x)和q＝β/θ计算出q的值，根据上述q的定义，获得D3～D7中接收光照强度最大的位置。6.根据权利要求5所述的太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，其特征在于，还包括：控制模块运算后输出方位角调整机构的电机启停、以及正转或反转，使太阳方位角调整机构朝着D3～D7中太阳光照强度最大的位置旋转，进而带动太阳能电池板跟随太阳方位调整。7.根据权利要求6所述的太阳能路灯自动跟踪太阳角度的控制方法，其特征在于，实现的步骤如下：步骤1：初始化控制模块，完成后进入步骤2；步骤2：输出电机顺时针旋转信号，当电机转轴转动到Hall3所处位置时，电机停止供电；步骤3：接收光敏二极管集成传感器及其电路模块输出的单位空...

【专利技术属性】
技术研发人员：王权，卢思源，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32