【《自动追踪太阳系统的硬件和软件设计案例》7300字】

致谢自动追踪太阳系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u71601自动追踪太阳系统的硬件设计 2183491.1在控制系统中硬件的设计 2283521.2机械追踪装置 3325421.3光强的检测电路 4288511.3.1检测光强装置 4229391.3.2光强检测与转换放大电路 6135331.4太阳位置检测装置与电路 7133981.4.1太阳位置检测装置 7185921.4.2太阳方位检测与转换放大电路 7164711.5风速检测部分 9136651.6模拟量扩展模块EM231 950931.7西门子PLC模块 1022701.8电源部分 13235722自动追踪太阳系统软件设计 15248322.1自动追踪太阳系统的主程序 15224662.2自动追踪太阳系统的子程序 1580312.3收集数据子程序 17203662.4光电跟踪子程序构思 18189062.5太阳移动路径跟踪子程序设计 19自动追踪太阳系统的硬件设计在控制系统中硬件的设计图4.1为追踪流程图，本文设计的自动追踪控制系统包括太阳能集热板、光强和太阳方位检测传感器、风速传感器、检测与转换放大电路和直流电动机等部件。图4.1自动追踪控制流程图该图4.1自动追踪控制流程图该操控管理体系里，一般有步进机动设备或直流机动设备两大类联动模式。太阳运行轨道追踪操控管理体系经过运算高度角α，方位角γ和集热板的旋转角之间的数值差来控制电动机的转动，而步进电动机非常适合控制角度差的调整，但是这也有一个缺点，即我们采用的PLC操作控制会造成耗用更多的输出终端子。在以前所提起的光电追踪操控管理体系里的，太阳的分布方向能够由安装设置在太阳光能集热板上的光电感应设备展开追踪，我们所说的这类模式适合应用在直流机动设备联动的机械设备追踪组织机构，会促使太阳的光线直接照射到太阳光能的集热板上，这同时也是最为简易的，与此同时，也减少降低了PLC输出终端子。通常而言，步进电机设备市场价格比较贵，操作困难。考虑到经济性的要求，本文应用了价格比高的直流电机设备。为了准确操作控制追踪组织机构的旋转角度，在本文中，笔者判断应用增加总量编码器设备，其自动输出信号脉冲和旋转角度的增加总量为正比例关系，输入西门子PLC里的快速计数控制器开始计数，再信息反馈太阳光能集热板的具体位置数据信息过小。接下来是在操控管理体系里硬件设施部分的重要作用：(1)太阳光能集热板，能够将吸收太阳的光能转化成为其中所需要的电能；(2)我们使用光作用强度感应设备来测量太阳辐射的强度，利用太阳方位传感器进行获取所需要的太阳位置数据信息；(3)在本文中，笔者应用的测试放大设备工作电路的作用功能是将体系的工作电流数据信号交换为要求的工作额定电压数据信号，并且扩大这个数据信号；(4)每一个模拟仿真工作电压自动输出数据信号均会发送往模拟仿真量EM231里，再转化处理成数据量，最后发送到西门子PLC中；(5)S7-200系列PLC读取EM231中的数字量，接着再算出数据，达到最后操作控制与联动机动设备运行工作；(6)操作控制水平运动的直流机动设备联动集热板水平运动(方位角)，操作控制垂直方向运动的使其做俯仰运动(实际高度角)；(7)具体位置测试信息反馈的工作基本理论通常都是用增加总量式编码器设备把太阳光能集热板根据太阳位置变化后转动的角度值传递给PLC；(8)本文中的监控室可以利用RS485通讯进行监控PLC的运行状况，然后就可以控制集热板的运动。机械追踪装置本文采用了一种跟踪精度高的双轴跟踪机构。图4-2显示了机械跟踪控制装置。考虑到机器跟踪设备本身重量较大，一般在屋外工作，对风速也比较敏感。如果屋外风速达到一定值，系统程序会自动将太阳能集热板调整到水平位置，减少风速对其的影响，以免损坏设备。当风速保护应用程序运行工作的时候，体系不再追踪太阳的具体位置。在开始自动智能追踪以前，必须将太阳能集热板准确定位并返回到原始参考位置，以便随时追踪太阳的运动分布轨迹。在完成自动智能追踪之后，每一次集电盘机械转动的时候，数据信息均会经过增加总量式编码器设备自动传输给PLC，这样一来PLC就可以自动智能记忆集电盘的具体位置数据信息。在太阳运动分布轨迹的操作控制里，西门子PLC能够经过日期、时间、纬度、经度等数据信息运算出太阳的升降时间和高度角α、方位角γ，获取太阳集热板中所需要的旋转角差与旋转分布方向，并且把获取的角差展开交换自动输入信号脉冲数并且操作控制直流电机设备联动集电板。假如编码器设备自动返回的信号脉冲数等同于角度交换之后的信号脉冲数，则代表太阳光能集热板已转到指定具体位置。在光电追踪方式下，使用太阳方位检测控制器设备获得的数据信号操作控制直流电机设备修改调配太阳光能集热板的方位，增加总量式编码器设备还能够把太阳光能集热板的方位数据信息自动传输给PLC。图4-2机械设备跟踪操作控制机器设备简单示意图光强的检测电路检测光强装置图4-3SP0606型硅光工作电池设备元件图4-4工作电池内部组成构造示意图在本文中，笔者选择光照强度测试感应设备来判定天气。体系应用Sp0606型工作电池作为光照强度感应设备。图4-3与图4-4依次是物理图与工作电池组成构造示意图。当硅光电池被阳光直接照射的时候，硅光电池相似于工作电流源。在其中部电场的影响下，光子在PN结四周启发出比较少的载流子，并且向n型与p型地区移动。这个时候，假如把荷载增加在PN结的两侧，光电流就会通过负载，如果没有光，则可视为普通二极管。图4-5ISC、VOC与入射光强曲线图图4-6ISC、VOC与T曲线图从图4-5和4-6可以看出，光照和温度的变化会影响硅光电池的短路电流ISC和开路电压VOC。从图4-5的关系可以看出，短路电流ISC伴随着入射光作用强度的加大而加大。另一方面，根据示意图能够得知，当入射光作用强度超越60（MW/cm2）的时候，开路工作电压VOC变化不大，几乎没有变化。在图4-6的关系中，短路工作电流ISC对环境实际温度T不太敏锐，伴随着环境实际温度T的逐步增高，ISC缓慢加大；开路工作电压VOC对环境实际温度T十分敏锐，开路工作电压VOC伴随着环境实际温度T的逐步增高而剧烈降低针对以上实际状况，在本文中，笔者应用sp0606硅光工作电池的ISC作为光照强度测试工作电路的测试目标对象。光强检测与转换放大电路我们知道了解太阳辐射作用强度和硅光工作电池里的光工作电流数据信号为正比例关系，所以光电流可以决定光的强度，从而判定天气。光照强度测试、交换与扩大工作电路把硅光工作电池里的工作电流数据信号经过集中计算放大设备交换扩大为工作额定电压数据信号，更加方便测试。图4-7是设计电路图。从图中可以看出，集成运算放大器A9可以将光电流Ig转换为由于该位置的反馈电阻器R14而产生的电压信号，完成I/V转换过程，并且转换后的电压值为。而输出电压UG和光生电流IG二者的相互关系是：(4.1)可以从(4.1)得知，光照强度测试和交换扩大工作电路的自动输出工作电压UG正比于光生工作电流IG，IG与太阳辐射作用强度的相互关系同时也是为正比例关系的，因此自动输出工作电压UG就等同于收集整理太阳辐射作用强度数据信号。图4-7光照强度测试和交换扩大工作电路我们知道了解S7-200PLC系列里的CPU226仅能够认可接受数据量数据信号，假如还需要收集整理模拟仿真量的工作额定电压数据信号，则这个时候一定会使用EM231模拟仿真拓展功能模块实行A/D转换后，把转换后的数据再送给PLC处理，算出UG的平均值和波动值。将平均值和波动值与之前获得的，对比较，能够经过对比分析来判定这个时候的天气实际状况。太阳位置检测装置与电路太阳位置检测装置图4-8QP50-6光电检测控制器设备图图4-9QP50-6检测控制器设备管脚在本文中，笔者运用的太阳方位测试控制器设备是QP50-6型四象限光电检测控制器设备，图4-8是检测控制器设备的实物示意图。QP50-6的圆面运行工作地区实际有效面积是50mm2，这个圆面平均划分成为4个象限，每一个象限与每一个光电二极管依次匹配，其实际有效面积是11.78mm2。这个检测控制器设备还有很多优点，比如感光的范围较宽，精度高达50μm，较低的暗电流，响应速度快到50ns等，适合太阳位置的准确检测，如下图图4-9所示。太阳方位检测与转换放大电路图4-10太阳方位测试和交换扩大工作电路示意图光工作电流数据信号经过4-10的电路图转换成电压信号，并且同相放大。在QP50-6光电检测控制器设备里的，象限A、B、C与D里与之对应的光电二极管的阳极依次和相应的集成运算放大器A1、A2、A3和A4的反向端连接，直流电源连接象限中光电二极管中的公共阴极，把限流电阻R1安装在电源正极和光电二极管的公共阴极两者之间，每一个光电二极管的运算放大电路都是对称的，所以R2、R3、R4、R5相等，R7、R9、R11、R13相等。这个电路的原理与光照强度测试和交换扩大工作电路的原理差比较少，应用集中计算扩大A1、A2、A3、A4把4个光电二极管在光下形成的工作电流IA、IB、IC、ID依次转是与光照实际有效面积和光照强度为正比例关系的工作额定电压数据信号，获取的数据信号通过集中计算放大设备A5、A6、A7与A8同相扩大，从而知道了解自动输出工作电压UA、UB、UC与UD。QP50-6检测控制器设备的每一个象限在阳光直接照射下所产生的光斑实际有效面积SA、SB、SC、SD与自动输出工作电压UA、UB、UC、UD的有效数值成正比例相互关系，因此计算公式（3.5)和(3.6)可依次等价成计算公式（4.2)与(4.3)。(4.2)(4.3)当|Ex′|与|Ey′|实现超越预先设立好的控制阀数值的时候，这个时候西门子PLC会根据Ex′和Ey′的代表符号不同命令指示方位角和实际高度角机动设备的机械转动。通过光电跟踪控制模式，能够使得越来越多的光照垂直射入到太阳光能的集热板。风速检测部分风速感应设备的作用是将测得的风速信号转换成电信号并发送给PLC。本文选用wfs-1-3型风力感应设备。感应设备的自动输出模拟仿真工作电压是0～5V，也能够直接自动输入模拟仿真拓展功能模块EM231实现了a/D交换，不需要任何附加工作电路。西门子PLC可直接从模拟仿真自动输入AI区获取交换之后的风速数值。模拟量扩展模块EM231模拟仿真拓展功能模块EM231主要应用在自动接收模拟仿真数据信号。它划分为五个档位，并且通过其功能模块里的dip控制开关展开修改调配。DIP控制开关的综合深化设计如下表4-1所示。即使综合系统设计的dip控制开关适合应用在整个功能模块，但是假如要求修改调配测量有效范围，则只可以运用一个功能模块。模拟仿真自动输入功能模块具备十二位辨识率，具备单极与双极全量程自动输入，如下表4-1所示。在本文中，笔者应用单极性0～5V模拟仿真量自动输入，数据量自动输出0～32000。假如拓展功能模块经过扁平传输电缆链接到西门子PLC，则拓展功能模块需要处于PLC的右端。表4-1EM231模拟仿真拓展功能模块DIP控制开关的综合深化设计。表4-2EM231模拟仿真量拓展功能模块自动输入调配图4-11EM231拓展模块线路连接示意图1图4-12EM231拓展模块线路连接示意图2西门子PLC模块在本文中，笔者运用西门子STEP7-200。S7-200CPU的指示不单单包含常常运用的基本指示，还存在少数其他指示，例如数学计算指示、查阅报表、交换等。PLC功能模块里的操作控制应用程序主要包含：主应用程序、子应用程序与间断应用程序，在这其中，子应用程序嵌套的极限是8层，定时间断运用1到255毫秒，监督控制定时设备的定时控制时间设立成为300毫秒。在本文中，笔者应用双信号通道增加总量编码器设备（a，B相编码器设备）。参考依据A相的控制时钟信号脉冲和B相控制时钟信号脉冲的振荡相位相互关系，快速计数控制器能够正向计数，反向计数。因此，PLC可以判断轴的旋转分布方向。快速计数控制器hsc0与hsc4依次对中心主轴（Y轴竖向）与稳定副轴（水平横向）增加总量编码器设备自动输出的信号脉冲展开计数，并且运算旋转角度。太阳光能集热板的操作控制可经过控制开关选用自动智能追踪或者人工手动操作控制。当按一下紧急突发意外暂停按键的时候，追踪体系里的每一个动作将会暂停。在人工手动操作控制方式下，设计了面向东、西、南、北的移动按钮，手动控制集电盘的移动。为保证系统的可靠性，还设计了东、西、南、北限位开关，防止旋转轴沿特定方向连续旋转和绕线问题。在转轴机械转动过程里，体系将会完成限位保护作用功能，充分保障机械转动组织机构不会超越限位控制开关的具体位置。表4-3是PLC的I/O调配表，图4-13是外界硬件设施线路连接示意图。表4-3西门子PLC的I/O布置设计表格

图4-13PLC的外端硬件设施连线简单示意图电源部分图4-14是控制开关工作电源的综合深化设计，将220.0V交流工作电压展开降压、整流与自动滤波，把通过一整套操作应用后获取的44V直流工作电压给直流机动设备运用。从整流桥自动输出的工作电压送往控制开关操作控制芯片L4960里获取24.0伏的直流工作电压，给西门子PLC、继电器设备线圈与模拟仿真自动输入功能模块EM231供应电源。

图4-14控制开关工作电源综合系统设计自动追踪太阳系统软件设计自动追踪太阳系统的主程序图5-1为自动智能跟踪体系主应用程序工作流程，在本文中，笔者综合系统设计的体系中有两种选择开关的方法（手动/自动），当体系位于运行工作分布状态，控制开关会默认是自动智能方式分布状态。体系应用程序的组成构造是主应用程序使用子应用程序与子应用程序嵌套使用子应用程序，假如不调用所设计的子程序时，子程序的命令就会不被执行，这会大幅度缩减系统程序的扫描时间。控制面板上的四个方向控制按钮可通过手动子程序来调节集热板的转动方向，在自动跟踪子程序中设计的那些子应用程序，主要包含：太阳运动分布轨迹追踪的、光电追踪的以及数据信息收集的，这些子程序会判断天气情况选择合适的跟踪方法，进而能够全天稳定并且准确的跟踪太阳具体位置。图5-1自动智能跟踪体系主应用程序工作流程简单示意图自动追踪太阳系统的子程序图5-2为太阳自动智能追踪子应用程序流程示意图。第一步，体系会判定是否按一下了开始按键，假如在自动智能追踪的开始按键没有被按一下的时候，则这个时候的自动智能追踪子应用程序会被终止结束，自动返回主应用程序。若与上面假设相反，那么体系里的实时控制时钟会被获取，判断目前太阳有没有光照(也能够设立自动智能追踪的有效时间段)，假如没有，这个时候太阳光能集热板回转到基本标准具体位置，换句话说，太阳下山之后，太阳光能集热控制器设备返回到方位角α与高度角γ是零的分布方向（基本标准具体位置）。假如有，也就是有太阳的时候，开始跟踪太阳的具体位置。当追踪组织机构开始运行工作的时候，PLC先收集风速、太阳方位以及光照强度等数据信息，第一步全面处理与研究分析光照强度数据信息，目前的天气实际状况是通过光的作用强度与太阳辐射的变化波动展开判定。假如是晴天，就履行光电追踪子应用程序；如果天气是多云的话，先履行太阳运动追踪子应用程序展开粗略调节控制，而用光电追踪子应用程序展开精确调节；若时碰到下雨天，太阳追踪效率较低，则将不追踪太阳。每次追踪设备转动的时候，太阳能集热板的位置通过增加总量编码器设备自动返回来。跟踪体系履行完1次之后，这个时候应用程序会耐心地等候一定时间，之后再回转到主应用程序里。假如是体系仍位于自动智能追踪分布状态的话，则应用程序把履行下一个追踪，而且又一次获取体系的实时控制时钟，参考依据获取的最终结果判定这个时候是不是在以前所设立的自动智能跟踪时间里，是白天的话就追踪太阳；如果不是，太阳集热板就会转到基本标准具体位置。延迟时间可以按照体系的灯光照明作用强度、追踪工作效率与准确度展开设立。图5-2太阳自动智能跟踪子应用程序流程示意图收集数据子程序光照强度测试与交换扩大工作电路自动输出的工作额定电压数据信号UG，太阳方位测试与交换扩大工作电路自动输出的工作额定电压数据信号UA、UB、UC、UD以及风速感应设备直接自动输出的工作额定电压数据信号UF，总计六个模拟仿真工作电压数值，再经过2个4信号通道的模拟仿真自动输入拓展功能模块EM231展开A/D交换，之后自动输入到PLC里。即使模拟仿真自动输入功能模块EM231的辨识率是十二位的，但是它的数据信息保存储存格式是十六位。在这其中，000是单极性数据信息储存格式的最小位，等同于A/D转换数值再乘上数字8；0000是双极性数据信息格式里的最小位，等同于A/D交换有效数值再乘上数据16。模拟仿真量自动输入的储存地址在PLC储存设备里用AIWXX代表，模拟仿真量拓展功能模块以2点(4字节)增加总量模式调配储存地址。图5-3数据信息收集子应用程序流程示意图图5-3所示，在数据信息收集过程里，为了尽量减少采样数据信息的有效误差值，因此我们会多次收集整理采样数据信息，之后将多次获取的数据信息，计算平均有效数值并且将它作为数据信号的采样数值。多次收集数据信息时，注意都需要把收集数据信息的数目清零，6路模拟仿真量工作电压数值被PLC收集并同存在储之后，收集数据信息数目增长1次，延迟一定时间，6路模拟仿真量的工作额定电压数据信号被重新再次周期循环收集，实现采样数目n(5~十次)的时候，就暂停收集数据信息，之后开始全面处理获取的数据信息，将n组数据信息里的六个数据信号有效数值运算出平均有效数值，之后保存在模拟仿真变化量的保存地区。光电跟踪子程序构思图5-4为