【正文】 分別闡述了系統(tǒng)下列程序部分：系統(tǒng)主程序模塊、光電追蹤器模塊、光電檢測追蹤模塊、固定軌跡跟蹤模式，并在每個模塊的介紹中都以框圖形式說明了各個程序模塊的工作原理。光電檢測追蹤模式的軟件設(shè)計相對太陽固定軌跡追蹤模式來說要簡單的多，它不存在讀取DS1302時間，計算太陽角度問題，它是通過判斷指定的單片機(jī)引腳電位的高低來確定太陽的朝向，之后單片機(jī)控制電機(jī)朝太陽光的方向轉(zhuǎn)動，直到轉(zhuǎn)動到位于圓盤中央的D0光敏二極管受到光照為止。SJ220MA驅(qū)動器采用原裝進(jìn)口模塊，實現(xiàn)高頻斬波恒流驅(qū)動，有很強的抗干擾性、起動頻率高、高頻性能好、內(nèi)部信號與控制信號實現(xiàn)光電隔離、電流可調(diào)、整半步可自由設(shè)定、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、運行平穩(wěn)、帶動4A以下所有的42BYG、57BYG、86BYG系列步進(jìn)電機(jī)。 表41 步進(jìn)電機(jī)一相勵磁順序表STEP AB11 000201003001040001勵磁順序說明1→2→3→4②二相勵磁一電機(jī)運行的任一時刻，當(dāng)且僅導(dǎo)通步進(jìn)電機(jī)的兩個繞組線圈。圖49 步進(jìn)電機(jī)力矩與頻率關(guān)系曲線④電機(jī)的共振點一每個步進(jìn)電機(jī)都有只與其自身特性有關(guān)的共振區(qū)間，其共振區(qū)間通常介于50r/min至80r/min之間或在180r/rnin左右。③拍數(shù)一步進(jìn)電機(jī)在一個周期性磁場變化的過程中對應(yīng)的脈沖個數(shù)。永磁式步進(jìn)電機(jī)通常是兩相的，其特點是外形所占空間和轉(zhuǎn)矩都很小，176。VCC1，VCC2：主電源與后備電源。上圖中所畫出的只是整個控制電路的一個分支，完整的控制電路由四組與上圖完全相同的電路組成，～，四組電路接了四個繼電器，分別控制兩個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。即實現(xiàn)如下功能：白天時，運放輸出高電位，中斷0檢測到高電位，系統(tǒng)沒有中斷請求，程序繼續(xù)運行，開始檢測是陰天還是晴天；黑夜時，運放輸出低電位，INT0檢測到低電位，外部中斷0是低電平有效地引腳，因此INT0=0時，向單片機(jī)發(fā)出中斷請求，單片機(jī)接到中斷請求后，外部中斷0被激活，進(jìn)入外部中斷0處理程序，從而進(jìn)入等待狀態(tài)?？傊ㄟ^合理設(shè)計電路，恰當(dāng)選擇電機(jī)減速比和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可使太陽光入射角在可容許誤差范圍內(nèi)等于跟蹤裝置指向角，從而實現(xiàn)自動跟蹤裝置帶動聚光裝置對太陽方位進(jìn)行精確追蹤的目標(biāo)。后根據(jù)菲涅爾透鏡和傳光光纖提出的耦合要求設(shè)計了專用的耦合裝置，對光纖太陽光照明系統(tǒng)實現(xiàn)高效耦合提出了理論依據(jù)。 提供的公式計算表示： (333) 式中：n2 表示纖芯外層介質(zhì)的折射率，r 表示匯聚太陽光束光斑最小處的半徑，推算出角度誤差θ對經(jīng)匯聚后的光束耦合入光纖端口的效率影響 圖311 光斑角度θ偏移誤差圖312 耦合效率與角度誤差關(guān)系曲線通過以上的分析可知，縱向誤差的變化是兩者間耦合效率的影響最大，從關(guān)系曲線圖中可知當(dāng)縱向誤差 p 增大到 時，耦合效率降低了近 30%。其中石英光纖還可以分成兩類，即硬皮層石英光纖和軟皮層石英光纖。而是入射點橫截面上的對稱中心軸線與斜光線在該點處橫截面上的投影之間所圍成的角，被稱作為軸傾角，其大小用字母來表示。在傳光光纖的光線入射點的橫截面處，以不同入射角a從空氣中入射到纖芯的光線中，只有入射角介于一定角度范圍內(nèi)的光線，在射入光纖的纖芯時產(chǎn)生的折射光線才會在光纖中發(fā)生全發(fā)射，進(jìn)而在光纖中進(jìn)行傳輸，即射入光纖端面的光線的入射角是α，在波導(dǎo)內(nèi)與垂直光纖軸線的夾角是θ=θc的光線才會發(fā)生全發(fā)射，而θθc的光線將會折射進(jìn)入包層中，進(jìn)而再折射或反射被泄露到周圍的環(huán)境中去。另外該光纖在對光線進(jìn)行傳送的過程中，光線是按照直線順著光纖的中心對稱軸線進(jìn)行傳播的?？招緦?dǎo)光管在其管壁的內(nèi)表面涂上對光具有較高反射率的反射物，光通過其反射涂層上的反射物的反射而在導(dǎo)光管中進(jìn)行傳輸。但這樣做的缺點是菲涅爾透鏡將無法成像，這是由于斜面代替曲面后光束經(jīng)折射后將無法匯聚于一點，如圖所示，當(dāng)太陽光束 a、b、c 經(jīng)折射后分別交于a 、b 、c 從而形成一個小匯聚平面a c ，為了使小平面盡可能的趨于一點，可以將 r 盡可能取小，但這會對加工精度要求提高。菲涅爾透鏡是平面化的聚光器，具有重量輕、成本低廉、安裝方便、透光度高、聚光比高等優(yōu)點，因而在實際應(yīng)用中受到更多的青睞。 聚光器的選擇聚光器顧名思義就是用來聚集光線的裝置，包括兩個很重要的參數(shù):幾何聚光比和能量密度聚光比。光學(xué)器件的性能是在其相應(yīng)的精密機(jī)械裝置的保證下得以實現(xiàn)的，離開了精密機(jī)械裝置光學(xué)器件是沒有意義的。圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 系統(tǒng)各部分工作原理對該種自動跟蹤裝置進(jìn)行設(shè)計所依據(jù)的理論是：位于控制系統(tǒng)中的由光敏二極管和其他的一些電子元器件組成的信號檢測電路檢測到太陽光線不能很好地照射到聚光裝置的釆光面上的時候，控制系統(tǒng)就會向電機(jī)的驅(qū)動電路發(fā)送由脈沖信號組成的控制指令來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。控制程序中包含計時功能，能夠根據(jù)年、月、日、時來判斷太陽的位置，使透鏡面向太陽，光纜采用石英光纖，長度不能超過20m。清理和維護(hù)需要定期進(jìn)行，自動維護(hù)效果較差。尤其是那些建筑較低、暗室及地下倉庫，即使是晴天，室內(nèi)光線也很昏暗，這在無形之中增加了人工照明的電能損耗，而且給長期在此環(huán)境中生活與工作的人身心健康帶來不良影響。所以太陽能光纖照明系統(tǒng)采用光纖引導(dǎo)自然光照明，是充分利用太陽能照明最為新穎的途徑，在節(jié)能型城市的建設(shè)中，必將受到國際建筑和照明界的高度重視。 國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀日本日本是將太陽光用于室內(nèi)照明作為研發(fā)對象最為活躍的國家之一。59第2章 陽光光纖采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 第2章 陽光光纖采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)組成耦合器光纖太陽光照明系統(tǒng)主要功用是利用聚光裝置將太陽光采集匯聚后，利用專用的光耦合裝置將高密度的匯聚太陽光束耦合進(jìn)入傳光光纖，最后經(jīng)由漫散射裝置將光散射后供人類直接使用。視日運動軌跡跟蹤方式的設(shè)計原理是根據(jù)觀測地點的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時間等數(shù)據(jù)信息，利用天文學(xué)公式，并借助于控制系統(tǒng)中程序運算的方式，提前算出太陽的高度角和方位角，然后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動聚光裝置轉(zhuǎn)動并使聚光裝置的軸線指向太陽，聚光裝置的采光面與太陽的福射光線相垂直。第3章 光路系統(tǒng)設(shè)計 第3章 光路系統(tǒng)設(shè)計通過對典型聚光裝置的分析和光纖太陽光照明系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)選用了菲涅爾透鏡作為聚光器。1748年時法國的數(shù)學(xué)物理學(xué)家GeorgesLouis Leclerc幵始思考通過改變透鏡的表面來達(dá)到減重與節(jié)省材料，同時具有凸透鏡的聚焦效果，1820年，F(xiàn)resnel利用Leclerc思想制造出第一面菲涅爾透鏡，成功用于燈塔。(2) 可以改變光纖放置的位置、系統(tǒng)長度縮短。 光傳導(dǎo)導(dǎo)體的選擇與分析光纖和導(dǎo)光管在傳輸光線的過程中，對光的衰減小，因此太陽能光纖照明系統(tǒng)中用光纖和導(dǎo)光管將聚光裝置采集到的太陽光束有效地傳輸?shù)叫枰彰鞯膱鏊M(jìn)行照明。下圖顯示了兩種不同折射率的光纖在橫截面上的分布。不過要想弄清楚子午光線的概念，還需要首先弄明白子午面的定義。如下圖所示，在光纖內(nèi)部進(jìn)行傳送的一條斜光線，而和光纖中心軸在空間區(qū)域內(nèi)是不會平行也不會有交點的不共面的直線。這些光損失與傳光光纖的長度大小有關(guān)系，假設(shè)單位長度上由于吸收而造成的光損失為a，單位長度上由于散射而造成的光損失為S，除去散射和吸收所產(chǎn)生的光損失以外，剩余部分光的比例變?yōu)?1aS)。（由聚光透鏡匯聚角度而定）時縱向誤差p與耦合效率的關(guān)系。 陽光光纖照明簡易實驗裝置 裝置組成圖314展示了該裝置的主要有組成，包括菲涅爾透鏡，塑料光纖，當(dāng)光照通過菲涅爾透鏡，就可以看到光纖末端實驗結(jié)果圖314 簡易裝置圖圖315展示了實驗人員正在對透鏡對光位置進(jìn)行調(diào)整，使透鏡盡可能的對準(zhǔn)光照充足的地方。同樣對于太陽能光纖照明系統(tǒng)的復(fù)位模式來說，是指當(dāng)太陽落山至第二天太陽升起的夜間時，光線的強度很低以至于無法滿足光纖照明的要求時，步進(jìn)電機(jī)就會執(zhí)行復(fù)位模式，即帶動聚光裝置轉(zhuǎn)動到太陽升起就需要開始進(jìn)行實時、精確地追蹤的位置處。即是，晴天時，光電二極管受到的光照強度足以使其導(dǎo)通，運放輸出高電位，程序繼續(xù)運行，通過光電追蹤模式進(jìn)行追蹤；當(dāng)太陽光的強度不足以使電路中的光敏二極管導(dǎo)通時，經(jīng)過比較電路之后，運放輸出低電平，這時利用軟件來控制系統(tǒng)啟用太陽固定軌跡追蹤模式。圖46 單片機(jī)控制電路設(shè)計上圖是控制電路中的一組。RST：復(fù)位， 對芯片操作。然而盡管步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛，但是在使用時必須有脈沖信號發(fā)生器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路等的配合，方可使用。②步距角一表示步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路每接收到一個步進(jìn)脈沖信號以后，步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度的大小。圖48 步進(jìn)電機(jī)運行矩頻特性曲線當(dāng)確定步進(jìn)電機(jī)的型號的時候，由于電機(jī)的靜力矩是電機(jī)的固有屬性，因此就不會再變化了。如果使用該種勵磁方式對步進(jìn)電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動進(jìn)行控制的話，那么其對應(yīng)的勵磁順序則如下表所示。表44 57BYG450D4 步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)序號英文名稱中文名稱參數(shù)值1Rated voltage電壓2 phase相數(shù)43Step angle步距角。此模式只與時間和地點有關(guān)，而不受太陽光強弱的影響，正好彌補了光電追蹤模式陰天不能正常追蹤的缺陷。電路主要包括光電檢測電路、單片機(jī)控制電路、時鐘電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器電路。結(jié)合目前該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，對本文設(shè)計制作的太陽能光纖照明裝置總結(jié)如下:(1)深入研究并分析了各種聚光裝置的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)特點、性能特點和其在實際使用過程中所遇到的問題，并且本文設(shè)計的太陽能光纖照明系統(tǒng)選用了基于菲尼爾透鏡結(jié)構(gòu)的聚光器作為本系統(tǒng)的聚光裝置，而且也對其設(shè)計原理、尺寸計算方法等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。圖414 光電檢測追蹤模式流程圖 光電檢測追蹤模塊的設(shè)計。控制信號端：驅(qū)動器通過脈沖信號(CP)接線端口接收脈沖信號，按接收到脈沖信號數(shù)量來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度；驅(qū)動器通過方向信號端(DIR)接收方向信號，發(fā)送相應(yīng)的指令使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；控制信號的公共端(COM)； 脫機(jī)電平輸入端(RST)：此端子加低電平，電機(jī)處于自由狀態(tài)。如果用該種勵磁方式對步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)進(jìn)行控制的話，其對應(yīng)的勵磁脈沖信號順序表則如下表所示。假如步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈要用200個脈沖信號來對勵磁繞組進(jìn)行勵磁的話，即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度與勵磁脈沖信號的個數(shù)之間是呈正比例關(guān)系的。④定位轉(zhuǎn)矩一電機(jī)在斷電的時候，電機(jī)的轉(zhuǎn)子鎖定本身的力矩的大小。但是該種步進(jìn)電機(jī)在運行的過程中，不僅會產(chǎn)生很大的噪聲，而且還會產(chǎn)生很嚴(yán)重的振動。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，與負(fù)載變化無關(guān)，即電機(jī)收到一個脈沖信號，則轉(zhuǎn)過一個固定的角度(步距角)。DS1302與單片機(jī)的通信僅需三根線即SCLK（串行時鐘線）、I/O（數(shù)據(jù)線）、RST（復(fù)位線）。將整個光電檢測裝置（光電傳感器）安裝在太陽板上，光敏二極管的檢測面與太陽能板平行。本系統(tǒng)所選用的單片機(jī)為AT89C51型單片機(jī)。其中接口數(shù)據(jù)控制卡是控制系統(tǒng)的核心控制器件。 太陽光與光纖耦合裝置設(shè)計太陽光采集跟蹤系統(tǒng)的聚光裝置選用的是菲涅爾透鏡，傳光光纖選用的是石英光纖。 光耦合條件光纖耦合系統(tǒng)的目的都是提高光纖耦合效率，因此太陽光和光纖耦合也首先要滿足光纖耦合要求，光纖耦合的要求為: 2ρ≤dcore θ＜θNA公式中，ρ表示為入射光斑的半徑。而耦合進(jìn)光纖的光線在光纖內(nèi)部能夠發(fā)生全反射并進(jìn)行傳輸?shù)呐R界角βc是一個不隨其他參數(shù)變化而變化的數(shù)值，且Pe在數(shù)值大小上等于n2與n1的比值大小。假設(shè) n1=，△=1%，可以得到 NA= 或者 θc。另外根據(jù)纖芯的直徑2a和光波的波長λ在數(shù)值上相除所得比值的大小，光纖能夠傳輸光的原理可以用電磁場及模式理論和光線理論進(jìn)行分析。故對于空芯的導(dǎo)光管來說，利用對光線的反射作用來傳遞光線會在傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生很大的光衰減。從圖中可以看到入射光束與菲涅爾透鏡主光軸的夾角為i ，光線入射角為i1 、透鏡平面的折射角為i1 ，透鏡尖劈斜面的入射角為i2 、出射角為i2 ，光線經(jīng)透鏡尖劈面出射后與主光軸的夾角為i ，由折射定律可得： (34)式中N 為空氣的這是率近似取 1，N 為菲涅爾透鏡材料折射率。從公式： (33)式中，n:透鏡折射率，f:透鏡焦距，x:該棱角離菲涅爾中心線的Xx軸距離。聚光器聚光的理論最大值由幾何聚光比得到。該自動跟蹤裝置的機(jī)械執(zhí)行部分主要包括：起到固定整個裝置作用的底座、實現(xiàn)動力傳動的軸承以及大齒輪和小齒輪等。菲涅爾透鏡透可以建造更大孔徑的透鏡，其特點是焦距短，且比一般的透鏡的材料用量更少、重量與體積更小，和普通透鏡相比，菲涅爾透鏡更薄，因此可以傳遞更多的光，是一種較為理想的太陽能采集器。這里的組合照明，就是以太陽光照明為主，不足之處再用電照明填補。由于缺少調(diào)節(jié)光亮的裝置，設(shè)備不能根據(jù)光線的變化隨時調(diào)整輸出照明效果。其中，全世界越28%的電能用于居住生活。照明能耗是人類生活能源消耗中最多的一項，約占總能耗的 9% 以上。因上述該照明系統(tǒng)的優(yōu)點，必然促使光纖照明的需求增加。根據(jù)光纖導(dǎo)光特點，不同材質(zhì)光纖導(dǎo)光強弱，選擇合適光纖（2）對太陽能光纖照明系統(tǒng)的太陽光自動跟蹤裝置的硬件進(jìn)行了總體設(shè)計，并對各個功能模塊電路進(jìn)行分別設(shè)計。通過把上述的兩種跟蹤方案進(jìn)行簡單的分析和比較，根據(jù)其各自的優(yōu)點，進(jìn)而選擇