【正文】 出最佳的跟蹤方案。下圖是一個(gè)太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置控制系統(tǒng)的硬件框圖。常規(guī)玻璃凸透鏡的聚焦性能與其厚度有關(guān)，要實(shí)現(xiàn)高能量，大面積的光線聚焦，則需要把凸透鏡的厚度增大，這樣以來(lái)，制作成本較大、透鏡重量大、安裝難度大、成本昂貴。塞格林式聚光器包含兩塊鏡子，一塊是一片碟型拋物面鏡，另外一片是蝶形雙曲面鏡，雙曲面鏡的兩面各有一個(gè)焦點(diǎn)。當(dāng)太陽(yáng)光束垂直入射時(shí)，匯聚光斑為一個(gè)立體的圓棱形且此時(shí)匯聚光斑直徑最小為dmin ，將其稱為束腰直徑，聚光比 C 在此時(shí)取值最大。一種是其折射率在光纖纖芯區(qū)域中是一個(gè)不隨其他參數(shù)變化而變化的值，但是在光纖纖芯與包層相接觸的地方，折射率會(huì)突然變大或變小的光纖被定義為階躍光纖。其中(a)為不同入射角θ時(shí)的光線傳輸條件示意圖，而（b）為光線入射角θ等于臨界角0。對(duì)于斜光線來(lái)說(shuō)，此類光線在光纖內(nèi)部與中心軸是不在同一平面內(nèi)的。傳輸光的距離越長(zhǎng)，所需要的光纖也就越長(zhǎng)，那么光纖內(nèi)部對(duì)光的吸收和散射所產(chǎn)生的光損失也就會(huì)越多。當(dāng)匯聚太陽(yáng)光斑與耦合端口存在偏移時(shí)就使得在光纖端面處光斑面積增大，從而不再符合光與光纖耦合條件，即ds＞ dcore ，如圖所示， p 為匯聚光斑與光纖的縱向偏移誤差，r是匯聚光斑束腰處的半徑。單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，單負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差，故單透鏡本身無(wú)法矯正球差（消球差一般只能使一個(gè)孔徑球差為零，通常對(duì)邊緣孔徑矯正球差）通過(guò)菲涅爾透鏡與二級(jí)小凹透鏡的配合使用，可將匯聚后的光束準(zhǔn)直為大密度小直徑的光束，這樣做不僅可以消球差，同時(shí)使得二級(jí)小凸透鏡與光纖的耦合更加便于控制和實(shí)施加工。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作情況進(jìn)行劃分的話，可以將其分為跟蹤模式、原處等待模式以及復(fù)位模式。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是將光電追蹤模式和太陽(yáng)角度追蹤模式結(jié)合起來(lái)，當(dāng)陰天的時(shí)候，太陽(yáng)光比較弱，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)由光電追蹤模式轉(zhuǎn)換到太陽(yáng)角度追蹤模式。以D1為例：當(dāng)D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，正如上文所述，這時(shí)只有D1所對(duì)應(yīng)的運(yùn)算放大器AL1輸出低電位，而與D0一樣沒有受到光照的DDD4所對(duì)應(yīng)的運(yùn)算放大器ALALAL4輸出高電位，、。上電時(shí)，Vcc，RST必須為邏輯0，當(dāng)RST由0至1狀態(tài)時(shí)，SCLK必須為邏輯0。步進(jìn)電機(jī)高根據(jù)脈沖信號(hào)的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并且步進(jìn)電機(jī)不是閉環(huán)反饋控制器件。步進(jìn)電機(jī)的步距角通常會(huì)隨著步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)的改變而改變，例如二相步進(jìn)電機(jī)的步距角有兩種情況，而五相步進(jìn)電機(jī)的步距角也有兩種情況。③失調(diào)角一轉(zhuǎn)子齒軸線與定子齒軸線之間偏離的角度大小。①一相勵(lì)磁一電機(jī)運(yùn)行的任一時(shí)刻，當(dāng)且僅導(dǎo)通步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)繞組線圈。表43 步進(jìn)電機(jī)一二相勵(lì)磁順序表STEPAB11000211003010040110500106001170001勵(lì)磁順序說(shuō)明1→2→3→4→5→6→7→8設(shè)計(jì)的太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置中所使用的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)都是六線四相步進(jìn)電機(jī)，其型號(hào)為57BYG450D4。如果系統(tǒng)檢測(cè)到D0受到了光照，這時(shí)軟件控制系統(tǒng)延時(shí)15分鐘。原理：首先進(jìn)入太陽(yáng)固定軌跡追蹤模式，從時(shí)鐘芯片那里獲取當(dāng)前時(shí)間，再結(jié)合預(yù)設(shè)的模型里的公式，計(jì)算出太陽(yáng)能板當(dāng)時(shí)在太陽(yáng)高度角及方位角方向分別偏移水平方向的高度，延時(shí)15分鐘后，利用相同方法計(jì)算延時(shí)后所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)方向上的偏移高度，計(jì)算兩次調(diào)整之間的角度差，就可以利用這個(gè)高度差計(jì)算出需要電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度了。在硬件的基礎(chǔ)上，對(duì)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，硬件與軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置對(duì)太陽(yáng)方位的二維、精確追蹤。步進(jìn)電機(jī)每收到一個(gè)脈沖信號(hào)，則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，因?yàn)榫哂羞@種線性關(guān)系，且步進(jìn)電機(jī)只有周期誤差，沒有累積誤差， 步進(jìn)電機(jī)在速度位置等控制領(lǐng)域應(yīng)用變得簡(jiǎn)單，具有瞬間啟動(dòng)和急停等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如下圖所示。步進(jìn)電機(jī)接收到任意一個(gè)勵(lì)磁脈沖信號(hào)以后。總之，步進(jìn)電機(jī)收到一個(gè)勵(lì)磁脈沖信號(hào)后，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角的角度，因此，不停地給步進(jìn)電機(jī)發(fā)來(lái)脈沖信號(hào)后，步進(jìn)電機(jī)便可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)有步距角精度、失步、失調(diào)角以及電機(jī)的共振點(diǎn)。176。步進(jìn)電機(jī)的這些特性非常適合用單片機(jī)來(lái)控制，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。RST提供有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供了單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的手段。由運(yùn)算放大器的工作原理知，這時(shí)4組運(yùn)放的輸出端同時(shí)輸出高電位。在空閑模式中，CPU停止工作，而RAM、定時(shí)/計(jì)時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作；在掉電模式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分的性能優(yōu)劣將直接影響著太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置的跟蹤的精度、跟蹤的實(shí)時(shí)性等，也進(jìn)一步的影響著整個(gè)系統(tǒng)的功能優(yōu)劣。為了將匯聚光盡可能多的耦合入光纖中，需要相應(yīng)的耦合裝置且符合光與光纖耦合的條件，即匯聚光束的光斑直徑小于纖芯的直徑ds ＜dcore ；發(fā)散全角小于光纖的數(shù)值孔徑角θs ＜2arcsin(NA)。 θNA表示光纖的最大接收角 橫向誤差對(duì)耦合效率的影響太陽(yáng)光束經(jīng)聚光裝置匯聚后的光斑與光纖的主光軸的偏移誤差為d ，R 為光纖芯軸的半徑，r 為光斑的束腰半徑。因此與子午光線對(duì)傳光光纖的數(shù)值孔徑NA的要求相比較的話，斜射光線對(duì)傳光光纖的數(shù)值孔徑NA的要求將會(huì)更加地嚴(yán)格。該數(shù)值孔徑角的大小與傳光光纖的數(shù)值孔徑以及發(fā)射介質(zhì)的折射率n0的大小相關(guān)。 光纖導(dǎo)光原理當(dāng)光從折射率比較大的傳輸介質(zhì)中入射到折射率較小的傳輸介質(zhì)中時(shí)，通常情況下會(huì)在這兩種不同介質(zhì)的交界面處對(duì)傳輸?shù)墓饩€分別產(chǎn)生反射以及折射現(xiàn)象。光纖是一種高度透明的纖維，通常是由聚合物制棒之后再拉制成絲而制作成的。同理可得整個(gè)匯聚區(qū)域中 個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)值，且推出匯聚區(qū)域各處的直徑后，其中的最小 值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)便是整個(gè)匯聚區(qū)域中心半徑最小位置，且稱為束腰半徑，由此可得當(dāng)某波長(zhǎng)平行光束以角度i入射菲涅爾透鏡后，其匯聚區(qū)域的最佳焦斑位置為束腰半徑處。可看出理想的棱角的大小是連續(xù)變化的，實(shí)際制作過(guò)程中，棱角的變化不可能是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，在一定的長(zhǎng)度內(nèi)，棱角的角度是固定的某個(gè)值，所以平行主光軸入射的光線不可能形成一個(gè)光點(diǎn)，而是一個(gè)光斑。 聚光器的種類用于收集太陽(yáng)光的聚光器的種類繁多，從工作原理來(lái)說(shuō)，可分為折射式和反射式兩類。還有電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)小齒輪，而小齒輪又直接帶動(dòng)大齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。本文中通過(guò)設(shè)計(jì)一組凹凸透鏡組作為專用耦合器對(duì)聚光透鏡進(jìn)行消球差調(diào)整，同時(shí)解決了光纖對(duì)匯聚光束提出的一些性能要求。中國(guó)在我國(guó)，八、九十年代，就已經(jīng)有一部分科研院所和企業(yè)著手研究此類自然光導(dǎo)光管(光纖)照明系統(tǒng)。它可應(yīng)用于體育館、機(jī)場(chǎng)、火車站、地下車庫(kù)、高濕度、高溫度場(chǎng)所、水下或水池邊、甚至有火險(xiǎn)、爆炸性氣體的場(chǎng)所等地，它是一個(gè)安全的光源。太陽(yáng)是一個(gè)非常理想的天然光源，它發(fā)出的電磁波含有無(wú)線電波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線、γ射線和宇宙射線，1017 W，其光功率強(qiáng)度達(dá)到1367 W/m2，其中紅外光的能量約占太陽(yáng)總輻射能的一半。太陽(yáng)能開發(fā)和利用的技術(shù)包括太陽(yáng)采光、熱能利用和光伏發(fā)電，其中利用晝光進(jìn)行采光照明，可實(shí)現(xiàn)建筑的晝間照明，若利用太陽(yáng)能電池給蓄電池充電，則夜間也可實(shí)現(xiàn)照明，充分利用太陽(yáng)能是照明技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。光纖照明與電照明相比，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。目前主要用于住宅等小型室內(nèi)照明，技術(shù)水平與國(guó)外相比還相對(duì)落后，應(yīng)用仍處于試驗(yàn)階段，2008年北京奧運(yùn)會(huì)中心區(qū)地下車庫(kù)安裝的19套導(dǎo)光管系統(tǒng)，是我國(guó)將太陽(yáng)光照明系統(tǒng)用于大型地下空間的首次嘗試。通過(guò)耦合器的調(diào)整，太陽(yáng)光與光纖的耦合效率得到了較大的提高。該跟蹤裝置的控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括由光電傳感器組成的信號(hào)檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)控制芯片和電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等部分組成。從聚焦特性來(lái)說(shuō)，可分為點(diǎn)狀光斑即點(diǎn)聚焦聚光器和線狀光斑亦線聚焦聚聚光器。如果這個(gè)長(zhǎng)度越短，棱角的角度變化就越連續(xù)，則光斑的面積就會(huì)越小，單位面積的能量密度會(huì)越大。 (315) 圖33 某波段太陽(yáng)光束以角度i 入射菲涅爾透鏡匯聚示意圖對(duì)于菲涅爾透鏡的聚光性能來(lái)說(shuō)，若不考慮匯聚過(guò)程中的能量損失，則可以用幾何聚光比 C 表示聚光程度： (316) 式中的Sa為菲涅爾透鏡的匯聚光斑的面積，S1 為太陽(yáng)光束入射透鏡的面積，可以視為菲涅爾透鏡的有效面積。從光纖的橫切截面來(lái)分析的話，光纖從外到內(nèi)包括三部分，即外層是表面的涂覆層，中間部分是折射率較低的包層，而最內(nèi)層是折射率極高的纖芯。而當(dāng)入射到傳光光纖上的光線的入射角比臨界角大的時(shí)候，入射光線在傳光光纖中只會(huì)產(chǎn)生全反射，而不會(huì)產(chǎn)生反射。對(duì)于公式(323)來(lái)說(shuō)，該公式只被有限地用于子午光線入射的時(shí)候。圖37 斜光線全反射條件 光纖傳輸特性光纖對(duì)傳輸光的衰減是指進(jìn)光纖的總光量與光纖末端所發(fā)射出的總光量的差值，即光纖在對(duì)光的傳輸?shù)倪^(guò)程中所產(chǎn)生的光損耗量。太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)匯聚后盡管符合光與光纖的耦合條件，但太陽(yáng)光匯聚光斑的中心未對(duì)準(zhǔn)纖芯的中心軸，如圖 ，這就使得部分匯聚太陽(yáng)光束沒有耦合入光纖內(nèi)部。圖313 透鏡組結(jié)構(gòu)圖根據(jù)光與光纖耦合條件的要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用的耦合裝置二級(jí)凹凸透鏡組，通過(guò)它對(duì)菲涅爾透鏡的匯聚光束的調(diào)整可解決如下問(wèn)題：1. 消球差，所謂球差是指太陽(yáng)光的某單色光束經(jīng)菲涅爾透鏡后與中心光軸夾不同角度的光線交中心軸于不同的位置，從而焦點(diǎn)處不是一個(gè)光點(diǎn)而是一個(gè)圓形的彌散斑。因此整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況在很大程度上取決于太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置的控制系統(tǒng)單元. 圖41 太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件框圖太陽(yáng)能光纖照明系統(tǒng)中太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于對(duì)直射太陽(yáng)光線強(qiáng)度的檢測(cè)以及驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)聚光裝置精確地追蹤太陽(yáng)的方位。 圖42 AT89C51芯片引腳圖 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)（1）判斷陰晴的電路設(shè)計(jì) 因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)由兩種追蹤模式組成，即光電追蹤模式和太陽(yáng)角度追蹤模式。也就是當(dāng)D0受到光照時(shí)，～ 圖45 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)同時(shí)檢測(cè)到高電位。時(shí)鐘SCLK是上升沿后繼以下降沿的序列。步進(jìn)電機(jī)有很多種，按其運(yùn)動(dòng)方式分為有旋轉(zhuǎn)型和直線型，通常使用的旋轉(zhuǎn)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又可分為反應(yīng)式、永磁式、感應(yīng)式，其中反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是我國(guó)應(yīng)用最廣泛的一種，它具有調(diào)速范圍大、動(dòng)態(tài)性能好、能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。176。如下:①步距角精度一步進(jìn)電機(jī)在實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角大小的實(shí)際值與理論值之間的誤差，用百分比表示為:誤差/步距角100%。 圖410等效電路圖411 繞組說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方式:步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式有半步勵(lì)磁和全步勵(lì)磁兩種類型。該種勵(lì)磁方式的特點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中不僅平滑，而且分辨率也很高，因此應(yīng)用的范圍非常廣泛。圖413 系統(tǒng)流程圖其中檢測(cè)白天還是黑夜時(shí)通過(guò)中斷0來(lái)判斷的，只要INT0檢測(cè)到低電位，系統(tǒng)就進(jìn)入中斷服務(wù)程序，即等待狀態(tài)。設(shè)計(jì)如下圖所示。增加的濾光片有效地濾除了太陽(yáng)光纖中對(duì)人。啟動(dòng)太陽(yáng)固定軌跡追蹤模式程序。在光電跟蹤模式下：系統(tǒng)首先檢測(cè)位于圓盤中央的光敏二極管D0是否受到了光照，系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)D0對(duì)應(yīng)的單片機(jī)的引腳的高低電位來(lái)判斷的。如果要想讓步進(jìn)電機(jī)按反方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的話，只需要將勵(lì)磁脈沖信號(hào)按反向傳送即可實(shí)現(xiàn)。而半步勵(lì)磁又被叫做一二相勵(lì)磁。②失步一步進(jìn)電機(jī)在實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)與理論上的步數(shù)不相等時(shí)，其被定義為失步。（1）步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)所具有的一些技術(shù)參數(shù)指標(biāo)有相數(shù)、步距角、拍數(shù)、定位轉(zhuǎn)矩以及保持轉(zhuǎn)矩，如下①相數(shù)一步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部所含有的線圈繞組個(gè)數(shù)。需要注意的問(wèn)題是每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都有自己的共振點(diǎn)，二相混合式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180~250pps之間，故在步進(jìn)電機(jī)使用的過(guò)程中，我們要避免否其產(chǎn)生共振，這樣步進(jìn)電機(jī)不僅噪聲會(huì)很大，而且會(huì)劇烈抖動(dòng)，產(chǎn)生意想不到的后果。如果RST輸出低電平，則I/O引腳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，中止數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)D1～D4中的某一個(gè)受到光照時(shí)，電路工作原理是一樣的。而太陽(yáng)固定軌跡追蹤模式是通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角來(lái)進(jìn)行追蹤的，太陽(yáng)角度追蹤模式與太陽(yáng)光強(qiáng)度沒關(guān)系。然后再利用A/D轉(zhuǎn)換器將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后再送入到控制芯片一單片機(jī)，單片機(jī)芯片在接收到這些數(shù)字信號(hào)后，會(huì)對(duì)他們進(jìn)行處理，繼而輸出相應(yīng)的控制字給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路以控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。1/l= 1/f確定凹透鏡的焦距。圖38 橫向偏移誤差和耦合效率的關(guān)系曲線 縱向誤差對(duì)耦合效率的影響縱向誤差是指太陽(yáng)光束的匯聚光斑的最小直徑處未能對(duì)準(zhǔn)光纖端面，兩者間存在偏差，將此偏差稱為縱向誤差。光纖衰減的存在使光的有效傳輸距離極大地減短了。對(duì)于射入進(jìn)光纖端面的光線來(lái)說(shuō)，其中不僅有子午光線，而且也包含有斜光線。下圖為光纖中的光線能夠發(fā)生全反射而進(jìn)行有效傳輸?shù)臈l件示意圖。另外從光纖纖芯區(qū)域的折射率在徑向上的分布不相等的原理來(lái)分的話，光纖能夠被分為兩種類型。對(duì)于具體透鏡來(lái)說(shuō)，假定透鏡的有效直徑為 D，透鏡的匯聚光斑直徑為d ，則 (317)其