技术领域
[0001] 本
发明涉及
太阳跟踪器的设计领域，具体涉及一种获取太阳光垂直入射方向的装置及方法。
背景技术
[0002] 21世纪以来，世界各地都在倡导绿色
能源的使用。中国作为世界上最大的发展中国家，也在大
力提高绿色能源的使用占比，以减轻对传统能源的依赖程度，改善环境
质量。作为最重要的绿色能源之一的
太阳能投入使用，给人类带来许多的便利，同时也对改善环境起到很大的作用。
[0003] 目前，人类对太阳能的利用主要是光热转换和光电转换两种方式，其中光热转换的技术已经趋于成熟，但是光电转换技术仍很大程度上受限于其转换效率而未得到很大的推广，这意味着解决光电转换效率对太阳能的利用有重要的意义。对光电转换效率的提高主要有两种方式，一种是寻找光电转换效率更高的材料，另一种是开发太阳跟踪器。两种方式优劣参半，前者难度较大，后者成本较高。本发明提出了一种以低成本获取太阳光垂直入射方向的设计方案，可应用于许多对成本要求敏感的太阳能设备跟踪太阳，提高其光电转换效率。
发明内容
[0004] 根据以上内容，本发明提出了一种低成本获取太阳光垂直入射方向的装置及方法，主要是设计了一种半球形的光敏
二极管集成
传感器和利用该传感器获取太阳光垂直入射方向的方法，该光敏二极管集成传感器负责太阳光
信号的采集；使用LM339N芯片对光敏二极管集成传感器输出的
模拟信号进行处理；最后设计了一种利用STC90C516RD+进行逻辑运算，获得太阳光垂直入射方向的方法。具体技术方案如下：
[0005] 一种获取太阳光垂直入射方向的装置，包括依次相连的光敏二极管集成传感器、LM339N模
块、
单片机；
[0006] 所述光敏二极管集成传感器由黑色半球壳和若干个光敏二极管组成；所述黑色半球壳上有若干个通孔，用于安装所述光敏二极管，所述通孔和所述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；其中一个通孔位于半球壳的
顶点处，其他通孔分为两组，交叉排布在半球壳上，其中一组通孔的相邻两孔的轴线夹
角为θ，另一组通孔的相邻两孔的轴线夹角为η；
[0007] 所述LM339N模块与所述若干个光敏二极管的输出相连，将若干个光敏二极管的输出大小比较后送给单片机；
[0008] 所述单片机根据若干个光敏二极管输出的大小，确定输出强度信号最小值的光敏二极管，并根据此光敏二极管的
位置确定太阳光垂直入射的方向。
[0009] 进一步，所述若干个光敏二极管的个数为7个，分别为D1～D7。
[0010] 进一步，所述7个光敏二极管集成传感器的接线方法为：7个光敏二极管的正极共地、负极均经过一个上拉
电阻后接入电源；将电源的正极和各光敏二极管的负极作为光敏二极管集成传感器的7路
输出信号U1-、U2-、U3-、U4-、U5-、U6-、U7-。
[0011] 进一步，所述LM339N模块与所述若干个光敏二极管的输出相连的具体连接如下：
[0012] 将光敏二极管的负极
输出电压U1-、U2-、U3-、U4-、U5-、U6-、U7-分为两组：Ⅰ组为U1-、U5-、U2-，Ⅱ组为U3-、U4-、U5-、U6-、U7-；
[0013] Ⅰ组与一个LM339N U3的具体连接为：U1-和U5-分别接入U3的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U1-和U2-分别接入U3的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U5-和U2-分别接入U3的第三个独立比较器的负输入端和正输入端；
[0014] Ⅱ组与三个LM339N U7、U8、U9的具体连接为：U3-和U4-分别接入U7的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U5-分别接入U7的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U6-分别接入U7的第三个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U7-分别U7的第四个独立比较器的负输入端和正输入端；U4-和U5-分别接入U8的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U4-和U6-分别接入U8的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U4-和U7-分别接入U8的第三个独立比较器的负输入端和正输入端，U5-和U6-分别U8的第四个独立比较器的负输入端和正输入端；U5-和U7-分别接入U9的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U6-和U7-分别接入U9的第二个独立比较器的负输入端和正输入端；
[0015] 所述U3的三个输出管脚2、1、14分别连接单片机U1的P0.0、P0.1、P0.2；
[0016] 所述U7的四个输出管脚2、1、14、13分别连接单片机U2的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3；
[0017] 所述U8的四个输出管脚2、1、14、13分别连接单片机U2的P0.4、P0.5、P0.6、P0.7；
[0018] 所述U9的两个输出管脚2、1分别连接单片机U2的P2.6、P2.7。
[0019] 进一步，所述U3的三个输出、所述U7的四个输出、所述U8的四个输出、所述U9的两个输出均均接有上拉电阻。
[0020] 进一步，所述黑色半球壳的厚度为3mm以上。
[0021] 进一步，所述通孔的直径为5mm。
[0022] 基于上述装置，本发明提出了一种获取太阳光垂直入射方向的方法，包括如下步骤：
[0023] 步骤1：在光敏二极管集成传感器的半球壳上建立空间直角
坐标系：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，并且X轴、Y轴和Z轴的正向与球面的法向相同；
[0024] 步骤2：将光敏二极管的负极输出电压U1-、U2-、U3-、U4-、U5-、U6-、U7-分为两组：Ⅰ组为U1-、U5-、U2-，负责太阳垂直入射方向与设定坐标系的xoy平面夹角α的检测；Ⅱ组为U3-、U4-、U5-、U6-、U7-，负责太阳垂直入射方向与设定坐标系的xoz平面夹角β的检测；
[0025] 步骤3：将Ⅰ组与LM339N U3连接：U1-和U5-分别接入U3的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U1-和U2-分别接入U3的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U5-和U2-分别接入U3的第三个独立比较器的负输入端和正输入端；
[0026] 将Ⅱ组与LM339N U7、U8、U9连接：U3-和U4-分别接入U7的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U5-分别接入U7的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U6-分别接入U7的第三个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U7-分别U7的第四个独立比较器的负输入端和正输入端；U4-和U5-分别接入U8的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U4-和U6-分别接入U8的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U4-和U7-分别接入U8的第三个独立比较器的负输入端和正输入端，U5-和U6-分别U8的第四个独立比较器的负输入端和正输入端；U5-和U7-分别接入U9的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U6-和U7-分别接入U9的第二个独立比较器的负输入端和正输入端；
[0027] 步骤4：经过U3的处理，对Ⅰ组的三路电压大小进行比较，找出它们的最小电压；经过U7、U8和U9的处理，对Ⅱ组的五路电压大小进行比较，找出它们的最小电压；
[0028] 步骤5：采用单片机依据LM339N处理结果，计算得出太阳光垂直入射的方向；具体地：
[0029] 将U3的3个输出管脚2、1和14分别接入单片机U1的P0.0、P0.1和P0.2三个IO口，定义P0.0、P0.1和P0.2的逻辑信号与Ⅰ组各光敏二极管的负极电压U1-、U5-和U2-中最小值之间的逻辑关系；
[0030] 将U7的4个输出管脚2、1、14和13、U8的4个输出管脚2、1、14和13和U9的2个输出管脚2、1分别接入第二个单片机U2的8个P0口、P2.6、P2.7，定义P0口、P2.6、P2.7与Ⅱ组各光敏二极管的负极电压U3-、U4-、U5-、U6-、U7-中最小值之间的逻辑关系；
[0031] 步骤6：依据步骤5中的逻辑关系，当Ⅰ组中某光敏二极管的负极电压在该组中为最小值时，表示该光敏二极管接收到的光照强度在该组光敏二极管接收到的光照强度中最大，该光敏二极管所在的孔的轴线与坐标系的平面xoy的夹角为η的整数倍，记该夹角为pη，并且令α＝pη；p为整数；
[0032] 当Ⅱ组中某光敏二极管的负极电压在该组中为最小值时，表示该光敏二极管接收到的光照强度在该组光敏二极管接收到的光照强度中最大，该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，并且令β＝qθ；q为整数；
[0033] 利用公式：
[0034] x＝cosαcosβ；
[0035] y＝cosαsinβ；
[0036] z＝sinα；
[0037] 计算得到x，y，z的值，从而得到空间单位向量λ(-x,-y,-z)的值；
[0038] 依据太阳光垂直入射方向与单位向量(x,y,z)的方向相反，得出太阳光垂直入射方向为λ(-x,-y,-z)的方向。
[0039] 进一步，所述步骤5中定义P0.0、P0.1和P0.2的逻辑信号与Ⅰ组各光敏二极管的负极电压U1-、U5-和U2-中最小值之间的逻辑关系，具体逻辑关系如下：
[0040] 当P0.0＝1并且P0.1＝1时，表示U5-＞U1-并且U2-＞U1-，负极电压最小值为U1-；当P0.0＝0并且P0.2＝1时，表示U1-＞U5-并且U2-＞U5-，负极电压最小值为U5-；当P0.1＝0并且P0.2＝0时，表示U1-＞U2-并且U5-＞U2-，负极电压最小值为U2-；
[0041] 所述步骤5中定义P0口、P2.6、P2.7与Ⅱ组各光敏二极管的负极电压U3-、U4-、U5-、U6-、U7-中最小值之间的逻辑关系，具体逻辑关系如下：
[0042] 当P0.0＝1、P0.1＝1、P0.2＝1和P0.3＝1时，表示U4-＞U3-、U5-＞U3-、U6-＞U3-和U7-＞U3-，负极电压最小值为U3-；当P0.0＝0、P0.4＝1、P0.5＝1和P0.6＝1时，表示U3-＞U4-、U5-＞U4-、U6-＞U4-和U7-＞U4-，负极电压最小值为U4-；当P0.1＝0、P0.4＝0、P0.7＝1和P2.6＝1时，表示U3-＞U5-、U4-＞U5-、U6-＞U5-和U7-＞U5-，负极电压最小值为U5-；当P0.2＝0、P0.5＝0、P0.7＝0和P2.7＝1时，表示U3-＞U6-、U4-＞U6-、U5-＞U6-和U7-＞U6-，负极电压最小值为U6-；当P0.3＝0、P0.6＝0、P2.6＝0和P2.7＝0时，表示U3-＞U7-、U4-＞U7-、U5-＞U7-和U6-＞U7-，负极电压最小值为U7-。
[0043] 进一步，通孔D1、D5和D2处p的值分别取-1、0和1；，通孔D3、D4、D5、D6和D7处q的值分别取-2、-1、0、1和2。
[0044] 本发明的有益效果：检测设备简单，成本低廉，易于实现；测量
精度可以根据增加或减少光敏二极管的数量进行调整，易于满足测量的要求；集成性好，可移植性强，尤其适合用于设计对成本较为敏感的太阳跟随器。测量数据
稳定性和准确性较好，检测的灵敏度高。
附图说明
[0045] 图1为本发明中半球形光敏二极管集成传感器俯视外形图；
[0046] 图2为光敏二极管集成传感器的空间直角坐标系图；
[0047] 图3为本发明中光敏二极管集成传感器的接线方法；
[0048] 图4为本发明中Ⅰ组中各光敏二极管的负极与LM339N的接线图以及LM339N的输出口与单片机的接线图；
[0049] 图5为本发明中Ⅱ组中各光敏二极管的负极与各LM339N的接线图以及各LM339N的输出口与单片机的接线图；
[0050] 图6为本发明中获取太阳光垂直入射方向的
流程图。
[0051] 表1为本发明中U1输入口逻辑信号与Ⅰ组各光敏二极管的负极电压中最小值之间关系。
[0052] 表2为本发明中U2输入口逻辑信号与Ⅱ组各光敏二极管的负极电压中最小值之间关系。
具体实施方式
[0053] 为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面进行具体阐述。
[0054] 如图1所示，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。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。黑色厚半球壳以及向心通孔的设计能够提高光敏二极管在太阳光照角度改变时的检测敏感度。光敏二极管的摆放位置是为了适应太阳方位角在一天中变化范围较大，而太阳高度角在一天中变化范围较小的规律。因此在本设计中，在xoy平面上设置的光敏二极管数量多于在xoz平面上设置的光敏二极管数量。夹角θ和夹角η为测量太阳光垂直入射角度的最小分辨角度，因此当光敏二极管的个数越多时，夹角θ和夹角η的值越小，光敏二极管集成传感器的
分辨率就越高，光敏二极管的个数可根据实际的测量精度要求进行设置。
[0055] 如图3所示，光敏二极管集成传感器的接线方法，所有光敏二极管的正极共地，各光敏二极管的负极经过一个10KΩ的电阻后接入+5V电源。将+5V电源的正极和各光敏二极管的负极作为光敏二极管集成传感器的输出信号，在图3中分别为U1-、U2-、U3-、U4-、U5-、U6-、U7-。其工作原理为：使光敏二极管反向连接，在光照强度较小时，其光
电流较小，基于图3的
电路，光敏二极管的负极电压越高，反之，在光照强度较大时，其光电流较大，光敏二极管的负极电压越低。因此，使用本发明设计的光敏二极管集成传感器能够将光照信号转换为
电信号便于后续电路进行处理。
[0056] 如图4所示，采用LM339N芯片对光敏二极管集成传感器的输出信号进行处理，具体如下：LM339N芯片的供电电源和光敏二极管集成传感器供电电源相同，均为电压为+5V的直流电源。LM339N的四个输出端即1、2、13和14管脚需要接电阻值为10KΩ的上拉电阻，可提高LM339N的输出能力。LM339N芯片封装了4路独立电压比较器，可以同时对4对电压的大小进行比较，并从输出端输出
数字信号，即当其任一电压比较器的正输入端输入电压大于负输入端时，与该电压比较器对应的输出端将输出+5V，即TTL电平中的逻辑信号1。
[0057] 建立如图2所示的坐标系，具体如下：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。取图3中各光敏二极管的负极输出电压U1-、U2-、U3-、U4-、U5-、U6-、U7-并分为两组：Ⅰ组为U1-、U5-、U2-，负责太阳垂直入射方向与设定坐标系的xoy平面夹角α的检测；Ⅱ组为U3-、U4-、U5-、U6-、U7-，负责太阳垂直入射方向与设定坐标系的xoz平面夹角β的检测。Ⅰ组与LM339N(图中用U3表示)的连接如图4所示：U1-和U5-分别接入LM339N的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U1-和U2-分别接入LM339N的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U5-和U2-分别接入LM339N的第三个独立比较器的负输入端和正输入端。Ⅱ组与各LM339N的连接如图5所示，图中LM339N分别为U7、U8、U9：U3-和U4-分别接入U7的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U5-分别接入U7的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U6-分别接入U7的第三个独立比较器的负输入端和正输入端，U3-和U7-分别U7的第四个独立比较器的负输入端和正输入端；U4-和U5-分别接入U8的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U4-和U6-分别接入U8的第二个独立比较器的负输入端和正输入端，U4-和U7-分别接入U8的第三个独立比较器的负输入端和正输入端，U5-和U6-分别U8的第四个独立比较器的负输入端和正输入端；U5-和U7-分别接入U9的第一个独立比较器的负输入端和正输入端，U6-和U7-分别接入U9的第二个独立比较器的负输入端和正输入端。
[0058] 经过U3的处理，图4的电路可对Ⅰ组的三路电压大小进行比较，找出它们的最小电压；经过U7、U8和U9的处理，图5的电路可对Ⅱ组的五路电压大小进行比较，找出它们的最小电压。
[0059] 采用单片机STC90C516RD+运算得出太阳光垂直入射方向的方法如下：
[0060] 按图4的接线方法，U3的3个输出管脚(2、1和14)分别接入STC90C516RD+(图中用U1表示)的P0.0、P0.1和P0.2三个IO口中。根据LM339N的工作原理，当其任一电压比较器的正输入端输入电压大于负输入端时，与该电压比较器对应的输出端将输出+5V，即TTL电平中的逻辑信号1，所以可定义P0.0、P0.1和P0.2的逻辑信号与Ⅰ组各光敏二极管的负极电压U1-、U5-和U2-中最小值之间的逻辑关系，具体的关系如表1所示(其中X代表0或1)：
[0061] 表1
[0062]IO口 P0.0 P0.1 P0.2 Umin
逻辑信号 1 1 X U1-
逻辑信号 0 X 1 U5-
逻辑信号 X 0 0 U2-
[0063] 当P0.0＝1并且P0.1＝1时，表示U5-＞U1-并且U2-＞U1-，负极电压最小值为U1-；当P0.0＝0并且P0.2＝1时，表示U1-＞U5-并且U2-＞U5-，负极电压最小值为U5-；当P0.1＝0并且P0.2＝0时，表示U1-＞U2-并且U5-＞U2-，负极电压最小值为U2-。利用STC90C516RD+扫描P0.0、P0.1和P0.2的值便可确定负极电压为最小的光敏二极管所在通孔位置。
[0064] 按图5的接线方法，U7的4个输出管脚(2、1、14和13)、U8的4个输出管脚(2、1、14和13)和U9的2个输出管脚(2和1)分别接入第二个单片机STC90C516RD+(图中用U2表示)的P0口、P2.6、P2.7中。定义P0口、P2.6、P2.7与Ⅱ组各光敏二极管的负极电压U3-、U4-、U5-、U6-、U7-中最小值之间的逻辑关系，具体的关系如表2所示(其中X代表0或1)：
[0065] 表2
[0066]IO口 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.6 P2.7 Umin
逻辑信号 1 1 1 1 X X X X X X U3-
逻辑信号 0 X X X 1 1 1 X X X U4-
逻辑信号 X 0 X X 0 X X 1 1 X U5-
逻辑信号 X X 0 X X 0 X 0 X 1 U6-
逻辑信号 X X X 0 X X 0 X 0 0 U7-
[0067] 当P0.0＝1、P0.1＝1、P0.2＝1和P0.3＝1时，表示U4-＞U3-、U5-＞U3-、U6-＞U3-和U7-＞U3-，负极电压最小值为U3-；当P0.0＝0、P0.4＝1、P0.5＝1和P0.6＝1时，表示U3-＞U4-、U5-＞U4-、U6-＞U4-和U7-＞U4-，负极电压最小值为U4-；当P0.1＝0、P0.4＝0、P0.7＝1和P2.6＝1时，表示U3-＞U5-、U4-＞U5-、U6-＞U5-和U7-＞U5-，负极电压最小值为U5-；当P0.2＝0、P0.5＝0、P0.7＝0和P2.7＝1时，表示U3-＞U6-、U4-＞U6-、U5-＞U6-和U7-＞U6-，负极电压最小值为U6-；当P0.3＝0、P0.6＝0、P2.6＝0和P2.7＝0时，表示U3-＞U7-、U4-＞U7-、U5-＞U7-和U6-＞U7-，负极电压最小值为U7-。利用STC90C516RD+扫描P0口、P2.6、P2.7的值便可确定负极电压为最小的光敏二极管所在通孔位置。
[0068] 当Ⅰ组中某光敏二极管的负极电压在该组中为最小值时，表示该光敏二极管接收到的光照强度在该组光敏二极管接收到的光照强度中最大，该光敏二极管所在的孔的轴线与坐标系的平面xoy的夹角为η的整数倍，记该夹角为pη(p为整数，孔D1、D5和D2处p的值分别取-1、0和1)，并且令α＝pη。
[0069] 当Ⅱ组中某光敏二极管的负极电压在该组中为最小值时，表示该光敏二极管接收到的光照强度在该组光敏二极管接收到的光照强度中最大，该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。
[0070] 利用公式：
[0071] x＝cosαcosβ；
[0072] y＝cosαsinβ；
[0073] z＝sinα；
[0074] 计算得到x，y，z的值，从而得到空间单位向量λ(-x,-y,-z)的值。太阳光垂直入射方向与单位向量(x,y,z)的方向相反，即太阳光垂直入射方向即为λ(-x,-y,-z)的方向。
[0075] 采用单片机STC90C516RD+运算获得太阳光垂直入射方向(程序中用数组a[3]表示空间单位向量λ(-x,-y,-z)，空间单位向量λ(-x,-y,-z)的方向即为太阳光垂直入射方向)的方法步骤如下：
[0076] 步骤1：初始化单片机U1，完成后进入步骤2；
[0077] 步骤2：扫描U1的输入口P0.0、P0.1和P0.2的值，当P0.0＝1并且P0.1＝1时，令α＝-η；当P0.0＝0并且P0.2＝1时，令α＝0；当P0.1＝0并且P0.2＝0时，令α＝η；
[0078] 步骤3：初始化单片机U2，并且定义float型变量x、y、z和float型数组a[3]，完成后进入步骤4；
[0079] 步骤4：扫描U2的输入口P0口、P2.6、P2.7的值，当P0.0＝1、P0.1＝1、P0.2＝1和P0.3＝1时，令β＝-2θ；当P0.0＝0、P0.4＝1、P0.5＝1和P0.6＝1时，令β＝-θ；当P0.1＝0、P0.4＝0、P0.7＝1和P2.6＝1时，令β＝0；当P0.2＝0、P0.5＝0、P0.7＝0和P2.7＝1时，令β＝θ；当P0.3＝0、P0.6＝0、P2.6＝0和P2.7＝0时，令β＝2θ；
[0080] 步骤5：令x＝cosαcosβ，y＝cosαsinβ，z＝sinα；
[0081] 步骤6：令a[0]＝-x，a[1]＝-y，a[2]＝-z，得到a[3]的值，a[3]＝{-x,-y,-z}；
[0082] 步骤7：返回步骤1。
[0083] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
