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傾角傳感器在實(shí)際操作中的應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：852 發(fā)布時(shí)間：2016-12-1
隨著社會的發(fā)展與進(jìn)步，重視傾角傳感器在太陽能跟蹤 系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的意義。本文主要介紹傾角傳感器在太陽能 跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用的有關(guān)內(nèi)容。 關(guān)鍵詞； 傾角；傳感器；太陽能；跟蹤系統(tǒng)；應(yīng)用； 中圖分類號： tp212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： a 文章編號： 引言 隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對于能源的需求和由之帶來的高污染問題 日趨突出。太陽能作為一種新型、清潔能源，發(fā)展前景相當(dāng)廣闊， 目前已成為各國競相研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，而如何地獲得太陽能 資源是當(dāng)前一個(gè)重要的課題。傳統(tǒng)的太陽能接收板大部分采用固定 安裝形式，而太陽的方位角度和高度是隨時(shí)間變化的，所以這種固 定安裝的電池接收板的轉(zhuǎn)換效率較低。論分析，光伏發(fā)電系統(tǒng) 是否采用對太陽的自動跟蹤方式， 能量的接收效率相差達(dá) 40%～50% 之多，而采用雙軸跟蹤可增加發(fā)電量 35%～40%，因此，開展對太陽 光線自動跟蹤方面的研究，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展有著積極的實(shí) 際意義。 一、傾角傳感器原理 傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量，從工作原理上可分為“固 體擺”式、 “液體擺”式、 “氣體擺”三種傾角傳感器，下面就它們 的工作原理進(jìn)行介紹。 1、 “固體擺”式慣性器件固體擺在設(shè)計(jì)中廣泛采用力平衡式伺服
系統(tǒng)，由擺錘、擺線、支架組成， 擺錘受重力 g 和擺拉力 t 的作 用，其合外力 f 為： f＝g sinq = mg sinq （1） 其中，θ 為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內(nèi)測量時(shí)，可 以認(rèn)為 f 與θ 成線性關(guān)系。如應(yīng)變式傾角傳感器就是基于此原理。 圖 1 液體擺原理示意圖 2、 “液體擺”式慣性器件液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有 導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距 相等，如圖 1 所示。當(dāng)殼體水平時(shí)，電極插入導(dǎo)電液的深度相同。 如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時(shí)，電極之間會形成 離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個(gè)電阻 ri 和 riii。若液 體擺水平時(shí)，則 ri＝riii。當(dāng)玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導(dǎo)電液不 相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度 基本保持不變。 如圖 2 所示， 左邊電極浸入深度小， 則導(dǎo)電液減少， 導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電阻 ri 增大，相對極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的 離子數(shù)增加，而使電阻 riii 減少，即 ri＞riii。反之，若傾斜方 向相反，則 ri＜riii。在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引 起應(yīng)變片的變化，從而引起輸出電信號變化感知傾角的變化。在實(shí) 用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時(shí) 氣泡會運(yùn)動使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺” 。
3 “氣體擺”式慣性器件氣體在受熱時(shí)受到浮升力的作用，如同 固體擺和液體擺也具有的敏感質(zhì)量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛 垂方向上，因此也具有擺的特性。 “氣體擺”式慣性元件由密閉腔 體、氣體和組成。當(dāng)腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到 加速度的作用時(shí)，的阻值發(fā)生變化，并且阻值的變化是角 度 q 或加速度的函數(shù)，因而也具有擺的效應(yīng)。其中阻值的變化 是氣體與之間的能量交換引起的。 “氣體擺”式慣性器件的敏 感機(jī)理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和， 是*的熱源。當(dāng)裝置通電時(shí)，對氣體加熱。在能量交換 中對流是主要形式。 二、太陽能跟蹤控制系統(tǒng)方案 本文研究的太陽能跟蹤系統(tǒng)由監(jiān)控中心、太陽能跟蹤控制兩大部 分組成。監(jiān)控中心主要完成太陽能板的狀態(tài)監(jiān)測與控制，而太陽能 跟蹤控制則是本系統(tǒng)的核心部分，由水平方向與俯仰方向(即傾角) 上的兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動，完成電池板的自動跟蹤功能，其機(jī)械示意圖
雙軸支架機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 實(shí)際系統(tǒng)控制中，根據(jù) gps 輸出的時(shí)間信息、經(jīng)緯度信息，可以 得到太陽的實(shí)時(shí)方位角和高度角，通過控制電機(jī)來調(diào)整雙軸支架， 完成對太陽的跟蹤。系統(tǒng)采用步進(jìn)式視日跟蹤，即雙軸支架的運(yùn)轉(zhuǎn) 并非連續(xù)性的，而是給定一個(gè)閾值，如果當(dāng)前太陽角度與太陽能電
池板角度的差值超過設(shè)定的閾值時(shí)，再啟動兩個(gè)電機(jī)完成角度的調(diào) 整，這樣既降低了支架轉(zhuǎn)動而消耗的能量，又提高了太陽能轉(zhuǎn)換效 率。 三、傾角檢測模塊設(shè)計(jì) 3.1 硬件電路設(shè)計(jì) 傾角傳感器模塊安裝在太陽能電池板的下表面，完成支架傾角的 采集。工作狀態(tài)下，sca60c 的模擬電壓輸出信號輸入到單片機(jī)的 a/d 采集端口，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號通過串口與主控箱中的單片機(jī) 通信，完成角度反饋，其硬件電路設(shè)計(jì)
傾角檢測模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.2 軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)的 8 路 a/d 口需要通過對 adc_contr 寄存器中 chs0\chs1\chs2 三位的設(shè)置來選擇使用的模擬輸入通道， 并且必須 將其設(shè)置為開漏模式或高阻模式，即需要對 p1m0(0～7)，p1m1(0～ 7)中相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置，如本例中選擇 p1.2 為 sca60c 的電壓信號采 集端，為開漏模式，則設(shè)置為： adc_contr |= 0x02；// 選擇 p1.2 為 a/d 的轉(zhuǎn)換端口 p1m0 |= 0x40； // 設(shè)置轉(zhuǎn)換端口為開漏模式 p1m1 |= 0x40； *次啟動 a/d 轉(zhuǎn)換時(shí)，需給適當(dāng)延時(shí)以確保內(nèi)部模擬電源的穩(wěn) 定；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，結(jié)束標(biāo)志位需要由軟件清零。該傾角模塊軟件流tyle="text-indent:2em;"> 圖 5 軟件設(shè)計(jì)流程圖 四、傾角傳感器數(shù)據(jù)采集與濾波處理 本文中， 每隔 300 ms 采集一次傾角傳感器輸出電壓， 電池板從 0° 勻速轉(zhuǎn)到 90°后得到的數(shù)據(jù)如圖 6 所示。 圖中 x 軸表示電池板轉(zhuǎn)動 90°所用的時(shí)間，y 軸為對應(yīng)時(shí)間下傳感器輸出的電壓值。 圖 6 中所示的傳感器輸出電壓信號顯然不能作為電池板的角度信 號反饋給 mcu，否則可能會導(dǎo)致俯仰方向上驅(qū)動電機(jī)的誤動作，產(chǎn) 生意想不到的后果，因此需要進(jìn)行濾波，去除毛刺信號。
傾角傳感器輸出的原始信號 設(shè)傾角傳感器輸出電壓值為 xi，則每 n 組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后，得到 平滑后的輸出值為： yi=1n(x1+x2+?+xn)=1n∑ni=1xi 如果 n 取值很大，輸出信號的平滑度則很高，但是會降低靈敏度， 且還受到本文中所選擇單片機(jī) ram 的大小的限制；n 取值很小則又 達(dá)不到濾波效果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本應(yīng)用中 n 取 20 可得到很好的濾波 效果。 由圖 6 可以看出，輸出信號脈沖干擾信號很多，所以必須要做限 幅處理。限幅濾波設(shè)置一個(gè)閾值，如果前后兩次輸出值的差值小于 等于這個(gè)閾值時(shí)，本次值有效；相反則舍棄本次值，同時(shí)用上次值，威斯特小編熱情介紹。
代替本次值。本文依據(jù)太陽初升及落山時(shí)刻，電池板初始對準(zhǔn)及回 收動作下的電壓變化zui大幅值設(shè)置閾值?？伤愕闷鋤ui大轉(zhuǎn)動速度為 0.75°/s，則對應(yīng)的輸出電壓zui大差值應(yīng)該為 25 mv。 本方法有效地結(jié)合了限幅濾波和算術(shù)平均濾波各自的優(yōu)點(diǎn)，先利 用限幅濾波算法去除了超出閾值的無效脈沖數(shù)據(jù)，再使用算術(shù)平均 濾波平滑輸出信號，輸出信號效果圖
聯(lián)合濾波后的數(shù)據(jù)圖 可以看出，其平滑度有了很大的改善，滿足了控制系統(tǒng)的要求， 表明了此聯(lián)合濾波算法的應(yīng)用是有效的。 結(jié)束語 研究傾角傳感器在太陽能跟蹤發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以設(shè)計(jì)模塊 的硬件電路，根據(jù)本應(yīng)用環(huán)境的因素，利用兩種濾波方法的優(yōu)點(diǎn)對 輸出信號進(jìn)行處理，達(dá)到理想的輸出效果，地反饋太陽能電池 板俯仰角度，使得對太陽的跟蹤實(shí)時(shí)有效，提高太陽能電池板的接 收效率。