太陽(yáng)能瀝青加熱中太陽(yáng)追光器的研究與設(shè)計(jì)*

曲春英，卞秀芬

（海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院自動(dòng)化系，海口571158）

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太陽(yáng)能瀝青加熱中太陽(yáng)追光器的研究與設(shè)計(jì)*

曲春英*，卞秀芬

（海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院自動(dòng)化系，?？?71158）

摘要：傳統(tǒng)的瀝青加熱存在化油質(zhì)量差、污染、耗能、成本高等諸多問(wèn)題，采用太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換高溫加熱瀝青不失為很好的解決方法。為此，設(shè)計(jì)了高精度的太陽(yáng)追光器，基于PSD位置傳感器，以單片機(jī)C8051F021為控制核心，采用“光電”跟蹤和“日歷”跟蹤相結(jié)合的策略。試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的不低于0.2°的跟蹤精度，且穩(wěn)定性高，為達(dá)到瀝青的高溫工藝溫度提供了必要條件。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；太陽(yáng)追光器；光電跟蹤；日歷跟蹤；PSD位置傳感器；瀝青加熱

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51466002）；海南師范大學(xué)建設(shè)物理學(xué)碩士點(diǎn)項(xiàng)目（20140092102）

修筑黑色路面需要大量的瀝青，而化油和攪拌過(guò)程中，都需要對(duì)瀝青進(jìn)行加熱，傳統(tǒng)的都是采用煤炭、燒渣油、柴油等，既消耗了大量的常規(guī)能源又污染環(huán)境，且瀝青的加熱溫度不均造成瀝青燒焦，達(dá)不到質(zhì)量要求，影響路面性能。利用太陽(yáng)能加熱瀝青具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，瀝青系高分子化合物，黑度系數(shù)高達(dá)0.80，具有吸收太陽(yáng)輻射的良好特性，而且國(guó)產(chǎn)瀝青的含蠟量較高，更適于太陽(yáng)能加熱瀝青［1］。路面施工的黃金季節(jié)一般為5~10月份，且路面施工需在晴朗天氣進(jìn)行，正好與太陽(yáng)的峰值輻射強(qiáng)度相匹配。為此，提出了采用太陽(yáng)能加熱瀝青，關(guān)鍵技術(shù)是聚焦器和跟蹤器的設(shè)計(jì)，本文重點(diǎn)是對(duì)高精度的自動(dòng)跟蹤器加以研究。

目前，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)跟蹤太陽(yáng)的方法很多，不外乎是如下兩種方式：一種是光電跟蹤方式，另一種是日歷跟蹤。前者跟蹤靈敏度高，精度高，但受天氣影響較大；后者是開(kāi)環(huán)的程控系統(tǒng)，跟蹤精度低，存在機(jī)械累積誤差。

美國(guó)加州成功的研究了ATM兩軸跟蹤器，并在太陽(yáng)能面板上裝有集中陽(yáng)光的菲涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽(yáng)能面板硅收集更多的能量，使熱接收率進(jìn)一步提高，沒(méi)有給出具體的性能指標(biāo)［2-3］。美國(guó)亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽(yáng)能跟蹤裝置，該裝置通過(guò)光傳感器和光電檢測(cè)電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理后輸出控制信號(hào)控制電機(jī)完成跟蹤［4］。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過(guò)日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)單軸被動(dòng)式太陽(yáng)跟蹤［5］，中國(guó)科學(xué)院上海物理技術(shù)研究所研制了二維程控太陽(yáng)跟蹤器控制系統(tǒng)，該裝置是通過(guò)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡理論的分析和研究，確定了太陽(yáng)跟蹤器的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)微機(jī)運(yùn)程控制，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的跟蹤［6］。李加念［7］設(shè)計(jì)了光電跟蹤和太陽(yáng)角度跟蹤相結(jié)合的方式，在晴天應(yīng)用光電跟蹤，陰雨天采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤時(shí)反饋機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)的傾角。此跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn)是跟蹤精度得以提高，能夠適應(yīng)各種天氣對(duì)太陽(yáng)的跟蹤，但感光范圍在180°之內(nèi)。

本文在借鑒了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高精度的、全方位的太陽(yáng)追光系統(tǒng)。它基于PSD位置傳感器，采用光電跟蹤和視日跟蹤相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該太陽(yáng)追光器能夠達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。

1　太陽(yáng)追光器的設(shè)計(jì)

1.1PSD（Position Sensitive Device）位置傳感器的選擇

本系統(tǒng)的太陽(yáng)定位傳感器是基于光電傳感器設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，使用光電池的四象限探測(cè)器跟蹤，由于光電池的自身特性，和中心點(diǎn)的標(biāo)定易出現(xiàn)誤差，不能實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤。采用SiliconPIN四象限光電探測(cè)器QP50-6 TO8S無(wú)法檢測(cè)光強(qiáng)大小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩種跟蹤方式的正確切換。故采用PSD光電位置傳感器，它具有二極管陣列和CCD的定位性能外，還具有靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快和電路配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。保證系統(tǒng)啟用光電跟蹤時(shí)可達(dá)0.1°的跟蹤精度，可實(shí)現(xiàn)各種天氣情況下，全天候的自動(dòng)跟蹤。

PSD是一種對(duì)其感光面上入射光斑重心位置敏感的光電器件。即當(dāng)入射光斑落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD將對(duì)應(yīng)輸出不同的電信號(hào)。通過(guò)對(duì)此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光斑在PSD的位置，與入射光的強(qiáng)度和尺寸無(wú)光。二維PSD在方形機(jī)構(gòu)上有兩對(duì)互相垂直的輸出電極。一對(duì)用來(lái)確定X方向位置坐標(biāo)，另一對(duì)用來(lái)確定Y方向位置坐標(biāo)。見(jiàn)圖1［8］。

圖1　二維PSD結(jié)構(gòu)

二維PSD輸出與入射光電位置的關(guān)系為：

式（1）、式（2）中X1,X2,Y1,Y2表示各信號(hào)的輸出電流（光生電流），Px,Py表示入射光點(diǎn)的位置坐標(biāo)（坐標(biāo)原點(diǎn)在光敏面中心），L表示PSD器件光敏有效區(qū)域邊長(zhǎng)。

1.2系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于PSD位置傳感器，光電跟蹤和日歷跟蹤相融合，實(shí)時(shí)地、全方位地對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤。光電跟蹤要求在起始時(shí)刻太陽(yáng)處于PSD的視場(chǎng)范圍，為此需采用日歷跟蹤，將系統(tǒng)帶入一個(gè)預(yù)知的足夠小的范圍之內(nèi)，再啟動(dòng)光電跟蹤或日歷跟蹤。開(kāi)機(jī)后，首先判斷是否在正常的工作時(shí)間（7：00—18：00），如不在不啟動(dòng)跟蹤，反之則進(jìn)行初始化，系統(tǒng)進(jìn)行光電跟蹤，遇到陰雨天時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)到日歷跟蹤繼續(xù)進(jìn)行跟蹤，晴天后，再自動(dòng)轉(zhuǎn)到光電跟蹤模式，這兩種跟蹤模式互相補(bǔ)充，提高了太陽(yáng)追光器的精度。

太陽(yáng)能追光器裝置包括PSD位置傳感器、圓盤、小孔、凸透鏡、套筒、電機(jī)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、保護(hù)罩、安裝底座，見(jiàn)圖2。

圖2　太陽(yáng)追光裝置

首先PSD采集的信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收的信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤。同時(shí)根據(jù)采集的PSD的光強(qiáng)信號(hào)，控制PSD位置傳感器工作在合理的范圍內(nèi)。當(dāng)檢測(cè)到陰雨天氣時(shí)啟動(dòng)日歷跟蹤，天晴后，只有檢測(cè)到光強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，重新啟動(dòng)光電跟蹤。其中帶有不同大小孔的圓盤由電機(jī)控制，根據(jù)單片機(jī)采集的光強(qiáng)大小決定通過(guò)哪個(gè)小孔采集光信號(hào)。當(dāng)電壓大于閥值時(shí)就向小孔一方轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤上的小孔等間距排列。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)準(zhǔn)確跟蹤，太陽(yáng)定位裝置要和機(jī)械跟蹤部分相結(jié)合（見(jiàn)圖3）。PSD位置傳感器能感受太陽(yáng)10 μm的移動(dòng)，利用套筒高度，測(cè)量精度可達(dá)0.2°。

圖3　機(jī)械跟蹤部分

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制

系統(tǒng)由單片機(jī)、PSD位置傳感器、信號(hào)采集電路、時(shí)鐘電路、按鍵、顯示電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，系統(tǒng)硬件框圖見(jiàn)圖4。

圖4　系統(tǒng)硬件框圖

考慮到系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，選用Cygnal公司生產(chǎn)的C805IF021單片機(jī)主控芯片。C8051F021有8位端口組織的32個(gè)數(shù)字I/O引腳，端口P0、Pl、P2 和P3既可以按位尋址也可以按字節(jié)尋址。所有引腳都耐5 V電壓，都可以被配置為漏極開(kāi)路或推挽輸出方式和弱上拉。PSD產(chǎn)生的微弱光電流，經(jīng)過(guò)I/V變換，產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)放大轉(zhuǎn)換之后，輸給單片機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)加以控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。時(shí)鐘電路采用時(shí)鐘芯片DS1302，通過(guò)讀取當(dāng)前時(shí)間，計(jì)算出太陽(yáng)的高度、角度位置，單片機(jī)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)日歷查詢跟蹤。CH451實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤的控制和數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)采用數(shù)碼管顯示當(dāng)前時(shí)間。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總流程圖見(jiàn)圖5。開(kāi)機(jī)之后，首先進(jìn)行上電復(fù)位，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化完成后，系統(tǒng)首先判斷是白天還是黑夜，如果是黑夜系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，如果是白天系統(tǒng)啟動(dòng)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤完成后進(jìn)入到光電跟蹤的視場(chǎng)范圍之內(nèi)，根據(jù)采集的PSD的光強(qiáng)信號(hào)的大小判斷啟用哪種跟蹤方式，達(dá)到光電跟蹤的光強(qiáng)時(shí)啟動(dòng)光電跟蹤，如果沒(méi)有達(dá)到光電跟蹤時(shí)，繼續(xù)運(yùn)行視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。

圖5　軟件流程圖

4　試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

驗(yàn)證系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置，本系統(tǒng)采用的方法是將太陽(yáng)追光裝置和長(zhǎng)1 m的直尺安裝在系統(tǒng)的機(jī)械跟蹤裝置上，保持在同一水平面上，且都與水平面垂直，整個(gè)裝置置于太陽(yáng)光下。當(dāng)追光器確定太陽(yáng)位置時(shí)，通過(guò)測(cè)量直尺產(chǎn)生的陰影長(zhǎng)度來(lái)驗(yàn)證跟蹤精度。設(shè)影子長(zhǎng)度為h（mm），則有太陽(yáng)的跟蹤誤差為：

根據(jù)系統(tǒng)要求，光電跟蹤要達(dá)到0.2°的精度，h的取值范圍應(yīng)該小于等于3.5 mm。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，下面只給出不同日期、不同時(shí)間的2組測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表1、表2。可看出，設(shè)計(jì)的太陽(yáng)追光系統(tǒng)達(dá)到了0.2°精度要求，且具備長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。

另外，當(dāng)太陽(yáng)追光器跟蹤太陽(yáng)時(shí)，光線完全照射到光斑時(shí)，通過(guò)在光斑周圍安裝熱電阻傳感器，多次測(cè)得完全達(dá)到了高溫加熱瀝青所需要的溫度。

表1　第一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　第二組試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)，能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合實(shí)際得出該系統(tǒng)在太陽(yáng)能瀝青加熱方面具有應(yīng)用與推廣的可行性?？偨Y(jié)如下：

（1）系統(tǒng)采用高精度的PSD位置傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電池，采用光電跟蹤與日歷查詢跟蹤相結(jié)合，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)跟蹤裝置，可實(shí)現(xiàn)全天候太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤。

（2）系統(tǒng)跟蹤精度不低于0.2°。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，精度高，性能可靠，加工簡(jiǎn)單，安裝方便。

（4）系統(tǒng)精確地跟蹤太陽(yáng)，有效地提高能量的接收率，適用于光伏利用、光熱利用中各種需要太陽(yáng)追光器的場(chǎng)合。

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曲春英（1979-），女，漢族，吉林省公主嶺市人，海南師范大學(xué)任教，副教授，研究方向?yàn)閭鞲衅鳈z測(cè)技術(shù)，quchuny?ing123@163.com。

Design of Data Acquisition System Based on Wireless Sensor Network*

HONG Wanfan，SU Shujing*
（National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：For remote unknown monitoring area in the harsh environment，the problem of on-site data acquisition is more difficult and dangerous，based on the technology of wireless sensor network，a kind of high-accuracy data ac?quisition system is designed. The system design of wireless voice sensor network node platform with FPGA as the main control chip，the system uses a modular design idea，containing nodes implementing the communication with the host computer’s USB data interface module，conditioner converts the sound signal acquisition conditioning mod?ules，wireless transceiver modules for wireless communications，data storage memory module and the module re?sponsible for power supply node management. The test results show that the system can be achieved in the final 24 kHz sampling rate for the monitoring area of 1 kHz frequency different sound signals of precision acquisition.

Key words：wireless sensor network；data acquisition；FPGA control；data storage

doi：EEACC：722010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.038

收稿日期：2015-02-04修改日期：2015-03-18

中圖分類號(hào)：TK513.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0176-04