專利名稱：太陽能采光系統控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及到一種太陽能采光系統控制器。
背景技術：
太陽能最有價值的利用形式是直接用于照明，百分之一百的能源轉換，與傳統的燈光相比較，太陽能采光系統具有諸多優點，其主要三條如下1、提高工作效率。利用晝光進行室內采光照明不僅可以有益于環境，而且在天然光下人們在心理和生理上感到舒服，充足的陽光可以緩解人的眼疲勞和能量消耗，有利于身心健康，提高視覺功效。
2、具有很好的節能的經濟效益。根據我國有關資料統計，辦公樓建筑物的能耗消費的比例為空調能耗占40％左右，照明能耗占30％左右，而且普通的燈光消耗電能巨大，其中有70％并沒有轉換成光能而是通過熱量的形式相消耗了，造成了巨大的浪費。通過一次投資建設太陽能采光控制裝置，不僅可以直接得到充足的光線，而且可以節省可觀的電能消耗。
3、屬于綠色環保照明。太陽光對人的身體健康非常有好處，光線中包含著不同波長可見與不可見的電磁波，而這些光線正是我們人體健康所必須要吸收的。經過研究表明，經過陽光照射可以緩解人的情緒、降低血壓、呼吸頻率、血糖濃度以及鍛煉以后乳酸的分泌，同時，它可以提高人的體力、免疫力、耐力、忍受力以及吸收和運載氧氣的能力。
超節能型太陽能采光控制裝置具有很廣闊的應用前景，24小時超市、健身中心、雜貨店、倉庫、飯店、辦公室、醫院、學校、生產車間等等都可以使用。現在國外已經有了很多應用。而我國利用日光照明的研究和應用還處于初級階段，目前尚無類似產品。
發明內容
本發明的目的在于提供一種完全不用外接電源的太陽能采光系統控制器，用于控制采光裝置跟蹤太陽方位，以實現最大程度的采光。控制器功率小，即使遇到陰、雨天，控制器仍能連續地正常工作。
為達到上述目的，本發明的構思如下
驅動部分采用反饋控制，微型電機在驅動采光裝置及光電池板轉動時，精密電位器也同步轉動，電位器的電壓采樣后經A/D轉換送入微處理器，微處理器則根據所讀入值來控制電機的轉動，以精確跟蹤太陽方位。
在控制器內設計了兩個1法拉，耐壓11V的大電容以儲存電能。大部分時間，光電池將光能轉換成電能，儲存在大電容中。在電機轉動時，則由大電容提供能量。
系統工作于兩種模式正常工作模式及調試模式。正常工作模式下，系統大部分時間處在極低功耗模式，在保證正常、穩定的工作條件下，盡量減少功耗。調試模式則是為了與PC機或GPS設備通訊以獲取設置參數，上傳調試信息，及更新程序。兩種工作模式可以相互切換。
根據上述的發明構思，本發明采用下述的技術方案一種太陽能采光系統控制器，包括一個微控制器、連接微控制器的按鍵、實時時鐘、PC機和PGS設備、以及電源，其特征在于所述的微控制器的輸出控制信號連接至一個驅動光電電極及采光裝置的微型電機，所述的微型電機輸出反饋信號經一個精密電位器和一個A/D轉換器，反饋連接至微控制器，構成反饋回路；所述的電源是一個光電池和一個紐扣電池經一個電源控制模塊和所述的A/D轉換器連接至微控制器，微控制器的一個輸出端經一個DC-DC轉換器連接所述的電源控制模塊的輸入端。
上述的精密電位器為角度傳感器，與微型電機聯動，微型電機轉動時，帶動角度傳感器一起轉動，其輸出的電壓A/D轉換器轉換后進入微控制器，實現反饋控制，精確跟蹤太陽方位。
上述的電源控制模塊中有兩個1法拉、耐壓11V的大電容以儲存電能，大部分時間，光電池除光能轉換成電機，儲存在大電容中，在微型電機轉動時，由大電容提供電能。
上述的微控制器采用Atmel公司推出的RISC構架的ATmega 32-16L微處理器，其中的固件設計成完全的中斷驅動，嚴謹的串口通訊協議保證了通訊的可靠性；將固件中的程序分成調試模式及正常工作模式；精確計算太陽方位及日出日落時間，保證系統工作的準確性；配合硬件實現了系統的極低功耗；串口通訊軟件采用保證程序在各PC機應用的可移植性及健壯性，另外采用嚴謹的通訊協議及超時重發機制，保證通訊過程的可靠性；微控制器軟件包括兩部分ATmega 32L中的固件和PC機內的串口通訊軟件。串口通訊用于設置參數，讀取數據及調試信息，采用了自建的串口通訊基礎類，在VC++6.0環境中編譯；微控制器控制系統工作模式是整個系統在大部分時間都處于休眠狀態，根據設定時間間隔喚醒系統，驅動電機轉動，完成后，又重新轉入休眠狀態；控制系統采用太陽能電池板供電，光電池將太陽能轉換成電能，存于系統中，以供驅動電機；在太陽落山后，將整個系統休眠，以減少功耗，到第二天太陽升起時，才重新將系統喚醒。
上述的DC-DC轉換器的型號為MAXIM公司推出的高效、低功耗的DC-DC控制器芯片MAX1771。
上述的實時時鐘的型號為PHILIP公司推出的低功耗實時時鐘芯片PCF8563，其帶有定時中斷功能，可用來喚醒休眠狀態下的系統。
上述的精密電位器采用日本三洋公司的高精度、高線性度的微型精密電位器TOCOS RYQ103Y。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的實出實質性特點和顯著優點本發明提供的系統控制器采用太陽能光電池供電，微控制器中還設有兩個1法拉耐式11V的大電容以儲有電能為微型電機提供電能，所以耗能極低。本系統控制器采用反饋回路實現反饋控制，能實現光電池板及采光裝置精確跟蹤太陽方位。微控制器控制系統工作的模式是系統大部分時間都處于休眠狀態，在設定的時間間隔喚醒系統工作，工作完成后重新進入休眠狀態；太陽落山后，系統休眠直至第二天太陽升起，則系統的功耗極低。
圖1是為極低功耗太陽能采光系統控制器的結構框圖。
圖2是為微控制器接口電路原理圖。
圖3是按鍵與電位器接口電路原理圖。
圖4是RS232通訊接口電路原理。
圖5是實時時鐘模塊接口電路原理圖。
圖6是電機驅動模塊接口電路原理圖。
圖7是采樣、保持電路原理圖。
圖8是電流源電路原理圖。
圖9是電源控制模塊電路原理圖。
圖10是DC-DC轉換模塊電路原理圖。
圖11是主程序流程圖。
圖12是按鍵功能處理流程圖。
圖13是上位PC機端軟件界面。
具體實施例方式
本發明的一個優選實施例結合
如下本太陽能采光系統控制器包括下述硬件和軟件。
太陽能采光系統控制器的硬件如圖1所示，本發明所提出的太陽能采光控制器主要包括微控制器3，按鍵2，電源控制模塊7，實時時鐘1，電機驅動電路，A/D采樣電路。微控制器ATmega32L是整個系統的核心，它通過串口與PC機12或GPS設備11進行通訊，獲取系統設置參數及上傳調試信息；微控制器3通過I2C總線與實時時鐘1進行交互-設置及讀取時間，另外，實時時鐘1的中斷輸出線連在微控制器3的外部中斷1引腳上，用于喚醒處于掉電模式中的微控制器3；微控制器3根據計算結果驅動微型電機4，同時帶動精密電位器5同步轉動，電位器5上的電壓值(包括角度電壓值及零點電壓值)經過采樣保持電路后進入微控制器3的A/D變換通道，得到數值，正是通過這樣的反饋回路，保證了電機控制的精確性；光電池8將采集到的光能轉換成電能，儲存大兩個1法拉的電源控制模塊7中的大電容中，大電容中電壓連在DC-DC轉換器10 MAX1771的輸入端，用于產生電源VCC，另外MAX1771的控制端SHDN也連在微控制器3上，用于控制VCC的開關；紐扣電池9則為處于掉電模式時的微控制器3及實時時鐘1提供能量；大電容上電壓與紐扣電池9的電壓也經采樣保持電路后進入A/D轉換通道，用于完成相關控制。
本系統的硬件系統的特征在于1、采用了微控制器3-精密電位器5-A/D轉換器6-微控制器3的電機反饋控制回路，消除了累積誤差，保證電機轉動的精確性。
2、采用了極低功耗的設計方案微控制器通過控制MAX1771的SHDN腳來關斷電源VCC，并將微控制器3本身設成掉電模式，這時系統消耗功耗極低，過10分鐘后，由實時時鐘芯片PCF8563的定時引腳產生中斷來“喚醒”微控制器3，恢復VCC，完成微型電機4轉動，完后再進入極低功耗模式。
3、將系統工作分為正常工作模式及調試模式，并用按鍵KEY4連在微控制器3的外部中斷1上，完成正常工作模式到調試模式的切喚。
4、將大電容上電壓及紐扣電池9電壓都通過采樣保持電路后接入到A/D轉換通道，這樣可以采取措施以避免大電容與紐扣電池9上電能被耗光，從而導致系統工作不正常。
下面將對系統硬件各部分進行詳細介紹。
<一>.微控制器ATmega32L接口電路ATmega32L是Atmel公司所推出的高性能，低功耗的8位單片機，其采用了先進的RISC架構，有多達130條功能強大的指令(大部分一個時鐘周期即可完成)，32×8通用工作寄存器，完全靜態運作，在16MHz的晶振下運行速度可以達到16MIPS，片上2周期的乘法器，其運算速度是目前常用的8051單片機的10多倍。ATmega32L內有32K字節的可編程FLASH，2K字節的SRAM及1K字節的EEPROM，這滿足了控制器編程及存儲參數的要求，另外有8路10位的ADC，這為控制器所需的A/D轉換提供了方便。ATmega32L內為節省功耗，設計了六種睡眠模式空閑模式，ADC噪聲模式，省電模式，掉電模式，standby模式及擴展的standby模式，特別是在掉電模式下，Atmega32L在1MHZ，3V時的功耗小于1uA，這為我們實現控制器的極低功耗設計提供了可能。
參見圖2，微控制器3采用SPI總線方式的編程接口，可方便地下載程序，設置/讀取EEPROM中數據。
按鍵KEY1，KEY2，KEY3，分別用于調試模式時，電機手動轉動的正轉，反轉，及復位。
另外鍵KEY4與微控制器3的外部中斷引腳1(INT1)相連，用于將正常工作模式切換至調試模式。
實時時鐘芯片PCF8563通過I2C總線與微控制器3進行通訊，另外PCF8563的定時中斷輸出腳連在微控制器3的外部中斷引腳(INT0)上，可用于將CPU從掉電模式中喚醒。
參見圖4，電平轉換芯片MAX232用于將微控制器3的CMOS電平轉換成RS232電平，主要用于微控制器3與上位PC機12或GPS設備11進行通訊。
電機驅動芯片LT1638用于進行功率的放大，微控制器3通過此芯片去控制微電機4的轉動。
微控制器3的四個ADC通道分別用來轉換大電容電壓(CAP_VOL)、精密電位器5電壓(ANGLE_VOL)、精密電位器5零點電壓(ZERO_VOL)、紐扣電池9電壓(BAT_VOL)。
DC-DC芯片MAX1771用于產生數字電源信號VCC，其SHDN引腳用于控制MAX1771的關斷及打開，將SHDN腳連到微控制器3上，即可實現對電源VCC的開關控制，以實現極低功耗。
<二>、實時時鐘PCF8563接口電路PCF8563是PHILIP公司的推出的一款低功耗、帶定時中斷輸出的實時時鐘芯片。采用I2C總線協議與其它芯片進行通訊。
參見圖5，由于本發明是基于極低功耗的基礎上的，這要求在正常工作情況下的大部分時間內要將電源VCC關斷，并將微控制器3設成最省電的掉電模式，過了十分鐘后，再將微控制器3喚醒。如圖5所示，我們將PCF8563的定時中斷輸出腳/INT連在微控制器3的INT0腳上即可實現以上要求。另外，在太陽落山后，我們也會將電源VCC關斷，置微控制器為掉電模式，到第二天太陽升起后，再將微控制器3喚醒，PCF8563的“鬧鐘”中斷輸出功能也可實現此要求。
實時時鐘1芯片在系統工作的所有時間內都是不能掉電的，否則將引起系統功能紊亂。故配置了紐扣電池為實時時鐘1芯片供電。PCF8563是一款低功耗設計的芯片，用紐扣電池9可以維持其正常工作3-5年。
<三>、采樣保持電路系統需讀取4路電壓值大電容電壓，精密電位器5電壓，精密電位器5零點電壓，紐扣電池9電壓。在這4路電壓進入微控制器3中ADC通道前需進行采樣，保持。
參見圖6和圖7，系統采用了3片放大器芯片AD8542，每片AD8542都包括兩路放大器。AD8542將所用到的每路放大器都連成射極跟隨器，用于完成電壓的采樣，保持。
注1638及1638_VOL端口并沒有連到微控制器3的ADC通道上，而是留著供硬件調試時用。
<四>、電源控制模塊電流源電路原理見圖8。
如圖9所示，C15，C16是11V，1法拉的電解電容，用來存儲電能。通過光電池將太陽能轉換的電能轉儲在大電容內，提供電機動作所需能量。
在系統工作的大部分時間內，為了節省功耗，VCC(+5V)是被關掉的，且MCU被設置成掉電模式，這時，系統供電(包括處在掉電模式下的MCU，實時時鐘)，均是由紐扣電池提供。這時的功耗是極低的，小于20μA。
大電容上的采樣電壓進入微控制器3，進行A/D轉換。為謹防連續長時間的陰、雨天，光電池獲取能量不足，電機轉動耗光大電容所儲電能。故在驅動電機轉動之前會根據大電容上電壓進行判斷如電壓小于6V，則電機不轉，大于6V時，才轉動。
如圖10所示，兩電容上電壓也送到DC-DC轉換芯片上，以轉換得到VCC。本系統所用的DC-DC芯片采用美國Maxim公司的Maxim1771ESA，其是一款只需極少外圍電路，高性能的DC-DC轉換芯片，并具關斷功能當“SHDN”腳被拉高時，芯片被停止工作，“SHDN”腳為低時，芯片正常工作。故在大多數情況下，將芯片關斷以節省功耗，每隔十分鐘，將芯片恢復正常工作一次，以提供系統工作所需VCC。
電源控制模塊7按系統極低功耗要求設計，在工作時大部分時間將VCC關斷，MCU也被設置成掉電模式，這時系統功耗極低(＜20μA)，這時光電池電能對兩個大電容進行充電；利用實時時鐘的定時功能，每隔十分鐘將MCU喚醒(進入正常工作模式)，將VCC打開，計算太陽方位、轉動電機，實現跟蹤太陽方位的功能；如到太陽落山的時間，則也將VCC關斷、MCU設成掉電模式，在第二天太陽升起的時候喚醒。本太陽能采光系統控制器的軟件設計本采光控制器軟件包括兩部分ATmega32L中的固件及上位PC機的通訊軟件。
<一>、采光控制器固件編程采光控制器固件在windows XP操作系統下，采用ICC AVR進行編程，語言主要采用C語言。采光控制器的工作分為兩種模式調試模式及正常工作模式。
在固件中的程序流程如圖11所示，在采光控制器安裝，設置，調試時，系統處于調試模式，相應的軟件模塊對應如圖11中調試模式流程圖。首先系統進行初始化清除EEPROM內容，進行串口通訊設置，初始化微控制器3中相關控制寄存器。接下來進行按鍵2、串口通訊處理。按鍵2中KEY1～KEY3分別手動控制微型電機4的正轉、反轉及定位，如圖12所示。系統安裝時需按KEY1和KEY2，轉動電機4將光電池8及采光鏡面正對正北面，再按下KEY3進行基準定位。這個位置是系統工作中電機轉動角度的基準，當前位置的電位器5電壓值將存于EEPROM中。PC機12或GPS設備11通過RS232通訊協議對微控制器3進行參數設定，參數包括日期，時間，時差，時間類型(本地時間或格林威制時間)，本地的經度，緯度，高度。設定時間類型需作為最后一條設置命令，因為設置完時間類型后，采光系統控制器將自動轉入正常工作模式。
在采光系統控制器處于正常工作模式時，采光系統控制器在正常工作模式下大部分時間處于極低功耗方式VCC關斷，微控制器3處于掉電模式，紐扣電池9維持實時實鐘1的正常工作。每隔十分鐘，利用實時實鐘的定時中斷功能將微控制器3喚醒，打開VCC，計算當前太陽方位角，轉動太陽能電池板及采光鏡面，使它們正對所在太陽方位。如果已經到了太陽落山的時間，則將采光控制器置成極低功耗方式，到第二天太陽升起才將其喚醒。計算太陽升起及落山時間是在本地時間的中午12:00完成，并將計算好的時間存于EEPROM中。為了防止連續長時間的陰、雨于，光電池轉換電能不足，連續轉動電機耗光儲存于大電容上電壓，每次轉動電機時，都必須先檢查一下大電容上電壓值，如電壓小于6V，則不轉動電機。
在正常工作模式時，由于微控制器3在大部分時間都是處于掉電模式，這時串口中斷是不能喚醒微控制器3的(只有外部中斷能喚醒微控制器)。如果需要對系統進行調試(如通過串口讀取ADC通道的電壓值)，在正常工作模式下是不能做到的。為此，我們設計了一個切換按鍵，把它與外部中斷1相連，配合相應的中斷程序，即可完成將系統從正常工作模式切換至調試模式。
<二>、上位PC機的通訊軟件上位PC機12端軟件界面如圖13所示。該軟件主要完成向微采光系統控制器3設置參數本地的經度，緯度，高度，時間，時差，時間類型(本地時間或格林威制時間)；讀取各ADC通道電壓值(供調試時用)；讀取當前時間；測試串口通訊是否正常。
上位通訊軟件是在VC++6.0環境下編寫，采用了自己編寫的底層通訊類，這樣提高了該軟件的可移值性與健壯性。
微控制器ATmega32L中的固件程序所涉及的公式<一>、太陽方位角的計算sinh＝sinΦsinδ+cosΦcosδcost(1)cosa＝(sinhsinΦ-sinδ)/coshcos Φ (2)δ＝23.45sin(0.98354n-80.1454) (3)t＝15*(T-12)+L-stdL+e/4(4)e＝9.8sin(1.96708n-160.2908)-7.6cos(0.98354n-65.145356)(5)所列公式中，h太陽高度角；a太陽方位角；L經度；Φ緯度；
T本地時間；stdL當地時區*15；t時角；δ日赤緯；e均時差；<二>、日出時間計算tm=N+6+L/1524---(6)]]>z=90+50+2.12h60---(7)]]>M＝0.9856tm-3.289 (8)λ＝M+1.916sin(M)+0.020sin(2M)+282.634(9)λ＝mod(λ，360) (10)a=180πangle(cos(λ),0.91746sin(λ))15---(11)]]>δ=180πasin(0.39782sin(λ))---(12)]]>x=cos(z)-sin(δ).sin(Φ)cos(δ).cos(Φ)---(13)]]>H=360-180πacos(x)15---(14)]]>Tm＝H+a-0.065710tm-6.622 (15)Tm＝mod(Tm，24) (16)UTm＝Tm+L/15 (17)L經度；Φ緯度；tm初始時間；N從1月1日到當天所經過的天數；z天頂距離；h本地高度；M平近點角；λ太陽經度；a日赤經；δ日赤緯；H時角；Tm平均太陽時；UTm格林威制時間的日出時間。
<三>、日落時間計算te=N+18L/1524---(18)]]>z=90+50+2.12h60---(19)]]>M＝0.9856te-3.289 (20)λ＝M+1.916sin(M)+0.020sin(2M)+282.634(21)
λ＝mod(λ，360)(22)a=180πangle(cos(λ),0.91746sin(λ))15---(23)]]>δ=180πasin(0.39782sin(λ))---(24)]]>x=cos(z)-sin(δ).sin(Φ)cos(δ).cos(Φ)---(25)]]>H=180.acos(x)15π---(26)]]>Te＝H+a-0.065710te-6.622(27)Te＝mod(Te，24) (28)UTe＝Te+L (29)L經度；Φ緯度；tm初始時間；N從1月1日到當天所經過的天數；z天頂距離；h本地高度；M平近點角；λ太陽經度；a日赤經；δ日赤緯；H時角；Te平均太陽時；UTe格林威制時間的日出時間。
權利要求
1.一種太陽能采光系統控制器，包括一個微控制器(3)、連接微控制器(3)的按鍵(2)、實時時鐘(1)、PC機(12)和PGS設備、以及電源，其特征在于所述的微控制器(3)的輸出控制信號連接至一個驅動光電電板及采光裝置的微型電機(4)，所述的微型電機(4)輸出反饋信號經一個精密電位器(5)和一個A/D轉換器(6)，反饋連接至微控制器(3)，構成反饋回路；所述的電源是一個光電池(8)和一個紐扣電池(9)經一個電源控制模塊(7)和所述的A/D轉換器(6)連接至微控制器(3)，微控制器(3)的一個輸出端經一個DC-DC轉換器(10)連接所述的電源控制模塊(7)的輸入端。
2.根據權利要求1所述的太陽能采光系統控制器，其特征在于所述的精密電位器(5)為角度傳感器，與微型電機(4)聯動，微型電機(4)轉動時，帶動角度傳感器一起轉動，其輸出的電壓A/D轉換器(6)轉換后進入微控制器(3)，實現反饋控制，精確跟蹤太陽方位。
3.根據權利要求1所述的太陽能采光系統控制器，其特征在于所述的電源控制模塊(7)中有兩個1法拉、耐壓11V的大電容以儲存電能，大部分時間，光電池除光能轉換成電機，儲存在大電容中，在微型電機(4)轉動時，由大電容提供電能。
4.根據權利要求1所述的太陽能采光系統控制器，其特征在于所述的微控制器(3)采用Atmel公司推出的RISC構架的ATmega 32-16L微處理器，其中的固件設計成完全的中斷驅動，嚴謹的串口通訊協議保證了通訊的可靠性；將固件中的程序分成調試模式及正常工作模式；精確計算太陽方位及日出日落時間，保證系統工作的準確性；配合硬件實現了系統的極低功耗；串口通訊軟件采用保證程序在各PC機應用的可移植性及健壯性，另外采用嚴謹的通訊協議及超時重發機制，保證通訊過程的可靠性；微控制器軟件包括兩部分ATmega 32L中的固件和PC機內的串口通訊軟件。串口通訊用于設置參數，讀取數據及調試信息，采用了自建的串口通訊基礎類，在VC++6.0環境中編譯；微控制器控制系統工作模式是整個系統在大部分時間都處于休眠狀態，根據設定時間間隔喚醒系統，驅動電機轉動，完成后，又重新轉入休眠狀態；控制系統采用太陽能電池板供電，光電池將太陽能轉換成電能，存于系統中，以供驅動電機；在太陽落山后，將整個系統休眠，以減少功耗，到第二天太陽升起時，才重新將系統喚醒。
5.根據權利要求1所述的太陽能采光系統控制器，其特征在于所述的DC-DC轉換器(10)的型號為MAXIM公司推出的高效、低功耗的DC-DC控制器芯片MAX1771。
6.根據權利要求1所述的太陽能采光系統控制器，其特征在于所述的實時時鐘(1)的型號為PHILIP公司推出的低功耗實時時鐘芯片PCF8563，其帶有定時中斷功能，可用來喚醒休眠狀態下的系統。
7.根據權利要求1所述的太陽能采光系統控制器，其特征在于所述的精密電位器(5)采用日本三洋公司的高精度、高線性度的微型精密電位器TOCOS RYQ103Y。
全文摘要
本發明涉及一種太陽能采光系統控制器。它包括一個微控制器、連接微控制器的按鍵、實時時鐘、PC機和GPS設備、以及電源，所述的微控制器的輸出控制信號連接至一個驅動光電池板及采光裝置的微型電機，所述的微型電機輸出反饋信號經一個精密電位器和一個A/D轉換器，反饋連接至微控制器，構成反饋回路；所述的電源是一個光電池和一個紐扣電池經一個電源控制模塊和所述的A/D轉換器連接至微控制器，微控制器的一個輸出端經一個DC－DC轉換器連接所述的電源控制模塊的輸入端。本發明的控制器功耗極低，不僅能在晴朗、多云天氣正常工作，而且在陰天、自然光照不理想的情況下也能實現最大程度采光。
文檔編號H02J15/00GK101026345SQ200710038778
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月29日 優先權日2007年3月29日
發明者徐美華, 吳明, 周杰, 程玉蘭, 章卿, 冉峰 申請人:上海大學