专利名称：太阳能采光系统控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种太阳能采光系统控制器。
背景技术：
太阳能最有价值的利用形式是直接用于照明，百分之一百的能源转换，与传统的灯光相比较，太阳能采光系统具有诸多优点，其主要三条如下1、提高工作效率。利用昼光进行室内采光照明不仅可以有益于环境，而且在天然光下人们在心理和生理上感到舒服，充足的阳光可以缓解人的眼疲劳和能量消耗，有利于身心健康，提高视觉功效。
2、具有很好的节能的经济效益。根据我国有关资料统计，办公楼建筑物的能耗消费的比例为空调能耗占40％左右，照明能耗占30％左右，而且普通的灯光消耗电能巨大，其中有70％并没有转换成光能而是通过热量的形式相消耗了，造成了巨大的浪费。通过一次投资建设太阳能采光控制装置，不仅可以直接得到充足的光线，而且可以节省可观的电能消耗。
3、属于绿色环保照明。太阳光对人的身体健康非常有好处，光线中包含着不同波长可见与不可见的电磁波，而这些光线正是我们人体健康所必须要吸收的。经过研究表明，经过阳光照射可以缓解人的情绪、降低血压、呼吸频率、血糖浓度以及锻炼以后乳酸的分泌，同时，它可以提高人的体力、免疫力、耐力、忍受力以及吸收和运载氧气的能力。
超节能型太阳能采光控制装置具有很广阔的应用前景，24小时超市、健身中心、杂货店、仓库、饭店、办公室、医院、学校、生产车间等等都可以使用。现在国外已经有了很多应用。而我国利用日光照明的研究和应用还处于初级阶段，目前尚无类似产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种完全不用外接电源的太阳能采光系统控制器，用于控制采光装置跟踪太阳方位，以实现最大程度的采光。控制器功率小，即使遇到阴、雨天，控制器仍能连续地正常工作。
为达到上述目的，本发明的构思如下
驱动部分采用反馈控制，微型电机在驱动采光装置及光电池板转动时，精密电位器也同步转动，电位器的电压采样后经A/D转换送入微处理器，微处理器则根据所读入值来控制电机的转动，以精确跟踪太阳方位。
在控制器内设计了两个1法拉，耐压11V的大电容以储存电能。大部分时间，光电池将光能转换成电能，储存在大电容中。在电机转动时，则由大电容提供能量。
系统工作于两种模式正常工作模式及调试模式。正常工作模式下，系统大部分时间处在极低功耗模式，在保证正常、稳定的工作条件下，尽量减少功耗。调试模式则是为了与PC机或GPS设备通讯以获取设置参数，上传调试信息，及更新程序。两种工作模式可以相互切换。
根据上述的发明构思，本发明采用下述的技术方案一种太阳能采光系统控制器，包括一个微控制器、连接微控制器的按键、实时时钟、PC机和PGS设备、以及电源，其特征在于所述的微控制器的输出控制信号连接至一个驱动光电电极及采光装置的微型电机，所述的微型电机输出反馈信号经一个精密电位器和一个A/D转换器，反馈连接至微控制器，构成反馈回路；所述的电源是一个光电池和一个纽扣电池经一个电源控制模块和所述的A/D转换器连接至微控制器，微控制器的一个输出端经一个DC-DC转换器连接所述的电源控制模块的输入端。
上述的精密电位器为角度传感器，与微型电机联动，微型电机转动时，带动角度传感器一起转动，其输出的电压A/D转换器转换后进入微控制器，实现反馈控制，精确跟踪太阳方位。
上述的电源控制模块中有两个1法拉、耐压11V的大电容以储存电能，大部分时间，光电池除光能转换成电机，储存在大电容中，在微型电机转动时，由大电容提供电能。
上述的微控制器采用Atmel公司推出的RISC构架的ATmega 32-16L微处理器，其中的固件设计成完全的中断驱动，严谨的串口通讯协议保证了通讯的可靠性；将固件中的程序分成调试模式及正常工作模式；精确计算太阳方位及日出日落时间，保证系统工作的准确性；配合硬件实现了系统的极低功耗；串口通讯软件采用保证程序在各PC机应用的可移植性及健壮性，另外采用严谨的通讯协议及超时重发机制，保证通讯过程的可靠性；微控制器软件包括两部分ATmega 32L中的固件和PC机内的串口通讯软件。串口通讯用于设置参数，读取数据及调试信息，采用了自建的串口通讯基础类，在VC++6.0环境中编译；微控制器控制系统工作模式是整个系统在大部分时间都处于休眠状态，根据设定时间间隔唤醒系统，驱动电机转动，完成后，又重新转入休眠状态；控制系统采用太阳能电池板供电，光电池将太阳能转换成电能，存于系统中，以供驱动电机；在太阳落山后，将整个系统休眠，以减少功耗，到第二天太阳升起时，才重新将系统唤醒。
上述的DC-DC转换器的型号为MAXIM公司推出的高效、低功耗的DC-DC控制器芯片MAX1771。
上述的实时时钟的型号为PHILIP公司推出的低功耗实时时钟芯片PCF8563，其带有定时中断功能，可用来唤醒休眠状态下的系统。
上述的精密电位器采用日本三洋公司的高精度、高线性度的微型精密电位器TOCOS RYQ103Y。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实出实质性特点和显著优点本发明提供的系统控制器采用太阳能光电池供电，微控制器中还设有两个1法拉耐式11V的大电容以储有电能为微型电机提供电能，所以耗能极低。本系统控制器采用反馈回路实现反馈控制，能实现光电池板及采光装置精确跟踪太阳方位。微控制器控制系统工作的模式是系统大部分时间都处于休眠状态，在设定的时间间隔唤醒系统工作，工作完成后重新进入休眠状态；太阳落山后，系统休眠直至第二天太阳升起，则系统的功耗极低。
图1是为极低功耗太阳能采光系统控制器的结构框图。
图2是为微控制器接口电路原理图。
图3是按键与电位器接口电路原理图。
图4是RS232通讯接口电路原理。
图5是实时时钟模块接口电路原理图。
图6是电机驱动模块接口电路原理图。
图7是采样、保持电路原理图。
图8是电流源电路原理图。
图9是电源控制模块电路原理图。
图10是DC-DC转换模块电路原理图。
图11是主程序流程图。
图12是按键功能处理流程图。
图13是上位PC机端软件界面。
具体实施例方式
本发明的一个优选实施例结合
如下本太阳能采光系统控制器包括下述硬件和软件。
太阳能采光系统控制器的硬件如图1所示，本发明所提出的太阳能采光控制器主要包括微控制器3，按键2，电源控制模块7，实时时钟1，电机驱动电路，A/D采样电路。微控制器ATmega32L是整个系统的核心，它通过串口与PC机12或GPS设备11进行通讯，获取系统设置参数及上传调试信息；微控制器3通过I2C总线与实时时钟1进行交互-设置及读取时间，另外，实时时钟1的中断输出线连在微控制器3的外部中断1引脚上，用于唤醒处于掉电模式中的微控制器3；微控制器3根据计算结果驱动微型电机4，同时带动精密电位器5同步转动，电位器5上的电压值(包括角度电压值及零点电压值)经过采样保持电路后进入微控制器3的A/D变换通道，得到数值，正是通过这样的反馈回路，保证了电机控制的精确性；光电池8将采集到的光能转换成电能，储存大两个1法拉的电源控制模块7中的大电容中，大电容中电压连在DC-DC转换器10 MAX1771的输入端，用于产生电源VCC，另外MAX1771的控制端SHDN也连在微控制器3上，用于控制VCC的开关；纽扣电池9则为处于掉电模式时的微控制器3及实时时钟1提供能量；大电容上电压与纽扣电池9的电压也经采样保持电路后进入A/D转换通道，用于完成相关控制。
本系统的硬件系统的特征在于1、采用了微控制器3-精密电位器5-A/D转换器6-微控制器3的电机反馈控制回路，消除了累积误差，保证电机转动的精确性。
2、采用了极低功耗的设计方案微控制器通过控制MAX1771的SHDN脚来关断电源VCC，并将微控制器3本身设成掉电模式，这时系统消耗功耗极低，过10分钟后，由实时时钟芯片PCF8563的定时引脚产生中断来“唤醒”微控制器3，恢复VCC，完成微型电机4转动，完后再进入极低功耗模式。
3、将系统工作分为正常工作模式及调试模式，并用按键KEY4连在微控制器3的外部中断1上，完成正常工作模式到调试模式的切唤。
4、将大电容上电压及纽扣电池9电压都通过采样保持电路后接入到A/D转换通道，这样可以采取措施以避免大电容与纽扣电池9上电能被耗光，从而导致系统工作不正常。
下面将对系统硬件各部分进行详细介绍。
<一>.微控制器ATmega32L接口电路ATmega32L是Atmel公司所推出的高性能，低功耗的8位单片机，其采用了先进的RISC架构，有多达130条功能强大的指令(大部分一个时钟周期即可完成)，32×8通用工作寄存器，完全静态运作，在16MHz的晶振下运行速度可以达到16MIPS，片上2周期的乘法器，其运算速度是目前常用的8051单片机的10多倍。ATmega32L内有32K字节的可编程FLASH，2K字节的SRAM及1K字节的EEPROM，这满足了控制器编程及存储参数的要求，另外有8路10位的ADC，这为控制器所需的A/D转换提供了方便。ATmega32L内为节省功耗，设计了六种睡眠模式空闲模式，ADC噪声模式，省电模式，掉电模式，standby模式及扩展的standby模式，特别是在掉电模式下，Atmega32L在1MHZ，3V时的功耗小于1uA，这为我们实现控制器的极低功耗设计提供了可能。
参见图2，微控制器3采用SPI总线方式的编程接口，可方便地下载程序，设置/读取EEPROM中数据。
按键KEY1，KEY2，KEY3，分别用于调试模式时，电机手动转动的正转，反转，及复位。
另外键KEY4与微控制器3的外部中断引脚1(INT1)相连，用于将正常工作模式切换至调试模式。
实时时钟芯片PCF8563通过I2C总线与微控制器3进行通讯，另外PCF8563的定时中断输出脚连在微控制器3的外部中断引脚(INT0)上，可用于将CPU从掉电模式中唤醒。
参见图4，电平转换芯片MAX232用于将微控制器3的CMOS电平转换成RS232电平，主要用于微控制器3与上位PC机12或GPS设备11进行通讯。
电机驱动芯片LT1638用于进行功率的放大，微控制器3通过此芯片去控制微电机4的转动。
微控制器3的四个ADC通道分别用来转换大电容电压(CAP_VOL)、精密电位器5电压(ANGLE_VOL)、精密电位器5零点电压(ZERO_VOL)、纽扣电池9电压(BAT_VOL)。
DC-DC芯片MAX1771用于产生数字电源信号VCC，其SHDN引脚用于控制MAX1771的关断及打开，将SHDN脚连到微控制器3上，即可实现对电源VCC的开关控制，以实现极低功耗。
<二>、实时时钟PCF8563接口电路PCF8563是PHILIP公司的推出的一款低功耗、带定时中断输出的实时时钟芯片。采用I2C总线协议与其它芯片进行通讯。
参见图5，由于本发明是基于极低功耗的基础上的，这要求在正常工作情况下的大部分时间内要将电源VCC关断，并将微控制器3设成最省电的掉电模式，过了十分钟后，再将微控制器3唤醒。如图5所示，我们将PCF8563的定时中断输出脚/INT连在微控制器3的INT0脚上即可实现以上要求。另外，在太阳落山后，我们也会将电源VCC关断，置微控制器为掉电模式，到第二天太阳升起后，再将微控制器3唤醒，PCF8563的“闹钟”中断输出功能也可实现此要求。
实时时钟1芯片在系统工作的所有时间内都是不能掉电的，否则将引起系统功能紊乱。故配置了纽扣电池为实时时钟1芯片供电。PCF8563是一款低功耗设计的芯片，用纽扣电池9可以维持其正常工作3-5年。
<三>、采样保持电路系统需读取4路电压值大电容电压，精密电位器5电压，精密电位器5零点电压，纽扣电池9电压。在这4路电压进入微控制器3中ADC通道前需进行采样，保持。
参见图6和图7，系统采用了3片放大器芯片AD8542，每片AD8542都包括两路放大器。AD8542将所用到的每路放大器都连成射极跟随器，用于完成电压的采样，保持。
注1638及1638_VOL端口并没有连到微控制器3的ADC通道上，而是留着供硬件调试时用。
<四>、电源控制模块电流源电路原理见图8。
如图9所示，C15，C16是11V，1法拉的电解电容，用来存储电能。通过光电池将太阳能转换的电能转储在大电容内，提供电机动作所需能量。
在系统工作的大部分时间内，为了节省功耗，VCC(+5V)是被关掉的，且MCU被设置成掉电模式，这时，系统供电(包括处在掉电模式下的MCU，实时时钟)，均是由纽扣电池提供。这时的功耗是极低的，小于20μA。
大电容上的采样电压进入微控制器3，进行A/D转换。为谨防连续长时间的阴、雨天，光电池获取能量不足，电机转动耗光大电容所储电能。故在驱动电机转动之前会根据大电容上电压进行判断如电压小于6V，则电机不转，大于6V时，才转动。
如图10所示，两电容上电压也送到DC-DC转换芯片上，以转换得到VCC。本系统所用的DC-DC芯片采用美国Maxim公司的Maxim1771ESA，其是一款只需极少外围电路，高性能的DC-DC转换芯片，并具关断功能当“SHDN”脚被拉高时，芯片被停止工作，“SHDN”脚为低时，芯片正常工作。故在大多数情况下，将芯片关断以节省功耗，每隔十分钟，将芯片恢复正常工作一次，以提供系统工作所需VCC。
电源控制模块7按系统极低功耗要求设计，在工作时大部分时间将VCC关断，MCU也被设置成掉电模式，这时系统功耗极低(＜20μA)，这时光电池电能对两个大电容进行充电；利用实时时钟的定时功能，每隔十分钟将MCU唤醒(进入正常工作模式)，将VCC打开，计算太阳方位、转动电机，实现跟踪太阳方位的功能；如到太阳落山的时间，则也将VCC关断、MCU设成掉电模式，在第二天太阳升起的时候唤醒。本太阳能采光系统控制器的软件设计本采光控制器软件包括两部分ATmega32L中的固件及上位PC机的通讯软件。
<一>、采光控制器固件编程采光控制器固件在windows XP操作系统下，采用ICC AVR进行编程，语言主要采用C语言。采光控制器的工作分为两种模式调试模式及正常工作模式。
在固件中的程序流程如图11所示，在采光控制器安装，设置，调试时，系统处于调试模式，相应的软件模块对应如图11中调试模式流程图。首先系统进行初始化清除EEPROM内容，进行串口通讯设置，初始化微控制器3中相关控制寄存器。接下来进行按键2、串口通讯处理。按键2中KEY1～KEY3分别手动控制微型电机4的正转、反转及定位，如图12所示。系统安装时需按KEY1和KEY2，转动电机4将光电池8及采光镜面正对正北面，再按下KEY3进行基准定位。这个位置是系统工作中电机转动角度的基准，当前位置的电位器5电压值将存于EEPROM中。PC机12或GPS设备11通过RS232通讯协议对微控制器3进行参数设定，参数包括日期，时间，时差，时间类型(本地时间或格林威制时间)，本地的经度，纬度，高度。设定时间类型需作为最后一条设置命令，因为设置完时间类型后，采光系统控制器将自动转入正常工作模式。
在采光系统控制器处于正常工作模式时，采光系统控制器在正常工作模式下大部分时间处于极低功耗方式VCC关断，微控制器3处于掉电模式，纽扣电池9维持实时实钟1的正常工作。每隔十分钟，利用实时实钟的定时中断功能将微控制器3唤醒，打开VCC，计算当前太阳方位角，转动太阳能电池板及采光镜面，使它们正对所在太阳方位。如果已经到了太阳落山的时间，则将采光控制器置成极低功耗方式，到第二天太阳升起才将其唤醒。计算太阳升起及落山时间是在本地时间的中午12:00完成，并将计算好的时间存于EEPROM中。为了防止连续长时间的阴、雨于，光电池转换电能不足，连续转动电机耗光储存于大电容上电压，每次转动电机时，都必须先检查一下大电容上电压值，如电压小于6V，则不转动电机。
在正常工作模式时，由于微控制器3在大部分时间都是处于掉电模式，这时串口中断是不能唤醒微控制器3的(只有外部中断能唤醒微控制器)。如果需要对系统进行调试(如通过串口读取ADC通道的电压值)，在正常工作模式下是不能做到的。为此，我们设计了一个切换按键，把它与外部中断1相连，配合相应的中断程序，即可完成将系统从正常工作模式切换至调试模式。
<二>、上位PC机的通讯软件上位PC机12端软件界面如图13所示。该软件主要完成向微采光系统控制器3设置参数本地的经度，纬度，高度，时间，时差，时间类型(本地时间或格林威制时间)；读取各ADC通道电压值(供调试时用)；读取当前时间；测试串口通讯是否正常。
上位通讯软件是在VC++6.0环境下编写，采用了自己编写的底层通讯类，这样提高了该软件的可移值性与健壮性。
微控制器ATmega32L中的固件程序所涉及的公式<一>、太阳方位角的计算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太阳高度角；a太阳方位角；L经度；Φ纬度；
T本地时间；stdL当地时区*15；t时角；δ日赤纬；e均时差；<二>、日出时间计算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经度；Φ纬度；tm初始时间；N从1月1日到当天所经过的天数；z天顶距离；h本地高度；M平近点角；λ太阳经度；a日赤经；δ日赤纬；H时角；Tm平均太阳时；UTm格林威制时间的日出时间。
<三>、日落时间计算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经度；Φ纬度；tm初始时间；N从1月1日到当天所经过的天数；z天顶距离；h本地高度；M平近点角；λ太阳经度；a日赤经；δ日赤纬；H时角；Te平均太阳时；UTe格林威制时间的日出时间。
权利要求
1.一种太阳能采光系统控制器，包括一个微控制器(3)、连接微控制器(3)的按键(2)、实时时钟(1)、PC机(12)和PGS设备、以及电源，其特征在于所述的微控制器(3)的输出控制信号连接至一个驱动光电电板及采光装置的微型电机(4)，所述的微型电机(4)输出反馈信号经一个精密电位器(5)和一个A/D转换器(6)，反馈连接至微控制器(3)，构成反馈回路；所述的电源是一个光电池(8)和一个纽扣电池(9)经一个电源控制模块(7)和所述的A/D转换器(6)连接至微控制器(3)，微控制器(3)的一个输出端经一个DC-DC转换器(10)连接所述的电源控制模块(7)的输入端。
2.根据权利要求1所述的太阳能采光系统控制器，其特征在于所述的精密电位器(5)为角度传感器，与微型电机(4)联动，微型电机(4)转动时，带动角度传感器一起转动，其输出的电压A/D转换器(6)转换后进入微控制器(3)，实现反馈控制，精确跟踪太阳方位。
3.根据权利要求1所述的太阳能采光系统控制器，其特征在于所述的电源控制模块(7)中有两个1法拉、耐压11V的大电容以储存电能，大部分时间，光电池除光能转换成电机，储存在大电容中，在微型电机(4)转动时，由大电容提供电能。
4.根据权利要求1所述的太阳能采光系统控制器，其特征在于所述的微控制器(3)采用Atmel公司推出的RISC构架的ATmega 32-16L微处理器，其中的固件设计成完全的中断驱动，严谨的串口通讯协议保证了通讯的可靠性；将固件中的程序分成调试模式及正常工作模式；精确计算太阳方位及日出日落时间，保证系统工作的准确性；配合硬件实现了系统的极低功耗；串口通讯软件采用保证程序在各PC机应用的可移植性及健壮性，另外采用严谨的通讯协议及超时重发机制，保证通讯过程的可靠性；微控制器软件包括两部分ATmega 32L中的固件和PC机内的串口通讯软件。串口通讯用于设置参数，读取数据及调试信息，采用了自建的串口通讯基础类，在VC++6.0环境中编译；微控制器控制系统工作模式是整个系统在大部分时间都处于休眠状态，根据设定时间间隔唤醒系统，驱动电机转动，完成后，又重新转入休眠状态；控制系统采用太阳能电池板供电，光电池将太阳能转换成电能，存于系统中，以供驱动电机；在太阳落山后，将整个系统休眠，以减少功耗，到第二天太阳升起时，才重新将系统唤醒。
5.根据权利要求1所述的太阳能采光系统控制器，其特征在于所述的DC-DC转换器(10)的型号为MAXIM公司推出的高效、低功耗的DC-DC控制器芯片MAX1771。
6.根据权利要求1所述的太阳能采光系统控制器，其特征在于所述的实时时钟(1)的型号为PHILIP公司推出的低功耗实时时钟芯片PCF8563，其带有定时中断功能，可用来唤醒休眠状态下的系统。
7.根据权利要求1所述的太阳能采光系统控制器，其特征在于所述的精密电位器(5)采用日本三洋公司的高精度、高线性度的微型精密电位器TOCOS RYQ103Y。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能采光系统控制器。它包括一个微控制器、连接微控制器的按键、实时时钟、PC机和GPS设备、以及电源，所述的微控制器的输出控制信号连接至一个驱动光电池板及采光装置的微型电机，所述的微型电机输出反馈信号经一个精密电位器和一个A/D转换器，反馈连接至微控制器，构成反馈回路；所述的电源是一个光电池和一个纽扣电池经一个电源控制模块和所述的A/D转换器连接至微控制器，微控制器的一个输出端经一个DC－DC转换器连接所述的电源控制模块的输入端。本发明的控制器功耗极低，不仅能在晴朗、多云天气正常工作，而且在阴天、自然光照不理想的情况下也能实现最大程度采光。
文档编号H02J15/00GK101026345SQ200710038778
公开日2007年8月29日 申请日期2007年3月29日 优先权日2007年3月29日
发明者徐美华, 吴明, 周杰, 程玉兰, 章卿, 冉峰 申请人:上海大学