太陽能電池板自動追光系統(tǒng)的設(shè)計

1、太陽能自動追光電池板的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)摘要：本文將差壓式太陽能電池板輸出的信號作為追光系統(tǒng)的輸入信號，以ATmega16單片機作為控制核心，采用時鐘追蹤與光電追蹤相結(jié)合的追蹤模式。系統(tǒng)直接以太陽能電池板作為檢測裝置，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并以A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。最終通過控制步進電機，控制太陽能電池板的自動追光。系統(tǒng)運用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對信號進行處理，通過對光照強度等參數(shù)進行對比分析，確定了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單元層數(shù)，隸屬度等，從而實現(xiàn)了太陽能電池板自動追光的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。關(guān)鍵字：差壓式太陽能電池板 ATmega16單片機 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模糊控制 高斯隸屬度引言太陽能是一種清潔綠色能源

2、，是最豐富的可再生能源形式。而自動追光系統(tǒng)可使太陽能電池板發(fā)電率提高40%。傳統(tǒng)的太陽能電池板自動追光系統(tǒng)主要有時鐘追光系統(tǒng)和傳感器追光系統(tǒng)。由于外界環(huán)境的影響，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)理論的復(fù)雜性與所要求的精確性之間存在尖銳矛盾。模糊邏輯控制已成為智能控制的重要組成部分。對模糊控制理論和技術(shù)的研究和探討還在不斷進行 ,這種新穎的控制理論和技術(shù)正處于發(fā)展和提高的進程中。模糊系統(tǒng)知識抽取比較方便，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻可以直接從樣本中進行有效的學(xué)習(xí)，總的來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合于處理非結(jié)構(gòu)化信息，而模糊系統(tǒng)對處理結(jié)構(gòu)化信息，而模糊系統(tǒng)對處理結(jié)構(gòu)化的知識更為有效。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶性，透明性和魯棒性出發(fā)，將模糊

3、化概念與模糊推理規(guī)則引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元，連接權(quán)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中，有效的發(fā)揮了各自優(yōu)勢，彌補各自的不足，可有效的控制太陽能電池板的自動追光系統(tǒng)。1太陽能自動追光系統(tǒng)模型1.1 機械結(jié)構(gòu) 太陽能電池板通過兩個相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸疊架分別與兩個步進電機相連接。通過兩個步進電機的旋轉(zhuǎn)控制旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，從而控制太陽能電池板的轉(zhuǎn)動。兩個太陽能步進電機通過兩個旋轉(zhuǎn)軸分別控制太陽能電池板的前后轉(zhuǎn)動和左右轉(zhuǎn)動。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率

4、來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進電機按相數(shù)分可分為：單相，雙相和多相三種。本文采用四相步電機，控制更為精確。電控部分主要是由單片機和測光電路組成。太陽能電池板在不同的光照下會通過電解電溶液產(chǎn)生不同的電勢。本系統(tǒng)通過將四塊太陽能電池板拼接在一起，并由擋光板將象限隔離。則可將四塊太陽能電池板的電勢差作為輸入信號，輸入單片機，從而實現(xiàn)由太陽能電池板與光線的夾角信號向電信號的轉(zhuǎn)換。擋板的具體尺寸將由太陽能電池板的大小決定。1.2單片機的控制

5、裝置 四塊不同的太陽能電池板在光照下分別產(chǎn)生四個電壓信號，當(dāng)其光照不同時，其產(chǎn)生的電壓信號各不相同，設(shè)其分別為V1,V2,V3,V4。系統(tǒng)的電控部分分別由主控芯片ATmega16，步進電機驅(qū)動器及四相步進電機組成，其中主控芯片主要連接復(fù)位電路，時鐘振蕩電路，及太陽能電池板。其輸出接四相步進電機驅(qū)動器。經(jīng)過步進電機驅(qū)動器帶動四相步進電機工作進行調(diào)整太陽能電池板的位置。由于ATmega16具有高性能、低功耗的8位AVR微處理器。數(shù)據(jù)吞吐率高達IMIPS/MHz，可緩解系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器的8位定時計數(shù)器；一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時/計數(shù)器

6、。32個可編程的I/O口等優(yōu)點。而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理量大，所以本課題采用ATmega16芯片。1.2.1主控芯片結(jié)構(gòu)：單片機XTAL1和XTAL2接口接入時鐘振蕩電路，RESET接口接入復(fù)位電路，接口ADC0、ADC1、ADC2、ADC3接收到四塊電池板產(chǎn)生的電壓信號之后，經(jīng)過比判斷，由單片機的接口PC0、PC1、PC2、PC3控制控制電機A的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)前后旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，帶動太陽能電池板的前后旋轉(zhuǎn)。由單片機的PD0、PD1、PD2、PD3接口控制電機B的正反轉(zhuǎn)，從而控制左右旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)，帶動太陽能電池板左右旋轉(zhuǎn)。主控芯片單片機的引腳排列及連接如下圖所示：1.2.2電機的控制電路四相步進

7、電機是由步進電機驅(qū)動器ULN2003A驅(qū)動，其中驅(qū)動器U2的輸入接口1B、2B、3B、4B接入主控芯片信號，由COM、1C、2C、3C、4C為輸出接口控制電機A轉(zhuǎn)動。同理，由芯片U2驅(qū)動步進電機B轉(zhuǎn)動。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應(yīng)用領(lǐng)

8、域。步進電機按相數(shù)分可分為：單相，雙相和多相三種。本文采用四相步電機，控制更為精確。ULN2003是一種高耐壓、大電流的達林頓陳列，由七個NPN達林頓管組成，每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。其電路結(jié)構(gòu)圖如下圖：1.3追光原理的設(shè)計當(dāng)通過時鐘追蹤系統(tǒng)判斷其處于白天時，光電式自動追光系統(tǒng)將進行工作。光電追蹤系統(tǒng)每隔七分鐘進行一次太陽能電池板與光線夾角的判斷，即每隔七分鐘通過輸入信號V1、V2、V3、V4對單片機的作用來驅(qū)動電機A，B，從而實現(xiàn)對太陽能電池板位置的調(diào)整。2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器是由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制共同組成的混合

9、系統(tǒng)。模糊控制作為傳統(tǒng)的基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，模糊集理論和控制理論的成果而誕生，使其與基于被控數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論有很大的區(qū)別。在模糊控制中，并不是像傳統(tǒng)控制那樣需要對被控過程進行精確的數(shù)學(xué)建模，而是試圖通過從能成功控制被控過程的領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@取知識，即專家行為和經(jīng)驗。由于人類專家行為是實現(xiàn)模糊控制的基礎(chǔ)。因此，必須用一種容易且有效的方式來表達人類的專家知識。由此，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的結(jié)合顯的更具有吸引力和實用性。如上圖，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其有五層神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。其中第一層為輸入層，其神經(jīng)元個數(shù)與輸入信號個數(shù)相同。第二層為輸入模糊層，即將輸入的信號模糊化。第三層為隱含層神經(jīng)元，由于太陽能電池板的轉(zhuǎn)動

10、方向有兩個自由度，即對系統(tǒng)信號分類時至少分為四部分，所以，隱含層的神經(jīng)元數(shù)目不宜小于四個，即可使第三層神經(jīng)元數(shù)目為四個。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第四層為模糊層，第五層為去模糊層，兩層神經(jīng)元個數(shù)都為兩個。由于信號受外界影響太大，即輸入模擬信號電壓與實際太陽光所產(chǎn)生的電壓信號有所偏壓，故需對其信號進行處理。本文對其進行模糊處理。室內(nèi)外環(huán)境光照強度的測量與分析數(shù)據(jù)表環(huán)境海拔經(jīng)度 123456789平均實驗室50經(jīng)度110°5521629557719792100186705296.4教室34.8經(jīng)度 110°18111814312413099157261141150.4宿舍38.3經(jīng)度 21&

11、#176;86.214.712.218.616.624.9911.825.424.4飯?zhí)?3.4經(jīng)度110°317937673501371735100110052555.8由上圖中實驗室，食堂等地方的光照強度進行分析，可用高斯隸屬度對其數(shù)據(jù)進行模糊處理,得到輸入光強的隸屬度。高斯隸屬度函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式為：.其中為參數(shù),為自變量由于各地的光照強度及環(huán)境影響不同，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及權(quán)重也各不相同。對不同地區(qū)不同時間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)進行實時訓(xùn)練。BP反向訓(xùn)練法方法簡單，結(jié)果準(zhǔn)確，但訓(xùn)練時間長，并需要大量的數(shù)據(jù)。但太陽能自動追光系統(tǒng)對時間要求不高，并可從實際中采取大量的訓(xùn)練樣本。即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向

12、訓(xùn)練方向適用于本系統(tǒng)的訓(xùn)練。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制系統(tǒng)是一種新的智能控制結(jié)構(gòu),目前,有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)過程還處于不斷研究和探索的階段, 還有許多重要問題亟待解決。參考文獻l李中生.物理學(xué)與太陽能.廣西教育出版社,19992李中生.太陽能.北京人民教育出版社,19883王炳忠.太陽能一未來能源之星.高教出版社,19904純.太陽能的利用.北京人民出版社,1975 5丁永生,應(yīng)浩,任立紅,等.解析模糊控制理論:模糊控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性分析J.控制與決策,2000,15 (2):129-135.6 駱文輝,王莉.模糊控制在交流調(diào)速中的應(yīng)用及前景J. 機電工程技術(shù),2004,33(6):90-93.7 袁小芳,王耀南.一種基于自組織模糊規(guī)則的水輪機調(diào)速器J.微特電機,2006,34(3):32-34. 8 佟紹成.非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制M.北京:科學(xué)出版社,2006.9吳文英.基于單片機控制的步進電機J.電子世界， 2012,4：55-56. 10苗洋.基于ATmega16的氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計D.遼寧:大連理工大學(xué)，2011