基于單片機(jī)的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究
摘要： 系統(tǒng)采用特制的四象限硅光電池作為太陽(yáng)跟蹤誤差校正用傳感器，并且采用AT89C51單片機(jī)作為智能單元，可以實(shí)現(xiàn)成本較低的全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性，并能夠達(dá)到相當(dāng)好的精確度和靈活性。理論分析和設(shè)計(jì)結(jié)果表明，本方法可以滿(mǎn)足太陽(yáng)跟蹤控制的要求。
Abstract：
Key words :
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)所面臨的能源問(wèn)題越來(lái)越突出，太陽(yáng)能作為一種清潔能源，無(wú)疑受到各國(guó)的普遍重視。在相同條件下，光照強(qiáng)度越大，太陽(yáng)能電池輸出功率越大。因而增大太陽(yáng)能電池受光面的光照強(qiáng)度，就可增大太陽(yáng)能電池輸出功率。除了提高太陽(yáng)光電池本身的轉(zhuǎn)換效應(yīng)和提高蓄電池充放電效應(yīng)外，對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤是太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一種提高轉(zhuǎn)換效率的有效手段。因此，在太陽(yáng)能的利用過(guò)程中，實(shí)施太陽(yáng)跟蹤是很有必要的。
對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤的方法很多，但不外乎為采用確定太陽(yáng)位置所用的兩種坐標(biāo)系統(tǒng)，即赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，并分為雙軸跟蹤和單軸跟蹤。單軸跟蹤已在很多文獻(xiàn)作了介紹，本文要討論的為雙軸跟蹤。為了敘述方便，在以后的陳述中將兩種坐標(biāo)系下的整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為太陽(yáng)能板。
本文采用在地平坐標(biāo)系下的太陽(yáng)跟蹤及程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的控制方式，即采用程序控制，利用光學(xué)傳感器對(duì)太陽(yáng)能板做自動(dòng)定位和誤差校正，而通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)利用時(shí)鐘提供的日期和時(shí)間，計(jì)算出太陽(yáng)能板的預(yù)期位置，與編碼器提供的當(dāng)前位置比較，輸出控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)單片機(jī)提供的信號(hào)控制俯仰角電機(jī)和方位角電機(jī)使太陽(yáng)能板運(yùn)行至太陽(yáng)垂直照射點(diǎn)，從而進(jìn)行跟蹤。傳感器在太陽(yáng)能板位置出現(xiàn)誤差時(shí)進(jìn)行校正。
1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由時(shí)鐘、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、編碼器、太陽(yáng)能板和傳感器6部分組成。系統(tǒng)的核心部件是傳感器和單片機(jī)。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。
1．1 智能單元與雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
本文的控制系統(tǒng)選用了AT89C51單片機(jī)作為智能單元。AT89C51是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個(gè)4 KB的FLASH可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器。文中所述系統(tǒng)為地平坐標(biāo)系的雙軸自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，因此采用雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制，雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制就是在x軸方向控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，在y軸方向控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。這2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一個(gè)對(duì)象，使對(duì)象在一個(gè)平面上以任意曲線運(yùn)動(dòng)。二維步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。
AT89C51單片機(jī)通過(guò)P2口輸出控制脈沖信號(hào)，P2．0～P2．3為一路，P2．4～P2．7為一路，分兩路各控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。P3．2～P3．5設(shè)置為行程保護(hù)開(kāi)關(guān)，作二維步進(jìn)電機(jī)正反向最大行程保護(hù)。功率放大電路中采用74LS05將單片機(jī)P2口脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)9014控制光電耦合器，隔離后，由功率管DK63驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，圖中L11，L12即為步進(jìn)電機(jī)的各相線圈。
1．2 光電傳感器
本控制系統(tǒng)中所采用光電傳感器為6塊相同的硅光電池，其中4塊用來(lái)制作四象限硅光電池，進(jìn)行誤差校正。2塊作為判斷光照強(qiáng)弱的信號(hào)輸出傳感器。
太陽(yáng)跟蹤傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為了保證太陽(yáng)能板的受光面始終與太陽(yáng)光線保持垂直而不發(fā)生偏離，采用特制的四象限硅光電池作為太陽(yáng)跟蹤誤差校正用傳感器。
如圖3所示為四象限跟蹤太陽(yáng)傳感器原理圖。當(dāng)光軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，光斑的中心在光軸上。四個(gè)象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號(hào)。當(dāng)光軸未對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)即太陽(yáng)光與光軸成一角度θ時(shí)，光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)照射到四象限光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移即(x≠O，y≠O)。由于各象限的光功率與各象限的光斑面積成正比，每個(gè)象限被光斑覆蓋的面積不同，因此各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同。根據(jù)上述將Vx，Vy進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備可控制俯仰角電機(jī)和方位角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到Vx=Vy=0，即x=0，y=0，則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，根據(jù)以上原理即可對(duì)太陽(yáng)能板位置誤差進(jìn)行校正。
判斷光強(qiáng)信號(hào)傳感器由兩塊光電池組成，一塊接受太陽(yáng)輻射，另外一塊受光面背光。如圖4所示，前一塊光電池的作用是：判斷太陽(yáng)直射輻射的強(qiáng)度，在直射輻射較弱時(shí)不啟動(dòng)跟蹤程序，從而避免多云天氣的盲目跟蹤。后一塊光電池的作用是當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間陰天或多云轉(zhuǎn)晴后太陽(yáng)重新出現(xiàn)時(shí)，判斷太陽(yáng)直射輻射的強(qiáng)度，來(lái)決定是否啟動(dòng)跟蹤程序。
1．3 采樣保持與A／D轉(zhuǎn)換電路
本系統(tǒng)選用的A／D轉(zhuǎn)換為MAXIM公司生產(chǎn)的MAXl86轉(zhuǎn)換器，是串行輸出CMOS芯片。其轉(zhuǎn)換速度快，精度高，耗電省，接線簡(jiǎn)單，適用于各種儀器儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集。MAXl86轉(zhuǎn)換器自帶有采樣保持器，因而系統(tǒng)不再設(shè)計(jì)采樣保持電路。而且與AT89C51為串行連接，接口電路如圖5所示。
1．4 時(shí)鐘芯片DSl302
DSl302與AT89C51單片機(jī)接口采用3線(RST，SCLK和I／O)連接，AT89C51為主芯片負(fù)責(zé)控制2芯片之間的數(shù)據(jù)通訊。RST為數(shù)據(jù)通訊的使能信號(hào)，為O則允許通訊；為1則禁止通訊。SCLK為數(shù)據(jù)通訊的位同步脈沖信號(hào)，I／O是雙向串行數(shù)據(jù)傳輸線。RST，SCLK都是單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，如圖6所示。
2 軟件設(shè)計(jì)
本文介紹的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)方法。主程序初始化完畢之后，即進(jìn)入等待狀態(tài)，單片機(jī)控制運(yùn)行交由中斷服務(wù)程序控制。所需完成的功能主要由子模塊實(shí)現(xiàn)。各部分獨(dú)立完成一定的功能，又有機(jī)的結(jié)合為一個(gè)整體，完成所要求的控制任務(wù)。
程序的結(jié)構(gòu)如圖7所示。主程序包括初始化、最初的A／D轉(zhuǎn)換程序。整個(gè)程序周期里，初始化程序只在主程序第一次執(zhí)行時(shí)執(zhí)行一次。初始化之后，進(jìn)行最初A／D轉(zhuǎn)換，實(shí)際上等于對(duì)A／D轉(zhuǎn)換濾波器置初始值。
2．1 定時(shí)器1溢出中斷服務(wù)程序
定時(shí)器1溢出中斷服務(wù)程序包含多個(gè)模塊，先后在一個(gè)T1溢出周期內(nèi)執(zhí)行完畢。這些模塊包括：控制算法、控制量輸出、A／D轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)果處理和分析、異常處理等部分。通過(guò)每次T1溢出，周期性的采樣、反饋比較、調(diào)整、輸出，從而實(shí)現(xiàn)控制策略。
2．2 控制算法
編制控制算法子程序包括以下幾個(gè)步驟：計(jì)算當(dāng)前期望位置；計(jì)算補(bǔ)償通道輸出值；計(jì)算當(dāng)前實(shí)際位置；計(jì)算誤差和誤差通道輸出值；補(bǔ)償通道輸出值和誤差通道輸出值相加。
2．3 控制量輸出
單片機(jī)輸出的控制量為脈沖輸出，脈沖量的輸出可以通過(guò)軟件定時(shí)器，規(guī)定脈沖輸出的問(wèn)隔時(shí)間，從而規(guī)定了脈沖輸出的頻率。
2．4 A／D轉(zhuǎn)換及其轉(zhuǎn)換結(jié)果處理和分析
雖然硬件上對(duì)模擬輸入進(jìn)行了低通濾波，但是仍然會(huì)有一些因素可能造成模擬輸入量出現(xiàn)較大的誤差。為了防止這種情況的發(fā)生，需要進(jìn)行軟件濾波，即數(shù)字濾波處理。數(shù)字濾波有許多優(yōu)點(diǎn)：
(1)數(shù)字濾波器是由程序?qū)崿F(xiàn)的，不需增加硬件設(shè)備，數(shù)字濾波可以有多個(gè)輸入通道共用，因而成本低。
(2)數(shù)字濾波由程序?qū)崿F(xiàn)，不需要硬件設(shè)備，因而可靠性好，穩(wěn)定性高，不存在阻抗匹配問(wèn)題。
(3)數(shù)字濾波使用靈活，修改方便。而本文采用了算術(shù)平均值濾波方法。
2．5 異常處理
程序運(yùn)行中會(huì)發(fā)生多種異常情況，有些可以通過(guò)檢查輸入數(shù)據(jù)判斷，而有一些情況系統(tǒng)可以自行校正。光電傳感器誤差信號(hào)超出死區(qū)也應(yīng)視為異常情況?？赡艿脑蚴浅霈F(xiàn)了一干擾光源或太陽(yáng)能板與太陽(yáng)位置發(fā)生偏離。為了避免在多云情況下的盲目跟蹤，如果輻射強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到特定值，則對(duì)于誤差信號(hào)超出死區(qū)不作任何操作。太陽(yáng)能板與太陽(yáng)位置發(fā)生偏離的情況下，系統(tǒng)有能力自動(dòng)的回復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。
在每次定時(shí)器T1中斷時(shí)，系統(tǒng)都檢查控制字。當(dāng)控制字表明系統(tǒng)在校正狀態(tài)時(shí)，輸出控制量的值由預(yù)期位置量和光電傳感器誤差信號(hào)共同計(jì)算產(chǎn)生。
3 結(jié)語(yǔ)
系統(tǒng)采用特制的四象限硅光電池作為太陽(yáng)跟蹤誤差校正用傳感器，并且采用AT89C51單片機(jī)作為智能單元，可以實(shí)現(xiàn)成本較低的全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性，并能夠達(dá)到相當(dāng)好的精確度和靈活性。理論分析和設(shè)計(jì)結(jié)果表明，本方法可以滿(mǎn)足太陽(yáng)跟蹤控制的要求。
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