基于單片機的太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究

0 引言
    隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類所面臨的能源問題越來越突出，太陽能作為一種清潔能源，無疑受到各國的普遍重視。在相同條件下，光照強度越大，太陽能電池輸出功率越大。因而增大太陽能電池受光面的光照強度，就可增大太陽能電池輸出功率。除了提高太陽光電池本身的轉(zhuǎn)換效應(yīng)和提高蓄電池充放電效應(yīng)外，對太陽的自動跟蹤是太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一種提高轉(zhuǎn)換效率的有效手段。因此，在太陽能的利用過程中，實施太陽跟蹤是很有必要的。
    對太陽進(jìn)行跟蹤的方法很多，但不外乎為采用確定太陽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)系下的整個系統(tǒng)統(tǒng)稱為太陽能板。
    本文采用在地平坐標(biāo)系下的太陽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)傳感器對太陽能板做自動定位和誤差校正，而通過單片機控制步進(jìn)電機來實現(xiàn)。單片機利用時鐘提供的日期和時間，計算出太陽能板的預(yù)期位置，與編碼器提供的當(dāng)前位置比較，輸出控制信號。驅(qū)動裝置根據(jù)單片機提供的信號控制俯仰角電機和方位角電機使太陽能板運行至太陽垂直照射點，從而進(jìn)行跟蹤。傳感器在太陽能板位置出現(xiàn)誤差時進(jìn)行校正。

1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)由時鐘、單片機、驅(qū)動裝置、編碼器、太陽能板和傳感器6部分組成。系統(tǒng)的核心部件是傳感器和單片機。太陽跟蹤系統(tǒng)原理見圖1。

1．1 智能單元與雙坐標(biāo)步進(jìn)電機控制系統(tǒng)
    本文的控制系統(tǒng)選用了AT89C51單片機作為智能單元。AT89C51是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機。片內(nèi)帶有一個4 KB的FLASH可編程、可擦除只讀存儲器。文中所述系統(tǒng)為地平坐標(biāo)系的雙軸自動跟蹤控制系統(tǒng)，因此采用雙坐標(biāo)步進(jìn)電機控制，雙坐標(biāo)步進(jìn)電機控制就是在x軸方向控制1臺步進(jìn)電機，在y軸方向控制1臺步進(jìn)電機。這2臺步進(jìn)電機同時驅(qū)動同一個對象，使對象在一個平面上以任意曲線運動。二維步進(jìn)電機控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

    AT89C51單片機通過P2口輸出控制脈沖信號，P2．0～P2．3為一路，P2．4～P2．7為一路，分兩路各控制1臺步進(jìn)電機。P3．2～P3．5設(shè)置為行程保護(hù)開關(guān)，作二維步進(jìn)電機正反向最大行程保護(hù)。功率放大電路中采用74LS05將單片機P2口脈沖信號進(jìn)行放大，經(jīng)9014控制光電耦合器，隔離后，由功率管DK63驅(qū)動步進(jìn)電機的各相繞組，圖中L11，L12即為步進(jìn)電機的各相線圈。
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塊作為判斷光照強弱的信號輸出傳感器。
    太陽跟蹤傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為了保證太陽能板的受光面始終與太陽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跟蹤誤差校正用傳感器。
    如圖3所示為四象限跟蹤太陽傳感器原理圖。當(dāng)光軸對準(zhǔn)太陽時，光斑的中心在光軸上。四個象限接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號。當(dāng)光軸未對準(zhǔn)太陽時即太陽光與光軸成一角度θ時，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。單片機通過驅(qū)動設(shè)備可控制俯仰角電機和方位角電機轉(zhuǎn)動，直到Vx=Vy=O，即x=O，y=O，則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對準(zhǔn)太陽，根據(jù)以上原理即可對太陽能板位置誤差進(jìn)行校正。

    判斷光強信號傳感器由兩塊光電池組成，一塊接受太陽輻射，另外一塊受光面背光。如圖4所示，前一塊光電池的作用是：判斷太陽直射輻射的強度，在直射輻射較弱時不啟動跟蹤程序，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)長時間陰天或多云轉(zhuǎn)晴后太陽重新出現(xiàn)時，判斷太陽直射輻射的強度，來決定是否啟動跟蹤程序。
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，接線簡單，適用于各種儀器儀表和自動控制系統(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 時鐘芯片DSl302
    DSl302與AT89C51單片機接口采用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，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，I／O是雙向串行數(shù)據(jù)傳輸線。RST，SCLK都是單片機發(fā)出的控制信號，如圖6所示。

2 軟件設(shè)計
    本文介紹的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計方法。主程序初始化完畢之后，即進(jìn)入等待狀態(tài)，單片機控制運行交由中斷服務(wù)程序控制。所需完成的功能主要由子模塊實現(xiàn)。各部分獨立完成一定的功能，又有機的結(jié)合為一個整體，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。整個程序周期里，初始化程序只在主程序第一次執(zhí)行時執(zhí)行一次。初始化之后，進(jìn)行最初A／D轉(zhuǎn)換，實際上等于對A／D轉(zhuǎn)換濾波器置初始值。

2．1 定時器1溢出中斷服務(wù)程序
    定時器1溢出中斷服務(wù)程序包含多個模塊，先后在一個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。通過每次T1溢出，周期性的采樣、反饋比較、調(diào)整、輸出，從而實現(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步驟：計算當(dāng)前期望位置；計算補償通道輸出值；計算當(dāng)前實際位置；計算誤差和誤差通道輸出值；補償通道輸出值和誤差通道輸出值相加。
2．3 控制量輸出
    單片機輸出的控制量為脈沖輸出，脈沖量的輸出可以通過軟件定時器，規(guī)定脈沖輸出的問隔時間，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
    雖然硬件上對模擬輸入進(jìn)行了低通濾波，但是仍然會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：
    (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
    程序運行中會發(fā)生多種異常情況，有些可以通過檢查輸入數(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能板與太陽位置發(fā)生偏離。為了避免在多云情況下的盲目跟蹤，如果輻射強度沒有達(dá)到特定值，則對于誤差信號超出死區(qū)不作任何操作。太陽能板與太陽位置發(fā)生偏離的情況下，系統(tǒng)有能力自動的回復(fù)運行狀態(tài)。
    在每次定時器T1中斷時，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，輸出控制量的值由預(yù)期位置量和光電傳感器誤差信號共同計算產(chǎn)生。

3 結(jié)語
    系統(tǒng)采用特制的四象限硅光電池作為太陽跟蹤誤差校正用傳感器，并且采用AT89C51單片機作為智能單元，可以實現(xiàn)成本較低的全自動太陽跟蹤系統(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)計結(jié)果表明，本方法可以滿足太陽跟蹤控制的要求。