楊家榮

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院，上海200070）

當(dāng)前，人類面臨的能源危機(jī)問題越來越突出，使得人們將目光逐漸轉(zhuǎn)向了各種新型的清潔能源，而太陽能作為已知的最原始的能源，具有干凈、可再生、豐富而且分布范圍非常廣等特點(diǎn)。近年來，太陽能的應(yīng)用范圍日益廣泛，諸如太陽能熱水器、太陽能發(fā)電、海水淡化、太陽能制氫等，都希望高效接收和利用太陽能。目前，太陽能發(fā)電主要分為兩種：① 光伏發(fā)電；②光熱發(fā)電（見圖1）。無論哪種形式的太陽能熱利用，都希望能有效提高太陽能的效率；因此，實(shí)施太陽光跟蹤是很有必要的?，F(xiàn)有的幾種太陽能利用方式中，一般都需要配置一套具有雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的跟蹤裝置來跟蹤太陽。香港大學(xué)教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關(guān)系，理論分析表明：對太陽光線運(yùn)動(dòng)的跟蹤與非跟蹤，太陽能設(shè)備能量的接收率相差37.7%，精確地跟蹤太陽可使太陽能設(shè)備的能量利用率大大提高［1］。

圖1 太陽能發(fā)電

本文通過利用國內(nèi)市場通用型STC 89C52單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的雙軸太陽能跟蹤控制器，通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對太陽的精確跟蹤，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，可大幅度降低跟蹤系統(tǒng)的成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)模塊組成及架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)主要由核心單片機(jī)控制模塊、液晶顯示模塊、時(shí)鐘模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電反饋模塊、通訊模塊以及系統(tǒng)的外圍電路等組成，如圖2所示。其中單片機(jī)控制模塊主要用于太陽高度角及方位角的計(jì)算，并轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制信號；液晶顯示模塊主要是作為一個(gè)當(dāng)前位置的顯示、時(shí)間顯示等；時(shí)鐘模塊主要用于產(chǎn)生計(jì)算太陽當(dāng)前位置所需的時(shí)間數(shù)據(jù)，向系統(tǒng)提供精確的時(shí)鐘；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用來接受單片機(jī)的輸出脈沖，經(jīng)光電隔離后放大循環(huán)輸出，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；光電反饋模塊通過光敏電阻來檢測環(huán)境光線強(qiáng)弱程度，接受來自不同角度的入射光，并經(jīng)過AD采樣后發(fā)送給單片機(jī)，當(dāng)對應(yīng)的兩個(gè)光敏電阻接受到的光強(qiáng)差值大于一定范圍時(shí)，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使采光面板在豎直方向上始終正對著太陽光；通訊模塊主要完成單片機(jī)與外部的信息交互以及數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

2 太陽能跟蹤控制器設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

STC 89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB的系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC 89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

STC89C52單片機(jī)的18、19引腳XTAL1和XTAL2是單片機(jī)的外接時(shí)鐘引腳端，XTAL1為片內(nèi)震蕩電路的輸入端，XTAL2為片內(nèi)震蕩電路的輸出端。一般來說，可采取外接晶體諧振器（12MHz）以及2個(gè)電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，電容取值一般為10～30pF。在焊接刷電路板時(shí)，晶振和電容應(yīng)盡可能與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容的影響，更好地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，如圖3所示。

（1）復(fù)位電路。STC 89C52單片機(jī)和AVR單片機(jī)的復(fù)位電平不同，前者為高電平復(fù)位，后者為低電平復(fù)位。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。在晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。設(shè)計(jì)復(fù)位電路如圖4所示，電阻R1和電容C3組成簡單的上電自動(dòng)復(fù)位電路，按鈕手動(dòng)復(fù)位則通過手動(dòng)按下S1（SW－PB）按鈕來實(shí)現(xiàn)。

圖3 單片機(jī)時(shí)鐘振蕩電路

圖4 復(fù)位電路

（2）光電檢測電路。光電檢測模塊主要是利用光敏電阻接收光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，一般需要4個(gè)，采用十字方式排列，分別放置在東、南、西、北平面的4個(gè)方位；若光敏電阻的阻值相等，說明此時(shí)太陽光線與平面相垂直，電動(dòng)機(jī)無需運(yùn)動(dòng)。隨著太陽的移動(dòng)，必然會(huì)有一個(gè)方向的光敏電阻接受的光照強(qiáng)，與之對應(yīng)方向的光敏電阻接受的光照弱，相應(yīng)的阻值就存在差異。此時(shí)，控制電路將光敏電阻的阻值變動(dòng)轉(zhuǎn)換為控制信號，經(jīng)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，直至對應(yīng)方向的2個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度再次相等，系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的光電檢測電路如圖5（a）所示。其中檢測模擬量信號由AD采樣芯片ADC 0809采集后將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，如圖5（b）所示。ADC 0809是一個(gè)逐次逼近型的A／D轉(zhuǎn)換器，由外部供給基準(zhǔn)電壓，有8個(gè)模擬量的輸入端，帶有三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，可由單片機(jī)控制打開三態(tài)門，讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖5 光電檢測電路

（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可以通過控制單片機(jī)發(fā)送出來的脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到精確定位。通俗地說，就是給電動(dòng)機(jī)加一個(gè)脈沖信號，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度，即步距角。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)?？刂粕?，主要是需要實(shí)現(xiàn)電平的匹配；因此，需要設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)電路，如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

（4）時(shí)鐘電路。由于系統(tǒng)的軟件開發(fā)中涉及太陽軌跡的計(jì)算，而這需要通過精確的時(shí)間來計(jì)算該時(shí)刻太陽所處的理論位置，因此需要使用時(shí)鐘電路。雖然單片機(jī)內(nèi)部也可以采用定時(shí)／計(jì)數(shù)器的方式來進(jìn)行時(shí)間的推算，但這種方式需要占用大量的系統(tǒng)時(shí)間和資源，且時(shí)間不夠精確，長時(shí)間運(yùn)行存在累積誤差。目前，通用的做法是采用時(shí)鐘芯片，因此，本文采用了美國DALLAS公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路芯片DS 1302。它可以對年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號或RAM數(shù)據(jù)［2］。該芯片采用雙電源（VCC1和VCC2）供電，由VCC1和VCC2兩者中較大者供電，當(dāng)VCC2＞VCC1＋0.2 V時(shí)，VCC2給DS 1302供電。當(dāng)VCC2＜VCC1時(shí)，VCC1給DS 1302供電，使系統(tǒng)在沒有主電源的情況下也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路如圖7所示。

圖7 時(shí)鐘電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

目前，跟蹤太陽的方法可概括為2種［3］：視日運(yùn)動(dòng)軌跡法和光電跟蹤法。光電跟蹤的靈敏度較高，結(jié)構(gòu)簡單，但容易受光強(qiáng)和天氣的影響，如天空中的云層飄過會(huì)讓系統(tǒng)產(chǎn)生誤判；而視日運(yùn)動(dòng)軌跡法是按照天文學(xué)法推算出的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行，屬開環(huán)控制，這種方法的程序計(jì)算較復(fù)雜，且沒有考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤差情況，無法消除累計(jì)誤差。因此，設(shè)計(jì)的跟蹤控制器結(jié)合了以上兩種方法，先由視日運(yùn)動(dòng)軌跡法進(jìn)行粗跟蹤，再利用光電跟蹤法進(jìn)行精確定位。

系統(tǒng)在上電運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化。然后，系統(tǒng)先判斷是否在工作時(shí)間段內(nèi)，如每天的18∶00以后，已經(jīng)日落，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；而如果系統(tǒng)時(shí)間在6∶00～18∶00，則系統(tǒng)先進(jìn)行回零，確認(rèn)一個(gè)參考點(diǎn)之后，進(jìn)行視日運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算，并運(yùn)轉(zhuǎn)到計(jì)算結(jié)果位置處。最后，根據(jù)光電傳感器反饋的信號進(jìn)行微調(diào)，如果光電傳感器反饋的偏差值過大，則認(rèn)為此時(shí)可能有烏云遮擋等情況發(fā)生，可切換到視日運(yùn)動(dòng)軌跡狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，待給出下一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號之前，重復(fù)上述判斷。系統(tǒng)的流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行流程

雖然太陽的位置時(shí)刻都在變化，但其運(yùn)行具有嚴(yán)格的規(guī)律性，視日運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算主要是根據(jù)天體的運(yùn)行規(guī)律計(jì)算出太陽運(yùn)行規(guī)律，其流程如圖9所示，主要涉及太陽的高度角和方位角，并根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)算出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角。通過分別建立太陽的運(yùn)行軌跡的時(shí)角坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，以及跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的坐標(biāo)系，對這些坐標(biāo)系的變換來建立太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程［4］。在地平坐標(biāo)系中，太陽的位置可用如下方程描述：

式中，α為太陽的高度角；γ為太陽的方位角，通常以正南方向?yàn)?°，向西為正，向東為負(fù)；δ為太陽赤緯角；ω為太陽時(shí)角；φ為安裝地點(diǎn)的維度角。根據(jù)Cooper方程，每天的太陽赤緯角為

圖9 視日運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算流程

式中，n為日期在年內(nèi)的序號，稱作積日。

除此以外，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)還包括時(shí)鐘模塊、數(shù)碼管顯示模塊、光電傳感器數(shù)據(jù)采集模塊等，共同構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

2.3 視日運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為校驗(yàn)視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法的正確性，利用Proteus進(jìn)行了仿真。Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺，支持當(dāng)前流行的單片機(jī)開發(fā)環(huán)境，該軟件功能強(qiáng)大，性能非常卓越，非常適合單片機(jī)系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)。圖10為視日運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真系統(tǒng)圖，系統(tǒng)主要由單片機(jī)（U1）、DS1302時(shí)鐘電路（U2）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片（U3、U4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及相應(yīng)的外圍電路組成，C1～C4為電容，X1為單片機(jī)時(shí)鐘所需的晶振，X2為DS1302運(yùn)行所需的晶振，RP1為排阻。由單片機(jī)根據(jù)與DS1302通訊取得的時(shí)鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出某時(shí)刻的太陽高度角和方位角，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，Proteus仿真系統(tǒng)中，可方便地顯示出當(dāng)前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角，如某日某時(shí)刻，經(jīng)過仿真運(yùn)行的太陽高度角和方位角如圖11所示。從結(jié)果看，仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)算結(jié)果一致，證明所設(shè)計(jì)的視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法是正確的。

圖10 系統(tǒng)仿真圖

圖11 太陽高度角與方位角仿真結(jié)果

本文開發(fā)的基于STC89C52單片機(jī)的雙軸太陽跟蹤控制器實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示。

圖12 控制器實(shí)驗(yàn)裝置硬件

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的雙軸太陽能跟蹤控制器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，可順利實(shí)現(xiàn)雙軸太陽跟蹤。該控制器可根據(jù)太陽高度角及方位角不斷變化的特點(diǎn)，以視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤為主，結(jié)合光電跟蹤作為校正，驅(qū)動(dòng)作為高度角和方位角兩個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，跟蹤更為精確。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，有效地提高了太陽能的利用率，可直接用于太陽能光伏裝置的跟蹤，對軟件稍作修改后，也可用于其他如太陽能碟式裝置追日跟蹤，具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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