基于STC8F單片機(jī)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚建斌， 班群， 鄭亞， 馮澤君

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院， 廣東 佛山 528137)

0 引言

為了緩解能源資源短缺問(wèn)題，光伏發(fā)電技術(shù)逐漸發(fā)展，并成為主流技術(shù)，為國(guó)家和社會(huì)的發(fā)展提供更加先進(jìn)的技術(shù)支持。目前的光伏發(fā)電主要應(yīng)用在取暖和發(fā)電兩方面，將太陽(yáng)能作為主要能源，維持人類的生產(chǎn)生活需求。根據(jù)該技術(shù)，設(shè)計(jì)出了若干個(gè)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)，其中文獻(xiàn)[1]提出，根據(jù)光伏逆變器，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[2]基于單片機(jī)，設(shè)計(jì)跟蹤式的太陽(yáng)能追光控制系統(tǒng)[1-2]。兩個(gè)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，都能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的利用。但研究發(fā)現(xiàn)，這類系統(tǒng)在計(jì)算太陽(yáng)位置時(shí)，存在一定程度的誤差，影響追蹤效果，因此在使用STC8F單片機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)保證硬件的控制效果，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算誤差更小的追蹤控制系統(tǒng)，為太陽(yáng)能位置的自動(dòng)追蹤提供更加可靠的控制效果。

1 基于STC8F單片機(jī)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)硬件

在進(jìn)行基于STC8F單片機(jī)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)硬件之前，首先需要了解整個(gè)基于STC8F單片機(jī)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其整體框架，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架過(guò)程圖

1.1 STC8F單片機(jī)連接電路

STC8F系列單片機(jī)具備8051超高速內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，支持系統(tǒng)的在線仿真。同時(shí)其FLASH字節(jié)為64 K，可擦寫100 000次以上，支持太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)的ISP(編程)，其內(nèi)部擴(kuò)展 RAM幀為2 K字節(jié)。再則，STC8F系列單片機(jī)擁有多個(gè)定時(shí)器、多個(gè)串口以及多組GPIO，集成可編程的時(shí)鐘、電壓控制電路。單片機(jī)型號(hào)為STC8F2K32S228I-LQFP32，替換原有系統(tǒng)中的8051單片機(jī)，將該硬件與系統(tǒng)其它硬件重新連接，得到全新的控制電路[3]，如圖2所示。

圖2 控制硬件電路圖

根據(jù)圖2可知，J1為電源輸入，濾波電容為C9，該單片機(jī)為追蹤控制系統(tǒng)的核心，由于其內(nèi)部的晶振精度及溫漂不夠理想，因此為減小串口波特率誤差，用外部晶振Y1進(jìn)行輔助。P5.4為控制指示燈，指示太陽(yáng)能的追蹤狀態(tài)。J2為串口，用來(lái)下載和調(diào)試程序。SW1為撥碼開(kāi)關(guān)，用于設(shè)定通信地址，令電容C6、C7盡量靠近單片機(jī)的GND引腳。根據(jù)以上步驟，重新設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)硬件，加強(qiáng)STC8F單片機(jī)在追蹤控制系統(tǒng)中的作用。

1.2 設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路

光電檢測(cè)電路是用來(lái)判斷天氣是晴天還是陰雨天，此次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)，將光敏二極管作為光電傳感器，該硬件受光時(shí)導(dǎo)通，無(wú)光時(shí)截止，因此結(jié)合比較器組成的檢測(cè)電路，向STC8F單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，以此控制硬件追蹤太陽(yáng)光，單片機(jī)則根據(jù)P3.2和P3.3引腳的高低，識(shí)別天氣狀況。

已知D1光敏二極管與普通二極管結(jié)構(gòu)相似，其敏感元件是一個(gè)PN結(jié)，具有光敏特性。當(dāng)PN結(jié)處于反向工作狀態(tài)，天氣為陰天沒(méi)有太陽(yáng)光照時(shí)，反向電阻大，反向電流小，處于介質(zhì)狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)有太陽(yáng)能光照時(shí)，該結(jié)附近產(chǎn)生光電子，使少數(shù)載流子濃度增加，此時(shí)通過(guò)PN結(jié)的光電流也增加。已知外電路的光電流強(qiáng)度，隨入射太陽(yáng)光的照度而變化，因此光敏二極管D1將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。將D1負(fù)極接到電源正極，D1正極接到電源負(fù)極，檢測(cè)電路利用D1對(duì)追蹤電路進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)的光電檢測(cè)電路[4],如圖3所示。

圖3 光電檢測(cè)電路

根據(jù)圖3所示，將光敏二極管正極與運(yùn)算比較器的同相輸入端連接，反相輸入端則接入固定電壓。晴天時(shí)，光敏二極管導(dǎo)通，輸入端電壓高于反相電壓，此時(shí)比較器會(huì)輸出一個(gè)高電平，當(dāng)P3.0檢測(cè)到高電平時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的光電自動(dòng)追蹤。當(dāng)陰雨天時(shí)，光敏二極管截止，此時(shí)比較器同相輸入端的電壓，低于反相輸入端電壓，經(jīng)過(guò)運(yùn)算比較，輸出一個(gè)低電平，此時(shí)系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)視日運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)追蹤。

1.3 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制電路

追蹤控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器控制電路約束，當(dāng)光電檢測(cè)電路檢測(cè)到太陽(yáng)能信號(hào)時(shí)，將信號(hào)傳遞給控制中心。將STC8F單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接，形成集電極開(kāi)路，這其中就包括了三極管，而三級(jí)管分發(fā)射區(qū)、基區(qū)以及集電區(qū)。設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制電路實(shí)際連接圖,如圖4所示。

圖4 單片機(jī)自動(dòng)控制電路

已知系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)器具有位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制功能，因此選擇其中的位置控制功能，并按照控制器輸出形式設(shè)定參數(shù)，寫入EEPROM、關(guān)閉電源，再行接通。令位置控制選擇為0,0表示位置控制，1表示速度控制，2表示轉(zhuǎn)矩控制。指令脈沖輸入方式選擇3，啟動(dòng)設(shè)備[5]。至此基于STC8F單片機(jī)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完畢。

2 太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件與軟件相互連接、相輔相成，因此在硬件設(shè)計(jì)完畢的基礎(chǔ)上，再設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的自動(dòng)追蹤控制模式，提升軟件與硬件的兼容效果。

2.1 計(jì)算太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律

設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的自動(dòng)追蹤控制模式，需要以太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律為前提，因此根據(jù)地球和天球坐標(biāo)系，計(jì)算太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，以此加強(qiáng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度。地球公轉(zhuǎn)過(guò)程中，每隔24小時(shí)會(huì)自轉(zhuǎn)一圈，我們稱地球公轉(zhuǎn)軌道的幾何平面，為黃道平面。根據(jù)學(xué)者研究顯示，地球自轉(zhuǎn)軸與黃道平面法線夾角近似值為23.45°?？梢?jiàn)太陽(yáng)對(duì)地球來(lái)說(shuō)，是不斷變化的，因此出現(xiàn)了晝夜更替、四季更迭[6]。假設(shè)真太陽(yáng)時(shí)為T，太陽(yáng)時(shí)角為d，則他們之間的關(guān)系，如式(1)。

(1)

式中,T的單位為小時(shí)，d的單位為弧度。而時(shí)差是真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的差值，則他們的關(guān)系，如式(2)。

T=T1+ΔT=UT+ΔT=

(2)

式中,T1表示平太陽(yáng)日；ΔT表示時(shí)差；UT表示格林尼治時(shí)間；CST表示北京時(shí)間；λ表示地區(qū)經(jīng)度。根據(jù)時(shí)間與太陽(yáng)時(shí)角的關(guān)系，估算時(shí)差，如式(3)。

(3)

式中,k表示日期；Xk表示自轉(zhuǎn)；Yk表示公轉(zhuǎn)；N表示太陽(yáng)變化周期。其中Xk與Yk的取值[7]，如表1所示。

表1 Xk與Yk的取值

根據(jù)以上內(nèi)容，直接計(jì)算太陽(yáng)的高度角和方位角，太陽(yáng)高度角和方位角的示意圖,如圖5所示。

圖5 太陽(yáng)在空中的高度角與方位角

圖5中，α表示天頂角，β表示太陽(yáng)高度角，γ表示太陽(yáng)方位角。當(dāng)太陽(yáng)位于地平線時(shí)，β=0°，當(dāng)太陽(yáng)位于正上方時(shí)，β=90°，存在α=90°-β。太陽(yáng)方位角γ，如式(4)。

(4)

式中,M1、M2以及M3表示考慮太陽(yáng)位置的常數(shù)項(xiàng)[8]。此時(shí)α、β以及γ，可以根據(jù)赤緯角ω、緯度φ、太陽(yáng)時(shí)角κ得到計(jì)算方程,如式(5)。

(5)

結(jié)合式(3)和式(5)，得到太陽(yáng)光入射角與日照時(shí)間之前的關(guān)系公式,如式(6)。

(6)

式中，ζ表示太陽(yáng)光入射角。通過(guò)上述分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律的計(jì)算。

2.2 設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制模式

自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)，要求在復(fù)雜多變環(huán)境中，可以快速、準(zhǔn)確獲取追蹤目標(biāo)。在太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤過(guò)程中，傳感器沒(méi)有接受到有效信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得到的太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，設(shè)置自動(dòng)追蹤控制模式，自主追蹤太陽(yáng)能光輻射位置；當(dāng)光敏二極管感知有效光照信號(hào)時(shí)，此時(shí)的單片機(jī)還未能接收，令系統(tǒng)打開(kāi)粗追蹤模式，對(duì)太陽(yáng)位置進(jìn)行初步定位；當(dāng)單片機(jī)接受到光照信號(hào)后，以較高優(yōu)先級(jí)搶斷二極管的控制權(quán)，以STC8F單片機(jī)信號(hào)為系統(tǒng)動(dòng)作的判斷依據(jù)，進(jìn)入精確追蹤模式。帶入計(jì)算所得的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律參數(shù)，設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制模式流程圖，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制模式流程圖

自動(dòng)追蹤模式的控制切換策略示意圖[9]，如圖7所示。

圖7 自動(dòng)追蹤模式控制切換策略

圖7中，b1表示光敏二極管傳感器模塊，進(jìn)入粗追蹤模式的閾值；b2表示單片機(jī)將粗追蹤模式，切換為精追蹤模式的閾值。設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制模式，在系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)時(shí)，對(duì)于太陽(yáng)的位置是未知的，因此以設(shè)定的搜索模式尋找太陽(yáng)能目標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法獲取有效信息時(shí)，保持高度角，按照設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)，若旋轉(zhuǎn)過(guò)程中還是沒(méi)有接收到有效信息，則一個(gè)搜索周期后，增加高度角繼續(xù)搜索，直至單片機(jī)接收到有效信號(hào)，進(jìn)入粗追蹤模式[10]。此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)光敏二極管的反饋，接收照面位置，但由于系統(tǒng)誤差較大，采用增量式PID的形式，如式(7)。

f(z)=f(z-1)+z1(e(z)-e(z-1))+

z2(e(z)-2e(z-1)e(z)+e(z-2))

(7)

式中,e(z)表示當(dāng)前系統(tǒng)偏差；f(z)表示得出的系統(tǒng)輸出；f(z-1)為前一周期的系統(tǒng)輸出；e(z-2)為前兩周期的系統(tǒng)輸出；z1表示系統(tǒng)比例放大系數(shù)；z2表示系統(tǒng)微分控制系數(shù)。通過(guò)上述過(guò)程，將系統(tǒng)初步鎖定到目標(biāo)附近，當(dāng)單片機(jī)感知到有效信號(hào)后，系統(tǒng)迅速切換自動(dòng)追蹤控制模式，進(jìn)入精追蹤。精追蹤模式采用模糊自適應(yīng)PID控制方法，依據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則，對(duì)原始控制參數(shù)進(jìn)行修正，同理公式(7)，如式(8)。

f(z)′=f(z)+z3e(z)

(8)

式中，z3表示控制器積分系數(shù)。通過(guò)該公式實(shí)時(shí)更新追蹤數(shù)據(jù)，至此實(shí)現(xiàn)基于STC8F單片機(jī)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試與分析

太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)完畢后，需要對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)系統(tǒng)硬件、軟件與其他裝置組合后，是否可以兼容工作，并測(cè)試其追蹤能力。為了驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能，將兩種傳統(tǒng)追蹤控制系統(tǒng)作為對(duì)照組，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的合理性，判斷此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的計(jì)算誤差。

3.1 準(zhǔn)備過(guò)程

搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，選用可供系統(tǒng)運(yùn)行的硬件裝置，選用的系統(tǒng)裝置實(shí)物圖,如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)裝置實(shí)物圖

此次實(shí)驗(yàn)利用三個(gè)追蹤控制系統(tǒng)，對(duì)2018年4月12日的太陽(yáng)能光照方位進(jìn)行自動(dòng)追蹤，當(dāng)天不同時(shí)段的太陽(yáng)位置標(biāo)準(zhǔn)值參照，如表2所示。

以表2中的數(shù)據(jù)信息為標(biāo)準(zhǔn)，分別利用三種方法對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行自動(dòng)追蹤，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.2 結(jié)果與分析(一)

以2018年4月12日上午8：00作為第一組追蹤條件，利用追蹤系統(tǒng)獲取該時(shí)段的太陽(yáng)方位，三組實(shí)驗(yàn)對(duì)太陽(yáng)位置的計(jì)算結(jié)果,如圖9所示。

表2 太陽(yáng)位置標(biāo)準(zhǔn)值參照表

a 實(shí)驗(yàn)組計(jì)算結(jié)果

b 對(duì)照組A計(jì)算結(jié)果

c 對(duì)照組B計(jì)算結(jié)果

由圖9可知，實(shí)驗(yàn)組計(jì)算太陽(yáng)位置的高度角為16.074 2，方位角為60.088 3；對(duì)照組A計(jì)算太陽(yáng)位置的高度角為16.896 4，方位角為61.248 2；對(duì)照組B計(jì)算太陽(yáng)位置的高度角為16.720 5,方位角為61.298 8，它們與太陽(yáng)位置標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差分別：太陽(yáng)位置高度角-0.555 8,0.766 4和0.596 4，太陽(yáng)位置方位角-0.051 7,0.508 2和0.558 8，由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)組與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差最小，精確度最高，可以投入到實(shí)際應(yīng)用中。如今技術(shù)還有待完善提升，以及種種原因，使得在測(cè)量不同時(shí)段太陽(yáng)位置時(shí)會(huì)使得計(jì)算結(jié)果誤差分布有所差異，統(tǒng)計(jì)后的太陽(yáng)位置計(jì)算結(jié)果誤差,如表3所示。

表3 太陽(yáng)位置計(jì)算結(jié)果誤差

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組得到的高度角與方位角，與參照表之間的誤差最小，而兩個(gè)對(duì)照組的計(jì)算誤差相對(duì)較大，可見(jiàn)此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)優(yōu)于兩個(gè)傳統(tǒng)的自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)。

3.3 結(jié)果與分析(二)

為保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的一致性，再將2018年4月12日下午14：00作為第二組追蹤條件，分別利用三組系統(tǒng)進(jìn)行位置追蹤，其太陽(yáng)位置計(jì)算結(jié)果，如圖10所示。

a 實(shí)驗(yàn)組計(jì)算結(jié)果

b 對(duì)照組A計(jì)算結(jié)果

c 對(duì)照組B計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖10可知，實(shí)驗(yàn)組計(jì)算太陽(yáng)位置的高度角為29.594 1，方位角為-38.680 5；對(duì)照組A計(jì)算太陽(yáng)位置的高度角為29.120 2，方位角為-38.242 5；對(duì)照組B計(jì)算太陽(yáng)位置的高度角為30.017 4，方位角為-38.992 3；它們與太陽(yáng)位置標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差分別：太陽(yáng)位置高度角-0.035 9，-0.509 8和0.387 4，太陽(yáng)位置方位角-0.009 5，-0.447 5,0.302 3，其中實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)同樣最貼近表2中的參考值，統(tǒng)計(jì)三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算三組實(shí)驗(yàn)對(duì)太陽(yáng)位置的計(jì)算誤差，如表4所示。

表4 太陽(yáng)位置計(jì)算結(jié)果誤差

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組的高度角與方位角，同樣與參照表之間的誤差最小，而對(duì)照組數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可知，其誤差較大，且遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)誤差。綜合兩組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組中的自動(dòng)追蹤控制系統(tǒng)，得到的數(shù)據(jù)誤差最小，最接近實(shí)際值。

4 總結(jié)

此次設(shè)計(jì)的追蹤控制系統(tǒng)，在保留原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，替換傳統(tǒng)單片機(jī)，加強(qiáng)總體控制功能，通過(guò)更加詳細(xì)的計(jì)算太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)智能化切換的追蹤模式。但此次實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有加入晴天、陰天因素，今后的實(shí)驗(yàn)分析中，可以從這個(gè)角度分析系統(tǒng)性能。