基于STC8F单片机的太阳能自动追踪控制系统设计

2020-12-25谭建斌班群郑亚冯泽君

微型电脑应用 2020年12期

谭建斌，班群，郑亚，冯泽君

(佛山职业技术学院电子信息学院，广东佛山 528137)

0 引言

为了缓解能源资源短缺问题，光伏发电技术逐渐发展，并成为主流技术，为国家和社会的发展提供更加先进的技术支持。目前的光伏发电主要应用在取暖和发电两方面，将太阳能作为主要能源，维持人类的生产生活需求。根据该技术，设计出了若干个太阳能自动追踪控制系统，其中文献[1]提出，根据光伏逆变器，设计太阳能自动追踪控制系统；文献[2]基于单片机，设计跟踪式的太阳能追光控制系统[1-2]。两个文献设计的系统，都能实现对太阳能的利用。但研究发现，这类系统在计算太阳位置时，存在一定程度的误差，影响追踪效果，因此在使用STC8F单片机的基础上，通过保证硬件的控制效果，设计一个计算误差更小的追踪控制系统，为太阳能位置的自动追踪提供更加可靠的控制效果。

1 基于STC8F单片机设计太阳能自动追踪控制系统硬件

在进行基于STC8F单片机设计太阳能自动追踪控制系统硬件之前，首先需要了解整个基于STC8F单片机的太阳能自动追踪控制系统设计，其整体框架，如图1所示。

图1 系统整体框架过程图

1.1 STC8F单片机连接电路

STC8F系列单片机具备8051超高速内核，指令代码完全兼容传统8051，支持系统的在线仿真。同时其FLASH字节为64 K，可擦写100 000次以上，支持太阳能自动追踪控制系统的ISP(编程)，其内部扩展 RAM帧为2 K字节。再则，STC8F系列单片机拥有多个定时器、多个串口以及多组GPIO，集成可编程的时钟、电压控制电路。单片机型号为STC8F2K32S228I-LQFP32，替换原有系统中的8051单片机，将该硬件与系统其它硬件重新连接，得到全新的控制电路[3]，如图2所示。

图2 控制硬件电路图

根据图2可知，J1为电源输入，滤波电容为C9，该单片机为追踪控制系统的核心，由于其内部的晶振精度及温漂不够理想，因此为减小串口波特率误差，用外部晶振Y1进行辅助。P5.4为控制指示灯，指示太阳能的追踪状态。J2为串口，用来下载和调试程序。SW1为拨码开关，用于设定通信地址，令电容C6、C7尽量靠近单片机的GND引脚。根据以上步骤，重新设计太阳能自动追踪控制系统硬件，加强STC8F单片机在追踪控制系统中的作用。

1.2 设计光电检测电路

光电检测电路是用来判断天气是晴天还是阴雨天，此次设计的太阳能自动追踪控制系统，将光敏二极管作为光电传感器，该硬件受光时导通，无光时截止，因此结合比较器组成的检测电路，向STC8F单片机发送信号，以此控制硬件追踪太阳光，单片机则根据P3.2和P3.3引脚的高低，识别天气状况。

已知D1光敏二极管与普通二极管结构相似，其敏感元件是一个PN结，具有光敏特性。当PN结处于反向工作状态，天气为阴天没有太阳光照时，反向电阻大，反向电流小，处于介质状态；当PN结有太阳能光照时，该结附近产生光电子，使少数载流子浓度增加，此时通过PN结的光电流也增加。已知外电路的光电流强度，随入射太阳光的照度而变化，因此光敏二极管D1将光信号转换为电信号输出。将D1负极接到电源正极，D1正极接到电源负极，检测电路利用D1对追踪电路进行控制。设计的光电检测电路[4],如图3所示。

图3 光电检测电路

根据图3所示，将光敏二极管正极与运算比较器的同相输入端连接，反相输入端则接入固定电压。晴天时，光敏二极管导通，输入端电压高于反相电压，此时比较器会输出一个高电平，当P3.0检测到高电平时，整个系统就实现了太阳能的光电自动追踪。当阴雨天时，光敏二极管截止，此时比较器同相输入端的电压，低于反相输入端电压，经过运算比较，输出一个低电平，此时系统就实现视日运动轨迹的自动追踪。

1.3 设计自动控制电路

追踪控制系统中，执行器控制电路约束，当光电检测电路检测到太阳能信号时，将信号传递给控制中心。将STC8F单片机与驱动器连接，形成集电极开路，这其中就包括了三极管，而三级管分发射区、基区以及集电区。设计的自动控制电路实际连接图,如图4所示。

图4 单片机自动控制电路

已知系统中的伺服驱动器具有位置控制、速度控制、转矩控制功能，因此选择其中的位置控制功能，并按照控制器输出形式设定参数，写入EEPROM、关闭电源，再行接通。令位置控制选择为0,0表示位置控制，1表示速度控制，2表示转矩控制。指令脉冲输入方式选择3，启动设备[5]。至此基于STC8F单片机的系统硬件设计完毕。

2 太阳能自动追踪控制系统统软件设计

系统硬件与软件相互连接、相辅相成，因此在硬件设计完毕的基础上，再设计系统对太阳能的自动追踪控制模式，提升软件与硬件的兼容效果。

2.1 计算太阳运行规律

设计系统对太阳能的自动追踪控制模式，需要以太阳运行规律为前提，因此根据地球和天球坐标系，计算太阳运行规律，以此加强计算结果的准确程度。地球公转过程中，每隔24小时会自转一圈，我们称地球公转轨道的几何平面，为黄道平面。根据学者研究显示，地球自转轴与黄道平面法线夹角近似值为23.45°。可见太阳对地球来说，是不断变化的，因此出现了昼夜更替、四季更迭[6]。假设真太阳时为T，太阳时角为d，则他们之间的关系，如式(1)。

(1)

式中,T的单位为小时，d的单位为弧度。而时差是真太阳时与平太阳时的差值，则他们的关系，如式(2)。

T=T1+ΔT=UT+ΔT=

(2)

式中,T1表示平太阳日；ΔT表示时差；UT表示格林尼治时间；CST表示北京时间；λ表示地区经度。根据时间与太阳时角的关系，估算时差，如式(3)。

(3)

式中,k表示日期；Xk表示自转；Yk表示公转；N表示太阳变化周期。其中Xk与Yk的取值[7]，如表1所示。

表1 Xk与Yk的取值

根据以上内容，直接计算太阳的高度角和方位角，太阳高度角和方位角的示意图,如图5所示。

图5 太阳在空中的高度角与方位角

图5中，α表示天顶角，β表示太阳高度角，γ表示太阳方位角。当太阳位于地平线时，β=0°，当太阳位于正上方时，β=90°，存在α=90°-β。太阳方位角γ，如式(4)。

(4)

式中,M1、M2以及M3表示考虑太阳位置的常数项[8]。此时α、β以及γ，可以根据赤纬角ω、纬度φ、太阳时角κ得到计算方程,如式(5)。

(5)

结合式(3)和式(5)，得到太阳光入射角与日照时间之前的关系公式,如式(6)。

(6)

式中，ζ表示太阳光入射角。通过上述分析，实现对太阳运行规律的计算。

2.2 设计太阳能自动追踪控制模式

自动追踪控制系统，要求在复杂多变环境中，可以快速、准确获取追踪目标。在太阳能自动追踪过程中，传感器没有接受到有效信号时，系统根据计算得到的太阳运行规律，设置自动追踪控制模式，自主追踪太阳能光辐射位置；当光敏二极管感知有效光照信号时，此时的单片机还未能接收，令系统打开粗追踪模式，对太阳位置进行初步定位；当单片机接受到光照信号后，以较高优先级抢断二极管的控制权，以STC8F单片机信号为系统动作的判断依据，进入精确追踪模式。带入计算所得的太阳运动规律参数，设计太阳能自动追踪控制模式流程图，如图6所示。

图6 设计太阳能自动追踪控制模式流程图

自动追踪模式的控制切换策略示意图[9]，如图7所示。

图7 自动追踪模式控制切换策略

图7中，b1表示光敏二极管传感器模块，进入粗追踪模式的阈值；b2表示单片机将粗追踪模式，切换为精追踪模式的阈值。设计的太阳能自动追踪控制模式，在系统刚刚启动时，对于太阳的位置是未知的，因此以设定的搜索模式寻找太阳能目标。当系统无法获取有效信息时，保持高度角，按照设定的速度旋转，若旋转过程中还是没有接收到有效信息，则一个搜索周期后，增加高度角继续搜索，直至单片机接收到有效信号，进入粗追踪模式[10]。此时系统根据光敏二极管的反馈，接收照面位置，但由于系统误差较大，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)表示当前系统偏差；f(z)表示得出的系统输出；f(z-1)为前一周期的系统输出；e(z-2)为前两周期的系统输出；z1表示系统比例放大系数；z2表示系统微分控制系数。通过上述过程，将系统初步锁定到目标附近，当单片机感知到有效信号后，系统迅速切换自动追踪控制模式，进入精追踪。精追踪模式采用模糊自适应PID控制方法，依据设定的模糊规则，对原始控制参数进行修正，同理公式(7)，如式(8)。

f(z)′=f(z)+z3e(z)

(8)

式中，z3表示控制器积分系数。通过该公式实时更新追踪数据，至此实现基于STC8F单片机的太阳能自动追踪控制系统设计。

3 测试与分析

太阳能自动追踪控制系统的硬件和软件设计完毕后，需要对系统的整体性能进行测试，检验系统硬件、软件与其他装置组合后，是否可以兼容工作，并测试其追踪能力。为了验证此次设计系统性能，将两种传统追踪控制系统作为对照组，通过系统测试结果的合理性，判断此次设计系统与传统系统的计算误差。

3.1 准备过程

搭建实验测试平台，选用可供系统运行的硬件装置，选用的系统装置实物图,如图8所示。

图8 系统装置实物图

此次实验利用三个追踪控制系统，对2018年4月12日的太阳能光照方位进行自动追踪，当天不同时段的太阳位置标准值参照，如表2所示。

以表2中的数据信息为标准，分别利用三种方法对太阳能进行自动追踪，根据测试结果，得出实验结论。

3.2 结果与分析(一)

以2018年4月12日上午8：00作为第一组追踪条件，利用追踪系统获取该时段的太阳方位，三组实验对太阳位置的计算结果,如图9所示。

表2 太阳位置标准值参照表

a 实验组计算结果

b 对照组A计算结果

c 对照组B计算结果

由图9可知，实验组计算太阳位置的高度角为16.074 2，方位角为60.088 3；对照组A计算太阳位置的高度角为16.896 4，方位角为61.248 2；对照组B计算太阳位置的高度角为16.720 5,方位角为61.298 8，它们与太阳位置标准值之间的误差分别：太阳位置高度角-0.555 8,0.766 4和0.596 4，太阳位置方位角-0.051 7,0.508 2和0.558 8，由此可见，实验组与标准值之间的误差最小，精确度最高，可以投入到实际应用中。如今技术还有待完善提升，以及种种原因，使得在测量不同时段太阳位置时会使得计算结果误差分布有所差异，统计后的太阳位置计算结果误差,如表3所示。

表3 太阳位置计算结果误差

根据统计结果可知，实验组得到的高度角与方位角，与参照表之间的误差最小，而两个对照组的计算误差相对较大，可见此次设计的系统优于两个传统的自动追踪控制系统。

3.3 结果与分析(二)

为保证实验测试结果的一致性，再将2018年4月12日下午14：00作为第二组追踪条件，分别利用三组系统进行位置追踪，其太阳位置计算结果，如图10所示。

a 实验组计算结果

b 对照组A计算结果

c 对照组B计算结果

根据图10可知，实验组计算太阳位置的高度角为29.594 1，方位角为-38.680 5；对照组A计算太阳位置的高度角为29.120 2，方位角为-38.242 5；对照组B计算太阳位置的高度角为30.017 4，方位角为-38.992 3；它们与太阳位置标准值之间的误差分别：太阳位置高度角-0.035 9，-0.509 8和0.387 4，太阳位置方位角-0.009 5，-0.447 5,0.302 3，其中实验组的数据同样最贴近表2中的参考值，统计三组实验数据，计算三组实验对太阳位置的计算误差，如表4所示。