基于STC8F單片機的太陽能自動追蹤控制系統設計

譚建斌， 班群， 鄭亞， 馮澤君

(佛山職業技術學院 電子信息學院， 廣東 佛山 528137)

0 引言

為了緩解能源資源短缺問題，光伏發電技術逐漸發展，并成為主流技術，為國家和社會的發展提供更加先進的技術支持。目前的光伏發電主要應用在取暖和發電兩方面，將太陽能作為主要能源，維持人類的生產生活需求。根據該技術，設計出了若干個太陽能自動追蹤控制系統，其中文獻[1]提出，根據光伏逆變器，設計太陽能自動追蹤控制系統；文獻[2]基于單片機，設計跟蹤式的太陽能追光控制系統[1-2]。兩個文獻設計的系統，都能實現對太陽能的利用。但研究發現，這類系統在計算太陽位置時，存在一定程度的誤差，影響追蹤效果，因此在使用STC8F單片機的基礎上，通過保證硬件的控制效果，設計一個計算誤差更小的追蹤控制系統，為太陽能位置的自動追蹤提供更加可靠的控制效果。

1 基于STC8F單片機設計太陽能自動追蹤控制系統硬件

在進行基于STC8F單片機設計太陽能自動追蹤控制系統硬件之前，首先需要了解整個基于STC8F單片機的太陽能自動追蹤控制系統設計，其整體框架，如圖1所示。

圖1 系統整體框架過程圖

1.1 STC8F單片機連接電路

STC8F系列單片機具備8051超高速內核，指令代碼完全兼容傳統8051，支持系統的在線仿真。同時其FLASH字節為64 K，可擦寫100 000次以上，支持太陽能自動追蹤控制系統的ISP(編程)，其內部擴展 RAM幀為2 K字節。再則，STC8F系列單片機擁有多個定時器、多個串口以及多組GPIO，集成可編程的時鐘、電壓控制電路。單片機型號為STC8F2K32S228I-LQFP32，替換原有系統中的8051單片機，將該硬件與系統其它硬件重新連接，得到全新的控制電路[3]，如圖2所示。

圖2 控制硬件電路圖

根據圖2可知，J1為電源輸入，濾波電容為C9，該單片機為追蹤控制系統的核心，由于其內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進行輔助。P5.4為控制指示燈，指示太陽能的追蹤狀態。J2為串口，用來下載和調試程序。SW1為撥碼開關，用于設定通信地址，令電容C6、C7盡量靠近單片機的GND引腳。根據以上步驟，重新設計太陽能自動追蹤控制系統硬件，加強STC8F單片機在追蹤控制系統中的作用。

1.2 設計光電檢測電路

光電檢測電路是用來判斷天氣是晴天還是陰雨天，此次設計的太陽能自動追蹤控制系統，將光敏二極管作為光電傳感器，該硬件受光時導通，無光時截止，因此結合比較器組成的檢測電路，向STC8F單片機發送信號，以此控制硬件追蹤太陽光，單片機則根據P3.2和P3.3引腳的高低，識別天氣狀況。

已知D1光敏二極管與普通二極管結構相似，其敏感元件是一個PN結，具有光敏特性。當PN結處于反向工作狀態，天氣為陰天沒有太陽光照時，反向電阻大，反向電流小，處于介質狀態；當PN結有太陽能光照時，該結附近產生光電子，使少數載流子濃度增加，此時通過PN結的光電流也增加。已知外電路的光電流強度，隨入射太陽光的照度而變化，因此光敏二極管D1將光信號轉換為電信號輸出。將D1負極接到電源正極，D1正極接到電源負極，檢測電路利用D1對追蹤電路進行控制。設計的光電檢測電路[4],如圖3所示。

圖3 光電檢測電路

根據圖3所示，將光敏二極管正極與運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，光敏二極管導通，輸入端電壓高于反相電壓，此時比較器會輸出一個高電平，當P3.0檢測到高電平時，整個系統就實現了太陽能的光電自動追蹤。當陰雨天時，光敏二極管截止，此時比較器同相輸入端的電壓，低于反相輸入端電壓，經過運算比較，輸出一個低電平，此時系統就實現視日運動軌跡的自動追蹤。

1.3 設計自動控制電路

追蹤控制系統中，執行器控制電路約束，當光電檢測電路檢測到太陽能信號時，將信號傳遞給控制中心。將STC8F單片機與驅動器連接，形成集電極開路，這其中就包括了三極管，而三級管分發射區、基區以及集電區。設計的自動控制電路實際連接圖,如圖4所示。

圖4 單片機自動控制電路

已知系統中的伺服驅動器具有位置控制、速度控制、轉矩控制功能，因此選擇其中的位置控制功能，并按照控制器輸出形式設定參數，寫入EEPROM、關閉電源，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表示轉矩控制。指令脈沖輸入方式選擇3，啟動設備[5]。至此基于STC8F單片機的系統硬件設計完畢。

2 太陽能自動追蹤控制系統統軟件設計

系統硬件與軟件相互連接、相輔相成，因此在硬件設計完畢的基礎上，再設計系統對太陽能的自動追蹤控制模式，提升軟件與硬件的兼容效果。

2.1 計算太陽運行規律

設計系統對太陽能的自動追蹤控制模式，需要以太陽運行規律為前提，因此根據地球和天球坐標系，計算太陽運行規律，以此加強計算結果的準確程度。地球公轉過程中，每隔24小時會自轉一圈，我們稱地球公轉軌道的幾何平面，為黃道平面。根據學者研究顯示，地球自轉軸與黃道平面法線夾角近似值為23.45°。可見太陽對地球來說，是不斷變化的，因此出現了晝夜更替、四季更迭[6]。假設真太陽時為T，太陽時角為d，則他們之間的關系，如式(1)。

(1)

式中,T的單位為小時，d的單位為弧度。而時差是真太陽時與平太陽時的差值，則他們的關系，如式(2)。

T=T1+ΔT=UT+ΔT=

(2)

式中,T1表示平太陽日；ΔT表示時差；UT表示格林尼治時間；CST表示北京時間；λ表示地區經度。根據時間與太陽時角的關系，估算時差，如式(3)。

(3)

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

表1 Xk與Yk的取值

根據以上內容，直接計算太陽的高度角和方位角，太陽高度角和方位角的示意圖,如圖5所示。

圖5 太陽在空中的高度角與方位角

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

(4)

式中,M1、M2以及M3表示考慮太陽位置的常數項[8]。此時α、β以及γ，可以根據赤緯角ω、緯度φ、太陽時角κ得到計算方程,如式(5)。

(5)

結合式(3)和式(5)，得到太陽光入射角與日照時間之前的關系公式,如式(6)。

(6)

式中，ζ表示太陽光入射角。通過上述分析，實現對太陽運行規律的計算。

2.2 設計太陽能自動追蹤控制模式

自動追蹤控制系統，要求在復雜多變環境中，可以快速、準確獲取追蹤目標。在太陽能自動追蹤過程中，傳感器沒有接受到有效信號時，系統根據計算得到的太陽運行規律，設置自動追蹤控制模式，自主追蹤太陽能光輻射位置；當光敏二極管感知有效光照信號時，此時的單片機還未能接收，令系統打開粗追蹤模式，對太陽位置進行初步定位；當單片機接受到光照信號后，以較高優先級搶斷二極管的控制權，以STC8F單片機信號為系統動作的判斷依據，進入精確追蹤模式。帶入計算所得的太陽運動規律參數，設計太陽能自動追蹤控制模式流程圖，如圖6所示。

圖6 設計太陽能自動追蹤控制模式流程圖

自動追蹤模式的控制切換策略示意圖[9]，如圖7所示。

圖7 自動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，進入粗追蹤模式的閾值；b2表示單片機將粗追蹤模式，切換為精追蹤模式的閾值。設計的太陽能自動追蹤控制模式，在系統剛剛啟動時，對于太陽的位置是未知的，因此以設定的搜索模式尋找太陽能目標。當系統無法獲取有效信息時，保持高度角，按照設定的速度旋轉，若旋轉過程中還是沒有接收到有效信息，則一個搜索周期后，增加高度角繼續搜索，直至單片機接收到有效信號，進入粗追蹤模式[10]。此時系統根據光敏二極管的反饋，接收照面位置，但由于系統誤差較大，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)表示當前系統偏差；f(z)表示得出的系統輸出；f(z-1)為前一周期的系統輸出；e(z-2)為前兩周期的系統輸出；z1表示系統比例放大系數；z2表示系統微分控制系數。通過上述過程，將系統初步鎖定到目標附近，當單片機感知到有效信號后，系統迅速切換自動追蹤控制模式，進入精追蹤。精追蹤模式采用模糊自適應PID控制方法，依據設定的模糊規則，對原始控制參數進行修正，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。通過該公式實時更新追蹤數據，至此實現基于STC8F單片機的太陽能自動追蹤控制系統設計。

3 測試與分析

太陽能自動追蹤控制系統的硬件和軟件設計完畢后，需要對系統的整體性能進行測試，檢驗系統硬件、軟件與其他裝置組合后，是否可以兼容工作，并測試其追蹤能力。為了驗證此次設計系統性能，將兩種傳統追蹤控制系統作為對照組，通過系統測試結果的合理性，判斷此次設計系統與傳統系統的計算誤差。

3.1 準備過程

搭建實驗測試平臺，選用可供系統運行的硬件裝置，選用的系統裝置實物圖,如圖8所示。

圖8 系統裝置實物圖

此次實驗利用三個追蹤控制系統，對2018年4月12日的太陽能光照方位進行自動追蹤，當天不同時段的太陽位置標準值參照，如表2所示。

以表2中的數據信息為標準，分別利用三種方法對太陽能進行自動追蹤，根據測試結果，得出實驗結論。

3.2 結果與分析(一)

以2018年4月12日上午8：00作為第一組追蹤條件，利用追蹤系統獲取該時段的太陽方位，三組實驗對太陽位置的計算結果,如圖9所示。

表2 太陽位置標準值參照表

a 實驗組計算結果

b 對照組A計算結果

c 對照組B計算結果

由圖9可知，實驗組計算太陽位置的高度角為16.074 2，方位角為60.088 3；對照組A計算太陽位置的高度角為16.896 4，方位角為61.248 2；對照組B計算太陽位置的高度角為16.720 5,方位角為61.298 8，它們與太陽位置標準值之間的誤差分別：太陽位置高度角-0.555 8,0.766 4和0.596 4，太陽位置方位角-0.051 7,0.508 2和0.558 8，由此可見，實驗組與標準值之間的誤差最小，精確度最高，可以投入到實際應用中。如今技術還有待完善提升，以及種種原因，使得在測量不同時段太陽位置時會使得計算結果誤差分布有所差異，統計后的太陽位置計算結果誤差,如表3所示。

表3 太陽位置計算結果誤差

根據統計結果可知，實驗組得到的高度角與方位角，與參照表之間的誤差最小，而兩個對照組的計算誤差相對較大，可見此次設計的系統優于兩個傳統的自動追蹤控制系統。

3.3 結果與分析(二)

為保證實驗測試結果的一致性，再將2018年4月12日下午14：00作為第二組追蹤條件，分別利用三組系統進行位置追蹤，其太陽位置計算結果，如圖10所示。

a 實驗組計算結果

b 對照組A計算結果

c 對照組B計算結果

根據圖10可知，實驗組計算太陽位置的高度角為29.594 1，方位角為-38.680 5；對照組A計算太陽位置的高度角為29.120 2，方位角為-38.242 5；對照組B計算太陽位置的高度角為30.017 4，方位角為-38.992 3；它們與太陽位置標準值之間的誤差分別：太陽位置高度角-0.035 9，-0.509 8和0.387 4，太陽位置方位角-0.009 5，-0.447 5,0.302 3，其中實驗組的數據同樣最貼近表2中的參考值，統計三組實驗數據，計算三組實驗對太陽位置的計算誤差，如表4所示。

表4 太陽位置計算結果誤差

統計結果顯示，實驗組的高度角與方位角，同樣與參照表之間的誤差最小，而對照組數據經計算可知，其誤差較大，且遠高于實驗組數據誤差。綜合兩組實驗測試結果可知，實驗組中的自動追蹤控制系統，得到的數據誤差最小，最接近實際值。

4 總結

此次設計的追蹤控制系統，在保留原有系統的基礎上，替換傳統單片機，加強總體控制功能，通過更加詳細的計算太陽運動規律，設計智能化切換的追蹤模式。但此次實驗并沒有加入晴天、陰天因素，今后的實驗分析中，可以從這個角度分析系統性能。