基于单片机的太阳自动跟踪系统的研究

     0 引言

　　随着社会经济的快速进展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视。在相同条件下，光照强度越大，太阳能电池电池

　　电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反映将化学能或者物理能转化为电能。电池即一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负两极浸泡再能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供电能。 [全文]

输出功率越大。因而增大太阳能电池受光面的光照强度，就可增大太阳能电池输出功率。除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄电池充放电效应外，对太阳的自动跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高转换效率的有效手段。因此，在太阳能的利用过程中，实施太阳跟踪是很有必要的。

　　对太阳进行跟踪的方法很多，但不外乎为采纳确定太阳位置所用的两种坐标系统，即赤道坐标系和地平坐标系，并分为双轴跟踪和单轴跟踪。单轴跟踪已在很多文献作了介绍，本文要讨论的为双轴跟踪。为了叙述方便，在以后的陈述中将两种坐标系下的整个系统统称为太阳能板。

　　本文采纳在地平坐标系下的太阳跟踪及程序跟踪和传感器传感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测试系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测试的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测试信号输入的第一道关口。 [全文]

跟踪相结合的操纵方式，即采纳程序操纵，利用光学传感器对太阳能板做自动定位和误差校正，而通过单片机单片机

　　单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中心处理器微处理器随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）采纳超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 [全文]

操纵步进电机来实现。单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出太阳能板的预期位置，与编码器提供的当前位置比较，输出操纵信号。驱动装置根据单片机提供的信号操纵俯仰角电机和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照耀点，从而进行跟踪。传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正。

　　1 系统组成

　　系统由时钟、单片机、驱动装置、编码器、太阳能板和传感器6部分组成。系统的核心部件是传感器和单片机。太阳跟踪系统原理见图1。

　　1．1 智能单元与双坐标步进电机操纵系统

　　本文的操纵系统选用了AT89C51单片机作为智能单元。AT89C51是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机。片内带有一个4 KB的FLASH可编程、可擦除只读存储器存储器

　　存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。它根据操纵器指定的位置存进和取出信息。 [全文]

。文中所述系统为地平坐标系的双轴自动跟踪操纵系统，因此采纳双坐标步进电机操纵，双坐标步进电机操纵就是在x轴方向操纵1台步进电机，在y轴方向操纵1台步进电机。这2台步进电机同时驱动同一个对象，使对象在一个平面上以任意曲线运动。二维步进电机操纵系统原理如图2所示。

　　AT89C51单片机51单片机

　　51单片机是单片机中的一种，单片机（single-chip microcomputer）是一块集成芯片，但不是一块实现某一个逻辑功能的芯片，而是在这块芯片当中，集成了一个计算机系统。如中心处理器（微处理器）、存储器（ROM,RAM）、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等。中心处理器是单片机的核心单元，他由运算器和操纵器组成，他的主要功能是实现算术运算、逻辑运算、和操纵。 [全文]

通过P2口输出操纵脉冲信号，P2．0～P2．3为一路，P2．4～P2．7为一路，分两路各操纵1台步进电机。P3．2～P3．5设置为行程守护开关开关

　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

，作二维步进电机正反向最大行程守护。功率放大电路中采纳74LS05将单片机P2口脉冲信号进行放大，经9014操纵光电耦合器耦合器

　　耦合器是在微波系统中,能够将一路微波功率按比例分配成几路的元件。耦合器的作用是将信号不均匀地分成几分(称为主干端和耦合端，也有的称为直通端和耦合端)，主要包括: 定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。 这些元器件一般都是线性多端口互易网络, 因此可用微波网络理论进行分析 。 [全文]

，隔离后，由功率管DK63驱动步进电机的各相绕组，图中L11，L12即为步进电机的各相线圈。

　　1．2 光电传感器光电传感器

　　光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器．光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而牢固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。 [全文]

　　本操纵系统中所采纳光电传感器为6块相同的硅光电池，其中4块用来制作四象限硅光电池，进行误差校正。2块作为推断光照强弱的信号输出传感器。

　　太阳跟踪传感器是本系统的要害部件。为了保证太阳能板的受光面始终与太阳光线保持垂直而不产生偏离，采纳特制的四象限硅光电池作为太阳跟踪误差校正用传感器。

　　如图3所示为四象限跟踪太阳传感器原理图。当光轴对准太阳时，光斑的中心在光轴上。四个象限接收到相同的光功率，输出相同的电压信号。当光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角度θ时，光线经光学系统照耀到四象限光电池上形成的光斑必定产生偏移即(x≠O，y≠O)。由于各象限的光功率与各象限的光斑面积成正比，每个象限被光斑覆盖的面积不同，因此各象限光电池产生的电压不尽相同。根据上述将Vx，Vy进行模数转换，然后送入单片机。单片机通过驱动设备可操纵俯仰角电机和方位角电机转动，直到Vx=Vy=0，即x=0，y=0，则表明系统光轴已经对准太阳，根据以上原理即可对太阳能板位置误差进行校正。

　　推断光强信号传感器由两块光电池组成，一块接受太阳辐射，另外一块受光面背光背光

　　屏幕的背景光。常被用于LCD显示上，其光源可能是白炽灯泡、电光面板(ELP)、发光二极管(LED)、冷阴极管(CCFL)等。电光面板提供整个表面均匀的光，而其他的背光模组则使用散光器从不均匀的光源中来提供均匀的光线。 　　背光可以是任何一种颜色，单色液晶通常有黄、绿、蓝、白等背光。而彩色显示采纳白色白光，因其涵盖最多色光。 [全文]

。如图4所示，前一块光电池的作用是：推断太阳直射辐射的强度，在直射辐射较弱时不启动跟踪程序，从而幸免多云天气的盲目跟踪。后一块光电池的作用是当长时间阴天或多云转晴后太阳重新出现时，推断太阳直射辐射的强度，来决定是否启动跟踪程序。

　　1．3 采样保持与A／D转换电路

　　本系统选用的A／D转换为MAXIM公司生产的MAXl86转换器，是串行输出CMOS芯片。其转换速度快，精度高，耗电省，接线简洁，适用于各种仪器仪表仪器仪表

　　广义的说仪器仪表也可具有自动操纵、报警、信号传递和数据处理等功能，如气动调节仪、电动调节仪表，以及集散型仪表操纵系统等也皆属器仪表。仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。如显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计等，可以扩展人的视、听、尝、摸外部事物的官能；有些仪器仪表，如磁强计、射线计数计等，可感受和测试到人所不能感受到的物理量；还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数，如高速照相机、计算机等。 [全文]

和自动操纵系统中的数据采集。MAXl86转换器自带有采样保持器，因而系统不再设计采样保持电路。而且与AT89C51为串行连接，接口电路如图5所示。

　　1．4 时钟芯片DSl302

　　DSl302与AT89C51单片机接口采纳3线(RST，SCLK和I／O)连接，AT89C51为主芯片负责操纵2芯片之间的数据通讯。RST为数据通讯的使能信号，为O则同意通讯；为1则禁止通讯。SCLK为数据通讯的位同步脉冲信号，I／O是双向串行数据传输线。RST，SCLK都是单片机发出的操纵信号，如图6所示。

　　2 软件设计

　　本文介绍的操纵系统的软件设计采纳了结构化、模块化的程序设计方法。主程序初始化完毕之后，即进入等待状态，单片机操纵运行交由中断服务程序操纵。所需完成的功能主要由子模块实现。各部分独立完成一定的功能，又有机的结合为一个整体，完成所要求的操纵任务。

　　程序的结构如图7所示。主程序包括初始化、最初的A／D转换程序。整个程序周期里，初始化程序只在主程序第一次执行时执行一次。初始化之后，进行最初A／D转换，实际上等于对A／D转换滤波器滤波器

　　凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类操纵系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 [全文]

置初始值。

　　2．1 定时器1溢出中断服务程序

　　定时器1溢出中断服务程序包含多个模块，先后在一个T1溢出周期内执行完毕。这些模块包括：操纵算法、操纵量输出、A／D转换、转换结果处理和分析、异常处理等部分。通过每次T1溢出，周期性的采样、反馈比较、调整、输出，从而实现操纵策略。

　　2．2 操纵算法

　　编制操纵算法子程序包括以下几个步骤：计算当前期望位置；计算补偿通道输出值；计算当前实际位置；计算误差和误差通道输出值；补偿通道输出值和误差通道输出值相加。

　　2．3 操纵量输出

　　单片机输出的操纵量为脉冲输出，脉冲量的输出可以通过软件定时器，规定脉冲输出的问隔时间，从而规定了脉冲输出的频率。

　　2．4 A／D转换及其转换结果处理和分析

　　虽然硬件上对模拟输入进行了低通滤波，但是仍然会有一些因素可能造成模拟输入量出现较大的误差。为了防止这种情况的产生，需要进行软件滤波，即数字滤波处理。数字滤波有许多优点：

　　(1)数字滤波器是由程序实现的，不需增加硬件设备，数字滤波可以有多个输入通道共用，因而成本低。

　　(2)数字滤波由程序实现，不需要硬件设备，因而可靠性好，稳定性高，不存在阻抗匹配问题。

　　(3)数字滤波使用灵活，修改方便。而本文采纳了算术平均值滤波方法。

　　2．5 异常处理

　　程序运行中会产生多种异常情况，有些可以通过彻查输入数据推断，而有一些情况系统可以自行校正。光电传感器误差信号超出死区也应视为异常情况。可能的缘由是出现了一干扰光源光源

　　光源产品具有LED显示、体积小、重量轻、易携带、电池供电、性能价格比高等特点，直观快速，是一种使用极其简洁方便的测试工具，产品经过防震防潮处理，可以在野外恶劣环境下长时间工作。 [全文]

或太阳能板与太阳位置产生偏离。为了幸免在多云情况下的盲目跟踪，假如辐射强度没有达到特定值，则对于误差信号超出死区不作任何操作。太阳能板与太阳位置产生偏离的情况下，系统有能力自动的回复运行状态。

　　在每次定时器T1中断时，系统都彻查操纵字。当操纵字表明系统在校正状态时，输出操纵量的值由预期位置量和光电传感器误差信号共同计算产生。

　　3 结语

　　系统采纳特制的四象限硅光电池作为太阳跟踪误差校正用传感器，并且采纳AT89C51单片机作为智能单元，可以实现成本较低的全自动太阳跟踪系统。系统具备较好的稳定性，并能够达到相当好的精确度和灵活性。理论分析和设计结果表明，本方法可以满足太阳跟踪操纵的要求。

  来源:安静的云朵

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