用80C196KC单片机实现太阳跟踪

0　引　言

聚光式太阳集热器尽管必须精确地跟踪太阳，以确保好的效果，但仍然比普通的平面太阳集热装置有着明显的优势，特别是中温和高温应用。　

各种型式的装置，从简单到复杂，应用于太阳跟踪，主要可以分成两大类，即机械系统和电控系统。电控系统一般说来有较高的稳定性和跟踪精度。电控系统又可以进一步分为两大类：

1）用光学传感器作为反馈的模拟控制系统；　　

2）计算机根据数学公式计算太阳位置进行跟踪，并通过光学传感器作为反馈的数字系统。

根据传感器工作的模拟系统适应性较差，在多云天气会盲目跟踪云层边沿的亮斑，造成能源的浪费和机械的额外磨损。

数字系统一般被认为具有较高的精度和较好的适应性，但是系统复杂而昂贵。

如果适当地对系统的计算对象进行简化，就可以用成本较低的单片机代替昂贵的可编程控制 器或者微型机实现数字化的跟踪控制系统。从而大大降低系统的成本，同时保留数字系统特有的灵活性和精确度。

1　系统描述

本文所述系统的跟踪策略是根据日期和时间控制聚光器的运动，并利用光学传感器调整聚光器的初始位置，在运行中对聚光器的位置进行校正。

如图1所示，系统由6个部分组成，分别是时钟、单片机、驱动机构、编码器、聚光镜和传感器。系统的核心部件是80C196KC单片机。

单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出聚光镜的预期位置，与编码器提供的当前位置比较，输出控制信号。驱动装置根据单片机提供的信号转动聚光镜，同时通过编码器将运行速度或位置增量反馈到单片机，形成闭环控制系统。

由于当前位置是由增量式计算得到的，若当前位置的计算出现偏差，则不能够由反馈得到校正，从而形成累积位置偏差。为此，必须通过传感器监视聚光镜的位置是否与太阳偏离，当偏离时启动一个校正程序，达到消除当前位置误差的作用。

光学传感器A和B随聚光器一起运动，为单片机提供太阳辐射信息。传感器A采用文献［1］提到的金字塔形布置的光电池组，4块光电池分成两组，分别提供方位角和高度角的偏差信号，当聚光器轴线指向太阳时，输出零信号；偏离时，信号随偏离的角度以及太阳直射辐射强度的增加而增加（图2）。传感器B由一块接受全天辐射的光电池和一块遮挡直射辐射的光电池组成，提供太阳直射辐射强度信号，信号随直射辐射强度值的增加而增加（图3）。传感器A和B选用的所有光电池应尽量保持一致。

1）判断天空直射辐射的强度，在直射辐射较弱时不启动校正程序，从而避免多云天气的盲目跟踪；

2）通过简单的修正运算，降低甚至消除环境（太阳辐射、温度等）对偏差信号的影响，使修正后 的偏差信号在偏差角度相同时，能够较为一致。

2　控制系统

6位单片机80C196KC具有较强的运算能力，通过编制程序可以完成浮点数的基本运算。由于太阳在天空的位置可以由纬度、日期和时间完全确定，因此利用这些信息可以达到精确跟踪 的目的。控制系统框图如图4所示。

如前所述，系统采用单片机计算出的太阳方位作为聚光镜位置期望值输入，驱动装置的输出作为反馈构成闭环系统。为了达到稳定性和精确度的要求，分别采用了PD调节器和补偿通道。

由于太阳运行位置的变化基本上属于斜坡输入，仅采用比例微分调节器时，闭环系统存在稳态误差ess＝1／K。增大系统的K值可以减小稳态误差，但过大的K值会使系统的无阻尼自然频率接近或大于单片机的采样频率，使系统失去稳定性。积分项虽然可以消除系统的稳态误差，但一定条件下可能导致系统的稳定性变差。

令Z（s）＝1，则原系统的特征方程不变，因而稳定性不发生变化。令上式右端分子的零阶和一阶项的系数为零，则斜坡输入的稳态误差为零。　　

设L（s）＝L0＋L1 s，代入上式右端分子，可得：

由于补偿通道消除了系统的静态误差。主通道不再需要安排积分环节消除稳态误差，成为比例微分控制，有利于系统的稳定性。对于不同的被控对象，可以选用不同的L1、k1和Td值，使系统的稳定性和动态特性得到保证。这种参数的调整非常简便，体现了数字控制的优越性。

对图4虚框中的传递函数离散化时，可以将微分项用后向差分代替，算法非常简单。采用足够小的采样周期时，可以保证离散化后的系统不会失去稳定性。单片机采用12MHz晶振时，定时器1溢出的周期约为87ms，具有50多万个状态周期［4］，足以完成简单的计算任务，而太阳在这样短时间内的位置移动可以忽略不计。因此用定时器1溢出的周期作为采样周期有以下优点：

1）可以满足计算任务。对于试验系统的时效分析表明，控制计算所用的机时不及总机时的15％；

2）当选取系统总增益K，使闭环系统的无阻尼自然频率不高于1Hz时，可以使离散化方法保持稳定和达到足够的精确度。对系统的逻辑分析结果表明了系统的稳定性和精度。

3　校正系统

上述计算机控制系统虽然有很高的精确度，但是系统的位置反馈量仍然有可能产生误差。而且由于位置反馈量的增量式算法，这种误差不能通过编码器检测出来，因此可能形成累积误差。这种累积误差可以通过光学传感器提供的偏差信号来进行校正。

由于扰动的存在，偏差信号总是会有所波动，如果一旦偏差信号不为零就进行校正，则使系统变为了传感器控制，与模拟系统相比不具备任何优势。对修正后的偏差信号设定一个死区，可以大大的减小偏差信号的波动对系统的影响，增加系统的稳定性，系统的跟踪精度可以通过设定死区大小来保证。当经修正的偏差信号大于某给定值，即超出死区范围，且传感器B给出的参考信号反映的直射辐射强度不低于某一阈值时，启动误差校正程序。设定阈值的目的是为了使系统在太阳直射辐射太弱，即太阳被遮挡时，不启动校正过程，避免了多云天气盲目跟踪云层边沿的亮斑。校正过程分两步实现：

1）用光学传感器偏差信号代替图4中的位置量反馈误差E（s），组成反馈环，使偏差信号趋于0。

2）当偏差信号达到零时，对输出位置量赋值，使输出位置量等于期望位置量，同时切换回原来的反馈系统，完成校正过程。

由于系统结构没有发生变化，因此上述第一步形成的闭环控制系统稳定性不会发生变化。

4　结　论

1）可以利用单片机实现成本较低的数字化太阳跟踪系统。

2）虽然经过简化，在太阳跟踪控制中，单片机系统具备较好的稳定性，并能够达到相当好的精确度，同时具备模拟系统不具备的灵活性。

3）利用光学传感器，单片机系统可以实现位置的自动调整。

参考文献
  
［1］　William ALynch，Ziyad MSalameh．Simple electro－opti－cally controlled dual－axis sun tracker［J］．Solar Energy，1990，45（2）：65－69．
［2］　Soteris AKalogirou．Design and construction of a one－axissun－tracking System［J］．Solar Energy，1996，57（6）：465－469．
［3］　Leonard DJaffe．Testresults on parabolic dish concentra－torsfor solar thermal power systems［J］．Solar Energy，1989，42（2）：173－187．
［4］　孙涵芳．Intel16位单片机［M］．北京：北京航空航天大学出版社，1999．