基于STC单片机的太阳能跟踪控制器设计

杨家荣

（上海电气集团股份有限公司 中央研究院，上海200070）

当前，人类面临的能源危机问题越来越突出，使得人们将目光逐渐转向了各种新型的清洁能源，而太阳能作为已知的最原始的能源，具有干净、可再生、丰富而且分布范围非常广等特点。近年来，太阳能的应用范围日益广泛，诸如太阳能热水器、太阳能发电、海水淡化、太阳能制氢等，都希望高效接收和利用太阳能。目前，太阳能发电主要分为两种：① 光伏发电；②光热发电（见图1）。无论哪种形式的太阳能热利用，都希望能有效提高太阳能的效率；因此，实施太阳光跟踪是很有必要的。现有的几种太阳能利用方式中，一般都需要配置一套具有双轴旋转机构的跟踪装置来跟踪太阳。香港大学教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明：对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，太阳能设备能量的接收率相差37.7%，精确地跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高［1］。

图1 太阳能发电

本文通过利用国内市场通用型STC 89C52单片机作为控制核心，设计了一种基于单片机的双轴太阳能跟踪控制器，通过驱动步进电动机实现对太阳的精确跟踪，具有结构简单、运行可靠等优点，可大幅度降低跟踪系统的成本，具有广阔的应用前景。

1 系统模块组成及架构

本文所设计的跟踪系统主要由核心单片机控制模块、液晶显示模块、时钟模块、步进电动机驱动模块、光电反馈模块、通讯模块以及系统的外围电路等组成，如图2所示。其中单片机控制模块主要用于太阳高度角及方位角的计算，并转换为步进电动机控制信号；液晶显示模块主要是作为一个当前位置的显示、时间显示等；时钟模块主要用于产生计算太阳当前位置所需的时间数据，向系统提供精确的时钟；步进电动机驱动模块用来接受单片机的输出脉冲，经光电隔离后放大循环输出，驱动步进电动机运转；光电反馈模块通过光敏电阻来检测环境光线强弱程度，接受来自不同角度的入射光，并经过AD采样后发送给单片机，当对应的两个光敏电阻接受到的光强差值大于一定范围时，单片机控制电动机转动，从而使采光面板在竖直方向上始终正对着太阳光；通讯模块主要完成单片机与外部的信息交互以及数据传输。

图2 系统原理框图

2 太阳能跟踪控制器设计

2.1 硬件设计

STC 89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB的系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC 89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52单片机的18、19引脚XTAL1和XTAL2是单片机的外接时钟引脚端，XTAL1为片内震荡电路的输入端，XTAL2为片内震荡电路的输出端。一般来说，可采取外接晶体谐振器（12MHz）以及2个电容构成并联谐振电路，电容取值一般为10～30pF。在焊接刷电路板时，晶振和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容的影响，更好地保证系统的稳定运行，如图3所示。

（1）复位电路。STC 89C52单片机和AVR单片机的复位电平不同，前者为高电平复位，后者为低电平复位。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。在晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。设计复位电路如图4所示，电阻R1和电容C3组成简单的上电自动复位电路，按钮手动复位则通过手动按下S1（SW－PB）按钮来实现。

图3 单片机时钟振荡电路

图4 复位电路

（2）光电检测电路。光电检测模块主要是利用光敏电阻接收光照时阻值发生变化的原理，一般需要4个，采用十字方式排列，分别放置在东、南、西、北平面的4个方位；若光敏电阻的阻值相等，说明此时太阳光线与平面相垂直，电动机无需运动。随着太阳的移动，必然会有一个方向的光敏电阻接受的光照强，与之对应方向的光敏电阻接受的光照弱，相应的阻值就存在差异。此时，控制电路将光敏电阻的阻值变动转换为控制信号，经单片机驱动电动机运转，直至对应方向的2个光敏电阻上的光照强度再次相等，系统所设计的光电检测电路如图5（a）所示。其中检测模拟量信号由AD采样芯片ADC 0809采集后将数据传递给单片机，如图5（b）所示。ADC 0809是一个逐次逼近型的A／D转换器，由外部供给基准电压，有8个模拟量的输入端，带有三态输出锁存器，转换结束时，可由单片机控制打开三态门，读出转换结果。

图5 光电检测电路

（3）步进电动机驱动电路。步进电动机是将电脉冲转化为角位移或线位移的执行机构。其结构简单，控制方便，可以通过控制单片机发送出来的脉冲个数来控制角位移量，从而达到精确定位。通俗地说，就是给电动机加一个脉冲信号，则电动机转过一个固定的角度，即步距角。电动机的转速及停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。控制上，主要是需要实现电平的匹配；因此，需要设计功率驱动电路，如图6所示。

图6 步进电动机驱动电路

（4）时钟电路。由于系统的软件开发中涉及太阳轨迹的计算，而这需要通过精确的时间来计算该时刻太阳所处的理论位置，因此需要使用时钟电路。虽然单片机内部也可以采用定时／计数器的方式来进行时间的推算，但这种方式需要占用大量的系统时间和资源，且时间不够精确，长时间运行存在累积误差。目前，通用的做法是采用时钟芯片，因此，本文采用了美国DALLAS公司推出的高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路芯片DS 1302。它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据［2］。该芯片采用双电源（VCC1和VCC2）供电，由VCC1和VCC2两者中较大者供电，当VCC2＞VCC1＋0.2 V时，VCC2给DS 1302供电。当VCC2＜VCC1时，VCC1给DS 1302供电，使系统在没有主电源的情况下也能保持时钟的连续运行。系统设计的时钟电路如图7所示。

图7 时钟电路

2.2 软件设计

目前，跟踪太阳的方法可概括为2种［3］：视日运动轨迹法和光电跟踪法。光电跟踪的灵敏度较高，结构简单，但容易受光强和天气的影响，如天空中的云层飘过会让系统产生误判；而视日运动轨迹法是按照天文学法推算出的太阳运动轨迹运行，属开环控制，这种方法的程序计算较复杂，且没有考虑执行机构的误差情况，无法消除累计误差。因此，设计的跟踪控制器结合了以上两种方法，先由视日运动轨迹法进行粗跟踪，再利用光电跟踪法进行精确定位。

系统在上电运行时，首先进行系统初始化。然后，系统先判断是否在工作时间段内，如每天的18∶00以后，已经日落，则系统自动进入待机状态；而如果系统时间在6∶00～18∶00，则系统先进行回零，确认一个参考点之后，进行视日运动轨迹的计算，并运转到计算结果位置处。最后，根据光电传感器反馈的信号进行微调，如果光电传感器反馈的偏差值过大，则认为此时可能有乌云遮挡等情况发生，可切换到视日运动轨迹状态运转，待给出下一个步进电动机运转信号之前，重复上述判断。系统的流程图如图8所示。

图8 系统运行流程

虽然太阳的位置时刻都在变化，但其运行具有严格的规律性，视日运动轨迹计算主要是根据天体的运行规律计算出太阳运行规律，其流程如图9所示，主要涉及太阳的高度角和方位角，并根据系统时钟计算出步进电动机的转角。通过分别建立太阳的运行轨迹的时角坐标系和地平坐标系，以及跟踪控制系统的运动规律的坐标系，对这些坐标系的变换来建立太阳能跟踪控制系统的运动方程［4］。在地平坐标系中，太阳的位置可用如下方程描述：

式中，α为太阳的高度角；γ为太阳的方位角，通常以正南方向为0°，向西为正，向东为负；δ为太阳赤纬角；ω为太阳时角；φ为安装地点的维度角。根据Cooper方程，每天的太阳赤纬角为

图9 视日运动轨迹计算流程

式中，n为日期在年内的序号，称作积日。

除此以外，系统的软件设计还包括时钟模块、数码管显示模块、光电传感器数据采集模块等，共同构成一个完整的系统，实现对系统的控制。

2.3 视日运动轨迹仿真

系统设计完成后，为校验视日运动轨迹算法的正确性，利用Proteus进行了仿真。Proteus是英国Labcenter公司开发的嵌入式系统仿真与开发平台，支持当前流行的单片机开发环境，该软件功能强大，性能非常卓越，非常适合单片机系统的仿真和实验。图10为视日运动轨迹的仿真系统图，系统主要由单片机（U1）、DS1302时钟电路（U2）、步进电动机驱动芯片（U3、U4）步进电动机以及相应的外围电路组成，C1～C4为电容，X1为单片机时钟所需的晶振，X2为DS1302运行所需的晶振，RP1为排阻。由单片机根据与DS1302通讯取得的时钟数据进行运算，计算出某时刻的太阳高度角和方位角，驱动步进电动机运转，Proteus仿真系统中，可方便地显示出当前步进电动机的转角，如某日某时刻，经过仿真运行的太阳高度角和方位角如图11所示。从结果看，仿真结果与实际运算结果一致，证明所设计的视日运动轨迹算法是正确的。

图10 系统仿真图

图11 太阳高度角与方位角仿真结果

本文开发的基于STC89C52单片机的双轴太阳跟踪控制器实验装置如图12所示。

图12 控制器实验装置硬件

3 结 语

本文设计了一种基于单片机的双轴太阳能跟踪控制器，经实验验证，步进电动机运转结果与仿真结果一致，可顺利实现双轴太阳跟踪。该控制器可根据太阳高度角及方位角不断变化的特点，以视日运动轨迹跟踪为主，结合光电跟踪作为校正，驱动作为高度角和方位角两个轴向转动的电动机运转，跟踪更为精确。系统结构简单，成本低廉，有效地提高了太阳能的利用率，可直接用于太阳能光伏装置的跟踪，对软件稍作修改后，也可用于其他如太阳能碟式装置追日跟踪，具有较好的应用和推广价值。

［1］尤金正.基于图像传感器的闭环式太阳跟踪控制器的研究与实现［D］.苏州：苏州大学，2010：4－5.

［2］韩旖旎.基于过采样技术的动态汽车称重仪的设计［D］.太原：太原理工大学，2010：47－49.

［3］马正华，孔 丹，徐守坤.基于步进电机的太阳自动跟踪系统的研究［J］.电气传动，2012，42（3）：37－40.

［4］杨培环.高精度太阳跟踪传感器与控制器的研究［D］.武汉：武汉理工大学，2010：8－10.