用80C196KC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤

0　引　言

聚光式太陽(yáng)集熱器盡管必須精確地跟蹤太陽(yáng)，以確保好的效果，但仍然比普通的平面太陽(yáng)集熱裝置有著明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是中溫和高溫應(yīng)用?！?/p>

各種型式的裝置，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，應(yīng)用于太陽(yáng)跟蹤，主要可以分成兩大類(lèi)，即機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)一般說(shuō)來(lái)有較高的穩(wěn)定性和跟蹤精度。電控系統(tǒng)又可以進(jìn)一步分為兩大類(lèi)：

1）用光學(xué)傳感器作為反饋的模擬控制系統(tǒng)；　　

2）計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算太陽(yáng)位置進(jìn)行跟蹤，并通過(guò)光學(xué)傳感器作為反饋的數(shù)字系統(tǒng)。

根據(jù)傳感器工作的模擬系統(tǒng)適應(yīng)性較差，在多云天氣會(huì)盲目跟蹤云層邊沿的亮斑，造成能源的浪費(fèi)和機(jī)械的額外磨損。

數(shù)字系統(tǒng)一般被認(rèn)為具有較高的精度和較好的適應(yīng)性，但是系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴。

如果適當(dāng)?shù)貙?duì)系統(tǒng)的計(jì)算對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，就可以用成本較低的單片機(jī)代替昂貴的可編程控制 器或者微型機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的跟蹤控制系統(tǒng)。從而大大降低系統(tǒng)的成本，同時(shí)保留數(shù)字系統(tǒng)特有的靈活性和精確度。

1　系統(tǒng)描述

本文所述系統(tǒng)的跟蹤策略是根據(jù)日期和時(shí)間控制聚光器的運(yùn)動(dòng)，并利用光學(xué)傳感器調(diào)整聚光器的初始位置，在運(yùn)行中對(duì)聚光器的位置進(jìn)行校正。

如圖1所示，系統(tǒng)由6個(gè)部分組成，分別是時(shí)鐘、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、編碼器、聚光鏡和傳感器。系統(tǒng)的核心部件是80C196KC單片機(jī)。

單片機(jī)利用時(shí)鐘提供的日期和時(shí)間，計(jì)算出聚光鏡的預(yù)期位置，與編碼器提供的當(dāng)前位置比較，輸出控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)單片機(jī)提供的信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)聚光鏡，同時(shí)通過(guò)編碼器將運(yùn)行速度或位置增量反饋到單片機(jī)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

由于當(dāng)前位置是由增量式計(jì)算得到的，若當(dāng)前位置的計(jì)算出現(xiàn)偏差，則不能夠由反饋得到校正，從而形成累積位置偏差。為此，必須通過(guò)傳感器監(jiān)視聚光鏡的位置是否與太陽(yáng)偏離，當(dāng)偏離時(shí)啟動(dòng)一個(gè)校正程序，達(dá)到消除當(dāng)前位置誤差的作用。

光學(xué)傳感器A和B隨聚光器一起運(yùn)動(dòng)，為單片機(jī)提供太陽(yáng)輻射信息。傳感器A采用文獻(xiàn)［1］提到的金字塔形布置的光電池組，4塊光電池分成兩組，分別提供方位角和高度角的偏差信號(hào)，當(dāng)聚光器軸線指向太陽(yáng)時(shí)，輸出零信號(hào)；偏離時(shí)，信號(hào)隨偏離的角度以及太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的增加而增加（圖2）。傳感器B由一塊接受全天輻射的光電池和一塊遮擋直射輻射的光電池組成，提供太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度信號(hào)，信號(hào)隨直射輻射強(qiáng)度值的增加而增加（圖3）。傳感器A和B選用的所有光電池應(yīng)盡量保持一致。

1）判斷天空直射輻射的強(qiáng)度，在直射輻射較弱時(shí)不啟動(dòng)校正程序，從而避免多云天氣的盲目跟蹤；

2）通過(guò)簡(jiǎn)單的修正運(yùn)算，降低甚至消除環(huán)境（太陽(yáng)輻射、溫度等）對(duì)偏差信號(hào)的影響，使修正后 的偏差信號(hào)在偏差角度相同時(shí)，能夠較為一致。

2　控制系統(tǒng)

6位單片機(jī)80C196KC具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，通過(guò)編制程序可以完成浮點(diǎn)數(shù)的基本運(yùn)算。由于太陽(yáng)在天空的位置可以由緯度、日期和時(shí)間完全確定，因此利用這些信息可以達(dá)到精確跟蹤 的目的。控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

如前所述，系統(tǒng)采用單片機(jī)計(jì)算出的太陽(yáng)方位作為聚光鏡位置期望值輸入，驅(qū)動(dòng)裝置的輸出作為反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。為了達(dá)到穩(wěn)定性和精確度的要求，分別采用了PD調(diào)節(jié)器和補(bǔ)償通道。