用80C196KC單片機實現(xiàn)太陽跟蹤

0　引　言

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

各種型式的裝置，從簡單到復(fù)雜，應(yīng)用于太陽跟蹤，主要可以分成兩大類，即機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)一般說來有較高的穩(wěn)定性和跟蹤精度。電控系統(tǒng)又可以進一步分為兩大類：

1）用光學(xué)傳感器作為反饋的模擬控制系統(tǒng)；　　

2）計算機根據(jù)數(shù)學(xué)公式計算太陽位置進行跟蹤，并通過光學(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，在多云天氣會盲目跟蹤云層邊沿的亮斑，造成能源的浪費和機械的額外磨損。

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ο到y(tǒng)的計算對象進行簡化，就可以用成本較低的單片機代替昂貴的可編程控制 器或者微型機實現(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)日期和時間控制聚光器的運動，并利用光學(xué)傳感器調(diào)整聚光器的初始位置，在運行中對聚光器的位置進行校正。

如圖1所示，系統(tǒng)由6個部分組成，分別是時鐘、單片機、驅(qū)動機構(gòu)、編碼器、聚光鏡和傳感器。系統(tǒng)的核心部件是80C196KC單片機。

單片機利用時鐘提供的日期和時間，計算出聚光鏡的預(yù)期位置，與編碼器提供的當(dāng)前位置比較，輸出控制信號。驅(qū)動裝置根據(jù)單片機提供的信號轉(zhuǎn)動聚光鏡，同時通過編碼器將運行速度或位置增量反饋到單片機，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

由于當(dāng)前位置是由增量式計算得到的，若當(dāng)前位置的計算出現(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，必須通過傳感器監(jiān)視聚光鏡的位置是否與太陽偏離，當(dāng)偏離時啟動一個校正程序，達到消除當(dāng)前位置誤差的作用。

光學(xué)傳感器A和B隨聚光器一起運動，為單片機提供太陽輻射信息。傳感器A采用文獻［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，當(dāng)聚光器軸線指向太陽時，輸出零信號；偏離時，信號隨偏離的角度以及太陽直射輻射強度的增加而增加（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，提供太陽直射輻射強度信號，信號隨直射輻射強度值的增加而增加（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度，在直射輻射較弱時不啟動校正程序，從而避免多云天氣的盲目跟蹤；

2）通過簡單的修正運算，降低甚至消除環(huán)境（太陽輻射、溫度等）對偏差信號的影響，使修正后 的偏差信號在偏差角度相同時，能夠較為一致。

2　控制系統(tǒng)

6位單片機80C196KC具有較強的運算能力，通過編制程序可以完成浮點數(shù)的基本運算。由于太陽在天空的位置可以由緯度、日期和時間完全確定，因此利用這些信息可以達到精確跟蹤 的目的?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。

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