最新文档基于89C51单片机太阳能跟踪控制装置设计.docx

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1、基于89C51单片机太阳能跟踪控制装置设计摘要：基于目前太阳能跟踪控制中普遍采用的复合控制方式的工作原理，采用价格低廉、低功耗的89C51单片机设计了一款可满足复合控制功能要求的太阳能跟踪控制装置.介绍了在跟踪控制装置中加入AD转换模块与PC机通讯模块以实现复合控制中传感器控制功能和时钟控制功能的设计环节.将配备该太阳能跟踪控制装置的聚光器与定点式聚光器在相同实验环境中运行比较，结果表明，配备该太阳能跟踪控制装置的聚光器比定点式聚光器的接收率提高约35%,跟踪稳定性良好，实现了高精度、高稳定性的太阳能跟踪控制.关键词：太阳能跟踪控制器；单片机；复合控制；接收率中图分类号：TK51；TP27文献

2、标志码：ADesignofaso1artrackingcontro11erbasedonthe89C51microcontro11erGANYi1,WANGZijian1,ZENG1ecai2,YANGJiarong2,HEYan3(1.Schoo1ofMechanica1Engineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechno1ogy,Shanghai200093,China；2.ShanghaiE1ectricGroup,Shanghai200070,China；3.DepartmentofTianhua,ShanghaiNorma1Unive

3、rsity,Shanghai201815,China)Abstract：Accordingtotheoperatingprincip1eofcompositecontro1genera11yapp1iedforso1artrackingcontro1,anembeddedso1artrackingcontro11erwasdesignedusingtheinexpensiveandIowpower89C51MCUtomeettherequirementsofcompositecontro1.TheADconvertermodu1eandcommunicationmodu1ewithPCwere

4、integratedintothetrackingcontro11erinordertorea1izethesensorcontro1andc1ockcontro1functions.Testsontheperformanceoftheconcentratorequippedwiththenew1ydesignedcontro11erandthefixedtypecondenserwerecarriedoutunderthesameexperimenta1conditions.Thetestresu1tsshowedthatthereceivingrateoftheconcentratoreq

5、uippedwiththenew1ydesignedcontro11erisincreasedbyabout35%incomparisonwiththefixedtypecondenser.Inaddition,thenew1ydesignedcontro11erenhancesgreat1ythetrackingabi1ityandstabi1ityoftheso1arinsta11ation.Keywords：so1artrackingcontro11er；MCU；compositecontro1；receivingrate太阳能跟踪控制是提高太阳能利用率的最有效方式，也是目前人们开展有关

6、太阳能发电研究的重要课题之一美国B1ackace公司在1997年研制出单轴太阳能跟踪控制装置，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，单轴太阳能跟踪控制装置使聚光器的接收率提高了15%.1998年美国在加州成功研究了ATM两轴太阳能跟踪装置，并在太阳能面板上安装集中阳光的菲涅耳透镜，可使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，接收率进一步提高.2002年2月美国在亚利桑那推出了新型太阳能跟踪装置，利用控制电机完成跟踪3.近年来，人们对太阳能跟踪控制方式进行了不断的优化和改进.复合控制是目前最佳的太阳能跟踪控制方式3.它巧妙地将太阳能跟踪控制中的传感器控制和时钟控制结合起来，既保证了跟踪位

7、置的精确性，又消除了跟踪信号丢失的隐患.本文结合复合控制原理，采用价格低廉、低功耗的89C51型单片机设计一款满足复合控制要求的太阳能跟踪控制装置，以实现太阳能高效利用.能源研究与信息2013年第29卷第3期甘屹，等：基于89C51单片机太阳能跟踪控制装置设计1复合控制方式原理复合控制方式是人们经过大量实验分析和综合比较得出的目前最为高效、稳定的太阳能控制方式4.复合控制包括两个模块：传感器控制模块和时钟控制模块.传感器控制模块的工作原理是通过在聚光器中配备光电传感器检测太阳位置变化情况，并将采集的光信号转化为电信号来控制电机转动以实现聚光器的跟踪控制；时钟控制模块的工作原理是根据每一时刻太阳

8、对地球位置的变化规律制定太阳位置变化规律时刻表，根据时刻表调整电机转动以实现对聚光器的跟踪控制.两者各有利弊.传感器控制适时性好，但受天气影响很大，如果遇到阴雨天气很容易出现信号丢失而无法跟踪的现象；而时钟控制虽然稳定性好，但是属于开环控，缺乏自我调节能力，如果出现故障需要人工调整才能修复,而且精度不高4-5.复合控制将两者结合起来以确保聚光器实现高效稳定的太阳能跟踪控制.当光强足够时，聚光器采用传感器控制，保证高精度的太阳能跟踪控制；当光强不足时，采用时钟控制，使定日镜工作更加稳定可靠.2时钟跟踪模块设计时钟控制是根据天文学中太阳高度角和方位角的计算公式得出不同时刻太阳所在位置，从而控制聚光

9、器转动.太阳高度角计算式为sinh=sinsin+coscoscos(1)式中，h为太阳高度角，表示从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在0。90。之间变化，日出、日落时计为0。，太阳在正顶时为90；为地理经度；为太阳赤纬角；3为太阳时角，以当地真太阳时正午为0,每隔Ih变化15,上午为正，下午为负.太阳方位角的计算式为cosY=Sinhsin-Sincoshcos(2)式中，为太阳方位角即太阳所在方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角.方位角以正南方向为0。，由南向东、向北为负，由南向西、向北为正，如：太阳在正东方时方位角为-90。，在正东北方时为T35,在正西方时

10、为90,在正北方时为180。.根据式（1）、式（2）可计算出各地区某一时刻太阳高度角与方位角，从而推算出该时刻太阳所在方位，从而控制聚光器进行追踪.太阳赤纬角是以年为周期进行变化的，一年之内每天太阳的赤纬角都不相同.通过时钟控制计算太阳方位前，需要将一年内的太阳赤纬角值储存起来，在计算某天太阳高度角和方位角时只需将其对应值取出代入即可.由于89C51单片机内储存空间有限，为了节约内部资源，将值储存在PC机中，在使用时用串口通信的方式再向89C51单片机输入值进行计算.PC机串口和单片机的工作电平不同（PC机采用的是RS232电平，单片机采用的是TT1电平），要实现PC机与单片机的通信，首先要进

11、行电平转换5.电平转换工作是借助MAX232芯片协助单片机完成的,它可实现RS232的IOV到TT1的5V之间的电平转化.MAX232与89C51单片机接线图如图1所示.图1中，MAX232一端的读写线与89C51单片机的P2.0、P2.1两个I/O口连接，一端与PC机串口连接，实现PC机与单片机的数据通信.89C51串行口有4种工作方式6（0、1、2、3）,每种工作方式中数据通讯基本的工作原理大致相同.其中串行口工作方式1最常用,也是本文采取的控制方式.此处对其原理进行简要介绍，其它方式不再赘述.图1MX232与89C51单片机接线图Fig.!ConnectiondiagramforMAX2

12、32and89C51串行口工作方式1中传送一帧数据的位数为10.第1位为起始位,值为0；后面为8位数据位，最低位在前，高位在后；最后1位为停止位，值为1根据串行口工作方式1的工作原理进行串口通信程序编写.串口通信首先需要进行串口参数初始化设置，然后通过定时器中断方式触发通信，进行数据传输.聚光器采用时钟控制时，需要每隔一段时间调整自身角度.这就要求单片机定期从PC机获取太阳赤纬角数据.因此采用定时器触发串口通信的方式，通信程序如下：voidinitO参数初始化(TMoD=OX20；定时器工作设置TH1=Oxfd;设置波特率T11=Oxfd;TR1=1中断开启及SCoN设置SM0-0；SM1=I

13、;REN=I;EA=1ES=I;for(i=0；iSBUF=tab1ei;whi1e(!TI)；TI=O;SBUF=a;whi1e(!TI)；TI=O;)3传感器跟踪模块设计传感器控制原理是通过光敏电阻组成的电桥将检测到光信号转化为模拟电压信号，将模拟电压信号交由AD转换器转化成为可被单片机识别的数字信号.单片机解读数字信号传递的信息后通过电机驱动器控制电机转动，并通过电机编码器的反馈实现闭环控制.其具体流程如图2所示6-8.图2传感器模块控制流程图Fig.2F1owchartofsensormodu1econtro1太阳跟踪控制中需要2个伺服电机控制聚光器的高度角和方位角，且要求所选AD转换

14、器至少有4路通道才能保证采集到高度角和方位角模拟信号.为了保证采集信号精确到小数点后两位，需采用分辨率不低于8位的AD转换器.89C51型单片机有P0、P1、P2、P3共4种I/O口，每种I/O口正好有8个I/O通道对应AD转换器的8个信号输入通道.为了满足传感器控制精度及I/O通道相互匹配要求，本文选择分辨率为8位，采样通道为8个的ADCO809作为转换芯片.AD转换器的工作频率一般与单片机不同.ADC0809芯片需要在500kHz的频率下才能正常工作，而此设计模块中89C51单片机的工作频率为12MHz,两者的工作频率不一致.为了保证89C51单片机和ADC0809芯片能同时正常工作，采用

15、741S74分频芯片将89C51单片机12MHz的晶振频率分频为500kHz,为ADC0809提供所需的工作频率.ADC0809中有8个采样通道，根据3条模拟输入地址线A、B、C对这些通道进行选择，选择形式如表1所示.表1ADC0809通道选择表Tab.ITab1eofADC0809channe1se1ectionCBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809芯片通过ST、EOC和OE三个引脚控制与89C51型单片机数据交换.ST为转换启动信号，当ST为上跳沿时，所有内部寄存器清零；ST为下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平.EOC为转换结束信号，OER时，输出数据线呈高阻状态，禁止数据转换.D7DO为数字量输出线.图3为AD转换器与光电检测装置接线图.采用双通道光强检测装置，将2个通道采入的模拟信号接入AD转换器的IN0、INI通道.通过ADeO809将2个通道的模拟信号转化成数字信号后交由单片机处理.单片机对2个通道信号进行比较和分析后控制聚光器转动.编写AD程序.程序如下:voidAD()inti；for(i=0；iA=i；ST=O；de1ay(1)；ST=1；de1ay(1)；ST=O；whi1e(EOC=O);OE=1；ai=P1;de1ay(1)