基于ATmega8的双轴太阳跟踪器设计策略

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   太阳能作为一种清洁能源,倍受人们重视,因此提高太阳能的利用率已成为研究热点。理论分析表明:精确跟踪与非跟踪太阳,其能量的接收效率相差37.7%。因此精确跟踪太阳,对其利用率的提高是很显著的。

    跟踪太阳的方式主要有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。前者是闭环的随机系统,跟踪灵敏度高,结构设计较为方便,易于实现,但受天气影响大,如果长时间乌云遮住太阳,太阳光线往往不能照到感光元件,导致跟踪装置无法对准太阳,甚至会出现误动作;后者是开环的程控系统。在任何天气下都可正常工作,但在跟踪过程中不能消除累积误差。该太阳跟踪器设计采用一种互补跟踪控制方式,在晴天时,选择跟踪灵敏度高的光电跟踪方式,而在天气状况不太好时。则切换到视日运动轨迹跟踪。

1 太阳跟踪器硬件设计

    图1为整个跟踪控制器的具体原理框图。单片机循环检测,通过光电检测模块所采集的信号判断工作模式。阴天时选择视日运动轨迹跟踪,通过读取时钟模块的日历时间信息计算此时本地太阳的高度角与方位角,进而通过单片机发出指令驱动电机转动跟踪;晴天时选择光电跟踪模式,通过光电检测模块检测到的信号驱动电机旋转跟踪。

1.1 ATmega8单片机

    这里选择性价比较高的ATmega8单片机为控制核心,ATmega8是一款具有RISC结构的高性能、低功耗的8位AVR微处理器。它具有130条指令(大多数指令执行时间为单个时钟周期),3个定时器,3通道PWM,10位A/D转换器,2个可编程的串行USART,SPI串行接口,I2C接口等功能模块。该太阳跟踪器可采用单片机内部的A/D采样、PWM通道、I2C接口等功能模块,从而简化程序编程。

1.2 光电检测模块

    利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理,将4只完全相同的光敏电阻分别放置于太阳光接收器的东南西北方向,负责侦测这4个方向的光源强度。如果太阳光垂直照射太阳能电池板,东西(南北)2只光敏电阻接收到的光照强度相同。其阻值完全相等,此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板的法线有夹角时,接收光强多的光敏电阻阻值减小,信号采集电路采集到光敏电阻的信号差值,控制电路将其差值转换成控制信号,驱动电动机转动,直至2只光敏电阻上的光照强度相同。

    图2是光电检测模块的俯视简图,共由5只光敏电阻组成。正中央1只,旁边4只围成一圈。左右2只光敏电阻(A、B)检测太阳方位角的变化,上下2只(C、D)检测太阳高度角的变化。中间1只用于检测环境亮度判断白天还是晚上,晴天还是阴天。图3是5路光敏电阻与ATmega8的连接电路,电源电压经光敏电阻和定值电阻的分压后送入ADCx引脚。

1.3 实时时钟模块

    由于系统需进行时间控制,因此,需采用实时时钟。若使用单片机计时,长时间会引起较大误差,因此使用串行实时时钟PCF8583。该器件具有实时时钟,可提供秒、分、时、日、星期、月和年(闰年补偿),可采用12 h或24 h方式计时。它具有日历时钟、计时、可编程定时中断,并提供256字节低功耗静态RAM。采用I2C总线串行数据线,可方便与单片机接口。采用双电源(主电源和备用电源)供电。PCF8583与ATmega8通过I2C总线连接,其连接电路如图4所示。

1.4 步进电机及驱动器

    该太阳跟踪器选用57BYG系列二相/四相混合式步进电机,步距角为1.8°,要满足高精度跟踪要求,必须提高电机步进角度的分辨率,因此选用TS-220系列高性能步进电机细分驱动器作为控制电路。驱动器选用原装驱动模块,纯正弦波电流细分控制方式,具有很强的抗干扰能力。控制信号与内部线路实现光电隔离,并具有精度高,可靠性好,电机噪音极低等特点。

2 太阳跟踪器软件设计

    该跟踪器软件采用ATmega8单片机C语言,选用ICCAVR编译器,主要包括主程序、光电跟踪子程序、视日运动轨迹跟踪子程序等。

2.1 太阳跟踪主程序

    主程序初始化单片机相关功能模块,巡回检测光电检测模块的信号,判断当前工作在光电跟踪还是视日运动轨迹跟踪控制方式,进而驱动步进电机驱动器控制太阳能利用装置始终正对太阳。其主程序流程如图5所示。

2.2 光电跟踪子程序

    光电检测模块探测太阳位置,通过ATmega8的ADCx引脚送入单片机,经过A/D转换通过信号差值判断太阳能利用装置是否正对太阳,直到调整太阳能利用装置对准太阳,然后再返回主程序。光电跟踪子程序流程如图6所示。

2.3 视日运动跟踪子程序

    所谓程序跟踪就是跟踪太阳高度角和方位角。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,在地平坐标中,太阳的位置可由高度角α与方位角ψ来确定。

式中,δ为太阳赤纬角;φ为当地的纬度角;ω为时角。
    太阳赤纬角与时角由本地时间确定,而对于确定的地点,本地的纬度角也是确定的,因此只要输入当地相关地理位置与时间信息就可确定此时刻的太阳位置。视日运动轨迹跟踪子程序流程如图7所示。

3 结束语

    该太阳跟踪器以ATmega8单片机为核心,外围电路简单,性能稳定可靠,跟踪精度高,能自动识别天气状况,使光电跟踪和视日运动轨迹跟踪控制方式的优点得到有效互补,但在抗风和掉电保护等方面还需进一步研究。由于该太阳跟踪器结构简单,价格低廉,所以具有发展潜力,可广泛应用于太阳灶、太阳能光伏(平板和聚光)发电系统、太阳能聚焦热水器系统、太阳能制氢、太阳能集能器等那些需实时精确跟踪太阳的应用领域。

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