基于89C51单片机太阳能跟踪控制装置设计

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、髙稳定性的太阳 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：tk

2、 51； tp 27文献标志码：a design of a solar tracking controller based on the 89c51 microcontrollergan yil , wang zijianl , zeng lecai2 , yang jiarong2, he yan3(1.school of mechanical engineering, universityof shanghai for scienee and technology,shanghai 200093, china； 2. shanghai elec trie group,shanghai 20

3、0070, china；3.department of tianhua , shanghai normal university, shanghai 201815, china)abstract： according to the operating principle of composite control generally applied for solar tracking control , an embedded solar tracking controller was designed using the inexpensive and lowpower 89c51 mcu

4、to meet the requirements of composite contro1.the ad converter module and communication module with pc were integrated into the tracking controller in order to realize the sensor control and clock control functions. tests on the performance of the concentrator equipped with the newlydesigned control

5、ler and the fixedtype condenser were carried out under the same experimental conditions.the test results showed that the receiving rate of the concentrator equipped with the newlydesigned controller is increased by about 35% in comparison with the fixedtype condenser in addition , the newlydesigned

6、controller enhances greatly the tracking ability and stability of the solar installation.key words: solar tracking controller ； mcu ； composite control； receiving rate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太阳能发电研究的重要课题之一 1-2. 美国blackace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

7、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

8、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

9、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4-51.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，从而控制聚光器转动.太阳高度角计算式为sin h=sin sin 6 +cos cos 6 cos o (1)式中，h为太阳高度角，表示从

10、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； 6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1 h变化15° ,上午为正，下午为负.太阳方位角的计算式为cos y =sin hsin -sin 6 cos hcos (2)式中，v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，女口：太 阳在正东方时方位角为-90。，在正东北方时为-135° ,在

11、正西方时为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8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5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6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8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 rs23

12、2电平，单片机采用的是ttl电平），要实现pc机与单 片机的通信，首先要进行电平转换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10 v到 ttl的5 v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 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

13、赘述.图1max232与89c51单片机接线图fig. iconnection diagram for max232 and 89c51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：void init () /参数初始

14、化tm0d=0x20 ；/定时器工作设置thl=0xfd； /设置波特率tll=0xfd；tr1=1； 中断开启及scon设置sm0二0；sm1二1；ren二1；ea=1；es=1；for (i二0； i 表1adc0809通道选择表tab. itable of adc0809 channel selectioncba 选 择 的 通 道 000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7adc0809芯片通过st、eoc和0e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

15、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，0e=0 时，输出数据线呈高阻状态，禁止数据转换.d7d0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 ino、in1通道通过adc0809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：void ad ( )图5定点式和复合控制时间-反射能int i；for (i=0； i量关系图fig. 5reflected energy versus time for fixed

16、point type and composite control实验结果表明，配备了基于89c51单片机设计的太阳能 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%,且跟踪稳定性良好.7结论本文对复合控制原理进行了详细介绍，并根据复合控制的原理，阐述了采用价格低廉、低功耗的89c51型单片机设 计一款能够满足复合控制功能要求的太阳能跟踪控制装置 的设计思想与实现途径通过实际运行比较，配备有基于89c51单片机设计的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%,实现了高精度、高稳定性的太 阳能跟踪控制.参考文献：1 杨志成，柳浩，孔祥斌，等基于dsp的太能跟踪控 制系统

17、研究j.计算技术与自动化，2011, 30 (2)： 38-41.2 张晨，杨洪海，刘秋克，等开式热源在热泵系统中 的应用分析j.能源研究与信息，2010, 26 (4)： 52-56.3 张利明，杜春旭，吴玉庭，等.基于8051单片机的 碟式太阳能跟踪控制系统j太阳能技术与产品，2007, 20(6)： 19-21.4 黄钉劲，费韩，吕宏.基于can总线的太阳能控制器 设计j电子测量技术，2010, 33 (7)： 92-95.5 郭铁铮，刘德有，钱艳平，等.基于dsp的定日镜跟 踪控制系统研究j.太阳能学报，2010, 31 (1)： 5-10.6 郭庆云，续明进，张振国基于ge智能控制平台的 太阳能跟踪控制系统设计j.北京印刷学院学报，2012, 20(2)： 57-58.7 刘贤群，蒋逢灵.基于plc的碟式太阳能跟踪控制系 统设计j.微型机与应用，2012, 31 (5)： 84-86.8 韩宇龙，於正强，赵安璞，等基于垂直双轴结构太 阳能光电跟踪系统研究j.半导体技术，2010, 35 (11)： 1122-1125.9 王孝红，刘化果.塔式太阳能定日镜控制系统综述 j1.济南大学学报(自然科学版),2010, 24 (3)： 302-307.10 黄海宏小功率简易型太阳能控制器设