碟式斯特林太陽自動跟蹤控制系統(tǒng)設計

摘要：針對碟式斯特林太陽能熱發(fā)電中的太陽跟蹤問題，提出了基于GPS的開環(huán)程序粗跟蹤和四象限硅光電池跟蹤校準的閉環(huán)跟蹤解決方法。以ATmega128單片機為主控制器，根據(jù)GPS模塊和反饋裝置獲得的信息，控制碟轉向機構的水平、俯仰兩個方向運動，實現(xiàn)對太陽位置的跟蹤，形成了一個精度高、受環(huán)境影響較小的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠保證碟式聚光器的光斑始終落在斯特林發(fā)動機的接收器上。
關鍵詞：太陽自動跟蹤；ATmega128；混合控制；碟式斯特林

引言
    碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置是一種通過聚焦太陽光產(chǎn)生高溫，進而推動斯特林發(fā)動機(熱氣機)輸出電能的裝置。圖1為典型碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置系統(tǒng)原理圖。它通過碟式聚光器聚焦太陽光，使之進入太陽光接收器，并轉化為熱能推動發(fā)電機運轉和輸出電能。裝置中設計有轉向機構，可保證裝置通過調(diào)節(jié)聚光器的仰角及水平角度實現(xiàn)追蹤太陽的目的，以提高太陽能利用率。為了使轉向機構實現(xiàn)其功能并最大限度地利用太陽能，需要設計一個能夠實時對太陽進行大范圍跟蹤的太陽跟蹤系統(tǒng)，使太陽光始終聚集在斯特林發(fā)動機的太陽光接收器上。

    本文采用混合控制方式，結合了開環(huán)跟蹤與閉環(huán)控制的優(yōu)點，以ATmega128單片機為主控制器，設計了一款碟式斯特林太陽跟蹤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)大范圍的各種天氣狀況下的太陽跟蹤，使碟式聚光器聚焦光斑都落在斯特林發(fā)動機的接收器上，提高系統(tǒng)的安全性和發(fā)電效率。

1 系統(tǒng)原理
    通過GPS接收器，得到碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置所在地的經(jīng)度、緯度以及UTC時間；通過開環(huán)的程序跟蹤，計算出太陽高度角和方位角，確定太陽當前的位置；輸出PWM信號，驅動轉向機構的水平與俯仰步進電機，使碟式聚光器達到預期位置；采用四象限硅光電池對碟式
聚光器做自動定位和誤差校正，進行閉環(huán)控制，微調(diào)聚光碟的位置，確保太陽光通過碟式聚光器聚焦都落在斯特林發(fā)動機的接收器上，以保證發(fā)動機的效率最大化。系統(tǒng)組成原理框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件
2．1 微控制器ATrnega128
    ATmega128單片機是基于AVR RISC結構8位低功耗CMOS微處理器，為AVR單片機系列中的高性能單片機。ATmega128單片機內(nèi)部帶有128 KB的在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲器、4 KB的EEPROM、4 KB的SRAM、53個通用I／O端口線、32個通用工作寄存器、8通道10位ADC、53個可編程I／O端口線、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數(shù)器(T／C)，能夠很方便地控制步進電機。
2．2 天氣模塊
    天氣模塊主要用于天氣狀態(tài)的檢測，如光強、風速和陰雨等。當風速達到或大于設定值時，ATmega128單片機發(fā)出指令，通過接口電路驅動轉向機構，使碟式聚光器保持安全位置狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)的安全。當系統(tǒng)采集的實時環(huán)境光強和實時時間都小于設定的最小經(jīng)濟發(fā)電光強時，碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置做出相應處理，等待光強達到設定值時再次運行。
2．3 GPS接收器
    GPS接收器采用Motorola公司的M12模塊，M12模塊接收衛(wèi)星信號，通過串口輸出信息。ATmega128單片機解碼出當?shù)氐慕?jīng)度、緯度以及UTC時間，根據(jù)天文公式，計算出當前太陽高度角和方位角。由于ATmega128單片機和M12模塊的I／O操作電壓范圍不同，所以兩者的串口之間需通過光電耦合器進行電平轉換才能保持穩(wěn)定通信，其電路如圖3所示。

2．4 碟轉向機構
    在時刻t，太陽的高度角h和太陽的方位角α分別為：
   
   
    其中，φ為當前碟安裝地點的地理緯度，δ為太陽的赤緯角，ω為太陽時角。
    碟轉向機構主要由水平方向調(diào)整電機、俯仰方向調(diào)整電機和減速箱組成。當ATmega128單片機根據(jù)M12模塊得到當前位置的經(jīng)緯度和時間，根據(jù)公式(1)、(2)計算出當前的太陽高度角增量和方位角增量，輸出一定數(shù)量的PWM信號，驅動電機在水平和俯仰兩個方向上進行調(diào)整，實現(xiàn)對太陽的初步跟蹤。
2．5 反饋調(diào)整部分
    如圖4所示，系統(tǒng)采用四象限硅光電池作為太陽跟蹤誤差校正用傳感器。假設太陽光經(jīng)光學系統(tǒng)在四象限硅光電池上成一圓斑狀的光斑且分布均勻，設其中心坐標為(X，Y)。當?shù)骄酃馄鲗侍枙r，四象限硅光電池的光軸對準太陽，圓斑的中心在光軸上，四個象限的硅光電池接收到相同的光功率，輸出相同的電壓信號，經(jīng)過和差運算放大器對信號處理后，輸出為零。當?shù)骄酃馄魑磳侍枙r，即四象限硅光電池的光軸未對準太陽，則太陽光與光軸成一角度θ，光線經(jīng)光學系統(tǒng)照射到四象限光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移(X≠0，Y≠0)，則各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同。和差運算放大器的輸出也隨之產(chǎn)生相對位移方向上的正負變化，ATmega128單片機根據(jù)該變化計算出需要調(diào)整的角度，輸出PWM信號，使俯仰角電機和方位角電機轉動，直到和差運算放大器輸出為零，表明系統(tǒng)已經(jīng)對準太陽。根據(jù)以上原理即可對碟式聚光器位置誤差進行校正。

2．6 觸模屏
    觸模屏主要用來對碟式斯特林系統(tǒng)進行參數(shù)設置或運行控制，并對系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)輸出顯示，是一個帶觸摸功能的工業(yè)平板電腦。與ATmega128單片機之間通過RS-232進行信息交換。

3 系統(tǒng)軟件描述
    ATmega128單片機軟件開發(fā)采用Atmel公司的AVR STUDIO3．53集成開發(fā)環(huán)境，提供AVR ASSEM-BLER編譯器、AVR STUDIO調(diào)試功能、AVR PROG串行／并行下載功能、JTAG ICE仿真功能，本設計采用的是JTAG ICE仿真調(diào)試。軟件設計包括單片機初始化設計、GPS模塊接口程序設計、主程序設計和上位機程序設計。
3．1 單片機初始化設計
    ATmega128單片機在工作前，需要對其進行初始化，主要設置ATmega128單片機以及外設的工作方式，使其能滿足系統(tǒng)工作要求。初始化工作主要有I／O端口初始化、ADC初始化、PWM初始化和串行口初始化等。其中串行口初始化usart0_init()的程序如下：
   
3．2 GPS模塊接口程序設計
    系統(tǒng)只需要M12模塊提供經(jīng)緯度，單片機與M12的接口程序流程如圖5所示。ATmega128首先請求M12模塊輸出定位數(shù)據(jù)(向M12模塊發(fā)出指令“@@EqmC”)，然后等待M12模塊回送數(shù)據(jù)。當M12模塊回送數(shù)據(jù)后，ATmega128首先做出判斷，確認其收到的是否為預期的定位信息，然后將定位信息(經(jīng)緯度數(shù)據(jù))截取下來，最后將串口的接收緩沖區(qū)清空，以免下次接收信息時出錯。

3．3 主程序設計
    主程序main()函數(shù)是一個無限循環(huán)程序，它能實現(xiàn)運行后根據(jù)太陽角度調(diào)整碟式斯特林系統(tǒng)的位置，根據(jù)反饋信號進行微調(diào)，產(chǎn)生脈沖信號驅動電機轉動，實現(xiàn)太陽跟蹤。當監(jiān)測到有中斷產(chǎn)生時，主程序停止運行，中斷程序設計包括天氣危害檢測處理和步進電機驅動芯片異常處理，中斷程序完成后再回到主程序。主程序流程如圖6所示。

3．4 上位機程序設計
    上位機程序設計采用Visual C++6．0，利用ActiveX控件簡化程序的設計難度。ActiveX控件包括一系列的屬性、方法和事件，使用ActiveX控件的應用程序和ActiveX控件之間的工作方式是客戶／服務器方式，即應用程序通過ActiveX控件提供的接口來訪問ActiveX控件。上位機串口的打開、串口參數(shù)的設置以及初始化變量的操作可以通過函數(shù)CTestDld：：OnInitDialog()實現(xiàn)，代碼如下：
   

4 應用結果
    所研制的自動跟蹤控制系統(tǒng)在碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置上投入了應用，在實際應用中，通過GPS獲得太陽赤經(jīng)緯度和時角，計算出太陽方位角和高度角，輸出一定的脈沖數(shù)，驅動伺服電機轉動，控制碟式聚光器跟蹤太陽。根據(jù)傳感器反饋信息，把太陽光光斑準確聚集在斯特林發(fā)動機的接收器上，碟式聚光器的光斑邊沿與斯特林發(fā)動機的接收器邊沿幾乎完全重疊。隨著太陽方位角的變化，該光斑能夠一直保持在斯特林發(fā)動機的接收器內(nèi)，光斑的偏離誤差在1cm以內(nèi)，滿足了碟式斯特林太陽能熱發(fā)電的工作需要；當天氣變化時，系統(tǒng)能夠做出相應處理，確保整個發(fā)電裝置的安全。

結語
    開環(huán)的程序跟蹤雖然在任何天氣下都可以正常工作，但是在跟蹤過程中，產(chǎn)生的累積誤差自身并不能消除。閉環(huán)控制能夠通過反饋來消除誤差，但作為反饋信號源的感光元件，在稍長時間段內(nèi)接收不到太陽光，會導致跟蹤系統(tǒng)的失效。本文設計的基于GPS的開環(huán)程序粗跟蹤和四象限硅光電池跟蹤校準的閉環(huán)跟蹤太陽方式，既彌補了開環(huán)跟蹤控制的缺點，又克服了光電跟蹤方式受環(huán)境影響較大的缺點，最終形成了一個精度較高、受環(huán)境影響較小的閉環(huán)控制系統(tǒng)。實際應用結果證明，效果良好，具有一定的設計參考價值。