文章编号:1007-757X(2020)12-0072-04
谭建斌，班，郑亚，冯泽君
(佛山职业技术学院电子信息学院，广东佛山528137)
摘要：针对传统的自动追踪控制系统没有考虑一天之内太阳的位置不断变化，太阳光接受率实际上与受光面的位置相关，而忽略了太阳运行规律，导致切换追踪模式时的计算存在极大误差的问题，设计了基于STC8F单片机的太阳能自动追踪控制系统#在硬件方面，设计STC8F单片机作为系统中的连接电路，设计光电检测电路和自动控制电路进行位置追踪；在软件方n，根据太阳运动规律，设计系统自动追踪控制模式，实现对太阳能的自动追踪#实验结果：与两种传统追踪控制系统相比，此次设计的自动追踪控制系统，在计算太阳位置时的误差最小，最贴近实际值#由此可见，基于STC8F单片机设计的系统，更
加适合自动追踪太阳能光照位置#
关键词：STC8F单片机；太阳能自动追踪控制系统；太阳运行规律；追踪模式
中图分类号：TM615文献标志码：A
Design of Solar Energy Automatic Tracking Control System
Based on STC8f Single Chip Microcomputer
TAN Jianbin,BAN Qun,ZHENG Ya,FENG Zejun
(School of Electronic Information,Foshan Polytechnic,Foshan528137,China)
Abstract:The traditional automatic tracking control system does not consider the changing position of the sun in a day.In fact, thesunlightacceptancerateisactua l yrelatedtothepositionofthelightreceivingsurface!butthetraditionaldesignignores thesunoperationlaw!whichleadstoagreaterrorofthetracking modeincalculation Asolarautomatictrackingcontrolsys-tem based on STC8F single-chip microcomputer is designed.In the hardware part,STC8f microcontroller is used as the connection circuit of the system,photoelectric detection circuit and automatic control circuit are designed to track the sun position；in thesoftwarepart!accordingtothelawofsolarmotion!theautomatictrackingcontrolmodeofthesystemisdesignedtorealize theautomatictrackingofsolarenergy Experimentalresultsshowthatcomparedwiththetwotraditionaltrackingcontrolsys-ems!the designed automatic tracking control system has the sma l est error in calculating the sun position!which is clos
est to theactualvalue It can be seen that the system based on STC8f is more suitable for automatica l y tracking the position of solar energy
Keywords：STC8f single chip microcomputer；solar energy automatic tracking control system；solar operation law；tracking mode
0引言
为了缓解能源资源短缺问题，光伏发电技术逐渐发展，并成为主流技术，为国家和社会的发展提供更加先进的技术支持。目前的光伏发电主要应用在取暖和发电两方面，将太阳能作为主要能源，维持人类的生产生活需求&根据该技术，设计出了若干个太阳能自动追踪控制系统，其中文献
提出，根据光伏逆变器，设计太阳能自动追踪控制系统；文献基于单片机，设计跟踪式的太阳能追光控制系统两个文献设计的系统，都能实现对太阳能的利用。但研究发现，这类系统在计算太阳位置时，存在一定程度的误差，影响追踪效果，因此在使用STC8F单片机的基础上，通过保证硬件的控制效果，设计一个计算误差更小的追踪控制系统，为太阳能位置的自动追踪提供更加可靠的控制效果&
1基于STC8F单片机设计太阳能自动追踪控制系统硬件
基于STC8F单机设计太阳能自动控制
统硬件之前，首先需要了解整个基于STC8F单片机的太阳能自动追踪控制系统设计，其整体框架，如图1所示&
基金项目：佛山市科技创新项目(1920001001825)
作者简介：谭建斌(1982-)，男，硕士，讲师，研究方向：光伏应用产品设计与幵发、嵌入式应用技术&班(1977-)，女，博士，讲师，研究方向：光伏应用产品设计与幵发&
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郑亚(1989-)，男，本科，讲师，研究方向：光伏应用产品设计与幵发&
冯泽君(1988-)，男，硕士，讲师，研究方向：光伏应用产品设计与幵发&
・72・
图1系统整体框架过程图
1.1STC8F单片机连接电路
STC8F单机具8051高核，令
全兼容传统8051，的在线仿真&其FLASH字节为64K，可擦写100000次以上，支持太阳能自动追踪控
制系统的IS玖编程），其内部扩展RAM帧为2K字节。再 则，STC8F单片机拥有多个器、多个串口以组GPIO，集编程的时钟、电压控制电路&单片机型号为STC8F2K32S228I-LQFP32，替换原有系统中的8051单片机，将该硬件与系统其它硬件重新连接，彳新的控制电路如图2所示&
图2控制硬件电路图
根据图2可知，J1为电源，滤波电容为C9，该单片机为控制的核心，由于其的晶振精度
够理想，因此为减小串口波特率误差!振Y1进行辅助&P5.4为控制指示灯，指示太阳能的态。J2为串!和调试程序。SW1为关，用于设定通信
地址，令C6、C7尽量靠近单片机的GND&根据以
上步骤，重新设计太阳能自动控制硬件，加强STC8F单片机控制中的作用&
1.2设计光电检测电路
路是天气是晴天还是阴雨天，此次设计的太阳能自动控制，将二极管作为光电传感器，该硬件受导通!截止，因此结合器组成的路，向STC8F单片机信号，以此控制硬件追踪太阳光，单片机则根据P3.2和P3.3的高低，识别天气&
已知D1光敏二极管与普通二极管结构相似，其敏感元件是一个PN结，具有&当PN结处于反向工作状态，天气为阴天没有太阳，反向电阻大，反向电流小，处于介态；当PN结有太阳能，该结附近产生光电子，使少数载流子浓度增加，此时通过PN结的流也增加&已知路的流强度，随入射太阳光的照度而变，因此二极管D1将光信号转换为电信号&将D1负极接到电源正极，D1正极接源负极！路利用D1对路控制&设计的路如图3所示&
图3光电检测电路
根据图3所示，将二极极与器的同相接，反相则接入固定电压。晴天时，光敏二极管导通！压高于反相电压，此器会［一个高电平，当P3.0高电平时，整个就了太阳能的自动追踪&当天时，光敏二极管截止，此；
器同相的电压，低于反相压，经过［比个，此就动轨迹的自动&
1.3设计自动控制电路
控制中，执行器控制电路约束，当L检测电路太阳能信号时，将信号传递给控制中心&将STC8F 单片机与驱动器连接，形成集电极开路，这其中就包括了三极管，而三级管分发射区、基区以及集电区&设计的自动控制路接!如4所示&
图4单片机自动控制电路
已知中的伺服驱动器具有控制、速度控制、转矩控制功能，因此选择其中的控制功能，并控制器形式设，写入EEPROM、关闭电源，接通&令控制选为00示控制1示度控制2
示转矩控制。指令脉方式选择3，启动设备⑸。至此基于STC8F单机的硬设计&
2太阳能自动追踪控制系统统软件设计
硬件与相互连接、相辅相成，因此在硬件设计的基础上，再设计对太阳能的自动追踪控制：,
升与硬件的&
2.1计算太阳运行规律
设计对太阳能的自动控制!以太阳行规律为，因此根据地球和天球坐标系，计算太阳r 律，以此加强计算结果的准确程度。地球公转过程中，每
24会自圈，我球公的面，为黄面&根据学者研究显示，地球自与黄面法线近为23.45°&太阳对地球，是变化的，因此了、卩6（&设真太阳时为丁，太阳时角为〃，则的关系，如式（1）。
d=（T-12）X15X（1）
180
式中M的单位为，d的单位为弧度。而时差是真太阳与平太阳时的，则的关系，如式（2）。
丁=M++T=UT++T=
73
CST+(&—120j D4++M(2)
60
式中，M1表示平太阳日；+丁表示时差；UT表示格林尼治时间；CST表示北京时间；&表示地区经度&根据时间与太阳时角的关系，估算时差，如式(3)。
△M=%[X k cos(2k5)+Y sm{62))⑶式中，k表示日期；X k表示自转；Y k表示公转；N表示太阳变
化周期。其中X k与Y k的取值如表1所示&
表1X k与Y k的取值
河南省干部调整叫停
k Xk/h Y!/h
0 2.0870X10—40
19.2869乂10
一3—1.2229X10T 2—5.2258乂10一2—1.5698X10T
3—1.3077乂10一3—5.1602乂10一3
4—2.1867乂10一3—2.9823乂10一3谱网
5—1.5100X10—4—2.3463X10—4
根据以上内容，直接计算太阳的高度角和方位角，太阳
高度角和方位角的示意图，如图5所示&
天顶
东
图5太阳在空中的高度角与方位角
图5中！表示天顶角，"表示太阳高度角J表示太阳方位角。当太阳位于地平线时.=0j当太阳位于正上方时, .=90j存在2=90°—.。太阳方位角八如式(4)。
4=M i M2/+180胚
(1—(1(2)(4)式中(1、胚以及胚表示考虑太阳位置的常数项[(。此时2-以及4，可以根据赤纬角如纬度。、太阳时角忆得到计算方程，如式(5)。
5cos2=sin)sin3+cos)cos3cos5
4sin.=sin)sin3+cos)cos3>cos5(5)
6sin y=sin5cos3/sin2
结合式(3)和式(5)，得到太阳光入射角与日照时间之前的关公!如(6)。
3_cos2sin.、/2arccos(—tan)tan3)心、co汀=△丁sin[D15⑹式中过表示太阳光入射角&通过上述分析，实现对太阳运行规律的计算&
2.2设计太阳能自动追踪控制模式
自动追踪控制系统，要求在复杂多变环境中，可以快速、准确获取追踪目标。在太阳能自动追踪过程中，传感器没有接受到有效信号时，系统根据计算得到的太阳运行规律，设置自动追踪控制模式，自主追踪太阳能光辐射位置；当光敏二极管感知有效光照信号时，此时的单片机还未能接收，令系统打开粗追踪模式，对太阳位置进行初步定位；当单片机接受到光照信号后，以较高优先级抢断二极管的控制权，以STC8F单片机信号为系统动作的判断依据，进入精确追踪模式。带入计算所得的太阳运动规律参数，设计太阳能自动追踪控制模式流程图，如图6所示&
图6设计太阳能自动追踪控制模式流程图
自动追踪模式的控制切换策略示意图旧，如图7所示&
图7自动追踪模式控制切换策略
图7中！1表示光敏二极管传感器模块，进入粗追踪模式的阈值；2表示单片机将粗追踪模式，切换为精追踪模式的阈值&设计的太阳能自动追踪控制模式，在系统刚刚启动时，对于太阳的位置是未知的，因此以设定的搜索模式寻太阳能目标&当系统无法获取有效信息时，保持高度角，按照设定的速度旋转，若旋转过程中还是没有接收到有效信息，则一个搜索周期后，增加高度角继续搜索，直至
单片机接收到有效信号，进入粗追踪模式[0(。此时系统根据光敏二极管的反馈，接收照面位置，但由于系统误差较大，采用增量式PID的形式，如式(7)。
f(z)=f(z—1)+.1(e(.)—e(.—1))+
.2(e(.)—2e(.—1)e(.)+e(.—2))(7)式中！(.)表示当前系统偏差J(.)表示得出的系统输出；f
(.—1)为前一周期的系统输出；e(.—2)为前两周期的系统输出；.1表示系统比例放大系数；.2表示系统微分控制系数。通过上述过程，将系统初步锁定到目标附近，当单片机感知到有效信号后，系统迅速切换自动追踪控制模式，进入精追踪&精追踪模式采用模糊自适应PID控制方法，依据设定的模糊规则，对原始控制参数进行修正，同理公式(7)，如
(8)。
f()=f(.)+y e.)(8)式中,3表示控制器积分系数。通过该公式实时更新追踪数据，至此实现基于STC8F单片机的太阳能自动追踪控制系设计。
3测试与分析
太阳能自动追踪控制系统的硬件和软件设计完毕后，需要对系统的整体性能进行测试，检验系统硬件
、软件与其他装置组合后，是否可以兼容工作，并测试其追踪能力&为了验证此次设计系统性能，将两种传统追踪控制系统作为对照组，通过系统测试结果的合理性，判断此次设计系统与传统的计误。
3.1准备过程
搭建实验测试平台，选用可供系统运行的硬件装置，选用的系统装置实物图，如图8所示&
74
图8系统装置实物图
此次实验利用三个追踪控制系统，对2018年4月12日的太阳能方自动，当天不同时段的太阳位置标准，如表2所示&
以表2中的数据信息为标准，分别利用三种方法对太阳能进行自动，根据测试结果！结论&
3.2结果与分析（一）
以2018年4月12日上午8"0作为第一组追踪条件，利
该时段的太阳方位，三组对太阳的
表2太阳位置标准值参照表
计算结果，如图9所示&
段太阳高度标准太阳方标准7：006°5172°35‘
8：001613’60°74‘
9：0024°86‘4811
10：0031°95/32°66‘
11：0036°22‘15°21
12：0037°41—4°15/
13：0035°05‘—2224’
14：0029°63‘—38°69/
15：0022°25‘一58°22‘
16：0012°94/一65°65‘
17：00315’—7689’
a实验组计算结果b对照组A计算结果
图9上午8"0的太阳计算结果对照组B计算结果
由图9可知，实验组计算太阳位置的高度角为16.0742，方位角为60.0883；对照组A计算太阳位置的高度角为16.8964，方位角为61.2482；对照组B计算太阳位置的高度角为16.7205，方位角为61.2988，它们与太阳位置标准值之间的误差分别：太阳位置高度角一0.5558, 0.7664和0.5964，太阳位置方位角一0.0517,0.5082和0.5588，由此可见，实验组与标准值之间的误差最小，精确度最高，可以投入到实际应用中&如今技术还有待完善提升，以及种种原因，使得在测量不同时段太阳位置时会使得计算结果误差分布有所差异，统计后的太阳位置计算结果误差，如表3所示。
3太阳计结误
项目类组对组A对组B 高度角误差—055580.766405905
方误差—0.05170.508205588
根据统计结果可知，实验组的高度角与方，与的误差最小，而两个对照组的计算误差相对较大，可见此次设计的优于两个传统的自动控制系统。
3.3结果与分析（二）
为试结果的一致性，再将2018年4月12日下午14：00作为第二组条件，分别利用三组
，其太阳计算结果，如图10所示&
a组计结b对照组A计算结果c对照组B计算结果
图10下午14：00太阳位置计算结果
根据图10可知，实验组计算太阳位置的高度角为29.5941，方位角为一38.6805；对照组A计算太阳位置的高度角为29.1202，方位角为一38.2425；对照组B计算太阳位置的高度角为30.0174，方位角为一38.9923；它们与太阳位置标准值之间的误差分别：太阳位置高度角一0.0359,—0.5098和0.3874，太阳位置方位角一0.0095,—0.4475,0.3023，其中实验组的数据同样最贴近表2中的参考值，统计三组实验数据，计算三组实验对太阳位置的计误差，如表4所示&
4太阳计结误
项目类组对照组A对照组B 高度误—0.0359—050980.3874方误—0.0095—044750.3023
（下转第85页）
75
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魏晋南北朝志怪小说5数据性能图
5结 知，本文方法能够将 户数据 「隔
，将对组数据 有 合，变 组与 的数据,
有 了其 &因此，本文方 户数据 1
加密的性能 ，抗攻击能 强&
4总结
户数据 加密控制，构建 户数据数据加
密模型，采 攻击协议 户数据加密过程中的抗明文攻击协议设计，本文 基于椭圆曲 机控制的 户据 加密 ，采 段映射方法构建 户数据加密 的编码密钥协议，结合嵌 合编码方 户数据加密过程中的编码密钥设计，设计加密密钥和解密密钥，采 二进制的加密密钥序 控制，用更新好的密钥去密 的明文序列！
户数据 加密，采用二制的加密密 序 控制, 新 的密 去 密的明文序列！ 户数据 加密&研究得知，本文方 户 据 加密的 能 , 加密的 攻能 强&
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(上接第75页)
计结果显示，实验组的高度角与方 ，同样与 1的误差最小，而对照组数据经计 知，其误 大,
高于
组数据误差&综合两组 试结
知，实
组中的自动 控制系统，得到的数据误差最小，最接近
&
4 总结
此次设计的追踪控制 ，在保留原有系统的基础上，换传统单片机，加强总体控制功能，通过更加详细的计算
太阳运动规律，设计智能 换的 &但此次 并
没有加 天、阴天因素，今后的
中，可以从这个角
度
能&
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