智能型太阳能跟踪系统设计

0引言

随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视。如何提高太阳能的利用效率成为研究热点，太阳跟踪是提高利用率的一种途径。目前太阳跟踪的方式有多种，主要有光电式和机械式。前者为被动跟踪，受环境影响较大，尤其在多云或阴天时；后者为主动式，其原理是通过程序计算出太阳位置，控制步进电机跟踪太阳；目前国内大多数采用后者的方式[1]。但这种跟踪方式会存在累积误差，主要原因是采用的太阳位置坐标模型不够精确；由于是开环控制，机械结构变形及电机在执行过程中产生的误差难以消除，跟踪的精度随运行时间的增加而降低。本文采用以程控跟踪为主、光电跟踪为辅的跟踪方式，同时更新了计算太阳坐标位置的数学模型，从而提高了跟踪精度，实现了全自动跟踪，对于实现大型太阳能热发电具有重要意义。

1太阳能跟踪系统的功能与结构

1.1系统组成及结构

智能型太阳能跟踪装置主要由微处理器控制单元、光电检测单元、液晶显示模块、存储单元和键盘及相应的外围电路、手动控制单元等组成，如图1所示。软件部分包括操作系统的移植和应用程序的编写。

图1太阳能跟踪系统硬件组成

1.2系统功能

1）键盘及显示屏。设有4×4的键盘和一块320×240点阵的液晶显示器(liquidcrystaldisplay，LCD)，主要用于手动控制和人机交互，便于用户设置时间和位置参数，并对系统的运行状态进行监视。

2）检测模块。检测模块安装在集热器面板或者与集热器平行的面板上，主要用于检测系统运行时的环境条件[2]。其功能可分为2个方面：①检测环境光线强弱程度，以区别白昼和夜晚；在阴天光照强度不够时，系统检测到信号后自动处于待机状态，避免不必要的能源浪费，从而达到系统的自动控制。②提供水平和俯仰方向上的误差信号。在系统正常跟踪状态时，跟踪方式为程控跟踪，由于计算误差和机械误差的存在，在系统长期运行后，累积误差无法消除。检测模块检测到累积误差后，发出中断信号，微控制芯片响应中断，发出相应指令控制执行机构动作以修正误差，从而达到闭环控制。

3）电源电路。电源电路主要为微控制器、外围器件以及控制系统中所用到的其他芯片提供工作电源。由于采用的ARM微控制器为LPC2290，而它具有独立的模拟电源和数字电源，为降低出错几率，模拟电源和数字电源应该隔离。因此接入的220V电源经滤波后分为2路：一路作为步进电机驱动器工作电源；一路经整流后为系统提供+5V和+15V电源。微控制器的2组电源在+5V的基础上经过一个电压调节器分别输出+3.3V和+1.8V。

4）存储模块。采用的LPC2290片内只有16kB的静态随机存取存储器(staticRAM，SRAM)，没有可以利用的片内只读存储器(readonlymemory，ROM)或FLASH存储器，因此需要对其进行扩展，用以存储操作系统和运行程序，以防断电后丢失程序。

5）执行机构。执行机构主要是驱动模块、步进电机以及相应的支撑结构。驱动模块接受微控制器的输出脉冲后，经光电隔离后进行放大循环输出。步进电机能够直接进行数字控制，将脉冲序列转化为相应的角位移，即接受一个脉冲，步进电机就转过一个角位移。支撑结构将步进电机输出的功率降速增距后，分别转化为水平方向的低速旋转运动和垂直方向的俯仰运动以跟随太阳。

2太阳能跟踪系统的设计与实现

2.1ARM微处理器

本文选用微控制器LPC2290。LPC2290是一个基于实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S(ARM芯片)CPU的微控制器，对代码规模有严格控制，可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%而性能的损失却很小[3]。由于LPC2290的144脚封装、极低的功耗、2个32位定时器、8路10位模数转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)、脉宽调制输出(pulsewidthmodulation，PWM)以及多达9个外部中断使它们应用得非常广泛。并通过外部存储器接口，可将存储器配置成4组，每组容量高达16MB，共64MB。因此，LPC2290高性能的ARM7CPU内核和丰富的片上外设，可使系统设计简化，并大幅降低系统成本。

2.2液晶显示模块

液晶模块选用RT12864-M，内嵌ST7920中文字型点矩阵LCD驱动/控制器，它可以显示字母、数字符号、中文字型以及自定义图形。特点是可以提供3种控制接口：8位并行微控制器接口、4位并行微控制器接口和串行接口。显示RAM、字符产生器、液晶驱动和控制电路均包含在一个芯片内，其中LPC2290与RT12864-M的连接如图2所示。

图2LPC2290和RT12864-M的连接

2.3存储模块

LPC2290片内有16kB的片内SRAM，没有可以利用的片内ROM或FLASH存储器，程序掉电就会失去，不能固化。因此在系统内扩展了2MB的FLASH存储器，型号为SST39VF160，它是一个CMOS多功能FLASH(MPF)器件，由SST(siliconstoragetechnologyinc.)公司特有的高性能Super-FLASH技术制造而成，SuperFLASH技术提供了固定的擦除和编程时间，与擦除/编程周期数无关。图3为LPC2290与SST39VF160的连接示意图，SST39VF160的片选信号为CS0，将其配置成Bank0，其访问的起始地址为0x80000000，即LPC2290的Bank0存储空间。SST39VF160是16位总线接口，A0脚空置，只使用LPC2290的地址总线A1~A20。

图3LPC2290与SST39VF160的连接