基于嵌入式技術(shù)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

仝曉梅 鞏瑞春

摘 要：采用主控制器ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，系統(tǒng)主要完成太陽(yáng)位置計(jì)算、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)、顯示、監(jiān)控等功能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中時(shí)間和日期以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的位置，并與編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向程序計(jì)算的位置運(yùn)動(dòng)。它可實(shí)時(shí)測(cè)量并追蹤太陽(yáng)方位，保持入射陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板相對(duì)垂直，從而有效提高太陽(yáng)能發(fā)電效率。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；太陽(yáng)跟蹤器；labview

中圖分類號(hào) ：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

太陽(yáng)能作為新能源的一種，有著它不可估量的市場(chǎng)和潛力。太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發(fā)電就是將太陽(yáng)光輻射能通過(guò)光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能。光伏（PV）發(fā)電技術(shù)在國(guó)外已得到深入研究和推廣，我國(guó)在技術(shù)上也已基本成熟，并已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。光熱發(fā)電，主要是采取聚焦技術(shù)，利用鏡面將陽(yáng)光集中起來(lái)，以便產(chǎn)生中高溫?zé)崮?，然后利用熱能產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)發(fā)電。但太陽(yáng)能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問(wèn)題，這對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽(yáng)能電池板基本上都是固定的，不能充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽(yáng)能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽(yáng)能，則能充分利用豐富的太陽(yáng)能資源。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光照的控制系統(tǒng)，是非常有價(jià)值的研究課題。

2基于嵌入式技術(shù)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

圖1是基于ARM 11的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)整體框圖。系統(tǒng)由能量收集單元、數(shù)據(jù)采集單元、ARM11控制中心、角度調(diào)整單元和電源模塊等組成。系統(tǒng)主要完成太陽(yáng)位置計(jì)算、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)、顯示、監(jiān)控等功能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中時(shí)間和日期以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的位置，并與編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向程序計(jì)算的位置運(yùn)動(dòng)。它可實(shí)時(shí)測(cè)量并追蹤太陽(yáng)方位，保持入射陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板相對(duì)垂直。

2.1系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

圖2是跟蹤系統(tǒng)硬件組成圖，包括太陽(yáng)能電池板、支架、減速機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、絕對(duì)式編碼器、模擬信號(hào)采集模塊、控制中心等?？刂浦行倪x用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”結(jié)構(gòu)，板對(duì)板之間選用高質(zhì)量進(jìn)口連接器，堅(jiān)固耐用，鍍金工藝可保證其常年運(yùn)行不氧化。為保證用戶自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品品質(zhì)，采用6410核心板的用戶可以免費(fèi)得到四組底板插座。核心板尺寸僅5cm×6cm（業(yè)內(nèi)最?。瞿_多達(dá)320個(gè)，帶有CVBS輸出（內(nèi)部有16Mbit獨(dú)立視頻緩存）。軟件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（獨(dú)家提供）等主流操作系統(tǒng)，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，是系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)。主要完成數(shù)據(jù)顯示和控制信號(hào)輸出。

（1）實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控：將模擬信號(hào)采集模塊ADAM4022T采集的電能信息進(jìn)行顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）控制分析與控制輸出：控制主要以提高太陽(yáng)能采集效率為目的，以上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制PWM來(lái)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能采光板角度等方位坐標(biāo)的控制，以及電機(jī)的使能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中日期和具體時(shí)間以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，并與絕對(duì)式編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置角度相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，控制輸出信號(hào)包括控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、控制電機(jī)的使能、信號(hào)放大，通過(guò)綜合控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能電池板處于接收陽(yáng)光最大值的位置。

系統(tǒng)采用通用的RS485總線，組建RS485工業(yè)網(wǎng)。RS485總線是一種基于平衡發(fā)送和差分接受的串行總線，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，在適當(dāng)?shù)牟ㄌ芈氏聜鬏斁嚯x遠(yuǎn)。同時(shí)由于其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，組建控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業(yè)總線形式，可以較好的配套相關(guān)器件，有利于系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)。

2.2系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用的是功能強(qiáng)大的圖形化編程軟件——虛擬儀器（labVIEW）。它能夠?yàn)殚_發(fā)者提供簡(jiǎn)明、直觀的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時(shí)間，大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，體現(xiàn)出了極高的開發(fā)效率。同時(shí)由于LabVIEW內(nèi)集成了多種控件，可以實(shí)現(xiàn)比較專業(yè)的、美觀的人機(jī)界面，方便用戶使用。

系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)，ARM11首先根據(jù)天文模型中日期和具體時(shí)間以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，并存儲(chǔ)在ARM11的內(nèi)部FLASH中。此時(shí)系統(tǒng)打開處理器內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換通道，接收角度傳感器傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以獲取當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度。通過(guò)比較當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度和天文模型中計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，系統(tǒng)打開PWM控制器，輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換同步進(jìn)行，當(dāng)當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度和天文模型中計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置相等時(shí)停止PWM控制器輸出，設(shè)定合適的采樣時(shí)間，控制過(guò)程循環(huán)進(jìn)行。圖3為系統(tǒng)軟件流程圖。

3實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以包頭為例，（地理坐標(biāo)：109.83E、40.65N），每2個(gè)小時(shí)為 1時(shí)間段，見(jiàn)表1。

說(shuō)明：測(cè)試時(shí)間為冬天，東西向，單位千瓦時(shí)。如果采用固定位置每天的有效日照大約5h，而采用自動(dòng)跟蹤每天的有效日照大約8h。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，基于當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式控制系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的LabVIEW編程方式，打造出易于開發(fā)、功能豐富、人機(jī)界面友好的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)；由于充分的平衡了系統(tǒng)成本和太陽(yáng)能利用效率的關(guān)系，使方案具有較好的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]侯國(guó)屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]鄭靈翔.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北航出版社，2006.

[3]張建波，殷群.嵌入式太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].桂林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（06）.

[4]劉君華，賈惠芹，丁暉，等.虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW教程[M].西安：西安電子科技出版社，2003.

摘 要：采用主控制器ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，系統(tǒng)主要完成太陽(yáng)位置計(jì)算、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)、顯示、監(jiān)控等功能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中時(shí)間和日期以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的位置，并與編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向程序計(jì)算的位置運(yùn)動(dòng)。它可實(shí)時(shí)測(cè)量并追蹤太陽(yáng)方位，保持入射陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板相對(duì)垂直，從而有效提高太陽(yáng)能發(fā)電效率。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；太陽(yáng)跟蹤器；labview

中圖分類號(hào) ：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

太陽(yáng)能作為新能源的一種，有著它不可估量的市場(chǎng)和潛力。太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發(fā)電就是將太陽(yáng)光輻射能通過(guò)光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能。光伏（PV）發(fā)電技術(shù)在國(guó)外已得到深入研究和推廣，我國(guó)在技術(shù)上也已基本成熟，并已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。光熱發(fā)電，主要是采取聚焦技術(shù)，利用鏡面將陽(yáng)光集中起來(lái)，以便產(chǎn)生中高溫?zé)崮?，然后利用熱能產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)發(fā)電。但太陽(yáng)能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問(wèn)題，這對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽(yáng)能電池板基本上都是固定的，不能充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽(yáng)能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽(yáng)能，則能充分利用豐富的太陽(yáng)能資源。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光照的控制系統(tǒng)，是非常有價(jià)值的研究課題。

2基于嵌入式技術(shù)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

圖1是基于ARM 11的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)整體框圖。系統(tǒng)由能量收集單元、數(shù)據(jù)采集單元、ARM11控制中心、角度調(diào)整單元和電源模塊等組成。系統(tǒng)主要完成太陽(yáng)位置計(jì)算、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)、顯示、監(jiān)控等功能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中時(shí)間和日期以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的位置，并與編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向程序計(jì)算的位置運(yùn)動(dòng)。它可實(shí)時(shí)測(cè)量并追蹤太陽(yáng)方位，保持入射陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板相對(duì)垂直。

2.1系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

圖2是跟蹤系統(tǒng)硬件組成圖，包括太陽(yáng)能電池板、支架、減速機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、絕對(duì)式編碼器、模擬信號(hào)采集模塊、控制中心等?？刂浦行倪x用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”結(jié)構(gòu)，板對(duì)板之間選用高質(zhì)量進(jìn)口連接器，堅(jiān)固耐用，鍍金工藝可保證其常年運(yùn)行不氧化。為保證用戶自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品品質(zhì)，采用6410核心板的用戶可以免費(fèi)得到四組底板插座。核心板尺寸僅5cm×6cm（業(yè)內(nèi)最?。瞿_多達(dá)320個(gè)，帶有CVBS輸出（內(nèi)部有16Mbit獨(dú)立視頻緩存）。軟件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（獨(dú)家提供）等主流操作系統(tǒng)，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，是系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)。主要完成數(shù)據(jù)顯示和控制信號(hào)輸出。

（1）實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控：將模擬信號(hào)采集模塊ADAM4022T采集的電能信息進(jìn)行顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）控制分析與控制輸出：控制主要以提高太陽(yáng)能采集效率為目的，以上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制PWM來(lái)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能采光板角度等方位坐標(biāo)的控制，以及電機(jī)的使能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中日期和具體時(shí)間以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，并與絕對(duì)式編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置角度相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，控制輸出信號(hào)包括控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、控制電機(jī)的使能、信號(hào)放大，通過(guò)綜合控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能電池板處于接收陽(yáng)光最大值的位置。

系統(tǒng)采用通用的RS485總線，組建RS485工業(yè)網(wǎng)。RS485總線是一種基于平衡發(fā)送和差分接受的串行總線，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，在適當(dāng)?shù)牟ㄌ芈氏聜鬏斁嚯x遠(yuǎn)。同時(shí)由于其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，組建控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業(yè)總線形式，可以較好的配套相關(guān)器件，有利于系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)。

2.2系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用的是功能強(qiáng)大的圖形化編程軟件——虛擬儀器（labVIEW）。它能夠?yàn)殚_發(fā)者提供簡(jiǎn)明、直觀的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時(shí)間，大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，體現(xiàn)出了極高的開發(fā)效率。同時(shí)由于LabVIEW內(nèi)集成了多種控件，可以實(shí)現(xiàn)比較專業(yè)的、美觀的人機(jī)界面，方便用戶使用。

系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)，ARM11首先根據(jù)天文模型中日期和具體時(shí)間以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，并存儲(chǔ)在ARM11的內(nèi)部FLASH中。此時(shí)系統(tǒng)打開處理器內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換通道，接收角度傳感器傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以獲取當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度。通過(guò)比較當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度和天文模型中計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，系統(tǒng)打開PWM控制器，輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換同步進(jìn)行，當(dāng)當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度和天文模型中計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置相等時(shí)停止PWM控制器輸出，設(shè)定合適的采樣時(shí)間，控制過(guò)程循環(huán)進(jìn)行。圖3為系統(tǒng)軟件流程圖。

3實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以包頭為例，（地理坐標(biāo)：109.83E、40.65N），每2個(gè)小時(shí)為 1時(shí)間段，見(jiàn)表1。

說(shuō)明：測(cè)試時(shí)間為冬天，東西向，單位千瓦時(shí)。如果采用固定位置每天的有效日照大約5h，而采用自動(dòng)跟蹤每天的有效日照大約8h。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，基于當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式控制系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的LabVIEW編程方式，打造出易于開發(fā)、功能豐富、人機(jī)界面友好的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)；由于充分的平衡了系統(tǒng)成本和太陽(yáng)能利用效率的關(guān)系，使方案具有較好的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]侯國(guó)屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]鄭靈翔.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北航出版社，2006.

[3]張建波，殷群.嵌入式太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].桂林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（06）.

[4]劉君華，賈惠芹，丁暉，等.虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW教程[M].西安：西安電子科技出版社，2003.

摘 要：采用主控制器ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，系統(tǒng)主要完成太陽(yáng)位置計(jì)算、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)、顯示、監(jiān)控等功能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中時(shí)間和日期以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的位置，并與編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向程序計(jì)算的位置運(yùn)動(dòng)。它可實(shí)時(shí)測(cè)量并追蹤太陽(yáng)方位，保持入射陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板相對(duì)垂直，從而有效提高太陽(yáng)能發(fā)電效率。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；太陽(yáng)跟蹤器；labview

中圖分類號(hào) ：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

太陽(yáng)能作為新能源的一種，有著它不可估量的市場(chǎng)和潛力。太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發(fā)電就是將太陽(yáng)光輻射能通過(guò)光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能。光伏（PV）發(fā)電技術(shù)在國(guó)外已得到深入研究和推廣，我國(guó)在技術(shù)上也已基本成熟，并已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。光熱發(fā)電，主要是采取聚焦技術(shù)，利用鏡面將陽(yáng)光集中起來(lái)，以便產(chǎn)生中高溫?zé)崮?，然后利用熱能產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)發(fā)電。但太陽(yáng)能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問(wèn)題，這對(duì)太陽(yáng)能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽(yáng)能電池板基本上都是固定的，不能充分利用太陽(yáng)能資源，發(fā)電效率低下。如果能始終保持太陽(yáng)能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽(yáng)能，則能充分利用豐富的太陽(yáng)能資源。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)能自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光照的控制系統(tǒng)，是非常有價(jià)值的研究課題。

2基于嵌入式技術(shù)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

圖1是基于ARM 11的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)整體框圖。系統(tǒng)由能量收集單元、數(shù)據(jù)采集單元、ARM11控制中心、角度調(diào)整單元和電源模塊等組成。系統(tǒng)主要完成太陽(yáng)位置計(jì)算、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)、顯示、監(jiān)控等功能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中時(shí)間和日期以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的位置，并與編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向程序計(jì)算的位置運(yùn)動(dòng)。它可實(shí)時(shí)測(cè)量并追蹤太陽(yáng)方位，保持入射陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板相對(duì)垂直。

2.1系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

圖2是跟蹤系統(tǒng)硬件組成圖，包括太陽(yáng)能電池板、支架、減速機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、絕對(duì)式編碼器、模擬信號(hào)采集模塊、控制中心等?？刂浦行倪x用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”結(jié)構(gòu)，板對(duì)板之間選用高質(zhì)量進(jìn)口連接器，堅(jiān)固耐用，鍍金工藝可保證其常年運(yùn)行不氧化。為保證用戶自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品品質(zhì)，采用6410核心板的用戶可以免費(fèi)得到四組底板插座。核心板尺寸僅5cm×6cm（業(yè)內(nèi)最?。?，引出腳多達(dá)320個(gè)，帶有CVBS輸出（內(nèi)部有16Mbit獨(dú)立視頻緩存）。軟件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（獨(dú)家提供）等主流操作系統(tǒng)，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，是系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)。主要完成數(shù)據(jù)顯示和控制信號(hào)輸出。

（1）實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控：將模擬信號(hào)采集模塊ADAM4022T采集的電能信息進(jìn)行顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）控制分析與控制輸出：控制主要以提高太陽(yáng)能采集效率為目的，以上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制PWM來(lái)控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能采光板角度等方位坐標(biāo)的控制，以及電機(jī)的使能。主控制器ARM11根據(jù)天文模型中日期和具體時(shí)間以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，并與絕對(duì)式編碼器檢測(cè)的跟蹤軸位置角度相比較，根據(jù)兩者的差值輸出控制信號(hào)，控制輸出信號(hào)包括控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、控制電機(jī)的使能、信號(hào)放大，通過(guò)綜合控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能電池板處于接收陽(yáng)光最大值的位置。

系統(tǒng)采用通用的RS485總線，組建RS485工業(yè)網(wǎng)。RS485總線是一種基于平衡發(fā)送和差分接受的串行總線，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，在適當(dāng)?shù)牟ㄌ芈氏聜鬏斁嚯x遠(yuǎn)。同時(shí)由于其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制方便、易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，組建控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業(yè)總線形式，可以較好的配套相關(guān)器件，有利于系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)。

2.2系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用的是功能強(qiáng)大的圖形化編程軟件——虛擬儀器（labVIEW）。它能夠?yàn)殚_發(fā)者提供簡(jiǎn)明、直觀的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時(shí)間，大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，體現(xiàn)出了極高的開發(fā)效率。同時(shí)由于LabVIEW內(nèi)集成了多種控件，可以實(shí)現(xiàn)比較專業(yè)的、美觀的人機(jī)界面，方便用戶使用。

系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)，ARM11首先根據(jù)天文模型中日期和具體時(shí)間以及觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)度、緯度計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，并存儲(chǔ)在ARM11的內(nèi)部FLASH中。此時(shí)系統(tǒng)打開處理器內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換通道，接收角度傳感器傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以獲取當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度。通過(guò)比較當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度和天文模型中計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置，系統(tǒng)打開PWM控制器，輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換同步進(jìn)行，當(dāng)當(dāng)前的太陽(yáng)能電池板的角度和天文模型中計(jì)算出太陽(yáng)的角度位置相等時(shí)停止PWM控制器輸出，設(shè)定合適的采樣時(shí)間，控制過(guò)程循環(huán)進(jìn)行。圖3為系統(tǒng)軟件流程圖。

3實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以包頭為例，（地理坐標(biāo)：109.83E、40.65N），每2個(gè)小時(shí)為 1時(shí)間段，見(jiàn)表1。

說(shuō)明：測(cè)試時(shí)間為冬天，東西向，單位千瓦時(shí)。如果采用固定位置每天的有效日照大約5h，而采用自動(dòng)跟蹤每天的有效日照大約8h。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式技術(shù)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，基于當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式控制系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的LabVIEW編程方式，打造出易于開發(fā)、功能豐富、人機(jī)界面友好的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)；由于充分的平衡了系統(tǒng)成本和太陽(yáng)能利用效率的關(guān)系，使方案具有較好的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

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