智能型太陽能跟蹤系統設計

分類：技術教程日期：2013-12-23 00:00:00 來源：西部工控網

　　0引言

　　隨著社會經濟的快速發展，人類所面臨的能源問題越來越突出，太陽能作為一種清潔能源，無疑受到各國的普遍重視。如何提高太陽能的利用效率成為研究熱點，太陽跟蹤是提高利用率的一種途徑。目前太陽跟蹤的方式有多種，主要有光電式和機械式。前者為被動跟蹤，受環境影響較大，尤其在多云或陰天時;后者為主動式，其原理是通過程序計算出太陽位置，控制步進電機跟蹤太陽;目前國內大多數采用后者的方式[1]。但這種跟蹤方式會存在累積誤差，主要原因是采用的太陽位置坐標模型不夠精確;由于是開環控制，機械結構變形及電機在執行過程中產生的誤差難以消除，跟蹤的精度隨運行時間的增加而降低。本文采用以程控跟蹤為主、光電跟蹤為輔的跟蹤方式，同時更新了計算太陽坐標位置的數學模型，從而提高了跟蹤精度，實現了全自動跟蹤，對于實現大型太陽能熱發電具有重要意義。

　　1太陽能跟蹤系統的功能與結構

　　1.1系統組成及結構

　　智能型太陽能跟蹤裝置主要由微處理器控制單元、光電檢測單元、液晶顯示模塊、存儲單元和鍵盤及相應的外圍電路、手動控制單元等組成，如圖1所示。軟件部分包括操作系統的移植和應用程序的編寫。

　　圖1太陽能跟蹤系統硬件組成

　　1.2系統功能

　　1)鍵盤及顯示屏。設有4×4的鍵盤和一塊320×240點陣的液晶顯示器(liquidcrystaldisplay，LCD)，主要用于手動控制和人機交互，便于用戶設置時間和位置參數，并對系統的運行狀態進行監視。

　　2)檢測模塊。檢測模塊安裝在集熱器面板或者與集熱器平行的面板上，主要用于檢測系統運行時的環境條件[2]。其功能可分為2個方面：①檢測環境光線強弱程度，以區別白晝和夜晚;在陰天光照強度不夠時，系統檢測到信號后自動處于待機狀態，避免不必要的能源浪費，從而達到系統的自動控制。②提供水平和俯仰方向上的誤差信號。在系統正常跟蹤狀態時，跟蹤方式為程控跟蹤，由于計算誤差和機械誤差的存在，在系統長期運行后，累積誤差無法消除。檢測模塊檢測到累積誤差后，發出中斷信號，微控制芯片響應中斷，發出相應指令控制執行機構動作以修正誤差，從而達到閉環控制。

　　3)電源電路。電源電路主要為微控制器、外圍器件以及控制系統中所用到的其他芯片提供工作電源。由于采用的ARM微控制器為LPC2290，而它具有獨立的模擬電源和數字電源，為降低出錯幾率，模擬電源和數字電源應該隔離。因此接入的220V電源經濾波后分為2路：一路作為步進電機驅動器工作電源;一路經整流后為系統提供+5V和+15V電源。微控制器的2組電源在+5V的基礎上經過一個電壓調節器分別輸出+3.3V和+1.8V。

　　4)存儲模塊。采用的LPC2290片內只有16kB的靜態隨機存取存儲器(staticRAM，SRAM)，沒有可以利用的片內只讀存儲器(readonlymemory，ROM)或FLASH存儲器，因此需要對其進行擴展，用以存儲操作系統和運行程序，以防斷電后丟失程序。

　　5)執行機構。執行機構主要是驅動模塊、步進電機以及相應的支撐結構。驅動模塊接受微控制器的輸出脈沖后，經光電隔離后進行放大循環輸出。步進電機能夠直接進行數字控制，將脈沖序列轉化為相應的角位移，即接受一個脈沖，步進電機就轉過一個角位移。支撐結構將步進電機輸出的功率降速增距后，分別轉化為水平方向的低速旋轉運動和垂直方向的俯仰運動以跟隨太陽。

　　2太陽能跟蹤系統的設計與實現

　　2.1ARM微處理器

　　本文選用微控制器LPC2290。LPC2290是一個基于實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S(ARM芯片)CPU的微控制器，對代碼規模有嚴格控制，可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%而性能的損失卻很小[3]。由于LPC2290的144腳封裝、極低的功耗、2個32位定時器、8路10位模數轉換器(analog-to-digitalconverter，ADC)、脈寬調制輸出(pulsewidthmodulation，PWM)以及多達9個外部中斷使它們應用得非常廣泛。并通過外部存儲器接口，可將存儲器配置成4組，每組容量高達16MB，共64MB。因此，LPC2290高性能的ARM7CPU內核和豐富的片上外設，可使系統設計簡化，并大幅降低系統成本。

　　2.2液晶顯示模塊

　　液晶模塊選用RT12864-M，內嵌ST7920中文字型點矩陣LCD驅動/控制器，它可以顯示字母、數字符號、中文字型以及自定義圖形。特點是可以提供3種控制接口：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。顯示RAM、字符產生器、液晶驅動和控制電路均包含在一個芯片內，其中LPC2290與RT12864-M的連接如圖2所示。

　　圖2LPC2290和RT12864-M的連接

　　2.3存儲模塊

　　LPC2290片內有16kB的片內SRAM，沒有可以利用的片內ROM或FLASH存儲器，程序掉電就會失去，不能固化。因此在系統內擴展了2MB的FLASH存儲器，型號為SST39VF160，它是一個CMOS多功能FLASH(MPF)器件，由SST(siliconstoragetechnologyinc.)公司特有的高性能Super-FLASH技術制造而成，SuperFLASH技術提供了固定的擦除和編程時間，與擦除/編程周期數無關。圖3為LPC2290與SST39VF160的連接示意圖，SST39VF160的片選信號為CS0，將其配置成Bank0，其訪問的起始地址為0x80000000，即LPC2290的Bank0存儲空間。SST39VF160是16位總線接口，A0腳空置，只使用LPC2290的地址總線A1~A20。