智能型太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0引言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)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(diǎn)，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(jī)械式。前者為被動(dòng)跟蹤，受環(huán)境影響較大，尤其在多云或陰天時(shí);后者為主動(dòng)式，其原理是通過程序計(jì)算出太陽位置，控制步進(jìn)電機(jī)跟蹤太陽;目前國內(nèi)大多數(shù)采用后者的方式[1]。但這種跟蹤方式會(huì)存在累積誤差，主要原因是采用的太陽位置坐標(biāo)模型不夠精確;由于是開環(huán)控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)變形及電機(jī)在執(zhí)行過程中產(chǎn)生的誤差難以消除，跟蹤的精度隨運(yùn)行時(shí)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(shí)更新了計(jì)算太陽坐標(biāo)位置的數(shù)學(xué)模型，從而提高了跟蹤精度，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)跟蹤，對于實(shí)現(xiàn)大型太陽能熱發(fā)電具有重要意義。

　　1太陽能跟蹤系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

　　1.1系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

　　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(chǔ)單元和鍵盤及相應(yīng)的外圍電路、手動(dòng)控制單元等組成，如圖1所示。軟件部分包括操作系統(tǒng)的移植和應(yīng)用程序的編寫。

　　圖1太陽能跟蹤系統(tǒng)硬件組成

　　1.2系統(tǒng)功能

　　1)鍵盤及顯示屏。設(shè)有4×4的鍵盤和一塊320×240點(diǎn)陣的液晶顯示器(liquidcrystaldisplay，LCD)，主要用于手動(dòng)控制和人機(jī)交互，便于用戶設(shè)置時(shí)間和位置參數(shù)，并對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)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(tǒng)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境條件[2]。其功能可分為2個(gè)方面：①檢測環(huán)境光線強(qiáng)弱程度，以區(qū)別白晝和夜晚;在陰天光照強(qiáng)度不夠時(shí)，系統(tǒng)檢測到信號后自動(dòng)處于待機(jī)狀態(tài)，避免不必要的能源浪費(fèi)，從而達(dá)到系統(tǒng)的自動(dòng)控制。②提供水平和俯仰方向上的誤差信號。在系統(tǒng)正常跟蹤狀態(tài)時(shí)，跟蹤方式為程控跟蹤，由于計(jì)算誤差和機(jī)械誤差的存在，在系統(tǒng)長期運(yùn)行后，累積誤差無法消除。檢測模塊檢測到累積誤差后，發(fā)出中斷信號，微控制芯片響應(yīng)中斷，發(fā)出相應(yīng)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作以修正誤差，從而達(dá)到閉環(huán)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(tǒng)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(dú)立的模擬電源和數(shù)字電源，為降低出錯(cuò)幾率，模擬電源和數(shù)字電源應(yīng)該隔離。因此接入的220V電源經(jīng)濾波后分為2路：一路作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作電源;一路經(jīng)整流后為系統(tǒng)提供+5V和+15V電源。微控制器的2組電源在+5V的基礎(chǔ)上經(jīng)過一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器分別輸出+3.3V和+1.8V。

　　4)存儲(chǔ)模塊。采用的LPC2290片內(nèi)只有16kB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(staticRAM，SRAM)，沒有可以利用的片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器(readonlymemory，ROM)或FLASH存儲(chǔ)器，因此需要對其進(jìn)行擴(kuò)展，用以存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和運(yùn)行程序，以防斷電后丟失程序。

　　5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)模塊接受微控制器的輸出脈沖后，經(jīng)光電隔離后進(jìn)行放大循環(huán)輸出。步進(jìn)電機(jī)能夠直接進(jìn)行數(shù)字控制，將脈沖序列轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移，即接受一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角位移。支撐結(jié)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)輸出的功率降速增距后，分別轉(zhuǎn)化為水平方向的低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直方向的俯仰運(yùn)動(dòng)以跟隨太陽。

　　2太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1ARM微處理器

　　本文選用微控制器LPC2290。LPC2290是一個(gè)基于實(shí)時(shí)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(guī)模有嚴(yán)格控制，可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)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(gè)32位定時(shí)器、8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digitalconverter，ADC)、脈寬調(diào)制輸出(pulsewidthmodulation，PWM)以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們應(yīng)用得非常廣泛。并通過外部存儲(chǔ)器接口，可將存儲(chǔ)器配置成4組，每組容量高達(dá)16MB，共64MB。因此，LPC2290高性能的ARM7CPU內(nèi)核和豐富的片上外設(shè)，可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化，并大幅降低系統(tǒng)成本。

　　2.2液晶顯示模塊

　　液晶模塊選用RT12864-M，內(nèi)嵌ST7920中文字型點(diǎn)矩陣LCD驅(qū)動(dòng)/控制器，它可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型以及自定義圖形。特點(diǎn)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(chǎn)生器、液晶驅(qū)動(dòng)和控制電路均包含在一個(gè)芯片內(nèi)，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(chǔ)模塊

　　LPC2290片內(nèi)有16kB的片內(nèi)SRAM，沒有可以利用的片內(nèi)ROM或FLASH存儲(chǔ)器，程序掉電就會(huì)失去，不能固化。因此在系統(tǒng)內(nèi)擴(kuò)展了2MB的FLASH存儲(chǔ)器，型號為SST39VF160，它是一個(gè)CMOS多功能FLASH(MPF)器件，由SST(siliconstoragetechnologyinc.)公司特有的高性能Super-FLASH技術(shù)制造而成，SuperFLASH技術(shù)提供了固定的擦除和編程時(shí)間，與擦除/編程周期數(shù)無關(guān)。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(chǔ)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。

　　圖3LPC2290與SST39VF160的連接