0引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(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，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(huán)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(nèi)大多數(shù)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(huán)控制，機械結(jié)構(gòu)變形及電機在執(zhí)行過程中產(chǎn)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(shù)學模型，從而提高了跟蹤精度，實現(xiàn)了全自動跟蹤，對于實現(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(tǒng)的移植和應用程序的編寫。

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(shù)，并對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(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)運行時的環(huán)境條件[2]。其功能可分為2個方面：①檢測環(huán)境光線強弱程度，以區(qū)別白晝和夜晚；在陰天光照強度不夠時，系統(tǒng)檢測到信號后自動處于待機狀態(tài)，避免不必要的能源浪費，從而達到系統(tǒng)的自動控制。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，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(tǒng)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(fā)出中斷信號，微控制芯片響應中斷，發(fā)出相應指令控制執(zhí)行機構(gòu)動作以修正誤差，從而達到閉環(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，而它具有獨立的模擬電源和數(shù)字電源，為降低出錯幾率，模擬電源和數(shù)字電源應該隔離。因此接入的220V電源經(jīng)濾波后分為2路：一路作為步進電機驅(qū)動器工作電源；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的基礎上經(jīng)過一個電壓調(diào)節(jié)器分別輸出+3.3V和+1.8V。

4）存儲模塊。采用的LPC2290片內(nèi)只有16kB的靜態(tài)隨機存取存儲器(staticRAM，SRAM)，沒有可以利用的片內(nèi)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(tǒng)和運行程序，以防斷電后丟失程序。

5）執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)主要是驅(qū)動模塊、步進電機以及相應的支撐結(jié)構(gòu)。驅(qū)動模塊接受微控制器的輸出脈沖后，經(jīng)光電隔離后進行放大循環(huán)輸出。步進電機能夠直接進行數(shù)字控制，將脈沖序列轉(zhuǎn)化為相應的角位移，即接受一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)過一個角位移。支撐結(jié)構(gòu)將步進電機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)運動和垂直方向的俯仰運動以跟隨太陽。

2太陽能跟蹤系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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(guī)模有嚴格控制，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32位定時器、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(nèi)核和豐富的片上外設，可使系統(tǒng)設計簡化，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中文字型點矩陣LCD驅(qū)動/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)動和控制電路均包含在一個芯片內(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存儲器，程序掉電就會失去，不能固化。因此在系統(tǒng)內(nèi)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(shù)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。

圖3LPC2290與SST39VF160的連接