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学生姓名：
学号：
设计名称：
太阳能跟踪系统设计
起止日期：
2010.10.18-2010.10.24指导教师：
设计要求：
在主动式跟踪太阳能热发电系统中，要求计算太阳位置以实现跟踪，提高发电效率。
对于开环控制的太阳能跟踪系统，太阳位置的计算精度尤为重要。
采用水平–俯仰双轴坐标系统，利用32位ARM（advancedRISCmachine）公司的嵌入式微处理器，以步进电机作为执行机构，提出了基于程控跟踪和光电跟踪相结合的复合跟踪方式，并采用基于J2000.0为基准历元的太阳位置计算系统，减小了计算误差，提高了跟踪精度。
该跟踪装置是一种能根据不同地理位置和时间自动计算太阳运行参数，通过光电检测构成反馈回路，实现在不同环境下自动跟踪的智能型跟踪装置。
摘要：
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。
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。
本文采用基于32位ARM公司的嵌入式微控制器LPC2290构建平台，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。
如下面的太阳能跟踪器实例。
设计要求………………………………………………………………1
摘要……………………………………………………………………2
1太阳能跟踪系统的功能与结构……………………………4
1.1系统组成及结构…………………………………………………4
1.2系统功能…………………………………………………………4
2太阳能跟踪系统的设计与实现…………………………………5
2.1ARM处理器………………………………………………………5
2.2液晶显示模块……………………………………………………5
2.3存储模块…………………………………………………………5
2.4光电检测模块……………………………………………………6
2.5执行机构………………………………………………………7
2.6太阳坐标模型…………………………………………………7
3软件设计…………………………………………………………7
3.1操作系统移植…………………………………………………7
3.2应用程序设计…………………………………………………8
参考文献…………………………………………………………9
自我评价…………………………………………………………10
太阳能跟踪系统设计
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。
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。
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
2.4光电检测模块
光电检测模块主要由一个四象限光敏二极管探测器组成。
四象限光敏二极管2CU301是在同一芯片上制做4个二极管单片（它们之间有十字沟槽间隔），光敏面如图4所示。
单元的性能参数基本相同，一致性较好。
4个二极管单元相当于直角坐标系中的4个象限，每个象限的二极管有自己的输出。
当照射在4个象限光敏二极管上的光斑图像位于十字形划线的中心时，代表4个象限的光敏二极管各自的输出相等，经过运算放大器对信号处理后，输出为零。
当光斑产生相对于十字形划分线的任何位移时，都会使4个象限光敏二极管的输出随之变化，运算放大器的输出也随之产生相对位移方向上的正负变化，从而可以确定物体在2维方向上的位移。
图4光敏面形状
为减小环境光的干扰和提高检测单元的敏感度，4象限光敏二极管探测器可以放置在一个长方形桶状内，采用透光性比较好的材料为长方形桶做一个盖子，以防止由于遮光或覆盖灰尘而发出错误信号。
图5为检测光斑的4象限运动电路。
其中VD1、VD2正极分别接在CU301的“2”、“3”端，VD3、VD4正极分别接在CU301的“1”、“4”端。
这样X轴、Y轴的输出信号即可显示出光斑是否在中心位置，当控制器检测到光斑在中心位置上时即发出中断信号。
图5检测单元电路
2.5执行机构
LPC2290输出的是0~3.3V脉冲序列，步进电机驱动器接收的是（transistortransistorlogic，TTL）晶体管–晶体管逻辑电路电平信号，因此需要将此信号放大。
此外，为使系统在低速状态下运行平稳，减小振动，驱动器还可以细分输出。
2.6太阳坐标模型
太阳坐标模型根据不同的跟踪方式而不同，而对于较大的跟踪系统一般采用方位–俯仰跟踪方式。
在这种方式下，在任意时刻，地球上任一点的太阳位置与该时刻太阳赤纬、太阳时角以及该点的地理纬度有关，具体公式为
太阳高度角：
sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδcost
（1）
太阳方位角：
sinϕ=cosδsinωcosh
（2）
式中：
h为太阳高度角；
Φ为观测者所在地理纬度，不论南北，一律取正；
δ为太阳赤纬角；
t为太阳时角。
本文设计的跟踪系统也是基于上述公式，但在计算太阳赤纬和太阳时角时采用了最新的基准历元，考虑了岁差和章动的影响，在1950—2050年内的计算误差不超过0.01°
。
至于太阳赤纬以及太阳时角的计算，比较复杂，详细过程，参见文献。
3软件设计
3.1操作系统移植
由于系统功能复杂，考虑将μC/OS-II嵌入式实时多任务操作系统作为应用软件平台。
μC/OS-II是一种可移植、可固化、可裁剪及可剥夺的实时多任务内核实时操作系统（real-timeoperatingsystem，96赵建钊等：
智能型太阳能跟踪系统设计与实现Vol.32No.24RTOS），其绝大部分源码是用ANSI的C语言编写，可方便地移植并支持多种类型的处理器。
μC/OS-II的硬实时性以及低成本、易控制、小规模、高性能的特性，使其能满足工业中小型控制对可靠性、实时性以及多任务处理的要求，设计中采用的开发工具是
ADS1.2。
μC/OS-II的文件系统结构包括核心代码部分、配置代码部分、处理器相关代码部分。
其中处理器相关代码部分是移植需要修改的部分，它包括OS_CPU.h、OS_CPU_C.c和OS_CPU_A.s（根据ADS（ARMdevelopersuite）公司的要求将OS_CPU_A.asm改名）3个文件。
目前关于μC/OS-II移植的参考资料比较多，现在不讨论。
3.2应用程序设计
软件设计主要是在移植操作系统的基础上，设计控制系统的应用程序，其任务是在总体设计和硬件设计的基础上设计软件功能模块，完成每个模块功能。
主程序是系统后台程序，按照特定顺序完成系统功能。
它首先完成各种初始化，然后进入主功能模块（图6（a））。
在主程序循环过程中，同时监控其他功能模块，进行中断响应。
程序进入中断响应后，进入辅助跟踪子程序（图6（b）），此时输出脉冲的个数根据实际运行需要确定，由于步进电机的步距角是一个定值，因此，在软件设计跟踪子程序时，应充分考虑计算结果与步距角的关系，防止电机往复运行和引起更大的误差。
图6主程序与程控跟踪子程序
参考文献：
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[11]中国科学院紫金山天文台．2007年中国天文年历．北京：
科学出版社，2007。
自我评价：
本文介绍了基于ARM微处理器LPC2290的太阳能跟踪系统的软硬件设计。
ARM处理器丰富的片内外设和优越的性能适合于应用复杂的多任务处理场合，且可靠性高、成本低；
利用μC/OS-II可以提高系统的安全性和可靠性，简化多任务程序的设计，但用户必须对μC/OS-II有深入的了解，才能编写出有效的程序代码。
在设计太阳位置计算程序时，充分利用了ARM处理器的32位数据处理能力，太阳位置计算精度理论上的误差不超过0.1°
；
增加了人机交互功能和手动控制功能，便于监督系统运行情况和处理意外情况。
考虑到由于步进电机的步距角细分有限，有可能存在的机械误差，因此以光电检测模块作为辅助定位方式，可有效减少积累误差，并实现自动控制。
本文提出的解决方案已在ADS1.2仿真试验平台初步验证，系统具有一定稳定性，跟踪精度误差在0.25°
~0.5°
内，适合大型太阳能热发电系统。
指
导
老
师
评
语
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2010年月日
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