基于ARM太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱 宇，袁志遠(yuǎn)

（西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)新能源的需求越來(lái)越太，而太陽(yáng)能以儲(chǔ)量豐富、普遍存在、環(huán)保無(wú)污染占據(jù)相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，所以對(duì)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用具有重大意義。然而常規(guī)的太陽(yáng)能發(fā)電的方式是將太陽(yáng)能電池板固定在某一位置，對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行采集，平均光伏轉(zhuǎn)換效率較低，并且一臺(tái)嵌入式系統(tǒng)只控制一塊太陽(yáng)能光伏板，極大的浪費(fèi)了資源。本設(shè)計(jì)采用ARM11作為控制系統(tǒng)，控制多個(gè)太陽(yáng)能光伏板，通過(guò)對(duì)光敏電阻的采集和比較，控制電機(jī)調(diào)整太陽(yáng)能板的位置。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的功能，使太陽(yáng)能光伏板能自動(dòng)對(duì)著太陽(yáng)，從而提高光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏轉(zhuǎn)換的效率。同時(shí)為了減少電機(jī)對(duì)電能的消耗，本系統(tǒng)兼顧了電機(jī)間歇工作方式，每個(gè)太陽(yáng)能光伏板每25分鐘調(diào)整一次與太陽(yáng)的左右對(duì)應(yīng)，每二周調(diào)整一次與太陽(yáng)的上下對(duì)應(yīng)。

1 基于ARM太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示是基于ARM11的嵌入式光伏板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的整體框圖，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成雙軸自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的強(qiáng)度，使太陽(yáng)光垂直入射在太陽(yáng)能光伏板的表面以獲取最大發(fā)電效率，本系統(tǒng)主要由葵花太陽(yáng)能光伏板、光敏電阻、放大器、光電二極管、電機(jī)[1]、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、減速器、立體支架和ARM11組成。系統(tǒng)通過(guò)比較光敏電阻的大小，由ARM11發(fā)出命令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)向阻值大的一端自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。第一步比較左右2個(gè)光敏電阻的阻值，通過(guò)調(diào)整直到2個(gè)光敏電阻的阻值相等時(shí)，停止左右旋轉(zhuǎn)；第二步比較水平上方的電阻的阻值與左右方向的其中一個(gè)電阻的阻值，通過(guò)調(diào)整直到兩個(gè)光敏電阻的阻值相等時(shí)，停止上下旋轉(zhuǎn)；從而使多個(gè)葵花太陽(yáng)能光伏板與太陽(yáng)光保持最佳角度 （第二步2周運(yùn)行一次）。

2 太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)跟蹤器的組成及工作原理

太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)跟蹤器[2-3]由ARM11，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和相關(guān)電路組成。ARM11系統(tǒng)主要組成部分如圖2所示。它主要是通過(guò)接收光敏電阻值，比較左右2個(gè)光敏電阻大小，得到兩阻值之差，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單處理，由系統(tǒng)發(fā)出命令給對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)帶動(dòng)光伏板旋轉(zhuǎn)到左右兩個(gè)光敏電阻的阻值相等的位置，然后再比較水平上方的電阻阻值與左右方向的其中一個(gè)光敏電阻阻值的大小，得到兩阻值之差，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單處理，由系統(tǒng)發(fā)出命令給對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)帶動(dòng)光伏板旋轉(zhuǎn)到水平上方的電阻阻值與左右方向的其中一個(gè)光敏電阻的阻值相等的位置，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)光伏板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的功能。

圖1 基于ARM11的嵌入式光伏板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的整體框圖Fig.1 Based on the ARM11 embedded photovoltaic panels automatic tracking system overall block diagram

圖2 ARM核心版模塊圖Fig.2 ARM core module diagram

3 太陽(yáng)能光伏板支架控制器的組成及工作原理

圖3 太陽(yáng)能光伏板支架控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Solar panel bracket structure diagram of the controller

如圖3所示是太陽(yáng)能光伏板支架控制器結(jié)構(gòu)圖，支架控制器由光敏電阻傳感器、放大器，光電二極管，電機(jī)組成。每個(gè)太陽(yáng)能光伏板需要3光敏電阻傳感器。左右2個(gè)光敏電阻傳感器為一組，上方的光敏電阻傳感器與左右2個(gè)光敏電阻傳感器中的其中一個(gè)為一組。每隔25分鐘系統(tǒng)就會(huì)比較左右2個(gè)光敏電阻傳感器的阻值，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的處理，把命令發(fā)給對(duì)應(yīng)的光敏電阻傳感器對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)左右2個(gè)光敏電阻傳感器的阻值相等時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)，并休息25分鐘；每隔2周系統(tǒng)就會(huì)首先比較左右兩個(gè)光敏電阻大小，根據(jù)比較的結(jié)果，由控制系統(tǒng)把命令發(fā)給光敏電阻傳感器對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)左右2個(gè)光敏電阻傳感器的阻值相等時(shí)，停止左右旋轉(zhuǎn)；接著比較水平上方的電阻阻值與左右方向的其中一個(gè)光敏電阻的阻值的大小，根據(jù)比較的結(jié)果，由控制系統(tǒng)發(fā)出命令給對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，直到調(diào)整到兩個(gè)阻值的大小相等時(shí)，控制上下方向的電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，并休息2周；實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)跟蹤[4-5]太陽(yáng)。

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

如圖4所示是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)圖，為了提高太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的靈敏性，充分發(fā)揮ARM11的性能[6]，更好的展現(xiàn)一機(jī)多能的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器里嵌入了芯片，使單個(gè)太陽(yáng)能光伏板成為一個(gè)獨(dú)立的靈活的個(gè)體，同時(shí)又都在同一個(gè)ARM11系統(tǒng)的控制下。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片不但能完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)光伏板跟蹤太陽(yáng)的能力，同時(shí)還能隨時(shí)向ARM11系統(tǒng)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也能從ARM11系統(tǒng)那里接受命令和執(zhí)行命令。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)RS-232與ARM11相連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用直流供電。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)圖Fig.4 Motor drive module design

5 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

如圖5所示是系統(tǒng)控制流程，本系統(tǒng)軟件是采用VC++開(kāi)發(fā)出來(lái)的圖像界面，界面友好，操作簡(jiǎn)單，支持觸摸操作。開(kāi)機(jī)之后，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)檢測(cè)，識(shí)別各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及相應(yīng)的芯片，一旦發(fā)現(xiàn)沒(méi)有識(shí)別到的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并在報(bào)警窗口提示沒(méi)有識(shí)別的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的編號(hào)；檢測(cè)各個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)工作不正常的驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并在報(bào)警窗口提示它的編號(hào)；系統(tǒng)識(shí)別和檢測(cè)結(jié)束，各個(gè)驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始工作，首先獲取左右方向組的光敏電阻的阻值，進(jìn)行比較，得到大小，系統(tǒng)發(fā)出命令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)左右阻值相等時(shí)電機(jī)開(kāi)始停止工作，并休息25分鐘；每隔2周系統(tǒng)就會(huì)首先比較左右2個(gè)光敏電阻大小，根據(jù)比較的結(jié)果，由控制系統(tǒng)把命令發(fā)給光敏電阻傳感器對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)左右2個(gè)光敏電阻傳感器的阻值相等時(shí)，停止左右旋轉(zhuǎn)；接著比較水平上方的電阻阻值與左右方向的其中一個(gè)光敏電阻的阻值的大小，根據(jù)比較的結(jié)果，由控制系統(tǒng)發(fā)出命令給對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，直到調(diào)整到兩個(gè)阻值的大小相等時(shí)，控制上下方向的電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，并休息2周；從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。

圖5 系統(tǒng)控制流程Fig.5 System control flow

6 結(jié) 論

本研究基于ARM11，采用光敏電阻比較法，并結(jié)合了3只眼昆蟲(chóng)識(shí)別方向的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一機(jī)多能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使太陽(yáng)能電池板自動(dòng)保持與太陽(yáng)光垂直。太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光的研究，有效地提高了太陽(yáng)能的利用率，增加了每天的發(fā)電功率輸出，并從整體上降低了太陽(yáng)能光伏板聯(lián)合發(fā)電的成本，不但具有很高的經(jīng)濟(jì)效益，而且非常適合社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，應(yīng)用前景廣闊。

[1]朱衛(wèi)紅，邢旭輝，王振華，等.異步電動(dòng)機(jī)交-直-交變頻矢量控制的應(yīng)用和日常維護(hù) [C]//全國(guó)冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)2010年年會(huì)論文集，2010:755-758.