基于嵌入式技術的太陽能自動跟蹤系統

仝曉梅 鞏瑞春

摘 要：采用主控制器ARM11作為系統的控制與分析以及狀態監視的核心，系統主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監控等功能。主控制器ARM11根據天文模型中時間和日期以及觀測點經度、緯度計算出太陽的位置，并與編碼器檢測的跟蹤軸位置相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，驅動電機向程序計算的位置運動。它可實時測量并追蹤太陽方位，保持入射陽光與太陽能電池板相對垂直，從而有效提高太陽能發電效率。

關鍵詞：嵌入式系統；太陽跟蹤器；labview

中圖分類號 ：TM615 文獻標識碼：A

1引言

太陽能作為新能源的一種，有著它不可估量的市場和潛力。太陽能發電應用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發電就是將太陽光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能。光伏（PV）發電技術在國外已得到深入研究和推廣，我國在技術上也已基本成熟，并已進入推廣應用階段。光熱發電，主要是采取聚焦技術，利用鏡面將陽光集中起來，以便產生中高溫熱能，然后利用熱能產生蒸汽，推動汽輪發電機組來發電。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發電效率低下。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。因此，設計開發能自動追蹤太陽光照的控制系統，是非常有價值的研究課題。

2基于嵌入式技術的太陽能自動跟蹤系統

圖1是基于ARM 11的太陽能自動跟蹤系統整體框圖。系統由能量收集單元、數據采集單元、ARM11控制中心、角度調整單元和電源模塊等組成。系統主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監控等功能。主控制器ARM11根據天文模型中時間和日期以及觀測點經度、緯度計算出太陽的位置，并與編碼器檢測的跟蹤軸位置相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，驅動電機向程序計算的位置運動。它可實時測量并追蹤太陽方位，保持入射陽光與太陽能電池板相對垂直。

2.1系統硬件的設計

圖2是跟蹤系統硬件組成圖，包括太陽能電池板、支架、減速機、步進電機、步進電機驅動模塊、絕對式編碼器、模擬信號采集模塊、控制中心等。控制中心選用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”結構，板對板之間選用高質量進口連接器，堅固耐用，鍍金工藝可保證其常年運行不氧化。為保證用戶自行設計的產品品質，采用6410核心板的用戶可以免費得到四組底板插座。核心板尺寸僅5cm×6cm（業內最小），引出腳多達320個，帶有CVBS輸出（內部有16Mbit獨立視頻緩存）。軟件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（獨家提供）等主流操作系統，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統的控制與分析以及狀態監視的核心，是系統研究工作的重點。主要完成數據顯示和控制信號輸出。

（1）實時顯示與監控：將模擬信號采集模塊ADAM4022T采集的電能信息進行顯示，以實現實時監控。

（2）控制分析與控制輸出：控制主要以提高太陽能采集效率為目的，以上位機通過網絡控制PWM來控制電機，實現太陽能采光板角度等方位坐標的控制，以及電機的使能。主控制器ARM11根據天文模型中日期和具體時間以及觀測點經度、緯度計算出太陽的角度位置，并與絕對式編碼器檢測的跟蹤軸位置角度相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，控制輸出信號包括控制電機的轉向、控制電機的使能、信號放大，通過綜合控制，驅動電機轉動，使太陽能電池板處于接收陽光最大值的位置。

系統采用通用的RS485總線，組建RS485工業網。RS485總線是一種基于平衡發送和差分接受的串行總線，具有很強的抗共模干擾能力，在適當的波特率下傳輸距離遠。同時由于其硬件設計簡單、控制方便、易于進行網絡擴展，組建控制系統，具有較強的系統擴充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業總線形式，可以較好的配套相關器件，有利于系統開發和維護。

2.2系統軟件的實現

系統軟件的開發采用的是功能強大的圖形化編程軟件——虛擬儀器（labVIEW）。它能夠為開發者提供簡明、直觀的圖形編程方式，能夠將繁瑣復雜的語言編程簡化成為以菜單方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便。與傳統的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節省85%以上的程序開發時間，大大縮短系統開發周期，體現出了極高的開發效率。同時由于LabVIEW內集成了多種控件，可以實現比較專業的、美觀的人機界面，方便用戶使用。

系統首次啟動時，ARM11首先根據天文模型中日期和具體時間以及觀測點經度、緯度計算出太陽的角度位置，并存儲在ARM11的內部FLASH中。此時系統打開處理器內置的ADC轉換通道，接收角度傳感器傳遞來的數據，開始進行A/D轉換，以獲取當前的太陽能電池板的角度。通過比較當前的太陽能電池板的角度和天文模型中計算出太陽的角度位置，系統打開PWM控制器，輸出控制信號實現對電機的控制。同時A/D轉換同步進行，當當前的太陽能電池板的角度和天文模型中計算出太陽的角度位置相等時停止PWM控制器輸出，設定合適的采樣時間，控制過程循環進行。圖3為系統軟件流程圖。

3實驗

實驗以包頭為例，（地理坐標：109.83E、40.65N），每2個小時為 1時間段，見表1。

說明：測試時間為冬天，東西向，單位千瓦時。如果采用固定位置每天的有效日照大約5h，而采用自動跟蹤每天的有效日照大約8h。

結語

本文設計了一種基于嵌入式技術的太陽能自動跟蹤系統，基于當前先進的嵌入式控制系統，結合先進的LabVIEW編程方式，打造出易于開發、功能豐富、人機界面友好的太陽能自動跟蹤系統；由于充分的平衡了系統成本和太陽能利用效率的關系，使方案具有較好的實用性和推廣價值。

參考文獻

[1]侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]鄭靈翔.嵌入式系統設計與應用開發[M].北京：北航出版社，2006.

[3]張建波，殷群.嵌入式太陽能光伏發電自動跟蹤控制系統設計[J].桂林科技大學學報，2010（06）.

[4]劉君華，賈惠芹，丁暉，等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安：西安電子科技出版社，2003.

摘 要：采用主控制器ARM11作為系統的控制與分析以及狀態監視的核心，系統主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監控等功能。主控制器ARM11根據天文模型中時間和日期以及觀測點經度、緯度計算出太陽的位置，并與編碼器檢測的跟蹤軸位置相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，驅動電機向程序計算的位置運動。它可實時測量并追蹤太陽方位，保持入射陽光與太陽能電池板相對垂直，從而有效提高太陽能發電效率。

關鍵詞：嵌入式系統；太陽跟蹤器；labview

中圖分類號 ：TM615 文獻標識碼：A

1引言

太陽能作為新能源的一種，有著它不可估量的市場和潛力。太陽能發電應用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發電就是將太陽光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能。光伏（PV）發電技術在國外已得到深入研究和推廣，我國在技術上也已基本成熟，并已進入推廣應用階段。光熱發電，主要是采取聚焦技術，利用鏡面將陽光集中起來，以便產生中高溫熱能，然后利用熱能產生蒸汽，推動汽輪發電機組來發電。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發電效率低下。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。因此，設計開發能自動追蹤太陽光照的控制系統，是非常有價值的研究課題。

2基于嵌入式技術的太陽能自動跟蹤系統

圖1是基于ARM 11的太陽能自動跟蹤系統整體框圖。系統由能量收集單元、數據采集單元、ARM11控制中心、角度調整單元和電源模塊等組成。系統主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監控等功能。主控制器ARM11根據天文模型中時間和日期以及觀測點經度、緯度計算出太陽的位置，并與編碼器檢測的跟蹤軸位置相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，驅動電機向程序計算的位置運動。它可實時測量并追蹤太陽方位，保持入射陽光與太陽能電池板相對垂直。

2.1系統硬件的設計

圖2是跟蹤系統硬件組成圖，包括太陽能電池板、支架、減速機、步進電機、步進電機驅動模塊、絕對式編碼器、模擬信號采集模塊、控制中心等。控制中心選用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”結構，板對板之間選用高質量進口連接器，堅固耐用，鍍金工藝可保證其常年運行不氧化。為保證用戶自行設計的產品品質，采用6410核心板的用戶可以免費得到四組底板插座。核心板尺寸僅5cm×6cm（業內最小），引出腳多達320個，帶有CVBS輸出（內部有16Mbit獨立視頻緩存）。軟件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（獨家提供）等主流操作系統，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統的控制與分析以及狀態監視的核心，是系統研究工作的重點。主要完成數據顯示和控制信號輸出。

（1）實時顯示與監控：將模擬信號采集模塊ADAM4022T采集的電能信息進行顯示，以實現實時監控。

（2）控制分析與控制輸出：控制主要以提高太陽能采集效率為目的，以上位機通過網絡控制PWM來控制電機，實現太陽能采光板角度等方位坐標的控制，以及電機的使能。主控制器ARM11根據天文模型中日期和具體時間以及觀測點經度、緯度計算出太陽的角度位置，并與絕對式編碼器檢測的跟蹤軸位置角度相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，控制輸出信號包括控制電機的轉向、控制電機的使能、信號放大，通過綜合控制，驅動電機轉動，使太陽能電池板處于接收陽光最大值的位置。

系統采用通用的RS485總線，組建RS485工業網。RS485總線是一種基于平衡發送和差分接受的串行總線，具有很強的抗共模干擾能力，在適當的波特率下傳輸距離遠。同時由于其硬件設計簡單、控制方便、易于進行網絡擴展，組建控制系統，具有較強的系統擴充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業總線形式，可以較好的配套相關器件，有利于系統開發和維護。

2.2系統軟件的實現

系統軟件的開發采用的是功能強大的圖形化編程軟件——虛擬儀器（labVIEW）。它能夠為開發者提供簡明、直觀的圖形編程方式，能夠將繁瑣復雜的語言編程簡化成為以菜單方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便。與傳統的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節省85%以上的程序開發時間，大大縮短系統開發周期，體現出了極高的開發效率。同時由于LabVIEW內集成了多種控件，可以實現比較專業的、美觀的人機界面，方便用戶使用。

系統首次啟動時，ARM11首先根據天文模型中日期和具體時間以及觀測點經度、緯度計算出太陽的角度位置，并存儲在ARM11的內部FLASH中。此時系統打開處理器內置的ADC轉換通道，接收角度傳感器傳遞來的數據，開始進行A/D轉換，以獲取當前的太陽能電池板的角度。通過比較當前的太陽能電池板的角度和天文模型中計算出太陽的角度位置，系統打開PWM控制器，輸出控制信號實現對電機的控制。同時A/D轉換同步進行，當當前的太陽能電池板的角度和天文模型中計算出太陽的角度位置相等時停止PWM控制器輸出，設定合適的采樣時間，控制過程循環進行。圖3為系統軟件流程圖。

3實驗

實驗以包頭為例，（地理坐標：109.83E、40.65N），每2個小時為 1時間段，見表1。

說明：測試時間為冬天，東西向，單位千瓦時。如果采用固定位置每天的有效日照大約5h，而采用自動跟蹤每天的有效日照大約8h。

結語

本文設計了一種基于嵌入式技術的太陽能自動跟蹤系統，基于當前先進的嵌入式控制系統，結合先進的LabVIEW編程方式，打造出易于開發、功能豐富、人機界面友好的太陽能自動跟蹤系統；由于充分的平衡了系統成本和太陽能利用效率的關系，使方案具有較好的實用性和推廣價值。

參考文獻

[1]侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]鄭靈翔.嵌入式系統設計與應用開發[M].北京：北航出版社，2006.

[3]張建波，殷群.嵌入式太陽能光伏發電自動跟蹤控制系統設計[J].桂林科技大學學報，2010（06）.

[4]劉君華，賈惠芹，丁暉，等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安：西安電子科技出版社，2003.

摘 要：采用主控制器ARM11作為系統的控制與分析以及狀態監視的核心，系統主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監控等功能。主控制器ARM11根據天文模型中時間和日期以及觀測點經度、緯度計算出太陽的位置，并與編碼器檢測的跟蹤軸位置相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，驅動電機向程序計算的位置運動。它可實時測量并追蹤太陽方位，保持入射陽光與太陽能電池板相對垂直，從而有效提高太陽能發電效率。

關鍵詞：嵌入式系統；太陽跟蹤器；labview

中圖分類號 ：TM615 文獻標識碼：A

1引言

太陽能作為新能源的一種，有著它不可估量的市場和潛力。太陽能發電應用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發電就是將太陽光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能。光伏（PV）發電技術在國外已得到深入研究和推廣，我國在技術上也已基本成熟，并已進入推廣應用階段。光熱發電，主要是采取聚焦技術，利用鏡面將陽光集中起來，以便產生中高溫熱能，然后利用熱能產生蒸汽，推動汽輪發電機組來發電。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這對太陽能的收集和利用裝置提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板基本上都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發電效率低下。如果能始終保持太陽能電池板和光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源。因此，設計開發能自動追蹤太陽光照的控制系統，是非常有價值的研究課題。

2基于嵌入式技術的太陽能自動跟蹤系統

圖1是基于ARM 11的太陽能自動跟蹤系統整體框圖。系統由能量收集單元、數據采集單元、ARM11控制中心、角度調整單元和電源模塊等組成。系統主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監控等功能。主控制器ARM11根據天文模型中時間和日期以及觀測點經度、緯度計算出太陽的位置，并與編碼器檢測的跟蹤軸位置相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，驅動電機向程序計算的位置運動。它可實時測量并追蹤太陽方位，保持入射陽光與太陽能電池板相對垂直。

2.1系統硬件的設計

圖2是跟蹤系統硬件組成圖，包括太陽能電池板、支架、減速機、步進電機、步進電機驅動模塊、絕對式編碼器、模擬信號采集模塊、控制中心等。控制中心選用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”結構，板對板之間選用高質量進口連接器，堅固耐用，鍍金工藝可保證其常年運行不氧化。為保證用戶自行設計的產品品質，采用6410核心板的用戶可以免費得到四組底板插座。核心板尺寸僅5cm×6cm（業內最小），引出腳多達320個，帶有CVBS輸出（內部有16Mbit獨立視頻緩存）。軟件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（獨家提供）等主流操作系統，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統的控制與分析以及狀態監視的核心，是系統研究工作的重點。主要完成數據顯示和控制信號輸出。

（1）實時顯示與監控：將模擬信號采集模塊ADAM4022T采集的電能信息進行顯示，以實現實時監控。

（2）控制分析與控制輸出：控制主要以提高太陽能采集效率為目的，以上位機通過網絡控制PWM來控制電機，實現太陽能采光板角度等方位坐標的控制，以及電機的使能。主控制器ARM11根據天文模型中日期和具體時間以及觀測點經度、緯度計算出太陽的角度位置，并與絕對式編碼器檢測的跟蹤軸位置角度相比較，根據兩者的差值輸出控制信號，控制輸出信號包括控制電機的轉向、控制電機的使能、信號放大，通過綜合控制，驅動電機轉動，使太陽能電池板處于接收陽光最大值的位置。

系統采用通用的RS485總線，組建RS485工業網。RS485總線是一種基于平衡發送和差分接受的串行總線，具有很強的抗共模干擾能力，在適當的波特率下傳輸距離遠。同時由于其硬件設計簡單、控制方便、易于進行網絡擴展，組建控制系統，具有較強的系統擴充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業總線形式，可以較好的配套相關器件，有利于系統開發和維護。

2.2系統軟件的實現

系統軟件的開發采用的是功能強大的圖形化編程軟件——虛擬儀器（labVIEW）。它能夠為開發者提供簡明、直觀的圖形編程方式，能夠將繁瑣復雜的語言編程簡化成為以菜單方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便。與傳統的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節省85%以上的程序開發時間，大大縮短系統開發周期，體現出了極高的開發效率。同時由于LabVIEW內集成了多種控件，可以實現比較專業的、美觀的人機界面，方便用戶使用。

系統首次啟動時，ARM11首先根據天文模型中日期和具體時間以及觀測點經度、緯度計算出太陽的角度位置，并存儲在ARM11的內部FLASH中。此時系統打開處理器內置的ADC轉換通道，接收角度傳感器傳遞來的數據，開始進行A/D轉換，以獲取當前的太陽能電池板的角度。通過比較當前的太陽能電池板的角度和天文模型中計算出太陽的角度位置，系統打開PWM控制器，輸出控制信號實現對電機的控制。同時A/D轉換同步進行，當當前的太陽能電池板的角度和天文模型中計算出太陽的角度位置相等時停止PWM控制器輸出，設定合適的采樣時間，控制過程循環進行。圖3為系統軟件流程圖。

3實驗

實驗以包頭為例，（地理坐標：109.83E、40.65N），每2個小時為 1時間段，見表1。

說明：測試時間為冬天，東西向，單位千瓦時。如果采用固定位置每天的有效日照大約5h，而采用自動跟蹤每天的有效日照大約8h。

結語

本文設計了一種基于嵌入式技術的太陽能自動跟蹤系統，基于當前先進的嵌入式控制系統，結合先進的LabVIEW編程方式，打造出易于開發、功能豐富、人機界面友好的太陽能自動跟蹤系統；由于充分的平衡了系統成本和太陽能利用效率的關系，使方案具有較好的實用性和推廣價值。

參考文獻

[1]侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]鄭靈翔.嵌入式系統設計與應用開發[M].北京：北航出版社，2006.

[3]張建波，殷群.嵌入式太陽能光伏發電自動跟蹤控制系統設計[J].桂林科技大學學報，2010（06）.

[4]劉君華，賈惠芹，丁暉，等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安：西安電子科技出版社，2003.