雙核心太陽方位跟蹤系統設計

姚天宇 唐 甜 李 熠 蔣艷英

（1.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學電子電路國家級實驗教學示范中心，廣西 桂林 541004）

0 引言

太陽能作為一種新興的可再生能源，隨著太陽能光伏發電技術的發展，使用率越來越高，如設計太陽能無人機[1]和太陽能LED系統[2]，且太陽能追蹤系統也獲得越來越多的關注[3]。為進一步設計新型節能環保和長時間連續作業的跟蹤系統，本文探索一種太陽方位自動跟蹤系統，通過利用單片機和FPGA雙核心結構，控制太陽能電池板，實現跟隨太陽的實時位置而左右上下移動，保證太陽能電池板時刻垂直接受太陽光照射，提高太陽能接收效率，以提高光電轉換效率[4]。

1 系統總體設計方案

采用ARM+FPGA雙核心結構，確保太陽能跟蹤系統更加靈活。工作原理是：FPGA采用IIC通信方式與環境光傳感器進行通信，讀取到環境光的光照值后通過16位并行通信總線發送至stm32，可編程LED配置為流水燈模式提示FPGA正在工作。系統開機時，以STM32單片機為核心的ARM控制系統先控制舵機，進行一遍全方位的檢測（橫180°、縱90°），找到光照強度最強的點后將此點的光照值保存，作為pid自動控制算法的目標值，經pid算法調節后單片機輸出受控制的脈沖進而控制雙軸云臺朝著光照度最高的點進行移動。

2 系統硬件電路設計

2.1 ARM控制電路

ARM控制電路的核心芯片是單片機，采用STM32F103C8T6單片機，是一款基于Cortex-M3內核的32位微控制器，程序存儲容量64 KB，工作電壓位2～3.6 V，最大工作速率可達72 MHz，有32位總線寬。自帶定時器、模數轉換、串口、PWM、溫度傳感器、12位高精度AD轉換器等資源，滿足系統采集數據的精度要求。

2.2 AP3216C環境光傳感器模塊

圖1 系統功能實現

AP3216C是一款整合型傳感器，內部集成了數字環境光傳感器、距離傳感器和一個紅外LED。其中，距離傳感器具有10位的分辨率，環境光傳感器具有16位分辨率。AP3216C能夠支持多種工作模式，筆者使用的是ALS+PS+IR模式，在該模式下AP3216C連續采集環境光照強度和距離值。

當有物體接近時，紅外發光二極管（IR_LED）發出的紅外線碰撞到物體后反射到紅外光電二極管（PS）上，光電二極管將光信號轉換成電流信號，并通過模數轉換器（ADC）將其轉換成數字信號并存儲在寄存器中。物體離得越近，反射到PS上的紅外光強度越高，模數轉換后得到的數據就越大，從而實現感應物體距離遠近的功能。與此類似，可見光電二極管（ALS）感應環境光強度，并將其轉化成數字信號，從而實現環境光強度的檢測。

2.3 電機驅動模塊

為了使本系統能夠更加精確絲滑的運動，采用基于SG90舵機雙軸舵機云臺控制，單片機通過模糊PID算法實時輸出所需要占空比的PWM波，從而控制云臺帶動太陽能電池板達到所需的最佳角度。

電源監測通過一個單刀三擲開關連接USB_OTG，USB_UART，EXTIN三個口，1.2V，3.3V，2.5V，TL431連接到電壓檢測模塊上。而電池電流監測，3.3V、1.2V、2.5V的電源也通過反饋渠道反饋回電源ADC通道，此時單片機就可以監測各個模塊電源的狀態，以此來保證系統各個模塊的正常穩定的工作。

2.4 FPGA模塊

本設計使用EP4CE6E22C8N芯片和EPCS4SI8N芯片為核心的FPGA電路包括EP4CE6E22C8N芯片，FPGA是由邏輯單元、RAM、乘法器等硬件資源組成的，能夠實現乘法器、寄存器、地址發生器等硬件電路。所以FPGA包含了多功能芯片。EPCS4SI8N加上50 MHz的晶振，三個可編程LED和三個可編程按鍵，就構成了FPGA芯片的外圍下載電路。

3 系統軟件設計

3.1 ARM程序設計

本設計能夠實現實時檢測光照強度的改變。在剛開機時，ARM系統先控制雙軸云臺全方位檢測一遍（橫180°，縱90°），檢測到以一個光強最強值，隨后把此光強最值作為目標值記錄下來。隨后，通過AP3216C環境光傳感器檢測環境光強變化并將此模擬量轉化為數字量傳輸給單片機，單片機把接收到的光強值與記錄的最強的光強值進行比較。而在系統上電期間，這一過程一直循環往復，達到了實時跟蹤太陽的效果，這是重要的程序設計框架。

3.2 FPGA設計

FPGA負責步進電機對光伏陣列板高度角和水平角的位置調整，保持陣列板與太陽光線垂直，發揮核心作用。利用QuartusⅡ設計FPGA，利用FPGA產生PWM控制電機驅動模塊，PWM采用調頻方式控制，PWM模塊接口及內部信號包括：復位信號、時鐘信號、PWM輸出，核心板輸入基準時鐘頻率是25 MHZ，PWM輸出頻率為10～200 kHZ，得預分配系數最大值2 500。

3.3 模糊PID算法設計

結合模糊PID與位置式PID的科學算法，獲得位置式PID公式如下：

所謂PID即“比例（Proportional），積分（Integral），微分（Derivative）”，是一種很常見的控制算法。Kp越大，調節作用就越激進。因此，當太陽光距離垂直入射角度相差很大時，P就會很大，使舵機快速轉動一個較大的角度，隨著太陽能電池板越來越靠近太陽光直射角度，這時P的值會逐漸減小。此時，由于許多內部或者外部的因素影響，P的效果就不是那么明顯了，舵機會在一定的范圍內小幅度擺動。這時Kd的作用就顯現出來了，D的作用就是使物理量的速度趨于0，無論何時，只要太陽能電池板有速度，D就會產生一個反方向的力，盡力剎住這個變化。當外部減小量和內部增加量在數值上一樣時，Ki的作用就來了，I是一個積分量，只要偏差存在，就會不斷對其進行積分，并反映在調節力度上。因此，I的存在，減小了靜態狀況下的誤差，讓受控物理量盡可能接近目標值。

3.4 濾波算法

實際生活中環境變化大，不確定因素多，因此環境光傳感器檢測到的數據有可能波動大，這樣也就造成失真。因此，本系統設計一種濾波算法，濾除異常數據。AP32164C環境光傳感器，每10 ms檢測一次周圍環境光強，一定時間內可以采集到N個的數據，剔除數據中的最大值和最小值，計算剩余數據的算術平均值，記作有效數據。經過實際調試，由于濾波算法的存在，本系統在各種不確定因素的影響下，就可以穩定且高效的運行。

4 系統實物調試

在實驗室進行初步調試。將裝置置于黑暗環境，在其中一點開一小孔，模擬太陽光照射，隨后不斷改變照射角度，測試系統的自動追光功能。隨后系統置于一般室內的環境，并拿一強點光源模擬太陽光，不斷改變點光源入射角度，測量太陽能電池板是否與入射光垂直。經過一個星期在不同環境下的反復測驗，證明本系統可以在不同環境下做到實時追蹤太陽光，并且保證太陽能電池板與入射光垂直，實現預期要求。

圖2 系統實物圖

5 結語

本文研究了基于ARM和FPGA的雙核心太陽方位跟蹤系統。提出總體設計方案，搭建科學可靠的硬件電路，設計了系統主程序和PID控制算法，結合光電和雙軸舵機云臺追蹤方法，能夠精確調整太陽能電池板的位置，實現太陽光精確跟蹤，并保證光垂直入射。測試發現系統具有較好性能，精度高，抗干擾能力強，運行穩定可靠。研究結果對提升能源利用率，提升智能化裝置水平具有科學意義。