基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统

仝晓梅 巩瑞春

摘 要：采用主控制器ARM11作为系统的控制与分析以及状态监视的核心，系统主要完成太阳位置计算、电机驱动、位置检测、显示、监控等功能。主控制器ARM11根据天文模型中时间和日期以及观测点经度、纬度计算出太阳的位置，并与编码器检测的跟踪轴位置相比较，根据两者的差值输出控制信号，驱动电机向程序计算的位置运动。它可实时测量并追踪太阳方位，保持入射阳光与太阳能电池板相对垂直，从而有效提高太阳能发电效率。

关键词：嵌入式系统；太阳跟踪器；labview

中图分类号 ：TM615 文献标识码：A

1引言

太阳能作为新能源的一种，有着它不可估量的市场和潜力。太阳能发电应用有光伏和光热两种方式。所谓光伏发电就是将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广，我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段。光热发电，主要是采取聚焦技术，利用镜面将阳光集中起来，以便产生中高温热能，然后利用热能产生蒸汽，推动汽轮发电机组来发电。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。

2基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统

图1是基于ARM 11的太阳能自动跟踪系统整体框图。系统由能量收集单元、数据采集单元、ARM11控制中心、角度调整单元和电源模块等组成。系统主要完成太阳位置计算、电机驱动、位置检测、显示、监控等功能。主控制器ARM11根据天文模型中时间和日期以及观测点经度、纬度计算出太阳的位置，并与编码器检测的跟踪轴位置相比较，根据两者的差值输出控制信号，驱动电机向程序计算的位置运动。它可实时测量并追踪太阳方位，保持入射阳光与太阳能电池板相对垂直。

2.1系统硬件的设计

图2是跟踪系统硬件组成图，包括太阳能电池板、支架、减速机、步进电机、步进电机驱动模块、绝对式编码器、模拟信号采集模块、控制中心等。控制中心选用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”结构，板对板之间选用高质量进口连接器，坚固耐用，镀金工艺可保证其常年运行不氧化。为保证用户自行设计的产品品质，采用6410核心板的用户可以免费得到四组底板插座。核心板尺寸仅5cm×6cm（业内最小），引出脚多达320个，带有CVBS输出（内部有16Mbit独立视频缓存）。软件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（独家提供）等主流操作系统，具有触摸显示屏的功能。

控制中心采用ARM11作为系统的控制与分析以及状态监视的核心，是系统研究工作的重点。主要完成数据显示和控制信号输出。

（1）实时显示与监控：将模拟信号采集模块ADAM4022T采集的电能信息进行显示，以实现实时监控。

（2）控制分析与控制输出：控制主要以提高太阳能采集效率为目的，以上位机通过网络控制PWM来控制电机，实现太阳能采光板角度等方位坐标的控制，以及电机的使能。主控制器ARM11根据天文模型中日期和具体时间以及观测点经度、纬度计算出太阳的角度位置，并与绝对式编码器检测的跟踪轴位置角度相比较，根据两者的差值输出控制信号，控制输出信号包括控制电机的转向、控制电机的使能、信号放大，通过综合控制，驱动电机转动，使太阳能电池板处于接收阳光最大值的位置。

系统采用通用的RS485总线，组建RS485工业网。RS485总线是一种基于平衡发送和差分接受的串行总线，具有很强的抗共模干扰能力，在适当的波特率下传输距离远。同时由于其硬件设计简单、控制方便、易于进行网络扩展，组建控制系统，具有较强的系统扩充或裁减。而且由于目前该总线形式是比较常用的工业总线形式，可以较好的配套相关器件，有利于系统开发和维护。

2.2系统软件的实现

系统软件的开发采用的是功能强大的图形化编程软件——虚拟仪器（labVIEW）。它能够为开发者提供简明、直观的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间，大大缩短系统开发周期，体现出了极高的开发效率。同时由于LabVIEW内集成了多种控件，可以实现比较专业的、美观的人机界面，方便用户使用。

系统首次启动时，ARM11首先根据天文模型中日期和具体时间以及观测点经度、纬度计算出太阳的角度位置，并存储在ARM11的内部FLASH中。此时系统打开处理器内置的ADC转换通道，接收角度传感器传递来的数据，开始进行A/D转换，以获取当前的太阳能电池板的角度。通过比较当前的太阳能电池板的角度和天文模型中计算出太阳的角度位置，系统打开PWM控制器，输出控制信号实现对电机的控制。同时A/D转换同步进行，当当前的太阳能电池板的角度和天文模型中计算出太阳的角度位置相等时停止PWM控制器输出，设定合适的采样时间，控制过程循环进行。图3为系统软件流程图。

3实验

实验以包头为例，（地理坐标：109.83E、40.65N），每2个小时为 1时间段，见表1。

说明：测试时间为冬天，东西向，单位千瓦时。如果采用固定位置每天的有效日照大约5h，而采用自动跟踪每天的有效日照大约8h。

结语

本文设计了一种基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统，基于当前先进的嵌入式控制系统，结合先进的LabVIEW编程方式，打造出易于开发、功能丰富、人机界面友好的太阳能自动跟踪系统；由于充分的平衡了系统成本和太阳能利用效率的关系，使方案具有较好的实用性和推广价值。

参考文献

[1]侯国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]郑灵翔.嵌入式系统设计与应用开发[M].北京：北航出版社，2006.

[3]张建波，殷群.嵌入式太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J].桂林科技大学学报，2010（06）.

[4]刘君华，贾惠芹，丁晖，等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技出版社，2003.

摘 要：采用主控制器ARM11作为系统的控制与分析以及状态监视的核心，系统主要完成太阳位置计算、电机驱动、位置检测、显示、监控等功能。主控制器ARM11根据天文模型中时间和日期以及观测点经度、纬度计算出太阳的位置，并与编码器检测的跟踪轴位置相比较，根据两者的差值输出控制信号，驱动电机向程序计算的位置运动。它可实时测量并追踪太阳方位，保持入射阳光与太阳能电池板相对垂直，从而有效提高太阳能发电效率。

关键词：嵌入式系统；太阳跟踪器；labview

中图分类号 ：TM615 文献标识码：A

1引言

太阳能作为新能源的一种，有着它不可估量的市场和潜力。太阳能发电应用有光伏和光热两种方式。所谓光伏发电就是将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广，我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段。光热发电，主要是采取聚焦技术，利用镜面将阳光集中起来，以便产生中高温热能，然后利用热能产生蒸汽，推动汽轮发电机组来发电。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。

2基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统

图1是基于ARM 11的太阳能自动跟踪系统整体框图。系统由能量收集单元、数据采集单元、ARM11控制中心、角度调整单元和电源模块等组成。系统主要完成太阳位置计算、电机驱动、位置检测、显示、监控等功能。主控制器ARM11根据天文模型中时间和日期以及观测点经度、纬度计算出太阳的位置，并与编码器检测的跟踪轴位置相比较，根据两者的差值输出控制信号，驱动电机向程序计算的位置运动。它可实时测量并追踪太阳方位，保持入射阳光与太阳能电池板相对垂直。

2.1系统硬件的设计

图2是跟踪系统硬件组成图，包括太阳能电池板、支架、减速机、步进电机、步进电机驱动模块、绝对式编码器、模拟信号采集模块、控制中心等。控制中心选用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”结构，板对板之间选用高质量进口连接器，坚固耐用，镀金工艺可保证其常年运行不氧化。为保证用户自行设计的产品品质，采用6410核心板的用户可以免费得到四组底板插座。核心板尺寸仅5cm×6cm（业内最小），引出脚多达320个，带有CVBS输出（内部有16Mbit独立视频缓存）。软件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（独家提供）等主流操作系统，具有触摸显示屏的功能。

控制中心采用ARM11作为系统的控制与分析以及状态监视的核心，是系统研究工作的重点。主要完成数据显示和控制信号输出。

（1）实时显示与监控：将模拟信号采集模块ADAM4022T采集的电能信息进行显示，以实现实时监控。

（2）控制分析与控制输出：控制主要以提高太阳能采集效率为目的，以上位机通过网络控制PWM来控制电机，实现太阳能采光板角度等方位坐标的控制，以及电机的使能。主控制器ARM11根据天文模型中日期和具体时间以及观测点经度、纬度计算出太阳的角度位置，并与绝对式编码器检测的跟踪轴位置角度相比较，根据两者的差值输出控制信号，控制输出信号包括控制电机的转向、控制电机的使能、信号放大，通过综合控制，驱动电机转动，使太阳能电池板处于接收阳光最大值的位置。

系统采用通用的RS485总线，组建RS485工业网。RS485总线是一种基于平衡发送和差分接受的串行总线，具有很强的抗共模干扰能力，在适当的波特率下传输距离远。同时由于其硬件设计简单、控制方便、易于进行网络扩展，组建控制系统，具有较强的系统扩充或裁减。而且由于目前该总线形式是比较常用的工业总线形式，可以较好的配套相关器件，有利于系统开发和维护。

2.2系统软件的实现

系统软件的开发采用的是功能强大的图形化编程软件——虚拟仪器（labVIEW）。它能够为开发者提供简明、直观的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间，大大缩短系统开发周期，体现出了极高的开发效率。同时由于LabVIEW内集成了多种控件，可以实现比较专业的、美观的人机界面，方便用户使用。

系统首次启动时，ARM11首先根据天文模型中日期和具体时间以及观测点经度、纬度计算出太阳的角度位置，并存储在ARM11的内部FLASH中。此时系统打开处理器内置的ADC转换通道，接收角度传感器传递来的数据，开始进行A/D转换，以获取当前的太阳能电池板的角度。通过比较当前的太阳能电池板的角度和天文模型中计算出太阳的角度位置，系统打开PWM控制器，输出控制信号实现对电机的控制。同时A/D转换同步进行，当当前的太阳能电池板的角度和天文模型中计算出太阳的角度位置相等时停止PWM控制器输出，设定合适的采样时间，控制过程循环进行。图3为系统软件流程图。

3实验

实验以包头为例，（地理坐标：109.83E、40.65N），每2个小时为 1时间段，见表1。

说明：测试时间为冬天，东西向，单位千瓦时。如果采用固定位置每天的有效日照大约5h，而采用自动跟踪每天的有效日照大约8h。

结语

本文设计了一种基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统，基于当前先进的嵌入式控制系统，结合先进的LabVIEW编程方式，打造出易于开发、功能丰富、人机界面友好的太阳能自动跟踪系统；由于充分的平衡了系统成本和太阳能利用效率的关系，使方案具有较好的实用性和推广价值。

参考文献

[1]侯国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]郑灵翔.嵌入式系统设计与应用开发[M].北京：北航出版社，2006.

[3]张建波，殷群.嵌入式太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J].桂林科技大学学报，2010（06）.

[4]刘君华，贾惠芹，丁晖，等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技出版社，2003.

摘 要：采用主控制器ARM11作为系统的控制与分析以及状态监视的核心，系统主要完成太阳位置计算、电机驱动、位置检测、显示、监控等功能。主控制器ARM11根据天文模型中时间和日期以及观测点经度、纬度计算出太阳的位置，并与编码器检测的跟踪轴位置相比较，根据两者的差值输出控制信号，驱动电机向程序计算的位置运动。它可实时测量并追踪太阳方位，保持入射阳光与太阳能电池板相对垂直，从而有效提高太阳能发电效率。

关键词：嵌入式系统；太阳跟踪器；labview

中图分类号 ：TM615 文献标识码：A

1引言

太阳能作为新能源的一种，有着它不可估量的市场和潜力。太阳能发电应用有光伏和光热两种方式。所谓光伏发电就是将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能。光伏（PV）发电技术在国外已得到深入研究和推广，我国在技术上也已基本成熟，并已进入推广应用阶段。光热发电，主要是采取聚焦技术，利用镜面将阳光集中起来，以便产生中高温热能，然后利用热能产生蒸汽，推动汽轮发电机组来发电。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板基本上都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直，使其最大化地接收太阳能，则能充分利用丰富的太阳能资源。因此，设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统，是非常有价值的研究课题。

2基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统

图1是基于ARM 11的太阳能自动跟踪系统整体框图。系统由能量收集单元、数据采集单元、ARM11控制中心、角度调整单元和电源模块等组成。系统主要完成太阳位置计算、电机驱动、位置检测、显示、监控等功能。主控制器ARM11根据天文模型中时间和日期以及观测点经度、纬度计算出太阳的位置，并与编码器检测的跟踪轴位置相比较，根据两者的差值输出控制信号，驱动电机向程序计算的位置运动。它可实时测量并追踪太阳方位，保持入射阳光与太阳能电池板相对垂直。

2.1系统硬件的设计

图2是跟踪系统硬件组成图，包括太阳能电池板、支架、减速机、步进电机、步进电机驱动模块、绝对式编码器、模拟信号采集模块、控制中心等。控制中心选用了低功耗、高性能的ARM11 s3c6410，ARM11板采用“核心板+底板”结构，板对板之间选用高质量进口连接器，坚固耐用，镀金工艺可保证其常年运行不氧化。为保证用户自行设计的产品品质，采用6410核心板的用户可以免费得到四组底板插座。核心板尺寸仅5cm×6cm（业内最小），引出脚多达320个，带有CVBS输出（内部有16Mbit独立视频缓存）。软件支持Linux、WinCE、Android、uC/OS-II（独家提供）等主流操作系统，具有触摸显示屏的功能。

控制中心采用ARM11作为系统的控制与分析以及状态监视的核心，是系统研究工作的重点。主要完成数据显示和控制信号输出。

（1）实时显示与监控：将模拟信号采集模块ADAM4022T采集的电能信息进行显示，以实现实时监控。

（2）控制分析与控制输出：控制主要以提高太阳能采集效率为目的，以上位机通过网络控制PWM来控制电机，实现太阳能采光板角度等方位坐标的控制，以及电机的使能。主控制器ARM11根据天文模型中日期和具体时间以及观测点经度、纬度计算出太阳的角度位置，并与绝对式编码器检测的跟踪轴位置角度相比较，根据两者的差值输出控制信号，控制输出信号包括控制电机的转向、控制电机的使能、信号放大，通过综合控制，驱动电机转动，使太阳能电池板处于接收阳光最大值的位置。

系统采用通用的RS485总线，组建RS485工业网。RS485总线是一种基于平衡发送和差分接受的串行总线，具有很强的抗共模干扰能力，在适当的波特率下传输距离远。同时由于其硬件设计简单、控制方便、易于进行网络扩展，组建控制系统，具有较强的系统扩充或裁减。而且由于目前该总线形式是比较常用的工业总线形式，可以较好的配套相关器件，有利于系统开发和维护。

2.2系统软件的实现

系统软件的开发采用的是功能强大的图形化编程软件——虚拟仪器（labVIEW）。它能够为开发者提供简明、直观的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间，大大缩短系统开发周期，体现出了极高的开发效率。同时由于LabVIEW内集成了多种控件，可以实现比较专业的、美观的人机界面，方便用户使用。

系统首次启动时，ARM11首先根据天文模型中日期和具体时间以及观测点经度、纬度计算出太阳的角度位置，并存储在ARM11的内部FLASH中。此时系统打开处理器内置的ADC转换通道，接收角度传感器传递来的数据，开始进行A/D转换，以获取当前的太阳能电池板的角度。通过比较当前的太阳能电池板的角度和天文模型中计算出太阳的角度位置，系统打开PWM控制器，输出控制信号实现对电机的控制。同时A/D转换同步进行，当当前的太阳能电池板的角度和天文模型中计算出太阳的角度位置相等时停止PWM控制器输出，设定合适的采样时间，控制过程循环进行。图3为系统软件流程图。

3实验

实验以包头为例，（地理坐标：109.83E、40.65N），每2个小时为 1时间段，见表1。

说明：测试时间为冬天，东西向，单位千瓦时。如果采用固定位置每天的有效日照大约5h，而采用自动跟踪每天的有效日照大约8h。

结语

本文设计了一种基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统，基于当前先进的嵌入式控制系统，结合先进的LabVIEW编程方式，打造出易于开发、功能丰富、人机界面友好的太阳能自动跟踪系统；由于充分的平衡了系统成本和太阳能利用效率的关系，使方案具有较好的实用性和推广价值。

参考文献

[1]侯国屏，王坤，叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]郑灵翔.嵌入式系统设计与应用开发[M].北京：北航出版社，2006.

[3]张建波，殷群.嵌入式太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J].桂林科技大学学报，2010（06）.

[4]刘君华，贾惠芹，丁晖，等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安：西安电子科技出版社，2003.