双核心太阳方位跟踪系统设计

姚天宇 唐 甜 李 熠 蒋艳英

（1.桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学电子电路国家级实验教学示范中心，广西 桂林 541004）

0 引言

太阳能作为一种新兴的可再生能源，随着太阳能光伏发电技术的发展，使用率越来越高，如设计太阳能无人机[1]和太阳能LED系统[2]，且太阳能追踪系统也获得越来越多的关注[3]。为进一步设计新型节能环保和长时间连续作业的跟踪系统，本文探索一种太阳方位自动跟踪系统，通过利用单片机和FPGA双核心结构，控制太阳能电池板，实现跟随太阳的实时位置而左右上下移动，保证太阳能电池板时刻垂直接受太阳光照射，提高太阳能接收效率，以提高光电转换效率[4]。

1 系统总体设计方案

采用ARM+FPGA双核心结构，确保太阳能跟踪系统更加灵活。工作原理是：FPGA采用IIC通信方式与环境光传感器进行通信，读取到环境光的光照值后通过16位并行通信总线发送至stm32，可编程LED配置为流水灯模式提示FPGA正在工作。系统开机时，以STM32单片机为核心的ARM控制系统先控制舵机，进行一遍全方位的检测（横180°、纵90°），找到光照强度最强的点后将此点的光照值保存，作为pid自动控制算法的目标值，经pid算法调节后单片机输出受控制的脉冲进而控制双轴云台朝着光照度最高的点进行移动。

2 系统硬件电路设计

2.1 ARM控制电路

ARM控制电路的核心芯片是单片机，采用STM32F103C8T6单片机，是一款基于Cortex-M3内核的32位微控制器，程序存储容量64 KB，工作电压位2～3.6 V，最大工作速率可达72 MHz，有32位总线宽。自带定时器、模数转换、串口、PWM、温度传感器、12位高精度AD转换器等资源，满足系统采集数据的精度要求。

2.2 AP3216C环境光传感器模块

图1 系统功能实现

AP3216C是一款整合型传感器，内部集成了数字环境光传感器、距离传感器和一个红外LED。其中，距离传感器具有10位的分辨率，环境光传感器具有16位分辨率。AP3216C能够支持多种工作模式，笔者使用的是ALS+PS+IR模式，在该模式下AP3216C连续采集环境光照强度和距离值。

当有物体接近时，红外发光二极管（IR_LED）发出的红外线碰撞到物体后反射到红外光电二极管（PS）上，光电二极管将光信号转换成电流信号，并通过模数转换器（ADC）将其转换成数字信号并存储在寄存器中。物体离得越近，反射到PS上的红外光强度越高，模数转换后得到的数据就越大，从而实现感应物体距离远近的功能。与此类似，可见光电二极管（ALS）感应环境光强度，并将其转化成数字信号，从而实现环境光强度的检测。

2.3 电机驱动模块

为了使本系统能够更加精确丝滑的运动，采用基于SG90舵机双轴舵机云台控制，单片机通过模糊PID算法实时输出所需要占空比的PWM波，从而控制云台带动太阳能电池板达到所需的最佳角度。

电源监测通过一个单刀三掷开关连接USB_OTG，USB_UART，EXTIN三个口，1.2V，3.3V，2.5V，TL431连接到电压检测模块上。而电池电流监测，3.3V、1.2V、2.5V的电源也通过反馈渠道反馈回电源ADC通道，此时单片机就可以监测各个模块电源的状态，以此来保证系统各个模块的正常稳定的工作。

2.4 FPGA模块

本设计使用EP4CE6E22C8N芯片和EPCS4SI8N芯片为核心的FPGA电路包括EP4CE6E22C8N芯片，FPGA是由逻辑单元、RAM、乘法器等硬件资源组成的，能够实现乘法器、寄存器、地址发生器等硬件电路。所以FPGA包含了多功能芯片。EPCS4SI8N加上50 MHz的晶振，三个可编程LED和三个可编程按键，就构成了FPGA芯片的外围下载电路。

3 系统软件设计

3.1 ARM程序设计

本设计能够实现实时检测光照强度的改变。在刚开机时，ARM系统先控制双轴云台全方位检测一遍（横180°，纵90°），检测到以一个光强最强值，随后把此光强最值作为目标值记录下来。随后，通过AP3216C环境光传感器检测环境光强变化并将此模拟量转化为数字量传输给单片机，单片机把接收到的光强值与记录的最强的光强值进行比较。而在系统上电期间，这一过程一直循环往复，达到了实时跟踪太阳的效果，这是重要的程序设计框架。

3.2 FPGA设计

FPGA负责步进电机对光伏阵列板高度角和水平角的位置调整，保持阵列板与太阳光线垂直，发挥核心作用。利用QuartusⅡ设计FPGA，利用FPGA产生PWM控制电机驱动模块，PWM采用调频方式控制，PWM模块接口及内部信号包括：复位信号、时钟信号、PWM输出，核心板输入基准时钟频率是25 MHZ，PWM输出频率为10～200 kHZ，得预分配系数最大值2 500。

3.3 模糊PID算法设计

结合模糊PID与位置式PID的科学算法，获得位置式PID公式如下：

所谓PID即“比例（Proportional），积分（Integral），微分（Derivative）”，是一种很常见的控制算法。Kp越大，调节作用就越激进。因此，当太阳光距离垂直入射角度相差很大时，P就会很大，使舵机快速转动一个较大的角度，随着太阳能电池板越来越靠近太阳光直射角度，这时P的值会逐渐减小。此时，由于许多内部或者外部的因素影响，P的效果就不是那么明显了，舵机会在一定的范围内小幅度摆动。这时Kd的作用就显现出来了，D的作用就是使物理量的速度趋于0，无论何时，只要太阳能电池板有速度，D就会产生一个反方向的力，尽力刹住这个变化。当外部减小量和内部增加量在数值上一样时，Ki的作用就来了，I是一个积分量，只要偏差存在，就会不断对其进行积分，并反映在调节力度上。因此，I的存在，减小了静态状况下的误差，让受控物理量尽可能接近目标值。

3.4 滤波算法

实际生活中环境变化大，不确定因素多，因此环境光传感器检测到的数据有可能波动大，这样也就造成失真。因此，本系统设计一种滤波算法，滤除异常数据。AP32164C环境光传感器，每10 ms检测一次周围环境光强，一定时间内可以采集到N个的数据，剔除数据中的最大值和最小值，计算剩余数据的算术平均值，记作有效数据。经过实际调试，由于滤波算法的存在，本系统在各种不确定因素的影响下，就可以稳定且高效的运行。

4 系统实物调试

在实验室进行初步调试。将装置置于黑暗环境，在其中一点开一小孔，模拟太阳光照射，随后不断改变照射角度，测试系统的自动追光功能。随后系统置于一般室内的环境，并拿一强点光源模拟太阳光，不断改变点光源入射角度，测量太阳能电池板是否与入射光垂直。经过一个星期在不同环境下的反复测验，证明本系统可以在不同环境下做到实时追踪太阳光，并且保证太阳能电池板与入射光垂直，实现预期要求。

图2 系统实物图

5 结语

本文研究了基于ARM和FPGA的双核心太阳方位跟踪系统。提出总体设计方案，搭建科学可靠的硬件电路，设计了系统主程序和PID控制算法，结合光电和双轴舵机云台追踪方法，能够精确调整太阳能电池板的位置，实现太阳光精确跟踪，并保证光垂直入射。测试发现系统具有较好性能，精度高，抗干扰能力强，运行稳定可靠。研究结果对提升能源利用率，提升智能化装置水平具有科学意义。