仝曉梅 鞏瑞春

摘 要：采用主控制器ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，系統(tǒng)主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監(jiān)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(fā)電效率。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；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(fā)電應用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機組來發(fā)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(fā)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(fā)能自動追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，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(tǒng)

圖1是基于ARM 11的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)整體框圖。系統(tǒng)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(tǒng)主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監(jiān)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(tǒng)硬件的設計

圖2是跟蹤系統(tǒng)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(yè)內最?。瞿_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(tǒng)，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，是系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)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(tǒng)采用通用的RS485總線，組建RS485工業(yè)網。RS485總線是一種基于平衡發(fā)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(tǒng)，具有較強的系統(tǒng)擴充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業(yè)總線形式，可以較好的配套相關器件，有利于系統(tǒng)開發(fā)和維護。

2.2系統(tǒng)軟件的實現

系統(tǒng)軟件的開發(fā)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(fā)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(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時間，大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，體現出了極高的開發(fā)效率。同時由于LabVIEW內集成了多種控件，可以實現比較專業(yè)的、美觀的人機界面，方便用戶使用。

系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)進行。圖3為系統(tǒng)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(tǒng)，基于當前先進的嵌入式控制系統(tǒng)，結合先進的LabVIEW編程方式，打造出易于開發(fā)、功能豐富、人機界面友好的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)；由于充分的平衡了系統(tǒng)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(tǒng)設計與應用開發(fā)[M].北京：北航出版社，2006.

[3]張建波，殷群.嵌入式太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)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(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，系統(tǒng)主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監(jiān)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(fā)電效率。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；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(fā)電應用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機組來發(fā)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(fā)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(fā)能自動追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，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(tǒng)

圖1是基于ARM 11的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)整體框圖。系統(tǒng)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(tǒng)主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監(jiān)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(tǒng)硬件的設計

圖2是跟蹤系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，是系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)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(tǒng)采用通用的RS485總線，組建RS485工業(yè)網。RS485總線是一種基于平衡發(fā)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(tǒng)，具有較強的系統(tǒng)擴充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業(yè)總線形式，可以較好的配套相關器件，有利于系統(tǒng)開發(fā)和維護。

2.2系統(tǒng)軟件的實現

系統(tǒng)軟件的開發(fā)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(fā)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(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時間，大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，體現出了極高的開發(fā)效率。同時由于LabVIEW內集成了多種控件，可以實現比較專業(yè)的、美觀的人機界面，方便用戶使用。

系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)進行。圖3為系統(tǒng)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(tǒng)，基于當前先進的嵌入式控制系統(tǒng)，結合先進的LabVIEW編程方式，打造出易于開發(fā)、功能豐富、人機界面友好的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)；由于充分的平衡了系統(tǒng)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(tǒng)設計與應用開發(fā)[M].北京：北航出版社，2006.

[3]張建波，殷群.嵌入式太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)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(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，系統(tǒng)主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監(jiān)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(fā)電效率。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；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(fā)電應用有光伏和光熱兩種方式。所謂光伏發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機組來發(fā)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(fā)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(fā)能自動追蹤太陽光照的控制系統(tǒng)，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(tǒng)

圖1是基于ARM 11的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)整體框圖。系統(tǒng)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(tǒng)主要完成太陽位置計算、電機驅動、位置檢測、顯示、監(jiān)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(tǒng)硬件的設計

圖2是跟蹤系統(tǒng)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?？刂浦行倪x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(yè)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(tǒng)，具有觸摸顯示屏的功能。

控制中心采用ARM11作為系統(tǒng)的控制與分析以及狀態(tài)監(jiān)視的核心，是系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)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(tǒng)采用通用的RS485總線，組建RS485工業(yè)網。RS485總線是一種基于平衡發(fā)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(tǒng)，具有較強的系統(tǒng)擴充或裁減。而且由于目前該總線形式是比較常用的工業(yè)總線形式，可以較好的配套相關器件，有利于系統(tǒng)開發(fā)和維護。

2.2系統(tǒng)軟件的實現

系統(tǒng)軟件的開發(fā)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(fā)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(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時間，大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，體現出了極高的開發(fā)效率。同時由于LabVIEW內集成了多種控件，可以實現比較專業(yè)的、美觀的人機界面，方便用戶使用。

系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)進行。圖3為系統(tǒng)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(tǒng)，基于當前先進的嵌入式控制系統(tǒng)，結合先進的LabVIEW編程方式，打造出易于開發(fā)、功能豐富、人機界面友好的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)；由于充分的平衡了系統(tǒng)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(tǒng)設計與應用開發(fā)[M].北京：北航出版社，2006.

[3]張建波，殷群.嵌入式太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)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.