基于STM32的太陽跟蹤微控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張宇思， 時(shí)維鐸， 徐 磊， 丁 銳

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

隨著清潔能源不斷推廣，對于太陽能利用率的要求越來越高。雖然太陽能覆蓋范圍廣，但能量密度較低且具有間歇性，太陽能的利用率與接收太陽光的角度密切相關(guān)，使得固定式太陽能板對太陽能的利用率普遍較低。近年來，對于太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究逐漸增多，有實(shí)驗(yàn)證明,跟蹤系統(tǒng)比固定模式多吸收30 %的能量[1]。跟蹤系統(tǒng)主要特點(diǎn)為能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽自動(dòng)跟蹤，使得太陽光與太陽能板保持垂直，以得到最大的能量利用率。

太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)根據(jù)信號采集方式分為視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤、光電跟蹤[2，3]。將二者結(jié)合的跟蹤方式使用較多，因?yàn)橐暼者\(yùn)動(dòng)軌跡方式是通過算法估算太陽的位置，誤差較大，光電跟蹤受天氣與視角的影響較大[4，5]，因此,將二者結(jié)合可以彌補(bǔ)各自缺陷。

本文將視日運(yùn)動(dòng)軌跡方式與光電跟蹤方式相結(jié)合，采用雙軸伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅可以大大提高太陽能的利用效率，且在控制精度、速度上有了很大的提高，不僅滿足民用企業(yè)的需要，對一些高精度的軍工產(chǎn)品具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文以STM32F429為主控制器，由全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)模塊采集當(dāng)前時(shí)間與經(jīng)緯度信息。開機(jī)首先對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后通過GPS獲取當(dāng)前的時(shí)間信息，若為早晨6︰00以后則進(jìn)行視日運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，通過數(shù)字式伺服電機(jī)調(diào)節(jié)，再由攝像頭采集太陽圖像信息，經(jīng)處理后得到視日運(yùn)動(dòng)軌跡的差值，根據(jù)差值進(jìn)行細(xì)調(diào)，同時(shí)定時(shí)將時(shí)間與對應(yīng)的俯仰角、方位角偏移量存入外部電可擦可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)中，并顯示圖像與當(dāng)前信息。若因?yàn)樘鞖獾仍驘o法采集到圖像信息，則由保存的最近日期的相近時(shí)間的偏移量代替，達(dá)到繼續(xù)跟蹤的目的。當(dāng)系統(tǒng)判斷處在18︰00～6︰00之間時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入休眠態(tài)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

2.1 視日運(yùn)動(dòng)追蹤算法

太陽的俯仰角和方位角與觀測地的地理位置和時(shí)間相關(guān)。時(shí)間采用協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinated universal time,UTC)，當(dāng)太陽時(shí)角為ω，俯仰角為αs，方位角為γs，觀測地緯度為l,太陽赤緯為δ時(shí)，太陽的俯仰角與方位角為

sinαs=sinlsinδ+coslcosδcosω

(1)

sinγs=cosδsinω/cosαs

(2)

再通過反正弦的方法，可以計(jì)算出當(dāng)前太陽的方位角和俯仰角。

2.2 圖像處理算法

圖像處理的目的是為了尋找質(zhì)心，通過質(zhì)心可以更加精確地尋找到太陽位置，提高控制精度，涉及到圖像二值化處理、邊緣檢測與獲得質(zhì)心[6,7]。

圖像二值化處理采用最大類間方差法，按圖像的灰度特性將圖像分為背景和目標(biāo)兩部分。假設(shè)背景點(diǎn)數(shù)占圖像比例為w0，平均灰度為u0；前景點(diǎn)數(shù)占圖像比例為w1，平均灰度為u1,T為前景與背景的分割閾值,圖像總平均灰度u為

u=w0*u0+w1*u1

(3)

從最小灰度值到最大灰度值遍歷t，當(dāng)g最大時(shí),t即為分割的最佳閾值

g=w0*(u0-u)2+w1*(u1-u)2

(4)

邊緣檢測采用Kirsch算子，Kirsch算子采用8個(gè)3×3的模板對圖像進(jìn)行卷積，8個(gè)模板代表8個(gè)方向，并取最大值作為圖像的邊緣輸出。設(shè)圖像P，模板為Mk,則在(x,y)處的邊緣強(qiáng)度為

E(x,y)=max{Mk*P},k=1,2,…,8

(5)

根據(jù)邊緣后的連通區(qū)域取平均值，從而得到質(zhì)心坐標(biāo)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 GPS模塊電路設(shè)計(jì)

GPS模塊采用ATK—S1216F8—BD GPS/北斗模塊。ATK—S1216F8—BD GPS/北斗模塊是一種高性能GPS/北斗雙模定位模塊，該模塊體積小巧，定位精度高，可通過串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，兼容3.3V/5V電平，使用方便。

本文使用GPS模塊獲取時(shí)間與經(jīng)緯度信息，通過天文算法得到太陽的俯仰角和方位角，ATK—S1216F8—BD模塊原理如圖2所示。

圖2 ATK—S1216F8—BD模塊原理

3.2 攝像頭模塊電路設(shè)計(jì)

攝像頭模塊采用OV2640模塊，該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能，UXGA圖像最高達(dá)到15幀/s，具有標(biāo)準(zhǔn)SCCB接口，原理如圖3所示。

圖3 OV2640驅(qū)動(dòng)模塊原理

由于OV2640光傳感器在強(qiáng)光下很容易進(jìn)入飽和值，所以,在實(shí)驗(yàn)時(shí)采用星特朗天文望遠(yuǎn)鏡目鏡太陽濾光片進(jìn)行濾光，可以減小反射，采集到清晰的圖像。

3.3 數(shù)據(jù)存儲模塊電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲模塊采用AT24C02模塊，AT24C02是低工作電壓的2 kb串行電可擦除只讀存儲器。本文使用AT24C02模塊存儲視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤的偏移量，以供陰天或無法識別圖像時(shí)的繼續(xù)追蹤功能。AT24C02模塊原理圖如圖4。

圖4 AT24C02模塊原理

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用2個(gè)高精度數(shù)字式伺服電機(jī)對太陽的俯仰角和方位角進(jìn)行跟蹤控制，通過輸出脈沖信號與方向信號控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制2個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度，通過控制電機(jī)輸出脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波的頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，原理如圖5所示。

圖5 電機(jī)模塊原理

3.5 編碼器模塊電路設(shè)計(jì)

編碼器安裝在整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的末端，通過編碼器時(shí)刻取得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際角度，不僅可以有效地消除由于渦輪、蝸桿造成的機(jī)械誤差，還給整個(gè)控制系統(tǒng)的提供閉環(huán)控制量，對控制系統(tǒng)精度的提高具有重要作用。

系統(tǒng)采用的絕對值編碼器GES38 HA08RDB模塊，具有14位分辨率，高精度全數(shù)字化，高速數(shù)字通信輸出，冗余的絕對值信號輸出，實(shí)現(xiàn)位置與速度控制的雙閉環(huán)，并提供RS—485自由通信協(xié)議，使用方便、快捷。

4 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能有：采集處理GPS數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)、編碼器數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)到外部EEPROM，輸出PWM與方向信號給伺服電機(jī)，顯示采集與處理后圖像與相關(guān)信息。軟件流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)上電后，對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，通過GPS模塊獲取當(dāng)前的時(shí)間值和經(jīng)緯度值，若時(shí)間在6︰00～18︰00之間時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行追蹤運(yùn)動(dòng)，否則通過檢測到的時(shí)間定時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)[8]。進(jìn)行追蹤運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法取得方位角與俯仰角并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，再采集攝像頭數(shù)據(jù)，若視角中圖像可找到質(zhì)心，則控制電機(jī)進(jìn)行追蹤，否則取得存儲的最近日期的最近時(shí)間點(diǎn)的偏移量，根據(jù)存儲的偏移量控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，最后顯示當(dāng)前信息[9]。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本設(shè)備于2017年11月11日在南京林業(yè)大學(xué)進(jìn)行試驗(yàn)，從8︰30～12︰00，進(jìn)行連續(xù)4h的測試，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤上太陽，當(dāng)太陽光被擋時(shí)，系統(tǒng)可以通過內(nèi)部存儲的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，當(dāng)太陽光恢復(fù)正常后，又可以恢復(fù)圖像跟蹤，系統(tǒng)測試界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測試界面

系統(tǒng)安裝之后，會因?yàn)槎ㄎ徊粶?zhǔn)造成誤差，經(jīng)過零點(diǎn)校準(zhǔn)之后，可以準(zhǔn)確找到天文正北方向，找到零點(diǎn)。零點(diǎn)找準(zhǔn)之后，通過連續(xù)測試，可以得出系統(tǒng)不同時(shí)刻(9︰30～12︰00)編碼器輸出的俯仰角和方位角通過與計(jì)算的理論值對比：系統(tǒng)俯仰角的最大絕對誤差為-0.057°，最小絕對誤差為0.000 7°，平均絕對誤差為-0.024 2，最大相對誤差為0.18 %，最小相對誤差為0.002 %，平均相對誤差為0.076 %；系統(tǒng)方位角的最大絕對誤差為-0.095 4，最小絕對誤差為-0.007 4，平均絕對誤差為-0.035，最大相對誤差為0.06 %，最小相對誤差為0.01 %，平均相對誤差為0.027 %。系統(tǒng)平均誤差均在0.1 %以下，控制精度完全滿足民品和大部分軍品的要求。

6 結(jié) 論

本文研究的高精度太陽跟蹤伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，將視日運(yùn)動(dòng)和光電跟蹤相結(jié)合，不僅在控制精度和速度上有個(gè)很大的提高，在陰天或無法取得圖像信息時(shí)，系統(tǒng)可以通過內(nèi)部存儲誤差的方法進(jìn)行校準(zhǔn)跟蹤。無論是在太陽能效率提高，還是在氣象氣候的研究方面，都具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。