雙核心太陽方位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚天宇 唐 甜 李 熠 蔣艷英

（1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)電子電路國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(fā)電技術(shù)的發(fā)展，使用率越來越高，如設(shè)計(jì)太陽能無人機(jī)[1]和太陽能LED系統(tǒng)[2]，且太陽能追蹤系統(tǒng)也獲得越來越多的關(guān)注[3]。為進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型節(jié)能環(huán)保和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)的跟蹤系統(tǒng)，本文探索一種太陽方位自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，通過利用單片機(jī)和FPGA雙核心結(jié)構(gòu)，控制太陽能電池板，實(shí)現(xiàn)跟隨太陽的實(shí)時(shí)位置而左右上下移動(dòng)，保證太陽能電池板時(shí)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(zhuǎn)換效率[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

采用ARM+FPGA雙核心結(jié)構(gòu)，確保太陽能跟蹤系統(tǒng)更加靈活。工作原理是：FPGA采用IIC通信方式與環(huán)境光傳感器進(jìn)行通信，讀取到環(huán)境光的光照值后通過16位并行通信總線發(fā)送至stm32，可編程LED配置為流水燈模式提示FPGA正在工作。系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，以STM32單片機(jī)為核心的ARM控制系統(tǒng)先控制舵機(jī)，進(jìn)行一遍全方位的檢測(cè)（橫180°、縱90°），找到光照強(qiáng)度最強(qiáng)的點(diǎn)后將此點(diǎn)的光照值保存，作為pid自動(dòng)控制算法的目標(biāo)值，經(jīng)pid算法調(diào)節(jié)后單片機(jī)輸出受控制的脈沖進(jìn)而控制雙軸云臺(tái)朝著光照度最高的點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制電路

ARM控制電路的核心芯片是單片機(jī)，采用STM32F103C8T6單片機(jī)，是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，程序存儲(chǔ)容量64 KB，工作電壓位2～3.6 V，最大工作速率可達(dá)72 MHz，有32位總線寬。自帶定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口、PWM、溫度傳感器、12位高精度AD轉(zhuǎn)換器等資源，滿足系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精度要求。

2.2 AP3216C環(huán)境光傳感器模塊

圖1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

AP3216C是一款整合型傳感器，內(nèi)部集成了數(shù)字環(huán)境光傳感器、距離傳感器和一個(gè)紅外LED。其中，距離傳感器具有10位的分辨率，環(huán)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(xù)采集環(huán)境光照強(qiáng)度和距離值。

當(dāng)有物體接近時(shí)，紅外發(fā)光二極管（IR_LED）發(fā)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(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在寄存器中。物體離得越近，反射到PS上的紅外光強(qiáng)度越高，模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)就越大，從而實(shí)現(xiàn)感應(yīng)物體距離遠(yuǎn)近的功能。與此類似，可見光電二極管（ALS）感應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)度，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境光強(qiáng)度的檢測(cè)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為了使本系統(tǒng)能夠更加精確絲滑的運(yùn)動(dòng)，采用基于SG90舵機(jī)雙軸舵機(jī)云臺(tái)控制，單片機(jī)通過模糊PID算法實(shí)時(shí)輸出所需要占空比的PWM波，從而控制云臺(tái)帶動(dòng)太陽能電池板達(dá)到所需的最佳角度。

電源監(jiān)測(cè)通過一個(gè)單刀三擲開關(guān)連接USB_OTG，USB_UART，EXTIN三個(gè)口，1.2V，3.3V，2.5V，TL431連接到電壓檢測(cè)模塊上。而電池電流監(jiān)測(cè)，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(shí)單片機(jī)就可以監(jiān)測(cè)各個(gè)模塊電源的狀態(tài)，以此來保證系統(tǒng)各個(gè)模塊的正常穩(wěn)定的工作。

2.4 FPGA模塊

本設(shè)計(jì)使用EP4CE6E22C8N芯片和EPCS4SI8N芯片為核心的FPGA電路包括EP4CE6E22C8N芯片，F(xiàn)PGA是由邏輯單元、RAM、乘法器等硬件資源組成的，能夠?qū)崿F(xiàn)乘法器、寄存器、地址發(fā)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(gè)可編程LED和三個(gè)可編程按鍵，就構(gòu)成了FPGA芯片的外圍下載電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ARM程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)光照強(qiáng)度的改變。在剛開機(jī)時(shí)，ARM系統(tǒng)先控制雙軸云臺(tái)全方位檢測(cè)一遍（橫180°，縱90°），檢測(cè)到以一個(gè)光強(qiáng)最強(qiáng)值，隨后把此光強(qiáng)最值作為目標(biāo)值記錄下來。隨后，通過AP3216C環(huán)境光傳感器檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)變化并將此模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)把接收到的光強(qiáng)值與記錄的最強(qiáng)的光強(qiáng)值進(jìn)行比較。而在系統(tǒng)上電期間，這一過程一直循環(huán)往復(fù)，達(dá)到了實(shí)時(shí)跟蹤太陽的效果，這是重要的程序設(shè)計(jì)框架。

3.2 FPGA設(shè)計(jì)

FPGA負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)對(duì)光伏陣列板高度角和水平角的位置調(diào)整，保持陣列板與太陽光線垂直，發(fā)揮核心作用。利用QuartusⅡ設(shè)計(jì)FPGA，利用FPGA產(chǎn)生PWM控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，PWM采用調(diào)頻方式控制，PWM模塊接口及內(nèi)部信號(hào)包括：復(fù)位信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、PWM輸出，核心板輸入基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率是25 MHZ，PWM輸出頻率為10～200 kHZ，得預(yù)分配系數(shù)最大值2 500。

3.3 模糊PID算法設(shè)計(jì)

結(jié)合模糊PID與位置式PID的科學(xué)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(diào)節(jié)作用就越激進(jìn)。因此，當(dāng)太陽光距離垂直入射角度相差很大時(shí)，P就會(huì)很大，使舵機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(shí)P的值會(huì)逐漸減小。此時(shí)，由于許多內(nèi)部或者外部的因素影響，P的效果就不是那么明顯了，舵機(jī)會(huì)在一定的范圍內(nèi)小幅度擺動(dòng)。這時(shí)Kd的作用就顯現(xiàn)出來了，D的作用就是使物理量的速度趨于0，無論何時(shí)，只要太陽能電池板有速度，D就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反方向的力，盡力剎住這個(gè)變化。當(dāng)外部減小量和內(nèi)部增加量在數(shù)值上一樣時(shí)，Ki的作用就來了，I是一個(gè)積分量，只要偏差存在，就會(huì)不斷對(duì)其進(jìn)行積分，并反映在調(diào)節(jié)力度上。因此，I的存在，減小了靜態(tài)狀況下的誤差，讓受控物理量盡可能接近目標(biāo)值。

3.4 濾波算法

實(shí)際生活中環(huán)境變化大，不確定因素多，因此環(huán)境光傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)有可能波動(dòng)大，這樣也就造成失真。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種濾波算法，濾除異常數(shù)據(jù)。AP32164C環(huán)境光傳感器，每10 ms檢測(cè)一次周圍環(huán)境光強(qiáng)，一定時(shí)間內(nèi)可以采集到N個(gè)的數(shù)據(jù)，剔除數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，計(jì)算剩余數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，記作有效數(shù)據(jù)。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，由于濾波算法的存在，本系統(tǒng)在各種不確定因素的影響下，就可以穩(wěn)定且高效的運(yùn)行。

4 系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行初步調(diào)試。將裝置置于黑暗環(huán)境，在其中一點(diǎn)開一小孔，模擬太陽光照射，隨后不斷改變照射角度，測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)追光功能。隨后系統(tǒng)置于一般室內(nèi)的環(huán)境，并拿一強(qiáng)點(diǎn)光源模擬太陽光，不斷改變點(diǎn)光源入射角度，測(cè)量太陽能電池板是否與入射光垂直。經(jīng)過一個(gè)星期在不同環(huán)境下的反復(fù)測(cè)驗(yàn)，證明本系統(tǒng)可以在不同環(huán)境下做到實(shí)時(shí)追蹤太陽光，并且保證太陽能電池板與入射光垂直，實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)語

本文研究了基于ARM和FPGA的雙核心太陽方位跟蹤系統(tǒng)。提出總體設(shè)計(jì)方案，搭建科學(xué)可靠的硬件電路，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序和PID控制算法，結(jié)合光電和雙軸舵機(jī)云臺(tái)追蹤方法，能夠精確調(diào)整太陽能電池板的位置，實(shí)現(xiàn)太陽光精確跟蹤，并保證光垂直入射。測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有較好性能，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。研究結(jié)果對(duì)提升能源利用率，提升智能化裝置水平具有科學(xué)意義。