基于ARM920T的太阳能电池板自动追光系统-solarbe文库

仪器设备研制与应用基于ＡＲＭ９２０Ｔ的太阳能电池板自动追光系统郭文川，周超超，刘兴林，夏田俊（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌７１２１００）摘要：为了提高太阳能电池板的工作效率，设计了一种基于ＡＲＭ９２０Ｔ平台的太阳能电池板自动追光系统。系统以ＡＲＭ９２０Ｔ内核Ｓ３Ｃ２４４０处理器为控制器，根据二维光位置敏感探测器ＰＳＤ的电流输出量确定电池板绕竖直轴和水平轴转动的方向和角度，进而由２个步进电机驱动双轴跟踪系统，以达到自动追光的目的。经测试表明，该系统运行稳定、可靠，具有良好的应用前景。关键词：太阳能板；追光系统；ＡＲＭ９２０７；ＰＳＤ中图分类号：ＴＫ５１３文献标志码：Ａ文章编号：１００２－４９５６（２０１２）０１－００５６－０３Ｓｏｌａｒｐａｎｅｌｓｕｎ－ｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭＧｕｏＷｅｎｃｈｕａｎ，ＺｈｏｕＣｈａｏｃｈａｏ，ＬｉｕＸｉｎｇｌｉｎ，ＸｉａＴｉａｎｊｕｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ７１２１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｕｔｏｍａｔｉｃｓｏｌａｒｐａｎｅｌｌｉｇｈｔ－ｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭ９ｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｓｏｌａｒｐａｎｅｌｓ．Ｓ３Ｃ２４４０ｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｏｕｔｐｕｔｓｏｆｔｈｅ２Ｄｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒ（ＰＳＤ），ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｎｄａｎｇｅｌｓａｔｗｈｉｃｈｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌａｘｅｓｓｈｏｕｌｄｒｏｔａｔｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｗｏｓｔｅｐｍｏｔｏｒｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｔｗｏ－ａｘｉｓｓｙｓｔｅｍｔｏｔｒａｃｅｓｕｎｐｏｓｉｔｉｏｎａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｒｕｎｎｉｎｇｔｅｓｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｓｔａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄｉｔｈａｓｇｏｏｄａｐ－ｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒｐａｎｅｌ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｓｕｎ－ｔｒａｃｋｉｎｇ；ＡＲＭ；ＰＳＤ收稿日期：２０１１－０７－０４修改日期：２０１１－０８－１６基金项目：陕西省省级人才培养模式创新实验区（陕教高〔２００９〕４８号）；西北农林科技大学教学改革重点项目（ＪＹ０９０１００９）；国家大学生创新项目（０９１０７１２３２）作者简介：郭文川（１９６９ —），女，陕西临潼，博士，教授，主要从事智能化检测技术与装备、机电一体化等方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｗｅｎｃｈｕａｎ６９＠１２６．ｃｏｍ太阳能是地球上最直接、最普遍、最清洁、也是资源最无限的能源。然而太阳能密度低、分散性大、不稳定性大以及空间分布不断变化的缺点，使得太阳能的利用率较低。如何提高太阳能的利用效率便成为国内外研究的热点。理论分析表明，太阳的精确跟踪与非跟踪相比，能量的接收率相差３７．７％［１］。因此实现对太阳的精确跟踪是提高太阳能利用率的有效途径之一。目前太阳跟踪的方式主要有光电式和机械式。光电式为被动跟踪，其精度较低，而机械式为主动跟踪，其原理是通过程序计算出太阳位置，控制步进电机来跟踪太阳。目前国内大多数采用机械式进行跟踪［２－３］，但此法中因无检测机构，使得累计误差逐渐增大，效果并不十分理想。针对光电式和机械式太阳跟踪方法的不足，本文提出一种基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核Ｓ３Ｃ２４４０处理器和二维光位置敏感探测器（ＰＳＤ）的太阳能电池板自动追光系统，从而达到提高太阳能电池板工作效率的目的。１追光系统硬件设计１．１硬件系统总体设计思路太阳能电池板自动追光系统的硬件系统主要由ＡＲＭ９２０Ｔ控制器、太阳能电池板、ＰＳＤ探测器、步进电机驱动器、步进电机、双轴机械支架和液晶触摸屏等组成，如图１所示。由ＰＳＤ探测器检测太阳光线照射到太阳能电池板上所产生的电流，将电流送给ＡＲＭ９２０Ｔ控制器中的ＡＤＣ进行模数转换，由ＡＲＭ９２０Ｔ判断太阳的位置；然后送控制量给步进电机驱动器以驱动步进电机控制双轴（竖直和水平轴）机械支架的转动，达到调整太阳能电池板的姿态（即方向角和俯仰角），从而使太阳能电池板与太阳光线垂直，使太阳能电池板最大限度地接收太阳能。为ＩＳＳＮ１００２－４９５６ＣＮ１１－２０３４／Ｔ实验技术与管理ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ第２９卷第１期２０１２年１月Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１２了增加人机交互功能，ＡＲＭ９２０Ｔ处理器将采集和控制结果通过液晶触摸屏显示。图１系统硬件组成框图１．２ＡＲＭ９２０Ｔ控制器系统中处理器采用韩国三星公司的ＡＲＭ９２０Ｔ内核处理器Ｓ３Ｃ２４４０，其包括了独立的１６ｋＢ指令缓存和１６ｋＢ数据缓存、ＭＭＵ和ＬＣＤ控制器、ＮＡＮＤＦｌａｓｈ启动加载器、存储管理器、８通道１０位Ａ／Ｄ控制器、１３０个通用Ｉ／Ｏ端口和２４个外部中断源。Ｓ３Ｃ２４４０主要用于采集由ＰＳＤ探测器输出的光线位置数据、并进行计算后发出控制命令给步进电机驱动器。１．３太阳能电池板和液晶触摸屏太阳能电池板选择深圳市欣明通太阳能科技有限公司生产的ＸＭＴ－Ｕ１０型单晶硅太阳能电池板。其标称功率１０Ｗ，峰值电压１８．０Ｖ，峰值电流０．５６Ａ，开路电压２２．３０Ｖ，短路电流０．６０Ａ，尺寸３５５ｍｍ×２９０ｍｍ× ２５ｍｍ，质量１．４ｋｇ。选用８９ｃｍ（３．５吋）液晶触摸屏显示采集的数据和控制结果。由于ＡＲＭ９２０Ｔ集成有ＬＣＤ控制器［４］，因此可以很方便将ＡＲＭ９２０Ｔ与ＬＣＤ相连。１．４ＰＳＤ选型ＰＳＤ是一种新型横向光电效应器件，与光导摄像管和固体摄像器相比，具有不存在测量死区、分辨率高、响应速度快和外围电路简单等优点［５］。本文采用改良表面分割型二维ＰＳＤ，光敏面为长２Ｌ的正方形，其光敏面形状及电极位置如图２所示。其工作原理是当入射光照射到光敏面上某一点后，光生载流子在薄层中向四面八方流动，可用２个正交分量，即平行于ｘ轴方向的分量Ｉｘ和平行于ｙ轴方向的分量Ｉｙ表示电流，且Ｉｘ＋Ｉｙ＝Ｉ０（Ｉ０为光生总电流）。根据各个电极上所产生的电流就可以由式（１）和（２）计算出光点在ＰＳＤ光敏面上的位置（ｘ，ｙ）［６］。ｘ＝Ｌ（Ｉｘ２＋Ｉｙ１）－（Ｉｘ１＋Ｉｙ２）Ｉｘ１＋Ｉｘ２＋Ｉｙ１＋Ｉｙ２（１）ｙ＝Ｌ（Ｉｘ２＋Ｉｙ２）－（Ｉｘ１＋Ｉｙ１）Ｉｘ１＋Ｉｘ２＋Ｉｙ１＋Ｉｙ２（２）式中，Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１和Ｉｙ２分别为ＰＳＤ的各个电极的输出的电流。图２二维ＰＳＤ光敏面形状与电极位置图本系统选用上海欧光电子科技有限公司的ＨＹ２１２１型二维ＰＳＤ探测器。其主要参数：有效光敏面积２１ｍｍ× ２１ｍｍ；分辨率为２ μ ｍ，光谱响应范围为３８０～１１００ｎｍ，响应时间为１ μ ｓ，工作温度为－１０～６０ ℃ 。１．５追光系统机械机构设计及电机选型１．５．１追光系统机械机构设计本追光系统采用双轴跟踪方法，即太阳能电池板通过绕竖直轴和水平轴独立动作而改变系统的方向角和俯仰角。本双轴自动追光系统的机械部分由太阳能电池板（上贴有ＰＳＤ）、Ｔ型支架、凸轮、连杆、蜗轮蜗杆减速机构和２个步进电机组成，如图３所示。由步进电机Ａ经蜗轮蜗杆减速器减速后驱动Ｔ型支架（上安装有竖直轴）实现水平方向转动，即方位角的调整。本系统中涡轮蜗杆的减速比为４０％。由步进电机Ｂ带动凸轮机构使太阳能电池板绕水平轴转动而实现对俯仰角的调整。通过对步进电机的控制，就可以达到对跟踪机构进行方向角和俯仰角的控制，从而使太阳能电池板与太阳光线垂直。制作的太阳能电池板自动追光系统机械部分实物如图４所示。１．５．２步进电机简介及其选型图５为步进电机驱动器电路图。步进电机是机电控制系统中常用的执行机构，它的用途是将脉冲信号转化为角位移。即当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，步进电机就转动一个步距角。选择步进电机时主要考虑电机最大速度、电机步距角和电机力矩３个参数［６］。对本系统进行载荷分析后，确定选用型号为５７ＢＹＧＨ５６－４０１Ａ和５７ＢＹＧＨ９３－４０１Ａ的两相混合式步进电机。其主要参数：额定电压ＤＣ３．６４Ｖ，额定电流（相）２．８Ａ，步距角１．８ ° ，最大保持力矩分别为１．２６Ｎ· ｍ和２．２１Ｎ · ｍ，定位转矩分别为０．０５Ｎ · ｍ和０．０７Ｎ · ｍ，转动惯量分别为４．８ × １０－５ｋｇ · ｍ２和７５郭文川，等：基于ＡＲＭ９２０Ｔ的太阳能电池板自动追光系统图３双轴跟踪系统结构图图４太阳能电池板自动追光系统实物图５．６ × １０－５ｋｇ · ｍ２。１．６追光系统控制电路设计根据系统要求及步进电机型号选择步进电机驱动器，并设计相应的硬件电路。本系统以东芝公司的ＴＢ６５６０驱动芯片为核心设计驱动电路。ＴＢ６５６０耐压ＤＣ４０Ｖ，电流峰值３．５Ａ，可实现１／２、１／４、１／８、１／１６等多种细分。设计的驱动电路主要包括步进电机驱动主电路、步进电机自动半流电路和步进电机控制信号隔离电路３部分，其中步进电机驱动主电路见图５。２追光系统软件设计图６为太阳能电池板自动追光方法流程图。系统软件是基于Ｌｉｎｕｘ２．６内核设计的，其中Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ选用Ｕ－Ｂｏｏｔ１．１．６。Ａ／Ｄ转换和步进电机驱动均以模块方式加载进内核，用Ｑｔ编写图形用户界面ＧＵＩ。系统在上电初始化以后，在Ｌｉｎｕｘ下执行Ｑｔ应用程序后便开始自动追光，以自动调整太阳能电池板角度使太阳光线与太阳能电池板相垂直。当太阳光线与太阳能电池板垂直时，ＰＳＤ的ｘ方向和ｙ方向的电流之差均为０；若各方向电流的差值不为０，则需调整各轴角度。由ＡＲＭ９２０Ｔ自动采集图５步进电机驱动器电路图图６自动追光方法流程图ＰＳＤ探测器的ｘ轴和ｙ轴方向的４个电流（Ｉｘ１、Ｉｘ２、Ｉｙ１和Ｉｙ２），并计算Ｉｘ１－Ｉｘ２和Ｉｙ１－Ｉｙ２；根据Ｉｘ１－Ｉｘ２和Ｉｙ１－Ｉｙ２是大于还是小于０，确定竖直轴和水平轴转动的方向；然后控制该轴的步进电机使其转动一定角度后再采集电流的差值，确定下一步转动方向。为了防止太阳能电池板不停地动作，可设计一定的延时时间，如每隔２０ｍｉｎ采集一次，或者设置一阈值，当两端电流之差的绝对值大于该阈值时才使电机动作。３结论本文设计了一种基于ＡＲＭ９２０Ｔ和二维光位置敏感探测器ＰＳＤ的太阳能电池板自动追光系统。利用ＡＲＭ９２０Ｔ中功耗低、体积小的Ｓ３Ｃ２４４０处理器检测安装在太阳能电池板上的ＰＳＤ探测器的输出电流，从而判断竖直轴和水平轴转动的方向和角度，通过电（下转第６５页）８５实验技术与管理图８相同广义雷诺数、不同撞击角时凝胶模拟液的液膜总体形状图４结论凝胶推进剂动力系统是导弹武器和航天运载器发动机的发展方向之一，凝胶推进剂的高效流动雾化和燃烧是凝胶推进剂应用的技术关键。针对凝胶推进剂流动雾化实验研究中出现的技术问题，提出了解决措施。实验研究结果将表明，解决方法有效，成功应用于凝胶推进剂的流动、雾化基础研究，更加详细的研究结果在后续相关报告或论文中给出。实验系统及实验方法也可为其他非牛顿流体类似的研究提供参考。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］禹天福．胶体推进剂的研究与应用［Ｊ］．导弹与航天运载技术，２００２（５）：３６－４３．［２］ＨｏｄｇｅＫ，ＣｒｏｆｏｏｔＴ，ＮｅｌｓｏｎＳ．ＧｅｌｌｅｄＰｒｏｐｅｌｌａｎｔｓｆｏｒＴａｃｔｉｃａｌＭｉｓｓｉｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．ＡＩＡＡ，１９９９：２９７６．［３］ＣｈｏｊｎａｃｋｉＫＴ，ＦｅｉｋｅｍａＤＡ．ＡｔｏｍｉｚａｔｉｏｎＳｔｕｄｉｅｓｏｆＧｅｌｌｅｄＬｉｑ－ｕｉｄｓ［Ｃ］．ＡＩＡＡ，１９９４：２７７３．［４］ＫａｍｐｅｎＪ，ＭａｄｌｅｎｅｒＫ，ＣｉｅｚｋｉＨＫ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｌｏｗａｎｄｓｐｒａｙｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｅｌｌｅｄｆｕｅｌｓｗｉｔｈｒｅｇａｒｄｔｏｔｈｅｉｍｐｉｎｇｉｎｇｊｅｔＩｎｊｅｃｔｏｒｔｙｐｅ［Ｃ］．ＡＩＡＡ，２００６：４５７３．［５］ＭｃＣａｂｅＪＤ，ＣｏｉｌＭＡ．ＡＧｒａｐｈｉｃａｌＳｐｒａｙＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄｆｏｒＧｅｌＳｐｒａｙＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｃ］．ＡＩＡＡ，２０１０：６８２３．［６］张蒙正，杨伟东，王玫．双股互击式喷嘴凝胶水雾化特性实验［Ｊ］．推进技术，２００８，１９（１）：２２－２４．［７］张蒙正，陈炜，杨伟东．撞击式喷嘴凝胶推进剂雾化及表征［Ｊ］．推进技术，２００９，３０（１）：４６－５１．［８］张蒙正，左博．幂律型凝胶推进剂管路中的流动特性［Ｊ］．推进技术，２００９，３０（２）：２４６－２５０．［９］ＫａｍｐｅｎＪ，ＭａｄｌｅｎｅｒＫ，ＣｉｅｚｋｉＨ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＦｌｏｗａｎｄＳｐｒａｙＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＧｅｌｌｅｄＦｕｅｌｓｗｉｔｈＲｅｇａｒｄｔｏｔｈｅＩｍｐｉｎｇｉｎｇＪｅｔＩｎｊｅｃｔｏｒＴｙｐｅ［Ｃ］．ＡＩＡＡ，２００６：４５７３．［１０］张惠军．科氏力质量流量计在凝胶推进剂火箭发动机试车中的应用［Ｊ］．火箭推进，２００４，３（６）：５５－６０．［１１］沈崇棠，刘鹤年．非牛顿流体力学及应用［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９８７．［１２］ＭｅｔｚｎｅｒＡＢ，ＲｅｅｄＪＣ．ＦｌｏｗｏｆＮｏｎ－ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄｓＣｏｒｒｅｌａ－ｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬａｍｉｎａｒ，ＴｒａｎｓｉｔｉｏｎａｎｄＴｕｒｂｕｌｅｎｔ－ｆｌｏｗＲｅｇｉｏｎｓ［Ｊ］．Ａ．Ｉ．ＣＨ．Ｅ．ＪｏｕｒｎａｌＢ１，１９５５，１（４）：櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍４３４－４４０．（上接第５８页）机驱动器控制电机驱动竖直轴和水平轴的转动，从而达到实时自动追光的功能。试验表明，该装置能准确地实现上述功能，且工作稳定、可靠。通过改变本设计系统中的太阳能电池板以及与之匹配的步进电机、驱动器等，可使该系统广泛地应用于工业、农业及科研等领域。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］向平，毕玉庆，程建民，等．基于ＡＲＭ的太阳跟踪控制系统设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２００９，１７（６）：１１０２－１１０５．［２］赵建钊，史耀耀，马健，等．智能型太阳能跟踪系统设计与实现［Ｊ］．电网技术，２００８，３２（２４）：９３－９７．［３］陈维，李戬洪．太阳能利用中的跟踪控制方式研究［Ｊ］．能源工程，２００３，１（３）：１５－１８．［４］冯凌．基于嵌入式的野外导航定位系统的设计［Ｊ］．农机化研究，２００７（８）：１３７－１３９．［５］田新启，高亹．二维ＰＳＤ及其在轴系标高变化测试中的应用［Ｊ］．传感器与微系统，２００９，２８（９）：１１５－１１７．［６］房玉明，杭柏林．基于单片机的步进电机开环控制系统［Ｊ］．电机与控制应用，２００６，３３（４）：６１－６５．５６王枫，等：凝胶推进剂流动雾化特性实验系统的改进及应用

基于ARM920T的太阳能电池板自动追光系统

当前资源信息

相关资源

相关搜索