引言

　　太阳能作为一种清洁、安全、可再生的绿色能源，在新能源利用中应用比例最高、资源潜力最大、发展前景最为广阔，技术和产业带动作用强，是实现新能源和可再生能源“高研发、高端示范、高端制造”的重要抓手，加快太阳能利用并促进其产业发展，有利于从战略上抢占新一轮世界范围新能源产业竞争的先机；有利于应对国际金融危机，扩大投资和消费需求；有利于优化能源结构、促进节能减排，构建低碳发展模式；对推进“人文、科技、绿色”建设具有广大的意义。目前随着地球的自转以及太阳的公转会在一定区域内使太阳的入射角度发生改变，从而导致了太阳能的利用不充分。本系统利用阿尔泰的嵌入式主板、数据采集卡、运动控制卡以及GPRS模块实现了太阳能自动追光系统。

　　1. 系统分析

　　太阳相对于地球来说是按照常传统所说的东升西落的运行轨迹，而太阳能电池板的受光面是固定在一定的角度（图1-1），这样随着时间的推移太阳能电池板与太阳光入射夹角会发生改变（图1-2），夹角的改变会导致照射在太阳能电池板上受光面的强度和范围发生相应的改变改变，从而直接影响到的光能的利用效率！

　　图1-1 太阳能电池板

　　由上图1-2中可以看出太阳的运动轨迹是从1到2到3到4到5，在这个过程的运动中，我们可以看到太阳能电池板的受光强度由弱到强再到弱的过程。

　　如果我们将太阳能的受光板随着太阳光的入射角度一起改变，使入射光与太阳能电池板保持一定的角度（图1-3），那么就保证了在一定的范围内太阳能得到了更好的利用，从而提高了能源的利用效率（如图1-4）。利用步进电机的控制及光强检测便能够使太阳能电池板处于最佳的状态从而实现了自动追光的功能。

　　2. 系统原理构建

　　2.1系统介绍

　　本系统采用阿尔泰科技的ARM主板作为系统控制单元，通过光敏检测模块、倾角传感器作为检测输入单元；以数据采集卡、运动控制卡、GPRS模块作为控制、信息传递单元。系统整体设计框图如下所示：

　　本系统能够达到的控制技术指标如下：

　　1、 太阳能电池板能够在三维空间（图2-2）中的XY平面内进行0-360度旋转以及在XZ方向实现0-90度的旋转，实现精确定位光源的方向。

　　2、 系统具备数据远程传输功能（GPRS），能够实现网络检测与控制功能；

　　3、 系统能进行现场检测，查看当前数据信息；

　　4、 本系统可以通过工业交换机以太网的形式传递给中央机房，由中央机房对其进行检测、设置以及控制。

　　2.2系统各单元功能

　　2.2.1光强度的采集

　　光强度的采集是本系统中的关键部分，只有准确的确定了太阳入射角才能够进行数据的分析与处理，真正达到追光的目的。本设计中采用光敏三极管为检测核心器件。本系统首先实现初定位然后再实现精度定位的调节。

　　1）入射光源定位：由于地球的自转作用，地球上的某一个点对于太阳来说可看作是围绕球心的转动，根据相对论，如果将地球看作是静止的，可以将太阳看作围绕地球的转动。由于距离特别的远，可以近似为太阳围绕着地球上的某一个点做不规则的圆形运动。但是由于公转，太阳的轨迹对于地球来说，可以看作是太阳围绕地球做球面运动。为了准确的定位入射角，我们只要将太阳能电池板的朝向在XY平面实现0-360度的改变，在XZ平面内实现0-90度的改变就可以实现对太阳入射角的定位（图2-3）。

　　我们首先确定在XY平面的方向，然后再确定XZ轴方向的倾角度就就可以实现对立体空间内太阳光源的入射方向进行定位。

　　定位方式是先在XZ平面内确定阳光的大致入射方向，然后对太阳能电池板进行旋转到指定范围。我们利用光敏三极管作为核心传感器，首先将一个圆盘分成8个扇形区域，每个扇形区域内安装一个光敏三极管（具体图示见图2-4光敏三极管分布图，光敏三极管电路如图2-5），通过采集这8个光敏三极管的电压，确定光强最强的范围，并且控制相应的步进电机运动，从而实现XY方向的粗略定位。

　　由于光照强度不同，三极管电流（图2-6）也不一样，电流不一致就会导致其两端的电压（图2-8）不一致（电阻两端的电压U0=5-I(ma)*R），通过PC104数据采集卡的模拟量输入，即可以实现查询到最强的光的入射角的90度区间。

　　当实现粗略定位以后，通过一个精密定位传感器阵列（图2-9）即可以实现阳光入射角的精密定位。

　　2） 该阵列式是由5个光敏三极管构成（如图2-9），当确定了太阳光在XY平面以内的粗略定位以后，我们将利用这个阵列进行精确定位，该阵列中在XY平面有3个光敏三极管，在XZ平面上也有三个三极管，其中它们公用一个三极管，首先采集XY平面的三个三极管的数据，并且控制相应的步进电机使中心光敏三极管的光强最强，然后确定XY面的转动角度。采集XZ面内的三个光敏三极管的数据，并且根据采集的信号控制对应的步进电机，使中心光敏三极管的信号最强，从而实现了太阳光的入射角的定位。

　　2.2.2 电池板旋转控制

　　系统中为了实现三维空间的定位，结合实际，采用步进电机实现双轴控制，转动部分由一个XY转动平台（图2-11）和一个XZ转动构成（2-10）。

　　3.控制系统硬件图

　　4.系统硬件平台

　　通过对本系统的分析，需要使用如下板卡：嵌入式主板、数据采集卡、运动控制卡、GPRS模块，其中嵌入式主板必须具有RS232接口（2个）、以太网接口1个，并且具有人机交换接口，所以通过综合考虑选用的板卡如下：

　　3.1 核心控制器

　　根据系统的要求采用的是阿尔泰产品ARM8006（ARM 7处理器的PC104主板，图3-13）它主要作用：对数据采集卡的数据进行采集、分析并且对运动控制卡进行参数配置；对倾角传感器的数据进行采集处理并且提供给人机界面数据；与对数据进行综合并且与机房中心和GPRS模块进行通信。

　　其主要参数如下：

　　PC104标准尺寸：90mmX96mm

　　CPU：工作频率为60MHz 的ARM7高性能处理器LPC2292

　　SRAM：512K+16K Byte

　　程序Flash：256K Byte

　　NAND Flash：64M Byte

　　LCD接口：标准单色LCD接口

　　网络：10/100M工业级以太网

　　CAN总线接口：2路（CAN2.0A/B）

　　RS232接口：2个，1个5线制和1个3线制

　　CF卡接口：1个

　　LED灯：2个

　　直流蜂鸣器：1个

　　外部独立RTC与后备电池

　　JTAG调试接口

　　电源：单+5V电源供电

　　工作温度：- 40°C ~+ 85°C

　　3.2运动控制卡

　　系统中采用的是两个步进电机，选用双轴的运动控制卡就能够实现系统技术要求，此卡用于脉冲信号的输出以及采集，用于对步进电机驱动器的控制，为了方便搭建系统，使用PC104总线的运动控制卡能直接与PC104嵌入式主板堆栈使用。综合考虑采用阿尔泰科技PC104的运动控制卡（图3-14）。

　　其主要参数如下：

　　PC104 总线

　　独立2 轴驱动；脉冲输出速率 1~ 4MPPS

　　可选择脉冲输出模式：方向 + 脉冲方式(CP/DIR)，双脉冲(CW/CCW)

　　非对称直线加/减速驱动

　　梯形与S 曲线速度轮廓

　　2轴直线插补、圆弧插补、模式插补、连续插补

　　固定线速度控制

　　多轴同步启动/停止

　　可编程控制加速与减速时间

　　在运动中改变输出脉冲数或驱动速度

　　运动中可以实时读出逻辑位置、实际位置、驱动速度、加速度、加/减速状态（加速中、定速中、减速中）

　　每轴都有2 个32位比较寄存器用于逻辑位置计数器或者实际位置计数器的位置大小比较，可用于软件限位

　　可接收伺服马达驱动器的各种信号，如硬件限位信号、到位信号、报警信号等

　　32位递增/递减计数器用于附加编码器

　　外部输入信号带滤波器

　　可方便地与任意步进电机、AC或DC伺服电机相连接

　　所有数字量输入/输出信号均有2500Vrms隔离

　　3.3 数据采集卡

　　由于本系统最小要求需要13路AD模拟量输入，主要是对光强度的采集，并且将模拟信号转化为数字信号，传输给ARM主板，同时也可以利用采集资源进行充电管理以及太阳能电池板的其他管理，因此采用阿尔泰科技数采卡ART2953（图3-15）。

　　其主要参数如下：

　　16位AD精度，250KS/s采样频率

　　单端16路/差分8路 模拟量输入

　　AD缓存：8K字FIFO存储器

　　AD量程：±10V、±5V、±2.5V、0～10V、0～5V

　　程控增益：1、2、4、8倍或1、2、5、10倍或1、10、100、1000倍

　　AD触发方式：多种模拟量、数字量触发方式

　　12位DA精度，100KS/s转换频率

　　4路 模拟量输出

　　DA量程：0～5V、0～10V、±5V、±10V

　　数字量输入、输出各8路

　　3路16位定时/计数器

　　3.3 倾角传感器

　　本系统为实现稳定性和高精度，采用的的是通过高精度步进电机对三角形支架转轴控制来改变太阳能电池板的朝向，同时利用三轴加速度传感器MMA8452Q确定电池板朝向位置，以完成当前太阳能电池板的具体朝向的显示和位置的预设。

　　MMA8452Q（图3-16） 是一款具有 12位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器。这款加速度传感器具有丰富嵌入式功能，带有灵活的用户可编程选项，可以配置多达两个中断引脚。嵌入式中断功能可以节省整体功耗，解除主处理器不断轮询数据的负担。MMA8452Q 具有±2g/±4g/±8g的用户可选量程，可以实时输出高通滤波数据和非滤波数据。该器件可被配置成利用任意组合可配置嵌入式的功能生成惯性唤醒中断信号，这就使MMA8452Q 在监控事件同时，在静止状态保持低功耗模式。

　　技术指标：

　　供电电压：1.95 V 至 3.6 V

　　接口电压：1.6 V 至 3.6 V

　　±2g/±4g/±8g 动态量程可选

　　输出数据速率 (ODR) 范围： 1.56 Hz 至 800 Hz

　　噪声：99μg/√Hz

　　12位和 8位数字输出

　　I2C 数字输出接口（在上拉电阻为4.7 kΩ 时，最高频率可达2.25 MHz）

　　适用于 6个中断来源的 2个可编程中断引脚

　　3 个运动检测嵌入式通道

　　自由落体或运动检测： 1通道

　　– 脉冲检测： 1通道

　　– 晃动检测： 1通道

　　带有设定滞后补偿的方向（横向/纵向）检测

　　自动唤醒和自动休眠的ODR可自动更改

　　高通滤波数据可实时输出

　　自检测

　　符合 RoHS 标准

　　功耗： 6 μA – 165 μA

　　3.4 远程数据传输

　　本系统中，为了能够在网络中对系统进行监测及数据传输，使数据进行网络传输，采用GPRS无线传输模块实现远程控制，在本系统中采用的是阿尔泰科技的A-GPRS1090I（图3-17）模块

　　其主要技术指标如下：

　　支持双频GSM/GPRS

　　透明数据传输与协议转换：内嵌完整的TCP/IP协议栈，RS-232/485接口，提供透明传输通道

　　支持虚拟数据专用网

　　支持多数据中心

　　支持点对点、点对多点、中心对多点对等数据传输

　　支持数据中心动态域名或IP地址访问

　　数据终端支持永远在线、空闲下线、空闲掉电三种工作方式

　　支持短信和打电话唤醒功能

　　支持断线自动重连功能

　　支持短信配置与维护

　　支持本地和远程图形界面配置与维护

　　带有电源、连接状态、运行情况指示灯

　　多重软硬件可靠设计，看门狗技术使设备安全运行

　　单 +7V～+26V 宽范围供电（推荐 +9V～+12V ）

　　工作电流最大300mA 、休眠时≤10mA

　　工作温度：－20°C ～ +70°C

　　工作湿度：90％

　　5. 软件流程

　　本系统软件部分主要有嵌入式主板程序以及机房监测软件构成，其中嵌入式主板作为系统主站，负责数据的采集、处理、控制以及通信。如果规定的时间范围以内首先对系统进行初始化设置，如果此时有外界设置的输入，则进入到相应的设置程序之中，完成对系统的配置，当系统配置完成以后。如果系统未进行过定位，则首先进行一次粗定位，并且启动相应的步进电机程序，将太阳能电池板转动到大致的区域，然后采集精确的传感器信号，完成XY平面的定位，然后进行XZ方向的精确定位，从而完成了定位，并且将数据存储和传送给相应的设备。

　　程序控制流程图如下所示：