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基于ARM的太阳跟踪控制系统设计

　　・1102・计算机测量与控制.2009.17（6）　ComputerMeasurement&Control　

文献标识码:

A

控制技术

文章编号:

167124598（2009）0621102204　　　　　　中图分类号:

TP273.5

基于ARM的太阳跟踪控制系统设计

向　平,毕玉庆,程建民,陈　方

（西北工业大学　机电学院,陕西西安　710072）

摘要:

为了改进对太阳的跟踪精度,提高太阳能的利用率,设计了一种基于ARM的新型的太阳跟踪控制系统;该系统利用32位

ARM嵌入式微处理器芯片LPC2290作为控制器,通过程序对跟踪机构水平、俯仰两个方向的控制,实现对太阳的全跟踪;并在此基础

上利用安装在跟踪机构上的角度传感器,对跟踪机构进行定时的误差校正,改进跟踪的精度;通过试验阶段的运行分析,此设计跟踪精度能够满足碟式太阳能热发电的需要,系统性能稳定,成本较低,功能扩展性强,具有较高的实用价值。

关键词:

ARM;太阳能热发电;太阳跟踪

DesignofaSun-ARM

Xiang,,,ChenFang

（Instituteof,PolytechnicalUniversity,Xi’an　710072,China）

Abstract:

Intrackingthesunandincreasetheutilizationofsolarenergy,anewtypeofsolartrackingcontrolsystemison.Thetrackingsystemusesa32ARM（AdvancedRISCMachines）embeddedmicroprocessorasacontroller.ItachievesentiretracktothesunbycontrollingonthetwodirectionsofLevelandpitching.Andonthebasis,thetrackingsystemtimelycorrecterrorstoimprovetheaccuracyoftrackingbytheanglesensorinstalledinthetrackmechanicaldevices.Bytheopera2tionanalysisofthepilotphase,trackingaccuracyofthedesigncanmeettheneedsofsolarthermalpowergeneration,systemperformanceisstable,cheap,highlyfunctionalexpansion.Itshowshighpracticalvalue.

Keywords:

ARM;solarthermalpowergeneration;solartracking

0　引言

太阳能作为一种清洁,可再生能源,存在密度低、间歇性、空间分布不断变化的问题。

理论分析表明:

太阳的精确跟踪与非跟踪,能量的接收率相差3717%。

因此在太阳能利用中,进行精确的跟踪是很有必要的。

目前太阳跟踪的方法主要有光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。

前者跟踪灵敏度高,但受乌云天气影响很大,容易引起机构的误动作;后者按跟踪系统的轴数又分为单轴和双轴两种,其中双轴跟踪可以在太阳高度角和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳,可以获得最多的太阳能。

本文介绍的就是一种用于碟式太阳能热发电的双轴跟踪系统。

该设计使用基于32位ARM嵌入式芯片LPC2290作控制器,采用步进电机构成动力执行机构,预先根据天文学规律用程序计算出太阳的位置,通过对跟踪机构进行水平、俯仰的两个自由度的控制,实现对太阳的全跟踪。

并在跟踪机构上加装了一个角度传感器,对机构实际转动位置和理论计算位置之间的误差进行定时校正,大大提高了跟踪的精度。

所示。

图1　跟踪系统硬件组成

111　控制部分

控制部分主要由以嵌入式处理器LPC2290为核心的ARM主控板、具有人机交互功能的液晶显示模块、存储单元、4×4键盘、角度传感器和相应的接口电路等组成[1-2]。

11111　ARM主控板介绍

1　系统硬件设计

本系统总体硬件部分由控制部分和双轴动力系统两部分组

成。

控制部分主要包括ARM主控板、存储单元、液晶显示单元、键盘,角度传感器;双轴动力系统主要包括机构支架、集热器、步进电机及驱动器。

整个跟踪

系统硬件框图如图1

收稿日期:

2008211224;　修回日期:

2009201208。

基金项目:

横向课题（N7EK0002）。

作者简介:

向　平（19632）,女,陕西西安人,硕士,副教授,主要从事生物医学工程理论和应用、自动检测技术等研究。

本文选用PHILIPS的LPC2290作为MCU（MicroCon2

trollerUnit）微控制器。

LPC2290是一个基于实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器。

以

LPC2290为核心构成的ARM主控板,配备丰富的资源和通用

设备接口。

能够实现与PC通讯,完成系统运行程序的仿真调试及固化;实现彩色液晶显示和触摸屏控制;通过4路IO进行脉冲和高低电平的发送,实现步进电机的控制。

11112　液晶显示模块

液晶显示模块由LCD显示和触摸屏控制两部分组成。

本系统选用的LFUBK906XA液晶显

示器是一款512英寸,

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第6期向　平,等:

基于ARM的太阳跟踪控制系统设计　・1103

・　

320×240×3（RGB）的高品质点阵控制彩色LCD。

由于LPC2290没有内部集成的液晶控制模块,需要外接液晶控制

器S1D13503。

选用的这款液晶屏上带有触摸屏（为四线电阻

式触摸屏）,用于检测触摸屏输入信号。

11113　存储单元

LPC2290片内没有能使用的片内ROM或FLASH存储器,程序掉电后就会丢失。

因此本系统扩展了16M的FLASH存储器,型号为SST39VF160。

它是一个CMOS多功能FLASH（MPF）器件,由SST特有的高性能SuperFLASH技术制造而成,SuperFLASH技术提供了固定的擦除和编程时间,与擦除/编程周期数无关。

另外,之所以选择SST39VF160,也是因为本设计采用移植MiniGUI需要将近400K的代码空间和3～4M的数据空间。

11114　键盘接口

本设计选用一个4×4另外考虑到触摸屏耗电量大,,8位数码管作为平时时显于虑选ZLG7290LG动及键盘扫描管理的芯片8位共阴式数码管（或64只独立的LED）,同时还可以扫描管理多达64只按键,其中有8只按键还可以作为功能键使用。

另外ZLG7290B内部还设置有连击计数器,能够使某键按下后不松手而连续有效。

11115　误差校正部分

本系统设计采用在跟踪机构上面安装一个角度传感器,角度传感器通过一个串口与ARM主控板相连,当跟踪机构实际转动位置与通过太阳轨道计算程序控制的步进电机理论输出位置不相符时,控制板定时从角度传感器读取误差,通过程序对跟踪机构进行校正,改善跟踪精度。

本设计所选角度传感器是RS-232C接口的360°角度传感器。

主要参数为:

角度分辨力01022°、非线性误差<015%、刷新周期约20ms,采用RS-232C通信标准,全双工,最大传输距离15m,能够满足系统设计要求。

112　双轴动力系统设计

系统总体结构由集热器、圆形底盘支架、4个支撑轮和2个步进电机组成。

通过程序对两个步进电机控制,实现对跟踪机构进行水平、俯仰两个方向的角度控制。

其结构原理图如图2所示。

水平方向由一个步进电机经减速器减速后与其中一个支撑轮同轴连接进行水平方向的驱动,使跟踪机构绕中心轴在水平轨道上动作,如图中电机

（1）部分所示。

俯仰方向的控制是由步进电机通过传动机构控制集热器背部的转动轴实现,如图中步进电机

（2）所示部分。

所谓的双轴指的是集热器的转动轴与通过底盘圆心的竖直轴两根轴,实际上系统就是沿这两根轴进行动作的。

11211　步进电机介绍及其选型

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,它的用途是将电脉冲转化为角位移,通俗地说:

当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

选择步进电机主要从三个方面考虑。

一是电机最大速度选择,

机械传动系统要根

图2　双轴动力系统示意图

机械传动比确定

,主要考虑系统外力折算到电机上的力矩、负载的转动惯量和加速度等因素[3]。

通过对系统进行载荷分析（主要考虑了跟踪系统的摩擦力矩、坡阻力矩、风阻力矩、惯性阻力矩,计算过程较繁杂,这里省略）,本设计选择西安骊山电子总厂生产的型号为110BYG2502/BPX36的二相式混合步进电机。

主要参数为:

额定工作电压110V,额定工作电流6A,选择减速比为36的减速机进行减速增矩后最大静力矩达到609N1m,定位转矩为61N1m。

11212　接口电路设计

本系统采用的步进电机驱动器是骊山电子总厂开发出的新颖细分驱动器SH20822M。

该驱动器最大特色是运行平稳、定位精确。

驱动器有共阳、共阴两种控制接法,本设计采用共阴接法:

CP接CP+,DIR接DIR+,FREE接FREE+。

共阴端分别接CP-、DIR-、FREE-。

其电路原理图如图3所示

。

图3　步进电机控制电路

LPC2290管脚输出电压为313V,驱动器驱动电压为5V,所以需要在管脚和驱动器之间加一电压放大电路,电路原

理图很简单,故这里不再介绍。

2　系统软件设计

本系统软件包括μC/OS-II

实时嵌入式操作系统及其相

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　・1104・　计算机测量与控制　第17卷

应的应用软件组成。

211　操作系统的介绍及移植

由于系统功能复杂,考虑将μC/OS-II嵌入式实时多任

μC/OS-II是一种源码公开、务操作系统作为应用软件平台。

可移植、可固化、可裁剪及先占式的实时多任务操作系统（RTOSReal-TimeOperatingSystem）,其源代码是用ANSIC语言编写,包括一小部分汇编代码,可以方便地移植并支持

μC/OS-II具有硬实时性以及低成本、易多种类型的处理器。

控制、小规模、高性能的特性,使其能满足工业中小型控制对

μC/OS-II的文件系可靠性、实时性以及多任务处理的要求。

统结构包括核心代码部分、配置代码部分、处理器相关代码部分。

其中处理器相关代码部分是移植需要修改的部分,它包括OS_CPU1H（C语言头文件）、OS_CPU1C（C程序源文件）、OS_CPU_A1ASM（汇编程序原文件）三个文件。

目前关于μC/OS-II移植的参考资料比较多,讨论[2]。

212　应用程序设计

设计控制系统的应用程序,设计软件功能模块,完成每个模块功能。

本系统软件主程序设计的总体思路是,在主程序中进行操作系统、ARM处理器、I/O口、LCD、触摸屏控制器的初始化,并创建主任务,然后启动整个系统。

在系统启动后,建立按键检测任务,由按键检测任务再创建触摸屏任务、RTC时钟任务、轨道计算与步进电机控制任务、误差修正任务。

这样多任务的运行环境就创建了。

需要说明的是,在主程序中必须创建一个任务,这是μC/OS-II实时操作系统的要求,整个主程序的流程如图4

。

低控制电机运转方向。

由于跟踪过程属于低速过程,可以采用固定低频率的脉冲来控制。

轨道计算与步进电机控制任务流程图见图5

。

图5　程控跟踪子程序

3　太阳跟踪系统的系统调试

本系统设计调试主要包括液晶显示的调试、触摸屏控制的

调试、角度传感器的调试和步进电机控制脉冲信号的调试。

311　液晶显示的调试

液晶显示系统的调试分四步完成的:

（1）检查芯片间的连线是否正确。

（2）测试LPC2290的总线输出信号。

包括检查时序,在确定正确无误时再接上液晶控制器。

（3）测试液晶控制器S1D13503的信号输出。

本系统是通过LPC2290的总线接口控制S1D13503的信号输出,首先必须通过ADS112编写最简单总线的读写操作,然后对LPC2290进行读写操作,通过示波器对S1D13503的输出信号进行测量,看是否符合要求。

在测试成功后,才接入LCD进行显示测试。

（4）测试LFUBK909XA（液晶显示器）的显示。

通过编写最简单的显示程序进行LFUBK909XA的显示调试的,如果调试成功,则基本完成了LCD显示的调试工作。

312　触摸屏控制器的调试

本系统接入了FM7843触摸屏控制器,触摸屏控制器的调试过程与液晶显示差不多,这里只对其中不同的控制部分进行论述。

LPC2290没有适合FM7843的接口,所以其中的控制信号需要通过GPIO口进行控制。

GPIO口的调试过程如下:

（1）确定控制信号的时序要求。

（2）选择合适I/O口引脚。

（3）对I/O引脚进行最简单的编程测试。

（4）编写FM7843的信号读取程序,测试是否读取正确。

313　角度传感器的调试

角度传感器连接使用前要进行串口输出测试,在断电状态下,连接传感器和计算机,利用串口专家或串口调试助手之类的软件,接收串行输出数据。

在软件调试界面上设置波特率,例如设置波特率=9600,数据格式为ASCII码。

若输出EEEE……,表示传感器出现故障。

当角度传感器测试正常后,方能与ARM主控板连接。

314　步进电机控制脉冲信号的调试

对步进电机的控制是本系统的主要任务,

所以这部分电路

图4　主程序图

本系统最终是为了实现对步进电机的控制,继而达到跟踪

机构对太阳的精确跟踪。

因此重点介绍一下轨道计算与步进电机控制程序的编写,太阳轨道计算程序主要依据太阳轨道计算原理编写,编写工具为C语言,其中使用经度、纬度均精确到秒,时间数据也精确到秒[4]。

轨道计算的最终目的是为了控制步进电机的动作,步进电机的角度变化量是根据太阳角度偏移量计算出来的。

在功能函数分块上,把步进电机需要的动作步数计算归到轨道计算程序模块。

对步进电机的控制主要是速度和方向的控制,通过脉冲控制步进电机的转动速率,电平高

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的调试最为重要。

图6所示为用示波器调试两路输出脉冲的框

图。

图7所示为用示波器调试两路输出脉冲的的波形图。

4　结束语

本文设计了一个以太阳跟踪系统为应用目标的基于ARM微处理器LPC2290的嵌入式实时控制系统。

ARM处理器丰富的片内外设和优越的性能适合于应用复杂的多任务处理场合,且可靠性高、成本低;利用μC/OS-II可以提高系统的安全性和可靠性,简化多任务程序的设计。

考虑到由于主动跟踪误差的存在,因此通过角度传感器定时对跟踪机构进行误差修正,可以有效地减少积累误差。

本设计已经在小型跟踪试验支架上作了部分实验,系统运转平稳,跟踪精度误差在1°以内,可以作为碟式太阳能热发电控制系统使用。

参考文献:

[周立功[M].北京:

北京航空航天

图6　

步进电机两路控制脉冲调试电路

2003.

.[M].北京:

清华大学出版

社,2003.

[3]王鸿钰.步进电机控制技术入门[M].上海:

同济大学出版

图7社.1990.

[4]IbrahimReda,AfshinAndreas.Solarpositionalgorithmforsolar

radiationapplications[J].SolarEnergy,2004,76:

577-589.

（上接第1097页）

表3　网络的测试结果与期望值对比

样本编号

1234567891011121314151617181920

测试值

0.973040.978810.930620.969120.979440.908081.00411.00010.740931.03130.985580.985070.916891.05540.70770.936830.84030.921311.02910.98497

期望值

111111*********11111

样本编号

2122232425262728293031323334353637383940

测试值

0.0556780.154590.0429920.0770720.148440.203470.115670.11187-0.0894430.0407370.163220.203470.135240.134310.0511870.15130.059187-0.0943790.204130.069484

期望值

00000000000000000000

动确定,然后使用经验公式作为标准,选取最优聚类数,该方

法不仅聚类速度快,而且隐层节点数的优化使网络的利用效率较高。

当隐层节点确定后,采用遗传算法对隐层中心、宽度以及隐层到输出层的权值进行优化,使得这3个参数能够在全局范围内寻找到最优解。

最后用缺陷特征样本数据进行验证,实验结果表明,这种组合算法的识别率是令人满意的。

参考文献:

[1]Zheng

H,KongLX,etal.Automaticinspectionofmetallicsur2

facedefectsusinggeneticalgorithm[J].JournalofMaterialsPro2cessingTechnology,2002,33（11）:

427-433.

[2]TsaiDM,HuangTY,Automatedsurfaceinspectionforstatistical

texture[J].ImageandVisionComputing,2003,21（4）:

307-323.

[3]邹丽辉.基于纹理特征的木材表面缺陷识别方法的研究[D].哈

尔滨:

东北林业大学,2007,4:

30-33.

[4]RoyA,GovilS,MirandaR.Aneuralnetworklearningtheoryand

apolynomialtimeRBFalgorithm[J].IEEETrans.onNeuralNet2work,1997,8（6）:

1301-1313.

[5]姜蕙兰,安　敏,刘晓津,等.基于动态聚类算法径向基函数网

络的配电网线损计算[J].中国电机工程学报,2005.5.

[6]YangXiaoLi,ZhangYunTaoandChengZhengJun.GA-Based

RBFNNanditsapplicationinsimultaneousdeterminationofFe,Mn,CuandZn[J].ComputersandAppliedChemistry,2005,22（6）:

469-476.

[7]HuHY,ZhuSW,ZhangDB,etal.Obliquedecisiontreecon2

structionwithdecimalcodedgeneticalgorithm[J].ComputerSci2ence,2001,28

（2）:

1082110.

[8]TaoJ,XieSM.BOFsteelmakingmodelbasedonGAandRBFnet2

work[J].JournalofSystemSimulation,2000,12（3）:

241-244.

　　注:

表中1代表剥离,0代表擦伤

5　结论

本文提出了一种基于动态聚类和遗传算法相结合的组合

RBF网络训练方法,首先采用动态聚类算法对样本数据进行聚类,使RBF神经网络的隐含层节点中心数在训练过程中自

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