２０１３年第４期 文章编号：１００９—２５５２（２０１３）ｏ４—０１１３一Ｏ３ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 基于ＳＴＭ３２的太阳能双轴跟踪控制系统 秦兴盛 ，陈晓荣 ，聂道林 （１．上海交通大学光电信息与计算机工程学院，上海２０００９３；２．上海驭领机电有限公司，上海２００１３６） 摘要：利用太阳能跟踪支架，使太阳能电池始终能被太阳光直射以提高发电效率，降低太阳 能电池板的尺寸并节省成本。文中设计以ｓＴＭ３２Ｆｌ０３ｚＥＴ６为控制核心的太阳支架双轴跟踪控制 系统，系统根据支架所在地的经纬度与时间，计算出蜗轮蜗杆与推杆的相应位置，改变支架的 高度角与方位角，实现双轴跟踪；并且利用照度传感器与风速传感器，使支架能适应不同天气； 加入软件自动修复等技术，降低系统功耗、提高系统稳定性。该产品在实际应用中能较好地满 足精度与稳定性要求。 关键词：ＳＴＭ３２；双轴跟踪；光伏发电 Ｄｕａｌ—ａｘｉｓ ｓｏｌａｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ＱＩＮ Ｘｉｎｇ—ｓｈｅｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ—ｒｏｎｇ ，ＮＩＥ Ｄａｏ—ｌｉｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｕｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｆｒｏｎｔｉｅｒａｃｋ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１３６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｌａｒ ｔｒａｃｋｅｒｓ ａｒｅ ｒａｃｋｓ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏ—ｖｏｌｔａｉｃ ｍｏｄｕｌｅｓ出ａｔ ｍｏｖｅ ｔｏ ｐｏｉｎｔ ａｔ ｔｈｅ ｓｕｎ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｈｅ ｄａｙ．Ｔｒａｃｋｅｒｓ ａｄｄ ｔｏ ｔｌ１ｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｉｔｓ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｃｏｓｔ．Ｔｈｉｓ ｐｍ ｅｃｔ ｕｓｅｓ ｔｗｏ ＤＣ ｍｏｔｏｒｓ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔ｝ｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ．ｕｓｉｎｇ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ＤＣ ｍｏｔｏｒｓ＆ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ＭＣＵ．Ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｒｅａｄ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ａｍｂｉｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍａｙ ａｌｓｏ ｂｅ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅ ｔｒａｃｋｅｒ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｙｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２；ｄｕａｌ—ａｘｉｓ ｔｒａｃｋｅｒ；ＰＶ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ０ 引言 １ 算法简介 人类社会进入２ｌ世纪，正面临着化石燃料短缺 如何实现太阳高度角和方位角的准确定位，是 和生态环境污染的严重局面。太阳能电池器件的效 设计的核心。但是即使跟踪误差在５。～１００。之间， 率要提高１％～２％非常困难，而实际应用中，由于 提高的发电量仍然能保持在９８．５％左右 ］。算法 设计不当导致光伏系统效率减少１０％～２０％的情 的精度得以保证的前提下，更重要的是系统的稳定 况却屡见不鲜…。本设计以ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ Ｍ３为内核 性。本设计采用的跟踪算法，利用纬度 赤纬角 、 的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６为控制核心；控制两路带编码器 时角 、时间以及日期序号ｎ等信息，以及简单公式 的直流电机调整支架的高度角与方位角；多路传感 构成。首先，由公式（１）计算出太阳的赤纬角 】： 器采集环境信息降低功耗、提高系统稳定性。提高 ＝２３．４５ｓｉｎ［３６０ Ｘ（２８４＋ｎ）／３６５］ （１） 太阳能电池板转换效率３０％以上 ］。与同类型产 其次，根据时间计算出时角 】，由公式（２）计算出太 品比较成本较低，精度较高，产品在各地运行稳定， 得到客户好评。 收稿日期：２０１２—１１—０５ 作者简介：秦兴盛（１９８６一），男，在读硕士研究生，研究方向为信号 与信息处理。 一ｌ１３— 阳的高度角 ＿４ Ｊ： ｓｉｎｏ￣＝ｓｉｍｐｓｉｎ８＋ｃｏｓ＜ｐｃｏｓＳｃｏｓｏ） （２） 便，为控制系统提供良好的人机交互界面与键盘控 制。操作界面如图３所示。 Ｕ１ 最后由公式（３）换算出太阳的方位角 【４ Ｊ： ＧＮＤ ｃｏｓＴ＝（ｓｉｎａｓｉｍｐ—ｓｉ面）／ｃｏｓａｃｏｓ￣ （３） ｌ ２ ＡＧＮＤ ＤＮＣ ２０ １７ Ｃ６ ＰＣＯ ＰＣｌ ＧＮＤ ＋５Ｖ ３ １９ Ｉ８ ｌ３ ＦＳ ＩＮｌ ｌＮ２ Ｄ】ＣｃＤ Ｖ＋ ａＵＴＩ ＯＵＴ１ —１６ ＋２４Ｖ ６ ． ｆ・Ｇ】 ；ｎＦ 而后线性转换为电机的旋转角度与上升高度。算法 简洁，易于实现，只需调用ｃ语言的数学库函数即 可实现三角函数的换算，采用３２位的ＡＲＭ控制器， 运算速度快，且精度较高。 ＋２４Ｖ ４ Ｄ２ ＋２４Ｖ ５ Ｖ＋ ８ ●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿——ＯＩｒｒ２ 鲁］ 一 ｎ ＯＵ Ｉ２ Ｉ … ，Ｉ ＰＧＮＤ ９ ＤＮＣ Ｖ＋ ＰＧＮＤ 一 Ｐ（ Ｄ ＩＶＩＣ３３８８６ ＰＣｉＮＤ ２ 系统硬件设计 双轴跟踪控制系统的硬件主要由微控制器、电 ＧＮＤ 机驱动电路、直流电机、执行机构、彩色触摸屏、照度 传感器、风速传感器、限位开关等模块构成。系统框 图如图１所示。 图１系统框图 ２．１控制核心 ＳＴＭ３２系列基于专为要求高性能、低成本、低功 耗的嵌入式应用专门设计的３２位的ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ— Ｍ３内核，时钟频率达到７２ＭＨｚ。在７２ＭＨｚ时消耗 ３６ｍＡ，待机时下降到２ Ａ，同类芯片功耗最低。通 过天文规律根据支架所在地经纬度、对应时间计算 出对应的太阳高度角与方位角，并转换为蜗轮蜗杆 的旋转角度与推杆的上升或下降高度。 ２。２驱动电路 蜗轮蜗杆电机、推杆电机均为直流电机，蜗轮蜗 杆由直流电机、减速器与编码器，扭矩２５ Ｎ・Ｍ；推 杆由直流电机加编码器，额定输出功率均为１００Ｗ。 为了驱动两路直流电机，驱动电路设计选择Ｆｒｅｅｓ・ ｃａｌｅ公司的集成５．０ ＡＨ一桥驱动芯片ＭＣ３３８８６。 电路结构简单，且内置欠压、过热、过流保护电路，工 作稳定。单路驱动电路如图２所示。 ２．３人机交互电路 人机交互采用３．２寸３２０ｘ２４０（ＲＧＢ）彩色触摸 ＴＦｒ ＬＣＤ显示屏，采用ＩＬＩ９３２０ ＬＣＤ显示控制芯片， 可由ＳＴＭ３２的ＦＳＭＣ接口进行显示控制与数据输 入；触摸屏采用ＸｔｒＶ２０４６四线电阻触摸屏控制芯 片，ＳＰＩ接口控制与数据读出。操作直观，输入方 一１ １４一 图２电机驱动电路 图３人机交互界面 ２．４传感器电路 为了实时地监控环境变化，系统中包括照度传 感器、风速传感器、温度传感器、以及限位开关等传 感器。照度传感器用于检测白天光照强度，并检测 阴天与多云天气，作为系统自动跟踪启动或暂停的 判断条件，避免在光照不足的情况下不必要的功耗 损失。风速传感器用于检测大风恶劣天气，当检测 到风速大于阈值一定时间后，将支架平铺，防止支架 因大风受损。ＳＴＭ３２自带温度传感器，监控系统工 作温度与环境温度，防止系统工作过热造成器件损 坏。限位开关用于控制速度与防止电机过转，预防 太阳能支架损坏。 ３ 系统软件设计 系统软件由控制部分与参数设置部分构成。控 制部分分为手动模式与自动模式，手动模式用于系 统安装调试，自动模式用于双轴自动跟踪，自动模式 软件流程图如图４所示；参数设置部分包括系统时 间、经纬度等系统参数的设定。 为提高系统软件稳定性，软件结构采用顺序循 环结构。并且使用了软件自动修复技术，在强外界 干扰下系统非正常复位时自动跳转至断点出运行， 进一步提升系统软件抗干扰能力。 ４ 系统调试 利用等比例小型太阳能双轴跟踪支架，做系统 调试，并测量支架的高度角与方位角数据，调试过程 中跟踪支架运行稳定，跟踪效果良好。系统调试如
