太陽能跟蹤控制裝置中ARM接口電路的設計＊

呂棟騰

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

1 引言

太陽自動跟蹤裝置常用的方法有傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟蹤[1]。傳感器跟蹤是采用光電傳感器檢測陽光是否偏離系統集熱器法線，光電傳感器發出偏差反饋信號，通過控制系統調整集熱器的角度重新對準太陽光；視日運動軌跡跟蹤是預先設計好程序，控制集熱器跟隨太陽的運行軌跡進行動作；傳感器跟蹤受限于傳感器精度影響，某些情況下會出現錯誤跟蹤。開環的視日運動跟蹤在系統運行前要精準定位，控制程序存在較多的局限性，出現誤差后需要人為調整跟蹤裝置的方向；實踐證明，太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收效率相差達到35%[2]。本次設計的太陽能跟蹤裝置通過兩個高精度數字傳感器完成初始定位，采用ARM 架構的LPC2290 微處理器作為主控芯片，以傳感器的瞬時測量值作為反饋，實現了數字傳感器和ARM的串口通信。該系統工作穩定，能顯著提高太陽能的利用效率。

2 太陽能跟蹤裝置的結構

本次設計是將太陽能傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟蹤兩種方法結合，采用兩級混合跟蹤。太陽能集熱器自動跟蹤裝置結構如圖1所示。在視日運動跟蹤的基礎上增加了QXJ-BZ-V-90-G-Φ64型數字式傾斜角傳感器和DWQT-360-BZ-232-Φ34-I 型數字式水平角度傳感器兩個高精度角度傳感器，通過傳感器完成初始定位，在高度角和方位角兩個方向上進行跟蹤，并串行輸出表示傾角的數字信號，利用傳感器的瞬時測量值作反饋修正程序。采用基于16/32位ARM7TDMI-S的LPC2290微處理器作為主控芯片，支持系統實時仿真和跟蹤。

3 ARM微處理器和串行通信接口UART0

ARM架構是面向預算較低市場設計的一種RISC處理器，其應用范圍遍及電子、自動化、汽車等各個領域[3]。采用ARM技術的微處理器普遍具有高性能、低功耗等特點。隨著指令集功能的擴大，ARM的體系結構也在不斷演變。本次設計采用的LPC2290芯片是一款基于16/32位ARM7TDMI-S 的微處理器，工作處于Thumb 狀態時，可將代碼規模降低30%，而性能不受影響，支持控制系統的實時仿真和跟蹤。LPC2290 具有豐富的外設資源，支持雙電源操作，2路高級互連的CAN通道，帶有先進的驗收濾波器。另有兩路UART，片內boot 裝載程序可以通過UART0串口進行下載和編程[4]。

本次設計以傳感器的瞬時測量值作為反饋對太陽能跟蹤裝置的控制程序進行誤差修正，要實現數字傳感器和ARM 間的串行通信，其核心器件是通用異步收發器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。LPC2290有2個UART，結構基本相同。UART0 提供數據的發送和接收接口，UART1多一個調制解調控制接口，我們主要使用UART0接口進行數據處理，UART0內 部結構如圖2所示[5]。UART0 有RxD0 和TxD0 兩 個引腳，用作串行數據的輸入和輸出，它通過VPB接口與CPU通訊，調整VPB 時鐘可以改變位傳輸的速率。UART0在工作時移位寄存器（U0RSR）進行數據的位傳輸，將接收到的有效字節數據放置于接收緩沖區中等待CPU 讀取，而待發送的數據先暫存于保持寄存器(U0THR)中，由U0TSR 按位讀取和發送。由于LPC2290 的I/O 電壓較低，使用UART0 與其它控制器進行數據交換時，要注意電平的匹配；如果是與PC機進行通信，在連接時還要使用RS232轉換器，通過UART0進行ISP操作[6]。

4 角度傳感器和ARM的串口通信

安裝傳感器時要使傳感器的標記箭頭為待測的敏感方向。電源線紅正黑負，6V～12V 直流電。信號線為黃色-PC_RXD，藍色-PC_TXD，屏蔽線-GND。安裝接線完成后要對傳感器進行零位校準，并以用戶的標準(水平)位置為準，將傳感器置于標準(水平)位置，通過串行通信命令讀取傳感器輸出數值，以該數值為零位[7-9]。

4.1 串行通信協議

傳感器串行通信標準是RS-232，波特率設為9600b/s，偶校驗。一幀數據共11位，起始位1+8個數據位+1個校驗位+1 個停止位。數據格式為7 字節的ASCII 碼，數據含義是符號1 字節、角度整數部分2 字節、小數點1 字節、角度小數部分2 字節和結束1 字節，數據輸出格式見表1。數據傳輸方式為單向無條件連續輸出，數據刷新時間大約0．14S。

表1 每組7字節數據

4.2 具體實現

傳感器工作前首先進行驗證是否無故障。在斷電的狀態下，連接傳感器和計算機，利用串口小助手，接收串行輸出數據，通過設置來驗證傳感器是否正常，傳感器驗證無故障后方可進行通信設置[10]。本次設計采用了水平角度和傾斜角度兩個高精度數字角度傳感器，和ARM芯片進行通信，通過其瞬時測量值修正控制程序。兩個傳感器工作過程基本類似，系統上電后傳感器測量角度，然后將所測信號回傳給ARM，ARM接收角度信號，經換算后顯示所測真實角度值，傳感器工作過程如圖3所示。

5 結束語

我國頒布的《可再生能源法》中明確提出了未來將重點發展太陽能、風能和生物能等新型清潔能源，其中太陽能的研究和利用是新能源技術中前景最為廣闊的，且目前隨著科研人員的努力也取得了很大的成績[11]。但太陽能的輻射量會隨著時間變化（主要由太陽傾角影響），同時還存在分散性和方向性等問題，不利于能量的有效收集[12]。本次設計的混合雙軸太陽能跟蹤裝置在方位角和高度角方向上都安裝了高精度角度傳感器，通過傳感器和ARM的串口通信設置，將反射裝置的實際位置與太陽的位置進行比較，通過偏差信號進行修正和調整，使太陽光始終垂直照射在接收面，提高能量的接收效率。經過綜合調試，該系統工作過程穩定，跟蹤精度能夠滿足實際要求，對現階段太陽能跟蹤系統的設計有一定的借鑒意義。