太阳能跟踪控制装置中ARM接口电路的设计＊

吕栋腾

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

1 引言

太阳自动跟踪装置常用的方法有传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪[1]。传感器跟踪是采用光电传感器检测阳光是否偏离系统集热器法线，光电传感器发出偏差反馈信号，通过控制系统调整集热器的角度重新对准太阳光；视日运动轨迹跟踪是预先设计好程序，控制集热器跟随太阳的运行轨迹进行动作；传感器跟踪受限于传感器精度影响，某些情况下会出现错误跟踪。开环的视日运动跟踪在系统运行前要精准定位，控制程序存在较多的局限性，出现误差后需要人为调整跟踪装置的方向；实践证明，太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收效率相差达到35%[2]。本次设计的太阳能跟踪装置通过两个高精度数字传感器完成初始定位，采用ARM 架构的LPC2290 微处理器作为主控芯片，以传感器的瞬时测量值作为反馈，实现了数字传感器和ARM的串口通信。该系统工作稳定，能显著提高太阳能的利用效率。

2 太阳能跟踪装置的结构

本次设计是将太阳能传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪两种方法结合，采用两级混合跟踪。太阳能集热器自动跟踪装置结构如图1所示。在视日运动跟踪的基础上增加了QXJ-BZ-V-90-G-Φ64型数字式倾斜角传感器和DWQT-360-BZ-232-Φ34-I 型数字式水平角度传感器两个高精度角度传感器，通过传感器完成初始定位，在高度角和方位角两个方向上进行跟踪，并串行输出表示倾角的数字信号，利用传感器的瞬时测量值作反馈修正程序。采用基于16/32位ARM7TDMI-S的LPC2290微处理器作为主控芯片，支持系统实时仿真和跟踪。

3 ARM微处理器和串行通信接口UART0

ARM架构是面向预算较低市场设计的一种RISC处理器，其应用范围遍及电子、自动化、汽车等各个领域[3]。采用ARM技术的微处理器普遍具有高性能、低功耗等特点。随着指令集功能的扩大，ARM的体系结构也在不断演变。本次设计采用的LPC2290芯片是一款基于16/32位ARM7TDMI-S 的微处理器，工作处于Thumb 状态时，可将代码规模降低30%，而性能不受影响，支持控制系统的实时仿真和跟踪。LPC2290 具有丰富的外设资源，支持双电源操作，2路高级互连的CAN通道，带有先进的验收滤波器。另有两路UART，片内boot 装载程序可以通过UART0串口进行下载和编程[4]。

本次设计以传感器的瞬时测量值作为反馈对太阳能跟踪装置的控制程序进行误差修正，要实现数字传感器和ARM 间的串行通信，其核心器件是通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。LPC2290有2个UART，结构基本相同。UART0 提供数据的发送和接收接口，UART1多一个调制解调控制接口，我们主要使用UART0接口进行数据处理，UART0内 部结构如图2所示[5]。UART0 有RxD0 和TxD0 两 个引脚，用作串行数据的输入和输出，它通过VPB接口与CPU通讯，调整VPB 时钟可以改变位传输的速率。UART0在工作时移位寄存器（U0RSR）进行数据的位传输，将接收到的有效字节数据放置于接收缓冲区中等待CPU 读取，而待发送的数据先暂存于保持寄存器(U0THR)中，由U0TSR 按位读取和发送。由于LPC2290 的I/O 电压较低，使用UART0 与其它控制器进行数据交换时，要注意电平的匹配；如果是与PC机进行通信，在连接时还要使用RS232转换器，通过UART0进行ISP操作[6]。

4 角度传感器和ARM的串口通信

安装传感器时要使传感器的标记箭头为待测的敏感方向。电源线红正黑负，6V～12V 直流电。信号线为黄色-PC_RXD，蓝色-PC_TXD，屏蔽线-GND。安装接线完成后要对传感器进行零位校准，并以用户的标准(水平)位置为准，将传感器置于标准(水平)位置，通过串行通信命令读取传感器输出数值，以该数值为零位[7-9]。

4.1 串行通信协议

传感器串行通信标准是RS-232，波特率设为9600b/s，偶校验。一帧数据共11位，起始位1+8个数据位+1个校验位+1 个停止位。数据格式为7 字节的ASCII 码，数据含义是符号1 字节、角度整数部分2 字节、小数点1 字节、角度小数部分2 字节和结束1 字节，数据输出格式见表1。数据传输方式为单向无条件连续输出，数据刷新时间大约0．14S。

表1 每组7字节数据

4.2 具体实现

传感器工作前首先进行验证是否无故障。在断电的状态下，连接传感器和计算机，利用串口小助手，接收串行输出数据，通过设置来验证传感器是否正常，传感器验证无故障后方可进行通信设置[10]。本次设计采用了水平角度和倾斜角度两个高精度数字角度传感器，和ARM芯片进行通信，通过其瞬时测量值修正控制程序。两个传感器工作过程基本类似，系统上电后传感器测量角度，然后将所测信号回传给ARM，ARM接收角度信号，经换算后显示所测真实角度值，传感器工作过程如图3所示。

5 结束语

我国颁布的《可再生能源法》中明确提出了未来将重点发展太阳能、风能和生物能等新型清洁能源，其中太阳能的研究和利用是新能源技术中前景最为广阔的，且目前随着科研人员的努力也取得了很大的成绩[11]。但太阳能的辐射量会随着时间变化（主要由太阳倾角影响），同时还存在分散性和方向性等问题，不利于能量的有效收集[12]。本次设计的混合双轴太阳能跟踪装置在方位角和高度角方向上都安装了高精度角度传感器，通过传感器和ARM的串口通信设置，将反射装置的实际位置与太阳的位置进行比较，通过偏差信号进行修正和调整，使太阳光始终垂直照射在接收面，提高能量的接收效率。经过综合调试，该系统工作过程稳定，跟踪精度能够满足实际要求，对现阶段太阳能跟踪系统的设计有一定的借鉴意义。