太阳跟踪仪系统设计

太阳跟踪仪系统设计摘要：本论设计一个太阳方位全自动跟踪仪，实现摄像头始终跟踪太阳。

实验以ARM芯片LPC2148作为主控芯片来设计高精度太阳跟踪仪，分别通过高精度的永磁力矩直流电机精确控制其角位移。

跟踪仪利用摄像头采集信息，根据二值化以后的灰度图像，确定两个方向的偏差，用PID算法来分别控制两个方向的偏差最终实现摄像头实时精确地跟踪太阳。

关键词：太阳跟踪，LPC2148，永磁力矩直流电机，PID算法1引言太阳跟踪仪是使得摄像头能够跟踪上太阳中心，如果可以实现这一功能，则在实际应用中，可以改进使得太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，采用太阳能跟踪仪能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。

所以本文是实现太阳能利用的前提实验。

2系统流程此设计系统采用闭环控制，系统框图如图1所示。

图1系统框图系统原理图如图2所示。

图2系统原理图系统流程图如图3所示。

图3系统流程图3电路板设计3.1主控制器原理图3.2主控制器PCB图图5主控制器PCB图4电源及驱动设计4.1电源供电方案比较方案一：可调电源可调电源是采用当前国际先进的高频调制技术，其工作原理是将开关电源的电压和电流展宽，实现了电压和电流的大范围调节，同时扩大了目前直流电源供应器的应用。

与传统电源相比高频直流电源就较具有体积小、重量轻、效率高等优点，同时也为大功率直流电源减小体积创造了条件，此电源又称高频可调式开关电源。

可调直流稳压电源保护功能齐全，过压、过流点可连续设置并可预视，输出电压可通过触控开关控制。

但其缺点也很明显，大功率的可调电源体积庞大，携带不方便，如图6所示。

图6可调电源方案二：桥式整流桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。

需要购买的元器件有：220—12V的变压器，单相整流桥，大电容滤波，稳压电路设计等，整流原理如图7所示。

图7桥式整流原理该方案需要自己设计各个模块，比较经济，但安全性能比较差，还要设计过流过压保护，比较繁琐。

方案三：蓄电池供电市场上主要销售12V 直流电源的蓄电池，为满足电机转动的功率要求，需要两台12V 的蓄电池串联起来给电机供电，蓄电池容量大，使用寿命长，携带较方便。

蓄电池如图8所示，考虑到实际电机的工作电机及电流，本设计采用两个飞思卡尔智能车专用的电池进行串联，得到电压为14V左右，电流也能满足要求的电源。

图8蓄电池4.2电机驱动模块4.2.1总体设计本课程设计原计划采用六单元的IPM （智能功率模块）模块，电机驱动部分采用PWM 调速技术。

由主控制器通过决定开启或关闭IPM 模块的IGBT 的顺序来控制电机的转速。

系统主要由ARM 控制模块、智能功率模块（IPM ）和转子位置检测模块三大部分构成。

系统根据转子位置检测模块检测到的电机位置信号，控制ARM 输出正确的4路PWM 脉冲信号，经过驱动电路以控制IPM 中相应功率管的通断，从而实现对电机的正确供电，控制电机正常运行。

电机控制系统的框图如9所示。

图9电机控制系统4.2.2PWM 调速原理PWM 变换器的作用是：用PWM 调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

PWM 变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面主要阐述不可逆的原理。

简单的不可逆PWM 变换器-直流电动机系统主电路原理图如图10所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。

图10简单不可逆PWM 变换器-直流电动机系统主电路图中：U s 为直流电源电压，C 为滤波电容器，VT 为功率开关器件，VD 为续流二极管，M 为直流电动机，VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列U g 驱动。

工作状态与波形：在一个开关周期内：当0≤t <t on 时，U g 为正，VT 导通，电源电压通过VT 加到电动机电枢两端；当t on ≤t <T 时，U g 为负，VT 关断，电枢失去电源，经VD 续流。

电机两端得到的平均电压为：4.2.2IPM 原理IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。

而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。

它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。

即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM 自身不受损坏。

IPM 一般使用IGBT 作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。

IPM 以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。

内部结构介绍（以四单元模块为例）如图11所示。

on d stU U T=图11IPM 内部结构（1）正向运行：第1阶段，在0≤t ≤t on 期间，U g1、U g4为正，VT1、VT4导通，U g2、U g3为负，VT2、VT3截止，电流i d 沿回路1流通，电动机M 两端电压U AB =+U s ；第2阶段，在t on ≤t ≤T 期间，U g1、U g4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流i d 沿回路2流通，电动机M 两端电压U AB =–U s ；（2）反向运行：第1阶段，在0≤t ≤t on 期间，U g2、U g3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流–i d 沿回路4流通，电动机M 两端电压U AB =+U s ；第2阶段，在t on ≤t ≤T 期间，U g2、U g3为正，VT2、VT3导通，U g1、U g4为负，使VT1、VT4保持截止，电流–i d 沿回路3流通，电动机M 两端电压U AB =–U s ；输出平均电压：实际应用中，由于电机的驱动电压并不大，所以采用CMOS H桥式驱动模块，该模块的实物图12如下所示：图12驱动实物图s on s on s on d )12(U TtU T t T U T t U −=−−=5通信模块5.1有线通讯和无线通讯之间的选择无线通信对比于有线通信最大的优点是环境，不需要线的限制。

而对比无线通信有线通信更稳定，安全（只对于无线通信而言），高速。

但是现今生活中有线通信因环境的限制（必须要有线来连接）而慢慢被无线通信取代，无线通信也是正在改变相应的技术让传输速率更高（802,11n的速率能到达100Mbps不低于有线通信），更稳定，方便。

在追踪太阳位移的仪器设计上建议使用无线通讯。

由于此装置是一个精密度比较高的仪器，而有线通讯最大特点就是有传输媒介，传输媒介有可能影响仪器的工作，影响最终结果。

而无线通讯技术的革新，使得传输速率更快，信息传输更稳定、方便，成本廉价、适应性好、扩展性好，并且太阳位移追踪仪器工作环境不需要严格的保密。

综上所述，在有线通讯和无线通讯之间，该课题选择无线通讯就可以完成课题所需。

5.2无线通讯芯片的选择从此课题看出，无线通讯芯片应选择功能较少，短距离传输，数据传送稳定，成本廉价、适应性好、扩展性好……由此这些要求，我们选择了基于zigbee协议的无线通讯芯片。

Zigbee特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

目前来说国内做zigbee模块的厂商并不多，对部分厂商进行了一个小对比。

由此选择了顺舟SZ05系列的无线通讯芯片。

5.3顺舟SZ05芯片介绍5.3.1功能简介顺舟科技SZ05系列嵌入式无线通信模块，集成了符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性；可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。

SZ05系列无线通信模块数据接口包括：TTL电平收发接口、标准串口RS232数据接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，串口通信使用方法简单便利，可以大大简短模块的嵌入匹配时间进程。

SZ05系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点，这三类设备具备不同的网络功能，中心协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能；路由器负责数据的路由中继转发，终端节点只进行本节点数据的发送和接收。

中心协调器、路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。

5.3.2接线引脚接线引脚如图13所示。

图13顺舟SZ05芯片接线引脚模块左边引脚相应标志如表一所示，模块右边引脚相应标志如表二所示；表一排序标志功能备注1GND电源地2+5V电源+5V输入3RX1/TTL TTL电平输入接用户系统输出TX 4TX1/TTL TTL电平输出接用户系统输入RX 5SGND串口RS232信号地信号地6TX2/RS232串口RS232输出接用户232输入7RX2/RS232串口RS232输入接用户232输出8系统保留悬空9RESET系统复位低电平复位表二排序标志功能备注1DATA串口数据收发指示低电平点亮，数据收发即闪烁2RUN系统运行指示低电平点亮，间隔1s闪烁3NET网络指示低电平点亮，中心节点建网成功点亮，从节点入网后点亮4ALAPM系统告警指示低电平点亮5SLEEP低功耗低电平进入低功耗，高电平或悬空正常运行6485CTL485收发控制模块485接收时低电平输出，发送时高电平输出7CENTER中心节点低电平有效，或加跳线帽，成为中心节点，如7、8都为高电平或悬空，即位路由节点8DEVICE终端节点低电平有效，或加跳线帽，成为终端节点，如7、8都为高电平或悬空，即位路由节点9CONFIG配置接口低电平有效，或加跳线帽，进入系统配置状态5.3.3修改参数超级终端配置模式步骤：1、打开计算机的超级终端，超级终端的设置为：波特率38400、数据位8、校验NONE、停止位1、流控无；2、CONFIG跳线短接或外部控制线进入低电平；3、设备上电；4、进入设备配置模式。

系统进入配置模式的串口配置为：波特率38400、数据位8、校验NONE、停止位1，因此计算机超级终端的串口设置必须为：波特率38400、数据位8、校验NONE、停止位1、流控无。

5.4装置连接5.4.1芯片焊接配置好芯片后，进行对芯片焊板，主要对GND、VCC、RX1、TX1、RUN、NET、ALM、AD4等几个引脚进行焊接。