基于跟踪太阳LED交通灯的设计

作者:冰漠    来源:中国电工

摘要：基于32位ARM单片机LPC2124技术，利用强大的外围功能，设计了太阳能LED交通灯。该系统采用经纬分析算法、快速、准确地了解太阳位置，并进行同步跟踪，以保证获得最大效率的太阳能。实验室调试情况表明，装置工作稳定、实时性好，能够正确完成对太阳跟踪和交通指示。

关键词 ：LPC2124 ；uC/OS-II；太阳能自动跟踪；经纬分析算法

0 引言

太阳能LED交通灯是新一代高科技交通应用产品，采用高亮度LED作为发光源，安全、节能、可视性强、安装简便、使用寿命长、工作稳定可靠。太阳能发电的优点：独立供电，无需预埋输电线，环保美观，拆装简易方便，可免去远距离敷设电缆时对植被和环境的破坏，广泛用于乡村、海岛、高速公路等地方交通管理。

       本文以基于ARM7的32位嵌入式微控器LPC2124为硬件核心，uC/OS-II嵌入式实时操作系统为软件平台，采用经纬分析算法设计并实现了一套嵌入式太阳能LED交通灯并具有图形化人机界面、信号处理系统。该系统不仅结构简单、成本低，而且跟踪过程不必人工干预，在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常工作，克服一般太阳能LED交通灯受天气影响大，太阳能利用率低的缺点，因此具有广阔的应用前景。

1 跟踪方案

该跟踪器采用地平坐标系跟踪方式，主要由水平回转转台、垂直回转转台、两台步进电机以及太阳能电池组成。太阳能电池固定在台架平面上，水平转台相当于太阳能电池的方位轴，由一台步进电机驱动，绕垂直于当地水平面的轴旋转，用以跟踪太阳的方位角，其控制流程为：步进电机→谐波减速器(降速增矩、角度细分) →水平回转转台。减速器的传动比为1:120，电机转动120°时水平转台相应转动1°，以步进电机0.36°的步距角计算，当水平转台转动1°时，步进电机发出120/0.36 个脉冲，由此可以计算太阳能电池方位角为a时步进电机发出的脉冲数为120a/0.36个；另一台步进电机驱动同步带轮带动丝杠螺母旋转，使丝杠进行直线运动，相当于改变俯仰轴转角用以改变集热器的倾斜度，从而跟踪太阳的高度角，其控制流程为:步进电机→同步带轮(传递动力) →丝杠螺母(旋转运动) →丝杠(直线运动)。同步带轮与丝杠的传动比为2:1，当步进电机转动1圈即360°时丝杠螺母转动半圈，丝杠相应走过3mm，由此通过太阳能电池台架的倾角变化计算出丝杠直线运动的距离，再经过传动比换算出步进电机应转动的角度，根据0.36°的步距角就可以算出相应的脉冲数。

2 软硬件实现

该LED交通灯采用二个步进电机驱动，一个光电传感器，一个蓄电池，还有一个主控制器。光电传感器用于采集现场亮度，主控制器需要对实时时钟的处理、运算、输出驱动脉冲，要求比较高。经过比较最终选定Philips公司基于32位ARM7TDMI—S内核的低功耗ARM处理器LPC2124作为控制系统主控制器。利用其强大的外围功能，特别是内含实时时钟带来不少的方便。硬件如图3。LPC2124还具有以下特性：

◆ 256KB片内Flash程序存储器，带ISP和IAP功能；

◆ 16KB静态RAM；

◆ 向量中断控制器；

◆ 双UART，其中一个带有调制解调器接口；

◆ 2个定时器分别具有4路捕获／比较通道；

◆ 多达6路输出的PWM单元；

◆ 看门狗定时器；

◆ 通用I／0口；

◆ CPU操作频率可达60MHz；

◆ 两个低功耗模式，空闲和掉电；

◆ 通过外部中断，将处理器从掉电模式中唤醒；

◆ 4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs；

本系统采用uC/OS-II作为操作系统，uC/OS-II属于抢先式剥夺型实时内核，永远保证优先级最高的就绪任务的运行。uC/OS-II可以完成各任务之间的调度和同步，协调硬件资源。各个任务之间通过信号量、邮箱、消息队列等通信机制进行数据共享及任务通信。基于uC/OS-II嵌入式操作系统平台编程的关键在于任务的划分以及优先级的确定。负责任务的调度和任务间通信。本系统一共设有5个任务：跟踪任务、界面交互任务、交通指任务、充电保护任务和网络服务任务。跟踪任务在就绪状态下被实时时钟中断唤醒，任务实现如图4。同时该任务还可以和网络服务任务和界面交互任务通信，接受用户的参数更改。界面任务选择在串口终端或LCD上显示用户信息，并接受键盘输入，根据输入对系统工作参数、显示方式等做出相应调整，或将指令传递给跟踪任务。网络任务实现远程监控通信。

5个任务的优先级安排从高到低为：充电保护任务——界面任务——跟踪任务——网络服务——交通指示任务。

3 结论

该系统采用自动跟踪太阳提高了太阳能的使用效率，整套系统成本低，精度高，克服了光电跟踪的缺点：光电太阳光垂直照射时，光敏电阻受聚光器的遮挡接收不到光照，没有信号输出，电机不转动。当太阳光倾斜人射时，光敏电阻输出偏差信号，使电机带动太阳能电池转动完成跟踪。结构设计简单，但受天气影响较大，例如多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。为太阳能利用提供有益的探索。

参考文献

［１］   浜川圭弘，等．太阳光发电．田小平，等译［M］．北京：新时代出版社，1979．

［２］   冷长庚．太阳能及其利用［M］．北京：科学出版社，1975．

［３］   郭廷玮，刘鉴明等．太阳能的利用［M］．北京：科技文献出版社，1987．

［４］   郑小年 ，黄巧燕．太阳跟踪方法及应用［J］．能源技术，2003，24(4)：149—151．

［５］   陈维，李戬洪．抛物柱面聚焦的几种跟踪方式的光学性能分析[J]．太阳能学报，2003，24(4)：478—479．

［６］   Jean. Labrosse．嵌入式实时操作系统 uC/OS-II．第2版邵贝贝 ，等译［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2003．

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