智能采光实时追日的电能管理系统的设计

，考虑到南京经度为e118．77，纬度为n32．O，海拔为50 m以下，再参考大数估计算法和相关的校正参数，在Matlab中编程计算出太阳方位角和高度角。由于此计算复杂庞大，会大量消耗FPGA的资源，不利于在 FPGA的51软核下运行。考虑到本系统只针对南京地区，地形上忽略海拔和纬度的变化，时间上忽略时区和分钟的变化，在Keil C中重新精简程序，并把前后算法所得数据以及实际测量数据进行对比描绘曲线，如图3所示。

图3为根据2008年2月19号8：25～16：25每隔1小时南京太阳天顶角θZ和方位角θA以及实际测量的相应值而描绘得出。其中左图表示太阳方位角 (θA)随时间变化自东向西偏转的轨迹；右图表示太阳高度角(90-θZ)随时间变化的轨迹。通过对比，证明经过Keil C的简化，并未带来明显的轨迹偏差，而且定位算法所得到的轨迹与实际测量轨迹基本吻合。这样便使系统通过自行计算太阳方位来实现追日成为可能。图中曲线还表明对于太阳方位角和高度角，计算值整体比测量值大，这主要是由于大气对太阳光折射以及测量的误差而造成的，在实际调试中可以做出一定的修正，以改善追日效果。

2 系统流程设计与仿真测试

2．1 系统流程设计

本系统采用前后台系统。主程序是一个无限循环，循环中通过调用相应的函数完成相应的操作，而对于与时间关系很强的关键操作通过中断处理完成。主程序软件流程如图4所示。

利用该FPGA的core51核作为控制处理单元的核心，通过所提供的带有模拟功能的AD模块对多路AD采样的数据进行处理和分析；由core51核配置，门驱动核输出，控制电机驱动的脉冲信号，实现对系统采光的机械驱动，从而调整太阳能电池板的方位。由于太阳光的变化是比较缓慢的，所以影响本系统数据采集精度的主要因数是AD自身转换的误差以及瞬时强光干扰。系统通过51核用软件的方法对AD输入的数据进行平滑滤波。

该FPGA还为用户提供了可编程的脉宽调制(PWM)核，即可以通过软件的方式改变输出脉冲的周期和占空比。其中PWM模块提供了PWM_addr、 PWM_data输入信号，用于修改PWM波形的周期和占空比。通过core51核的配置，PWM核输出PWM控制信号，实现对蓄电池充电的控制。最后通过LCD实时显示天气和蓄电池状态信息，并通过串口反馈到PC。

2．2 自适应的采光定位流程设计

为了实现的方便，本系统东西方向上对太阳跟踪的详细流程如图5所示(南北方向的跟踪原理是一样的)。系统先通过AD采集到外部4个以及内部东西方向的2个光敏电阻电压，外部4路与所设门限比较，判断当前天气情况。如果连续3次采样值低于黑夜的门限时，则认为是黑夜，系统将停止工作。如果判为阴天，则系统控制太阳能电池板，让其方位保持不变。如果为晴天，则按照所采到的内部两路光敏电阻电压差值进行判别，当差值大于所设门限时、则认为电池板方位需要进行调整。调整原则为：若东边电压值大于西边，则电池板向东边转动1．8°；反之，向西边转动1．8°。调整以后再返回到数据采集，重复上述过程。系统对于太阳方位角度的计算，可以作为一种备用和补充校正方案，即当光敏电阻损坏或者向光采光电路出现故障时，所采到的数据会出现异常(例如长时间的为0或者电压过高)，可以通过上位机发命令，用定位算法所得结果调整太阳能电池板的方位。

在不同的环境下反复测试并改善遮光效果，得到内电阻采样电压再判别晴天、阴天和黑夜的门限分别为6．1 V、5．8 V和0．1 V(采用6．2 V电源供电)；在太阳光偏离一定角度时，内电阻因遮光筒遮光而产生的电压差值在1 V左右；在白天由于突然而来的强光而产生的外部电阻采样电压波动在0．2 V左右。通过改变内电阻采样电压差值门限发现，门限电压过低将使得电机转动过于灵敏，浪费电能；门限电压过高，将导致不能实时追日。最终设门限为0．8 V，达到最佳效果。

2．3 AD的仿真

由于AFS600有16路12位的AD，因此用5位表示通道号，用12位表示对应的数据。在设计AD数据与core51的数据交换中，采用分3字节的传输方式把17位数据分高、中、低3个字节分别传给core51，测试激励与仿真结果，如图6所示。

av_0为通道1，r_clk为core51的读命令端口，在一次数据有效(DATAVALID产生一个脉冲)分别读取3个字节的数据。先把十六进制的采样数据转换成十进制，除以4 095再乘以8，([D(0x9 c4)／4 095]×8)，计算得到4．88 V，而实际值为5 V，误差为2．4％。av_1为通道4，同理得到转换结果为2．91 V，实际值为3 V，误差为3％。

2．4 上位机软件

上位机软件共包括两个模块：显示模块，负责刷新界面上的状态、数据等；通信模块，与MCU进行通