基于STM32的高效光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 設(shè)計(jì)一種用于海島上微傳感器設(shè)備供電的光伏系統(tǒng)，以STM32作為主控制器，設(shè)計(jì)雙軸跟蹤平臺(tái)實(shí)現(xiàn)太陽跟蹤，研究了新的光照傳感器布置方案；增加角度傳感器SCA100T?D02測(cè)量太陽能板的方位角與高度角，控制器將其與GPS 模塊對(duì)比進(jìn)行位置輔助校準(zhǔn)，形成閉環(huán)控制。主控制器根據(jù)MPPT算法采用PWM控制方式對(duì)鋰電池充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)太陽跟蹤，大幅度提高光伏轉(zhuǎn)化效率，擁有廣闊的應(yīng)用價(jià)值與前景。

關(guān)鍵詞： STM32； BH1750FVI； GPS； 傳感節(jié)點(diǎn)； 雙軸跟蹤

中圖分類號(hào)： TN344?34； TK51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）19?0128?03

Abstract：A photovoltaic system used for microsensor equipment power supplying on the island was designed， which takes STM32 as the main controller. The dual?axis tracking platform was designed to realize the sun tracking. The new placement scheme of light sensor is studied， in which the angle sensor SCA100T?D02 is added to measure the azimuth angle and elevating angle of the solar panel. The angle sensor is compared with GPS module by the controller to perform the location auxiliary calibration and form the close?loop control. The main controller based on MPPT algorithm uses PWM control method for lithium battery charging. The experimental results show that the system can track the sun accurately， improve the efficiency of photovoltaic conversion greatly， and has broad application value and prospect.

Keywords： STM32； BH1750FVI； GPS； sensor node； dual?axis tracking

隨著海島開發(fā)范圍的不斷加大，海島的生態(tài)環(huán)境問題日益突出。目前多采取放置無線傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息。然而傳感節(jié)點(diǎn)多數(shù)采用干電池作電源，造成電源供應(yīng)不穩(wěn)定，影響設(shè)備運(yùn)行，且容易對(duì)環(huán)境造成污染。本文用光照傳感器設(shè)計(jì)跟蹤探頭，達(dá)到光伏電池以最大功率輸出的目的，同時(shí)采用PWM控制鋰電池充電，以此提高光伏轉(zhuǎn)化率，從而滿足傳感節(jié)點(diǎn)的用電量[1?3]。這種設(shè)計(jì)使海島上的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備具有穩(wěn)定的電力來源，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用STM32F103C單片機(jī)作主控制器，它具有高精度、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，適用于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]。由3個(gè)光照度傳感器BH1750FVI制成跟蹤探頭，對(duì)太陽實(shí)現(xiàn)粗跟蹤，利用STM32的串口實(shí)現(xiàn)與GPS模塊的通信，得到當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、時(shí)間等地理信息，與角度傳感器SCA100T?D02測(cè)得的太陽能板角度一起構(gòu)成閉環(huán)反饋信息，使太陽能板精確跟蹤太陽。同時(shí)，主控制器以PWM驅(qū)動(dòng)控制鋰電池充電。LCD12864實(shí)時(shí)顯示角度、光照等信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.2 光照傳感器模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字型光照傳感器BH1750FVI具有優(yōu)良的光譜響應(yīng)特性，功耗低，內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器，工作溫度為-40～85 ℃，適用于惡劣的工作環(huán)境。STM32通過I2C接口向BH1750FVI發(fā)送控制指令，設(shè)置工作模式。

與傳統(tǒng)的上下左右四個(gè)傳感器設(shè)計(jì)布置相比，本文改進(jìn)了光照傳感器探頭設(shè)計(jì)，采用3個(gè)BH1750FVI，其位置呈字母“L”分布。如圖2所示。選定太陽自左向右運(yùn)動(dòng)，在太陽斜射探頭平面時(shí)，1號(hào)傳感器與2號(hào)傳感器之間會(huì)存在光照差值，STM32此時(shí)判斷差值是否大于預(yù)設(shè)值，若大于則驅(qū)動(dòng)水平電機(jī)朝光照強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)， 從而調(diào)整太陽能板的方位角。而后在垂直方向上判斷2號(hào)傳感器與3號(hào)傳感器的光照值來調(diào)整太陽能板的高度角。這樣先水平方向后垂直方向的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)跟蹤太陽的目標(biāo)。光照傳感器位置布置如圖2所示。

1.3 角度傳感器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要測(cè)量太陽能板的方位角與高度角，故選用雙軸傾角傳感器SCA100T?D02。該角度傳感器能同時(shí)測(cè)量[x，y]方向的傾角，其檢測(cè)范圍為±90°。完全符合太陽能跟蹤裝置的要求[5]。

1.4 鋰池能量管理系統(tǒng)

鋰電池充電電路（見圖4）采用Buck DC/DC降壓變換電路。MOSFET管Q3、電感[L1]和續(xù)流二極管D1等構(gòu)成BUCK電路，[R2，R8]與[C5]構(gòu)成的電阻分壓電路對(duì)電池充電電壓采樣，[C4]與[R5]構(gòu)成的電流采樣回路經(jīng)LM358信號(hào)放大后送入STM32的PA7口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

微控制器根據(jù)當(dāng)前光照的狀況和電池狀態(tài)，選擇最高效的充電方式。當(dāng)晴天時(shí)，STM32的ADC對(duì)充電電流、電壓進(jìn)行第一次采樣，根據(jù)主控制器計(jì)算的PWM占空比信號(hào)對(duì)鋰離子電池充電過程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換最大化[6?7]。

1.5 跟蹤云臺(tái)的閉環(huán)控制

光伏跟蹤采用以光照傳感器控制為主，GPS信息、實(shí)時(shí)角度反饋為輔的控制方式。STM32讀取3個(gè)BH1750FVI的值。STM32通過串口TX，RX讀取GPS模塊的緯度、經(jīng)度和時(shí)間等地理信息。角度傳感器測(cè)得的高度角、方位角與STM32根據(jù)GPS信息計(jì)算的高度角、方位角對(duì)比，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，為防避免雙軸電機(jī)在最大功率點(diǎn)附近頻繁動(dòng)作，對(duì)兩個(gè)BH1750數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)差值，當(dāng)兩個(gè)BH1750光照差值大于預(yù)設(shè)值之后，STM32驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)方向的電機(jī)動(dòng)作，直至兩組BH1750光照差值在預(yù)設(shè)值之內(nèi)[8]。系統(tǒng)跟蹤模塊的模塊框圖如圖5所示。

1.6 BH1750量程擴(kuò)大措施

BH1750FVI內(nèi)部寄存器為16位，光照量程為1～65 536 lx。而夏季時(shí)太陽光線一般為60 000～100 000 lx（以南京為例），為此采取在BH1750FVI上覆蓋遮光板的方法來改變BH1750的透光率，此時(shí)讀取值=實(shí)際值×透光率。比如將透光率設(shè)置為50%，同時(shí)在BH1750上面放置透光率為50%的遮蓋物，那么BH1750可以檢測(cè)到的光強(qiáng)可以擴(kuò)大一倍。同時(shí)在兩個(gè)BH1750之間設(shè)置黑色的擋光板，當(dāng)光線非垂直照射時(shí)，其中一個(gè)光照傳感器就處于陰影中，這樣可以使兩個(gè)BH1750FVI的閾值判斷更加靈敏，減少電機(jī)的誤動(dòng)作，從而使系統(tǒng)跟蹤更加穩(wěn)定可靠[9]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上電后系統(tǒng)各模塊處于初始化工作狀態(tài)。晴天時(shí)，STM32會(huì)判別3個(gè)BH1750FVI光照數(shù)據(jù)差值是否大于預(yù)設(shè)值[ΔQ，]如果超過預(yù)設(shè)值，對(duì)云臺(tái)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)本次調(diào)整結(jié)束后，主控制器根據(jù)角度傳感器的測(cè)量值與角度測(cè)量值、GPS信息進(jìn)行比對(duì)調(diào)整，減少光照傳感器跟蹤時(shí)的機(jī)械誤差，流程圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試時(shí)間為2015年9月10日。南京天氣情況：晴朗，溫度為19～28 ℃，濕度36%。本實(shí)驗(yàn)從8：00開始到17：00結(jié)束，每一小時(shí)記錄一次，用Matlab分別對(duì)高度角和方位角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖7，圖8所示。

從數(shù)據(jù)分析圖可以看出，高度角與方位角誤差控制均在理論值上下浮動(dòng)，且誤差范圍控制在3°范圍內(nèi)。這是由于光照傳感器之間存在光照差值的設(shè)定，由此可以避免過于頻繁的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，節(jié)省電能消耗。

已知太陽能電池板最大工作電壓為17.28 V，最大工作電流為0.98 A，開路電壓為21.24 V，最大輸出功率約為16.9 W，實(shí)驗(yàn)中固定式太陽能板的設(shè)置為高度角45°，方位角為90°，面向正南方。功率輸出對(duì)比結(jié)果如表1所示。光伏跟蹤使得太陽能電池板的輸出功率整體上有35%左右的提高，且在12：00—14：00左右達(dá)到最大功率點(diǎn)輸出狀態(tài)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種適用于海島環(huán)境傳感節(jié)點(diǎn)的智能光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。STM32接收BH1750FVI的光照數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日跟蹤，并通過SCA100T角度測(cè)量、GPS地理信息進(jìn)行閉環(huán)輔助校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)太陽位置的全天候跟蹤，保證了跟蹤精度。并設(shè)計(jì)了鋰電池的能量管理系統(tǒng)，以PWM信號(hào)調(diào)整太陽能電池對(duì)鋰電池的充電方式，使得太陽能電池工作在最大功率輸出狀態(tài)，由此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。本系統(tǒng)還可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)種植，物聯(lián)網(wǎng)等其他領(lǐng)域。

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