基于STM32的太陽能電池板監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：常規(guī)能源的不可再生性迫使人們加快替代能源的開發(fā)研究，太陽能電池板的利用更是漸入大眾的視野和社會的各個領(lǐng)域。本文介紹一種以STM32F103ZET6芯片為核心的太陽能電池板監(jiān)測設(shè)計方案。該芯片內(nèi)置32位CortexTM-M3 CPU，最高工作頻率達72MHz，超低功耗，其性能遠超8位51單片機，以其替代51單片機，使得電路設(shè)計更容易，軟件設(shè)計更簡潔，性價比更高，具有一定的實用和推廣價值。

關(guān)鍵詞：太陽能；電池板；STM32F103ZET6；DS18B20

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

充足的能源儲備已是一個國家飛速與穩(wěn)定健康發(fā)展的重要保障，常規(guī)能源的不可再生性迫使人們加快替代能源的開發(fā)研究，而我國地理優(yōu)勢顯著，具有豐富的太陽能資源，但由于照射角度、照射時間以及照射強度等眾多客觀因素的存在，我國的太陽光利用率不高，本文以太陽能電池板領(lǐng)域為例，以優(yōu)化利用、提高光電轉(zhuǎn)化率為目的對太陽能電池板的監(jiān)測手段提出新的監(jiān)測方案：基于STM32F103ZET6芯片的太陽能電池板監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。結(jié)合多傳感器融合技術(shù)，取代以往過時的以51單片機為核心的設(shè)計方案，讓設(shè)計更容易，電路更簡單，運行更可靠，成本更低，并具有一定的實用價值和推廣價值。

1.系統(tǒng)及硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)主要包括以下幾個單元：傳感器單元、STM32主控單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、上位機單元，如圖1所示。系統(tǒng)運行后，STM32主控單元首先對傳感器初始化設(shè)置，并掃描前置傳感器所獲取到的參數(shù)信號，然后STM32主控單元再將數(shù)據(jù)處理后通過RS485上傳給上位機，上位機實時顯示下位機上傳來的數(shù)據(jù)，并通過上位機程序設(shè)定相應(yīng)的閾值，超標后會進行相應(yīng)的報警。同時主控單元會根據(jù)數(shù)據(jù)分析對太陽能電池板進行兩軸追光調(diào)整，上位機也對下位機所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并可以通過上位機程序上的按鈕來調(diào)節(jié)太陽能電池板的傾角，使得太陽能電池板處于最佳的采角度。

1.2 主控單元

本系統(tǒng)選用了STM32F103ZET6芯片。STM32F103ZET6是增強型32位ARM處理芯片，內(nèi)置32位CortexTM-M3 內(nèi)核，超低功耗，是新一代的嵌入式處理器，內(nèi)置512KB的Flash存儲器，內(nèi)部SRAM為64KB，CPU可以以0等待周期讀寫。配合72MHz的時鐘，使得主控單元的程序運行更快，處理能力更強，綜合性能遠超8位的51單片機。

1.3傳感器單元

本系統(tǒng)選用了DALLAS的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。數(shù)字式傳感器操作起來更容易。用戶可以用編程的方式調(diào)節(jié)DS18B20的精度，其支持單總線協(xié)議，每一枚DS18B20都內(nèi)置了唯一的64位識別碼，當需要同時多點測溫時，只需把眾多的DS18B20都接到一個接口上就可以。對于光強的采集，也選用了數(shù)字式傳感器，精度為16位，型號為BH1750FVI，這個傳感器在具有數(shù)字式的好處外，這種傳感器還支持I2C總線協(xié)議。

本系統(tǒng)中還利用傾角傳感器來監(jiān)測太陽能電池板的傾斜角度和光敏傳感器一起為兩軸追光系統(tǒng)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。追光功能單元中最重要的就是4個光敏傳感器，分別為PR1、PR2、PR3、PR4，用于對識別太陽光的位置，監(jiān)測裝置上4個光敏傳感器放置示意如圖2所示，PR1和PR2在東西方向上，識別太陽日起日落的軌跡，PR3和PR4在南北方向上，識別太陽四季更替的軌跡，4個傳感器中間用一定高度的隔板隔開。當陽光直射監(jiān)測裝置時，4個光敏傳感器受到的光照強度是一樣的，因此被主控單元采集到的4個光敏傳感器的電壓值也是相同的，當太陽不直射監(jiān)測裝置時，PR1和PR2光敏傳感器，以及PR3和PR4光敏傳感器所獲得光照會有所不同。這樣分別對東西、南北兩組傳感器比較，就可以感知最佳的太陽光位置。

1.4數(shù)據(jù)傳輸單元

常見的數(shù)據(jù)傳輸有RS-232和RS-485通信方式，RS-232協(xié)議是采用不平衡傳輸方式，傳輸速率相對較低，最大速率才只有200kbps，而且傳輸距離十分有限，而RS485協(xié)議則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式，最大速率可達10Mbps，傳輸距離可以達到上千米，在本系統(tǒng)中，考慮到現(xiàn)場環(huán)境以及后續(xù)的擴展升級，采用了RS-485的通信方式，并選用性能相對比較優(yōu)越的MAX485通信芯片，實現(xiàn)STM32F102ZET6芯片與PC機的數(shù)據(jù)通信。

2.軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電之后，STM32F103ZET6芯片中的主程序會對相關(guān)的引腳端口和傳感器進行初始操作，然后等待上位機虛擬軟件發(fā)出采集的指令，當主控芯片接收到采集指令，并會對每個傳感器進行循環(huán)掃描采集，并將各路的采集值以數(shù)字量的格式上傳給上位機的虛擬儀器，同時主控芯片會對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析運算，如發(fā)現(xiàn)太陽能電池板偏離最佳光照位置，主控芯片會給兩軸追光云臺發(fā)出指令，讓其糾正到最佳位置，上位機的虛擬儀器會顯示相關(guān)數(shù)值，也會對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析運算，如果某些值超標，會報警，在兩軸追蹤云臺不能自動追蹤到合適位置時，也可以通過上位機給主控芯片發(fā)出調(diào)整指令，從而達到最佳調(diào)整效果。

結(jié)論

本文介紹了基于STM32的太陽能電池板監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，并進行了模擬測試，能有效監(jiān)測相關(guān)參數(shù)，并驅(qū)動太陽能電池板轉(zhuǎn)動到最佳角度。在達到以往以51單片機為主的控制效果基礎(chǔ)上，速度更快，完全可以替代以往51單片機的監(jiān)測方案，而且電路更加簡潔，成本更低，性價比更高，具有一定實用價值與參考價值。

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