基于單片機(jī)的太陽能追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐爽，任超，楊嘉豪

（銀川能源學(xué)院，寧夏銀川，750105）

0 引言

太陽能作為一種綠色可再生能源備受人們的重視，隨著傳統(tǒng)能源的逐漸減少和環(huán)境污染情況的加劇，太陽能利用技術(shù)的研究得到了迅猛發(fā)展，如何提高太陽能利用率成為當(dāng)下研究重點(diǎn)。太陽能光照自動(dòng)跟蹤技術(shù)，是解決這一問題的一種重要途徑[1]。科學(xué)研究表明當(dāng)陽光垂直照射太陽能光伏板時(shí)，光伏板發(fā)電效率達(dá)到最高值，但是由于日出日落，環(huán)境狀況、地域以及天氣變化等原因，使得光伏板不能始終被陽光垂直照射，這會(huì)導(dǎo)致太陽光的利用效率降低，造成能源的浪費(fèi)[2]。因此設(shè)計(jì)一種綠色環(huán)保的太陽能追蹤系統(tǒng)具有重要的研究意義。本文提出一種以單片機(jī)作為控制核心的太陽能追蹤監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合傳感器和無線通信技術(shù)，使得光伏發(fā)電板自動(dòng)跟蹤太陽光，顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。另外，系統(tǒng)通過無線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，適合在復(fù)雜環(huán)境無人值守情況下，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，基于單片機(jī)控制的太陽能追蹤系統(tǒng)由光伏板、光強(qiáng)檢測與比較模塊、溫濕度傳感器模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、充放電模塊等組成。單片機(jī)根據(jù)光強(qiáng)傳感器檢測到的光照強(qiáng)度判斷是否要進(jìn)入工作狀態(tài)，光照強(qiáng)度達(dá)到最低發(fā)電要求時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，找到太陽光照最強(qiáng)的方向并控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行追蹤，使光伏板始終垂直太陽光照射。其中光伏板將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)充放電模塊穩(wěn)壓后存儲(chǔ)在儲(chǔ)能模塊中，同時(shí)由無線通信模塊將時(shí)間、溫濕度、光照強(qiáng)度等信息發(fā)送至手機(jī)APP。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 STM32 單片機(jī)

STM32 系列單片機(jī)是一款高性能的32 位CPU 處理器，該單片機(jī)是基于Cortex-M 內(nèi)核開發(fā)的最小子系統(tǒng)，廣泛運(yùn)用在不同智能產(chǎn)品當(dāng)中。STM32F103C8T6 支持256K Flash 及64K SRAM，CPU 頻 率 為72MHz， 外 設(shè)2 個(gè)12 位的ADC 轉(zhuǎn)換單元以及10 個(gè)12 位ADC 通道，它的工作電壓范圍是2.6V～3.6V，工作的環(huán)境溫度范圍為-40℃～105℃，有48 個(gè)引腳，14 通道DMA，有37 個(gè)通用輸入輸出接口[3]，其引腳圖如圖2 所示。

圖2 STM32F103C8T6 引腳圖

■2.2 DS3231 時(shí)鐘模塊

外加時(shí)鐘模塊為DS3231 芯片，它采用3 線接口，可以與任何單片機(jī)或微控制器連接，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能。儲(chǔ)存芯片有32K 的存儲(chǔ)容量，在0℃～40℃范圍內(nèi)精度為2ppm，年誤差時(shí)間小于1 分鐘[4]。DS3231 時(shí)鐘電路如圖3 所示。

圖3 DS3231 時(shí)鐘電路圖

■2.3 光強(qiáng)檢測與比較模塊

光強(qiáng)檢測模塊BH1750 供電電壓為3.0～5.0V，接口為I2C 接口，量程范圍1～65535 lx，進(jìn)入光敏電阻光窗的光照越強(qiáng)，所產(chǎn)生的光電流越大，電壓也就越大，通過判斷電壓大小的方法即可判斷光照強(qiáng)度的大小。BH1750 內(nèi)部自帶16 位A/D 轉(zhuǎn)換器，無需外加數(shù)模轉(zhuǎn)換電路[5]。光強(qiáng)檢測電路如圖4 所示。

采用四個(gè)光敏電阻構(gòu)成橋式光強(qiáng)比較電路，可以有效地消除系統(tǒng)的非線性誤差。它的工作原理是利用內(nèi)部的光電效應(yīng)，隨著光線的增強(qiáng)，電阻值逐漸減小?？梢酝ㄟ^對(duì)比對(duì)稱方向上的光敏電阻的輸出電流來判斷此時(shí)光照強(qiáng)度最強(qiáng)的方向，其中光敏電阻在反向電壓作用下工作，無光照時(shí)，反向電流接近于0，是暗電流；在有光照的情況下，逆向電流會(huì)迅速增加，是光電流。光強(qiáng)比較電路如圖5 所示。

圖5 光強(qiáng)比較電路圖

■2.4 溫濕度檢測模塊

DHT11 是一款內(nèi)含校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的復(fù)合溫濕度傳感器，內(nèi)部由一個(gè)高性能8 位單片機(jī)控制的電阻式感濕元件和NTC 測溫元件組成。其電路簡單，具有可靠、低成本、響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 DHT11 的供電電壓為3～5.5V，工作電流為0.5mA，濕度測量范圍為20%～90%RH，分辨率為1%RH，溫度測量范圍為0℃～50℃，分辨率為1℃[6]。溫濕度檢測電路如圖6 所示。

圖6 溫濕度檢測電路圖

■2.5 顯示模塊

OLED 也稱有機(jī)發(fā)光二極管，顯示屏幕輕薄、可視角度大、亮度高、發(fā)光率好、能耗低。與傳統(tǒng)的LCD 顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)有電流通過時(shí)，這些有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光。OLED 顯示尺寸為0.96寸，分辨率為128×64，工作電壓為3.3V 或5V，無需用戶再添加升壓電路[7]。液晶顯示電路如圖7 所示。

圖7 液晶顯示電路圖

■2.6 WiFi 通信模塊

系統(tǒng)采用ESP8266WiFi 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸任務(wù)，該模塊設(shè)計(jì)緊湊、集成度高，提供了豐富的無線傳輸方案，內(nèi) 置 強(qiáng) 大 的SOC 芯 片， 支 持IEEE802、TCP/UDP/MQTT/HTTP 協(xié)議，可以方便地進(jìn)行不同通信方式的實(shí)現(xiàn)，支持多種工作方式的選擇，適用于各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。芯片內(nèi)置了UART/GPIO 協(xié)議，支持實(shí)時(shí)操作RTOS，其最高時(shí)鐘速度可達(dá)160MHz。軟件設(shè)計(jì)方面通過AT 指令對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、傳輸。硬件方面，只需要很少的引腳實(shí)現(xiàn)無線傳輸電路和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸[8]。WiFi 通信電路如圖8 所示。

圖8 通信電路圖

■2.7 鋰電池充放電模塊

充放電模塊采用MH-CD42 鋰電池，該模塊帶有過流過壓保護(hù)等功能，可以更好地保護(hù)電池以及負(fù)載，該模塊充電電壓為DC4.5～5V，充電電流為0～2.1A，輸出電壓為5V，最大輸出電流為2A，工作溫度為-20℃～85℃[9]。鋰電池充放電電路如圖9 所示。

圖9 充放電電路圖

■2.8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)是一種開環(huán)控制元件，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移和線位移。本設(shè)計(jì)中，選擇了ULN2003 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其旋轉(zhuǎn)的控制。ULN2003 是一款可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)之類的負(fù)載進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)電流驅(qū)動(dòng)芯片。具有高抗電壓特性。因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)水平軸與垂直軸同時(shí)追蹤，所以采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光伏板，其中M2 為水平方向驅(qū)動(dòng)，M3 為垂直方向驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖10 所示。

圖10 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用開發(fā)工具Keil MDK， Keil MDK 是一款集編輯、編譯、仿真等眾多功能為一體的開發(fā)環(huán)境，其主要針對(duì)（ARM 內(nèi)核）單片機(jī)，如：STM32 等。它支持多系列中間組件，使得開發(fā)人員易于使用。主程序流程如圖11 所示，系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，傳感器檢測環(huán)境溫濕度與光照強(qiáng)度，并將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上，然后單片機(jī)判斷當(dāng)前光照情況，若為夜間則不進(jìn)行追蹤，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)白天有光照時(shí)，光伏板追蹤太陽方向并向鋰電池充電，同時(shí)系統(tǒng)將檢測到的信息發(fā)送至工作人員的手機(jī)APP。

圖11 主程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

將編譯好的程序文件寫入單片機(jī)后，然后給系統(tǒng)通電，可以觀察到電源信號(hào)燈正常、單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行正常、液晶顯示器上顯示當(dāng)前時(shí)間、溫濕度以及電池充電狀態(tài)，太陽能電池板工作正常，鋰電池正常充電，工作人員的APP 能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)能夠正確驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置自動(dòng)追蹤陽光，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖12 所示。

圖12 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

工作人員手機(jī)APP 頁面顯示情況如圖13 所示，鋰電池正在充電，環(huán)境溫度是21℃，濕度是57%RH（相對(duì)濕度）光強(qiáng)是96LX（勒克斯）。

圖13 APP 頁面顯示

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用光電追蹤模式，配合雙步進(jìn)電機(jī)使用，使光伏板自動(dòng)對(duì)太陽光進(jìn)行追蹤，解決了光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間、地域以及天氣變化而變化的問題。同時(shí)還可檢測到環(huán)境溫濕度、電池充電狀態(tài)等信息。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低，可以有效提高光伏板對(duì)陽光的采集率，實(shí)現(xiàn)了太陽能資源的高效轉(zhuǎn)化利用，為研究其他太陽能追蹤系統(tǒng)提供思路與參考價(jià)值。