彭 濤 魏文彬 黃長(zhǎng)新 黃喜軍

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

基于STM32的太陽(yáng)能自動(dòng)尋光系統(tǒng)

彭 濤 魏文彬 黃長(zhǎng)新 黃喜軍

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

文章中系統(tǒng)基于STM32芯片，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)用于精確跟蹤太陽(yáng)并收集能量的系統(tǒng)。系統(tǒng)由STM32F103ZET6最小系統(tǒng)、光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換卡、追蹤太陽(yáng)部分、電壓采集等幾部分組成。該系統(tǒng)通過(guò)光信號(hào)采集轉(zhuǎn)換卡感知太陽(yáng)位置，同時(shí)采用跟蹤算法增強(qiáng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。為了便于攜帶，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為可拆卸的裝置。選用了大容量的鋰電池作為蓄電池，可以極大的解決當(dāng)前多種數(shù)碼產(chǎn)品的充電問(wèn)題。

太陽(yáng)能發(fā)電；STM32；自動(dòng)尋光；便攜

1 引言

隨著人們生活水平的提高，數(shù)碼產(chǎn)品也越來(lái)越普及，及時(shí)給這些產(chǎn)品充電也慢慢形成了我們的習(xí)慣之一。但是在野外如果遇到電量不足的情況將會(huì)是一個(gè)讓人頭痛的問(wèn)題，此時(shí)，擁有一個(gè)便攜式高效太陽(yáng)能發(fā)電裝置，就可以讓電子設(shè)備重新開(kāi)始正常工作?；诖?，筆者設(shè)計(jì)了這個(gè)可以精確跟蹤太陽(yáng)并可實(shí)時(shí)監(jiān)控電池板電壓的太陽(yáng)能自動(dòng)尋光系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)方案總體介紹

本設(shè)計(jì)充分利用 STM32F103ZET6的內(nèi)部資源為設(shè)計(jì)理念，讓外圍電路盡量簡(jiǎn)潔。STM32F103ZET6是一款低功耗的單片機(jī)，并且內(nèi)部有多個(gè)AD，在設(shè)計(jì)中我們選擇了該芯片，降低了功耗，同時(shí)，信號(hào)處理和 AD采樣部分均以單片機(jī)內(nèi)部資源為核心處理器。本系統(tǒng)包含以下幾部分：光敏傳感器、太陽(yáng)能追蹤部分、液晶顯示部分、電壓采集部分以及電源輸出部分?？傮w框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分包括：機(jī)械結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池板、光敏傳感器、LM339電壓比較器、STM32F103ZET6最小系統(tǒng)、鋰電池及其充電管理部分、電池電源輸出部分、光強(qiáng)檢測(cè)部分。

光敏傳感器采集到光信號(hào)，并根據(jù)光的強(qiáng)弱使得光敏電阻的阻值變化，導(dǎo)致電阻上電壓值得變化。筆者給LM339設(shè)定一個(gè)閥值電壓，當(dāng)光敏電阻上加的電壓大于閥值時(shí)，位于底座的STM32單片機(jī)采集從LM339采集到高電平，否則就是低電平。借助單片機(jī)內(nèi)部的 AD對(duì)充電電壓進(jìn)行采集，并在NOKIA5110顯示屏上顯示出來(lái)。當(dāng)太陽(yáng)能板對(duì)鋰電池進(jìn)行充電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電池是否充電完成，并給在顯示屏上顯示出來(lái)。

3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

相對(duì)于地球來(lái)說(shuō)太陽(yáng)一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果太陽(yáng)能板靜止不動(dòng)就不可能一直對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光，不能充分吸收太陽(yáng)能。為了能使陽(yáng)光持續(xù)垂直照射太陽(yáng)能板，就需要使太陽(yáng)能板在三維空間里轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證陽(yáng)光能夠基本垂直的照射到太陽(yáng)能板。

通過(guò)對(duì)比各種電機(jī)的耗能與力矩等因素，筆者選用了舵機(jī)來(lái)控制太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)。首先是能耗問(wèn)題，舵機(jī)靜止時(shí)候的電流大約為100MA，相對(duì)于其他電機(jī)來(lái)說(shuō)符合低功耗的要求，其次，我們選用的舵機(jī)是大扭力的，力矩為15KG·CM。第三，舵機(jī)可以控制轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位目的。

本系統(tǒng)的底座為不銹鋼的十字支架，重量較小。舵機(jī)與太陽(yáng)能板都是用螺絲和U型金屬片連接，可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行拆卸，便于攜帶。

3.2光電采集

光敏部分共四路，每一個(gè)方向一路，分別感知前后左右的陽(yáng)光，哪個(gè)方向上的光敏電阻被照射了就說(shuō)明太陽(yáng)向這個(gè)方向偏轉(zhuǎn)了，光敏電阻的阻值變化，LM339采集光敏電阻上的電壓值，并和設(shè)定的閥值電壓對(duì)比，從而返回?cái)?shù)字信號(hào)給單片機(jī)。

通過(guò)光敏電阻，筆者將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)LM339，筆者將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

3.3電源充電管理部分

筆者的太陽(yáng)能電池板的輸出電壓約為 18V，鋰電池的充電電壓約為8.2-8.4V，因此需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行充電管理，防止過(guò)充與回流。對(duì)此，筆者選用了 BQ2057。BQ2057可以動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時(shí)間，并可以識(shí)別電池是否充滿，此款芯片為專(zhuān)用的鋰電池充電管理芯片，具有低功耗，多功能的特點(diǎn)。

3.4光強(qiáng)檢測(cè)部分

對(duì)于光照強(qiáng)度的檢測(cè)，筆者使用的是GY-30模塊，此模塊可以檢測(cè)光照的強(qiáng)度，并返回一個(gè)數(shù)字量。它的應(yīng)用比較廣泛，在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、車(chē)載導(dǎo)航等都可以見(jiàn)到它。

筆者設(shè)定一個(gè)閥值，當(dāng)光強(qiáng)小于此閥值時(shí)，我們讓系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，也就是停機(jī)操作，以減小能耗。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序分為尋光部分，NOKIA5110顯示部分，AD采集部分與電源充電管理部分。在程序中，單片機(jī)一直檢測(cè)太陽(yáng)的位置，單片機(jī)每隔10分鐘進(jìn)行一次位置調(diào)整，使太陽(yáng)能板幾乎能在所有的時(shí)間里跟太陽(yáng)保持垂直，盡量減少能耗。

5 測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

表1　測(cè)試方法與指標(biāo)

（1）系統(tǒng)理論獲取的功率為太陽(yáng)能板發(fā)出約為 30W 電能。

（2）系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)消耗的功率：

表2　系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)消耗的功率

消耗功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于充電功率，整個(gè)系統(tǒng)的最后效果能達(dá)到預(yù)期的效果。

（3）實(shí)測(cè)充電效率：

筆者選取了2個(gè)相同參數(shù)的單晶硅太陽(yáng)能板一個(gè)朝南45度固定安裝，一個(gè)應(yīng)用在我們的跟蹤裝置上，分別給 2個(gè)同型號(hào)的5000mAH已充分放電的鋰電池充電，測(cè)得鋰電池滿電時(shí)候的電壓約為8.4V，充分放電到的最低電壓是7.4V。實(shí)驗(yàn)中，筆者直接測(cè)量鋰電池的電壓，分了三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試。計(jì)算電量的公式：

電量（Wh）=電池容量（Ah）*電壓（V）

表3　實(shí)測(cè)充電效率

6 系統(tǒng)創(chuàng)新

（1）本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用其內(nèi)部資源進(jìn)行利用能源項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。較大的降低了功耗，節(jié)約了成本。

（2）由于STM32有官方封裝的庫(kù)函數(shù)，可讀性和操作性非常好，避免了對(duì)一個(gè)個(gè)寄存器配置的麻煩。并能加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，可移植性較強(qiáng)。是當(dāng)前的一款比較主流的芯片。

（3）通過(guò)用電壓比較器和光敏電阻結(jié)合取代了用 GPS來(lái)確定太陽(yáng)的位置，減少了成本和能耗。

（4）夜間或者光線不充足的時(shí)候可以進(jìn)行停機(jī)操作，以減小系統(tǒng)的能耗。

7 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用低功耗器件，減小了功耗的同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)用電壓比較器和光敏電阻結(jié)合取代了用GPS來(lái)確定太陽(yáng)的位置，減少了成本和能耗，并可以自動(dòng)切換充電電池，提高了效率。整個(gè)裝置的重量很小，并便于拆卸，方便了攜帶，實(shí)用性強(qiáng)，是居家旅游的好伙伴。

[1] 施云波.融合最大功率點(diǎn)追蹤和尋光感知技術(shù)的太陽(yáng)能智能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,(1):55-57.

[2] 傅忠云.實(shí)用型戶外太陽(yáng)能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014,(7):120-123.

[3] 張翠云.基于 PLC的雙軸太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].福建大學(xué)學(xué)報(bào),2013,(6):1051-1055.

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[5] 黃智偉,王兵.ARM微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2012.

Solar energy automatic search light system based on the STM32

The design and production of this system are based on STM32 chip, and it is used to track the sun accurately and collect energy. The system consists of STM32F103ZET6minimum system, optical signal sampling conversion card, one part for tracking the sun and voltage acquisition,etc. This system can feel the sun's position through the optical signal collection and conversion card and enhance the stability by adopting tracking algorithm to achieve precise tracking. In order to carry it easily, the overall structure is designed to reinstall expediently. It also can greatly solve the charging problems of a variety of digital products by selecting the large capacity lithium battery as the battery.

Solar power; STM32; searching light automatically; portable

TM61

A

1008-1151(2015)06-0013-02

2015-05-12

廣西區(qū)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目”（201410595078）。

彭濤（1992－），男（瑤族），桂林電子科技大學(xué)本科在讀學(xué)生；魏文彬（1991－），男，桂林電子科技大學(xué)本科在讀學(xué)生；黃長(zhǎng)新（1992－），男，桂林電子科技大學(xué)本科在讀學(xué)生。

黃喜軍，桂林電子科技大學(xué)講師。