韓 悅,劉忠富,張 可,翟延威,劉勝陽,蔡云軒

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

0 引言

現(xiàn)如今，隨著化石能源的大量消耗，能源問題日益加劇，生態(tài)環(huán)境也面臨著巨大的威脅，減少污染排放，改善使用化石能源所影響的生態(tài)環(huán)境變得刻不容緩。近些年，人們開始大力開發(fā)新能源，并取得了一定的成果，其中太陽能就是一種可持續(xù)利用無污染的新能源，如今也已投入了很多方面的使用。但是通常情況下，能源在開發(fā)使用時并不能被充分的利用，面對現(xiàn)如今的能源使用情況，資源的充分利用也變得尤為重要。

近些年以來，國內(nèi)外學(xué)者針對太陽能追蹤系統(tǒng)進(jìn)行了深入化的研究，毛桂生對太陽能電池板自動追蹤系統(tǒng)的研究進(jìn)行了研究[1]，該系統(tǒng)通過采用光電追蹤和太陽角度追蹤兩種方式，從而實現(xiàn)太陽能資源的利用。王濤也設(shè)計了基于光敏感應(yīng)及角度計算的太陽追蹤系統(tǒng)[2]。

本文基于STM32的多功能太陽能追蹤系統(tǒng)不僅通過光電傳感器接收光照信息對太陽光進(jìn)行追蹤，STM32作為主要控制系統(tǒng)控制太陽能板的轉(zhuǎn)動，還利用STM32的實時時鐘RTC計算年月日時間等信息，根據(jù)函數(shù)計算太陽方位角的方式追蹤太陽。使之始終能接收到太陽光照，大大提高了太陽能資源的利用。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

多功能太陽能追蹤系統(tǒng)采用了兩種追蹤模式，可實現(xiàn)晴天陰天都可以進(jìn)行太陽能的追蹤，通過光電傳感器感應(yīng)光照強(qiáng)度來判斷晴天陰天，通過系統(tǒng)時鐘來判斷白天黑夜，來實現(xiàn)工作模式的自動切換，檢測到合適光照條件和時間條件。光敏電阻與LM324組成比較電路，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，光敏電阻的組織會發(fā)生改變，比較電路將輸出信號傳送給STM32控制系統(tǒng)，STM32控制電機(jī)使太陽能板轉(zhuǎn)動對太陽光進(jìn)行追蹤。當(dāng)陰天時，通過時鐘計算太陽光的方位，控制太陽能板的轉(zhuǎn)動和角度，使太陽能盡可能被充分的利用。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)以STM32最小系統(tǒng)為控制核心，主要包括單片機(jī)控制電路，光照檢測電路，陰晴檢測電路，電機(jī)驅(qū)動電路和電源模塊電路。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為主控制系統(tǒng)，STM32F103C8T6是一款低功耗微處理器，只需要3.3V的電壓即可供電，最大能達(dá)到72 MHz的工作頻率,擁有64K的程序存儲器，且價格較低，能夠處理較為復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計。

2.2 陰晴檢測電路設(shè)計

該模塊主要由光電二極管與運放LM324組成，光電二極管的正極連接LM324的正極，負(fù)極接5v電源。運放LM324和電阻、光電二極管構(gòu)成比較電路。隨著光照強(qiáng)度的改變，光電二極管發(fā)生變化，當(dāng)比較電路的正極電壓大于負(fù)極時，輸出為1，反之則輸出0。輸出端連接單片機(jī)PA5引腳，單片機(jī)通過引腳電平變化來判斷陰晴。陰晴檢測電路如圖2所示。

圖2 陰晴檢測電路

2.3 光照檢測電路設(shè)計

該模塊的電源部分是由芯片LM324及光敏電阻組成，芯片供電是由5V的電源，其中每個芯片連接了四個普通電阻和一個光敏電阻，與運放構(gòu)成比較電路。當(dāng)光照變化時光敏電阻阻值也隨之改變，比較電路檢測正負(fù)兩極電壓，當(dāng)正極電壓高于負(fù)極電壓，輸出端會輸出正電壓，反之則輸出負(fù)電壓。輸出端分別與單片機(jī)的PB1、PB2、PB3、PB4引腳連接，單片機(jī)引腳檢測到信號后，進(jìn)行分析處理，判斷太陽方向，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。本系統(tǒng)共設(shè)四個比較電路用于檢測四個方向的太陽光入射情況。光電檢測電路設(shè)計電路如圖3所示。

圖3 光電檢測電路

2.4 電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路選用L298N，該電路內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī),具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止工作有一個邏輯電壓輸入端,使用內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。電機(jī)選用JGY370是直流螺桿減速電機(jī)。輸入端連接單片機(jī)PA1，PA2引腳，單片機(jī)判斷出太陽方向后，使這兩個引腳的電平發(fā)生變化，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動太陽能電池板運動。電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖4所示。

2.5 時鐘電路

STM32的實時時鐘RTC是一個獨立的定時器，有一組可以連續(xù)計數(shù)的計時器，系統(tǒng)運用了它的時鐘功能，通過軟件調(diào)整其相關(guān)的配置，修改計時器的數(shù)值對時鐘進(jìn)行調(diào)整，利用時鐘功能判斷白天黑夜，陰天時還可計算太陽的方位。無源晶體為系統(tǒng)提供了RTC實時時鐘，其與兩個電容組成了外部振蕩電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括陰晴檢測部分，角度追蹤部分，時鐘部分。所有程序均采用C語言編寫。上電后，系統(tǒng)開始初始化，通過時鐘判斷白天黑夜，如果是白天，系統(tǒng)判斷天氣的陰晴，晴天啟動光電感應(yīng)追蹤，陰天則啟動角度追蹤；如果為黑夜，則系統(tǒng)進(jìn)入中斷等待狀態(tài)。主程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 主程序設(shè)計流程圖

如圖5所示系統(tǒng)啟動后，通過光敏二極管及運放所組成的陰晴檢測電路的檢測，當(dāng)所使用的引腳的電平為高電平時，系統(tǒng)判斷為光電感應(yīng)模式。通過光敏電阻判斷太陽的方向，改變單片機(jī)設(shè)置的引腳的電平來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，直到中間的光敏電阻檢測到太陽光。

當(dāng)陰晴檢測電路的引腳電平為低電平時，啟動角度追蹤模式，利用STM32的RTC實時時鐘功能，進(jìn)行RTC初始化，配置RTC，修改計數(shù)值，重新初始化RTC配置時間，根據(jù)中斷設(shè)置的標(biāo)志位，每隔一秒更新一次，最終讀取時間。通過預(yù)設(shè)的函數(shù)公式計算出太陽的角度，每隔十分鐘計算一次，通過角度差計算出電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的時間，達(dá)到追蹤的目的。

4 系統(tǒng)測試

本測試用了2只同樣的測量輻射計，一只安裝在有追蹤系統(tǒng)的太陽能電池板上，另一只安裝在朝南36度的太陽能電池板上，測量輻射計與數(shù)據(jù)記錄儀連接到電腦每5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。實地檢測大連2019年9月18日6點至20點。測量條件：溫度25度；天氣：晴天。

測量結(jié)果如圖6(a)所示。太陽能追蹤系統(tǒng)實物圖如圖6(b)所示。

圖6 測量系統(tǒng)測量示意圖

測量結(jié)果經(jīng)過計算，太陽日平均輻射總量：跟蹤的約為27.81MJ·m-2，固定朝南36度的為16.86MJ·m-2，提高效率為37.3%。本文設(shè)計的太陽能追蹤系統(tǒng)通過測試證明，確實提高了太陽能的利用率。

5 結(jié)束語

本文以STM32單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，利用光電感應(yīng)及角度追蹤模式對太陽能進(jìn)行全方位的追蹤，利用光敏電阻及光電二極管對光的感應(yīng)，不論是陰天晴天都有很好的效果，大大提高了太陽能的利用率，對新能源的發(fā)展具有重要意義。