基于STM32的太阳能自动寻光系统

彭 涛 魏文彬 黄长新 黄喜军

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

基于STM32的太阳能自动寻光系统

彭 涛 魏文彬 黄长新 黄喜军

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

文章中系统基于STM32芯片，设计并制作了一个用于精确跟踪太阳并收集能量的系统。系统由STM32F103ZET6最小系统、光信号采集转换卡、追踪太阳部分、电压采集等几部分组成。该系统通过光信号采集转换卡感知太阳位置，同时采用跟踪算法增强稳定性，实现精确跟踪。为了便于携带，整体结构设计为可拆卸的装置。选用了大容量的锂电池作为蓄电池，可以极大的解决当前多种数码产品的充电问题。

太阳能发电；STM32；自动寻光；便携

1 引言

随着人们生活水平的提高，数码产品也越来越普及，及时给这些产品充电也慢慢形成了我们的习惯之一。但是在野外如果遇到电量不足的情况将会是一个让人头痛的问题，此时，拥有一个便携式高效太阳能发电装置，就可以让电子设备重新开始正常工作。基于此，笔者设计了这个可以精确跟踪太阳并可实时监控电池板电压的太阳能自动寻光系统。

2 系统方案总体介绍

本设计充分利用 STM32F103ZET6的内部资源为设计理念，让外围电路尽量简洁。STM32F103ZET6是一款低功耗的单片机，并且内部有多个AD，在设计中我们选择了该芯片，降低了功耗，同时，信号处理和 AD采样部分均以单片机内部资源为核心处理器。本系统包含以下几部分：光敏传感器、太阳能追踪部分、液晶显示部分、电压采集部分以及电源输出部分。总体框图如图1所示。

图1　系统总体框图

3 系统硬件设计

本系统的硬件部分包括：机械结构、太阳能电池板、光敏传感器、LM339电压比较器、STM32F103ZET6最小系统、锂电池及其充电管理部分、电池电源输出部分、光强检测部分。

光敏传感器采集到光信号，并根据光的强弱使得光敏电阻的阻值变化，导致电阻上电压值得变化。笔者给LM339设定一个阀值电压，当光敏电阻上加的电压大于阀值时，位于底座的STM32单片机采集从LM339采集到高电平，否则就是低电平。借助单片机内部的 AD对充电电压进行采集，并在NOKIA5110显示屏上显示出来。当太阳能板对锂电池进行充电时，系统会自动检测电池是否充电完成，并给在显示屏上显示出来。

3.1机械结构

相对于地球来说太阳一直处于运动状态，如果太阳能板静止不动就不可能一直对准太阳光，不能充分吸收太阳能。为了能使阳光持续垂直照射太阳能板，就需要使太阳能板在三维空间里转动，以保证阳光能够基本垂直的照射到太阳能板。

通过对比各种电机的耗能与力矩等因素，笔者选用了舵机来控制太阳能板转动。首先是能耗问题，舵机静止时候的电流大约为100MA，相对于其他电机来说符合低功耗的要求，其次，我们选用的舵机是大扭力的，力矩为15KG·CM。第三，舵机可以控制转动的位置，实现精准定位目的。

本系统的底座为不锈钢的十字支架，重量较小。舵机与太阳能板都是用螺丝和U型金属片连接，可以在短时间内进行拆卸，便于携带。

3.2光电采集

光敏部分共四路，每一个方向一路，分别感知前后左右的阳光，哪个方向上的光敏电阻被照射了就说明太阳向这个方向偏转了，光敏电阻的阻值变化，LM339采集光敏电阻上的电压值，并和设定的阀值电压对比，从而返回数字信号给单片机。

通过光敏电阻，笔者将光信号转化成电信号，通过LM339，笔者将模拟信号转化为数字信号。

3.3电源充电管理部分

笔者的太阳能电池板的输出电压约为 18V，锂电池的充电电压约为8.2-8.4V，因此需要进行电压转换，并进行充电管理，防止过充与回流。对此，笔者选用了 BQ2057。BQ2057可以动态的补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，并可以识别电池是否充满，此款芯片为专用的锂电池充电管理芯片，具有低功耗，多功能的特点。

3.4光强检测部分

对于光照强度的检测，笔者使用的是GY-30模块，此模块可以检测光照的强度，并返回一个数字量。它的应用比较广泛，在手机、数码相机、车载导航等都可以见到它。

笔者设定一个阀值，当光强小于此阀值时，我们让系统进入低功耗模式，也就是停机操作，以减小能耗。

4 系统软件设计

程序分为寻光部分，NOKIA5110显示部分，AD采集部分与电源充电管理部分。在程序中，单片机一直检测太阳的位置，单片机每隔10分钟进行一次位置调整，使太阳能板几乎能在所有的时间里跟太阳保持垂直，尽量减少能耗。

5 测试与数据分析

表1　测试方法与指标

（1）系统理论获取的功率为太阳能板发出约为 30W 电能。

（2）系统运转消耗的功率：

表2　系统运转消耗的功率

消耗功率远远小于充电功率，整个系统的最后效果能达到预期的效果。

（3）实测充电效率：

笔者选取了2个相同参数的单晶硅太阳能板一个朝南45度固定安装，一个应用在我们的跟踪装置上，分别给 2个同型号的5000mAH已充分放电的锂电池充电，测得锂电池满电时候的电压约为8.4V，充分放电到的最低电压是7.4V。实验中，笔者直接测量锂电池的电压，分了三个时间段进行测试。计算电量的公式：

电量（Wh）=电池容量（Ah）*电压（V）

表3　实测充电效率

6 系统创新

（1）本系统采用意法半导体公司的STM32F103ZET6芯片进行开发，利用其内部资源进行利用能源项目的开发。较大的降低了功耗，节约了成本。

（2）由于STM32有官方封装的库函数，可读性和操作性非常好，避免了对一个个寄存器配置的麻烦。并能加快产品的开发速度，可移植性较强。是当前的一款比较主流的芯片。

（3）通过用电压比较器和光敏电阻结合取代了用 GPS来确定太阳的位置，减少了成本和能耗。

（4）夜间或者光线不充足的时候可以进行停机操作，以减小系统的能耗。

7 结束语

本系统采用低功耗器件，减小了功耗的同时也增强了系统的稳定性。通过用电压比较器和光敏电阻结合取代了用GPS来确定太阳的位置，减少了成本和能耗，并可以自动切换充电电池，提高了效率。整个装置的重量很小，并便于拆卸，方便了携带，实用性强，是居家旅游的好伙伴。

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[5] 黄智伟,王兵.ARM微控制器应用设计与实践[M].北京:北京航天航空大学出版社,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

广西区“大学生创新创业项目”（201410595078）。

彭涛（1992－），男（瑶族），桂林电子科技大学本科在读学生；魏文彬（1991－），男，桂林电子科技大学本科在读学生；黄长新（1992－），男，桂林电子科技大学本科在读学生。

黄喜军，桂林电子科技大学讲师。