基于STM32的多功能太阳能追踪系统*

韩 悦,刘忠富,张 可,翟延威,刘胜阳,蔡云轩

(大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁 大连 116600)

0 引言

现如今，随着化石能源的大量消耗，能源问题日益加剧，生态环境也面临着巨大的威胁，减少污染排放，改善使用化石能源所影响的生态环境变得刻不容缓。近些年，人们开始大力开发新能源，并取得了一定的成果，其中太阳能就是一种可持续利用无污染的新能源，如今也已投入了很多方面的使用。但是通常情况下，能源在开发使用时并不能被充分的利用，面对现如今的能源使用情况，资源的充分利用也变得尤为重要。

近些年以来，国内外学者针对太阳能追踪系统进行了深入化的研究，毛桂生对太阳能电池板自动追踪系统的研究进行了研究[1]，该系统通过采用光电追踪和太阳角度追踪两种方式，从而实现太阳能资源的利用。王涛也设计了基于光敏感应及角度计算的太阳追踪系统[2]。

本文基于STM32的多功能太阳能追踪系统不仅通过光电传感器接收光照信息对太阳光进行追踪，STM32作为主要控制系统控制太阳能板的转动，还利用STM32的实时时钟RTC计算年月日时间等信息，根据函数计算太阳方位角的方式追踪太阳。使之始终能接收到太阳光照，大大提高了太阳能资源的利用。

1 系统设计方案

多功能太阳能追踪系统采用了两种追踪模式，可实现晴天阴天都可以进行太阳能的追踪，通过光电传感器感应光照强度来判断晴天阴天，通过系统时钟来判断白天黑夜，来实现工作模式的自动切换，检测到合适光照条件和时间条件。光敏电阻与LM324组成比较电路，当光照强度发生变化时，光敏电阻的组织会发生改变，比较电路将输出信号传送给STM32控制系统，STM32控制电机使太阳能板转动对太阳光进行追踪。当阴天时，通过时钟计算太阳光的方位，控制太阳能板的转动和角度，使太阳能尽可能被充分的利用。

2 系统硬件电路设计

系统以STM32最小系统为控制核心，主要包括单片机控制电路，光照检测电路，阴晴检测电路，电机驱动电路和电源模块电路。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体方案图

2.1 单片机控制系统

系统以STM32F103C8T6作为主控制系统，STM32F103C8T6是一款低功耗微处理器，只需要3.3V的电压即可供电，最大能达到72 MHz的工作频率,拥有64K的程序存储器，且价格较低，能够处理较为复杂的系统设计。

2.2 阴晴检测电路设计

该模块主要由光电二极管与运放LM324组成，光电二极管的正极连接LM324的正极，负极接5v电源。运放LM324和电阻、光电二极管构成比较电路。随着光照强度的改变，光电二极管发生变化，当比较电路的正极电压大于负极时，输出为1，反之则输出0。输出端连接单片机PA5引脚，单片机通过引脚电平变化来判断阴晴。阴晴检测电路如图2所示。

图2 阴晴检测电路

2.3 光照检测电路设计

该模块的电源部分是由芯片LM324及光敏电阻组成，芯片供电是由5V的电源，其中每个芯片连接了四个普通电阻和一个光敏电阻，与运放构成比较电路。当光照变化时光敏电阻阻值也随之改变，比较电路检测正负两极电压，当正极电压高于负极电压，输出端会输出正电压，反之则输出负电压。输出端分别与单片机的PB1、PB2、PB3、PB4引脚连接，单片机引脚检测到信号后，进行分析处理，判断太阳方向，控制电机转动。本系统共设四个比较电路用于检测四个方向的太阳光入射情况。光电检测电路设计电路如图3所示。

图3 光电检测电路

2.4 电机驱动电路

电机驱动电路选用L298N，该电路内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机,具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止工作有一个逻辑电压输入端,使用内部逻辑电路部分在低电压下工作。电机选用JGY370是直流螺杆减速电机。输入端连接单片机PA1，PA2引脚，单片机判断出太阳方向后，使这两个引脚的电平发生变化，控制电机正反转带动太阳能电池板运动。电机驱动模块电路如图4所示。

2.5 时钟电路

STM32的实时时钟RTC是一个独立的定时器，有一组可以连续计数的计时器，系统运用了它的时钟功能，通过软件调整其相关的配置，修改计时器的数值对时钟进行调整，利用时钟功能判断白天黑夜，阴天时还可计算太阳的方位。无源晶体为系统提供了RTC实时时钟，其与两个电容组成了外部振荡电路。

3 系统软件设计

系统软件部分主要包括阴晴检测部分，角度追踪部分，时钟部分。所有程序均采用C语言编写。上电后，系统开始初始化，通过时钟判断白天黑夜，如果是白天，系统判断天气的阴晴，晴天启动光电感应追踪，阴天则启动角度追踪；如果为黑夜，则系统进入中断等待状态。主程序设计流程图如图5所示。

图5 主程序设计流程图

如图5所示系统启动后，通过光敏二极管及运放所组成的阴晴检测电路的检测，当所使用的引脚的电平为高电平时，系统判断为光电感应模式。通过光敏电阻判断太阳的方向，改变单片机设置的引脚的电平来控制电机转动，直到中间的光敏电阻检测到太阳光。

当阴晴检测电路的引脚电平为低电平时，启动角度追踪模式，利用STM32的RTC实时时钟功能，进行RTC初始化，配置RTC，修改计数值，重新初始化RTC配置时间，根据中断设置的标志位，每隔一秒更新一次，最终读取时间。通过预设的函数公式计算出太阳的角度，每隔十分钟计算一次，通过角度差计算出电机需要转动的时间，达到追踪的目的。

4 系统测试

本测试用了2只同样的测量辐射计，一只安装在有追踪系统的太阳能电池板上，另一只安装在朝南36度的太阳能电池板上，测量辐射计与数据记录仪连接到电脑每5分钟记录一次数据。实地检测大连2019年9月18日6点至20点。测量条件：温度25度；天气：晴天。

测量结果如图6(a)所示。太阳能追踪系统实物图如图6(b)所示。

图6 测量系统测量示意图

测量结果经过计算，太阳日平均辐射总量：跟踪的约为27.81MJ·m-2，固定朝南36度的为16.86MJ·m-2，提高效率为37.3%。本文设计的太阳能追踪系统通过测试证明，确实提高了太阳能的利用率。

5 结束语

本文以STM32单片机为核心控制系统，利用光电感应及角度追踪模式对太阳能进行全方位的追踪，利用光敏电阻及光电二极管对光的感应，不论是阴天晴天都有很好的效果，大大提高了太阳能的利用率，对新能源的发展具有重要意义。