太阳能光伏检测跟踪与自动灌溉实验装置

黎会鹏 毕博伦 刘保怀

摘要： 为了提高太阳能光照能源的收集效率和水资源的利用率，本设计提出了一种太阳能光伏检测与自动灌溉实验装置。设计由STM32F103控制器为核心，由光照检测电路、电机驱动电路、姿态传感器电路、湿度检测电路和调速电路组成。通过检测光照方向，驱动电机调整太阳能晶体板方向，达到光照跟踪的目的。定时检测土壤湿度和环境温度，通过PWM调整水泵转速，控制灌溉量。测试表明，该系统有较强的实用价值。

关键词：STM32;光照跟踪;湿度;灌溉;调速

中图分类号： TP934        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）35-0222-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 前言

近年来，随着气候变化、环境污染和淡水资源的大量工业用途，可利用的淡水资源日益减少，全国各地水资源的日趋紧张[1]。对此，国内一直都在积极探索解决灌溉所用水资源短缺的问题，如近期水稻专家袁隆平提出的发展海水稻的就是为了应对我国淡水资源匮乏。太阳能是一种可再生的清洁能源[2]，不会像化石燃料在转化成能量过程中，造成环境的破坏，国内已经有大量太阳能成功利用的实用案例，但是存在能量收集率不高的问题。对于目前而言，提高太阳能利用率，节约灌溉用水就是一条行之有效的应对措施[3-4]，太阳能自动灌溉系统便是为了应对节约能源，节约用水而发展起来的。本文研究的太阳能光伏检测跟踪和自动灌溉装置，是通过高效收集太阳能源，同时对土壤的湿度进行实时监测，然后根据设定参数执行相应的操作。

2 系统设计与实现

本设计为一款以太阳能光照为能源的自动灌溉系统，太阳能光伏板为系统的能源输入，将光能转换成太阳能，在蓄电池中进行存储。为了提高光源利用效率，设计采用光敏器件检测阳光的偏转方向，由控制器驱动步进电机，调整太阳能光伏板位置，使入射光线与光伏板平面垂直，增强系统对太阳能的采集效率。为了自动对土壤进行灌溉，设计通过湿度和温度传感器检测环境信息[5]，控制器经过判断处理，根据设置参数，完成对土壤的灌溉。系统的总体设计框架如图1所示。

本系统按照功能可分为太阳能光照跟踪采集和土壤灌溉两部分，由温湿度检测电路、姿态传感器电路、光照检测电路、控制器电路、调速电路、电机驱动电路和电源电路组成。控制器选用STM32微处理器，提供信息采集和判断处理功能。电源电路将电压进行转化，提供给各模块电路使用。

2.1 控制器介绍

控制器选用ST公司的STM32F103RET6微处理器[6]，作为系统控制核心，STM32控制器为跟踪系统和灌溉系统最主要组成部分。在光照跟踪过程中，控制器完成与外围光照检测传感器和太阳能面板姿态传感器之间的数据采集工作。通过分析计算太阳位置，驱动电机带动太阳能面板支架，调整面板姿态。灌溉过程中，根据温度和湿度变化，调整灌溉水量[7-8]。控制系统最小系统电路如图2所示。

2.2 姿态传感器

本设计中，需要测量太阳能晶体板的姿态角度，因此选用MPU92509轴姿态传感器。MPU9250内部集成电子罗盘、加速表和MEMS陀螺仪，可以同时对三个轴的加速度、磁场强度、角速度参数进行测量，具有良好的动态响应特性。

MPU9250芯片与控制器之间采用IIC总线进行通信，本设计中通信速率为100k Hz/s。设置的加速度范围最大为±8g，角速度测量范围最高为±250rad/s，工作电压为3.3V，MPU9250工作电路如图3所示。

2.3 步进电机驱动器

为了实现太阳光照的跟踪功能，本设计使用步进电机28BYJ48来调节太阳能晶体板支架的方位。28BYJ48为4相工作步进电机，工作时控制器无法直接驱动，需要外接驱动器。本设计采用ULN2003A芯片进行电机驱动，步进电机工作在4相8拍方式，工作电压为5V，驱动器ULN2003A的外围工作电路图如图4所示。

2.4 湿度检测

湿度检测电路如图5所示，R为湿度传感器，输出为电阻变化，LM393为比较器，通过VR1电位器可以手动调节土壤湿度控制阈值，控制DO端口输出状态。AO端口为模拟量输出，通过控制器的AD输入采集，可以获取土壤湿度的变化状态，工作电路图如图5所示。

2.5 调速电路

本设计为了实现灌溉功能，采用直流微型潜水泵对土壤进行灌溉，水泵工作电压为12V。为了调节灌溉水量和流量，实现精准灌溉，需要对水泵流量进行调节。调速采用PWM方式，通过控制场效应管开关来完成，调速电路如图6所示。

2.6 电源电路

因系统各电路工作电压不同，需要电源电路完成电压转换功能。本设计将12V电压转化成5V和3.3V，提供给控制器和各传感检测电路使用。

3软件设计

软件系统开发采用Keil5开发平台进行设计，系统开始启动，通过光照检测阳光方向，调整传动机构，使太阳能晶体板平面与太阳入射光线垂直，提高系统效率。同时，通过土壤湿度传感器对土壤的湿度和环境温度进行采集，由控制器控制水泵进行灌溉。

3.1 光照跟踪流程

通过光照检测电路搜索光照的方向，进行相应的操作，控制流程图如图7所示。

3.2 灌溉流程

系统将采集的温湿度数据与系统设定值作对比，若测量的数值小于系统参数的15%，则系统启动水泵实施灌溉，根据差值动态调整水泵的流量。当土壤湿度传感器测量的数值大于设置值的15%时，则控制器发出指令，水泵停止灌溉。然后返回定时，当定时的时间到后，则土壤湿度传感器重新测量土壤湿度，如此循环往复，实现自动灌溉功能，灌溉流程图如图8所示。

4 结语

本系统通过光照自动跟踪，提高了能量的收集能力。通过环境温度和土壤湿度检测，综合判断灌溉水量，起到了对水资源合理有效利用的目的。本实验装置主要针对小型灌溉系统，是对智能灌溉系统设计的一种有效探索。

参考文献：

[1] 盛会，郭辉，张学军，等.浅谈智能灌溉技术应用现状[J].新疆农机化，2016（1）：23-27.

[2] 高峰，孙成权，刘全根.太阳能开发利用的现状及发展趋势[J].世界科技研究与发展，2001，23（4）：35-39.

[3] 刘俊岩，张海辉，胡瑾，等.基于ZigBee的温室自动灌溉系統设计与实现[J].农机化研究，2012，34（1）：111-114，118.

[4] 吴世海.立柱式双轴全自动太阳能光伏跟踪控制系统的研究[D].西安：西安理工大学，2017.

[5] 陆建章，杨天宇，马小斌，等.基于单片机的双轴太阳光追踪器设计[J].科技创新与应用，2016（2）：27-28.

[6] 张玉燕， 刘勇， 温银堂，等. 基于STM32的太阳自动追踪系统[J].光学精密工程， 2016，24（10）：415-420.

[7] 曹靖，宋娇红，王冰.农业水肥一体化智能灌溉控制系统开发与应用[J].中国农业信息，2019（6）：116-122.

[8] 王应海.土壤含水量（土壤湿度）数据在智能灌溉决策系统中的应用研究[J].节水灌溉，2017（4）：99-100，105.

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