基于单片机的太阳能追踪系统设计

徐爽，任超，杨嘉豪

（银川能源学院，宁夏银川，750105）

0 引言

太阳能作为一种绿色可再生能源备受人们的重视，随着传统能源的逐渐减少和环境污染情况的加剧，太阳能利用技术的研究得到了迅猛发展，如何提高太阳能利用率成为当下研究重点。太阳能光照自动跟踪技术，是解决这一问题的一种重要途径[1]。科学研究表明当阳光垂直照射太阳能光伏板时，光伏板发电效率达到最高值，但是由于日出日落，环境状况、地域以及天气变化等原因，使得光伏板不能始终被阳光垂直照射，这会导致太阳光的利用效率降低，造成能源的浪费[2]。因此设计一种绿色环保的太阳能追踪系统具有重要的研究意义。本文提出一种以单片机作为控制核心的太阳能追踪监测系统，结合传感器和无线通信技术，使得光伏发电板自动跟踪太阳光，显著提高光电转换效率。另外，系统通过无线通信实现远程实时监控，适合在复杂环境无人值守情况下，具有较好的应用价值。

1 系统总体设计与工作原理

系统总体结构框图如图1 所示，基于单片机控制的太阳能追踪系统由光伏板、光强检测与比较模块、温湿度传感器模块、时钟模块、显示模块、通信模块、驱动模块、充放电模块等组成。单片机根据光强传感器检测到的光照强度判断是否要进入工作状态，光照强度达到最低发电要求时系统进入工作状态，找到太阳光照最强的方向并控制步进电机进行追踪，使光伏板始终垂直太阳光照射。其中光伏板将太阳能直接转化为电能，经充放电模块稳压后存储在储能模块中，同时由无线通信模块将时间、温湿度、光照强度等信息发送至手机APP。

图1 系统总体结构框图

2 系统硬件电路设计

■2.1 STM32 单片机

STM32 系列单片机是一款高性能的32 位CPU 处理器，该单片机是基于Cortex-M 内核开发的最小子系统，广泛运用在不同智能产品当中。STM32F103C8T6 支持256K Flash 及64K SRAM，CPU 频 率 为72MHz， 外 设2 个12 位的ADC 转换单元以及10 个12 位ADC 通道，它的工作电压范围是2.6V～3.6V，工作的环境温度范围为-40℃～105℃，有48 个引脚，14 通道DMA，有37 个通用输入输出接口[3]，其引脚图如图2 所示。

图2 STM32F103C8T6 引脚图

■2.2 DS3231 时钟模块

外加时钟模块为DS3231 芯片，它采用3 线接口，可以与任何单片机或微控制器连接，可以实现时钟功能。储存芯片有32K 的存储容量，在0℃～40℃范围内精度为2ppm，年误差时间小于1 分钟[4]。DS3231 时钟电路如图3 所示。

图3 DS3231 时钟电路图

■2.3 光强检测与比较模块

光强检测模块BH1750 供电电压为3.0～5.0V，接口为I2C 接口，量程范围1～65535 lx，进入光敏电阻光窗的光照越强，所产生的光电流越大，电压也就越大，通过判断电压大小的方法即可判断光照强度的大小。BH1750 内部自带16 位A/D 转换器，无需外加数模转换电路[5]。光强检测电路如图4 所示。

采用四个光敏电阻构成桥式光强比较电路，可以有效地消除系统的非线性误差。它的工作原理是利用内部的光电效应，随着光线的增强，电阻值逐渐减小。可以通过对比对称方向上的光敏电阻的输出电流来判断此时光照强度最强的方向，其中光敏电阻在反向电压作用下工作，无光照时，反向电流接近于0，是暗电流；在有光照的情况下，逆向电流会迅速增加，是光电流。光强比较电路如图5 所示。

图5 光强比较电路图

■2.4 温湿度检测模块

DHT11 是一款内含校准数字信号的复合温湿度传感器，内部由一个高性能8 位单片机控制的电阻式感湿元件和NTC 测温元件组成。其电路简单，具有可靠、低成本、响应速度快，抗干扰能力强等优点。 DHT11 的供电电压为3～5.5V，工作电流为0.5mA，湿度测量范围为20%～90%RH，分辨率为1%RH，温度测量范围为0℃～50℃，分辨率为1℃[6]。温湿度检测电路如图6 所示。

图6 温湿度检测电路图

■2.5 显示模块

OLED 也称有机发光二极管，显示屏幕轻薄、可视角度大、亮度高、发光率好、能耗低。与传统的LCD 显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。OLED 显示尺寸为0.96寸，分辨率为128×64，工作电压为3.3V 或5V，无需用户再添加升压电路[7]。液晶显示电路如图7 所示。

图7 液晶显示电路图

■2.6 WiFi 通信模块

系统采用ESP8266WiFi 模块进行数据的无线传输任务，该模块设计紧凑、集成度高，提供了丰富的无线传输方案，内 置 强 大 的SOC 芯 片， 支 持IEEE802、TCP/UDP/MQTT/HTTP 协议，可以方便地进行不同通信方式的实现，支持多种工作方式的选择，适用于各类物联网应用场景。芯片内置了UART/GPIO 协议，支持实时操作RTOS，其最高时钟速度可达160MHz。软件设计方面通过AT 指令对通信数据进行封装、传输。硬件方面，只需要很少的引脚实现无线传输电路和单片机之间的数据传输[8]。WiFi 通信电路如图8 所示。

图8 通信电路图

■2.7 锂电池充放电模块

充放电模块采用MH-CD42 锂电池，该模块带有过流过压保护等功能，可以更好地保护电池以及负载，该模块充电电压为DC4.5～5V，充电电流为0～2.1A，输出电压为5V，最大输出电流为2A，工作温度为-20℃～85℃[9]。锂电池充放电电路如图9 所示。

图9 充放电电路图

■2.8 步进电机驱动模块

步进电机是一种开环控制元件，具有结构简单，体积小，重量轻等优点。将电脉冲信号转化为角位移和线位移。本设计中，选择了ULN2003 型步进电动机作为驱动电路，实现了对其旋转的控制。ULN2003 是一款可以对步进电机之类的负载进行直接驱动的强电流驱动芯片。具有高抗电压特性。因为需要实现水平轴与垂直轴同时追踪，所以采用两个步进电机驱动光伏板，其中M2 为水平方向驱动，M3 为垂直方向驱动。步进电机驱动电路如图10 所示。

图10 步进电机驱动电路图

3 系统软件设计

本设计采用开发工具Keil MDK， Keil MDK 是一款集编辑、编译、仿真等众多功能为一体的开发环境，其主要针对（ARM 内核）单片机，如：STM32 等。它支持多系列中间组件，使得开发人员易于使用。主程序流程如图11 所示，系统上电后进行初始化，传感器检测环境温湿度与光照强度，并将相关数据显示在液晶显示器上，然后单片机判断当前光照情况，若为夜间则不进行追踪，系统进入待机状态，当白天有光照时，光伏板追踪太阳方向并向锂电池充电，同时系统将检测到的信息发送至工作人员的手机APP。

图11 主程序流程图

4 系统测试

将编译好的程序文件写入单片机后，然后给系统通电，可以观察到电源信号灯正常、单片机系统运行正常、液晶显示器上显示当前时间、温湿度以及电池充电状态，太阳能电池板工作正常，锂电池正常充电，工作人员的APP 能够进行远程监控。系统能够正确驱动机械装置自动追踪阳光，达到了设计要求，且能够稳定可靠地运行，系统整体结构如图12 所示。

图12 系统整体结构图

工作人员手机APP 页面显示情况如图13 所示，锂电池正在充电，环境温度是21℃，湿度是57%RH（相对湿度）光强是96LX（勒克斯）。

图13 APP 页面显示

5 结语

本设计采用光电追踪模式，配合双步进电机使用，使光伏板自动对太阳光进行追踪，解决了光照方向和强度随时间、地域以及天气变化而变化的问题。同时还可检测到环境温湿度、电池充电状态等信息。该系统结构简单、操作方便、成本低，可以有效提高光伏板对阳光的采集率，实现了太阳能资源的高效转化利用，为研究其他太阳能追踪系统提供思路与参考价值。