基于STM32的太陽能自動尋光系統

彭 濤 魏文彬 黃長新 黃喜軍

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

基于STM32的太陽能自動尋光系統

彭 濤 魏文彬 黃長新 黃喜軍

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

文章中系統基于STM32芯片，設計并制作了一個用于精確跟蹤太陽并收集能量的系統。系統由STM32F103ZET6最小系統、光信號采集轉換卡、追蹤太陽部分、電壓采集等幾部分組成。該系統通過光信號采集轉換卡感知太陽位置，同時采用跟蹤算法增強穩定性，實現精確跟蹤。為了便于攜帶，整體結構設計為可拆卸的裝置。選用了大容量的鋰電池作為蓄電池，可以極大的解決當前多種數碼產品的充電問題。

太陽能發電；STM32；自動尋光；便攜

1 引言

隨著人們生活水平的提高，數碼產品也越來越普及，及時給這些產品充電也慢慢形成了我們的習慣之一。但是在野外如果遇到電量不足的情況將會是一個讓人頭痛的問題，此時，擁有一個便攜式高效太陽能發電裝置，就可以讓電子設備重新開始正常工作。基于此，筆者設計了這個可以精確跟蹤太陽并可實時監控電池板電壓的太陽能自動尋光系統。

2 系統方案總體介紹

本設計充分利用 STM32F103ZET6的內部資源為設計理念，讓外圍電路盡量簡潔。STM32F103ZET6是一款低功耗的單片機，并且內部有多個AD，在設計中我們選擇了該芯片，降低了功耗，同時，信號處理和 AD采樣部分均以單片機內部資源為核心處理器。本系統包含以下幾部分：光敏傳感器、太陽能追蹤部分、液晶顯示部分、電壓采集部分以及電源輸出部分。總體框圖如圖1所示。

圖1　系統總體框圖

3 系統硬件設計

本系統的硬件部分包括：機械結構、太陽能電池板、光敏傳感器、LM339電壓比較器、STM32F103ZET6最小系統、鋰電池及其充電管理部分、電池電源輸出部分、光強檢測部分。

光敏傳感器采集到光信號，并根據光的強弱使得光敏電阻的阻值變化，導致電阻上電壓值得變化。筆者給LM339設定一個閥值電壓，當光敏電阻上加的電壓大于閥值時，位于底座的STM32單片機采集從LM339采集到高電平，否則就是低電平。借助單片機內部的 AD對充電電壓進行采集，并在NOKIA5110顯示屏上顯示出來。當太陽能板對鋰電池進行充電時，系統會自動檢測電池是否充電完成，并給在顯示屏上顯示出來。

3.1機械結構

相對于地球來說太陽一直處于運動狀態，如果太陽能板靜止不動就不可能一直對準太陽光，不能充分吸收太陽能。為了能使陽光持續垂直照射太陽能板，就需要使太陽能板在三維空間里轉動，以保證陽光能夠基本垂直的照射到太陽能板。

通過對比各種電機的耗能與力矩等因素，筆者選用了舵機來控制太陽能板轉動。首先是能耗問題，舵機靜止時候的電流大約為100MA，相對于其他電機來說符合低功耗的要求，其次，我們選用的舵機是大扭力的，力矩為15KG·CM。第三，舵機可以控制轉動的位置，實現精準定位目的。

本系統的底座為不銹鋼的十字支架，重量較小。舵機與太陽能板都是用螺絲和U型金屬片連接，可以在短時間內進行拆卸，便于攜帶。

3.2光電采集

光敏部分共四路，每一個方向一路，分別感知前后左右的陽光，哪個方向上的光敏電阻被照射了就說明太陽向這個方向偏轉了，光敏電阻的阻值變化，LM339采集光敏電阻上的電壓值，并和設定的閥值電壓對比，從而返回數字信號給單片機。

通過光敏電阻，筆者將光信號轉化成電信號，通過LM339，筆者將模擬信號轉化為數字信號。

3.3電源充電管理部分

筆者的太陽能電池板的輸出電壓約為 18V，鋰電池的充電電壓約為8.2-8.4V，因此需要進行電壓轉換，并進行充電管理，防止過充與回流。對此，筆者選用了 BQ2057。BQ2057可以動態的補償鋰電池組的內阻以減少充電時間，并可以識別電池是否充滿，此款芯片為專用的鋰電池充電管理芯片，具有低功耗，多功能的特點。

3.4光強檢測部分

對于光照強度的檢測，筆者使用的是GY-30模塊，此模塊可以檢測光照的強度，并返回一個數字量。它的應用比較廣泛，在手機、數碼相機、車載導航等都可以見到它。

筆者設定一個閥值，當光強小于此閥值時，我們讓系統進入低功耗模式，也就是停機操作，以減小能耗。

4 系統軟件設計

程序分為尋光部分，NOKIA5110顯示部分，AD采集部分與電源充電管理部分。在程序中，單片機一直檢測太陽的位置，單片機每隔10分鐘進行一次位置調整，使太陽能板幾乎能在所有的時間里跟太陽保持垂直，盡量減少能耗。

5 測試與數據分析

表1　測試方法與指標

（1）系統理論獲取的功率為太陽能板發出約為 30W 電能。

（2）系統運轉消耗的功率：

表2　系統運轉消耗的功率

消耗功率遠遠小于充電功率，整個系統的最后效果能達到預期的效果。

（3）實測充電效率：

筆者選取了2個相同參數的單晶硅太陽能板一個朝南45度固定安裝，一個應用在我們的跟蹤裝置上，分別給 2個同型號的5000mAH已充分放電的鋰電池充電，測得鋰電池滿電時候的電壓約為8.4V，充分放電到的最低電壓是7.4V。實驗中，筆者直接測量鋰電池的電壓，分了三個時間段進行測試。計算電量的公式：

電量（Wh）=電池容量（Ah）*電壓（V）

表3　實測充電效率

6 系統創新

（1）本系統采用意法半導體公司的STM32F103ZET6芯片進行開發，利用其內部資源進行利用能源項目的開發。較大的降低了功耗，節約了成本。

（2）由于STM32有官方封裝的庫函數，可讀性和操作性非常好，避免了對一個個寄存器配置的麻煩。并能加快產品的開發速度，可移植性較強。是當前的一款比較主流的芯片。

（3）通過用電壓比較器和光敏電阻結合取代了用 GPS來確定太陽的位置，減少了成本和能耗。

（4）夜間或者光線不充足的時候可以進行停機操作，以減小系統的能耗。

7 結束語

本系統采用低功耗器件，減小了功耗的同時也增強了系統的穩定性。通過用電壓比較器和光敏電阻結合取代了用GPS來確定太陽的位置，減少了成本和能耗，并可以自動切換充電電池，提高了效率。整個裝置的重量很小，并便于拆卸，方便了攜帶，實用性強，是居家旅游的好伙伴。

[1] 施云波.融合最大功率點追蹤和尋光感知技術的太陽能智能跟蹤系統設計[J].電網技術,2014,(1):55-57.

[2] 傅忠云.實用型戶外太陽能照明系統設計與實現[J].電子設計工程,2014,(7):120-123.

[3] 張翠云.基于 PLC的雙軸太陽能跟蹤控制系統設計[J].福建大學學報,2013,(6):1051-1055.

[4] 李亞輝.基于 MSP430單片機的太陽能發電裝置設計[J].機電設備,2013,(4):99-103.

[5] 黃智偉,王兵.ARM微控制器應用設計與實踐[M].北京:北京航天航空大學出版社,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

廣西區“大學生創新創業項目”（201410595078）。

彭濤（1992－），男（瑤族），桂林電子科技大學本科在讀學生；魏文彬（1991－），男，桂林電子科技大學本科在讀學生；黃長新（1992－），男，桂林電子科技大學本科在讀學生。

黃喜軍，桂林電子科技大學講師。