基于STM32的太陽能電池板智能追光控制系統設計

李攀，張宏詩，廖德燁，喻景濤，溫玉文，許岳兵（通信作者）,2

（1.衡陽師范學院物理與電子工程學院，湖南衡陽，421002；2.智能信息處理與應用湖南省重點實驗室，湖南衡陽，421002）

0 引言

太陽能是一種清潔、高效并且永不衰竭的新能源，應用前景十分廣闊。然而，太陽能迄今為止仍未得到大規模的應用，其中主要的原因是太陽能的光轉換效率較低，太陽能電池材料的制作成本較高，導致太陽能的發電成本遠遠高于石油、煤炭等常規能源。因此，開發轉換效率高、成本低的新材料，以及提高太陽能發電效率是目前推廣太陽能發電的主要手段，而提高太陽能發電效率的方法之一就是進行高效的太陽光追蹤。2016 年，我國頒布的《國家創新驅動發展戰略綱要》中明確提出“加快太陽能等清潔能源和新能源技術開發、裝備研制及大規模應用。”因此，本文旨在設計一款太陽能電池板追光控制系統，實時地跟蹤太陽方位，使太陽能電池板以最佳入射角接受最大光強的太陽光照射，提高太陽能的利用效率。系統能自動識別氣象狀況，智能的切換跟蹤模式。

1 系統總體設計方案

基于STM32的太陽能電池板智能追光控制系統的原理框圖如圖1所示。系統由單片機控制電路、步進電機驅動電路、傳感器檢測電路、顯示電路和Wi-Fi模塊構成。其中傳感器檢測電路包括光電傳感器、光強度傳感器、風速傳感器和溫濕度傳感器等。系統通過光電傳感器獲取太陽能光伏板四個方位光照信息，經過濾波、放大等預處理后，輸入至單片機控制電路，利用模糊PID算法對光照強度的變化進行計算，輸出信號控制步進電機調整電池板的姿態，實現實時追光。系統還可以通過溫濕度傳感器、風速傳感器等采集環境參數，從而判斷天氣情況，在陰天等光強度達不到閾值或大風大雨等極端天氣情況下，系統自動停止追蹤。同時將傳感器采集到的數據輸出至顯示電路，通過Wi-Fi模塊與客戶端手機進行通信。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件電路的設計

■2.1 單片機控制電路

單片機控制電路主要采用STM32F103C8T6。該單片機是一款基于Cortex-M3內核的32位微控制器，程序存儲器容量為64KB，最大工作速率可達到72M，片內具有定時器、模數轉換、串口、PWM等豐富的資源，且自帶12位高精度AD轉換器，完全能夠達到系統采集數據的精度要求。

■2.2 傳感器檢測電路

傳感器檢測電路包括光電傳感器、光強度傳感器、風速傳感器和溫濕度傳感器電路。其中光電傳感器采用光電池和AD620儀表運算放大器構成，電路如圖2所示。光電池的輸出信號較小，經過AD620構成的放大電路后，輸入至單片機的AD采集通道。

圖2 光電傳感器電路

光強度傳感器電路如圖3所示。圖中，光敏電阻在受到太陽光照射時，根據所受光的照度使其電阻值會發生變化，通過處理后輸入至單片機，由此判別當前環境下的光強度值。

圖3 光強度傳感器電路

系統選用脈沖型風速傳感器測量環境風速。該傳感器量程大，精度高。單引腳輸出，通過采集該引腳的高低電平變化頻率來檢測風速的大小。溫濕度傳感器電路采用數字溫濕度傳感器DHT11，該傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。

■2.3 步進電機驅動電路

步進電機驅動電路如圖4所示。系統采用28byj-48步進電機，該步進電機步矩角小，精度高。使用ULN2003A來驅動步進電機，該芯片的IN1~IN3連接到單片機的PB0~PB3引腳，單片機輸出固定頻率的高低電平來驅動步進電機。

圖4 步進電機驅動電路

■2.4 顯示電路

顯示電路采用HMI串口屏TJC3224T028_011R。該顯示屏為2.8寸，分辨率320×240，通訊接口為USART串行接口，具有4MB的FLASH空間，2048BYTE的RAM空間，可加載多種字庫，四引腳。I/O口資源占用率低、容量較大、字庫全和尺寸適中。

■2.5 Wi-Fi模塊

系統采用ESP8266Wi-Fi模塊實現網絡通訊，方便客戶端實時監控系統運行狀態以及系統運行所處環境狀況。

3 系統的軟件設計

■3.1 系統主程序

系統主程序流程圖如圖5所示。主程序包括系統初始化、數據采集、判斷風速與溫度是否在安全范圍、判斷電池板與太陽入射光是否垂直、調用模糊PID算法調整電池板角度、顯示相關信息、傳送數據至手機等。其中初始化包括傳感器、AD、HMI串口屏、Wi-Fi模塊等初始化；數據采集包括風速、溫濕度、光照等；系統通過光強度傳感器采集電池板的四方位光強信號，從而可以判斷電池板是否與入射光垂直；顯示信息包括溫濕度、光強、時間等，并將相關信息傳送至用戶手機，便于實時控制。

圖5 系統主程序流程圖

■3.2 模糊PID算法

系統采用位置式PID算法與模糊算法相結合。位置式PID算法如公式(1)所示。

選擇光強度誤差e和光強度誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，經量化因子作用后得到模糊化變量E和Ec，輸入到模糊控制器。然后確定好輸入、輸出變量的模糊論域以及隸屬函數。根據系統響應前和響應過程中模糊PID參數整定原則，結合實驗調整參數的經驗，得到Kp、Ki和Kd模糊規則表，經過模糊推理、反模糊化后得到對應的輸出。Kp第一條模糊規則的隸屬度函數如公式(2)所示。

依此類推，可求出 pK所對應的不同光強度誤差和光強度誤差變化率下的所有模糊規則的隸屬度，根據重心法解模糊化得到pK的輸出模糊值，如公式(3)所示。

Kp的自整定公式如公式(4)所示。

式中，為初值，Qp為比例系數， ΔKp為模糊推理得到的調節值。同理可得Ki和Kd的自整定公式。

4 系統實物測試

系統實物如圖6所示。在實驗室進行了系統功能的初步測試，首先遮擋四方位光電傳感器中的某一個，模擬太陽光無法直射太陽能電池板，系統能實現自動追光功能；然后采用大功率鼓風機模擬大風等惡劣天氣，系統的追光模式切換、停止追蹤等功能正常。同時，在實際工作環境中對系統進行了為期一周的測試，系統能夠實現自動追光、模式切換、網絡通信等功能，基本實現了預期要求。

圖6 系統實物圖

5 結語

本文研制了基于STM32的太陽能電池板智能追光控制系統。論文提出了系統的設計方案，搭建了相應的硬件電路，編寫了主程序和模糊PID控制算法。通過光電追蹤和雙軸追蹤相結合的方法，系統能自動、精確地調整電池組方陣的姿態，實現太陽光精準跟蹤。通過測試表明，系統控制精度高、抗干擾能力強、運行穩定可靠。本文的研究工作對于提高太陽能的發電效率、提升裝置的智能化水平具有十分重要的現實意義和應用價值。