基于單片機的太陽能追蹤系統設計

徐爽，任超，楊嘉豪

（銀川能源學院，寧夏銀川，750105）

0 引言

太陽能作為一種綠色可再生能源備受人們的重視，隨著傳統能源的逐漸減少和環境污染情況的加劇，太陽能利用技術的研究得到了迅猛發展，如何提高太陽能利用率成為當下研究重點。太陽能光照自動跟蹤技術，是解決這一問題的一種重要途徑[1]。科學研究表明當陽光垂直照射太陽能光伏板時，光伏板發電效率達到最高值，但是由于日出日落，環境狀況、地域以及天氣變化等原因，使得光伏板不能始終被陽光垂直照射，這會導致太陽光的利用效率降低，造成能源的浪費[2]。因此設計一種綠色環保的太陽能追蹤系統具有重要的研究意義。本文提出一種以單片機作為控制核心的太陽能追蹤監測系統，結合傳感器和無線通信技術，使得光伏發電板自動跟蹤太陽光，顯著提高光電轉換效率。另外，系統通過無線通信實現遠程實時監控，適合在復雜環境無人值守情況下，具有較好的應用價值。

1 系統總體設計與工作原理

系統總體結構框圖如圖1 所示，基于單片機控制的太陽能追蹤系統由光伏板、光強檢測與比較模塊、溫濕度傳感器模塊、時鐘模塊、顯示模塊、通信模塊、驅動模塊、充放電模塊等組成。單片機根據光強傳感器檢測到的光照強度判斷是否要進入工作狀態，光照強度達到最低發電要求時系統進入工作狀態，找到太陽光照最強的方向并控制步進電機進行追蹤，使光伏板始終垂直太陽光照射。其中光伏板將太陽能直接轉化為電能，經充放電模塊穩壓后存儲在儲能模塊中，同時由無線通信模塊將時間、溫濕度、光照強度等信息發送至手機APP。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件電路設計

■2.1 STM32 單片機

STM32 系列單片機是一款高性能的32 位CPU 處理器，該單片機是基于Cortex-M 內核開發的最小子系統，廣泛運用在不同智能產品當中。STM32F103C8T6 支持256K Flash 及64K SRAM，CPU 頻 率 為72MHz， 外 設2 個12 位的ADC 轉換單元以及10 個12 位ADC 通道，它的工作電壓范圍是2.6V～3.6V，工作的環境溫度范圍為-40℃～105℃，有48 個引腳，14 通道DMA，有37 個通用輸入輸出接口[3]，其引腳圖如圖2 所示。

圖2 STM32F103C8T6 引腳圖

■2.2 DS3231 時鐘模塊

外加時鐘模塊為DS3231 芯片，它采用3 線接口，可以與任何單片機或微控制器連接，可以實現時鐘功能。儲存芯片有32K 的存儲容量，在0℃～40℃范圍內精度為2ppm，年誤差時間小于1 分鐘[4]。DS3231 時鐘電路如圖3 所示。

圖3 DS3231 時鐘電路圖

■2.3 光強檢測與比較模塊

光強檢測模塊BH1750 供電電壓為3.0～5.0V，接口為I2C 接口，量程范圍1～65535 lx，進入光敏電阻光窗的光照越強，所產生的光電流越大，電壓也就越大，通過判斷電壓大小的方法即可判斷光照強度的大小。BH1750 內部自帶16 位A/D 轉換器，無需外加數模轉換電路[5]。光強檢測電路如圖4 所示。

采用四個光敏電阻構成橋式光強比較電路，可以有效地消除系統的非線性誤差。它的工作原理是利用內部的光電效應，隨著光線的增強，電阻值逐漸減小。可以通過對比對稱方向上的光敏電阻的輸出電流來判斷此時光照強度最強的方向，其中光敏電阻在反向電壓作用下工作，無光照時，反向電流接近于0，是暗電流；在有光照的情況下，逆向電流會迅速增加，是光電流。光強比較電路如圖5 所示。

圖5 光強比較電路圖

■2.4 溫濕度檢測模塊

DHT11 是一款內含校準數字信號的復合溫濕度傳感器，內部由一個高性能8 位單片機控制的電阻式感濕元件和NTC 測溫元件組成。其電路簡單，具有可靠、低成本、響應速度快，抗干擾能力強等優點。 DHT11 的供電電壓為3～5.5V，工作電流為0.5mA，濕度測量范圍為20%～90%RH，分辨率為1%RH，溫度測量范圍為0℃～50℃，分辨率為1℃[6]。溫濕度檢測電路如圖6 所示。

圖6 溫濕度檢測電路圖

■2.5 顯示模塊

OLED 也稱有機發光二極管，顯示屏幕輕薄、可視角度大、亮度高、發光率好、能耗低。與傳統的LCD 顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，當有電流通過時，這些有機材料就會發光。OLED 顯示尺寸為0.96寸，分辨率為128×64，工作電壓為3.3V 或5V，無需用戶再添加升壓電路[7]。液晶顯示電路如圖7 所示。

圖7 液晶顯示電路圖

■2.6 WiFi 通信模塊

系統采用ESP8266WiFi 模塊進行數據的無線傳輸任務，該模塊設計緊湊、集成度高，提供了豐富的無線傳輸方案，內 置 強 大 的SOC 芯 片， 支 持IEEE802、TCP/UDP/MQTT/HTTP 協議，可以方便地進行不同通信方式的實現，支持多種工作方式的選擇，適用于各類物聯網應用場景。芯片內置了UART/GPIO 協議，支持實時操作RTOS，其最高時鐘速度可達160MHz。軟件設計方面通過AT 指令對通信數據進行封裝、傳輸。硬件方面，只需要很少的引腳實現無線傳輸電路和單片機之間的數據傳輸[8]。WiFi 通信電路如圖8 所示。

圖8 通信電路圖

■2.7 鋰電池充放電模塊

充放電模塊采用MH-CD42 鋰電池，該模塊帶有過流過壓保護等功能，可以更好地保護電池以及負載，該模塊充電電壓為DC4.5～5V，充電電流為0～2.1A，輸出電壓為5V，最大輸出電流為2A，工作溫度為-20℃～85℃[9]。鋰電池充放電電路如圖9 所示。

圖9 充放電電路圖

■2.8 步進電機驅動模塊

步進電機是一種開環控制元件，具有結構簡單，體積小，重量輕等優點。將電脈沖信號轉化為角位移和線位移。本設計中，選擇了ULN2003 型步進電動機作為驅動電路，實現了對其旋轉的控制。ULN2003 是一款可以對步進電機之類的負載進行直接驅動的強電流驅動芯片。具有高抗電壓特性。因為需要實現水平軸與垂直軸同時追蹤，所以采用兩個步進電機驅動光伏板，其中M2 為水平方向驅動，M3 為垂直方向驅動。步進電機驅動電路如圖10 所示。

圖10 步進電機驅動電路圖

3 系統軟件設計

本設計采用開發工具Keil MDK， Keil MDK 是一款集編輯、編譯、仿真等眾多功能為一體的開發環境，其主要針對（ARM 內核）單片機，如：STM32 等。它支持多系列中間組件，使得開發人員易于使用。主程序流程如圖11 所示，系統上電后進行初始化，傳感器檢測環境溫濕度與光照強度，并將相關數據顯示在液晶顯示器上，然后單片機判斷當前光照情況，若為夜間則不進行追蹤，系統進入待機狀態，當白天有光照時，光伏板追蹤太陽方向并向鋰電池充電，同時系統將檢測到的信息發送至工作人員的手機APP。

圖11 主程序流程圖

4 系統測試

將編譯好的程序文件寫入單片機后，然后給系統通電，可以觀察到電源信號燈正常、單片機系統運行正常、液晶顯示器上顯示當前時間、溫濕度以及電池充電狀態，太陽能電池板工作正常，鋰電池正常充電，工作人員的APP 能夠進行遠程監控。系統能夠正確驅動機械裝置自動追蹤陽光，達到了設計要求，且能夠穩定可靠地運行，系統整體結構如圖12 所示。

圖12 系統整體結構圖

工作人員手機APP 頁面顯示情況如圖13 所示，鋰電池正在充電，環境溫度是21℃，濕度是57%RH（相對濕度）光強是96LX（勒克斯）。

圖13 APP 頁面顯示

5 結語

本設計采用光電追蹤模式，配合雙步進電機使用，使光伏板自動對太陽光進行追蹤，解決了光照方向和強度隨時間、地域以及天氣變化而變化的問題。同時還可檢測到環境溫濕度、電池充電狀態等信息。該系統結構簡單、操作方便、成本低，可以有效提高光伏板對陽光的采集率，實現了太陽能資源的高效轉化利用，為研究其他太陽能追蹤系統提供思路與參考價值。