基于SMT單片機(jī)的雙軸太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：為提高太陽(yáng)能發(fā)電效率，文章設(shè)計(jì)了一種基于SMT單片機(jī)的雙軸太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)。系統(tǒng)通過光敏器件采用雙軸跟蹤方式根據(jù)太陽(yáng)光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池板的方向，使光伏板接收太陽(yáng)輻射的效率最高。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集光照強(qiáng)度參數(shù)并顯示，由單片機(jī)控制電機(jī)“智慧”追蹤太陽(yáng)，亦可通過按鍵切換為手動(dòng)模式控制步進(jìn)電機(jī)四向翻轉(zhuǎn)。若光照不夠，可以通過充電器為系統(tǒng)充電使其正常工作。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；SMT單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；雙軸追光

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）13-0181-05

Design of Dual-axis Solar Energy Intelligent Light Chasing System Based on

SMT Single-chip Microcomputer

SU Shuangqin

（Suzhou Higher Vocational School， Suzhou 215009， China）

Abstract： In order to improve the efficiency of solar power generation， this paper designs a kind of dual-axis solar energy intelligent light chasing system based on SMT single-chip microcomputer. The system adjusts the direction of the photovoltaic panel in real time according to the sunlight intensity by using the dual-axis tracking mode of the photosensitive device， which makes the photovoltaic panel receive the solar radiation with the highest efficiency. The system collects and displays the light intensity parameters in real-time， controls the motor“Wisdom”to track the sun by the single-chip microcomputer， and it also could switch to manual mode by keys to control the stepper motor to four-way turnover. If the light is not enough， it can charge the system through the charger to make it work properly.

Keywords： solar energy; SMT single-chip microcomputer; stepper motor; dual-axis light chasing

0 引 言

太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)須運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染[1-4]。因?yàn)樗募镜淖儞Q，太陽(yáng)的直射角度是有周期性的變化的。固定的太陽(yáng)能電池板，在不同的時(shí)間，太陽(yáng)能電池板單位面積是的接收效率是不均勻的，導(dǎo)致太陽(yáng)能的利用效率降低[5-7]。為了保障光伏發(fā)電效率提出一種基于單片機(jī)的雙軸太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8-10]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于SMT單片機(jī)的雙軸太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

光伏板采集光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后，由充電模塊給鋰電池充電。鋰電池經(jīng)過升壓穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓到5 V給整個(gè)系統(tǒng)供電。

系統(tǒng)上電后，默認(rèn)“自動(dòng)模式”，系統(tǒng)自動(dòng)追尋光照較強(qiáng)的方向。也可以通過按鍵切換為手動(dòng)模式，即手動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)使其上翻、下翻、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

無(wú)論自動(dòng)、手動(dòng)模式，1.44寸TFT彩屏實(shí)時(shí)顯示光敏電阻采集的數(shù)據(jù)，范圍是0～1 000。光敏電阻分為上、下、左、右四個(gè)方位。二路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電機(jī)焊接在一塊，形成兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，即上下翻滾和左右轉(zhuǎn)動(dòng)。其中上端的步進(jìn)電機(jī)焊接在光敏采集板上。主控板和光敏采集板通過連接線連接。

單片機(jī)采集鋰電池電壓并換算容量大小，顯示在彩屏上，如果鋰電池的容量低于45%，出現(xiàn)紅色提示。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)停止動(dòng)作和轉(zhuǎn)動(dòng)過程，拉電流區(qū)別較大，此時(shí)容量會(huì)有波動(dòng)屬于正常現(xiàn)象。如果光照不夠，鋰電池電量不足，可以用充電器通過TP4056模塊充電。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路的核心部分——STM32F103C8T6處理器是一種基于ARM 7架構(gòu)的32位、支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微控制器。這款處理器具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)和自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

STM32F103C8T6處理器的工作電壓為3.3 V，最高運(yùn)行頻率可達(dá)72 MHz。其內(nèi)部集成了豐富的功能，包括12位ADC、DAC、定時(shí)器、串口等，方便開發(fā)者根據(jù)不同需求進(jìn)行配置。此外，該處理器還具有豐富的外設(shè)接口，如SPI、I2C、UART等，便于與其他硬件設(shè)備進(jìn)行通信。

在本設(shè)計(jì)中，STM32F103C8T6處理器負(fù)責(zé)接收外部信號(hào)，處理數(shù)據(jù)并輸出控制信號(hào)。通過配置相應(yīng)的GPIO端口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的各種設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制。同時(shí)，處理器可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過串口或其他通信方式傳輸給上位機(jī)，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，我們還在電路中加入了保護(hù)措施。如在電源輸入端加入過壓、過流保護(hù)，防止外部電源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成損害。在通信接口處，采用了光電隔離技術(shù)，有效防止電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

STM32F103C8T6處理器在本設(shè)計(jì)中起到了核心作用。通過合理配置和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高性能、高可靠性的單片機(jī)控制電路。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

基于SMT單片機(jī)的雙軸太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

在系統(tǒng)中，我們選擇了4相5線的5 V步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為28BYJ-48，其具體參數(shù)如下：直徑為28 mm，電壓為5 V，步進(jìn)角度為5.625×1/64，減速比為1/64。由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，我們選擇了ULN2003來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

ULN2003是一款高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅NPN復(fù)合晶體管組成。每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7 kΩ的基極電阻。在5 V的工作電壓下，它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。

ULN2003具有以下優(yōu)點(diǎn)：工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500 mA；能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50 V的電壓；輸出可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。此外，ULN2003內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。在實(shí)際應(yīng)用中，通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉電阻取2 kΩ較為合適。同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)ULN2003在驅(qū)動(dòng)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)方面具有很好的性能和穩(wěn)定性。

2.3 光照檢測(cè)電路

基于SMT單片機(jī)的雙軸太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的光照檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。

本系統(tǒng)選擇光敏電阻作為檢測(cè)光照的器件，其工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)，即光照強(qiáng)度與電阻值之間的關(guān)聯(lián)。其阻值隨光照強(qiáng)度的增大而迅速降低。當(dāng)光照強(qiáng)度愈強(qiáng)，阻值愈低，亮電阻值可以小至1 kΩ以下。光敏電阻對(duì)光線具有極高的敏感性。在無(wú)光照條件下，光敏電阻呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5 MΩ。這意味著，光敏電阻可以有效地檢測(cè)到光照的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電阻值的改變。

在本設(shè)計(jì)中，我們通過串聯(lián)一個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)光敏電阻的分壓，電路中的電壓按照光敏電阻與串聯(lián)電阻的比例分配。通過測(cè)量串聯(lián)電阻上的電壓，我們可以得到光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。同時(shí)，這種分壓電路也能起到保護(hù)光敏電阻的作用，通過限流電阻和穩(wěn)壓器等元件，可以有效地防止過載和短路等現(xiàn)象對(duì)光敏電阻造成損害。此外，還可以通過監(jiān)控光敏電阻的電阻值變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施。

光敏電阻是一種敏感、可靠的光照檢測(cè)器件。通過合理設(shè)計(jì)電路，我們可以實(shí)現(xiàn)光敏電阻的分壓和保護(hù)，將其應(yīng)用于光照檢測(cè)和控制系統(tǒng)中。隨著光照強(qiáng)度的變化，光敏電阻的電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，為我們提供了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的光照信息。光敏電阻的分壓和保護(hù)設(shè)計(jì)，為光照檢測(cè)領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)支持。

2.4 顯示電路

本設(shè)計(jì)選用一款通用的1.44寸TFTLCD觸摸彩屏模塊，分辨率為128×128；1.44寸彩屏；驅(qū)動(dòng)IC為ST7735；色彩深度為16位（65K色）。這些優(yōu)秀的硬件配置，使得這款模塊在顯示效果上表現(xiàn)出色。其亮度好、對(duì)比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷，可以讓用戶在觀看時(shí)獲得更為舒適的視覺體驗(yàn)。同時(shí)，快速的反射速度也使得這款模塊在實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)畫面時(shí)，表現(xiàn)更為流暢。值得一提的是，這款模塊還具備觸摸功能。通過集成觸摸控制器，用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)手指觸摸操作，方便快捷。

2.5 升壓模塊供電電路設(shè)計(jì)

基于SMT單片機(jī)的雙軸太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的升壓模塊供電電路原理圖如圖4所示。

本設(shè)計(jì)選用了一款性能卓越的DC-DC模塊—XR2682。這款模塊采用貼片SOP-8封裝，具有升壓效率高、功率適中、輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)，特別適用于3.7 V鋰電池升壓至5 V的電壓轉(zhuǎn)換場(chǎng)景，輸入電壓范圍為2.7～5.5 V，可以同時(shí)滿足鋰電池和外接5 V供電。

XR2682模塊的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)94%，這意味著在能量傳輸過程中，僅有極少的部分能量被損耗。此外，這款模塊還具有中等功率，可提供5 V 2.4 A / 6 V 2 A / 9 V 1.3 A的輸出，滿足了大部分電子設(shè)備對(duì)電源的需求。

作為一款同步高效DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，XR2682采用了PWM（脈寬調(diào)制）控制技術(shù)，使得輸出電壓穩(wěn)定，頻率恒定。這種技術(shù)不僅提高了電源的可靠性和穩(wěn)定性，還降低了電磁干擾，使得產(chǎn)品更加符合現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)綠色、環(huán)保的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。主程序包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、判斷電池板接收到的光照是否最強(qiáng)、顯示相關(guān)信息等，主要代碼如圖6所示。

3.1 系統(tǒng)初始化

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，包括硬件設(shè)備、軟件參數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。硬件設(shè)備初始化主要包括電池板、傳感器、顯示器等；軟件參數(shù)初始化主要包括算法參數(shù)、閾值設(shè)定等；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化主要包括內(nèi)存分配、數(shù)據(jù)清空等。系統(tǒng)初始化完成后，各模塊將正常運(yùn)行，為后續(xù)數(shù)據(jù)采集和光照強(qiáng)度判斷提供基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)核心部分，主要包括光照強(qiáng)度傳感器采集和電池板電壓采集。光照強(qiáng)度傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。電池板電壓采集同理，將電池板輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這兩組數(shù)據(jù)將作為后續(xù)判斷光照強(qiáng)度和電壓是否最優(yōu)的依據(jù)。

3.3 光照強(qiáng)度判斷

系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集到的光照強(qiáng)度和電池板電壓與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較。判斷光照強(qiáng)度是否最優(yōu)時(shí)，需綜合考慮電池板電壓、光照強(qiáng)度與歷史最優(yōu)值的關(guān)系。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到或超過歷史最優(yōu)值時(shí)，更新歷史最優(yōu)值，并將相關(guān)信息存儲(chǔ)于內(nèi)存中。判斷電壓是否最優(yōu)同理，比較實(shí)測(cè)電壓與歷史最優(yōu)電壓，若滿足條件，則更新歷史最優(yōu)電壓。

3.4 信息顯示

系統(tǒng)根據(jù)判斷結(jié)果，將最優(yōu)光照強(qiáng)度、電壓等信息通過顯示器展示給用戶。此外，系統(tǒng)還可根據(jù)用戶需求，提供數(shù)據(jù)可視化功能，如曲線圖、柱狀圖等，方便用戶實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

綜上所述，主程序通過系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、光照強(qiáng)度判斷和信息顯示四個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池板光照強(qiáng)度和電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、判斷和優(yōu)化。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。經(jīng)過多次測(cè)試和優(yōu)化，我們對(duì)這款系統(tǒng)越來(lái)越有信心。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其性能，我們決定在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。

在一片開闊的場(chǎng)地，我們將太陽(yáng)能電池板豎立起來(lái)，在陽(yáng)光明媚的白天，太陽(yáng)光線照射在太陽(yáng)能電池板上。此時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)追光功能啟動(dòng)，電機(jī)不斷調(diào)整光伏板方向和角度，使太陽(yáng)光線始終照射在電池板上，以最大限度地吸收太陽(yáng)能。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

當(dāng)夜晚降臨，或是在室內(nèi)，光線變得柔和甚至微弱，系統(tǒng)依然能夠自動(dòng)追光。

經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)地測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)這款系統(tǒng)在各種環(huán)境下都能正常工作。不僅在陽(yáng)光充足的白天，即使在陰天或夜晚，系統(tǒng)也能自動(dòng)調(diào)整最佳角度，保證太陽(yáng)能電池板能夠最大限度地吸收能量。如此，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期要求。

5 結(jié) 論

本文介紹了一種基于STM32的太陽(yáng)能電池板智能追光控制系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度和電池板電壓，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整光伏板方向和角度，以最大限度地吸收太陽(yáng)能。同時(shí)，系統(tǒng)還具備觸摸功能，方便用戶進(jìn)行操作。經(jīng)過實(shí)地測(cè)試，該系統(tǒng)在各種環(huán)境下均能正常工作，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期要求。

未來(lái)，我們將在以下幾個(gè)方向繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)，提高其性能和可靠性：

1）提高光電轉(zhuǎn)換效率。通過選用高性能的太陽(yáng)能電池板和優(yōu)化電池板結(jié)構(gòu)，提高光電轉(zhuǎn)換效率，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)整體性能。

2）增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入的優(yōu)化和調(diào)試，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使其在各種環(huán)境下都能正常工作。

3）擴(kuò)大應(yīng)用范圍。將智能追光控制系統(tǒng)應(yīng)用于更多場(chǎng)景，如家庭、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域，以提高太陽(yáng)能的利用率，降低能源成本。

4）實(shí)現(xiàn)智能化與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。將系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，讓用戶可以隨時(shí)隨地了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整。

5）降低成本。在保證系統(tǒng)性能的前提下，降低系統(tǒng)成本，使其更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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作者簡(jiǎn)介：蘇雙琴（1978—），女，漢族，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)講師，工程碩士，研究方向：電子與通信工程技術(shù)。