武風(fēng)波，張會可

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

?

·信息科學(xué)·

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

武風(fēng)波，張會可

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

為了使太陽光始終垂直太陽能電池板照射,提高太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率，設(shè)計了以STM32F103ZET6為核心,外圍擴(kuò)展光強(qiáng)采集，步進(jìn)電機(jī)，GPS，液晶顯示等的自動跟蹤系統(tǒng)。LCD液晶顯示屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù),太陽光跟蹤采集模塊采用視日運(yùn)動軌跡追蹤與光電檢測兩種方式相互配合，GPS模塊獲取當(dāng)?shù)氐臅r間日期及經(jīng)緯度等信息,據(jù)此測算太陽方位角及高度角,并驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)調(diào)整太陽能板角度。測試表明系統(tǒng)能實現(xiàn)實時跟蹤太陽光,工作穩(wěn)定,靈活性強(qiáng)。

STM32F103ZET6;光敏電阻;太陽能板;自動跟蹤; GPS;視日運(yùn)動

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源危機(jī)、生態(tài)環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重,給經(jīng)濟(jì)社會帶來嚴(yán)重危害,因此必須尋找新的清潔、可再生能源來替代傳統(tǒng)能源。太陽能是一種重要的新型能源,主要來源于太陽輻射[1]，是地球上極其豐富的可再生能源,開發(fā)利用太陽能不會對環(huán)境造成危害,具有廣闊的應(yīng)用開發(fā)前景。但是，當(dāng)前太陽能轉(zhuǎn)化效率低,限制了太陽能的應(yīng)用和推廣。使太陽能板與太陽光保持垂直角度是提高太陽能轉(zhuǎn)化效率的有效途徑[2]。而現(xiàn)狀是太陽能板普遍采用固定朝南的安裝方式,這樣做產(chǎn)生的問題是:太陽能轉(zhuǎn)換效率偏低,不能自適應(yīng)跟蹤。

充分研究現(xiàn)有太陽能裝置的特點(diǎn)[3],為提高太陽能裝置轉(zhuǎn)化效率,使太陽能板跟蹤并保持與太陽光線的垂直角度是十分必要的[4]。本設(shè)計基于STM32F103ZET6[5]單片機(jī)設(shè)計實現(xiàn)太陽能板自動跟蹤系統(tǒng),通過視日運(yùn)動軌跡與光電傳感控制相結(jié)合的方式實現(xiàn)太陽光追蹤[6]。系統(tǒng)具有雙軸跟蹤、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),不僅能有效地解決由于太陽能能流密度低和因季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等各種因素導(dǎo)致系統(tǒng)無法充分利用的問題,而且大大提高了太陽能的利用率[7],可以廣泛應(yīng)用在光伏發(fā)電、太陽能熱水等系統(tǒng)中。

1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分包括太陽光跟蹤[8]采集，步進(jìn)電機(jī)[9]及其驅(qū)動電路，齒輪設(shè)計與安裝，LCD液晶顯示，支撐機(jī)構(gòu)，電源，GPS等模塊。核心芯片采用STM32F103ZET6,它具有功耗低、控制方便、接口豐富、易于擴(kuò)展、成本較低等突出特點(diǎn),系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架Fig.1 System design framework

1.1 太陽光跟蹤采集模塊

太陽光采集模塊采用視日運(yùn)動軌跡與光電傳感控制[10]相結(jié)合的追蹤方式[11]。

1.1.1 視日運(yùn)動軌跡追蹤 通過GPS模塊,獲得實驗當(dāng)?shù)氐臅r間、日期、經(jīng)緯度等信息[12],根據(jù)測得數(shù)據(jù),STM32計算出從日出到日落太陽運(yùn)行的角度,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動的角度,由驅(qū)動電路帶動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動,使太陽光與電池板保持垂直。這種方法不受天氣情況的影響,可實現(xiàn)連續(xù)追蹤,但其缺點(diǎn)是連續(xù)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生累計誤差,不能自動消除。

1.1.2 四象限光敏電阻探測器 光電檢測部分采用4個5528光敏電阻,每兩個光敏電阻一組,根據(jù)光敏電阻的光電效應(yīng),4個光敏電阻通過擋光板分割成東南西北4個位置,當(dāng)太陽光移動時,4個光敏電阻的值就會發(fā)生變化。通過STM32的AD通道采集與光敏電阻串聯(lián)的電阻兩端的電壓,然后對水平方向的兩個電壓值和垂直方向的兩個電壓值分別進(jìn)行比較,進(jìn)而使STM32分別控制水平方向和垂直方向的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動[14]。

由于在陰天及多云天氣情況下,光電檢測部分很難響應(yīng)光線的變化,甚至可能發(fā)生誤操作,所以我們用以上兩種追蹤方式[15]相互補(bǔ)充。

1.2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動電路

結(jié)合太陽光跟蹤采集模塊,STM32首先判斷是哪種追蹤方式,進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動太陽能板的轉(zhuǎn)動,達(dá)到跟蹤太陽的目的。

步進(jìn)電機(jī)有兩個,大號電機(jī)控制水平方向底座轉(zhuǎn)動,小號電機(jī)控制垂直方向電池板轉(zhuǎn)動。驅(qū)動電路選用L298N芯片，L298N的輸入端與核心控制芯片端口相連,輸出端控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動。為了防止電機(jī)由運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)，或者由順時針運(yùn)行突然轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r針運(yùn)行而產(chǎn)生很大的反向電流損壞芯片,所以在L298N的電源與地之間連接8個整流二極管1N4007,從而起到保護(hù)芯片的作用。

1.3 齒輪模塊設(shè)計及安裝

齒輪共兩組,水平方向一個大齒輪一個小齒輪,控制水平方向支架底座的轉(zhuǎn)動;垂直方向半個大齒輪一個小齒輪,帶動垂直方向太陽能板的轉(zhuǎn)動。齒輪制作及安裝的好壞直接影響太陽能電池板轉(zhuǎn)動是否順暢。齒輪安裝如圖2所示。

圖2 齒輪實物安裝Fig.2 Gear physical installation

1.4 LCD液晶屏顯示模塊

本設(shè)計采用的液晶屏自帶ILI9341控制器,分辨率為320*240,3.2寸液晶屏幕,該液晶顯示模塊通過STM32的FSMC接口控制,顯示速度快,便于操作。顯示模塊用來顯示當(dāng)前日期、時間、太陽高度角和方位角及4個光敏電阻分別采集的數(shù)據(jù),實現(xiàn)友好的信息顯示界面。

1.5 支撐機(jī)構(gòu)

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有:支架,水平和垂直方向各一大一小兩個齒輪,主軸,基座,步進(jìn)電機(jī),電池板。水平方向的步進(jìn)電機(jī)通過控制水平方向小齒輪咬合大齒輪帶動支撐架構(gòu)主軸轉(zhuǎn)動,豎直方向的步進(jìn)電機(jī)通過控制豎直方向的小齒輪咬合半個大齒輪帶動太陽能電池板豎直轉(zhuǎn)動。

1.6 電源模塊

太陽能電池板輸出20V左右的電壓,通過降壓穩(wěn)壓電路,利用芯片7805及7812把太陽能電池板隨光強(qiáng)可變的電壓降壓穩(wěn)壓到工作電壓5V及12V,給芯片及步進(jìn)電機(jī)供電。

1.7 GPS模塊

本系統(tǒng)選用野火Ublox NEO-6M GPS 接收機(jī),該機(jī)帶EEPROM,可掉電保持GPS信息,搜星能力強(qiáng)。通過GPS模塊,主要獲得實驗地點(diǎn)的時間、日期、經(jīng)緯度,將其提供給視日運(yùn)動軌跡子程序,進(jìn)而計算出太陽的高度角和方位角信息。

2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主程序主要由以下幾部分構(gòu)成:A/D數(shù)據(jù)采集模塊，GPS模塊，液晶顯示模塊，步進(jìn)電機(jī)模塊,現(xiàn)分別進(jìn)行介紹。

2.1 主程序設(shè)計

主程序流程如圖3所示，系統(tǒng)上電后,首先對各個模塊進(jìn)行初始化操作,然后復(fù)位到起始位置對準(zhǔn)太陽,根據(jù)GPS模塊獲得的當(dāng)前時間判斷是白天還是夜晚,如果是夜晚,則系統(tǒng)休眠不再運(yùn)轉(zhuǎn);如果是白天,則首先進(jìn)入視日運(yùn)動追蹤模式,然后再對天氣情況進(jìn)行判斷,如果是陰天或者多云天氣,繼續(xù)運(yùn)行在視日運(yùn)動模式下,如果天氣晴朗,則切換到光電檢測模式下運(yùn)行。

2.2 光電檢測子程序

當(dāng)進(jìn)入光電檢測追蹤模式時,先對STM32進(jìn)行初始化設(shè)置,然后通過AD接口采集數(shù)據(jù),并判斷水平方向兩個光敏電阻的電壓差是否在閾值內(nèi)。如果不在閾值內(nèi),水平方向的電機(jī)旋轉(zhuǎn),使光敏電阻的電壓差在閾值內(nèi),當(dāng)水平方向的電壓差在閾值內(nèi)時,判斷豎直方向的光敏電阻的電壓差是否在閾值內(nèi),如果不在設(shè)定的閾值內(nèi),控制豎直方向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動,使其電壓差值調(diào)整到閾值內(nèi),如此周期循環(huán),使太陽光始終與太陽能板垂直。程序工作流程如圖4所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart

圖4 光電檢測子程序流程圖Fig.4 Photoelectric detection subroutine flowchart

2.3 GPS 數(shù)據(jù)解析程序

給系統(tǒng)上電,GPS模塊工作,將接收到的信息提供給GPS數(shù)據(jù)解析子程序,獲取實驗地點(diǎn)的時間、日期、經(jīng)緯度等信息,并將其提供給視日運(yùn)行軌跡算法,計算出太陽的高度角和方位角。

2.4 液晶顯示子程序

主程序中調(diào)用液晶顯示子程序,進(jìn)而在液晶屏上顯示。LCD液晶顯示子程序開發(fā),首先要將生成的漢字字庫復(fù)制到SD卡根目錄下,然后STM32通過程序讀取文件獲得字庫的數(shù)據(jù)進(jìn)而完成漢字等字符的顯示。

2.5 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動子程序

步進(jìn)電機(jī)是將電信號(脈沖的一種)轉(zhuǎn)化成為機(jī)械角度位移的機(jī)械元件。光電檢測追蹤模式下,每當(dāng)水平或垂直方向的閾值超過設(shè)定值,驅(qū)動電路便會驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。不停地加入電信號,它就不斷地轉(zhuǎn)動。視日運(yùn)動追蹤模式下,控制芯片計算出太陽每個時刻轉(zhuǎn)過的角度,轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動的角度,進(jìn)而控制驅(qū)動電路帶動電機(jī)轉(zhuǎn)動。

3 性能測試

在實驗室環(huán)境下,檢測以下各個模塊：PCB電路板、電機(jī)、液晶屏、光敏電阻采集、步進(jìn)電機(jī)、齒輪、支架等工作情況。當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒把設(shè)備搬到天臺上接受檢驗。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)確實能跟隨太陽光自動調(diào)整方向,達(dá)到電池板跟太陽光垂直的目的。圖5為測試實物圖。

圖5 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)實物調(diào)試Fig.5 Debugging of solar energy automatic tracking system

各系統(tǒng)正常運(yùn)行,液晶屏上顯示實驗地點(diǎn)的時間、日期、太陽方位角和高度角,將其與網(wǎng)絡(luò)版日梭萬年歷對應(yīng)發(fā)現(xiàn),所有顯示內(nèi)容均在允許的誤差內(nèi),同時觀察液晶屏上東西南北四象限光敏電阻分別采集的數(shù)據(jù),皆在設(shè)定的閾值內(nèi),符合系統(tǒng)對跟蹤精度的要求,LCD顯示內(nèi)容如圖6所示。

圖6 LCD液晶顯示屏顯示內(nèi)容Fig.6 LCD screen display

4 結(jié) 語

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)可使電池板始終跟隨太陽光適時轉(zhuǎn)動,在很大程度上提高了太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率。在傳感器數(shù)據(jù)采集、液晶屏顯示等方面具有較好的實時性與交互性;具有較強(qiáng)的抗干擾性能,保證了太陽能自動跟蹤的準(zhǔn)確性及可靠性。目前,該系統(tǒng)已在學(xué)校實驗樓實際應(yīng)用,經(jīng)長期測試,性能穩(wěn)定,利用率高,具有較高的利用價值和廣闊的市場前景。下一步，系統(tǒng)需實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[16]。太陽能一般安裝在山區(qū)等電力不發(fā)達(dá)、交通不便利的地方,如能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,不僅能節(jié)省大量的人力物力,還為太陽能進(jìn)一步造福人類生活提供可能。

[1] 彭喜英, 趙強(qiáng)松. 基于單片機(jī)ADμC812的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機(jī)械工程與自動化, 2015(1):150-152.

[2] 高磊, 謝玲玲, 卓浩澤，等. 基于步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子元器件應(yīng)用, 2011，13(12):11-16.

[3] 劉瑞歌, 宋鋒, 吳汝坤. 基于AVR的太陽能電池板自動追日系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 制造業(yè)自動化, 2013,35(12):121-123.

[4] 陳國慶, 韋抒, 李捷. 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實踐[J]. 電子世界, 2012(11):116-118.

[5] 尹祿, 陳冰. 基于ARM微處理器的視頻信號模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子測量技術(shù), 2008, 31(7):67-68.

[6] 秦連銘, 王香麗. 基于嵌入式平臺的運(yùn)動跟蹤系統(tǒng)研究與設(shè)計[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2015(8):164-165.

[7] 程龍. 基于ARM嵌入式平臺的陽光檢測與跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計[D].青島：山東科技大學(xué), 2014.

[8] 周密. 基于嵌入式的太陽能雙軸跟蹤系統(tǒng)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué), 2014.

[9] 劉艷霞, 桑兆輝. 基于ARM芯片S3C4510的步進(jìn)電機(jī)加減速控制[J].機(jī)床與液壓, 2007, 35(7):180-181.

[10] 郭培源. 光電檢測技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

[11] 何流. 基于ARM運(yùn)動目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西北大學(xué), 2011.

[12] 胖瑩. 基于STM32的太陽跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].秦皇島：燕山大學(xué), 2012.

[13] 湯世松, 舒志兵. 雙軸伺服太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J]自動化儀表, 2011, 32(2):49-51.

[14] 苗鳳娟, 劉嘉坤, 陶佰睿,等. 太陽光入射角光電檢測裝置[J].電子器件, 2013, 36(1):94-99.

[15] 申濤, 劉建設(shè), 田軍委. 斯特林太陽能發(fā)電陽光跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[J].價值工程, 2012, 31(27):45-47.

[16] 劉彤. 太陽能在建筑節(jié)能技術(shù)中的廣泛應(yīng)用[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2015, 42(3)：52-55.

(編 輯 李 靜)

The design of solar energy automatic tracking system

WU Fengbo, ZHANG Huike

(School of Communication and Information Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054， China)

In order to make the sun vertically irradiate the solar panel, improving the efficiency of solar energy into electricity. This system uses STM32F103ZET6 as the core control chip, system expands the light intensity acquisition, stepper motor, GPS, LCD display etc. LCD screen displays related data, sunlight tracking acquisition module depends on the trajectory tracking following the sun and photoelectric detecting to complement each other. The GPS module is used to obtain the local time, date, latitude and longitude information, according these estimates solar azimuth and elevation angle, then drives the stepper motor to adjust the angle of the solar panels. The test shows that the system can achieve real-time tracking the sun, work stability and flexibility.

STM32F103ZET6; light dependent resistor; solar-cell panel; automatic tracking; GPS; apparent movement

2016-04-12

國家科技支撐計劃基金資助項目(2013BAK06B03)

武風(fēng)波，男，陜西澄城人，高級工程師，從事通信與信息系統(tǒng)方面的研究。

TP872

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-009