摘 要：常規(guī)能源的不可再生性迫使人們加快替代能源的開(kāi)發(fā)研究，太陽(yáng)能電池板的利用更是漸入大眾的視野和社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹一種以STM32F103ZET6芯片為核心的太陽(yáng)能電池板監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案。該芯片內(nèi)置32位CortexTM-M3 CPU，最高工作頻率達(dá)72MHz，超低功耗，其性能遠(yuǎn)超8位51單片機(jī)，以其替代51單片機(jī)，使得電路設(shè)計(jì)更容易，軟件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔，性價(jià)比更高，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；電池板；STM32F103ZET6；DS18B20

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

充足的能源儲(chǔ)備已是一個(gè)國(guó)家飛速與穩(wěn)定健康發(fā)展的重要保障，常規(guī)能源的不可再生性迫使人們加快替代能源的開(kāi)發(fā)研究，而我國(guó)地理優(yōu)勢(shì)顯著，具有豐富的太陽(yáng)能資源，但由于照射角度、照射時(shí)間以及照射強(qiáng)度等眾多客觀因素的存在，我國(guó)的太陽(yáng)光利用率不高，本文以太陽(yáng)能電池板領(lǐng)域?yàn)槔?，以?yōu)化利用、提高光電轉(zhuǎn)化率為目的對(duì)太陽(yáng)能電池板的監(jiān)測(cè)手段提出新的監(jiān)測(cè)方案：基于STM32F103ZET6芯片的太陽(yáng)能電池板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合多傳感器融合技術(shù)，取代以往過(guò)時(shí)的以51單片機(jī)為核心的設(shè)計(jì)方案，讓設(shè)計(jì)更容易，電路更簡(jiǎn)單，運(yùn)行更可靠，成本更低，并具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

1.系統(tǒng)及硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)單元：傳感器單元、STM32主控單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、上位機(jī)單元，如圖1所示。系統(tǒng)運(yùn)行后，STM32主控單元首先對(duì)傳感器初始化設(shè)置，并掃描前置傳感器所獲取到的參數(shù)信號(hào)，然后STM32主控單元再將數(shù)據(jù)處理后通過(guò)RS485上傳給上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示下位機(jī)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)上位機(jī)程序設(shè)定相應(yīng)的閾值，超標(biāo)后會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。同時(shí)主控單元會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)分析對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行兩軸追光調(diào)整，上位機(jī)也對(duì)下位機(jī)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并可以通過(guò)上位機(jī)程序上的按鈕來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的傾角，使得太陽(yáng)能電池板處于最佳的采角度。

1.2 主控單元

本系統(tǒng)選用了STM32F103ZET6芯片。STM32F103ZET6是增強(qiáng)型32位ARM處理芯片，內(nèi)置32位CortexTM-M3 內(nèi)核，超低功耗，是新一代的嵌入式處理器，內(nèi)置512KB的Flash存儲(chǔ)器，內(nèi)部SRAM為64KB，CPU可以以0等待周期讀寫(xiě)。配合72MHz的時(shí)鐘，使得主控單元的程序運(yùn)行更快，處理能力更強(qiáng)，綜合性能遠(yuǎn)超8位的51單片機(jī)。

1.3傳感器單元

本系統(tǒng)選用了DALLAS的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。數(shù)字式傳感器操作起來(lái)更容易。用戶可以用編程的方式調(diào)節(jié)DS18B20的精度，其支持單總線協(xié)議，每一枚DS18B20都內(nèi)置了唯一的64位識(shí)別碼，當(dāng)需要同時(shí)多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，只需把眾多的DS18B20都接到一個(gè)接口上就可以。對(duì)于光強(qiáng)的采集，也選用了數(shù)字式傳感器，精度為16位，型號(hào)為BH1750FVI，這個(gè)傳感器在具有數(shù)字式的好處外，這種傳感器還支持I2C總線協(xié)議。

本系統(tǒng)中還利用傾角傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池板的傾斜角度和光敏傳感器一起為兩軸追光系統(tǒng)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。追光功能單元中最重要的就是4個(gè)光敏傳感器，分別為PR1、PR2、PR3、PR4，用于對(duì)識(shí)別太陽(yáng)光的位置，監(jiān)測(cè)裝置上4個(gè)光敏傳感器放置示意如圖2所示，PR1和PR2在東西方向上，識(shí)別太陽(yáng)日起日落的軌跡，PR3和PR4在南北方向上，識(shí)別太陽(yáng)四季更替的軌跡，4個(gè)傳感器中間用一定高度的隔板隔開(kāi)。當(dāng)陽(yáng)光直射監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，4個(gè)光敏傳感器受到的光照強(qiáng)度是一樣的，因此被主控單元采集到的4個(gè)光敏傳感器的電壓值也是相同的，當(dāng)太陽(yáng)不直射監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，PR1和PR2光敏傳感器，以及PR3和PR4光敏傳感器所獲得光照會(huì)有所不同。這樣分別對(duì)東西、南北兩組傳感器比較，就可以感知最佳的太陽(yáng)光位置。

1.4數(shù)據(jù)傳輸單元

常見(jiàn)的數(shù)據(jù)傳輸有RS-232和RS-485通信方式，RS-232協(xié)議是采用不平衡傳輸方式，傳輸速率相對(duì)較低，最大速率才只有200kbps，而且傳輸距離十分有限，而RS485協(xié)議則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式，最大速率可達(dá)10Mbps，傳輸距離可以達(dá)到上千米，在本系統(tǒng)中，考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及后續(xù)的擴(kuò)展升級(jí)，采用了RS-485的通信方式，并選用性能相對(duì)比較優(yōu)越的MAX485通信芯片，實(shí)現(xiàn)STM32F102ZET6芯片與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

2.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電之后，STM32F103ZET6芯片中的主程序會(huì)對(duì)相關(guān)的引腳端口和傳感器進(jìn)行初始操作，然后等待上位機(jī)虛擬軟件發(fā)出采集的指令，當(dāng)主控芯片接收到采集指令，并會(huì)對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行循環(huán)掃描采集，并將各路的采集值以數(shù)字量的格式上傳給上位機(jī)的虛擬儀器，同時(shí)主控芯片會(huì)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，如發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板偏離最佳光照位置，主控芯片會(huì)給兩軸追光云臺(tái)發(fā)出指令，讓其糾正到最佳位置，上位機(jī)的虛擬儀器會(huì)顯示相關(guān)數(shù)值，也會(huì)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，如果某些值超標(biāo)，會(huì)報(bào)警，在兩軸追蹤云臺(tái)不能自動(dòng)追蹤到合適位置時(shí)，也可以通過(guò)上位機(jī)給主控芯片發(fā)出調(diào)整指令，從而達(dá)到最佳調(diào)整效果。

結(jié)論

本文介紹了基于STM32的太陽(yáng)能電池板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了模擬測(cè)試，能有效監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)，并驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)到最佳角度。在達(dá)到以往以51單片機(jī)為主的控制效果基礎(chǔ)上，速度更快，完全可以替代以往51單片機(jī)的監(jiān)測(cè)方案，而且電路更加簡(jiǎn)潔，成本更低，性價(jià)比更高，具有一定實(shí)用價(jià)值與參考價(jià)值。

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