摘 要：為提高太陽能發(fā)電效率，文章設(shè)計了一種基于SMT單片機的雙軸太陽能智能追光系統(tǒng)。系統(tǒng)通過光敏器件采用雙軸跟蹤方式根據(jù)太陽光照強度實時調(diào)整光伏電池板的方向，使光伏板接收太陽輻射的效率最高。系統(tǒng)實時采集光照強度參數(shù)并顯示，由單片機控制電機“智慧”追蹤太陽，亦可通過按鍵切換為手動模式控制步進電機四向翻轉(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：太陽能；SMT單片機；步進電機；雙軸追光

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：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

太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無須運輸，對環(huán)境無任何污染[1-4]。因為四季的變換，太陽的直射角度是有周期性的變化的。固定的太陽能電池板，在不同的時間，太陽能電池板單位面積是的接收效率是不均勻的，導(dǎo)致太陽能的利用效率降低[5-7]。為了保障光伏發(fā)電效率提出一種基于單片機的雙軸太陽能智能追光系統(tǒng)設(shè)計[8-10]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于SMT單片機的雙軸太陽能智能追光系統(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給整個系統(tǒng)供電。

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

無論自動、手動模式，1.44寸TFT彩屏實時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、右四個方位。二路步進電機驅(qū)動電路，步進電機焊接在一塊，形成兩個自由度的轉(zhuǎn)動，即上下翻滾和左右轉(zhuǎn)動。其中上端的步進電機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。兩個步進電機停止動作和轉(zhuǎn)動過程，拉電流區(qū)別較大，此時容量會有波動屬于正?，F(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

2.1 單片機控制電路

單片機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、支持實時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，被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)和自動化控制領(lǐng)域。

STM32F103C8T6處理器的工作電壓為3.3 V，最高運行頻率可達72 MHz。其內(nèi)部集成了豐富的功能，包括12位ADC、DAC、定時器、串口等，方便開發(fā)者根據(jù)不同需求進行配置。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)備進行通信。

在本設(shè)計中，STM32F103C8T6處理器負責接收外部信號，處理數(shù)據(jù)并輸出控制信號。通過配置相應(yīng)的GPIO端口，可以實現(xiàn)對實驗系統(tǒng)中的各種設(shè)備進行開關(guān)控制。同時，處理器可以將實驗數(shù)據(jù)通過串口或其他通信方式傳輸給上位機，便于實時監(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措施。如在電源輸入端加入過壓、過流保護，防止外部電源波動對系統(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系統(tǒng)的影響。

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

2.2 步進電機驅(qū)動電路

基于SMT單片機的雙軸太陽能智能追光系統(tǒng)的步進電機驅(qū)動電路原理圖如圖2所示。

在系統(tǒng)中，我們選擇了4相5線的5 V步進電機，型號為28BYJ-48，其具體參數(shù)如下：直徑為28 mm，電壓為5 V，步進角度為5.625×1/64，減速比為1/64。由于單片機的驅(qū)動能力有限，我們選擇了ULN2003來驅(qū)動步進電機。

ULN2003是一款高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個硅NPN復(fù)合晶體管組成。每一對達林頓都串聯(lián)一個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準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。

ULN2003具有以下優(yōu)點：工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500 mA；能夠在關(guān)態(tài)時承受50 V的電壓；輸出可以在高負載電流并行運行。此外，ULN2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。在實際應(yīng)用中，通常單片機驅(qū)動ULN2003時，上拉電阻取2 kΩ較為合適。同時，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28BYJ-48步進電機方面具有很好的性能和穩(wěn)定性。

2.3 光照檢測電路

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

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

在本設(shè)計中，我們通過串聯(lián)一個電阻實現(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。通過測量串聯(lián)電阻上的電壓，我們可以得到光照強度對應(yīng)的電壓信號。同時，這種分壓電路也能起到保護光敏電阻的作用，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、可靠的光照檢測器件。通過合理設(shè)計電路，我們可以實現(xiàn)光敏電阻的分壓和保護，將其應(yīng)用于光照檢測和控制系統(tǒng)中。隨著光照強度的變化，光敏電阻的電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，為我們提供了準確、實時的光照信息。光敏電阻的分壓和保護設(shè)計，為光照檢測領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)支持。

2.4 顯示電路

本設(shè)計選用一款通用的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、對比度高、層次感強、顏色鮮艷，可以讓用戶在觀看時獲得更為舒適的視覺體驗。同時，快速的反射速度也使得這款模塊在實時顯示動態(tài)畫面時，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

基于SMT單片機的雙軸太陽能智能追光系統(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，特別適用于3.7 V鋰電池升壓至5 V的電壓轉(zhuǎn)換場景，輸入電壓范圍為2.7～5.5 V，可以同時滿足鋰電池和外接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)備對綠色、環(huán)保的要求。

3 軟件設(shè)計

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、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)啟動時，對各個模塊進行初始化，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，各模塊將正常運行，為后續(xù)數(shù)據(jù)采集和光照強度判斷提供基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)核心部分，主要包括光照強度傳感器采集和電池板電壓采集。光照強度傳感器負責實時監(jiān)測環(huán)境光照強度，將其轉(zhuǎn)換為電信號后，通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。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。這兩組數(shù)據(jù)將作為后續(xù)判斷光照強度和電壓是否最優(yōu)的依據(jù)。

3.3 光照強度判斷

系統(tǒng)將實時采集到的光照強度和電池板電壓與預(yù)設(shè)閾值進行比較。判斷光照強度是否最優(yōu)時，需綜合考慮電池板電壓、光照強度與歷史最優(yōu)值的關(guān)系。當光照強度達到或超過歷史最優(yōu)值時，更新歷史最優(yōu)值，并將相關(guān)信息存儲于內(nèi)存中。判斷電壓是否最優(yōu)同理，比較實測電壓與歷史最優(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，方便用戶實時了解系統(tǒng)運行狀況。

綜上所述，主程序通過系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、光照強度判斷和信息顯示四個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了對電池板光照強度和電壓的實時監(jiān)測、判斷和優(yōu)化。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)實物如圖7所示。經(jīng)過多次測試和優(yōu)化，我們對這款系統(tǒng)越來越有信心。為了進一步驗證其性能，我們決定在實際環(huán)境中進行實地測試。

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

圖7 系統(tǒng)實物圖

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

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

5 結(jié) 論

本文介紹了一種基于STM32的太陽能電池板智能追光控制系統(tǒng)。通過實時監(jiān)測環(huán)境光照強度和電池板電壓，系統(tǒng)能夠自動調(diào)整光伏板方向和角度，以最大限度地吸收太陽能。同時，系統(tǒng)還具備觸摸功能，方便用戶進行操作。經(jīng)過實地測試，該系統(tǒng)在各種環(huán)境下均能正常工作，基本實現(xiàn)了預(yù)期要求。

未來，我們將在以下幾個方向繼續(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，從而進一步提高系統(tǒng)整體性能。

2）增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。對系統(tǒng)進行深入的優(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）擴大應(yīng)用范圍。將智能追光控制系統(tǒng)應(yīng)用于更多場景，如家庭、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域，以提高太陽能的利用率，降低能源成本。

4）實現(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，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制，讓用戶可以隨時隨地了解系統(tǒng)運行狀況，并根據(jù)需求進行調(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，使其更具市場競爭力。

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