STM32单片机太阳能电池板自动跟踪的研究与设计

STM32单片机太阳能电池板自动跟踪的
研究与设计
摘要
如何解决能源危机，缓解环境压力，实现能源的可持续发展，已成为全球能
源研究的热点。

由于其诸多优势，太阳能已逐渐成为一种新型的有潜力的新型能源，但是由于其本身存在的不足，制约了它的推广与推广。

日冕追踪
该控制体系的研制对于我国光伏发电行业的推广和应用以及国家节能降耗等
都有着积极的作用。

本论文是针对STM32的一种新型的太阳能电池板自动追踪装
置进行了研究。

本文对STM32单片机的太阳能电池板的自动追踪控制进行了详细
的论述。

关键词：STM32单片机；太阳能电池板；太阳能自动跟踪系统
引言
能源是人类发展和进步的重要资源，对能源的管理是我国国民经济发展的第
一要务。

当今全球的主要消费是石油、天然气和煤炭等非再生能源，它们的储存
量非常小，而且在使用过程中会产生大量的CO2，对生态环境的危害很大。

目前，我国面临的主要问题是，我国目前面临的主要问题是如何通过新的资源来实现资
源的利用。

1 STM32单片机太阳能自动跟踪系统硬件设计
1.1硬件总体设计方案
根据国内外有关能源管理的经验，本文介绍了一种新型的太阳能自动跟踪控
制器，并根据该系统的特点，实现了一种新型的太阳能自动跟踪控制器。

本发明
既可有效地克服太阳电池的非平稳、间断现象，又可使压缩气体储存装置发热，
从而改善其工作效能与效能，其详细的系统硬件结构见下图1-1。

图 1-1 系统硬件总体框图
该仪器的各个部件，其主要的作用是：1）利用光电感应器来探测太阳的方向，纠正由观测日线轨道追踪而引起的累计偏差，以及对气象的晴好情况的判别；
2.一种对光传感器所产生的弱电流进行采集与加工的信号进行处理，以完成电流
转换和电压的放大；3. RTC即时时钟，用以将目前的日期及时刻资讯供给所述控
制器；4. LCD液晶屏幕显示当地时间、日期和此时的日高角和方向信息；5. GPS
模块的功能是：通过获取地理位置的数据，为观测轨道的计算提供经纬数据；6.
采用STM32F103VET6为控制器，通过输出控制讯号，带动方向角马达及角度马达
旋转，完成对日的追踪。

1.2 STM32简介
STM32是一款采用ARMCortex-M3核心的32位 RISC微控制器，具有强大的
信息处理能力、 IO输入和输出能力，能够连接多个外围设备。

STM32具有高性能、低成本、低功耗等优点，能实现多种功能。

意法半导体（ST）公司（ST）提
供了72 MHz的工作频率，采用单循环硬件相加和除法，内置高速内存（最多512 kbit, SRAM为64 K)，丰富的 I/O端口，连接两条 APB总线的外部设备，3个
12位16通道 ADC、2个12位2通道 DAC、4个普通16位 DAC、2个 PWM高级控
制定时器2个、两个看门狗定时器、2个基本定时器、2个I2C接口、3个 SPI
接口、2个I2C、3个I2c、1个 SDIO、1个 USART、1个 USB、1个 CAN接口。

并且还拥有多个输出接口，以适应不同的场合和不同的设备同时使用。

该系统采
用了串行在线和 JTAG的混合方式，7路 DMA控制，具有睡眠、关机和待机三种节能方式。

1.3光电传感器信号处理电路的设计
本设计的信号处理部分，是针对精密位置检测器QP50-6四通道的四个输出进行处理，并使用两个LF444CN集成的运放。

LF444CN是一种四位放大器，它有14个插头的两排直接插入式塑胶封套，其引脚示意图见图1-2。

此电路的输入阻抗高，功耗低，共模抑制率高，特别适合于弱信号的应用。

图1-2 LF444CN管脚示意图
在图1-3中显示了精确位置的传感器的信号处理线路。

四台运放1 A整合为一块整合的运放，4台2 A整合于一块整合的运放。

四象限的四个正极与四个运放1 A的倒置输入连接，一个共用的阴极连接于 DC供电。

在太阳光下，四象限的光二极体分别生成I1,I2,I3,I4,I4，通过前面的运放A1进行 I/V变换，将其变换为一个比例于点区域和光强的电压信号，再由后一级的运算放大器A2进行同方向的放大，从而获得一个正的信号U1,U2,U3,U4。

四象限光检波器的四个象限分别具有R1=R2=R3=R4=R5、R6==R8=R10=R12、R7=R9=R11=R13。

通过模/数转换电路，所述控制器读出电压信号U1,U2,U3,U4，并且所述电压信号由所述 A/D变换电路进行读出，同时利用
公式计算出太阳在各个不同方向上的角所在位置上的偏移信号xE和yE，从而控制跟踪装置跟踪太阳的相对应各个角。

图1-3精定位传感器信号处理电路
1.4 LCD显示模块的设计
该功能作用主要表现在实时地显示目前的日期、时刻以及相关方向等，从而实现一个友好的人机互动接口。

显示器选用深圳市同丰光华电子有限公司生产的2.4英寸TFT-LCD，也就是 LCD,S95417-AAA,320x240像素，控制器ILI9325，使用STM32 FSMC，显示快速，使用方便。

LCD组件与STM32F103VET6的插针引脚连接图见附图4-6。

图 4-6 LCD显示模块与 STM32的接口连接图
2 STM32单片机太阳能自动跟踪系统软件设计
2.1太阳自动跟踪主程序设计
图2-1显示了太阳能自动追踪的主要流路。

当该装置运行后，该装置应判定该装置在工作状态，如果该状态不存在，该装置将自动终止。

如果在规定的工作状态下，系统就会被启动。

初始性是在一个方向上，太阳的方位是0，也就是与它的高度角度是0的。

其次，通过采集该系统的当前日期、时间信息，并根据该区域的经纬数据，进行该日的日出、日落时间的追踪。

接着，通过强度探测设备来探测光电追踪的光学强度基限，如果满足，则进行光电追踪，否则，持续进行视日线追踪，并储存定位资讯，判定在作业期间，追踪机构从开始位置转入追踪周期。

图2-1 太阳光自动跟踪系统主程序流程
当一次追踪结束后，在下一次追踪之前，会延迟一次。

该方法可以基于季节变化、太阳辐射条件、追踪系统对发电量和追踪准确度的需求，确定延迟时间的区间为0~40分钟。

在下次追踪前，要确定目前的时刻在太阳下山前，若有，就持续追踪周期；相反，从追踪周期中脱离出来，使追踪设备回到原来的地方，追踪系统就会停下来。

2.3光电检测跟踪子程序设计
图2-3显示了光电探测追踪子例程的流程表。

在编程启动后，由精密位置和粗位位置的两个位置分别抽取8个位置的电压，进行追踪控制。

首先，探测粗糙位置传感器的第一和第三象限压差的绝对值和第二象限和四象限压差的绝对
值，如果两者都低于一个临界阈值1，则表示在允许的误差区域中，光传感器的主要光轴线与太阳射线大致相平行；如果在某一条件下，该器件的主要光学轴线不与太阳线相垂直，必须进行光电调整。

然后，判定四个输入电压之和是否超过2个阀值，如果超过，就表示有一个小点掉在了感光面上，可以进行精确的调整；如果小于，就代表着没有接触到感光表面，不能精确地确定位置，所以必须进行粗略的调节，然后再重复以上的步骤。

当精密位置传感器工作后，在不进行光电调整的情况下，对在方位方向上的位移量和在高度角度上的偏差量的大小进行判定，如果低于临界点3，则表示在允许的误差区域中，光电探测器的主要光轴线大致与太阳光平行；如果超过，就必须进行精密调整，直至偏差在允许的范围之内，马达停止转动，追踪完成。

图2-3 光电检测跟踪子程序流程图
3 STM32单片机太阳能自动跟踪系统的实现
首先将靶盘与主机相连，然后将已编译好的软件放入目标盘 Flash中，各个部件都能正常工作，液晶显示屏则可以实时地展示出目前的日期、时刻、太阳的高度和方向。

这样，就可以使靶板控制器从 PC中分离出来，进行单独的追踪控制。

在图表3-1中给出了各个部件的硬件链接和软件的安装，以及 LCD的详细的展示。

为方便阅读，将经算出的日面坐标向量加上90度后，将其投影在液晶屏幕上。

图3-1 硬件连接与程序下载
采用两组具有同样的参量的光电电池，一组为南边，调整到最优角度，另外一组则与已有的自动追踪装置配合，以测量两组光电板的取样光强。

在数日的持续试验中，选择一个具有代表性的表格，并画出图表，见图2-2：
图2-2自动跟踪式与同定安装式采样光强功率比较曲线
如从2-2可见，太阳能光电板能谱的动态变化周期是从太阳升起到10点，以及从下午三点到黄昏。

结论
当前大部分的电池组都是使用与太阳能热水器相似的产品，其优点是不能完全地利用太阳能，从而制约了其在实际中的广泛使用。

因此，利用STM32芯片设计了一个简单的太阳能面板角控制装置，该装置可以调整面板的倾角，以保证面板与阳光的方向在一个特定的范围之内。

期望该设备能够有效地减少系统造价，改善并排阵列的功率利用率，从而促进光伏技术的进一步发展。

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