基于STM32的太陽能電池板監測系統設計

摘 要：常規能源的不可再生性迫使人們加快替代能源的開發研究，太陽能電池板的利用更是漸入大眾的視野和社會的各個領域。本文介紹一種以STM32F103ZET6芯片為核心的太陽能電池板監測設計方案。該芯片內置32位CortexTM-M3 CPU，最高工作頻率達72MHz，超低功耗，其性能遠超8位51單片機，以其替代51單片機，使得電路設計更容易，軟件設計更簡潔，性價比更高，具有一定的實用和推廣價值。

關鍵詞：太陽能；電池板；STM32F103ZET6；DS18B20

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

充足的能源儲備已是一個國家飛速與穩定健康發展的重要保障，常規能源的不可再生性迫使人們加快替代能源的開發研究，而我國地理優勢顯著，具有豐富的太陽能資源，但由于照射角度、照射時間以及照射強度等眾多客觀因素的存在，我國的太陽光利用率不高，本文以太陽能電池板領域為例，以優化利用、提高光電轉化率為目的對太陽能電池板的監測手段提出新的監測方案：基于STM32F103ZET6芯片的太陽能電池板監測系統的設計方案。結合多傳感器融合技術，取代以往過時的以51單片機為核心的設計方案，讓設計更容易，電路更簡單，運行更可靠，成本更低，并具有一定的實用價值和推廣價值。

1.系統及硬件設計

1.1 系統結構及工作原理

本系統主要包括以下幾個單元：傳感器單元、STM32主控單元、數據傳輸單元、上位機單元，如圖1所示。系統運行后，STM32主控單元首先對傳感器初始化設置，并掃描前置傳感器所獲取到的參數信號，然后STM32主控單元再將數據處理后通過RS485上傳給上位機，上位機實時顯示下位機上傳來的數據，并通過上位機程序設定相應的閾值，超標后會進行相應的報警。同時主控單元會根據數據分析對太陽能電池板進行兩軸追光調整，上位機也對下位機所監測的數據進行統計分析，并可以通過上位機程序上的按鈕來調節太陽能電池板的傾角，使得太陽能電池板處于最佳的采角度。

1.2 主控單元

本系統選用了STM32F103ZET6芯片。STM32F103ZET6是增強型32位ARM處理芯片，內置32位CortexTM-M3 內核，超低功耗，是新一代的嵌入式處理器，內置512KB的Flash存儲器，內部SRAM為64KB，CPU可以以0等待周期讀寫。配合72MHz的時鐘，使得主控單元的程序運行更快，處理能力更強，綜合性能遠超8位的51單片機。

1.3傳感器單元

本系統選用了DALLAS的DS18B20數字式溫度傳感器。數字式傳感器操作起來更容易。用戶可以用編程的方式調節DS18B20的精度，其支持單總線協議，每一枚DS18B20都內置了唯一的64位識別碼，當需要同時多點測溫時，只需把眾多的DS18B20都接到一個接口上就可以。對于光強的采集，也選用了數字式傳感器，精度為16位，型號為BH1750FVI，這個傳感器在具有數字式的好處外，這種傳感器還支持I2C總線協議。

本系統中還利用傾角傳感器來監測太陽能電池板的傾斜角度和光敏傳感器一起為兩軸追光系統提供技術數據。追光功能單元中最重要的就是4個光敏傳感器，分別為PR1、PR2、PR3、PR4，用于對識別太陽光的位置，監測裝置上4個光敏傳感器放置示意如圖2所示，PR1和PR2在東西方向上，識別太陽日起日落的軌跡，PR3和PR4在南北方向上，識別太陽四季更替的軌跡，4個傳感器中間用一定高度的隔板隔開。當陽光直射監測裝置時，4個光敏傳感器受到的光照強度是一樣的，因此被主控單元采集到的4個光敏傳感器的電壓值也是相同的，當太陽不直射監測裝置時，PR1和PR2光敏傳感器，以及PR3和PR4光敏傳感器所獲得光照會有所不同。這樣分別對東西、南北兩組傳感器比較，就可以感知最佳的太陽光位置。

1.4數據傳輸單元

常見的數據傳輸有RS-232和RS-485通信方式，RS-232協議是采用不平衡傳輸方式，傳輸速率相對較低，最大速率才只有200kbps，而且傳輸距離十分有限，而RS485協議則采用平衡傳輸，即差分傳輸方式，最大速率可達10Mbps，傳輸距離可以達到上千米，在本系統中，考慮到現場環境以及后續的擴展升級，采用了RS-485的通信方式，并選用性能相對比較優越的MAX485通信芯片，實現STM32F102ZET6芯片與PC機的數據通信。

2.軟件設計

系統上電之后，STM32F103ZET6芯片中的主程序會對相關的引腳端口和傳感器進行初始操作，然后等待上位機虛擬軟件發出采集的指令，當主控芯片接收到采集指令，并會對每個傳感器進行循環掃描采集，并將各路的采集值以數字量的格式上傳給上位機的虛擬儀器，同時主控芯片會對相關數據進行分析運算，如發現太陽能電池板偏離最佳光照位置，主控芯片會給兩軸追光云臺發出指令，讓其糾正到最佳位置，上位機的虛擬儀器會顯示相關數值，也會對相關數據進行分析運算，如果某些值超標，會報警，在兩軸追蹤云臺不能自動追蹤到合適位置時，也可以通過上位機給主控芯片發出調整指令，從而達到最佳調整效果。

結論

本文介紹了基于STM32的太陽能電池板監測系統的設計方案，并進行了模擬測試，能有效監測相關參數，并驅動太陽能電池板轉動到最佳角度。在達到以往以51單片機為主的控制效果基礎上，速度更快，完全可以替代以往51單片機的監測方案，而且電路更加簡潔，成本更低，性價比更高，具有一定實用價值與參考價值。

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