太陽能光伏檢測跟蹤與自動灌溉實驗裝置

黎會鵬 畢博倫 劉保懷

摘要： 為了提高太陽能光照能源的收集效率和水資源的利用率，本設(shè)計提出了一種太陽能光伏檢測與自動灌溉實驗裝置。設(shè)計由STM32F103控制器為核心，由光照檢測電路、電機(jī)驅(qū)動電路、姿態(tài)傳感器電路、濕度檢測電路和調(diào)速電路組成。通過檢測光照方向，驅(qū)動電機(jī)調(diào)整太陽能晶體板方向，達(dá)到光照跟蹤的目的。定時檢測土壤濕度和環(huán)境溫度，通過PWM調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，控制灌溉量。測試表明，該系統(tǒng)有較強(qiáng)的實用價值。

關(guān)鍵詞：STM32;光照跟蹤;濕度;灌溉;調(diào)速

中圖分類號： TP934? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0222-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 前言

近年來，隨著氣候變化、環(huán)境污染和淡水資源的大量工業(yè)用途，可利用的淡水資源日益減少，全國各地水資源的日趨緊張[1]。對此，國內(nèi)一直都在積極探索解決灌溉所用水資源短缺的問題，如近期水稻專家袁隆平提出的發(fā)展海水稻的就是為了應(yīng)對我國淡水資源匱乏。太陽能是一種可再生的清潔能源[2]，不會像化石燃料在轉(zhuǎn)化成能量過程中，造成環(huán)境的破壞，國內(nèi)已經(jīng)有大量太陽能成功利用的實用案例，但是存在能量收集率不高的問題。對于目前而言，提高太陽能利用率，節(jié)約灌溉用水就是一條行之有效的應(yīng)對措施[3-4]，太陽能自動灌溉系統(tǒng)便是為了應(yīng)對節(jié)約能源，節(jié)約用水而發(fā)展起來的。本文研究的太陽能光伏檢測跟蹤和自動灌溉裝置，是通過高效收集太陽能源，同時對土壤的濕度進(jìn)行實時監(jiān)測，然后根據(jù)設(shè)定參數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計為一款以太陽能光照為能源的自動灌溉系統(tǒng)，太陽能光伏板為系統(tǒng)的能源輸入，將光能轉(zhuǎn)換成太陽能，在蓄電池中進(jìn)行存儲。為了提高光源利用效率，設(shè)計采用光敏器件檢測陽光的偏轉(zhuǎn)方向，由控制器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整太陽能光伏板位置，使入射光線與光伏板平面垂直，增強(qiáng)系統(tǒng)對太陽能的采集效率。為了自動對土壤進(jìn)行灌溉，設(shè)計通過濕度和溫度傳感器檢測環(huán)境信息[5]，控制器經(jīng)過判斷處理，根據(jù)設(shè)置參數(shù)，完成對土壤的灌溉。系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示。

本系統(tǒng)按照功能可分為太陽能光照跟蹤采集和土壤灌溉兩部分，由溫濕度檢測電路、姿態(tài)傳感器電路、光照檢測電路、控制器電路、調(diào)速電路、電機(jī)驅(qū)動電路和電源電路組成。控制器選用STM32微處理器，提供信息采集和判斷處理功能。電源電路將電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，提供給各模塊電路使用。

2.1 控制器介紹

控制器選用ST公司的STM32F103RET6微處理器[6]，作為系統(tǒng)控制核心，STM32控制器為跟蹤系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)最主要組成部分。在光照跟蹤過程中，控制器完成與外圍光照檢測傳感器和太陽能面板姿態(tài)傳感器之間的數(shù)據(jù)采集工作。通過分析計算太陽位置，驅(qū)動電機(jī)帶動太陽能面板支架，調(diào)整面板姿態(tài)。灌溉過程中，根據(jù)溫度和濕度變化，調(diào)整灌溉水量[7-8]。控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 姿態(tài)傳感器

本設(shè)計中，需要測量太陽能晶體板的姿態(tài)角度，因此選用MPU92509軸姿態(tài)傳感器。MPU9250內(nèi)部集成電子羅盤、加速表和MEMS陀螺儀，可以同時對三個軸的加速度、磁場強(qiáng)度、角速度參數(shù)進(jìn)行測量，具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。

MPU9250芯片與控制器之間采用IIC總線進(jìn)行通信，本設(shè)計中通信速率為100k Hz/s。設(shè)置的加速度范圍最大為±8g，角速度測量范圍最高為±250rad/s，工作電壓為3.3V，MPU9250工作電路如圖3所示。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

為了實現(xiàn)太陽光照的跟蹤功能，本設(shè)計使用步進(jìn)電機(jī)28BYJ48來調(diào)節(jié)太陽能晶體板支架的方位。28BYJ48為4相工作步進(jìn)電機(jī)，工作時控制器無法直接驅(qū)動，需要外接驅(qū)動器。本設(shè)計采用ULN2003A芯片進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)工作在4相8拍方式，工作電壓為5V，驅(qū)動器ULN2003A的外圍工作電路圖如圖4所示。

2.4 濕度檢測

濕度檢測電路如圖5所示，R為濕度傳感器，輸出為電阻變化，LM393為比較器，通過VR1電位器可以手動調(diào)節(jié)土壤濕度控制閾值，控制DO端口輸出狀態(tài)。AO端口為模擬量輸出，通過控制器的AD輸入采集，可以獲取土壤濕度的變化狀態(tài)，工作電路圖如圖5所示。

2.5 調(diào)速電路

本設(shè)計為了實現(xiàn)灌溉功能，采用直流微型潛水泵對土壤進(jìn)行灌溉，水泵工作電壓為12V。為了調(diào)節(jié)灌溉水量和流量，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，需要對水泵流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)速采用PWM方式，通過控制場效應(yīng)管開關(guān)來完成，調(diào)速電路如圖6所示。

2.6 電源電路

因系統(tǒng)各電路工作電壓不同，需要電源電路完成電壓轉(zhuǎn)換功能。本設(shè)計將12V電壓轉(zhuǎn)化成5V和3.3V，提供給控制器和各傳感檢測電路使用。

3軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)開發(fā)采用Keil5開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)開始啟動，通過光照檢測陽光方向，調(diào)整傳動機(jī)構(gòu)，使太陽能晶體板平面與太陽入射光線垂直，提高系統(tǒng)效率。同時，通過土壤濕度傳感器對土壤的濕度和環(huán)境溫度進(jìn)行采集，由控制器控制水泵進(jìn)行灌溉。

3.1 光照跟蹤流程

通過光照檢測電路搜索光照的方向，進(jìn)行相應(yīng)的操作，控制流程圖如圖7所示。

3.2 灌溉流程

系統(tǒng)將采集的溫濕度數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定值作對比，若測量的數(shù)值小于系統(tǒng)參數(shù)的15%，則系統(tǒng)啟動水泵實施灌溉，根據(jù)差值動態(tài)調(diào)整水泵的流量。當(dāng)土壤濕度傳感器測量的數(shù)值大于設(shè)置值的15%時，則控制器發(fā)出指令，水泵停止灌溉。然后返回定時，當(dāng)定時的時間到后，則土壤濕度傳感器重新測量土壤濕度，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)自動灌溉功能，灌溉流程圖如圖8所示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過光照自動跟蹤，提高了能量的收集能力。通過環(huán)境溫度和土壤濕度檢測，綜合判斷灌溉水量，起到了對水資源合理有效利用的目的。本實驗裝置主要針對小型灌溉系統(tǒng)，是對智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計的一種有效探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盛會，郭輝，張學(xué)軍，等.淺談智能灌溉技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2016（1）：23-27.

[2] 高峰，孫成權(quán)，劉全根.太陽能開發(fā)利用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].世界科技研究與發(fā)展，2001，23（4）：35-39.

[3] 劉俊巖，張海輝，胡瑾，等.基于ZigBee的溫室自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（1）：111-114，118.

[4] 吳世海.立柱式雙軸全自動太陽能光伏跟蹤控制系統(tǒng)的研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2017.

[5] 陸建章，楊天宇，馬小斌，等.基于單片機(jī)的雙軸太陽光追蹤器設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（2）：27-28.

[6] 張玉燕， 劉勇， 溫銀堂，等. 基于STM32的太陽自動追蹤系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程， 2016，24（10）：415-420.

[7] 曹靖，宋嬌紅，王冰.農(nóng)業(yè)水肥一體化智能灌溉控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].中國農(nóng)業(yè)信息，2019（6）：116-122.

[8] 王應(yīng)海.土壤含水量（土壤濕度）數(shù)據(jù)在智能灌溉決策系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].節(jié)水灌溉，2017（4）：99-100，105.

【通聯(lián)編輯：唐一東】