基于STM32的太陽能電池板智能追光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李攀，張宏詩，廖德燁，喻景濤，溫玉文，許岳兵（通信作者）,2

（1.衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖南衡陽，421002；2.智能信息處理與應(yīng)用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南衡陽，421002）

0 引言

太陽能是一種清潔、高效并且永不衰竭的新能源，應(yīng)用前景十分廣闊。然而，太陽能迄今為止仍未得到大規(guī)模的應(yīng)用，其中主要的原因是太陽能的光轉(zhuǎn)換效率較低，太陽能電池材料的制作成本較高，導(dǎo)致太陽能的發(fā)電成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石油、煤炭等常規(guī)能源。因此，開發(fā)轉(zhuǎn)換效率高、成本低的新材料，以及提高太陽能發(fā)電效率是目前推廣太陽能發(fā)電的主要手段，而提高太陽能發(fā)電效率的方法之一就是進(jìn)行高效的太陽光追蹤。2016 年，我國頒布的《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》中明確提出“加快太陽能等清潔能源和新能源技術(shù)開發(fā)、裝備研制及大規(guī)模應(yīng)用。”因此，本文旨在設(shè)計(jì)一款太陽能電池板追光控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地跟蹤太陽方位，使太陽能電池板以最佳入射角接受最大光強(qiáng)的太陽光照射，提高太陽能的利用效率。系統(tǒng)能自動識別氣象狀況，智能的切換跟蹤模式。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于STM32的太陽能電池板智能追光控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由單片機(jī)控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、傳感器檢測電路、顯示電路和Wi-Fi模塊構(gòu)成。其中傳感器檢測電路包括光電傳感器、光強(qiáng)度傳感器、風(fēng)速傳感器和溫濕度傳感器等。系統(tǒng)通過光電傳感器獲取太陽能光伏板四個(gè)方位光照信息，經(jīng)過濾波、放大等預(yù)處理后，輸入至單片機(jī)控制電路，利用模糊PID算法對光照強(qiáng)度的變化進(jìn)行計(jì)算，輸出信號控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整電池板的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追光。系統(tǒng)還可以通過溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等采集環(huán)境參數(shù)，從而判斷天氣情況，在陰天等光強(qiáng)度達(dá)不到閾值或大風(fēng)大雨等極端天氣情況下，系統(tǒng)自動停止追蹤。同時(shí)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸出至顯示電路，通過Wi-Fi模塊與客戶端手機(jī)進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路主要采用STM32F103C8T6。該單片機(jī)是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，程序存儲器容量為64KB，最大工作速率可達(dá)到72M，片內(nèi)具有定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口、PWM等豐富的資源，且自帶12位高精度AD轉(zhuǎn)換器，完全能夠達(dá)到系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精度要求。

■2.2 傳感器檢測電路

傳感器檢測電路包括光電傳感器、光強(qiáng)度傳感器、風(fēng)速傳感器和溫濕度傳感器電路。其中光電傳感器采用光電池和AD620儀表運(yùn)算放大器構(gòu)成，電路如圖2所示。光電池的輸出信號較小，經(jīng)過AD620構(gòu)成的放大電路后，輸入至單片機(jī)的AD采集通道。

圖2 光電傳感器電路

光強(qiáng)度傳感器電路如圖3所示。圖中，光敏電阻在受到太陽光照射時(shí)，根據(jù)所受光的照度使其電阻值會發(fā)生變化，通過處理后輸入至單片機(jī)，由此判別當(dāng)前環(huán)境下的光強(qiáng)度值。

圖3 光強(qiáng)度傳感器電路

系統(tǒng)選用脈沖型風(fēng)速傳感器測量環(huán)境風(fēng)速。該傳感器量程大，精度高。單引腳輸出，通過采集該引腳的高低電平變化頻率來檢測風(fēng)速的大小。溫濕度傳感器電路采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。

■2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖4所示。系統(tǒng)采用28byj-48步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)步矩角小，精度高。使用ULN2003A來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，該芯片的IN1~IN3連接到單片機(jī)的PB0~PB3引腳，單片機(jī)輸出固定頻率的高低電平來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

■2.4 顯示電路

顯示電路采用HMI串口屏TJC3224T028_011R。該顯示屏為2.8寸，分辨率320×240，通訊接口為USART串行接口，具有4MB的FLASH空間，2048BYTE的RAM空間，可加載多種字庫，四引腳。I/O口資源占用率低、容量較大、字庫全和尺寸適中。

■2.5 Wi-Fi模塊

系統(tǒng)采用ESP8266Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，方便客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及系統(tǒng)運(yùn)行所處環(huán)境狀況。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)主程序

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、判斷風(fēng)速與溫度是否在安全范圍、判斷電池板與太陽入射光是否垂直、調(diào)用模糊PID算法調(diào)整電池板角度、顯示相關(guān)信息、傳送數(shù)據(jù)至手機(jī)等。其中初始化包括傳感器、AD、HMI串口屏、Wi-Fi模塊等初始化；數(shù)據(jù)采集包括風(fēng)速、溫濕度、光照等；系統(tǒng)通過光強(qiáng)度傳感器采集電池板的四方位光強(qiáng)信號，從而可以判斷電池板是否與入射光垂直；顯示信息包括溫濕度、光強(qiáng)、時(shí)間等，并將相關(guān)信息傳送至用戶手機(jī)，便于實(shí)時(shí)控制。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

■3.2 模糊PID算法

系統(tǒng)采用位置式PID算法與模糊算法相結(jié)合。位置式PID算法如公式(1)所示。

選擇光強(qiáng)度誤差e和光強(qiáng)度誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，經(jīng)量化因子作用后得到模糊化變量E和Ec，輸入到模糊控制器。然后確定好輸入、輸出變量的模糊論域以及隸屬函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)前和響應(yīng)過程中模糊PID參數(shù)整定原則，結(jié)合實(shí)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)，得到Kp、Ki和Kd模糊規(guī)則表，經(jīng)過模糊推理、反模糊化后得到對應(yīng)的輸出。Kp第一條模糊規(guī)則的隸屬度函數(shù)如公式(2)所示。

依此類推，可求出 pK所對應(yīng)的不同光強(qiáng)度誤差和光強(qiáng)度誤差變化率下的所有模糊規(guī)則的隸屬度，根據(jù)重心法解模糊化得到pK的輸出模糊值，如公式(3)所示。

Kp的自整定公式如公式(4)所示。

式中，為初值，Qp為比例系數(shù)， ΔKp為模糊推理得到的調(diào)節(jié)值。同理可得Ki和Kd的自整定公式。

4 系統(tǒng)實(shí)物測試

系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了系統(tǒng)功能的初步測試，首先遮擋四方位光電傳感器中的某一個(gè)，模擬太陽光無法直射太陽能電池板，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動追光功能；然后采用大功率鼓風(fēng)機(jī)模擬大風(fēng)等惡劣天氣，系統(tǒng)的追光模式切換、停止追蹤等功能正常。同時(shí)，在實(shí)際工作環(huán)境中對系統(tǒng)進(jìn)行了為期一周的測試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動追光、模式切換、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期要求。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)語

本文研制了基于STM32的太陽能電池板智能追光控制系統(tǒng)。論文提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，搭建了相應(yīng)的硬件電路，編寫了主程序和模糊PID控制算法。通過光電追蹤和雙軸追蹤相結(jié)合的方法，系統(tǒng)能自動、精確地調(diào)整電池組方陣的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)太陽光精準(zhǔn)跟蹤。通過測試表明，系統(tǒng)控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本文的研究工作對于提高太陽能的發(fā)電效率、提升裝置的智能化水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。