基于STM32 單片機的光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

房良睿，王磊，范麗君，黃永祥，魏楠

（神華工程技術(shù)有限公司安徽分公司，安徽合肥，230000）

0 引言

能源是現(xiàn)代社會存在與發(fā)展的重要基礎(chǔ)。由于世界經(jīng)濟水平的不斷增長，能源消耗也在不停地增加，從而導(dǎo)致了全球能源危機的出現(xiàn)[1]。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，到2025 年，我國的能源需求總量可能會達到32 億噸煤量，幾乎是2000 年的兩倍，并且我國目前的主要能源煤炭、石油和天然氣的儲備量僅占世界平均水平的50%、40%和70%左右[2～3]。為了應(yīng)對有可能發(fā)生的能源危機，我國正在大力發(fā)展新能源有關(guān)的產(chǎn)業(yè)。而新能源中，太陽能又是不可或缺的一部分。太陽能是一種非常干凈環(huán)保的新能源，在轉(zhuǎn)化為可利用的其他形式能量時，不會產(chǎn)生任何有害氣體或固體廢物[4]并且太陽能總能量排名為當(dāng)今人類所能開發(fā)利用的可再生能源之首[5]。

在光伏系統(tǒng)中，雙軸光伏跟蹤系統(tǒng)相較于固定式光伏系統(tǒng)可提高20%的發(fā)電量[6]。

為了提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，本文設(shè)計了一個智能化、控制簡單的雙軸光伏跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過傳感器感受太陽位置，從而控制光伏電廠的朝向。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于STM32 單片機的光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)設(shè)計包括兩個部分，一部分是硬件部分，通過尋光傳感器采集太陽朝向，當(dāng)太陽位置與光伏板朝向有偏差時，通過步進電機控制機械臂云臺，改變光伏板朝向，以實現(xiàn)控制光伏板朝向太陽方向。

圖1 展示了該系統(tǒng)的架構(gòu)圖，該系統(tǒng)可以控制云臺朝向，將光伏板實時朝向最佳發(fā)電角。

圖1 系統(tǒng)的架構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

■2.1 尋光模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用2 對HD-36 尋光模塊對太陽方位信號進行采集。將2 對傳感器分別安裝在光伏板下方兩側(cè)，以及云臺兩側(cè)，安裝時需要注意擺放位置，如圖2 所示。

圖2 HD-36 擺放位置

光伏板如果與太陽方向接近，4 個傳感器均會被遮擋。否則，會有一側(cè)受到太陽的光照，另一側(cè)受不到光照。將傳感器輸出信號通過自帶的模塊輸入至單片機。每對光尋跡模塊電路圖如圖3 所示。

圖3 HD-36 電路圖

該模塊輸入電壓為5V，故將模塊的VCC 接入5V 電壓，GND 與0V 相連。M1 與M2 為模塊的輸出信號，輸出信號為0V/5V 的電壓信號，信號與STM32 相連，將輸出信號傳入STM32 主控芯片。單片機通過讀取這2 個引腳的狀態(tài)來判斷太陽的相對位置。

■2.2 雙自由度機械臂云臺

雙自由度可以通過機械臂的2 個步進電機控制光伏板朝向，水平方向上步進電機可以控制上方機械臂在水平方向上朝向，使得上方機械臂轉(zhuǎn)動平面在水平面上360 度轉(zhuǎn)動，通過單片機控制機械臂下層步進電機，使上層轉(zhuǎn)動平面與太陽處于同一平面。再通過轉(zhuǎn)動上層固定的電機可以控制光伏板在垂直方向上朝向，通過控制步進電機使光伏板朝向與太陽相近的位置。通過2 臺42 步進電機，控制光伏板，使其具有最佳傾角。

■2.3 步進電機

步進電機采用2 臺42 步進電機，分別通過1 個TB6600驅(qū)動電機，根據(jù)電機參數(shù)，一個脈沖轉(zhuǎn)動1.8 度，轉(zhuǎn)動一圈為360 度。一圈為200 個脈沖，本設(shè)計不做細分，故按照驅(qū)動參數(shù)，將撥碼開關(guān)的S1/S2/S3 分別撥至ON/ON/OFF，通過步進電機的電流參數(shù)查TB6600，步進電機電流為1.5A。將額定電流與峰值電流均設(shè)置為大于1.5A 的最接近擋位。將電機的驅(qū)動額定電流設(shè)置為1.5A，峰值電流設(shè)置為1.7A。按照驅(qū)動參數(shù)，將撥碼開關(guān)的S4/S5/S6 分別撥至ON/ON/OFF。故將電機驅(qū)動的S1～S6 設(shè)置為ON/ON/OFF/ON/ON/OFF。

將TB6600 的VCC 接至9～42V 直流電源正極，本設(shè)計中接至24V 電源正極，GND 接地。A+/A-/B+/B-分別接步進電機的A+/A-/B+/B-線，接線方式一一對應(yīng)。本設(shè)計信號部分采用共陰極接線，PUL-/DIR-/ENA-接地。PUL+/DIR+/ENA+接單片機引腳。PUL 為步進電機的脈沖信號，每脈沖一次步進電機轉(zhuǎn)動1.8°。DIR 為步進電機的方向信號，控制步進電機轉(zhuǎn)動方向。TB6600 電路如圖4 所示。

圖4 TB6600 電路

■2.4 按鍵

按鍵部分使用微動開關(guān)，本設(shè)計中GPIO 使用浮空輸入，不使用芯片上拉電阻。故將按鍵兩端一端接上拉電阻和單片機IO 口，一端接地。當(dāng)按鍵未被按下時，GPIO 口與地斷開，IO 口輸入通過上拉電阻為高電平。當(dāng)按鍵按下時，IO 口直接與GND 相連，IO 口被拉到低電平。按鍵電路如圖5 所示。

圖5 按鍵電路

■2.5 硬件系統(tǒng)

硬件部分主要由以上各個模塊構(gòu)成，通過軟件繪制電路原理圖，將各個模塊連接到單片機芯片的相應(yīng)引腳上。

除以上部分外，為使單片機更好地工作，還需要設(shè)計相應(yīng)的電路。如單片機的復(fù)位、晶振、電源等。通過軟件繪制原理圖并生成PCB 圖后，打板焊接成最終的硬件。

單片機的復(fù)位電路類似于電腦的重啟按鈕，在剛上電時需要給STM32 一個低電平，再將其拉高。復(fù)位電路的設(shè)計方法是通過RC 串聯(lián)的方式，將10kΩ 的電阻與0.1μF 的電容串聯(lián)，其中0.1μF 的一端接地，另一端接電阻。10kΩ 的電阻一端接VCC，另一端接電容，將電容與電阻連接的部分與單片機的復(fù)位引腳連接。在上電時，由于RC 電路的特性可以使復(fù)位引腳處于低電平狀態(tài)，使單片機復(fù)位。完成復(fù)位后，隨著電容逐漸充滿電，復(fù)位引腳的電位逐漸被拉高，單片機不再處于復(fù)位狀態(tài)。在電容處并聯(lián)一個按鍵，使得單片機在工作時如果需要手動復(fù)位，可以通過按下復(fù)位按鍵使電容器短路形成一個低電平，通過按鍵形成的長時間的低電平也可以使單片機復(fù)位，以實現(xiàn)在需要單片機重啟時，通過按鍵復(fù)位功能使單片機復(fù)位。

單片機在運行時需要一個時鐘，這個時鐘就是晶振電路。STM32 分為內(nèi)部時鐘和外部時鐘，本次設(shè)計的2 個外部時鐘使用的是無源晶振電路。將單片機連接晶振的引腳連接至晶振的兩端，兩端通過電容連接至GND，構(gòu)成一個時鐘電路。外部時鐘的2 個晶振的頻率分別為8MHz 和32.768kHz。8MHz 為高速外部時鐘(HSE)，32.768kHz 為低速外部時鐘(LSE)。單片機內(nèi)部還有PLL(鎖相環(huán)倍頻輸出)，可以對時鐘部分進行分頻倍頻。在單片機初始化時可以對時鐘進行操作，調(diào)整其時鐘的參數(shù)，使其以一定的時鐘頻率工作。

電源部分分為24V、5V、3.3V 這3 個電壓的電源設(shè)計，24V 采用成套的24V 電源，通過成套的24V 電源將交流220V 電壓轉(zhuǎn)換為直流24V 電壓，給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的24V 直流輸入，并作為5V 和3.3V 的電源直流輸入。

通過LM2596-5 將24V 電壓降壓至5V。LM2596 是一款常用的直流轉(zhuǎn)直流的降壓芯片。LM2596 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出最大3A 的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。將電源降至5V 供HD-36 模塊使用。

通過LM1117-3.3 將電壓降為3.3V，供主控使用。LM1117-3.3 共3 個引腳，中間的2 引腳為GND，是輸入與輸出的公共端。2 端各并聯(lián)一個電容器濾波，分別接于Vin與GND 之間、Vout 與GND 之間，以濾除高次諧波。Vin輸入5V 電壓，取自LM2596-5 輸出；Vout 輸出3.3V 電壓，供單片機使用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

■3.1 主程序流程設(shè)計

STM32 單片機分別使用2 個GPIO 連接信號線連接1對HD-36 尋光模塊的M1/M2。利用STM32 采集到開關(guān)量的輸出，通過采集到的開關(guān)信號在STM32 內(nèi)部進行運算處理，通過判斷采集到的信號判斷當(dāng)前光伏板朝向，并控制云臺轉(zhuǎn)動至適合的區(qū)域。

當(dāng)云臺兩側(cè)傳感器檢測到太陽方向與上方機械臂轉(zhuǎn)軸方向不垂直時，可以通過控制云臺下側(cè)電機，將云臺轉(zhuǎn)動至太陽方向與上方機械臂轉(zhuǎn)軸方向垂直的方向。當(dāng)光伏板兩側(cè)傳感器檢測到太陽方向與光伏板法線不平行時，可以通過控制光伏板下方電機，將云臺轉(zhuǎn)動至太陽方向與光伏板法線方向平行的方向。

■3.2 子程序流程設(shè)計

3.2.1 尋光子程序設(shè)計

每對尋光模塊有4 個接口，分別接5V 電源VCC/GND，以及M1/M2。單片機的IO 口接模塊的M1/M2，首先開啟時鐘并初始化STM32 端口為浮空輸入，并循環(huán)讀取IO 口的輸入狀態(tài)。

當(dāng)云臺兩側(cè)傳感器輸入狀態(tài)為M1 高電平且M2 低電平時，控制電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入狀態(tài)為M1低電平且M2高電平時，控制電機反轉(zhuǎn)。

當(dāng)光伏板兩側(cè)傳感器輸入狀態(tài)為M1 高電平且M2 低電平時，控制電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入狀態(tài)為M1 低電平且M2 高電平時，控制電機反轉(zhuǎn)。

3.2.2 步進電機子程序設(shè)計

PUL 為步進電機的脈沖信號，每脈沖一次步進電機轉(zhuǎn)動1.8°，初始化時設(shè)置為復(fù)用推挽輸出模式，開啟并復(fù)用電動機相應(yīng)定時器。DIR 為正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)信號，ENA 為使能信號需要初始化為推挽輸出模式。通過這幾個輸出控制電動機轉(zhuǎn)動。

3.2.3 按鍵控制子程序設(shè)計

本設(shè)計共設(shè)計了6 個輸入按鍵，通過6 個可以手動控制，分別為自動/手動/電機1 正轉(zhuǎn)/電機1 反轉(zhuǎn)/電機2 正轉(zhuǎn)/電機2 反轉(zhuǎn)。

由于按鍵電路上設(shè)計了上拉電阻，故初始化時設(shè)置為浮空輸入。其中自動/手動接單片機中斷。當(dāng)按下手動按鍵后單片機進入外部中斷函數(shù)，延時消抖并停止步進電機PWM輸出，將自動手動標志位置為手動。通過標志位將主程序退出自動模式的循環(huán)進入手動模式，當(dāng)進入手動模式后，通過電機的4 個按鍵控制電機的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。當(dāng)按下自動按鍵后單片機停止步進電機PWM 輸出，并將自動手動標志位置為自動。通過標志位將主程序退出手動模式的循環(huán)進入自動模式，當(dāng)進入自動模式后，通過HD-36 尋光模塊控制電機正反轉(zhuǎn)。程序邏輯圖如圖6 所示。

圖6 程序邏輯圖

4 結(jié)論

本文采用STM32 單片機、尋光模塊、雙自由度機械臂云臺設(shè)計一個光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 單片機為控制核心，使用HD-36 尋光模塊采集太陽的相對位置，TB6600 驅(qū)動步進電機控制光伏板朝向，實現(xiàn)了雙軸系統(tǒng)自動跟蹤光源，具有重要的應(yīng)用價值。