基于STM32F103C8T6光電跟蹤的多功能太陽能光伏花

摘 要：為充分利用新能源并解決景區照明能耗高、觀賞性低、光源固定等問題，設計一種基于STM32F103C8T6光電跟蹤的多功能太陽能光伏花。采用光電跟蹤法收集盡可能多的太陽能并將其轉換為電能儲存在鋰蓄電池中，以為裝飾燈和其他模塊供電。同時，設計了L298N電機驅動模塊，控制受光模塊與小車以反方向轉向運動，解決由小車方向導致太陽能電池板同向運動的問題。用戶可通過藍牙控制光伏花的開花、閉花和移動。在相同環境下分別測試了視日軌跡跟蹤和光電跟蹤對太陽能的吸收效率，結果表明光電跟蹤法在成本控制和對太陽能的吸收效率上表現更優。利用光電跟蹤法可充分利用太陽能，不易受突發天氣影響。

關鍵詞：太陽能光伏花；光電跟蹤；L298N模塊；過充過放保護

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0176-06

Multi-functional Solar Photovoltaic Flower Based on STM32F103C8T6 Photoelectric Tracking

YAN Lizheng， ZHAN Shunchao， DENG Tao， DAI Shuheng， MA Yiwei

（School of Automation， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： To fully utilize new energy and solve the problems of high lighting energy consumption， low ornamental value， and fixed light source in scenic areas' lighting， a multifunctional solar photovoltaic flower based on STM32F103C8T6 photoelectric tracking is designed. It uses photoelectric tracking method to collect as much solar energy as possible and convert it into electrical energy for storage in lithium batteries to power decorative lights and other modules. At the same time， an L298N motor drive module is designed to control the light receiving module and the car to move in the opposite direction， solving the problem of the solar panel moving in the same direction caused by the car's direction. Users can control the flowering， closing， and movement of photovoltaic flowers through Bluetooth. The absorption efficiency of solar energy by visual trajectory tracking and photoelectric tracking are tested separately in the same environment， and the results indicate that the photoelectric tracking method performs better in cost control and absorption efficiency of solar energy. The use of photoelectric tracking method can fully utilize solar energy and is not easily affected by sudden weather events.

Keywords： solar photovoltaic flower; photoelectric tracking; L298N module; overcharge and discharge protection

0 引 言

為了應對能源危機和環境問題，我國提出了“雙碳目標”[1]，旨在通過減少溫室氣體排放從容應對氣候變化和環境污染問題，大力推動清潔能源的發展。由于太陽能具有清潔、可持續、可再生等優勢[2]，一直被視為重要的能源來源，有越來越多的太陽能產品走入人們的生產和生活。大多數風景區遠離城市，傳統電力供應方式需要鋪設大量電纜，存在一定的困難，但這些風景區往往擁有豐富的太陽能資源，為此本文設計一種基于STM32F103C8T6光電跟蹤技術的多功能太陽能光伏花，作為一種創新的供電解決方案。

目前，許多學者和研究人員已經對基于單片機的太陽能自動跟蹤系統進行了廣泛的研究，力爭最大程度收集太陽能。文獻[3]分析了光電跟蹤法、視日跟蹤法、視日跟蹤法和光電跟蹤法相結合3種太陽能跟蹤方法。文獻[4]對比分析了視日跟蹤法和光電跟蹤法，視日跟蹤法精度高、靈敏性好且不易受外界環境影響，但傳感器成本高昂，不適用于小型太陽能利用裝置。文獻[5]對光電跟蹤法和視日跟蹤法進行了優缺點對比分析。光電跟蹤法直接根據光照強度的變化來調整太陽能板，這種方法成本較低、簡單易行，但在光照強度變化較快的情況下存在較大誤差。文獻[6]的研究表明視日跟蹤法具有較高的精度和準確性，但計算復雜，需要較強的計算能力。文獻[7]對比了兩種算法在不同使用場景下的太陽能跟蹤效率，若場景不同，應擇優采用。文獻[8]分析了當前小型太陽能跟蹤裝置大多應用在充電寶、臺燈、計算器等單一功能的應用場景。文獻[9]為解決以傳統方式向風景區輸送電力成本高的問題，并且能夠充分利用風景區豐富的太陽能資源，提出設計開發“多功能”太陽能光伏花。

以上文獻對多種太陽能跟蹤算法進行了研究，但缺少跟蹤算法的實際應用。因此，本文設計開發了風景區多功能太陽能光伏花，采用最佳算法最大程度采集太陽能，并將電能儲存在蓄電池中，以便日后為裝飾燈和其他功能模塊供電。此外，本文還設計了基于L298N電機驅動模塊的藍牙控制APP，借助HC-05藍牙通信模塊，用戶可以通過APP實現與STM32單片機的通信，從而實現遠程控制光伏花的移動。

1 太陽能光伏花的設計方案

太陽能光伏花主要包括太陽能追蹤、照明、小車驅動等多項功能，利用基于STM32微控制器的小車進行運作，太陽能電池板上的光敏電阻檢測光照強度，當光強大于預設閾值時，光伏板將打開追蹤光源并進行電力供應；當光強小于預設閾值時，太陽能光伏板將關閉，開通照明系統。系統總體設計方案如圖1所示。

1.1 電池模塊

電池模塊由蓄電池、PV板和過充過放保護組成。當太陽光照射PV板時，PV板將采集的電能運輸至蓄電池內，蓄電池開始充電，并由過充過放保護裝置進行保護，一旦蓄電池內電壓高于或低于預設值，保護電路就會發揮作用，阻斷電池的充放電。

1.2 控制模塊

通過燈光控制與電池模塊的連接，STM32F103C8T6單片機作為控制中心，它能直接控制照明、太陽能追蹤裝置、小車驅動等多項功能，體現了產品的多功能性。

1.3 通信模塊

通過藍牙芯片與單片機相連，可以向單片機發送信號，實現小車驅動的功能。手機APP負責發送小車狀態指令，通過藍牙芯片將指令發送到單片機上進行解碼，然后控制驅動模塊使小車運動。

2 太陽能光伏花硬件設計

2.1 太陽能追蹤

太陽能追蹤硬件框圖設計如圖2所示，采用的主要部件是STM32F103C8T6單片機。

在太陽能跟蹤器上安裝兩個光敏電阻（閾值可調），單片機實時監測兩個光敏電阻輸出端的輸出情況。以正常天氣下午6點鐘的光照強度作為閾值，此時的太陽光微弱不需要采集。當光照強度比閾值高時，光敏電阻將向輸出端輸出高電平，反之則向輸出端輸出低電平。

選用SG90舵機作為調節驅動裝置，通過接收單片機控制模塊輸出的開關量信號來控制正反轉，由光伏電板及太陽位置判斷模塊的偏轉。使用電動二維云臺實現太陽能跟蹤器全方向旋轉，云臺由蝸桿、蝸輪、傳動軸、傳動軸安裝板、方位角旋轉裝置、安裝座、軸承板等元件組成，可以起到水平方向旋轉和調整俯仰角的作用。由于垂直方向上的調整效果不理想，故而添加兩個步進電機進一步提高精準度。

太陽能跟蹤器的控制核心采用的是STM32系列核心單片機，STM32系列產品具有超低功耗的ARM Cortex-M4處理器內核，采用意法半導體獨有的節能技術[10]。同時STM32單片機配備多個調試和測試接口（如JTAG接口），方便開發者進行調試和測試。目前市場上的STM32單片機功能板較為成熟，因此，本文采用STM32F103C8T6小型系統板作為控制核心。

跟蹤裝置模型圖如圖3所示，由電動二維云臺和兩個舵機組成，太陽能電池板旁邊裝有兩個光敏電阻，可以根據光的強度和方向調整水平方向旋轉角度和俯仰角。當需要運動時，云臺的圓形底盤首先旋轉，之后方位角旋轉裝置開始運動，適當調整步進電機的俯仰角。由于蝸桿和蝸輪具有自鎖特性，可以防止反向運動，提高了方位角旋轉裝置的精度。

2.2 鋰蓄電池

鋰蓄電池在太陽能光伏系統中扮演著能量儲存與安全管理的主要角色。電池硬件原理如圖4所示。

2.2.1 電池充電原理

以STM32F103C8T6單片機為控制中心，對太陽能電池板和鋰電池進行電壓采樣，再通過單片機上的AD轉換將太陽能轉化為化學能儲存在鋰電池內。用電池保護電路解決電池安全問題。電池保護電路通常由驅動IC控制MOSFET器件的導通或關斷，從而避免鋰電池出現過充、過放、過流或過溫的情況[11]。

2.2.2 過充電保護原理

當鋰電池處于充電狀態時，電路中保護IC取樣電池電壓，電壓達到4.2 V時激活過充保護，將MOS管關斷，整個回路被關斷，截止充電起到保護電路的作用。另外，因噪聲產生的誤動作也是要多加注意的，以免判定為過充保護，因此需要進行延遲時間的設定，而延遲時間也不能短于噪聲持續的時間。

2.2.3 過放電保護原理

當鋰電池處于放電狀態時，保護IC通過采集電池電壓進行監視，當電壓低于3.0 V時發出指令，讓MOS管截止，回路斷開，以避免電池過度放電，從而起到保護電路的作用。

2.3 小車的電機驅動模塊

L298N驅動模塊的原理圖如圖5所示。

該模塊由L298N芯片、輸入引腳、輸出引腳、直流電機等部件組成。芯片左側的IN1、IN2、IN3、IN4、ENA、ENB引腳是輸入引腳，用于連接單片機。芯片右側的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4引腳是輸出引腳，用于連接直流電機。輸入引腳的電平高低與電機轉動狀態和小車運動狀態的關系如表1所示。

由表1可知，IN1和IN3引腳高電平且IN2和IN4引腳低電平時，左、右兩個電機都正向轉動，小車處于前進狀態。IN1、IN3、IN4引腳均為高電平且僅IN2引腳為低電平時，左電機正向轉動，右電機停止轉動，小車向右轉；IN1、IN2、IN3引腳均為高電平且IN4引腳為低電平時，右電機正向轉動，左電機停止轉動，小車向左轉；IN2和IN4引腳為高電平且IN1和IN3引腳為低電平時，左、右兩個電機均反向轉動，小車處于后退狀態。

2.4 二極管LED燈

該模塊由LED燈、繼電器開關、光敏電阻等組成，由鋰蓄電池直接供電。設計將通過光敏電阻檢測光照強度的閥值設定為3l ux。當光照強度＞3l ux時，光敏電阻將收到的光信號輸入STM32單片機中，繼電器打開，蓄電池模塊供電，LED發光。當光照強度＜3l ux時，繼電器吸合，燈光熄滅。為防止二極管LED燈亮起時對光敏電阻帶來誤差，設計將LED燈安裝在整個裝置底部，這樣對頂端太陽能板不會產生影響。

2.5 小車的藍牙通信模塊

設計采用HC-05藍牙模塊進行通信，HC-05是主從一體化的藍牙串口模塊，主從可指令切換，指令少，功能穩定，且使用簡單，建立連接后方可接收數據信號[12]。在手機與智能小車建立藍牙連接后，用戶通過手機APP向小車發出開花、閉花和移動指令。藍牙模塊接收到指令后，在主程序的控制下解析指令，隨后將識別的指令傳遞STM32到單片機上，再由單片機控制L298N驅動控制模塊，帶動小車執行指令。藍牙通信模塊通過串口與STM32微控制器進行數據傳輸和通信。

3 太陽能光伏花軟件設計

3.1 光電跟蹤控制模塊

光電跟蹤控制模塊流程圖如圖6所示。該模塊利用光敏電阻檢測環境光照強度，將檢測結果轉換為電信號后輸入到STM32微控制器中。微控制器根據輸入的電信號來控制太陽能光伏板的工作狀態。當光照強度高于預設閾值時，微控制器輸出高電平信號，使太陽能光伏板開啟；當光照強度低于預設閾值時，微控制器輸出低電平信號，使太陽能光伏板關閉。光線與電池板表面垂直時，光敏電阻的阻值會達到最小，所以通過不斷讀取光敏電阻的阻值并觀察其變化，可以判斷出當前光線與電池板的角度關系。如果阻值逐漸減少，說明電池板正在接近與光線垂直的位置；如果阻值逐漸增加，則說明電池板正在偏離垂直位置。跟蹤裝置會根據光敏電阻的阻值變化來調整太陽能光伏板的水平旋轉角度和俯仰角，直至阻值達到最小。

3.2 功能模塊

蓄電池模塊負責儲存由太陽能光伏板產生的電力。系統所采用的高質量鋰離子蓄電池，具有高能量密度、低自放電率和壽命長等特點[13]。同時，該模塊結合了IC監視技術和MOS管關斷技術。當蓄電池電壓達到預設的過充閾值時，MOS管自動關閉，切斷充電電路，以防止蓄電池因過度充電而受到損害。當蓄電池電壓降至預設的過放閾值時，MOS管自動關閉，以防止蓄電池因過度放電而受到損害。

藍牙通信模塊通過藍牙技術實現與手機的連接，用戶可以通過手機APP（應用程序）實現對小車的遠程控制。手機APP具備圖形化界面，方便用戶操作。此外，其還用于用戶向太陽能光伏花發送開花、閉花、前進、后退、左轉、右轉控制指令。藍牙通信模塊通過串口與STM32微控制器進行數據傳輸和通信。

照明模塊采用了基于光強傳感的太陽能LED照明系統設計。首先，在系統中加入LED燈照明模塊，該模塊由LED燈、繼電器開關、光敏電阻等組成[14]。其次，利用光敏電阻檢測環境光照強度，并將檢測到的電信號輸入到STM32單片機中。最后，根據光照強度控制繼電器的開關，實現LED燈的開關控制，即當光照強度低于閾值時，繼電器吸合，LED燈打開，否則繼電器斷開，LED燈關閉。

3.3 手機APP程序設計

在實際設計中，首先將HC-05藍牙模塊設置為從機并將波特率設置為9 600，這樣在整個裝置正常運行時，手機才能通過藍牙連接到裝置。輸入PIN碼后，用戶通過APP可實現向單片機輸入指令遠程操控光伏花。手機APP界面如圖7所示。

4 實驗結果驗證

4.1 實物圖

太陽能光伏花和裝飾燈正常工作時的狀態如圖8所示。

圖8中，光照強度處于1～5l ux區間，太陽能電池板在光敏電阻的調節下，根據舵機和云臺的轉動，不斷追蹤太陽能光的方向，以最大程度吸收太陽能。同時，光照強度低于燈光開啟的閾值，因此需要打開燈光照明系統。

4.2 實驗方案

2023年8月20日，在江蘇鹽城，將太陽能光伏花放置在某一空曠區域以采集太陽能。在6時打開光伏花，并在18時關閉太陽花。以0.5小時的時間間隔記錄從6時到18時太陽能板的輸出電壓、輸出電流、輸出功率的實驗數據。光伏花的一塊太陽能板記錄光電跟蹤方式下的實驗數據，另一塊太陽能板記錄視日軌跡跟蹤法下的實驗數據，比較兩組數據，探討兩種跟蹤方法在跟蹤精度方面的優劣。實驗過程中記錄的數據如圖8至圖10和表2所示。

4.3 實驗結果分析

為了有效研究光電跟蹤和視日軌跡跟蹤兩種方法在太陽能跟蹤方面的精度，本文采用兩塊太陽能板，分別使用光電跟蹤和視日軌跡跟蹤作為太陽能跟蹤算法進行對比實驗，實驗結果如圖9至圖11和表2所示。

如圖9所示，采用光電跟蹤方法的太陽能光伏花裝置的輸出電壓在4.52～4.83 V之間，采用視日軌跡跟蹤法的太陽能光伏花裝置的輸出電壓在4.22～ 4.66 V之間。兩種跟蹤方法下的輸出電壓曲線都是呈現先上升后下降的趨勢，且最大值均出現在13時左右，但光電跟蹤方法下的輸出電壓大于視日軌跡跟蹤方法下的輸出電壓。

如圖10所示，光電跟蹤方法下輸出電流的范圍是6～28 mA，視日軌跡跟蹤方法下輸出電流的范圍是5～25 mA。兩種方法下的輸出電流曲線變化規律相似，且最大值均出現在13時左右。光電跟蹤方法下的輸出電流依舊大于視日軌跡跟蹤方法下的輸出電流。

如圖11所示，兩種方法下輸出功率的變化規律大致相同，但輸出功率的數值大小有所不同。光電跟蹤方法下的輸出功率在27.12～135.24 MW之間，視日軌跡跟蹤法下的輸出功率在21.1～116.5 MW之間。同時，光電跟蹤法下的輸出功率仍然大于視日軌跡跟蹤法下的輸出功率。

太陽能光伏花系統采用光電跟蹤法和視日軌跡跟蹤法時，太陽能板的輸出電壓平均值、輸出電流平均值和輸出功率平均值計算結果如表2所示。

從測量結果來看，無論從輸出電流、輸出電壓，還是輸出功率來看，光電跟蹤法的效果都明顯好于視日軌跡跟蹤法。這可能是因為光電跟蹤法更能實時響應太陽的位置變化，從而更有效地調整太陽能板的朝向，而視日軌跡跟蹤法是基于預設的太陽運行軌跡進行跟蹤，所以在實際運行中可能會受天氣、季節等多種因素的影響，導致其性能遠不及光電跟蹤法。

總的來說，經反復的對比分析發現，光電跟蹤法在提升太陽能跟蹤性能上表現更佳。這是本團隊優先選擇光電跟蹤法作為太陽能跟蹤模塊設計方案的重要因素。

5 結 論

本文設計一種基于STM32F103C8T6的太陽能跟蹤裝置，1ZP9Dw93rM4vz77TsaLQnw==利用HC-05藍牙通信芯片實現手機與單片機之間的通信，可遠程控制L298N電機驅動模塊實現小車移動。文中主要闡述了光電跟蹤法與視日跟蹤法之間的差別和聯系，并通過實驗驗證了光電跟蹤法在靈敏度、輸出功率、系統穩定性方面的表現優于視日跟蹤法。多功能太陽能光伏花結構簡單，操作簡便，能夠有效解決光照能耗過高和光源固定的問題。本文研究的多功能光伏花可在有效降低光照能耗的同時實現可移動光源的功能，最大程度上利用太陽能，可推動清潔能源的發展和應用，助力向我國提出的“雙碳目標”邁進。

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作者簡介：嚴立政（2003.01—），男，漢族，重慶南岸人，本科在讀，研究方向：控制工程。