基于STM32的太阳能板自动追光蓄能系统设计

基于STM32的太阳能板自动追光蓄能系统设计

李永昌 马家振 刘震 黄清玉 余亚超

（河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023）

摘要：我国新能源发展成就举世瞩目，为实现碳达峰碳中和奠定了坚实基础、创造了良好条件、提供了重要保障。分布式可再生能源是新能源发电的重要组成，提高光伏发电效率具有重要意义。本系统在对光能信息进行采集、储存基础上采用STM32系统对光能信息采集使得光能最大化利用。

关键词：STM32;步进电机；光信号传感系统

基金项目：2023年度河南科技大学大学生研究训练计划资助 项目编号2023113

作者简介：李永昌（2004-）男,河南洛阳人,本科生。

0引言

近年来在各个地区提倡节能减排的背景下，对可再生能源加大利用成为了解决问题的有利方法。其中太阳能作为一种清洁、无限的能源资源备受关注。在利用太阳能发电的过程中，最大限度地捕获太阳能是至关重要[1]。然而太阳位置不断变化，传统的太阳能板往往无法充分利用光照资源。

为了解决这一问题，基于STM32控制的太阳能自动追光储能系统成为了一个有利的解决办法[2]。本系统则对这一系统进行实现，通过对测试环境各个方向光照强度进行采集、运用STM32对信息进行处理并实时控制步进电机进行调整以对采光模块进行位置调整来找到光照强度最大值的方位。这样一个实时监测系统可以保证采光模块始终面向光照最强的方向，对太阳能资源进行最大化收集并利用，从而最大程度地提高能源转换效率，进而完成对上述系统的实现。

本文我们将从系统结构、硬件和软件实现、到性能评估结果等进行介绍。

1总系统结构

该系统主要由采光模块，光照传感系统模块，控制器模块，能源管理模块，步进电机及其驱动模块，显示装置模块组成。系统原理框图如（图1）所示：

图1 系统工作流程图

1)采光模块：利用太阳能光伏板在测试环境中采集光能并将其转化为电能传输给电源管理系统。

2)光照传感系统模块：由光敏电阻组成的分压电路实时对环境四个方向的光照强度进行信息采集并将各个方向的光照强度转化为电压值传送给STM32进行信息处理。

3)控制器模块：接收来自光照传感系统四个方向的光照强度[3]所转化而来的电压值信息并进行分析处理，从而决定步进电机的运动方向使光照传感系统及采光模块达到追光效果。

4)电源管理模块：使用蓄电池以用于接收、储存来自采光模块输送的电能，同时又作为控制器模块、步进电机和光照传感系统的电源。

5)步进电机及其驱动模块：使用2路步进电机以及驱动电路对来自控制器模块（STM32）的控制信号进行实时响应达到追踪效果。

6)显示装置模块：实时显示测试环境四个方位的光照信息及电源管理系统模块内部锂电池的电量情况。

2硬件设计

2.1光照传感系统设计

该系统由四个光敏电阻分别与四个高精度的电阻串联而构成的分压电路组成[4]，光敏电阻则作为检测光照的器件，利用自身的内光电效应将其光照强度信号转化为电压信号，随后通过排线可将电压信号传至STM32的ADC采集通道，其AD转换器为12位高精度的，完全能达到系统所需的精度要求。

2.2电源管理系统设计

电源管理电路将锂电池与太阳能光伏板均接入系统，其中使用LM2940稳压芯片将太阳能光伏板所发出的不稳定电压稳定输出在5V左右，输出电压又通过充电模块对锂电池进行充电。锂电池所发出的电压通过升压芯片CAT3200所输出的电压对STM32和步进电机进行供电。

2.3步进电机及其驱动电路

本系统需要随光照强度方位的变化而进行实时地跟踪，为满足系统的精度要求我们可选择4相5线、型号为28BYJ-48的步进电机[5]。又因为单片机的驱动能力较弱无法对步进电机进行控制，故我们选择型号为ULN2003的驱动芯片来驱动。

2.4 控制器模块电路设计

为实现目标系统的设计要求。本系统采用STM32系列处理器作为控制系统的核心元件，它可以提供更丰富的接口和功能以便于设计实验系统各实验项目所需的外围扩展电路，同时以其优异的实时性能、功耗低、集成化更高等特点也足以满足上述功能要求。

2.5 人机交互模块

本系统采用的是1.44寸TFT触摸彩屏用以显示四个方位光强参数及蓄电池电压及含电量参数。

3软件设计

软件部分主要包括STM32的控制程序以及传感器的数据交互，实现的功能是实时检测环境各个方位的光照强度、STM32中的电压信息、对追光机的实时控制以及在TFT彩屏上显示相关信息等[6,7]，如下图2所示。

图2 程序流程框图

自采光系统检测到光照后，据四象限光照信息对其强度进行判断，在满足大于阴暗标准值后（若小于标准值则重新进行光照信息采集）便需要使用STM32对该信息（转化为电压信息）进行处理并先使步进电机做出左右方位调整，再进行上下方位调整过程。最后将光照强度、电压值等信息显示在TFT液晶屏上使其可视化以使使用者掌握各个方位光照强度信息。程序循环执行以达到随环境光照的变化而自动追光的目的。

4结束语

本设计系统主要介绍了基于STM32的太阳能板自动追光蓄能系统的设计与实现。通过利用性能较高STM32微控制器作为核心控制元件、步进电机作为驱动元件等一系列模块的组合使该系统能够实时监测太阳位置并自动调整太阳能板的四个方位，从而以最大程度地提高能源转换效率。该系统不仅能够提高太阳能板的能源转换效率，还能够最大化减少对不可再生能源的利用，为可持续能源发展做出贡献、为节能减排迈出了重要的一步。

未来，我们可以进一步可以在该模型的基础上进一步优化系统的设计和性能，探索更先进的追光算法和技术，以进一步提高系统的效率，同时也希望该模型也能对新能源最大化利用做出一定的参考以及利用价值。

参考文献

[1]朱吉庆,宋雨昂.太阳能光伏发电技术发展现状与前景[J].对外经贸, 2024, (01):  31-34+131.   

[2] 秦梦雅,谷晨颜,周可.多功能自动旋转追光衣架设计[J].无线互联科技, 2022,  19 (08): 69-70. 

[3]关华强.太阳能电池板跟踪系统研究[D].广东工业大学,2021.  

[4]陈元凯.旋转探测式逐日系统设计与实现[J].自动化应用, 2018, (08):  8-10. 

[5]杨英明.基于双轴舵机云台光伏逐日模拟系统设计[J].沈阳工程学院学报(自然科学版), 2018,14(03):197-203.

[6]许兰艳,杨柳.太阳能电池板自动追光装置设计[J].电脑知识与技术,2012, 8 (13):  3212-3213. 

[7]段晓敏,龚树森.全自动太阳能追光系统研究[J].机电信息, 2011,(24): 206-207.

基金项目：2023年度河南科技大学大学生研究训练计划资助 项目编号2023113

作者简介：李永昌（2004-）男,河南洛阳人,本科生。