基于STM32的便携式追日发电系统设计

罗嘉良 周建华* 盘姿君 商凯源

（1.湖南工业大学电气与信息工程学院 湖南省株洲市 412007 2.湖南工业大学机械工程学院 湖南省株洲市 412007）

目前我国太阳能应用行业发展良好，但就行业对太阳能的利用效率和发电设备使用便利度而言，我国的光伏发电系统仍然存在着以下不足之处：光伏发电设备过大，不利于携带；对太阳能使用效率低[1]；容易受到环境的影响，光伏电池板及其他重要结构容易受到损耗，维护费用大。

本文为避免上述现有技术存在的不足之处，提供设计了一种基于STM32 的便携式追日发电系统，以便于精准跟踪太阳光线的同时具有更广的使用环境和更长的使用年限。

1 系统机械设计

本系统整体机械结构包括箱体及开合装置、追日装置、支撑框架、旋转式太阳翼及展开装置，系统整体机械设计图如图1 所示。

1.1 箱体及开合装置

箱体及开合装置作用是保护太阳翼和电机等，同时使装置便携性提升，箱体及开合装置包括箱体底座、前、后箱体、推杆电机、连杆。箱体底座为长方体，存放驱动器、控制板和蓄电池。前后箱体分别与两个连杆连接，连杆另一端连接推杆电机，形成移动导杆机构，推杆电机抬升时箱体打开。

1.2 追日装置

追日装置包括步进电机、上下托盘、支撑轴承、齿轮以及四个限位开关，上托盘固定用于水平旋转的步进电机，下托盘固定用于竖直旋转的电机。上下托盘之间通过支撑轴承连接，用于水平旋转的步进电机轴与上托盘连接，带动上托盘旋转，用于竖直旋转的步进电机通过齿轮与支撑框架中间部位连接，带动支撑框架水平旋转。下托盘放置两个限位开关用于限制水平方向旋转，上托盘放置两个限位开关用于限制竖直方向旋转，追日装置设计图如图2 所示。

1.3 旋转式太阳翼

旋转式太阳翼包括支撑架、太阳翼。支撑架为正六边形，其中一边连接太阳翼。太阳翼由条形光伏板和两侧连接件组成，连接件对太阳翼进行支撑。多个太阳翼依次串联，类似于卷闸门和拖链的形式。收缩时可以顺序排列紧贴支撑架，展开时张开成平面，旋转式太阳翼设计图如图3 所示。

2 硬件设计

硬件主要设备有STM32 单片机、光敏电阻、限位开关、推杆直流电机、直流电机、步进电机、步进电机驱动、A/D 转换器、按键。

推杆直流电机是箱体支撑部分连杆升降的驱动源；太阳翼光伏板伸缩直流电机是卷轴折叠支架的驱动源；两个步进电机是水平方向和竖直方向的驱动源；限位开关是用于防止太阳翼光伏板偏转超过限定值从而造成系统损坏的外接元件，当太阳翼光伏发电板运行到这两个方向的最大位置处，触发限位开关，STM32 控制器对步进电机发送停止信号。系统各模块框图如图4 所示。

2.1 光电跟踪模块

在本文系统设计中，光电检测电路的设计分为四路，东西南北方向上的每个光敏电阻需要串联一个阻值相同的电阻来进行分压。当太阳入射光线的方位不同时，四个方向的光照强度不同，则四路串联电阻则会分到不同的电压。东西南北方向四个串联电阻的电压即为光电检测模块的四路输出电信号UE、UW、US、UN。四路输出电信号经过电压放大器接到A/D 转换器将电压模拟信号转化为数字信号传送给STM32 核心控制器。光电检测模块电路图如图5 所示。

在本文系统设计中，跟踪模块通过控制水平旋转步进电机和竖直旋转步进电机，从而达到对太阳翼光伏板的双轴控制，实现对太阳入射光线的精准跟踪。由光电检测模块输出的四路数字电压信号接入STM32 控制器，计算东西向串联电阻电压UE和UW的差值，得到水平旋转步进电机（东西）的控制信号；南北向同理，得到竖直旋转步进电机（南北）的控制信号。

图1：系统整体机械设计图

图2：追日装置设计图

图3：旋转式太阳翼设计图

表1：电机正反转状态表

图4：系统各模块框图

图5：光电检测模块电路图

本文设定步进电机水平方位跟踪，以由东向西转为正向；竖直方位跟踪，以由南向北转为正向。当太阳入射光线处于不同方位时，东西向电机和南北向电机的正反转输出状态见表1。

2.2 环境检测模块

在本文系统设计中，环境检测模块包括风速检测模块和露点检测模块。该模块的主要功能是实时检测外界环境的风速和露点程度。风速传感器、露点传感器输出的模拟电压信号经过电压放大器后通过A/D 转换器转换为数字电压信号，用于STM32 控制器读取[2]。STM32 控制器读取到实时数据，将其与所设定的风速和露点程度的安全阈值比对，若风速值或露点程度超过了安全阈值，系统将会产生中断服务，系统就会进行强制关闭。

3 软件设计

在本文系统设计中，当系统上电，系统处于初始化状态。首先风速传感器和露点传感器开始工作，实时检测外界环境的风速以及露点，并将当前的风速值和露点程度传回控制器。当外部环境合格，系统发出启动信号。系统盖板开关电机启动，当盖板开关电机工作到限位开关后，盖板开关电机停止工作。接下来的升降机构推杆电机以及太阳翼光伏板伸展电机工作同理。此时光电检测模块开始传回当前电压信号，通过跟踪处理程序比对当前太阳光线是否与光伏发电板垂直，进而STM32 控制器对水平方向、竖直方向步进电机发送PWM 控制信号，以达到使太阳光线与光伏板角度差为90°的目的。启动程序流程图如图6 所示。

图6：启动程序流程图

4 项目总结

为能够充分利用清洁能源，本文提出设计的基于STM32 的便携式追日发电系统，达到系统携带便利、精准追日、环境适应能力增强的目的，还能为光伏发电系统的设计与实现提供更多的可能性。