羅嘉良 周建華* 盤姿君 商凱源

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南省株洲市 412007 2.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖南省株洲市 412007）

目前我國太陽能應(yīng)用行業(yè)發(fā)展良好，但就行業(yè)對太陽能的利用效率和發(fā)電設(shè)備使用便利度而言，我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)仍然存在著以下不足之處：光伏發(fā)電設(shè)備過大，不利于攜帶；對太陽能使用效率低[1]；容易受到環(huán)境的影響，光伏電池板及其他重要結(jié)構(gòu)容易受到損耗，維護(hù)費(fèi)用大。

本文為避免上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的便攜式追日發(fā)電系統(tǒng)，以便于精準(zhǔn)跟蹤太陽光線的同時(shí)具有更廣的使用環(huán)境和更長的使用年限。

1 系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)包括箱體及開合裝置、追日裝置、支撐框架、旋轉(zhuǎn)式太陽翼及展開裝置，系統(tǒng)整體機(jī)械設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

1.1 箱體及開合裝置

箱體及開合裝置作用是保護(hù)太陽翼和電機(jī)等，同時(shí)使裝置便攜性提升，箱體及開合裝置包括箱體底座、前、后箱體、推桿電機(jī)、連桿。箱體底座為長方體，存放驅(qū)動(dòng)器、控制板和蓄電池。前后箱體分別與兩個(gè)連桿連接，連桿另一端連接推桿電機(jī)，形成移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，推桿電機(jī)抬升時(shí)箱體打開。

1.2 追日裝置

追日裝置包括步進(jìn)電機(jī)、上下托盤、支撐軸承、齒輪以及四個(gè)限位開關(guān)，上托盤固定用于水平旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)，下托盤固定用于豎直旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。上下托盤之間通過支撐軸承連接，用于水平旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)軸與上托盤連接，帶動(dòng)上托盤旋轉(zhuǎn)，用于豎直旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)通過齒輪與支撐框架中間部位連接，帶動(dòng)支撐框架水平旋轉(zhuǎn)。下托盤放置兩個(gè)限位開關(guān)用于限制水平方向旋轉(zhuǎn)，上托盤放置兩個(gè)限位開關(guān)用于限制豎直方向旋轉(zhuǎn)，追日裝置設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

1.3 旋轉(zhuǎn)式太陽翼

旋轉(zhuǎn)式太陽翼包括支撐架、太陽翼。支撐架為正六邊形，其中一邊連接太陽翼。太陽翼由條形光伏板和兩側(cè)連接件組成，連接件對太陽翼進(jìn)行支撐。多個(gè)太陽翼依次串聯(lián)，類似于卷閘門和拖鏈的形式。收縮時(shí)可以順序排列緊貼支撐架，展開時(shí)張開成平面，旋轉(zhuǎn)式太陽翼設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件主要設(shè)備有STM32 單片機(jī)、光敏電阻、限位開關(guān)、推桿直流電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、A/D 轉(zhuǎn)換器、按鍵。

推桿直流電機(jī)是箱體支撐部分連桿升降的驅(qū)動(dòng)源；太陽翼光伏板伸縮直流電機(jī)是卷軸折疊支架的驅(qū)動(dòng)源；兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)是水平方向和豎直方向的驅(qū)動(dòng)源；限位開關(guān)是用于防止太陽翼光伏板偏轉(zhuǎn)超過限定值從而造成系統(tǒng)損壞的外接元件，當(dāng)太陽翼光伏發(fā)電板運(yùn)行到這兩個(gè)方向的最大位置處，觸發(fā)限位開關(guān)，STM32 控制器對步進(jìn)電機(jī)發(fā)送停止信號(hào)。系統(tǒng)各模塊框圖如圖4 所示。

2.1 光電跟蹤模塊

在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光電檢測電路的設(shè)計(jì)分為四路，東西南北方向上的每個(gè)光敏電阻需要串聯(lián)一個(gè)阻值相同的電阻來進(jìn)行分壓。當(dāng)太陽入射光線的方位不同時(shí)，四個(gè)方向的光照強(qiáng)度不同，則四路串聯(lián)電阻則會(huì)分到不同的電壓。東西南北方向四個(gè)串聯(lián)電阻的電壓即為光電檢測模塊的四路輸出電信號(hào)UE、UW、US、UN。四路輸出電信號(hào)經(jīng)過電壓放大器接到A/D 轉(zhuǎn)換器將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送給STM32 核心控制器。光電檢測模塊電路圖如圖5 所示。

在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，跟蹤模塊通過控制水平旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和豎直旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，從而達(dá)到對太陽翼光伏板的雙軸控制，實(shí)現(xiàn)對太陽入射光線的精準(zhǔn)跟蹤。由光電檢測模塊輸出的四路數(shù)字電壓信號(hào)接入STM32 控制器，計(jì)算東西向串聯(lián)電阻電壓UE和UW的差值，得到水平旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)（東西）的控制信號(hào)；南北向同理，得到豎直旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)（南北）的控制信號(hào)。

圖1：系統(tǒng)整體機(jī)械設(shè)計(jì)圖

圖2：追日裝置設(shè)計(jì)圖

圖3：旋轉(zhuǎn)式太陽翼設(shè)計(jì)圖

表1：電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)表

圖4：系統(tǒng)各模塊框圖

圖5：光電檢測模塊電路圖

本文設(shè)定步進(jìn)電機(jī)水平方位跟蹤，以由東向西轉(zhuǎn)為正向；豎直方位跟蹤，以由南向北轉(zhuǎn)為正向。當(dāng)太陽入射光線處于不同方位時(shí)，東西向電機(jī)和南北向電機(jī)的正反轉(zhuǎn)輸出狀態(tài)見表1。

2.2 環(huán)境檢測模塊

在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，環(huán)境檢測模塊包括風(fēng)速檢測模塊和露點(diǎn)檢測模塊。該模塊的主要功能是實(shí)時(shí)檢測外界環(huán)境的風(fēng)速和露點(diǎn)程度。風(fēng)速傳感器、露點(diǎn)傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過電壓放大器后通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，用于STM32 控制器讀取[2]。STM32 控制器讀取到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將其與所設(shè)定的風(fēng)速和露點(diǎn)程度的安全閾值比對，若風(fēng)速值或露點(diǎn)程度超過了安全閾值，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生中斷服務(wù)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)閉。

3 軟件設(shè)計(jì)

在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)系統(tǒng)上電，系統(tǒng)處于初始化狀態(tài)。首先風(fēng)速傳感器和露點(diǎn)傳感器開始工作，實(shí)時(shí)檢測外界環(huán)境的風(fēng)速以及露點(diǎn)，并將當(dāng)前的風(fēng)速值和露點(diǎn)程度傳回控制器。當(dāng)外部環(huán)境合格，系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)蓋板開關(guān)電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)蓋板開關(guān)電機(jī)工作到限位開關(guān)后，蓋板開關(guān)電機(jī)停止工作。接下來的升降機(jī)構(gòu)推桿電機(jī)以及太陽翼光伏板伸展電機(jī)工作同理。此時(shí)光電檢測模塊開始傳回當(dāng)前電壓信號(hào)，通過跟蹤處理程序比對當(dāng)前太陽光線是否與光伏發(fā)電板垂直，進(jìn)而STM32 控制器對水平方向、豎直方向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送PWM 控制信號(hào)，以達(dá)到使太陽光線與光伏板角度差為90°的目的。啟動(dòng)程序流程圖如圖6 所示。

圖6：啟動(dòng)程序流程圖

4 項(xiàng)目總結(jié)

為能夠充分利用清潔能源，本文提出設(shè)計(jì)的基于STM32 的便攜式追日發(fā)電系統(tǒng)，達(dá)到系統(tǒng)攜帶便利、精準(zhǔn)追日、環(huán)境適應(yīng)能力增強(qiáng)的目的，還能為光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供更多的可能性。