董进亮
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摘要：太阳能光伏系统在实际应用中应该有较强的安装适应性和可调整性，因此要考虑不同的地理位置、不同季节太阳高度角的不同及一天中太阳角度的变化对此的影响，可以实现太阳能板随太阳光角度的变化来实现方向的调节，从而使太阳能板达到最大的受光面积，进一步提高太阳能的使用效果。因此，本文设计了一种自动跟踪系统，以STM32为控主控制模块根据太阳板上安装的光敏电阻信号传来的信号，驱动来调整太阳能板的角度追踪太阳，保持太阳能板能有最大的受光面积，从而提高太阳能云台的发电效率。从试验结果来看，该系统能够有效提高发电效率，结构简单，易于安装，追踪精度、灵敏度都比较高，应用前景广阔。
关键词：智能云台；太阳能；发电系统
1 控制系统总体方案设计
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太阳能光伏发电系统由STM32为核心控制模块、太阳能板、光敏模块、蓄电池组、舵机模块，陀螺仪模块、电源模块等几部分组成。系统方框图如图1所示。
本设计是基于STM32单片机对太阳能实现最大利用的设计。首先单片机发送信号给光敏电阻来采集光信号，当环境光线亮度达不到提前设定好的阈值时，舵机控制太阳能板转动一定的角度并输出角度信息，同时单片机继续采集光敏电阻的信息。当外界环境光线亮度超过设定阈值时，调整舵机的方向使太阳能板达到接受最大光面积，并由MPU6050将角度信息返回给主控芯片STM32并在显示屏上显示，此时太阳能板转换的电能可以利用，还有一部分进行储存。
2 主要元器件的选择
2.1 主控模块
用STM32单片机作为控制芯片，其处理速度快、应用简单，性价比高;并且有内置的PWM波和AD 转换，这样利用此单片机的PWM波来实现舵机的控制、陀螺仪角度的输出、光敏电阻采集的数据以及呼吸灯的实现相当得简单，此款单片机不仅成本低，运行速度快，而且比其他同类型单片机性价比高。
2.2 寻光模块
光敏传感器选择的是光敏电阻，能够根据阳光的强弱转变，转变为相应电信号传递给单片机驱动设备运行。此传感器为比较器输出，无噪声、波形好，驱动能力强，并且还有可调电位器来调节检测光线亮度。此传感器设有固定螺栓孔，方便安装。寻光模块如图2所示。
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2.3 舵机模块
舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统，舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms～2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系如下：0.5ms——0度；1.0ms——45度；1.5ms——90度；2.0ms——135度；2.5ms——180度。
2.4 陀螺仪模块
使用InvenSense公司提供的运动处理资料库，既可以实现姿态解算，也能降低由于运动处理运算对操作系统造成的负荷，并且又大大降低了开发难度。MPU6050是一种高性能三轴加速度+三轴陀螺仪的六轴传感器模块，此模块可利用自带的数字运动处理器(DMP)硬件加速引擎，通过主IKC接口，向应用端输出姿态解算后的数据，支持IIC从机地址设置和中断。原理图如图3所示。
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2.5 电源模块
由于STM32F103RCT6、MG995、光敏电阻所需的电压为5V但是我们采用供电的电源为12V，所以在需要采用稳压模块来实现将12V的电压转化成为5V的电压，因此选择了LM2596S DC-DC直流可调降压电源模块，其输入输出电压范围广，效率高(最高92%)，发热量小，能很轻松带起3A(短时间)电流，长时间工作建议在2A以内的电流使用，同时加上散热片(10W以上输出)。
如果太阳能转化的电能没有用完，还可以储存起来，蓄电池一般选用密封胶体蓄电池，其维护很少，又被称为“免维护电池”，有利于系统降低维护费。
3 系统软件设计
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给该系统上电后，太阳能云台控制系统首先对各个模块进行硬件初始化，其中主要包括对显示模块、时钟模块等进行初始化。当云台系统对各模块初始化以后，首先设定阈值信息来判断是否让舵机转动以及舵机向哪个方向转动。STM32发送信息利用光敏电阻对光信号的采集，当环境光线亮度没有达到提前设定好的阈值时，则系统输出高电平，此时，舵机控制太阳能板转动一定的角度并由MPU6050输出角度信息显示，并且单片机继续采集光敏电阻的信息，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，输出低电平，此时调整舵机的方向使太阳能板达到接受最大光面积，并由MPU6050将角度信息返回给主控芯片STM32单片机并在显示屏上显示角度，同时还要不间断采集光敏电阻接收的光强度，来随时调整太阳能板的角度，同时还可以利用PWM波控制LED灯闪烁来证明此时为最佳采光角度。总体流程框图如图4所示。
4 系统测试
太阳能智能云台系统软件硬件完成以后，进行了系统实物的制作和测试。在测试中可以用灯光模拟太阳光，首先将灯光垂直照射到太阳能板上，经STM32单片机采集光敏电阻传回的信息，达到设定的阈值，驱动电机转动来达到最佳位置，缓慢移动灯光观察太阳能板移动情况，多次试验后，发现当大于阈值时基本能保持太阳能板和光照保持垂直。
5 结束语
本系统主要以STM32为控制核心，以光敏电阻模块采集来的信息去驱动电路对太阳能板进行控制。舵机带动太阳能板的运动，实现了太阳光能一直垂直照射在太阳能板上，提高了系统的光电转换效率，使用方便。因此可以用智能太阳能云台系统根据不同的需求应用到不同的场所，比如智能太阳能路灯安装在道路两旁、用于庭院的用电设备、景区霓虹灯等场所，具有一定的实用价值。
参考文献
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