摘" 要：随着经济全球化和世界经济的迅猛发展，人们对煤炭、石油等传统能源的需求越来越高，但该类资源不仅储藏有限，而且容易污染环境。与此同时，以太阳能为代表的新能源逐渐进入人们的视野。在此背景下，为进一步提高太阳能的利用率，文章提出一种基于STM32单片机的太阳能自动跟踪锂电池充电系统的设计方案，利用光照传感器采集四个方向的光照强度将其转换为电信号，通过AD转换将电信号转化为数字信号，再由STM32单片机进行数据处理分析，并根据四个方向的光照强度驱动电机旋转，使太阳能电池板与太阳光尽量保持垂直，最大限度提高太阳能的吸收效率。
关键词：STM32单片机；自动跟踪；锂电池充电
中图分类号 ：TP277" 文献标识码 ：A 文章编号：2096-4706（2024）09-0034-06
Design of Solar Energy Automatic Tracking Lithium Battery Charging System
Based on STM32 Single-Chip Microcomputer
QIN Meng， FAN Rui， ZHAO Juan， LANG Rui， WANG Yilong
（School of Information Engineering， Chongqing Electric Power College， Chongqing" 400053， China）
Abstract： With the rapid development of economic globalization and the world economy， peoples demand for traditional energy sources such as coal and oil is increasing. However， these resources not only have limited storage， but are also prone to environmental pollution. At the same time， new energy represented by solar energy is gradually entering peoples vision. In this context， in order to further improve the utilization rate of solar energy， the paper proposes a design scheme of a solar energy automatic tracking lithium battery charging system based on the STM32 Single-Chip Microcomputer. The light sensor collects light intensity from four directions to convert it into electrical signals. The electrical signals are converted into digital signals through AD conversion， and then the STM32 microcontroller performs data processing and analysis. The motor is driven to rotate according to the light intensity from four directions to keep the solar panel as perpendicular to the sunlight as possible， maximizing the absorption efficiency of solar energy.
Keywords： STM32 Single-Chip Microcomputer; automatic tracking; lithium battery charging
0" 引" 言
自18世纪60年代工业革命以来，能源已经成为人类各项活动的物质基础，人类社会对以石油和煤炭为主的矿物资源的需求也与日俱增，但该类能源在推动人类文明社会不断向前发展的进程中也带来一些新的问题，如环境污染、地质破坏以及能源逐渐枯竭等[1]。而解决这些问题最有效和最实际的方法就是大力发展太阳能、风能、水能及核能等新能源。其中，太阳能因自身具有无污染、可再生、储量丰富及分布面广等优点而被广泛使用，但太阳能也往往会因为光照散光、定向及不稳等问题大大降低其利用效率[2，3]。如何最大限度发挥太阳能的潜力，充分利用这种取之不尽的清洁能源是亟须解决的问题。目前市场上的太阳能充电/发电装置大多使用的是单一轴自动太阳能跟踪器、五轴自动太阳能追踪器、太阳能自动行走跟踪器、太阳能电池板或一轴自动液压杆跟踪器等，该类装置虽然具有一定的独立性、安全性或不易损坏等优点，但是，其往往也存在系统结构复杂，跟踪精度低，无法实现自动跟踪等缺点[4]。在此背景下，本文设计一种基于STM32单片机的太阳能自动跟踪锂电池充电系统，该系统利用光照传感器采集四个方向的光照强度，并根据四个方向的光照强度自动调整太阳板电池的倾斜角度，最大限度地让光照垂直照射到太阳能电池板的收光表面上，从而大大提高太阳能的吸收和转化效率。
1" 系统设计
图1为基于STM32单片机的太阳能自动跟踪锂电池充电系统的总体设计框图，该系统主要包含光电转换模块、AD转换模块、按键模块、LM2956稳压模块、锂电池充电模块、OLED显示模块、步进电机驱动模块及太阳能电池板等。其中，光照转换模块主要是利用光敏电阻将接收到的光照强度转换为模拟电信号，然后经由AD转换模块转化为数字电信号，并通过STM32单片机控制器对数据进行处理和分析，最后由OLED液晶显示模块显示当前光照强度、剩余锂电池电量及LM2596稳定太阳能电池板的电压。锂电池充电模块的主要作用是确保在有光线照射时借助太阳能为锂离子电池充电[5]，光线较弱时锂电池组又可以反过来为系统电路供电，从而实现无须外部电源即可确保系统正常工作。此外，还可以通过按键模块选择工作状态（手动模式或自动模式），手动模式下可通过按键直接控制太阳能电池面板的旋转，自动模式下首先通过4路光敏传感器采集光照强度，然后根据各方向的光照值自动控制电机旋转[6]。
1.1" STM32单片机控制电路模块
图2为单片机最小系统，STM32单片机控制模块是整个系统的控制核心，其主要由STM32单片机、复位电路、时钟电路及3.3 V电源等元件构成。该模块与系统的光照传感器及AD转换电路配合使用可将传感器采集到的光照数据转换成系统能够识别与处理的数据，最终实现光照强度监测、显示及电机控制等功能。该芯片采用ARM公司的Cortex-M内核，没有设置相对廉价的圆柱形晶体振荡器，启动晶体部分采用RTC和低负载方式。该芯片采用3.3 V稳压芯片，支持ST-LINK和JTAG调试下载，具有16 KB～
1 MB Flash、多种外设控制元件，可确保300 mA电流的最大输出。此外，其能够全速加载系统上传的光照数据并及时将处理后的数据全速回传到系统中，从而确保系统内部的数据能够快速处理完成[7]。
1.2" 光电转换模块
本系统设计中，光电转换模块主要是依靠四个方向上的光敏电阻器进行工作。光敏电阻器主要负责采集光照强度，将采集到的光信号转换成模拟电信号，并通过AD转换模块得到数字电信号，然后交由STM32单片机进行处理分析，最终控制步进电机带动太阳能电池板跟随太阳光转动，使其始终垂直于太阳光的入射光线，使太阳能的利用效率达到最高。其中，光敏电阻器主要是利用半导体的光电效应制成的一种自身阻值随光照强度改变而变化的特殊电阻器，其阻值往往与光照强度成反比，即：光照强度越强，其自身阻值越小，光照强度越弱，其自身阻值越大[8]。图3为四颗光敏电阻器实物分布图。
1.3" AD转换模块
图4为AD转换电路，在该系统中AD转换电路主要将光电转换电路所得到的模拟信号转换为数字信号。其中，AD转换芯片采用的是飞利浦公司的PCF8591芯片，操作电压范围为2.5～6 V，该芯片是一款单独供电、单片集成的芯片，具有功耗低、可靠性高、结构简单、读写方便、系统扩展方便等优点的8位逐次逼近式A/D转换器，其具有4个模拟输入通道、1个模拟输出通道和1个串行I2C总线通信接口，兼具模数转化（AD转换）功能和数模转换（DA转换）功能，可实现模数转换四路数字输出和一路数模转换模拟输出，广泛应用于各类电子设备及嵌入式系统。
1.4" 步进电机驱动模块
图5为步进电机驱动电路图。该模块主要由ULN2803芯片和两台步进电机构成，其中ULN2803芯片内部包含8路NPN达林顿连接晶体管阵，主要用于驱动两路步进电机工作，两台步进电机分别控制太阳能电池板在水平和垂直方向上的转动[9]。该模块根据STM32单片机的指令控制太阳能电池板跟随光照转动，使太阳能电池板始终与太阳光保持垂直。该模块通过使用四相五线步进电机控制开关，可以将电信号转换为角位移或线性位移，其通过输入脉冲个数来控制角位移量，每输入一个脉冲信号，步进电机固定旋转一个步进角，从而达到精确定位和精确定速的目的，旋转速度及停止位置取决于输入脉冲频率及数量的变化。
当步进电机接收到脉冲信号时，步进电机驱动器（驱动电路）由一个确定换向顺序的控制电路（或逻辑电路）和一个控制发动机功率的换向电路（或功率级）组成。
1.5" 按键模块
图6为按键电路原理图，该系统使用5个独立按钮，按钮的一端接地，低电平有效。KEY1、KEY2、KEY3、KEY4依次代表的是上、下、左、右四个方向的控制按键，KEY5是自动/手动工作模式的切换按键。在系统上电工作时，系统程序会实时扫描按钮的状态，并根据KEY5的状态确定当前工作模式是手动模式还是自动模式，如果是手动模式则会扫描KEY1至KEY4的状态并判断是其中哪个按键按下的，按下KEY1按键时步进电机控制太阳能电池板朝上旋转；按下KEY2按键时步进电机控制太阳能电池板朝下旋转；按下KEY3按键时步进电机控制太阳能电池板朝左旋转；按下KEY4按键时步进电机控制太阳能电池板朝右旋转；按下KEY5按键可实现工作模式的切换。
1.6" OLED显示模块
图7为OLED液晶屏电路图。系统上电后，OLED液晶屏显示的是当前锂电池电压、电池剩余电量以及太阳能控制面板上下左右四个方向的光照强度。OLED显示屏是一种新型的发光器件，当电流通过时材料会发光。在屏幕上的阳极和阴极之间使用传统的矩阵，按交叉顺序排列，通过选择阳极和阴极的组合可以控制每个选定选项中的照明。由于OLED是一个电流设备，显示器的亮度可由电流控制。OLED显示器的SCL输出与微控制器的A6输出相连，时钟数据通过SCL输出进行传输；SDA输出连接到微控制器的A5输出，并通过SDA输出传输串行数据。
1.7" 太阳能电池板
图8为太阳能电池板实物图，太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，是一种由光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的器件，当太阳能电池板受到光照时，其内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流，从而将太阳能直接转化为电能。在该系统的设计中，太阳能电池板采用的是太阳能滴胶板，其通过将太阳能电池片激光切割成小片，产生所需的电压与电流，再进行封装。因尺寸较小，一般不采用类似太阳能光伏组件那样的封装方式，而是使用环氧树脂覆盖太阳能电池片，与PCB线路板粘结而成，具有生产速度快、抗压耐腐蚀、外观晶莹漂亮等特点。通过将多个电池串联或并联起来组成输出功率较大的电池阵列，满足系统的输入电压要求。太阳能电池板可以将太阳光的光能转化为电能，方便太阳光能的使用、运输和存储[10]。
1.8" LM2596稳压模块
图9为LM2596稳压模块电路图，LM2596是美国国家半导体公司生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压芯片，其内部包含150 kHz固定频率振荡器和1.23 V基准稳压器，有低功耗和正常功耗两种模式，此外还包含电流限制、热关断电路等保护电路。该系统中的LM2596稳压电源输出5 V的固定电压，如果电压有偏差，可使用放大器来控制内部振荡器的输出负载循环，以此保持稳定的输出电压。该器件的使用可以用最少的外围设备形成有效的电压稳定电路。为了产生不同的输出电压，服务站的负极通常连接到1.23 V参考电压，正极连接到网络电压分离器。
1.9" 锂电池充电模块
图10为锂电池充电模块电路设计图，该模块的主要作用是利用转化后的电能为锂电池充电。该模块采用的是一款成熟稳定的充电芯片TP4056，其具有外围电路设计简单、保护性能好及充电精度高等优点。该系统在设计上采用了PMOSFET内部结构和反向外部绝缘充电电路，因此无须使用二极管。同时，热反应可以自动调节电流电荷，从而可以在高温情况下自动降低芯片温度，防止过热爆炸起火。此外，其连续电压充电为4.2 V，电流充电可以通过电阻器进行外部调节。如果当前电荷在达到最终充电电压后下降到数值范围的1/10，TP4056会自动停止充电循环。当输入电压（交流适配器或电源）被移除时，TP4056会自动切换到低功率模式，从而在低于2 AU功率的情况下减少电池泄漏。当电源可用时，TP4056也可以切换到关闭模式，使当前电源为55 μA。
2" 系统程序设计
本系统程序设计流程如图11所示。程序上电后先对系统初始化，包含对PCF8951模数转换器、工作模式及OLED液晶屏等模块的初始化，其中该系统的默认工作模式为手动模式。初始化后，光电转换电路中的光敏电阻采集光信号并将其转化为电信号，AD转换电路将模拟信号转化为数字信号，经过STM32单片机处理分析后将各信息同步显示到OLED液晶屏，然后开始判断系统的工作模式是手动模式还是自动模式。如果是手动模式，则可通过上下左右四个按键控制步进电机进行相应的旋转。如果不是手动模式（自动模式），系统会根据接收到的光照值实时自动控制步进电机的旋转方向，使太阳能充电板始终跟随太阳光，最大限度地实现太阳能的吸收和转化。
3" 系统测试
图12为整个系统的实物图，完成硬件搭建和软件程序设计后，首先对硬件连接进行检查，STM32数据处理是否正常，OLED液晶显示屏显示当前锂电池电压及电量的百分比。在手动模式下，可以通过按键控制两个步进电机拖动太阳能电池板朝上下左右四个方向运动；在自动模式下，太阳能电池板根据四个光敏电阻接收的光照强度自动改变朝向，朝光照更强烈的方向旋转。锂电池充电模块进行充电和供电，LM2596模块对系统各模块进行稳压，光线较强时太阳能经转换后为锂电池充电，光线较弱时再由锂电池为电路供电。经过调试，系统各模块均可正常运行，所有功能全部得以实现。系统运行过程中，系统根据光照传感器实时采集的光照值控制两个步进电机旋转，最大限度确保太阳光垂直照射到太阳能电池板上，从而实现太阳光的自动追踪。
4" 结" 论
基于STM32单片机的太阳能自动跟踪锂电池充电系统设计上采用双轴实时太阳能跟踪技术，使太阳能电池板与太阳光照垂直对齐，大大提高了太阳能的吸收效率。太阳能电池面板四个方向上分别安装一个光敏电阻，实时采集四个方位的光照值并将其转换为电信号，通过AD转换电路将采集到的模拟信号转换为数字信号后传输到STM32单片机中进行数据分析处理，并由STM32单片机控制步进电机实现对光照的自动追踪。该自动追光系统不仅可以提高对太阳能的利用率，还可以提高光伏发电的发电效率。经过测试使用后总结出，该系统具有低成本、低功耗、操作简单、应用范围广等优点，可广泛应用于社会生活中的各个领域，具有一定的应用推广前景。
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作者简介：秦蒙（1986—），男，汉族，山东蒙阴人，副教授，硕士，研究方向：智能算法、物联网技术及人工智能。
