基于SMT单片机的双轴太阳能智能追光系统的设计

摘 要：为提高太阳能发电效率，文章设计了一种基于SMT单片机的双轴太阳能智能追光系统。系统通过光敏器件采用双轴跟踪方式根据太阳光照强度实时调整光伏电池板的方向，使光伏板接收太阳辐射的效率最高。系统实时采集光照强度参数并显示，由单片机控制电机“智慧”追踪太阳，亦可通过按键切换为手动模式控制步进电机四向翻转。若光照不够，可以通过充电器为系统充电使其正常工作。

关键词：太阳能；SMT单片机；步进电机；双轴追光

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）13-0181-05

Design of Dual-axis Solar Energy Intelligent Light Chasing System Based on

SMT Single-chip Microcomputer

SU Shuangqin

（Suzhou Higher Vocational School， Suzhou 215009， China）

Abstract： In order to improve the efficiency of solar power generation， this paper designs a kind of dual-axis solar energy intelligent light chasing system based on SMT single-chip microcomputer. The system adjusts the direction of the photovoltaic panel in real time according to the sunlight intensity by using the dual-axis tracking mode of the photosensitive device， which makes the photovoltaic panel receive the solar radiation with the highest efficiency. The system collects and displays the light intensity parameters in real-time， controls the motor“Wisdom”to track the sun by the single-chip microcomputer， and it also could switch to manual mode by keys to control the stepper motor to four-way turnover. If the light is not enough， it can charge the system through the charger to make it work properly.

Keywords： solar energy; SMT single-chip microcomputer; stepper motor; dual-axis light chasing

0 引 言

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无须运输，对环境无任何污染[1-4]。因为四季的变换，太阳的直射角度是有周期性的变化的。固定的太阳能电池板，在不同的时间，太阳能电池板单位面积是的接收效率是不均匀的，导致太阳能的利用效率降低[5-7]。为了保障光伏发电效率提出一种基于单片机的双轴太阳能智能追光系统设计[8-10]。

1 系统总体设计方案

基于SMT单片机的双轴太阳能智能追光系统原理框图如图1所示。

光伏板采集光能转化为电能，经过稳压电路稳压后，由充电模块给锂电池充电。锂电池经过升压稳压模块稳压到5 V给整个系统供电。

系统上电后，默认“自动模式”，系统自动追寻光照较强的方向。也可以通过按键切换为手动模式，即手动控制步进电机使其上翻、下翻、左转、右转。

无论自动、手动模式，1.44寸TFT彩屏实时显示光敏电阻采集的数据，范围是0～1 000。光敏电阻分为上、下、左、右四个方位。二路步进电机驱动电路，步进电机焊接在一块，形成两个自由度的转动，即上下翻滚和左右转动。其中上端的步进电机焊接在光敏采集板上。主控板和光敏采集板通过连接线连接。

单片机采集锂电池电压并换算容量大小，显示在彩屏上，如果锂电池的容量低于45%，出现红色提示。两个步进电机停止动作和转动过程，拉电流区别较大，此时容量会有波动属于正常现象。如果光照不够，锂电池电量不足，可以用充电器通过TP4056模块充电。

2 硬件设计

2.1 单片机控制电路

单片机控制电路的核心部分——STM32F103C8T6处理器是一种基于ARM 7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。这款处理器具有高性能、低功耗的特点，被广泛应用于各种嵌入式系统和自动化控制领域。

STM32F103C8T6处理器的工作电压为3.3 V，最高运行频率可达72 MHz。其内部集成了丰富的功能，包括12位ADC、DAC、定时器、串口等，方便开发者根据不同需求进行配置。此外，该处理器还具有丰富的外设接口，如SPI、I2C、UART等，便于与其他硬件设备进行通信。

在本设计中，STM32F103C8T6处理器负责接收外部信号，处理数据并输出控制信号。通过配置相应的GPIO端口，可以实现对实验系统中的各种设备进行开关控制。同时，处理器可以将实验数据通过串口或其他通信方式传输给上位机，便于实时监控和数据分析。

此外，为了提高系统的可靠性和安全性，我们还在电路中加入了保护措施。如在电源输入端加入过压、过流保护，防止外部电源波动对系统造成损害。在通信接口处，采用了光电隔离技术，有效防止电磁干扰对系统的影响。

STM32F103C8T6处理器在本设计中起到了核心作用。通过合理配置和优化电路设计，我们实现了一个高性能、高可靠性的单片机控制电路。

2.2 步进电机驱动电路

基于SMT单片机的双轴太阳能智能追光系统的步进电机驱动电路原理图如图2所示。

在系统中，我们选择了4相5线的5 V步进电机，型号为28BYJ-48，其具体参数如下：直径为28 mm，电压为5 V，步进角度为5.625×1/64，减速比为1/64。由于单片机的驱动能力有限，我们选择了ULN2003来驱动步进电机。

ULN2003是一款高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。每一对达林顿都串联一个2.7 kΩ的基极电阻。在5 V的工作电压下，它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003具有以下优点：工作电压高，工作电流大，灌电流可达500 mA；能够在关态时承受50 V的电压；输出可以在高负载电流并行运行。此外，ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。在实际应用中，通常单片机驱动ULN2003时，上拉电阻取2 kΩ较为合适。同时，COM引脚应该悬空或接电源。在系统调试过程中，我们发现ULN2003在驱动28BYJ-48步进电机方面具有很好的性能和稳定性。

2.3 光照检测电路

基于SMT单片机的双轴太阳能智能追光系统的光照检测电路原理图如图3所示。

本系统选择光敏电阻作为检测光照的器件，其工作原理基于内光电效应，即光照强度与电阻值之间的关联。其阻值随光照强度的增大而迅速降低。当光照强度愈强，阻值愈低，亮电阻值可以小至1 kΩ以下。光敏电阻对光线具有极高的敏感性。在无光照条件下，光敏电阻呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5 MΩ。这意味着，光敏电阻可以有效地检测到光照的变化，并将其转化为电阻值的改变。

在本设计中，我们通过串联一个电阻实现光敏电阻的分压，电路中的电压按照光敏电阻与串联电阻的比例分配。通过测量串联电阻上的电压，我们可以得到光照强度对应的电压信号。同时，这种分压电路也能起到保护光敏电阻的作用，通过限流电阻和稳压器等元件，可以有效地防止过载和短路等现象对光敏电阻造成损害。此外，还可以通过监控光敏电阻的电阻值变化，及时发现异常情况并采取措施。

光敏电阻是一种敏感、可靠的光照检测器件。通过合理设计电路，我们可以实现光敏电阻的分压和保护，将其应用于光照检测和控制系统中。随着光照强度的变化，光敏电阻的电阻值发生相应变化，为我们提供了准确、实时的光照信息。光敏电阻的分压和保护设计，为光照检测领域提供了重要的技术支持。

2.4 显示电路

本设计选用一款通用的1.44寸TFTLCD触摸彩屏模块，分辨率为128×128；1.44寸彩屏；驱动IC为ST7735；色彩深度为16位（65K色）。这些优秀的硬件配置，使得这款模块在显示效果上表现出色。其亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，可以让用户在观看时获得更为舒适的视觉体验。同时，快速的反射速度也使得这款模块在实时显示动态画面时，表现更为流畅。值得一提的是，这款模块还具备触摸功能。通过集成触摸控制器，用户可以轻松实现手指触摸操作，方便快捷。

2.5 升压模块供电电路设计

基于SMT单片机的双轴太阳能智能追光系统的升压模块供电电路原理图如图4所示。

本设计选用了一款性能卓越的DC-DC模块—XR2682。这款模块采用贴片SOP-8封装，具有升压效率高、功率适中、输出稳定等特点，特别适用于3.7 V锂电池升压至5 V的电压转换场景，输入电压范围为2.7～5.5 V，可以同时满足锂电池和外接5 V供电。

XR2682模块的转换效率最高可达94%，这意味着在能量传输过程中，仅有极少的部分能量被损耗。此外，这款模块还具有中等功率，可提供5 V 2.4 A / 6 V 2 A / 9 V 1.3 A的输出，满足了大部分电子设备对电源的需求。

作为一款同步高效DC-DC升压转换器，XR2682采用了PWM（脉宽调制）控制技术，使得输出电压稳定，频率恒定。这种技术不仅提高了电源的可靠性和稳定性，还降低了电磁干扰，使得产品更加符合现代电子设备对绿色、环保的要求。

3 软件设计

系统主程序流程图如图5所示。主程序包括系统初始化、数据采集、判断电池板接收到的光照是否最强、显示相关信息等，主要代码如图6所示。

3.1 系统初始化

在系统启动时，对各个模块进行初始化，包括硬件设备、软件参数和数据结构等。硬件设备初始化主要包括电池板、传感器、显示器等；软件参数初始化主要包括算法参数、阈值设定等；数据结构初始化主要包括内存分配、数据清空等。系统初始化完成后，各模块将正常运行，为后续数据采集和光照强度判断提供基础。

3.2 数据采集

数据采集是系统核心部分，主要包括光照强度传感器采集和电池板电压采集。光照强度传感器负责实时监测环境光照强度，将其转换为电信号后，通过模拟-数字转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号。电池板电压采集同理，将电池板输出电压转换为数字信号。这两组数据将作为后续判断光照强度和电压是否最优的依据。

3.3 光照强度判断

系统将实时采集到的光照强度和电池板电压与预设阈值进行比较。判断光照强度是否最优时，需综合考虑电池板电压、光照强度与历史最优值的关系。当光照强度达到或超过历史最优值时，更新历史最优值，并将相关信息存储于内存中。判断电压是否最优同理，比较实测电压与历史最优电压，若满足条件，则更新历史最优电压。

3.4 信息显示

系统根据判断结果，将最优光照强度、电压等信息通过显示器展示给用户。此外，系统还可根据用户需求，提供数据可视化功能，如曲线图、柱状图等，方便用户实时了解系统运行状况。

综上所述，主程序通过系统初始化、数据采集、光照强度判断和信息显示四个环节，实现了对电池板光照强度和电压的实时监测、判断和优化。

4 系统调试

系统实物如图7所示。经过多次测试和优化，我们对这款系统越来越有信心。为了进一步验证其性能，我们决定在实际环境中进行实地测试。

在一片开阔的场地，我们将太阳能电池板竖立起来，在阳光明媚的白天，太阳光线照射在太阳能电池板上。此时，系统自动追光功能启动，电机不断调整光伏板方向和角度，使太阳光线始终照射在电池板上，以最大限度地吸收太阳能。

图7 系统实物图