基于单片机的光伏追光系统设计
摘要：在这个能源与生活密切联系的时代，随着人口的增长以及科技的高速发展，世界对能源的消耗量显著增长，未来能源短缺问题必将成为世界各国面临的重大问题，因而人们迫切需求一种新的能源来替代现有的化石能源体系。由此对清洁、可再生能源——太阳能的需求，决定了它的研究价值。当前能源利用率不高是太阳能利用设备存在的通病，本论文的研究方向就是使用太阳能追光技术使太阳能板始终垂直与太阳的入射光，进而提高太阳能的利用率，本系统选用STM32 F103C8T6单片机核心板为主控芯片，由各种功能模块共同搭建而成，系统采用光电检测跟踪模式实现对太阳的自动追踪。
关键词：太阳能；单片机；步进电机；光照检测；自动追光
Design of Photovoltaic Light Tracking System Based on Single Chip Microcomputer
Abstract : In this era of close connection between energy and life, with population growth and rapid development of science and technology, the world's energy consumption has increased significantly. The problem of energy shortage in the future will inevitably become a major problem faced by all countries in the world, so people urgently need one. New energy sources replace the existing fossil energy system. Therefore, the demand for clean and renewable energy-solar energy determines its research value. The current low energy utilization rate is a common problem in solar energy utilization equipment. The research direction of this paper is to use solar tracking technology to make solar panels always perpendicular to the incident light of the sun, thereby increasing the utilization rate of solar energy. This system uses STM32 F103C8T6 single-chip microcomputer core The board is the main control chip, which is built by various functional modules. The system adopts the photoelectric detection and tracking mode to realize the automatic tracking of the sun.
Keywords : Solar energy; Single chip microcomputer; Stepper motor; Light detection ; Auto follow light
目录
第一章 引言 1
1.1课题背景 1
1.2课题研究目的 1
1.3课题研究意义 1
1.3.1新环保能源缓解危机 1
1.3.2提高太阳能利用率 2
1.4太阳能跟踪系统国内外的发展现状 2
1.5本论文主要研究内容及其框架 3
1.5.1 主要研究内容 3
1.5.2 论文的主要框架 3
第二章 总体概念设计及主要元器件 5
2.1 总体概念设计 5
2.2 主要元器件 5
2.2.1主控芯片STM32F103C8T6单片机核心板 5
2.2.2步进电机 6
2.2.3 TFT彩屏1.44寸模块 8
2.2.4 TP4056锂电池充电模块 9
2.2.5 USB-5V升压模块 11
第三章 硬件电路设计 12
3.1 整体电路设计 12
3.2 单片机的最小系统设计 13
3.3步进电机模块设计 15
3.4 光照检测电路设计 16
3.5 按键电路设计 18
3.6 锂电池充电电路设计 18
3.6 USB-5V升压模块电路设计 19
3.6 TFI屏显示电路设计 20
3.7 太阳能发电路设计 20
第四章 系统软件设计 21
4.1 系统主要功能设计 21
4.2开发环境的选择 22
4.3 自动模式光电跟踪程序设计及其流程图 23
4.3 手动模式程序设计及其流程图 25
4.4 屏幕显示程序设计 27
4.5 光强检测程序设计 28
4.6 按键程序设计 29
第五章 实物的制作与调试 31
5.1 元器件焊接过程 31
5.2 实物调试 33
结论 36
致谢 37
参考文献. 38
第一章 引言
1.1课题背景
现如今全球能源短缺问题越来越突出，环境污染等问题日益加剧。随着世界人口的增长，经济的高速发展，能源消费快速增长，自1973年至2015年世界能源消耗已经由6101 Mtoe（百万吨由当量）增长至13647 Mtoe [[[]International Energy Agency.2017 key world energy statistics. International Energy Agency,2017.]]。在这个大背景下，绿色能源建设快速推进。众所周知太阳能是绿色可再生能源，可谓是“取之不尽，用之不竭”，因此对太阳能这一清洁能源的发展势在必行。因为太阳只有在白天才会有，所以对太阳光的利用上，尽可能的利用白天有限的太阳光照时间，最大化地利用太阳能量成为当今时代的研究的趋势。于是，相关的带有能够自动跟随太阳光的发电设备应运而生，它极大地提高了太阳能量的利用率，受到了世界各地的研究人员的热切关注。
1.2课题研究目的
本文研究了基于STM32单片机的光伏追光系统，主要用于提高太阳能的利用率。该装置能通过光敏电阻检测周围环境的光照强度，然后经过单片机处理，从而综合判断出哪个方位的光照最强，最后通过驱动两个步进电机组成的太阳能采集板的平面驱动装置，自动调整太阳能电池板的角度，使太阳能采集板能够随光照的改变自动改变位置，提高太阳能量的利用效率。
1.3课题研究意义
1.3.1新环保能源缓解危机
由表1.1所得，21世纪人类的文明如何发展面临诸多的问题,人口的增加、经济的发展、必然会导致能源需求的增加。当今世界主要的能源结构仍以燃烧化石燃料为主，长此以往不可再生能源将面临枯竭的危机[[[]于胜军.太阳能光伏器件技术[M].成都：电子科技大学出版社，2011.]]。若不采取措施，寻找新能源替代，未来必将爆发能源危机 [[[]车孝轩.太阳能光伏发电及智能系统[M].武汉：武汉大学出版社，2013.]]。太阳是太阳能能量的源泉，它的能量十分庞大，几乎就是一个天文数字，它源源不断地向四周空间散发放射出巨大的能量，地球所接收的能量仅是太阳发出总量的亿分之一，尽管如此，折合标准煤也有600万吨[[[]Chiras D D. Power from the Sun : A practical guide to solar electricity[M].New Society Publishers, 2013.]]。由此，对太阳能量的开发既有利于解决能源危机，又不会像化石燃料燃烧对环境造成污染。
表 1.1 1990—2030年世界各种燃料能源消费量的统计和预测（单位：x1024Btu）
年度 历史数据 预测数据 2006—2030年平均增长率
1990 2005 2006 2010 2015 2020 2025 2030
石油 136.4 170.4 172.4 174.7 183.3 194.2 204.6 215.7 0.9
天然气 75.3 107.1 108.1 118.5 131.0 141.7 151.3 158.0 1.6
煤炭 89.2 121.7 127.5 140.6 150.7 161.7 175.2 190.2 1.7
核能 20.4 27.5 27.8 29.0 31.9 35.4 38.1 40.2 1.6
其他 26.3 35.5 36.8 45.6 54.6 62.8 68.1 74.1 3.0
总计 347.7 462.1 472.4 508.3 551.5 595.7 637.3 678.3 1.5
1.3.2提高太阳能利用率
在一天中，太阳的方位不是固定不变的，而是随时间的变化而不断变化的。在太阳能利用设备中，为了提高太阳能利用率，就需要控制太阳能电池板和太阳的角度[[[]吕勇军,鞠振河.太阳能应用检测与控制技术[M].北京：人民邮电出版社，2013.]]。目前普遍使用的太阳能利用设备是固定式的光伏阵列，它主要存在的问题是太阳能利用效率较低。因而，想收集更多的太阳能量，就必须使太阳能收集设备能够随太阳光角度的变化同步的跟随其变化，达到一个追光的效果，使得太阳能利用装置得以提高太阳能量的更有效的利用；实践表明，相同条件下，有自动跟踪设备的光伏阵列要比固定式设备的发电量提高30%以上，成本下降了四分之一左右，推动了追光系统的发展，促进了绿色建设[[[]徐海鹏.双轴式太阳能自动跟踪系统[D].北京：北方工业大学,2014.]]。
1.4太阳能跟踪系统国内外的发展现状
太阳能利用技术一直都是能源研究的热点，在太阳能的收集和转换过程中，同样的条件下，采用自动追光设备要比固定设备在收集太阳能上可提高23.37%[[[]张鹏飞. 光伏发电自动跟踪系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2009.]]。因此，在太阳能利用上太阳能追光系统的研究被赋予了重要的地位。
目前，国内外现有的太阳跟踪装置，其跟踪方式可以分为单轴跟踪和双轴跟踪 [[[]金晶晶.太阳光线自动跟踪装置[D].沈阳：沈阳工业大学，2007．]]。根据研究结果表明，单轴太阳能跟踪系统的输出功率比固定式系统提高25%，双轴太阳能跟踪系统比固定式系统提高41% [[[]戴训江,晁勤.太阳能单轴跟踪系统的PLC设计[J].可再生能源,2008(3):60-62．]]。我国在1990年研制了FST型全自动太阳跟踪器，成功应用于太阳辐射观测[[[]娄丽萍.基于 dsPIC30F 的移动式太阳能自动跟踪系统的设计［D］． 天津: 天津大学，2012]]。近年来，槽太阳能自动精确追光系统自身能耗极低，与现有追光方式相比，其总利用率提高了23.37%[[[]魏建新.槽式太阳能精准自动追光系统的设计与实现[D].湖南：湖南大学,2017.]]。
相对于国内，国外90年代开发出单轴太阳跟踪器，使接收器的太阳能接收率提高了15% [[[]李永霞,李战,刘畅,兰天,黄盛.基于STC单片机的太阳能电池板自动追日系统[J].计算机应用,2013,33(S2):331-332+335]]。为了进一步提高太阳能利用装置的利用率，美国在1998年成功研究了双轴跟踪装置[[[]孙晓宁.基于单片机的太阳光自动追踪系统研究[D].河北：河北大学,2015.]]。Safa Skouri等通过抛物面聚光镜聚光技术提高了定位和跟踪准确性[[[]Skouri S, Ben Haj Ali A, Bouadila S, et al. Design and construction of sun tracking systems for solar parabolic concentrator displacement[J]. Renewable and S ustainable Energy Reviews,2016,60:1419-1429.]]。
现如今世界各地都在推行绿色发展，我相信在当今时代发展下，太阳能利用的研究一定会持续推进，太阳能利用率一定能够一次又一次的创新高。
1.5本论文主要研究内容及其框架
1.5.1 主要研究内容
本次论文主要研究是运用STM32F103C8T6单片机构建光伏追光系统，使用光电追踪来进行太阳方位角的跟踪，使基于单片机为核心的光伏追光系统能够全天高效率地运行，以提高太阳能光伏发电效率。
本文主要研究内容如下：
⑴ 根据系统设计目标以及功能的实现，通过查阅相关资料来选取系统所需各种硬件元件。以及设计出各个模块的具体电路。
⑵ 根据具体功能实现设计软件系统，编写具体软件程序。
⑶ 将软件程序写入单片机实物联合调试，验证程序功能。以及通过实物找出存在的问题再加以改进。
1.5.2 论文的主要框架
第一章，主要说明了发展太阳能对于我们的重要性，提出追光系统的研究目的以及当前背景。
第二章，主要根据系统设计需求对系统进行总体概念设计，对用到的元件进行简单的介绍，以及其应用要求。
第三章，进行各模块的电路设计。
第四章，软件程序的功能说明，程序语言的选择，开发环境的确定，根据每一部分实现的功能进行程序设计及功能流程图的介绍。
第五章，实物的制作以及调试。
第六章，总结，对本次毕业设计进行简要概括，对已有实物进行客观评价，并提出改进的方案及措施。
参考文献
[]International Energy Agency.2017 key world energy statistics. International Energy Agency,2017.
[]于胜军.太阳能光伏器件技术[M].成都：电子科技大学出版社，2011.
[]车孝轩.太阳能光伏发电及智能系统[M].武汉：武汉大学出版社，2013.
[]Chiras D D. Power from the Sun : A practical guide to solar electricity[M].New Society Publishers, 2013.
[]吕勇军,鞠振河.太阳能应用检测与控制技术[M].北京：人民邮电出版社，2013.
[]徐海鹏.双轴式太阳能自动跟踪系统[D].北京：北方工业大学,2014.
[]张鹏飞. 光伏发电自动跟踪系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2009.
[]金晶晶.太阳光线自动跟踪装置[D].沈阳：沈阳工业大学，2007．
[]戴训江,晁勤.太阳能单轴跟踪系统的PLC设计[J].可再生能源,2008(3):60-62．
[]娄丽萍.基于 dsPIC30F 的移动式太阳能自动跟踪系统的设计［D］． 天津: 天津大学，2012
[]魏建新.槽式太阳能精准自动追光系统的设计与实现[D].湖南：湖南大学,2017.
[]李永霞,李战,刘畅,兰天,黄盛.基于STC单片机的太阳能电池板自动追日系统[J].计算机应用,2013,33(S2):331-332+335
[]孙晓宁.基于单片机的太阳光自动追踪系统研究[D].河北：河北大学,2015.
[]Skouri S, Ben Haj Ali A, Bouadila S, et al. Design and construction of sun tracking systems for solar parabolic concentrator displacement[J]. Renewable and S ustainable Energy Reviews,2016,60:1419-1429.
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