基于STM32的太阳能电池板监测系统设计

摘 要：常规能源的不可再生性迫使人们加快替代能源的开发研究，太阳能电池板的利用更是渐入大众的视野和社会的各个领域。本文介绍一种以STM32F103ZET6芯片为核心的太阳能电池板监测设计方案。该芯片内置32位CortexTM-M3 CPU，最高工作频率达72MHz，超低功耗，其性能远超8位51单片机，以其替代51单片机，使得电路设计更容易，软件设计更简洁，性价比更高，具有一定的实用和推广价值。

关键词：太阳能；电池板；STM32F103ZET6；DS18B20

中图分类号：TP23 文献标识码：A

充足的能源储备已是一个国家飞速与稳定健康发展的重要保障，常规能源的不可再生性迫使人们加快替代能源的开发研究，而我国地理优势显著，具有丰富的太阳能资源，但由于照射角度、照射时间以及照射强度等众多客观因素的存在，我国的太阳光利用率不高，本文以太阳能电池板领域为例，以优化利用、提高光电转化率为目的对太阳能电池板的监测手段提出新的监测方案：基于STM32F103ZET6芯片的太阳能电池板监测系统的设计方案。结合多传感器融合技术，取代以往过时的以51单片机为核心的設计方案，让设计更容易，电路更简单，运行更可靠，成本更低，并具有一定的实用价值和推广价值。

1.系统及硬件设计

1.1 系统结构及工作原理

本系统主要包括以下几个单元：传感器单元、STM32主控单元、数据传输单元、上位机单元，如图1所示。系统运行后，STM32主控单元首先对传感器初始化设置，并扫描前置传感器所获取到的参数信号，然后STM32主控单元再将数据处理后通过RS485上传给上位机，上位机实时显示下位机上传来的数据，并通过上位机程序设定相应的阈值，超标后会进行相应的报警。同时主控单元会根据数据分析对太阳能电池板进行两轴追光调整，上位机也对下位机所监测的数据进行统计分析，并可以通过上位机程序上的按钮来调节太阳能电池板的倾角，使得太阳能电池板处于最佳的采角度。

1.2 主控单元

本系统选用了STM32F103ZET6芯片。STM32F103ZET6是增强型32位ARM处理芯片，内置32位CortexTM-M3 内核，超低功耗，是新一代的嵌入式处理器，内置512KB的Flash存储器，内部SRAM为64KB，CPU可以以0等待周期读写。配合72MHz的时钟，使得主控单元的程序运行更快，处理能力更强，综合性能远超8位的51单片机。

1.3传感器单元

本系统选用了DALLAS的DS18B20数字式温度传感器。数字式传感器操作起来更容易。用户可以用编程的方式调节DS18B20的精度，其支持单总线协议，每一枚DS18B20都内置了唯一的64位识别码，当需要同时多点测温时，只需把众多的DS18B20都接到一个接口上就可以。对于光强的采集，也选用了数字式传感器，精度为16位，型号为BH1750FVI，这个传感器在具有数字式的好处外，这种传感器还支持I2C总线协议。

本系统中还利用倾角传感器来监测太阳能电池板的倾斜角度和光敏传感器一起为两轴追光系统提供技术数据。追光功能单元中最重要的就是4个光敏传感器，分别为PR1、PR2、PR3、PR4，用于对识别太阳光的位置，监测装置上4个光敏传感器放置示意如图2所示，PR1和PR2在东西方向上，识别太阳日起日落的轨迹，PR3和PR4在南北方向上，识别太阳四季更替的轨迹，4个传感器中间用一定高度的隔板隔开。当阳光直射监测装置时，4个光敏传感器受到的光照强度是一样的，因此被主控单元采集到的4个光敏传感器的电压值也是相同的，当太阳不直射监测装置时，PR1和PR2光敏传感器，以及PR3和PR4光敏传感器所获得光照会有所不同。这样分别对东西、南北两组传感器比较，就可以感知最佳的太阳光位置。

1.4数据传输单元

常见的数据传输有RS-232和RS-485通信方式，RS-232协议是采用不平衡传输方式，传输速率相对较低，最大速率才只有200kbps，而且传输距离十分有限，而RS485协议则采用平衡传输，即差分传输方式，最大速率可达10Mbps，传输距离可以达到上千米，在本系统中，考虑到现场环境以及后续的扩展升级，采用了RS-485的通信方式，并选用性能相对比较优越的MAX485通信芯片，实现STM32F102ZET6芯片与PC机的数据通信。

2.软件设计

系统上电之后，STM32F103ZET6芯片中的主程序会对相关的引脚端口和传感器进行初始操作，然后等待上位机虚拟软件发出采集的指令，当主控芯片接收到采集指令，并会对每个传感器进行循环扫描采集，并将各路的采集值以数字量的格式上传给上位机的虚拟仪器，同时主控芯片会对相关数据进行分析运算，如发现太阳能电池板偏离最佳光照位置，主控芯片会给两轴追光云台发出指令，让其纠正到最佳位置，上位机的虚拟仪器会显示相关数值，也会对相关数据进行分析运算，如果某些值超标，会报警，在两轴追踪云台不能自动追踪到合适位置时，也可以通过上位机给主控芯片发出调整指令，从而达到最佳调整效果。

结论

本文介绍了基于STM32的太阳能电池板监测系统的设计方案，并进行了模拟测试，能有效监测相关参数，并驱动太阳能电池板转动到最佳角度。在达到以往以51单片机为主的控制效果基础上，速度更快，完全可以替代以往51单片机的监测方案，而且电路更加简洁，成本更低，性价比更高，具有一定实用价值与参考价值。

参考文献

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