智能建筑中太阳能自动跟踪系统设计

一、太阳能自动跟踪系统的总体设计方案

目前，常用的太阳能自动跟踪方式有三种，即光电跟踪、太阳高度角跟踪以及二者相结合的混合跟踪方式。其中，光电跟踪方式采用了闭环控制形式，累积误差小、准确度高；但其光电探测器易受天气和杂散光等影响，对周围使用环境要求较高。太阳高度角跟踪方式（也叫视日运行轨迹跟踪方式）包括单轴跟踪和双轴跟踪两种方式。此种跟踪方式不易受外界影响、工作可靠性高；但由于其采用的是开环控制形式，导致跟踪累积误差较大；且需要安装定位精准。综合分析比较，本文采用光电跟踪与太阳高度角跟踪相结合的混合跟踪方式。可根据使用情况的变化灵活切换不同的跟踪方式，以实现太阳能自动跟踪系统的功能互补，提高其跟踪精度和运行的稳定性。

二、系统的硬件设计

结合太阳能自动跟踪方式的分析比较，本文给出了一个基于STM32控制器的太阳能自动跟踪系统硬件设计方案；且具有控制简单、低成本、高性能的特点。该系统主要由太阳能跟踪控制器、检测模块、步进电机模块等组成。其中，太阳能跟踪控制器作为系统的核心部分，又包括电源模块、LCD显示模块、AD转换模块、串口通信模块等；同时采用STM32核心芯片连接各个模块控制整个太阳能自动跟踪装置，并保证系统的稳定运行。系统各部分硬件组成形式及其功能如下。（1）太阳能跟踪控制器选用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6作为主控芯片。该芯片含有精密外设且可靠性高，具有简单实用、功耗低、可扩展性强等特点。其电源模块采用12V供电电源形式，通过LM2596、SPX1117芯片转换之后可输出5V、3.3V、2.85V、1.8V、1.5V等不同电压以供给各模块使用。串口模块选用CH340G芯片，可提供RS232和RS485两种接口形式；主要用于STM32控制器与LCD显示模块、GPS模块的通信。LCD显示模块选用3.2寸TFT－LCD，具有显示速度快、操作方便等特点。作为太阳能跟踪系统的重要组成部分，该控制器主要用于接收和处理各传感器信息、控制步进电机转动、选择合适的太阳能跟踪方式以及实时显示系统工作状态等。（2）传感器检测模块包括光电池传感器、高度角传感器、方位角传感器和信号处理电路等。主要用于检测太阳光照强度、执行机构角度与方位偏移量等信息，并利用信号处理电路进行转换、放大处理，以输出给控制器使用。（3）GPS模块作为太阳能跟踪系统中观测地的定位设备，选用的是u－blox公司的NEO－6M模块；主要用于确定观测点地理经度和纬度等信息。（4）步进电机模块选用的是56BYGH630DJP电机型式，并利用ULN2003驱动器进行驱动。通过对高度角步进电机与方位角步进电机的控制，实现太阳能电池板的转动，以达到太阳能实时跟踪的目的。

三、系统的软件设计

根据太阳能自动跟踪系统的硬件结构，本文采用模块化的设计思想进行系统的软件设计。其软件部分主要包括时钟模块、太阳高度角跟踪模块以及光电跟踪模块。工作过程为：首先，系统开机初始化并进行复位检查。然后进入主程序，利用传感器检测太阳光照强度，并判断是否满足系统启动条件；若满足，则系统启动进入太阳高度角跟踪模式；如不满足，则延时一段时间重新判断。当系统进入太阳高度角跟踪模式之后，利用传感器再次检测太阳光照强度是否够强；若足够，则系统进入光电跟踪模式；否则，重新判断光照强度决定是否进入太阳高度角跟踪模式。

结语

能源危机和建筑能耗问题使得建筑技术与太阳能技术相结合，形成的光伏建筑一体化必将成为智能建筑未来的发展趋势。因此，本文在分析太阳能技术与智能建筑中的应用情况以及传统太阳能跟踪装置缺点的基础上，设计了一个基于STM32控制器的智能建筑太阳能自动跟踪控制系统。该系统主要由太阳能跟踪控制器、检测模块、步进电机模块等组成；满足跟踪精度要求，能够有效提高太阳能利用率，具有较高的应用价值和广阔的市场前景。

作者：张兴超 单位：昆明理工大学津桥学院电气与信息工程学院