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面向微型植物工厂的太阳能自动追光系统设计

赵晴;贾鹤鸣;刘丹丹;罗孟德;蒋宗祥;赵文科

【摘要】为了高效地采集并利用太阳能,笔者设计了一种可用于微型植物工厂的太

阳能追光实物装置及其系统,从机械设计、硬件电路设计和太阳能自动追光算法设

计3个方面,介绍了太阳能自动追光系统的硬件与软件构成,阐述了太阳能自动追光

系统的工作流程和软件流程,确定了太阳能自动追光算法设计方案,设计了光照强度

测量电路、电源管理系统稳压电路、双轴直流电机驱动系统电路等太阳能自动追

光系统的硬件电路,指出该系统实现了双轴直流电机的闭环控制,大大提高了自动追

光精度和效率,充分开发和利用太阳能对解决能源问题有着十分重要的战略意义.

【期刊名称】《科技创新与生产力》

【年(卷),期】2018(000)003

【总页数】5页(P56-60)

【关键词】自动控制;植物工厂;自动追光;太阳能存储;双轴跟踪控制

【作者】赵晴;贾鹤鸣;刘丹丹;罗孟德;蒋宗祥;赵文科

【作者单位】东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学机

电工程学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨

150040;东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学机电工

程学院,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨

150040

【正文语种】中文

【中图分类】TP273;S31;TK513.4

植物工厂是能够在限定的空间范围内，利用多种传感器测量周围的环境参数，从而

对植物生长环境做出相应的调控来使农产品高效持续生长的自动控制系统[1]。植

物生长所需要的空气、热量、相对湿度等均由人工提供，太阳光作为主要光源提供

光照，在光照强度比较低的时候采用人工光源辅助提供光照。植物工厂需要消耗大

量的电能，尤其是在控制温度变量时，加热片和制冷片的能耗都特别高，使用不可

再生能源又会加重大气环境污染。

太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，对解决上述难题起到了至关重要的作用。

尤其是我国的太阳能资源十分丰富，分布范围广，充分利用太阳能对解决我国当前

的能源问题有着十分重要的能源战略意义[2]。在太阳能发电系统中，太阳能板单

位面积接收到的光照强度决定了太阳能板吸收的实际能量[3]。根据现有研究数据

表明，当使用相同面积、相同转换率的太阳能板时，采用自动追光技术的太阳能发

电设备比采用固定角度技术的太阳能发电设备至少提高35%的能量接收效率，而

当前的太阳能利用率只能达到10%～20%[4-5]。针对太阳能自动追光技术，全球

学者做了大量研究，其中ABDALLAHSalah和NIJMEHSalem对太阳能发电系

统采用双轴跟踪控制，使其太阳能发电效率比固定式太阳能板的发电效率约提高

41%[6]。因此，想要高效地采集并利用太阳能，必须设计出一种合理的太阳能自

动追光装置。考虑到一般的光敏电阻在测量光照强度方面有比较大的缺陷，存在测

量强光时光电转换性差、测量精度低等问题，为此笔者设计了一种可用于微型植物

工厂的太阳能追光的实物装置及其系统。

1太阳能自动追光系统的方案设计

1.1太阳能自动追光系统的设计原理

太阳能自动追光系统设计包括微型计算机控制系统、环境测量系统、双轴驱动系统

和供电系统等子系统的设计。第57页图1为太阳能自动追光系统的结构框图。

图1太阳能自动追光系统的结构框图

1.1.1微型计算机控制系统设计

由于微型计算机控制系统（也称单片机控制系统）作为整个自动追光系统的大脑，

负责调节控制整个系统，因此一定要保证该系统能精准感知环境参数变量并做出准

确的决策。经过多次筛选后，笔者使用了基于英国ARM（AdvancedRISC

Machine）公司设计的cortex-M4内核STM32F4系列微型计算机控制器。该系

列微型计算机控制器具有能耗特别低、处理速度特别快等优点，能够满足期望设计

要求。与基于cortex-M3内核的F3系列单片机相比，F4系列单片机处理速度更

快，且STM32系列单片机具有单周期数字信号处理（DigitalSignalProcessing，

DSP）指令和浮点运算单元（FloatPointUnit，FPU）等功能，极大地提升了单

片机处理数据的能力，符合太阳能自动追光系统的需要。

1.1.2自动追光装置的机械