基于STM32的太阳跟踪系统设计

news2024/10/12 11:27:32

引言

本项目设计了一个基于STM32的太阳跟踪系统，通过光敏传感器阵列实时检测太阳位置，并控制电机驱动太阳能板或光伏板跟随太阳移动，从而最大化太阳能的利用效率。该系统使用双轴运动控制，实现水平和垂直方向的精确跟踪，使太阳能板始终对准太阳位置。

环境准备

1. 硬件设备
  • STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
  • 4 个光敏传感器（如光敏电阻，用于检测不同方向的光强）
  • L298N 电机驱动模块（用于控制双轴电机）
  • 2 个直流电机（用于水平和垂直方向控制）
  • PWM 控制器（用于调节电机速度）
  • OLED 显示屏（用于显示当前状态和光强信息）
  • 面包板和杜邦线
  • USB-TTL 串口调试工具
2. 软件工具
  • STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
  • Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
  • ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接
  • 光敏传感器连接：将4个光敏传感器放置在太阳能板的四个角落（左上、右上、左下、右下），分别连接到 STM32 的 ADC 输入引脚（如 PA0、PA1、PA2、PA3），用于检测不同方向的光强。
  • 电机驱动连接：将 L298N 电机驱动模块的输入引脚连接到 STM32 的 GPIO（如 PA8、PA9、PA10、PA11，用于水平电机控制），另一些 GPIO（如 PA12、PB0、PB1、PB2，用于垂直电机控制）。
  • PWM 控制连接：将 PWM 输出引脚连接到 L298N 的使能引脚，用于调节电机速度。
  • OLED 显示屏连接：将 OLED 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7），用于显示光强和系统状态。
2. STM32CubeMX 配置
  • 打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
  • 配置系统时钟为 HSI，确保系统稳定运行。
  • 配置 GPIO 引脚用于电机控制。
  • 配置 I2C，用于与 OLED 显示屏通信。
  • 配置 ADC 用于读取光敏传感器的数据。
  • 配置 TIM1 生成 PWM 信号，用于调节电机速度。
  • 生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。
3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写光强检测、太阳位置判断、电机控制以及状态显示的代码。以下是太阳跟踪系统的基本代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "adc.h"
#include "tim.h"
#include "oled.h"

// 定义光强阈值和误差范围
#define LIGHT_THRESHOLD 50  // 光强差异阈值
#define PWM_SPEED 80        // 电机的默认速度

// 电机控制引脚定义
#define MOTOR_HORIZON_FWD_PIN GPIO_PIN_8
#define MOTOR_HORIZON_BWD_PIN GPIO_PIN_9
#define MOTOR_VERTICAL_UP_PIN GPIO_PIN_12
#define MOTOR_VERTICAL_DOWN_PIN GPIO_PIN_13
#define MOTOR_HORIZON_PORT GPIOA
#define MOTOR_VERTICAL_PORT GPIOA

// 函数声明
void System_Init(void);
void Adjust_Position(void);
uint16_t Read_Light(uint8_t channel);
void Control_Motor(uint8_t motor, int8_t direction, uint8_t speed);
void Display_Status(uint16_t left_up, uint16_t right_up, uint16_t left_down, uint16_t right_down);

// 全局变量
uint16_t light_left_up, light_right_up, light_left_down, light_right_down;

void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_TIM1_Init();
    
    OLED_Init();
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // 启动 PWM 通道 1
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); // 启动 PWM 通道 2
    
    OLED_ShowString(0, 0, "Solar Tracker Ready");
}

// 读取光敏传感器数据
uint16_t Read_Light(uint8_t channel)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint16_t value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    return value;
}

// 调节太阳能板位置
void Adjust_Position(void)
{
    // 读取光强数据
    light_left_up = Read_Light(0);
    light_right_up = Read_Light(1);
    light_left_down = Read_Light(2);
    light_right_down = Read_Light(3);
    
    // 水平方向调整
    if (abs(light_left_up + light_left_down - light_right_up - light_right_down) > LIGHT_THRESHOLD)
    {
        if (light_left_up + light_left_down > light_right_up + light_right_down)
        {
            Control_Motor(0, -1, PWM_SPEED); // 左转
        }
        else
        {
            Control_Motor(0, 1, PWM_SPEED);  // 右转
        }
    }
    else
    {
        Control_Motor(0, 0, 0); // 停止水平电机
    }
    
    // 垂直方向调整
    if (abs(light_left_up + light_right_up - light_left_down - light_right_down) > LIGHT_THRESHOLD)
    {
        if (light_left_up + light_right_up > light_left_down + light_right_down)
        {
            Control_Motor(1, 1, PWM_SPEED); // 向上
        }
        else
        {
            Control_Motor(1, -1, PWM_SPEED); // 向下
        }
    }
    else
    {
        Control_Motor(1, 0, 0); // 停止垂直电机
    }
    
    // 显示当前状态
    Display_Status(light_left_up, light_right_up, light_left_down, light_right_down);
}

// 控制电机，motor=0表示水平电机，1表示垂直电机，direction为1表示正向，-1表示反向
void Control_Motor(uint8_t motor, int8_t direction, uint8_t speed)
{
    if (motor == 0) // 水平电机
    {
        if (direction == 1)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_FWD_PIN, GPIO_PIN_SET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_BWD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
        else if (direction == -1)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_FWD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_BWD_PIN, GPIO_PIN_SET);
        }
        else
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_FWD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_BWD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
    else if (motor == 1) // 垂直电机
    {
        if (direction == 1)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_UP_PIN, GPIO_PIN_SET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_DOWN_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
        else if (direction == -1)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_UP_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_DOWN_PIN, GPIO_PIN_SET);
        }
        else
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_UP_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_DOWN_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, speed); // 调整 PWM 占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, speed);
}

// 显示当前光强状态
void Display_Status(uint16_t left_up, uint16_t right_up, uint16_t left_down, uint16_t right_down)
{
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "LU:");
    OLED_ShowNumber(32, 0, left_up, 4);
    OLED_ShowString(0, 1, "RU:");
    OLED_ShowNumber(32, 1, right_up, 4);
    OLED_ShowString(0, 2, "LD:");
   
    OLED_ShowNumber(32, 2, left_down, 4);
    OLED_ShowString(0, 3, "RD:");
    OLED_ShowNumber(32, 3, right_down, 4);
}
4. 主程序逻辑

以下是主程序的逻辑，通过不断读取光敏传感器的数据，调整太阳能板的角度，以确保太阳能板始终对准光源方向：

int main(void)
{
    System_Init();
    
    while (1)
    {
        Adjust_Position();  // 调整太阳能板的位置
        HAL_Delay(500);  // 每0.5秒更新一次光强检测和调整
    }
}

5. 各模块代码

光敏传感器读取

光敏传感器通过 ADC 读取光强的电压值，并转换为数值：

#include "adc.h"

// 读取光敏传感器数据
uint16_t Read_Light(uint8_t channel)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint16_t value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    return value;
}
电机控制

电机控制部分通过 L298N 电机驱动模块控制太阳能板的双轴运动，包括向上、向下、左转和右转：

#include "gpio.h"
#include "tim.h"

// 控制电机，motor=0表示水平电机，1表示垂直电机，direction为1表示正向，-1表示反向
void Control_Motor(uint8_t motor, int8_t direction, uint8_t speed)
{
    if (motor == 0) // 水平电机
    {
        if (direction == 1)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_FWD_PIN, GPIO_PIN_SET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_BWD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
        else if (direction == -1)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_FWD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_BWD_PIN, GPIO_PIN_SET);
        }
        else
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_FWD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_HORIZON_PORT, MOTOR_HORIZON_BWD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
    else if (motor == 1) // 垂直电机
    {
        if (direction == 1)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_UP_PIN, GPIO_PIN_SET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_DOWN_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
        else if (direction == -1)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_UP_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_DOWN_PIN, GPIO_PIN_SET);
        }
        else
        {
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_UP_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_VERTICAL_PORT, MOTOR_VERTICAL_DOWN_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, speed); // 调整 PWM 占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, speed);
}
OLED 显示

OLED 显示屏用于显示当前各个光敏传感器检测到的光强，便于调试和实时监控系统状态：

#include "oled.h"

// 初始化 OLED
void OLED_Init(void)
{
    // OLED 初始化代码
}

// 显示字符串
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, char *str)
{
    // 在 OLED 上显示字符串
}

// 显示数字
void OLED_ShowNumber(uint8_t x, uint8_t y, uint16_t num, uint8_t len)
{
    // 在 OLED 上显示数字
}

// 清屏
void OLED_Clear(void)
{
    // 清除 OLED 上的显示内容
}

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6. 系统工作原理

  • 光强检测与分析：通过 4 个光敏传感器分别检测太阳能板四个方向（左上、右上、左下、右下）的光强，并通过对比这些数据，判断太阳的位置。
  • 方向调整：当左侧的光强大于右侧时，太阳能板向左调整，反之则向右调整。同理，当上方的光强大于下方时，太阳能板向上调整，反之则向下调整。调整的灵敏度由 LIGHT_THRESHOLD 参数控制。
  • 电机控制：系统通过 PWM 信号控制 L298N 模块的输入端，从而调节直流电机的转速，实现对太阳能板的平稳旋转。
  • 状态显示：OLED 显示屏实时显示光强检测的数值，帮助用户直观了解各方向的光强差异以及系统调整的动作。

7. 常见问题与解决方法

1. 太阳能板调整不稳定
  • 问题原因：光敏传感器灵敏度差异或环境光变化剧烈。
  • 解决方法：通过增加 LIGHT_THRESHOLD 的值，降低系统对光强变化的敏感度，以减小不必要的频繁调整。同时，确保光敏传感器对环境光变化具有一致的响应。
2. 电机无法平稳运转
  • 问题原因：PWM 信号频率设置不当或电机驱动模块功率不足。
  • 解决方法：调整 PWM 频率到适合电机的范围（通常为1kHz~10kHz），并检查 L298N 驱动模块是否满足电机的电流需求。
3. 光强数据读取不准确
  • 问题原因：光敏传感器安装不对称或ADC配置错误。
  • 解决方法：确保光敏传感器的安装对称且角度一致，同时检查 ADC 配置是否正确（如分辨率和采样时间）。
4. OLED 显示屏不工作
  • 问题原因：I2C 通信错误、连接不良或 OLED 供电不足。
  • 解决方法：检查 I2C 通信线路的连接，确保 SDA 和 SCL 引脚与 STM32 的 I2C 接口正确连接，确保 OLED 显示屏的供电电压在额定范围内。

8. 扩展功能

  • 远程监控与数据上传：可以增加 ESP8266 模块或其他 Wi-Fi 模块，将光强数据和电机状态上传至云端服务器，用户可以通过手机或电脑远程查看太阳能板的状态和调整情况。
  • 智能算法优化：利用 PID 控制算法来优化太阳能板的调整过程，使其在调整过程中更加平稳，减少震动和能量损耗。
  • 自动校准功能：加入光传感器的自动校准功能，在每天日出时段进行自动校准，使系统适应不同的光照环境。

9. 结论

通过本项目，我们成功设计了一个基于 STM32 的太阳跟踪系统，实现了双轴的太阳能板跟踪控制。该系统能够实时检测太阳位置，并通过调整电机驱动太阳能板对准太阳，从而提升光伏板的发电效率。系统的可扩展性和开放性使其适用于家庭、实验室或教学场景，是一个深入学习嵌入式控制与物联网技术的理想项目。同时，通过进一步优化系统和增加远程监控功能，可以将其应用于实际的太阳能发电系统，具有广泛的应用前景。

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