基于 STM32 的太阳能追光系统设计

摘要

针对固定安装的太阳能板无法随太阳方位变化调整姿态、发电效率受限的问题，本文设计并实现了一种基于 STM32 的太阳能追光系统。系统以 STM32F103C8T6 为控制核心，4 路 BH1750 数字光照传感器按四象限布置于光伏板背板，经 TCA9548A I²C 多路复用器分时采集；主控对四路读数做成对求和差分得到两轴偏差，以 P 控制律驱动 2×MG996R 舵机构成的双轴云台（方位轴 + 俯仰轴）指向光源。系统采用强光门限滞回区分直射光源与环境光，死区与单周期限幅抑制抖动，指数逼近的输出平滑保证舵机运动连续；通过串口非阻塞发送、OLED 分片刷新与本帧自锚定的帧周期补足三项措施，将 50Hz 软件 PWM 的帧周期钉死在 20ms，彻底解决了舵机"爆冲"问题。板载 RAM 环形黑匣子支持偶发故障的现场复盘。测试表明，系统对准精度与动态响应满足设计要求，运动平稳无抖动。

关键词：STM32；太阳能追光；BH1750；双轴云台；P 控制；软件 PWM

1 引言

太阳能发电的转换效率与光照入射角密切相关：当太阳光垂直入射光伏板时输出功率最大，入射角偏离法线时效率显著下降。固定安装的光伏板只在正午前后短暂接近最佳倾角，全天平均利用率低。双轴追光系统通过实时调整光伏板姿态，使其法线始终指向太阳，可显著提升日均发电量。

传统低成本方案多用 4 个光敏电阻分置光伏板四角，经 ADC 采样电压差判断光照方位。这类方案存在三个固有缺陷：光敏电阻一致性差、温漂大，需要逐个标定；ADC 单次采样易受环境光突变与电源噪声干扰，导致执行机构频繁误触发；开关式（bang-bang）控制使电机启停突兀、过冲抖动，长期损耗机械结构。

本文采用数字光照传感器 BH1750 替代光敏电阻（免标定、一致性好、直接输出 lux 物理量），以 I²C 多路复用器扩展四路采集，配合带回差的强光门限、死区限幅 P 控制与指数逼近输出平滑，在 STM32F103C8T6 上实现了运动连续、无爆冲的双轴追光系统。

2 系统总体设计

2.1 系统架构

系统由感知、决策、执行、交互四部分组成：

• 感知：4 路 BH1750 光照传感器按"左上、右上、左下、右下"四象限布置在光伏板背板的载板上，载板中央设十字遮光挡板（高 1525mm），使相邻传感器对偏离法线的入射光产生稳定的照度差——这是差分定向的物理基础。4 路传感器地址均为 0x23，经 TCA9548A 八路 I²C 复用器的 SC0SC3/SD0~SD3 通道分时访问。
• 决策：STM32F103C8T6（72MHz）每 100ms 读取四路照度，计算两轴偏差并执行 P 控制律。
• 执行：2 只 MG996R 舵机构成标准双轴云台——方位轴（Z）绕竖轴水平旋转，俯仰轴（Y）绕水平轴俯仰，独立设定 0~180°。
• 交互：0.96 寸 SSD1306 OLED 实时显示四路读数与云台状态；4 个板载按键支持手动点动标定；USART1 串口提供在线调参命令。

2.2 元器件选型

2.3 引脚资源分配

引脚对应关系经按键实测校正：Key2 使云台抬头/低头，故 PA11 为俯仰；Key4 使云台水平旋转，故 PA12 为方位——与最初标称相反，代码已按实测修正。

3 硬件设计

3.1 四象限传感器头

传感器头采用"模块载板一体式"结构：TCA9548A 模块与 4 只 BH1750 模块焊死在同一块洞洞板载板上，不靠杜邦线悬空。云台是运动平台，运转振动下悬空跳线是 I²C 掉帧的头号原因，表现为追踪抽搐、读数跳变；焊死载板可根治。载板四角对应四象限物理位置，代码中由 kPosToCh[] 映射表兜住物理位置与硬件通道的对应关系（遮挡实测标定：左上=CH2、右上=CH3、左下=CH0、右下=CH1），PCB 走线差异不影响软件逻辑。

3.2 舵机驱动

MG996R 采用软件 PWM 驱动：50Hz 周期、0.5~2.5ms 脉宽，由 DWT 周期计数器实现微秒级延时。PA11/PA12 推挽输出，软件反相宏 SERVO_PAN_INVERT / SERVO_TILT_INVERT 兼容不同舵盘安装方向，改宏后若闭环朝反方向跑，翻转对应的方向符号宏即可。

3.3 安装与朝向要求

方位轴为 180° 舵机，只能覆盖半个圆，摆位决定系统能否全天追到太阳。核心要求：云台 Z=90°（上电中位）指向正南。此时 Z=0 朝东、Z=180 朝西，太阳东→南→西的全天弧段恰好压满 180° 行程，死区留在太阳永不经过的北天空。俯仰轴安装时令 Y=90° 板面竖直（法线水平），向两端各留 90° 余量，覆盖日出至日落的全高度角。底座需用水平仪校平——底座倾斜会使方位轴不竖直，四路读数整体偏移，闭环无法找到平衡点。

4 软件系统设计

4.1 主循环与帧节拍

主循环采用超循环结构，以 20ms 软件伺服帧为基本节拍：每帧给起点打点（Servo_FrameMark），帧尾由 Servo_Frame 等待到「本帧起点 + 20ms」。只要"本帧工作 + 脉冲输出"小于 20ms，帧周期即严格恒定，与单帧工作量波动无关；偶发超时的帧不等待也不补帧（宁可慢一帧，不连发）。传感器采集与控制决策每 5 帧（100ms）执行一次，其余任务（按键扫描、OLED、黑匣子）逐帧执行。主程序流程如图 4-1 所示。

4.2 光照采集与滤波

BH1750 上电时对 4 个通道各初始化一次连续高分辨率模式，之后每周期直接读数，避免了每次测量 180ms 的阻塞等待——4 路读一遍仅约 3.3ms，支撑 100ms 控制周期。采集与滤波流程如图 4-2 所示。

原始读数先经坏样本剔除再作一阶低通（EMA 系数 1/2）：TCA9548A 切换瞬间或手电反光会产生数千 lux 的孤立尖峰，直接喂给 P 控制会导致目标连续满步进——宏观表现就是"爆冲"。单次跳变超过 1500 lux 判为坏样本，沿用上一次滤波值：

/* 一阶低通 + 坏样本剔除 */
int diff = (int)lux[pos] - (int)lux_f[pos];
if (diff > 1500 || diff < -1500) {
    dbg_bad_sample++;              /* 坏样本: 沿用上次滤波值 */
} else {
    lux_f[pos] = (uint16_t)(((uint32_t)lux_f[pos] + lux[pos] + 1u) >> 1);
}

4.3 强光门限与滞回

环境光（阴天 30~100 lux）与直射光源（手电/太阳，300 lux 以上）在量级上可分。系统取四路最大值 peak 作判据：peak ≥ 250 lux 进入追光（TRK），peak < 150 lux（进入门限的 60%）退回保持（HLD，角度原地锁存），滞回区间防止临界照度下状态反复翻转。门限支持串口 @T<lux> 在线调整，退出门限按 60% 联动。

4.4 成对差分 P 控制

四象限读数按行、列两两求和后作差，得到俯仰与方位两个方向的偏差：

/* 原始光差（未乘方向符号） */
raw_tilt = lux[LT] + lux[RT] - lux[LB] - lux[RB];  /* 上排 - 下排 */
raw_pan  = lux[LT] + lux[LB] - lux[RT] - lux[RB];  /* 左列 - 右列 */

/* P 控制步进: 死区 20 lux, 单周期限幅 3° (最大 30°/s) */
e_tilt = tilt_dir * raw_tilt;
if (e_tilt > TRACK_DEADBAND_LUX || e_tilt < -TRACK_DEADBAND_LUX) {
    int32_t step = e_tilt * TRACK_KP_NUM / (TRACK_KP_DEN * 10);
    if (step >  TRACK_STEP_LIMIT) step =  TRACK_STEP_LIMIT;
    if (step < -TRACK_STEP_LIMIT) step = -TRACK_STEP_LIMIT;
    Angle_SetTilt((int)tilt_target + (int)step);
}

强光门限判断、成对差分与死区限幅步进的完整流程如图 4-3 所示。

控制参数：比例系数使 100 lux 光差产生 4° 步进，死区 20 lux 抑制噪声抖动，单周期（100ms）限幅 3° 对应最大 30°/s 追赶速度。任一路传感器出错，两轴均保持不动并置 I2C 错误标志。方向符号（照左列 Z 减小、照上排 Y 增大）以手电实测锁定，支持运行时经组合键或串口 @S<z>,<y> 翻转；另提供 @C 命令触发一次方向自学习（每轴试探 ±10° 比较光差改善量），实测该功能在窄视场条件下易误判，默认关闭。

4.5 输出平滑

P 控制只写目标角度，实际输出每 20ms PWM 帧朝目标指数逼近：走剩余距离的 1/4，单帧步进上限 3°，且速度每帧最多变化 1°（加速度限幅）。目标角度以 10Hz 阶跃更新，而舵机在 50Hz 的每一帧都在微调，运动连续不打点。按键点动、串口设定与回中位命令同样走这条平滑路径，保证任何来源的角度指令都不产生机械冲击。输出平滑流程如图 4-4 所示。

4.6 PWM 帧时序保障

软件 PWM 的周期等于主循环一圈的耗时，任何阻塞都会造成丢帧——舵机丢帧后突然追位，即"爆冲"。分段计时（tm_sensor_max_us 等）定位出三个元凶：串口阻塞发送一行 150 字节约 13ms、OLED 整行刷新单字段实测 69.4ms、四路传感器读取 3.3ms。三项修复：

1. 串口非阻塞：UART_Print 改环形缓冲 + 发送完成中断，主循环零等待；
2. OLED 分片刷新：数值变化只标脏，每帧由 OLED_Service() 最多写一个字符（约 4.3ms），状态行节流至 200ms；
3. 本帧自锚定补时：帧尾等到「本帧起点 + 20ms」（见 4.1）。

修复前后对比：主循环 12 秒内超 25ms 的帧由 273 帧降为 0 帧，单帧角度跳变计数恒为 0。串口状态行尾附诊断计数器（fm=最长帧 ovf=超时帧 jmp=跳变 bad=坏样本），故障时先读这组数即可快速归因：jmp>0 是固件问题，ovf 增长是主循环被阻塞，均为 0 则是电源或机械问题。

4.7 RAM 黑匣子

偶发故障（如"只动 Z 轴 Y 却跟着动"）难以现场复现。固件将每帧关键状态压缩为 20 字节写入 RAM 环形缓冲（512 条 × 20B = 10KB），内容含时间戳、两轴实际/目标角、四路光照、按键状态、模式位与帧周期；有变化才写，静止时 500ms 一条心跳。事后用 SWD 脚本整体读出并自动归因（按键触发 / 闭环驱动 / 无来源帧）。该机制不占串口带宽、不拉长 PWM 帧，配合诊断计数器构成完整的"可观测性"体系。

4.8 人机交互与串口命令

OLED 以 2×2 布局显示四路物理位置读数（所见即所得），第 4 行显示 Z:xxx Y:xxx 与状态字（TRK 追光 / CAL 自学习 / HLD 保持 / MAN 手动）或 I2C ERR。4 按键短按 2°/步、按住 100ms 连发、1s 后加速至 5°/步；任意按键动作自动切入手动模式，闭环停止抢角度。组合键（按住 1s）：Key1+Key4 回自动并复位 90/90，Key1+Key2 翻转 Z 方向，Key3+Key4 翻转 Y 方向。

5 系统测试

独立测试固件链接到 0x08000000 复位向量直接运行（区别于主工程的 bootloader+app 分区模型），main() 首行纠正 VTOR 后才开启 SysTick，避免从已擦空的 app 槽取向量导致 HardFault；烧录采用整片擦除 + 写入 + 校验流程，烧录前以 readelf/objdump 静态验证入口地址与向量表内容。

6 结论

本文实现了一种基于 STM32 的双轴太阳能追光系统。系统以数字光照传感器四象限差分替代传统光敏电阻方案，免标定且一致性好；强光门限滞回、死区限幅与指数逼近输出平滑三层机制，将闭环运动的平稳性建立在控制结构而非参数凑试之上；帧节拍自锚定与串口/OLED 分片化，解决了软件 PWM 平台的时序确定性问题；RAM 黑匣子与诊断计数器为偶发故障提供了可复盘的观测手段。系统对准精度与动态响应满足设计要求，运动连续无抖动，可直接应用于小型太阳能板的追光控制，其"传感—差分—P 控制—平滑输出"的框架与帧时序保障方法亦可推广至云台跟踪类场景。

参考文献

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