基于STM32的太阳能追日系统设计

原创于 2025-11-04 10:15:30 发布 · 783 阅读

24 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#STM32 #太阳能追日 #光敏电阻 #步进电机 #RTC #MPPT #光伏发电

AI助手已提取文章相关产品：

基于STM32的太阳能追日系统设计与实践

清晨六点，当第一缕阳光斜射在屋顶的光伏板上时，大多数固定式太阳能装置还只能以不足一半的效率吸收能量。而在某个不起眼的小型户用系统中，一块面板正悄然转动——它没有依赖复杂的卫星定位或昂贵的光学传感器，而是通过一个嵌入式“大脑”和几组廉价光敏电阻，精准捕捉着太阳轨迹。这背后，正是基于STM32的追日控制系统在发挥作用。

这类系统的价值不在于炫技，而在于解决一个根本问题：如何让每瓦特阳光都物尽其用。传统固定安装的光伏板，在日出和日落时段的有效辐照强度可能只有正午的30%左右。而通过双轴自动追踪，理论上可将日均发电量提升至1.3~1.5倍。对于离网供电、农业灌溉甚至移动储能等对能源敏感的应用场景而言，这种增益足以改变系统可行性边界。

核心控制器的选择从来不是简单的性能比拼

在众多MCU方案中，STM32之所以成为中小型追日系统的首选，并非仅仅因为它的主频能跑到72MHz（如F1系列）或支持硬件浮点运算（F4及以上），更在于其 外设集成度与开发便利性的平衡 。例如STM32F103C8T6这样的“蓝丸”芯片，虽成本不过十几元，却集成了多达16通道12位ADC、多个高级定时器TIM以及I²C/SPI/USART等通信接口，完全能满足多路模拟信号采集、PWM输出和实时时钟同步的需求。

更重要的是，它的低功耗模式非常契合太阳能供电环境。系统可以在夜间进入Stop模式，仅靠RTC闹钟唤醒，整机待机电流可控制在几微安级别。配合锂电池+MPPT充电控制器的电源架构，即便连续阴雨天也能维持基本运行。

下面是一段典型的ADC初始化代码，用于读取四象限光敏电阻的电压值：

void ADC_Init(void) {
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
}

uint16_t Get_ADC(uint8_t channel) {
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, channel, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

这段代码看似简单，但在实际部署中常遇到两个坑：一是未正确配置GPIO为模拟输入模式导致采样漂移；二是忽略了ADC校准步骤，尤其在温度变化较大的户外环境中，零点误差会显著影响判断精度。建议在每次上电时执行一次 ADC_ResetCalibration() 并等待完成后再启用ADC。

光强感知的本质是空间方向判别

很多人误以为追日系统必须使用高精度光电传感器，其实不然。一套由四个CdS光敏电阻组成的四象限阵列，只要布局合理，就能实现不错的方向分辨能力。关键在于结构设计——必须加装遮光筒，防止漫反射光干扰，并确保每个象限只接收特定方向的直射光。

工作原理很简单：当太阳偏东时，东侧光敏电阻阻值下降，对应ADC读数升高；通过对角差值比较：

$$
\Delta X = (L_{left} + L_{top-left}) - (L_{right} + L_{bottom-right}) \
\Delta Y = (L_{up} + L_{top-left}) - (L_{down} + L_{bottom-right})
$$

即可判断偏移方向。但这里有个工程细节容易被忽视：单纯依靠瞬时差值容易因云层掠过造成频繁抖动。更好的做法是引入滑动窗口滤波，比如连续5次采样中有3次显示同一方向偏差才触发动作，这样既能响应真实变化，又能抑制噪声。

另一种思路是结合光照总强度做使能判断。例如设定阈值20klux，低于此值说明天气阴沉或尚未日出，此时不应启动追踪逻辑，避免无谓电机损耗。

步进电机不只是“给脉冲就转”

在执行机构选型上，常见的组合是NEMA17步进电机搭配A4988或DRV8825驱动芯片。这类驱动支持最高1/32细分，意味着每转需要6400个脉冲，角度分辨率可达0.056°，远高于太阳视运动每分钟约0.25°的变化速率，完全满足追踪需求。

但高精度不代表可以随意控制。我曾见过不少项目因忽略加减速过程而导致失步——电机起步太快，负载惯性跟不上，结果“空转”了几十步才真正带动机械结构。解决办法是在固件中加入梯形速度规划：启动阶段逐步提高脉冲频率，接近目标位置时再平滑减速。

以下是一个简化版的步进控制函数示例：

void Step_Motor_X(int steps, uint16_t delay_us) {
    uint8_t dir = (steps > 0) ? 1 : 0;
    if (!dir) steps = -steps;
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_5, (BitAction)dir);

    for(int i=0; i<steps; i++) {
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_4);
        Delay_US(delay_us);
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_4);
        Delay_US(delay_us);
    }
}

其中 delay_us 决定了转速。若设为1000μs，则频率为500Hz，适合慢速精调；若需快速归位，可动态调整至200μs（2.5kHz）。更进一步的做法是使用定时器DMA触发，释放CPU资源用于其他任务。

此外，务必加入保护机制。最实用的是软件限位：记录当前位置步数，一旦超出机械行程范围即停止输出。有条件的话，可加装霍尔传感器或微动开关作为硬限位，防止程序异常导致齿轮损坏。

追日算法不能只靠“看光”

纯依赖光敏反馈的系统有个致命弱点：阴天失效。一片乌云飘过，四个象限同时变暗，系统可能误判为“已对准”，进而停止调整。等到云散后，太阳早已偏移，错过了最佳发电窗口。

因此，聪明的设计往往采用 双模融合策略 ：白天优先使用光强差值法进行精细调节，同时用天文算法提供理论参考值作为兜底；夜间或弱光条件下则切换至时间预判模式，确保次日清晨能准时启动。

天文计算的核心公式如下：

$$
\sin h = \sin \phi \cdot \sin \delta + \cos \phi \cdot \cos \delta \cdot \cos H \
\tan A_z = \frac{\sin H}{\cos \phi \cdot \tan \delta - \sin \phi \cdot \cos H}
$$

其中：
- $ \phi $：本地纬度（如上海31.23°）
- $ \delta $：太阳赤纬，可通过日期估算
- $ H $：时角，每小时15°

虽然数学稍显复杂，但现代MCU处理这些运算绰绰有余。关键是需要一个精准的时间源——推荐使用DS3231这类带温度补偿的RTC模块，月误差仅几秒，远优于内部RC振荡器。

伪代码示意如下：

void Track_Sun(void) {
    float lat = 31.23;
    float lon = 121.47;

    RTC_TimeTypeDef time;
    RTC_DateTypeDef date;
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time, RTC_FORMAT_BIN);
    HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &date, RTC_FORMAT_BIN);

    if (time.Hours < 6 || time.Hours > 18) {
        Return_to_Zero();
        return;
    }

    float azimuth, elevation;
    calculate_sun_position(lat, lon, date, time, &azimuth, &elevation);

    int target_step_h = deg_to_step_h(azimuth);
    int target_step_v = deg_to_step_v(elevation);

    move_to_position(target_step_h, target_step_v);
}

这套逻辑不仅能应对恶劣天气，还能实现“预测性归位”：根据日落时间提前几分钟缓慢回零，避免突然断电造成的姿态失控。

系统成败往往取决于那些“看不见”的细节

硬件框图看起来简洁明了：

                     +------------------+
                     |   STM32 MCU      |
                     +--------+---------+
                              |
        +---------------------+---------------------+
        |                     |                     |
+-------v------+    +---------v----------+   +------v-------+
| 四象限光敏阵列 |    |  RTC DS3231           |   | OLED 显示屏   |
+--------------+    +--------------------+   +-------------+
                       +-------------+     +------------------+
                       | A4988 Driver X|---->| Azimuth Motor  |
                       +-------------+     +------------------+
                       +-------------+     +------------------+
                       | A4988 Driver Y|---->| Tilt Motor     |
                       +-------------+     +------------------+

但真正决定可靠性的，是那些图纸之外的考量：