一、项目背景与设计思路
传统固定安装的太阳能板只能在固定角度接收太阳光，一天内大部分时间入射光角度较差，光能利用率偏低。双轴追踪方案可以同时调节水平（方位） 与**垂直（俯仰）**两个维度，实时跟随太阳位置，相比固定光伏板可以显著提升发电效率。
本系统采用光电追踪方案：在太阳能板四个角放置光敏电阻 LDR，当光源偏离中心位置时，四个光敏电阻的分压值出现差异。STM32 读取 PCF8591 转换后的光强数据，对比南北、东西两组光强差值，驱动两路步进电机转动云台，直到四个方向光照强度趋于一致，完成对光源的追踪。额外增加 DHT11 环境监测模块，采集现场温湿度信息，用于环境状态记录；LCD 本地显示 + 串口虚拟终端同步打印数据，方便调试观测；蜂鸣器可以配置光照异常、故障报警逻辑。
二、硬件电路整体介绍（对应原理图）
主控芯片：STM32F103C8T6，作为整个系统的控制核心，负责传感器数据读取、控制算法运算、电机驱动、显示与串口数据输出。
- 光强采集模块：LDR 光敏电阻 + PCF8591 ADC 东西南北 4 路光敏电阻搭配 10k 分压电阻，将光照强度变化转化为模拟电压信号，送入 PCF8591。PCF8591 是 I2C 接口的 4 通道模数转换芯片，把模拟电压转为数字量，STM32 通过 IIC 通信读取 4 个方向的光强数值。
原理：光照越强，光敏电阻阻值越小，分压电压发生变化，通过 ADC 采样量化为光强数值。
- 温湿度采集模块：DHT11 单总线数字温湿度传感器，采集环境温度、相对湿度，数据送入 STM32，在屏幕和串口终端同步显示。图中仿真当前温度 13℃，湿度 79%。
- 执行机构：ULN2003 + 28BYJ48 步进电机（双轴） 两片 ULN2003 达林顿阵列芯片，分别驱动两路 28BYJ48 步进电机。一路电机控制水平方向（东西）旋转，另一路控制俯仰方向（南北）。ULN2003 用来放大单片机 IO 口驱动能力，驱动步进电机线圈。
- 人机交互模块
- 本地 LCD 显示屏：实时展示温度、湿度、东 / 西 / 南 / 北四路光照；
- Virtual Terminal 虚拟串口终端：同步打印所有监测数据，方便上位机查看；
- 蜂鸣器 Buzzer：三极管 Q1 驱动，可自定义报警条件，例如光照过低、传感器断线报警。
三、系统工作流程
- 系统上电初始化：STM32 初始化 I2C、串口、GPIO、定时器；PCF8591、DHT11、LCD 初始化；步进电机复位。
- 循环采集：读取 PCF8591 四路光敏光强，读取 DHT11 温湿度。
- 差值判断：
- 对比东、西光强：如果东侧光照明显大于西侧，控制水平电机向东转动；反之向西转动；差值小于阈值时，水平电机停止。
- 对比南、北光强：南侧光照更强，则俯仰电机向南转动；反之向北转动；差值小于阈值，俯仰电机停止。
- 数据输出：把温度、湿度、四路光照刷新到 LCD 屏幕，同时串口发送到虚拟终端。
- 循环重复，持续追踪光源位置。
控制逻辑加入死区阈值，避免微小光照波动造成电机频繁抖动，提升系统稳定性。
四、Proteus 仿真效果说明
仿真截图中可以看到：
- 虚拟终端持续打印：温度、湿度、北光照、南光照；
- LCD 显示屏同步刷新
t1:13 hu:79 N:26 S:26 W:26 E:26； - 当前四个方向光强数值相等，电机静止；手动修改任意一个光敏电阻的光强参数，四路光强出现差值，对应步进电机自动旋转，调整云台朝向光源，直到四路光强重新平衡。
五、方案优缺点分析
✅ 优点
- 电路简单，Proteus 仿真完整，不需要实物硬件即可验证整体逻辑，适合课程设计 / 毕设快速验证；
- 光电式追踪响应速度快，结构直观；
- 多传感器融合，本地显示 + 串口双输出，调试方便；
- 模块化设计，温湿度采集、光强采集、电机驱动相互独立，便于修改扩展。
❌ 不足与改进方向
- 纯光电追踪在阴天、强光遮挡环境容易失效，可以增加**太阳位置算法（视日运动轨迹）**作为备用追踪模式；
- 28BYJ48 步进电机力矩偏小，实物搭建大负载云台时需要更换更大扭矩电机；
- 可以增加太阳能电压检测、蓄电池充电管理模块，真正实现光伏发电储能一体化；
- 可以增加 WIFI 模块，将温湿度、光照数据上传云平台远程监控。
六、总结
本项目完成基于 STM32 的双轴太阳能追光系统整体方案设计与 Proteus 仿真验证。利用四象限光敏电阻检测光源方位，PCF8591 完成模拟信号采集，双步进电机实现双轴云台自动对光，同时集成环境温湿度监测、本地屏幕显示、串口数据输出功能。仿真运行稳定，追光逻辑可以正常工作。整套方案非常适合嵌入式单片机学习、课程设计、本科毕业设计参考。后续可以在此仿真基础上绘制 PCB、制作实物样机，并优化控制算法提升追踪精度。
通过网盘分享的文件：仿真文件获取.zip
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