☀️ Automatic Solar Tracking System (8051 + BH1750 + SG90)

本專案使用 8051 MCU 讀取 GY-302（BH1750）日照感測器的照度（lux），並透過 SG90 舵機調整太陽能板/感測器朝向，以在光線不足時自動「掃描找光」、找到足夠亮度後停止，並把照度資料以 UART 串列傳輸送到 PC 端由 MATLAB接收與分析。

功能特色

固定週期追光：每隔固定時間（預設約 10 秒）啟動一次追光流程（由 Timer0 觸發）。
閥值判斷：照度 sunlight 若 小於 threshold 才開始轉動；達到/超過 threshold 則停止。
方向決策（簡單但有效）：轉動過程若偵測到照度明顯下降，代表走錯方向，會自動 反轉方向。
角度保護：舵機角度限制在 0°～180°，避免機構卡死。
資料回傳：每次更新照度後，會將 BH1750 的 2-byte 原始資料透過 UART 傳到 MATLAB 端做即時監測/記錄。

系統架構

        +---------------------+            +----------------------+
        |      8051 MCU       |  UART Tx   |   PC / MATLAB (User) |
        |                     +----------->|  接收、繪圖、存檔、分析 |
        |  - Timer0: 週期觸發  |            +----------------------+
        |  - Timer2: PWM舵機   |
        |  - Bit-bang I2C     |
        +----+-----------+----+
             |           |
         I2C |           | PWM
             |           |
     +-------v----+   +--v------+
     | GY-302      |   | SG90    |
     | (BH1750 lux)|   | Servo   |
     +------------+   +---------+

硬體清單

MCU：8051 系列（本程式使用 REG_MPC82G516.h 的暫存器定義）
光照感測器：GY-302（BH1750）
舵機：SG90（0°～180°）
PC：MATLAB（用 AutomaticSolarTrackingSystem.m 接收 UART 資料）
電源與周邊：
- 舵機建議獨立 5V 供電（≥ 1A，視負載而定）
- I2C 拉高電阻（多數 GY-302 模組已內建）
- MCU 與舵機/感測器需 共地（GND common）

接線與腳位

以原始程式為準（請參考 i2c.c/main.c 的腳位定義）

I2C（軟體模擬 / Bit-bang）

SDA = P2.0
SCL = P2.1

（定義於 i2c.c）

sbit SDA = P2^0;
sbit SCL = P2^1;

舵機 PWM

PWM_OUT = P1.0（定義於 main.c）

sbit pwm_out = P1^0;

UART

程式設定鮑率 9600（TH1=217; 等設定）
8051 UART 腳位通常為：
- TXD = P3.1
- RXD = P3.0 （實際仍以你的 8051 版本/板子腳位為準）

追光控制策略

1) 週期觸發（每 N 秒）

Timer0 以固定週期進入中斷，累加 count
count == 1000 時設定 tracking=1，主迴圈呼叫 TRACKINGv2()

程式碼邏輯（節錄）：

void timer0() interrupt 1{
    // every 10ms enter ISR
    count++;
    if(count==1000){
        count=0;
        tracking=1;
    }
}

依註解：10ms * 1000 = 10s
若你想改成 N 秒：可調整 count 的門檻或 Timer0 的 reload 值。

2) 閥值 threshold（決定是否掃描）

預設：

#define threshold 250.0   // unit : lux

當 sunlight < threshold：開始掃描
當 sunlight >= threshold：停止掃描，等待下一次週期到來

3) 掃描與方向反轉策略（核心）

追光函式 TRACKINGv2() 的核心邏輯：

初始角度：angle_per_step = 90°
每一步轉動：step = 2°
初始方向：direction = +1（固定從同一側開始）
每次更新照度後：
- 若新照度比前一次還小，且下降幅度 > 3 lux
  → 判定走錯方向，執行 direction = -direction 反轉

關鍵判斷（節錄）：

if (sunlight < sunlight_pre && (sunlight_pre - sunlight) > 3.0) {
    direction = -direction;
}

4) 角度保護

if (angle_per_step > 180) { angle_per_step = 180; direction = -1; }
if (angle_per_step < 0)   { angle_per_step = 0;   direction = 1;  }

韌體程式架構

檔案結構

.
├── main.c      						  # 追光策略、Timer0/Timer2/UART、舵機控制
├── i2c.c       						  # 軟體 I2C (START/STOP/ACK/READ/WRITE) + delay
├── i2c.h       						  # I2C API 宣告 + 8051 暫存器 header
└── AutomaticSolarTrackingSystem.m        # MATLAB 串列接收與 lux 轉換

main.c 重點說明

TIMER_INIT()
- Timer2：用於 PWM（舵機脈衝）
- Timer1：UART baud rate
- Timer0：固定週期觸發追光
PWM_INIT()
- 設定 duty_cycle 初值、PWM 輸出腳位模式、啟動 Timer2
SERVO(angle)
- 將角度映射成脈衝寬度：
  - pulse_us ≈ 500 + angle*(100/9)（約 0°→500us，180°→2500us）
GET_GY302()
- 透過 I2C 對 BH1750 下命令並讀回 2-byte 感測值
TRACKINGv2()
- 實作「閥值 + 掃描 + 方向反轉」策略，並在每次更新時送出 UART 資料

i2c.c 重點說明

START() / STOP()：I2C 起始/停止條件
WRITE_ADDRESS(addr, RW)：送出 7-bit address + R/W bit
- 程式使用 addr=35（十進位）→ 0x23（BH1750 常見地址）
READ_DATA(&rdata_h, &rdata_l)：連續讀 2 bytes

串列通訊格式

UART：9600 bps
每次更新照度會依序送出：
1. rdata_h（高位元組）
2. rdata_l（低位元組）

MATLAB 端照度換算：

GY = (data(1)*256 + data(2)) / 1.2;  % lux

如何編譯與燒錄

依你的開發環境調整（常見為 Keil C51 / SDCC）

將 main.c / i2c.c 加入同一個專案
確認 include path 能找到 i2c.h 與 REG_MPC82G516.h
設定晶振頻率/編譯器選項（與你的板子一致）
產生 HEX 後燒錄至 8051
連接 UART 到 PC（USB-TTL），開啟 MATLAB 執行 AutomaticSolarTrackingSystem.m

MATLAB 接收與後續處理建議

1) 直接接收（附件 `AutomaticSolarTrackingSystem.m`）

以 COM6、9600 bps 連線
每次讀 2 bytes，轉換為 lux，持續顯示與累積在 GY_val

scom=serial('COM6','BaudRate',9600,'Timeout',4000);
fopen(scom);
while(1)
    data=fread(scom,2);
    GY=(data(1)*256+data(2))/1.2;
    GY_val=[GY_val GY];
    disp(GY);
end

記得把 COM6 改成你實際的 COM Port（Windows 裝置管理員可查）。

2) 建議的後續處理（推薦你在 MATLAB 端加上的功能）

(A) 即時繪圖（Real-time Plot）

用 animatedline + drawnow 做即時曲線
方便觀察追光前/追光中/追光後的照度變化

(B) 加上時間戳與資料紀錄

用 tic/toc 或 datetime('now') 記錄每筆資料時間
匯出成 CSV（writetable）或 MAT 檔（save）
日後可分析不同日期/時段的光照與追光表現

(C) 濾波與穩態判斷

對 lux 做移動平均（moving average）或中值濾波，降低雜訊造成誤判反轉
例如：
- 追光停止後的穩態 lux
- 達到 threshold 所需時間（lock time）
- 反轉次數（代表方向判斷是否太敏感）

(D) 自動調參（threshold / step / 反轉門檻）

收集一段時間的 lux 分佈（histogram）
根據「白天/陰天」動態調整 threshold（例如以某百分位數作為門檻）
評估不同 step（每步角度）對「搜尋速度 vs 精度」的影響

常見問題

1) 舵機抖動或 MCU 重啟

舵機瞬間電流很大，建議：
- 舵機用獨立 5V 供電
- MCU 與舵機共地
- 供電端加電容（例如 100uF + 0.1uF）

2) 讀不到 BH1750 / 數值不變

檢查：
- SDA/SCL 是否接對、是否需要外接上拉
- 感測器位址是否為 0x23（程式用十進位 35）
- I2C 線太長可能造成波形變差

3) MATLAB 一直卡住或讀不到資料

確認：
- COM Port 是否正確
- 鮑率是否一致（本韌體為 9600）
- 是否有其他軟體占用該串口
- fread(scom,2) 是 blocking，若想更順暢可加 timeout 或檢查 BytesAvailable

作者

Chen-Ting Li

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 3 Commits
AutomaticSolarTrackingSystem.m		AutomaticSolarTrackingSystem.m
C51FPS.LIB		C51FPS.LIB
C51S.LIB		C51S.LIB
README.md		README.md
i2c.c		i2c.c
i2c.h		i2c.h
main.c		main.c
system-wiring-diagram.png		system-wiring-diagram.png

s881215/Automatic-Solar-Tracking-System

Folders and files

Latest commit

History

Repository files navigation