Arduino太阳能追踪器

描述

该项目为太阳能跟踪器提供了一个开放的硬件/软件测试台。所提出的原型基于由 Arduino Uno 控制的双轴太阳能跟踪器，Arduino Uno 是一个基于易于使用的硬件和软件的开源原型设计平台。太阳能跟踪器可以在 LightDependent Resistor (LDR) 传感器的帮助下自动控制，也可以使用电位计手动控制。此外，该测试台还提供基于 Excel 的虚拟仪器，可以记录和呈现太阳能跟踪器数据。所使用的硬件被选择为便宜、紧凑和通用的。提议的测试台旨在帮助学生加深对控制理论及其应用的理解。

建议的测试台如图 1 所示。它基于一个太阳能跟踪器，该跟踪器可以借助四个 LDR 传感器和两个伺服电机（SM1 和 SM2）自动旋转以跟踪太阳，或使用电位计手动跟踪。要在两种模式（自动和手动）之间切换，使用按钮。另一个按钮用于将 SM1（上下伺服电机）或 SM2（左右伺服电机）连接到电位计以控制它们的运动。此外，使用计算机作为虚拟仪器，在 MS Excel 中根据时间将光伏板的模式和电流、电压和功率可视化。Arduino Uno 板用于实现系统的所有软件要求。

图 1. 提议的测试台示意图

 

机械设计

如图 2 所示，太阳能跟踪器的计算机辅助设计 (CAD) 3D 模型是在 CATIA 中设计的。它由光伏板、左右上下伺服电机、四个LDR传感器组成。对于水平轴，轴承与上下伺服电机平行固定，具有更好的灵活性。太阳跟踪器设计有两个自由度，从东到西由左右伺服电机和从南到北由上下伺服电机。LDR 传感器放置在光伏面板的四个角上，并放置在顶部带有小孔的暗管中，以检测太阳的照度。这些暗管也被认为是辐射集中器，用于提高太阳能跟踪器的鲁棒性。

图 2. CATIA 中太阳跟踪器的 CAD 3D 模型

 

硬件系统

图 3 展示了所提出的测试平台的电子电路。对于自动模式，微控制器将 LDR 传感器（引脚 A0 至 A3）的模拟值转换为数字。然后，它使用两个脉冲宽度调制 (PWM) 信号（引脚 5 和 6）控制两个伺服电机（上下和左右）来跟踪太阳。旋转运动发生在两个轴上，根据每日太阳路径的方位角从东到西，根据季节太阳的路径从南到北高度。对于手动模式，电位器（引脚 A4）用于控制两个伺服电机的运动，一个按钮（引脚 11）用于将电位器连接到上下伺服电机或左右伺服电机。此外，另一个按钮（引脚 12）用于在两种模式之间切换。此外，PV电压通过Arduino的模拟引脚A5测量，然后计算PV电流，因为负载的电阻是已知的。接下来，PV 电流、电压和功率与时间的关系以及实际模式被发送到计算机，在 MS Excel 上实时呈现。

图 3 具有手动和自动模式的太阳能跟踪器电子电路

 

LDR 传感器电路设计为分压器电路。光强的变化与分压器输出电压的变化成正比。分压器的顶部为 5 V，地为 0 V，分压器的输出连接到微控制器的模拟输入（例如A 0）。随后，单片机的模数转换器（ADC）将A 0 读取的模拟值转换为0到1023之间的数字值，因为ADC是用10位编码的，根据这个值可以知道光的水平。分压器中使用的电阻值为 330 Ω。

使用两个 180 度伺服电机。一个伺服电机（MG996R）根据垂直轴控制太阳能跟踪器，即左右伺服电机。还有一个微型伺服电机（SG90）根据水平轴控制太阳能跟踪器，即上下伺服电机。伺服电机的优点是我们可以使用直接连接到微控制器输出的单根低电流线来控制它的停止、运行、旋转方向和速度，而无需任何驱动器。使用的伺服电机由 Arduino UNO 板通过 3 线电缆控制，如图 3 所示，两根线用于供电，一根线用于 PWM 控制其位置。

嵌入式软件设计

嵌入式软件是将嵌入硬件 (Arduino Uno) 中以控制和监控太阳能跟踪器测试台的部分。嵌入式软件旨在满足以下要求：

1 、试验台有手动和自动两种模式。一个按钮连接到引脚 12 以在两种模式之间切换。

2.手动模式下，电位器可以控制伺服电机，左右电机由东向西，上下电机由南向北控制。一个按钮连接到引脚 11 以在两个电机之间切换电位器，它控制左右伺服电机或上下伺服电机。

3.如果自动模式处于活动状态，则将执行图 4 所示的算法。后者使用 LDR 传感器返回的模拟值。例如，考虑方位角或垂直轴，比较两个右侧 LDR 和两个左侧 LDR 的平均值，如果左侧 LDR 接收到更多的光，太阳跟踪器将通过左右伺服电机沿该方向移动。后者将继续旋转，直到差异结果在 [-10, 10] 范围内。该范围用于稳定控制器，一旦太阳能跟踪器垂直于太阳，则不再进行进一步控制。另一方面，如果右侧的 LDR 接收到更多的光，则太阳跟踪器通过左右伺服电机沿该方向移动，并将继续旋转，直到差异结果在 [-10, 10] 范围内。相同的方式用于高程轴。此外，我们还确定了四个 LDR 传感器之间的平均辐射，以及该值是否小于一个小值（8：经过实际调整和测试的值，当辐射为零时返回）。也就是说，夜幕降临了。在这种情况下，太阳跟踪器必须回到太阳升起的位置。例如，如果将左右伺服电机设置为 0 度，将上下伺服电机设置为 30 度，即可到达太阳升起位置。这可以通过 C 函数“servox. write(angle)”由 Arduino IDE 提供。一个经过实际调整和测试的值，当辐照为空时返回）。也就是说，夜幕降临了。在这种情况下，太阳跟踪器必须回到太阳升起的位置。例如，如果将左右伺服电机设置为 0 度，将上下伺服电机设置为 30 度，即可到达太阳升起位置。这可以通过 C 函数“servox. write(angle)”由 Arduino IDE 提供。一个经过实际调整和测试的值，当辐照为空时返回）。也就是说，夜幕降临了。在这种情况下，太阳跟踪器必须回到太阳升起的位置。例如，如果将左右伺服电机设置为 0 度，将上下伺服电机设置为 30 度，即可到达太阳升起位置。这可以通过 C 函数“servox. write(angle)”由 Arduino IDE 提供。

4. 通过模拟引脚 A5 获取的 PV 电压必须经过处理并用于计算 PV 电流和功率。然后所有这些数据和实际模式必须通过 USB 电缆发送到计算机，然后在 MS Excel 中呈现。

图 4 太阳跟踪器自动模式算法

 

PLX-DAQ Excel 宏用于从 Arduino 微控制器到 Excel 电子表格的数据采集。我们只需要下载它。安装后，PC 上会自动创建一个名为“PLX-DAQ”的文件夹，其中有一个名为“PLX-DAQ Spreadsheet”的快捷方式。然后，要在开发板和 Excel 之间建立通信，我们只需要打开电子表格并在 PLX-DAQ 窗口中定义连接设置（波特率和端口）（图 5）。此后，点击“连接”后，输出数据将被收集并实时显示在 Excel 电子表格上

图 5. PLX-DAQ 电子表格窗口

 

原型

图 6 显示了处于分离和组装状态的太阳能跟踪器。如前所述，整个结构是使用木板制造的，很明显，所有提到的组件都已用于构建具有手动和自动模式的太阳能跟踪器（LDR 传感器、Arduino Uno、伺服电机、电位计、按钮和小型光伏板）。

图 6 太阳跟踪器的组成

 

图 7 显示了整个测试台、带有虚拟仪器的太阳能跟踪器，以及可以暴露光线以测试太阳能跟踪器的人造灯。太阳能跟踪器和计算机通过 USB 数据线连接。一旦获得 PV 电压，控制器就会处理此信息并使用它来计算 PV 电流和功率。然后，所有这些数据都被发送到计算机以在 MSExcel 中呈现。从无花果。从图 5 和图 6 可以看出，所建议的测试台体积小、灵活且易于使用。它可以让学生、研究人员和工程师在实施大型太阳能跟踪设备之前以简单的方式应用他们的算法。

图 7. 带有虚拟仪器的整个测试台