工业应用太阳能跟踪器设计方案

太阳能跟踪器是一种自动化设备，用于定向对象(例如太阳能电池板)，有利地关注太阳光线，从而有利于增加能源设备的有效产量。一种类型的太阳能跟踪器是定日镜。该原型希望通过市场上容易获得的组件提供创建简单太阳能跟踪器的专业知识，并成为未来发展的指南。使用的电子元件的尺寸适合处理小型电机。为了支持大型物体，还需要实现电源电路。

目标!

该电路旨在为相关对象提供尽可能朝向太阳的位置。由于地球自转的影响，太阳的相对位置会发生变化，因此需要运动控制系统将物体自动定位在太阳前方。该电路由一些光敏电阻和一个伺服电机组成。ATmega328 管理系统逻辑。MCU 测量六个光传感器的电压(通过六个模拟输入端口)并将电机移动到正确的位置。

光检测器

由于 ATmega328 MCU 有六个 ADC 输入，因此该电路包含六个光传感器。它们以光敏电阻为代表，连接到六个固定电阻，作为电压的除数。光敏电阻的值必须相同。根据太阳的角度，它们必须以 180 度的总角距离定位和定向，从东到西。一个传感器与下一个传感器之间的角距离必须为 36 度，如图 1所示。传感器的“高度”取决于电路在地球上的位置(纬度)。

图1：六个光传感器的位置

光敏电阻的值可以是任意的，重要的是除数的固定电阻的值也相同。光敏电阻的值必须用太阳光来测量。如图2所示，光敏电阻在除数的热端;固定电阻接地。信号(输出)在中心节点上。让我们看一下图 2。在此示例中，太阳主要指向第四个光传感器。如果所有传感器具有相同的特性并且所有电阻具有相同的值，则第四除数将最高电压提供给微控制器。根据这个事实，它将决定舵机的位置。这里使用的光敏电阻具有以下值：

• 在黑暗中：7MΩ

• 环境光下：15kΩ

• 被太阳照亮：400 Ω

显然，您可以使用任何光敏电阻。

图 2：分压器

伺服

伺服系统用于自动化系统，并允许通过与 MCU 逻辑端口的单个连接来实现精确的角运动。该组件非常适合需要受控旋转的项目。几乎可以在任何可以找到 5V 电源的地方添加它们。脉冲信号控制伺服。它可以在大约180°的角度工作。它以 1.5ms 脉冲移动至 0°，以 2ms 脉冲移动至 90°，以 1ms 脉冲移动至 -90°(如图 3所示)。高脉冲的宽度决定了伺服电机的角度。By appropriately choosing different values, between a minimum and a maximum, it is possible to orient the servo to any allowed direction. 伺服可以移动一个小太阳能电池板或一个小花盆。为此，您必须构建一个能够包含这些对象的结构。

图3：本项目中使用的Servo

电气原理图

电气原理图(见图 4)非常简单。它由 ATMega328P MCU 及其外部振荡器组成。六个光敏电阻和相对固定的电阻实现电压除数。电阻器的值必须与被太阳照射的光敏电阻器的值大致相同。最开明的除数将提供最高电压，并且固件将知道跟随太阳将伺服旋转到指定角度。

图 4：电气原理图

印刷电路板

PCB的创建不会出现问题。其尺寸为 115 mm x 65 mm(图 5)。它的实现非常容易。虽然存在许多连接，但它是单层 PCB。走线的厚度足以满足电路的低电流。它可以通过转移铅笔、光刻或压剥板生产。

图 5：PCB

安装组件

对于电路的组装(请看图 6)，您必须以低剖面安装组件，如电阻器和陶瓷电容器。然后你可以放置最大的组件。如您所见，光敏电阻的角度不一样。它们旋转了 36°，因为一个传感器与下一个传感器之间的角距离必须为 36 度(0°、36°、72°、108°、144°、180°)才能完美地跟随太阳。

图 6：PCB 上组件的 2D 布局

图 7显示了组件和 PCB 的 3D 视图。

图 7：3D 预览

组件列表

C1 = 陶瓷电容 22pF

C2 = 陶瓷电容 22pF

C3 = 聚酯电容 100nF

C4 = 电解电容 100uF

J1 = PCB 2 针头，5mm

M1 =伺服SG90

PH1 = 光敏电阻 15kΩ

PH2 = 光敏电阻 15kΩ

PH3 = 光敏电阻 15kΩ

PH4 = 光敏电阻 15kΩ

PH5 = 光敏电阻 15kΩ

PH6 = 光敏电阻 15kΩ

R1 = 电阻 390 Ω

R2 = 电阻 390 Ω

R3 = 电阻 390 Ω

R4 = 电阻 390 Ω

R5 = 电阻 390 Ω

R6 = 电阻 390 Ω

U1 = ATMEGA328_PDIP28 MCU

Y1 = 16 MHz 晶振

固件

固件不是关键的，不使用任何库进行伺服管理。脉冲由 MCU 数字端口的快速换向产生。这种换向由 UDF“servo()”执行，它接受脉冲的长度(以微秒为单位)作为参数。函数“setup()”将端口 9 配置为数字输出，用户可以更改它。函数“loop()”每秒执行一次，程序读取六个模拟输入并将结果存储在六个整数变量(S0、S1、S2、S3、S4 和 S5)中。然后，六个“if”条件检查提供更多电压的传感器。它是来自太阳的最高光的光敏电阻。这些条件根据太阳的位置旋转伺服电机。MCU 的编程非常简单。您必须在 Arduino IDE 中键入草图，如图所示图 8。6个角度(0°、36°、72°、108°、144°、180°)的参数通过线性曲线计算，如图9所示，公式如下：

y(x) = 9.444444*x + 800

使用此公式，您可以在微秒内找到任何长度的脉冲，从而获得所需的角度。

表 1：脉冲的角度和相对持续时间

图 8：Arduino IDE

图 9：伺服角度的曲线拟合

应用

一些实际和有用的应用程序如下：

• 将太阳能电池板朝向太阳，以获得最大能量;

• 将植物或花朵朝向太阳，以捕捉最多的光线。

对于大型物体，可以使用带有电源电路的强大伺服。草图可以根据自己的需要进行修改和更改。如果您不想构建 PCB，您可以使用带有面包板的 Arduino Uno，您可以在其上安装光敏电阻器和电阻器(参见图 10)。ATmega328P 的工作温度在-55°C 到+125°C 之间。虽然这个范围很宽，但是将MCU 置于阴影处是一个不错的选择，尤其是在非常温暖的国家。

图 10：太阳能轨道的 Arduino 实现

结论

这个项目非常通用。用户可以根据自己的需要进行更改。人们应该始终使用太阳能，因为它清洁、免费和丰富。此外，为电路供电的能量应从太阳能电池板充电的电池中获取，以避免电费开支。

审核编辑：汤梓红