工業(yè)應(yīng)用太陽能跟蹤器設(shè)計方案

太陽能跟蹤器是一種自動化設(shè)備，用于定向?qū)ο?例如太陽能電池板)，有利地關(guān)注太陽光線，從而有利于增加能源設(shè)備的有效產(chǎn)量。一種類型的太陽能跟蹤器是定日鏡。該原型希望通過市場上容易獲得的組件提供創(chuàng)建簡單太陽能跟蹤器的專業(yè)知識，并成為未來發(fā)展的指南。使用的電子元件的尺寸適合處理小型電機。為了支持大型物體，還需要實現(xiàn)電源電路。

目標(biāo)!

該電路旨在為相關(guān)對象提供盡可能朝向太陽的位置。由于地球自轉(zhuǎn)的影響，太陽的相對位置會發(fā)生變化，因此需要運動控制系統(tǒng)將物體自動定位在太陽前方。該電路由一些光敏電阻和一個伺服電機組成。ATmega328 管理系統(tǒng)邏輯。MCU 測量六個光傳感器的電壓(通過六個模擬輸入端口)并將電機移動到正確的位置。

光檢測器

由于 ATmega328 MCU 有六個 ADC 輸入，因此該電路包含六個光傳感器。它們以光敏電阻為代表，連接到六個固定電阻，作為電壓的除數(shù)。光敏電阻的值必須相同。根據(jù)太陽的角度，它們必須以 180 度的總角距離定位和定向，從東到西。一個傳感器與下一個傳感器之間的角距離必須為 36 度，如圖 1所示。傳感器的“高度”取決于電路在地球上的位置(緯度)。

圖1：六個光傳感器的位置

光敏電阻的值可以是任意的，重要的是除數(shù)的固定電阻的值也相同。光敏電阻的值必須用太陽光來測量。如圖2所示，光敏電阻在除數(shù)的熱端;固定電阻接地。信號(輸出)在中心節(jié)點上。讓我們看一下圖 2。在此示例中，太陽主要指向第四個光傳感器。如果所有傳感器具有相同的特性并且所有電阻具有相同的值，則第四除數(shù)將最高電壓提供給微控制器。根據(jù)這個事實，它將決定舵機的位置。這里使用的光敏電阻具有以下值：

? 在黑暗中：7MΩ

? 環(huán)境光下：15kΩ

? 被太陽照亮：400 Ω

顯然，您可以使用任何光敏電阻。

圖 2：分壓器

伺服

伺服系統(tǒng)用于自動化系統(tǒng)，并允許通過與 MCU 邏輯端口的單個連接來實現(xiàn)精確的角運動。該組件非常適合需要受控旋轉(zhuǎn)的項目。幾乎可以在任何可以找到 5V 電源的地方添加它們。脈沖信號控制伺服。它可以在大約180°的角度工作。它以 1.5ms 脈沖移動至 0°，以 2ms 脈沖移動至 90°，以 1ms 脈沖移動至 -90°(如圖 3所示)。高脈沖的寬度決定了伺服電機的角度。By appropriately choosing different values, between a minimum and a maximum, it is possible to orient the servo to any allowed direction. 伺服可以移動一個小太陽能電池板或一個小花盆。為此，您必須構(gòu)建一個能夠包含這些對象的結(jié)構(gòu)。

圖3：本項目中使用的Servo

電氣原理圖

電氣原理圖(見圖 4)非常簡單。它由 ATMega328P MCU 及其外部振蕩器組成。六個光敏電阻和相對固定的電阻實現(xiàn)電壓除數(shù)。電阻器的值必須與被太陽照射的光敏電阻器的值大致相同。最開明的除數(shù)將提供最高電壓，并且固件將知道跟隨太陽將伺服旋轉(zhuǎn)到指定角度。

圖 4：電氣原理圖

印刷電路板

PCB的創(chuàng)建不會出現(xiàn)問題。其尺寸為 115 mm x 65 mm(圖 5)。它的實現(xiàn)非常容易。雖然存在許多連接，但它是單層 PCB。走線的厚度足以滿足電路的低電流。它可以通過轉(zhuǎn)移鉛筆、光刻或壓剝板生產(chǎn)。

圖 5：PCB

安裝組件

對于電路的組裝(請看圖 6)，您必須以低剖面安裝組件，如電阻器和陶瓷電容器。然后你可以放置最大的組件。如您所見，光敏電阻的角度不一樣。它們旋轉(zhuǎn)了 36°，因為一個傳感器與下一個傳感器之間的角距離必須為 36 度(0°、36°、72°、108°、144°、180°)才能完美地跟隨太陽。

圖 6：PCB 上組件的 2D 布局

圖 7顯示了組件和 PCB 的 3D 視圖。

圖 7：3D 預(yù)覽

組件列表

C1 = 陶瓷電容 22pF

C2 = 陶瓷電容 22pF

C3 = 聚酯電容 100nF

C4 = 電解電容 100uF

J1 = PCB 2 針頭，5mm

M1 =伺服SG90

PH1 = 光敏電阻 15kΩ

PH2 = 光敏電阻 15kΩ

PH3 = 光敏電阻 15kΩ

PH4 = 光敏電阻 15kΩ

PH5 = 光敏電阻 15kΩ

PH6 = 光敏電阻 15kΩ

R1 = 電阻 390 Ω

R2 = 電阻 390 Ω

R3 = 電阻 390 Ω

R4 = 電阻 390 Ω

R5 = 電阻 390 Ω

R6 = 電阻 390 Ω

U1 = ATMEGA328_PDIP28 MCU

Y1 = 16 MHz 晶振

固件

固件不是關(guān)鍵的，不使用任何庫進行伺服管理。脈沖由 MCU 數(shù)字端口的快速換向產(chǎn)生。這種換向由 UDF“servo()”執(zhí)行，它接受脈沖的長度(以微秒為單位)作為參數(shù)。函數(shù)“setup()”將端口 9 配置為數(shù)字輸出，用戶可以更改它。函數(shù)“l(fā)oop()”每秒執(zhí)行一次，程序讀取六個模擬輸入并將結(jié)果存儲在六個整數(shù)變量(S0、S1、S2、S3、S4 和 S5)中。然后，六個“if”條件檢查提供更多電壓的傳感器。它是來自太陽的最高光的光敏電阻。這些條件根據(jù)太陽的位置旋轉(zhuǎn)伺服電機。MCU 的編程非常簡單。您必須在 Arduino IDE 中鍵入草圖，如圖所示圖 8。6個角度(0°、36°、72°、108°、144°、180°)的參數(shù)通過線性曲線計算，如圖9所示，公式如下：

y(x) = 9.444444*x + 800

使用此公式，您可以在微秒內(nèi)找到任何長度的脈沖，從而獲得所需的角度。

表 1：脈沖的角度和相對持續(xù)時間

圖 8：Arduino IDE

圖 9：伺服角度的曲線擬合

應(yīng)用

一些實際和有用的應(yīng)用程序如下：

? 將太陽能電池板朝向太陽，以獲得最大能量;

? 將植物或花朵朝向太陽，以捕捉最多的光線。

對于大型物體，可以使用帶有電源電路的強大伺服。草圖可以根據(jù)自己的需要進行修改和更改。如果您不想構(gòu)建 PCB，您可以使用帶有面包板的 Arduino Uno，您可以在其上安裝光敏電阻器和電阻器(參見圖 10)。ATmega328P 的工作溫度在-55°C 到+125°C 之間。雖然這個范圍很寬，但是將MCU 置于陰影處是一個不錯的選擇，尤其是在非常溫暖的國家。

圖 10：太陽能軌道的 Arduino 實現(xiàn)

結(jié)論

這個項目非常通用。用戶可以根據(jù)自己的需要進行更改。人們應(yīng)該始終使用太陽能，因為它清潔、免費和豐富。此外，為電路供電的能量應(yīng)從太陽能電池板充電的電池中獲取，以避免電費開支。

審核編輯：湯梓紅