Arduino太陽(yáng)能追蹤器

描述

該項(xiàng)目為太陽(yáng)能跟蹤器提供了一個(gè)開放的硬件/軟件測(cè)試臺(tái)。所提出的原型基于由 Arduino Uno 控制的雙軸太陽(yáng)能跟蹤器，Arduino Uno 是一個(gè)基于易于使用的硬件和軟件的開源原型設(shè)計(jì)平臺(tái)。太陽(yáng)能跟蹤器可以在 LightDependent Resistor (LDR) 傳感器的幫助下自動(dòng)控制，也可以使用電位計(jì)手動(dòng)控制。此外，該測(cè)試臺(tái)還提供基于 Excel 的虛擬儀器，可以記錄和呈現(xiàn)太陽(yáng)能跟蹤器數(shù)據(jù)。所使用的硬件被選擇為便宜、緊湊和通用的。提議的測(cè)試臺(tái)旨在幫助學(xué)生加深對(duì)控制理論及其應(yīng)用的理解。

建議的測(cè)試臺(tái)如圖 1 所示。它基于一個(gè)太陽(yáng)能跟蹤器，該跟蹤器可以借助四個(gè) LDR 傳感器和兩個(gè)伺服電機(jī)（SM1 和 SM2）自動(dòng)旋轉(zhuǎn)以跟蹤太陽(yáng)，或使用電位計(jì)手動(dòng)跟蹤。要在兩種模式（自動(dòng)和手動(dòng)）之間切換，使用按鈕。另一個(gè)按鈕用于將 SM1（上下伺服電機(jī)）或 SM2（左右伺服電機(jī)）連接到電位計(jì)以控制它們的運(yùn)動(dòng)。此外，使用計(jì)算機(jī)作為虛擬儀器，在 MS Excel 中根據(jù)時(shí)間將光伏板的模式和電流、電壓和功率可視化。Arduino Uno 板用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所有軟件要求。

圖 1. 提議的測(cè)試臺(tái)示意圖

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機(jī)械設(shè)計(jì)

如圖 2 所示，太陽(yáng)能跟蹤器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 3D 模型是在 CATIA 中設(shè)計(jì)的。它由光伏板、左右上下伺服電機(jī)、四個(gè)LDR傳感器組成。對(duì)于水平軸，軸承與上下伺服電機(jī)平行固定，具有更好的靈活性。太陽(yáng)跟蹤器設(shè)計(jì)有兩個(gè)自由度，從東到西由左右伺服電機(jī)和從南到北由上下伺服電機(jī)。LDR 傳感器放置在光伏面板的四個(gè)角上，并放置在頂部帶有小孔的暗管中，以檢測(cè)太陽(yáng)的照度。這些暗管也被認(rèn)為是輻射集中器，用于提高太陽(yáng)能跟蹤器的魯棒性。

圖 2. CATIA 中太陽(yáng)跟蹤器的 CAD 3D 模型

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硬件系統(tǒng)

圖 3 展示了所提出的測(cè)試平臺(tái)的電子電路。對(duì)于自動(dòng)模式，微控制器將 LDR 傳感器（引腳 A0 至 A3）的模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。然后，它使用兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)（引腳 5 和 6）控制兩個(gè)伺服電機(jī)（上下和左右）來(lái)跟蹤太陽(yáng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在兩個(gè)軸上，根據(jù)每日太陽(yáng)路徑的方位角從東到西，根據(jù)季節(jié)太陽(yáng)的路徑從南到北高度。對(duì)于手動(dòng)模式，電位器（引腳 A4）用于控制兩個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，一個(gè)按鈕（引腳 11）用于將電位器連接到上下伺服電機(jī)或左右伺服電機(jī)。此外，另一個(gè)按鈕（引腳 12）用于在兩種模式之間切換。此外，PV電壓通過(guò)Arduino的模擬引腳A5測(cè)量，然后計(jì)算PV電流，因?yàn)樨?fù)載的電阻是已知的。接下來(lái)，PV 電流、電壓和功率與時(shí)間的關(guān)系以及實(shí)際模式被發(fā)送到計(jì)算機(jī)，在 MS Excel 上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

圖 3 具有手動(dòng)和自動(dòng)模式的太陽(yáng)能跟蹤器電子電路

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LDR 傳感器電路設(shè)計(jì)為分壓器電路。光強(qiáng)的變化與分壓器輸出電壓的變化成正比。分壓器的頂部為 5 V，地為 0 V，分壓器的輸出連接到微控制器的模擬輸入（例如A 0）。隨后，單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將A 0 讀取的模擬值轉(zhuǎn)換為0到1023之間的數(shù)字值，因?yàn)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>ADC是用10位編碼的，根據(jù)這個(gè)值可以知道光的水平。分壓器中使用的電阻值為 330 Ω。

使用兩個(gè) 180 度伺服電機(jī)。一個(gè)伺服電機(jī)（MG996R）根據(jù)垂直軸控制太陽(yáng)能跟蹤器，即左右伺服電機(jī)。還有一個(gè)微型伺服電機(jī)（SG90）根據(jù)水平軸控制太陽(yáng)能跟蹤器，即上下伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是我們可以使用直接連接到微控制器輸出的單根低電流線來(lái)控制它的停止、運(yùn)行、旋轉(zhuǎn)方向和速度，而無(wú)需任何驅(qū)動(dòng)器。使用的伺服電機(jī)由 Arduino UNO 板通過(guò) 3 線電纜控制，如圖 3 所示，兩根線用于供電，一根線用于 PWM 控制其位置。

嵌入式軟件設(shè)計(jì)

嵌入式軟件是將嵌入硬件 (Arduino Uno) 中以控制和監(jiān)控太陽(yáng)能跟蹤器測(cè)試臺(tái)的部分。嵌入式軟件旨在滿足以下要求：

1 、試驗(yàn)臺(tái)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。一個(gè)按鈕連接到引腳 12 以在兩種模式之間切換。

2.手動(dòng)模式下，電位器可以控制伺服電機(jī)，左右電機(jī)由東向西，上下電機(jī)由南向北控制。一個(gè)按鈕連接到引腳 11 以在兩個(gè)電機(jī)之間切換電位器，它控制左右伺服電機(jī)或上下伺服電機(jī)。

3.如果自動(dòng)模式處于活動(dòng)狀態(tài)，則將執(zhí)行圖 4 所示的算法。后者使用 LDR 傳感器返回的模擬值。例如，考慮方位角或垂直軸，比較兩個(gè)右側(cè) LDR 和兩個(gè)左側(cè) LDR 的平均值，如果左側(cè) LDR 接收到更多的光，太陽(yáng)跟蹤器將通過(guò)左右伺服電機(jī)沿該方向移動(dòng)。后者將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到差異結(jié)果在 [-10, 10] 范圍內(nèi)。該范圍用于穩(wěn)定控制器，一旦太陽(yáng)能跟蹤器垂直于太陽(yáng)，則不再進(jìn)行進(jìn)一步控制。另一方面，如果右側(cè)的 LDR 接收到更多的光，則太陽(yáng)跟蹤器通過(guò)左右伺服電機(jī)沿該方向移動(dòng)，并將繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到差異結(jié)果在 [-10, 10] 范圍內(nèi)。相同的方式用于高程軸。此外，我們還確定了四個(gè) LDR 傳感器之間的平均輻射，以及該值是否小于一個(gè)小值（8：經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)整和測(cè)試的值，當(dāng)輻射為零時(shí)返回）。也就是說(shuō)，夜幕降臨了。在這種情況下，太陽(yáng)跟蹤器必須回到太陽(yáng)升起的位置。例如，如果將左右伺服電機(jī)設(shè)置為 0 度，將上下伺服電機(jī)設(shè)置為 30 度，即可到達(dá)太陽(yáng)升起位置。這可以通過(guò) C 函數(shù)“servox. write(angle)”由 Arduino IDE 提供。一個(gè)經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)整和測(cè)試的值，當(dāng)輻照為空時(shí)返回）。也就是說(shuō)，夜幕降臨了。在這種情況下，太陽(yáng)跟蹤器必須回到太陽(yáng)升起的位置。例如，如果將左右伺服電機(jī)設(shè)置為 0 度，將上下伺服電機(jī)設(shè)置為 30 度，即可到達(dá)太陽(yáng)升起位置。這可以通過(guò) C 函數(shù)“servox. write(angle)”由 Arduino IDE 提供。一個(gè)經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)整和測(cè)試的值，當(dāng)輻照為空時(shí)返回）。也就是說(shuō)，夜幕降臨了。在這種情況下，太陽(yáng)跟蹤器必須回到太陽(yáng)升起的位置。例如，如果將左右伺服電機(jī)設(shè)置為 0 度，將上下伺服電機(jī)設(shè)置為 30 度，即可到達(dá)太陽(yáng)升起位置。這可以通過(guò) C 函數(shù)“servox. write(angle)”由 Arduino IDE 提供。

4. 通過(guò)模擬引腳 A5 獲取的 PV 電壓必須經(jīng)過(guò)處理并用于計(jì)算 PV 電流和功率。然后所有這些數(shù)據(jù)和實(shí)際模式必須通過(guò) USB 電纜發(fā)送到計(jì)算機(jī)，然后在 MS Excel 中呈現(xiàn)。

圖 4 太陽(yáng)跟蹤器自動(dòng)模式算法

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PLX-DAQ Excel 宏用于從 Arduino 微控制器到 Excel 電子表格的數(shù)據(jù)采集。我們只需要下載它。安裝后，PC 上會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)名為“PLX-DAQ”的文件夾，其中有一個(gè)名為“PLX-DAQ Spreadsheet”的快捷方式。然后，要在開發(fā)板和 Excel 之間建立通信，我們只需要打開電子表格并在 PLX-DAQ 窗口中定義連接設(shè)置（波特率和端口）（圖 5）。此后，點(diǎn)擊“連接”后，輸出數(shù)據(jù)將被收集并實(shí)時(shí)顯示在 Excel 電子表格上

圖 5. PLX-DAQ 電子表格窗口

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原型

圖 6 顯示了處于分離和組裝狀態(tài)的太陽(yáng)能跟蹤器。如前所述，整個(gè)結(jié)構(gòu)是使用木板制造的，很明顯，所有提到的組件都已用于構(gòu)建具有手動(dòng)和自動(dòng)模式的太陽(yáng)能跟蹤器（LDR 傳感器、Arduino Uno、伺服電機(jī)、電位計(jì)、按鈕和小型光伏板）。

圖 6 太陽(yáng)跟蹤器的組成

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圖 7 顯示了整個(gè)測(cè)試臺(tái)、帶有虛擬儀器的太陽(yáng)能跟蹤器，以及可以暴露光線以測(cè)試太陽(yáng)能跟蹤器的人造燈。太陽(yáng)能跟蹤器和計(jì)算機(jī)通過(guò) USB 數(shù)據(jù)線連接。一旦獲得 PV 電壓，控制器就會(huì)處理此信息并使用它來(lái)計(jì)算 PV 電流和功率。然后，所有這些數(shù)據(jù)都被發(fā)送到計(jì)算機(jī)以在 MSExcel 中呈現(xiàn)。從無(wú)花果。從圖 5 和圖 6 可以看出，所建議的測(cè)試臺(tái)體積小、靈活且易于使用。它可以讓學(xué)生、研究人員和工程師在實(shí)施大型太陽(yáng)能跟蹤設(shè)備之前以簡(jiǎn)單的方式應(yīng)用他們的算法。

圖 7. 帶有虛擬儀器的整個(gè)測(cè)試臺(tái)

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