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ArduinoUno控制的雙軸太陽(yáng)能跟蹤器，ArduinoUno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LightDependentResistor（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MSExcel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。ArduinoUno板用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所有軟件要求。

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)能跟蹤器的穩(wěn)健性。

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，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MSExcel上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

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5V，地為0V，分壓器的輸出連接到微控制器的模擬輸入（例如A0）。隨后，單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將A0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">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330Ω。

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控制它的停止、運(yùn)行、旋轉(zhuǎn)方向和速度，而無需任何驅(qū)動(dòng)器。使用的伺服電機(jī)由ArduinoUNO板通過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（ArduinoUno）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，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C函數(shù)“servox.write（angle）”由ArduinoIDE提供。一個(gè)經(jīng)過實(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，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C函數(shù)“servox.write（angle）”由ArduinoIDE提供。一個(gè)經(jīng)過實(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，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C函數(shù)“servox.write（angle）”由ArduinoIDE提供。

4.通過模擬引腳A5獲取的PV電壓必須經(jīng)過處理并用于計(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USB電纜發(fā)送到計(jì)算機(jī)，然后在MSExcel中呈現(xiàn)。

PLX-DAQExcel宏用于數(shù)據(jù)采集從所述微控制器的Arduino到Excel電子表格。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-DAQSpreadsheet”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

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、ArduinoUno、伺服電機(jī)、電位計(jì)、按鈕和小型光伏板）。

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。