Двухосевой солнечный трекер на Arduino UNO — DIY выравнивание солнечной панели

Компоненты и материалы

Инструменты и ПО

• Arduino IDE
• PLX-DAQ (макрос для Excel — логирование данных в реальном времени)

О проекте

Открытый стенд для тестирования двухосевого солнечного трекера на Arduino Uno. Трекер вращается по азимуту (восток-запад) и высоте (юг-север) с помощью двух сервоприводов, управляемых четырьмя LDR-сенсорами. Режимы: автоматический (по LDR) и ручной (потенциометр). Переключение кнопками. Данные (напряжение, ток, мощность, режим) выводятся в Excel через PLX-DAQ.

Механическая конструкция

3D-модель в CATIA: фотоэлемент, два сервопривода (лево-право и вверх-вниз), 4 LDR в углах панели. LDR помещены в тёмные трубки с малой дыркой — это увеличивает робастность к боковому освещению. По горизонтали используется подшипник для плавности.

Аппаратная часть

• Автоматический режим: Arduino считывает 4 LDR (A0–A3), управляет сервоприводами по PWM (D5, D6). Алгоритм: сравнивает средние значения верхних/нижних и левых/правых пар LDR. Если разница > порога (10), поворачивает серво на 2° в сторону большего освещения. Стабилизация в диапазоне ±10.
• Ручной режим: Потенциометр (A4) управляет выбранным серво. Кнопка (D11) переключает ось, кнопка (D12) — режим.
• Измерение мощности: Напряжение панели на A5 (делитель 1:1), ток = U/20Ом, мощность = U×I. Данные по USB в Excel.
• LDR схема: Делитель напряжения 5В / 330Ом / LDR / GND. Выход на аналоговый вход.
• Сервоприводы: MG996R (азимут) и SG90 (высота). Питание 5В, управление PWM.

Алгоритм автоматического режима

1. Считывает 4 LDR.
2. Считает средние: верх, низ, лево, право.
3. Разница азимута = право - лево. Если |diff| > 10: поворачивает серво азимута.
4. Разница высоты = верх - низ. Если |diff| > 10: поворачивает серво высоты.
5. Если средняя освещённость < 8 (ночь): возвращает панель в позицию восхода (0° азимут, 30° высота).

Виртуальная приборная панель (PLX-DAQ)

PLX-DAQ — Excel-макрос для приёма данных по Serial. Установите, откройте «PLX-DAQ Spreadsheet», настройте порт/baud rate, нажмите Connect. Данные логгируются в реальном времени.

Прототип

Конструкция из дерева, все компоненты смонтированы. Тестировалось под искусственной лампой. Стенд компактный, гибкий, подходит для обучения и прототипирования алгоритмов перед крупным внедрением.

Программный код

#include <Servo.h>

int mode = 0;      // 0=Manual, 1=Auto
int axe = 0;       // 0=Left-Right, 1=Up-Down
int buttonState1 = 0, buttonState2 = 0;
int prevButtonState1 = 0, prevButtonState2 = 0;

int ldrtopr = 0, ldrtopl = 1, ldrbotr = 2, ldrbotl = 3;
int topl=0, topr=0, botl=0, botr=0;

Servo servo_updown;
Servo servo_rightleft;
int threshold_value = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("CLEARDATA");
  Serial.println("LABEL,t,voltage,current,power,Mode");

  pinMode(12, INPUT); // Mode button
  pinMode(11, INPUT); // Axis button
  pinMode(A4, INPUT); // Potentiometer

  servo_updown.attach(5);
  servo_rightleft.attach(6);
}

void loop() {
  // Чтение напряжения панели (делитель 1:1 на A5)
  float volt = analogRead(A5) * 5.0 / 1023.0;
  float voltage = 2 * volt;
  float current = voltage / 20.0;
  float power = voltage * current;

  Serial.print("DATA,TIME,");
  Serial.print(voltage); Serial.print(",");
  Serial.print(current); Serial.print(",");
  Serial.print(power); Serial.print(",");

  // Кнопка режима (D12)
  buttonState1 = digitalRead(12);
  if (buttonState1 != prevButtonState1) {
    if (buttonState1 == HIGH) mode = (mode == 1) ? 0 : 1;
  }
  prevButtonState1 = buttonState1;
  delay(50);

  if (mode == 0) {
    Serial.println('M');
    manualsolartracker();
  } else {
    Serial.println('A');
    automaticsolartracker();
  }
}

void automaticsolartracker() {
  topr = analogRead(ldrtopr);
  topl = analogRead(ldrtopl);
  botr = analogRead(ldrbotr);
  botl = analogRead(ldrbotl);

  int avgtop = (topr + topl) / 2;
  int avgbot = (botr + botl) / 2;
  int avgleft = (topl + botl) / 2;
  int avgright = (topr + botr) / 2;

  int diffelev = avgtop - avgbot;
  int diffazi = avgright - avgleft;

  // Азимут (лево-право)
  if (abs(diffazi) >= threshold_value) {
    if (diffazi > 0) {
      if (servo_rightleft.read() < 180)
        servo_rightleft.write(servo_rightleft.read() + 2);
    } else {
      if (servo_rightleft.read() > 0)
        servo_rightleft.write(servo_rightleft.read() - 2);
    }
  }

  // Высота (вверх-вниз)
  if (abs(diffelev) >= threshold_value) {
    if (diffelev > 0) {
      if (servo_updown.read() < 180)
        servo_updown.write(servo_updown.read() - 2);
    } else {
      if (servo_updown.read() > 0)
        servo_updown.write(servo_updown.read() + 2);
    }
  }
}

void manualsolartracker() {
  buttonState2 = digitalRead(11); // Примечание: в оригинале D13, но схема — D11
  if (buttonState2 != prevButtonState2) {
    if (buttonState2 == HIGH) axe = (axe == 1) ? 0 : 1;
  }
  prevButtonState2 = buttonState2;
  delay(50);

  if (axe == 0) {
    servo_rightleft.write(map(analogRead(A4), 0, 1023, 0, 180));
  } else {
    servo_updown.write(map(analogRead(A4), 0, 1023, 0, 180));
  }
}

Схемы

Полная схема в разделе Schematics (ZIP-архив). Основные соединения:

• LDR: A0–A3 через делители 330Ом
• Серво Up-Down: D5, Серво Left-Right: D6
• Кнопка режима: D12, Кнопка оси: D11
• Потенциометр: A4
• Солнечная панель: A5 (делитель 10к/10к или 1:1)