双轴太阳能跟踪器：自动/手动模式切换，高效光伏追踪系统

组件与物料清单

所需工具

• 电烙铁

设计工具

• Autodesk Tinkercad - 电路仿真与代码编写
• Arduino IDE

项目简介

这是2017-2018年"Young Hackers"社团小学生项目，改编自OpenSourceClassroom双轴跟踪器。核心是一块5V小太阳能板，双轴旋转实现最大功率点跟踪。小学生以流水线分工完成焊接、绝缘、组装，极具教育意义。

双模式设计

• 手动模式：红灯亮，两个电位器分别控制水平/垂直舵机角度(0-180°映射)
• 自动模式：蓝灯亮，四个光敏电阻检测光强差异，驱动舵机向光源转动
• 按钮切换：短按切换模式，状态掉电不保持(可加EEPROM改进)

核心算法：四分法光敏跟踪

四个光敏电阻布置于面板四角(左上、右上、左下、右下)；读取模拟值并映射至0-100光强值(每个传感器需单独标定高低阈值)；

• 水平比较：左侧平均 vs 右侧平均，差值>4%则水平舵机逐步转向亮侧
• 垂直比较：上侧平均 vs 下侧平均，差值>4%则垂直舵机逐步转向亮侧
• 死区阈值4%防止抖动，步进1°平滑跟踪

完整代码

#include <Servo.h>

int mode = 0;           // 0=手动, 1=自动
int buttonState = 0;
int prevButtonState = 0;

int topLeftLight, topRightLight, bottomLeftLight, bottomRightLight;
int LeftLight, RightLight, TopLight, BottomLight;

Servo servo_9;  // 水平舵机
Servo servo_10; // 垂直舵机

void setup() {
  pinMode(7, INPUT);       // 模式按钮
  pinMode(12, OUTPUT);     // 红LED-手动
  pinMode(11, OUTPUT);     // 蓝LED-自动
  pinMode(A0, INPUT);      // 电位器-水平
  pinMode(A1, INPUT);      // 电位器-垂直
  pinMode(A2, INPUT);      // 光敏-左上
  pinMode(A3, INPUT);      // 光敏-右上
  pinMode(A4, INPUT);      // 光敏-左下
  pinMode(A5, INPUT);      // 光敏-右下
  
  servo_9.attach(9);   // 水平
  servo_10.attach(10); // 垂直
}

void loop() {
  // 按钮检测与模式切换(边沿触发)
  buttonState = digitalRead(7);
  if (buttonState != prevButtonState) {
    if (buttonState == HIGH) {
      if (mode == 1) { mode = 0; digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(11, LOW); }
      else { mode = 1; digitalWrite(11, HIGH); digitalWrite(12, LOW); }
    }
  }
  prevButtonState = buttonState;
  delay(50);  // 消抖

  if (mode == 0) {
    // 手动模式：电位器直接映射舵机角度
    servo_9.write(map(analogRead(A0), 0, 1023, 0, 180));
    servo_10.write(map(analogRead(A1), 0, 1023, 0, 180));
  } else {
    // 自动模式：光敏跟踪
    // 映射并标定每个光敏范围(需实测调整)
    topLeftLight     = map(analogRead(A2), 50,  980, 0, 100);
    topRightLight    = map(analogRead(A3), 200, 990, 0, 100);
    bottomLeftLight  = map(analogRead(A4), 170, 970, 0, 100);
    bottomRightLight = map(analogRead(A5), 250, 1000, 0, 100);

    // 计算四象限平均光强
    TopLight    = (topRightLight + topLeftLight) / 2;
    BottomLight = (bottomRightLight + bottomLeftLight) / 2;
    LeftLight   = (topLeftLight + bottomLeftLight) / 2;
    RightLight  = (topRightLight + bottomRightLight) / 2;

    // 水平跟踪
    if (abs(RightLight - LeftLight) > 4) {
      if (RightLight < LeftLight) { if (servo_9.read() < 180) servo_9.write(servo_9.read() + 1); }
      else { if (servo_9.read() > 0) servo_9.write(servo_9.read() - 1); }
    }
    // 垂直跟踪
    if (abs(TopLight - BottomLight) > 4) {
      if (TopLight < BottomLight) { if (servo_10.read() < 180) servo_10.write(servo_10.read() - 1); }
      else { if (servo_10.read() > 0) servo_10.write(servo_10.read() + 1); }
    }
  }
}

接线原理图

教学价值与改进方向

• STEM教育典范：小学生分工协作完成硬软结合项目
• Tinkercad仿真先行：零硬件风险验证逻辑
• 改进点：加入MPPT算法、太阳能充电管理、数据记录SD卡、LoRa远程监控
• 结构升级：3D打印支架、滑环解决缠线、防水户外化