Arduino 双轴太阳能跟踪器：自动/手动模式 + Excel 实时数据采集

项目概述

本项目实现了一款低成本、开源的双轴太阳能跟踪测试平台。核心控制器为 Arduino Uno，配合 4 个 LDR 光敏电阻与 2 个舵机 (SG90 + MG996R) 实现方位角 (东西) 与俯仰角 (南北) 双轴跟踪。支持自动跟踪与电位器手动模式切换，并通过 PLX-DAQ 宏将电压、电流、功率实时写入 Excel 表格，适合教学演示与算法验证。

核心组件

• Arduino UNO ×1
• SG90 微型舵机 ×1 (俯仰轴) / MG996R 金属齿舵机 ×1 (方位轴)
• LDR 光敏电阻 (5 MΩ) ×4：四角布置，配套深色导光管抗干扰
• 330 Ω 电阻 ×4：LDR 分压电阻
• 旋转电位器 (10 kΩ) ×1：手动模式输入
• 按键开关 ×2：模式切换 / 轴选择
• 迷你太阳能板 ×1：负载测试用

机械结构设计

• CATIA 设计 3D 模型，木质板材激光切割/雕刻组装
• 水平轴 (方位) 由 MG996R 驱动，配合轴承减摩
• 垂直轴 (俯仰) 由 SG90 驱动，范围约 0–180°
• LDR 置于面板四角，深色管限制视场角，增强方向性

电路原理

LDR 分压电路

每路 LDR 与 330 Ω 电阻串联跨接 5V-GND，中点接 Uno A0–A3。光照越强 → LDR 电阻越小 → 分压电压越高 → ADC 值越大。

舵机驱动

PWM 信号线直连 Uno D5 (俯仰) 与 D6 (方位)，电源另接外部 5V/2A 以上电源（Uno 5V 引脚电流不足）。

模式切换与轴选择

• D12 按键：自动/手动模式切换
• D11 按键：手动模式下切换控制轴 (方位/俯仰)
• A4 电位器：手动模式下映射 0–1023 → 0–180°

PV 电压/电流采集

A5 分压采集面板电压 (分压比 1:2)，已知负载电阻 20 Ω，计算电流 I = V/20，功率 P = V×I。

自动跟踪算法

1. 读取 4 路 LDR 值：topR, topL, botR, botL
2. 计算平均值：
   • avgTop = (topR + topL)/2
   • avgBot = (botR + botL)/2
   • avgLeft = (topL + botL)/2
   • avgRight = (topR + botR)/2
3. 差值判断：
   • diffAzi = avgRight - avgLeft (方位)
   • diffEle = avgTop - avgBot (俯仰)
4. 死区阈值 threshold = 10：|diff| < 10 不动作，防抖动
5. 步进 2° 移动舵机，直到差值落入死区
6. 夜间检测：四路平均 < 8 → 复位至日出位置 (方位 0°, 俯仰 30°)

PLX-DAQ Excel 实时记录

1. 下载安装 PLX-DAQ，生成 PLX-DAQ Spreadsheet 快捷方式
2. 打开表格，设置波特率 9600、对应 COM 口，点击 Connect
3. Arduino 发送格式：DATA,TIME,voltage,current,power,Mode
4. Excel 实时追加行，自动生成时序图表

代码关键片段

自动跟踪核心

void automaticsolartracker() {
  topr = analogRead(A0); topl = analogRead(A1);
  botr = analogRead(A2); botl = analogRead(A3);

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

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

  if (abs(diffazi) >= THRESHOLD) {
    if (diffazi > 0 && servo_rightleft.read() < 180)
      servo_rightleft.write(servo_rightleft.read() + 2);
    else if (diffazi < 0 && servo_rightleft.read() > 0)
      servo_rightleft.write(servo_rightleft.read() - 2);
  }
  if (abs(diffelev) >= THRESHOLD) {
    if (diffelev > 0 && servo_updown.read() < 180)
      servo_updown.write(servo_updown.read() - 2);
    else if (diffelev < 0 && servo_updown.read() > 0)
      servo_updown.write(servo_updown.read() + 2);
  }
}

手动模式

void manualsolartracker() {
  if (axe == 0)  // 方位轴
    servo_rightleft.write(map(analogRead(A4), 0, 1023, 0, 180));
  else           // 俯仰轴
    servo_updown.write(map(analogRead(A4), 0, 1023, 0, 180));
}

教学与科研价值

• 直观演示 PID 替代的阈值控制策略
• 可替换算法验证 MPPT、模糊控制、神经网络等高级策略
• Excel 实时数据便于课堂演示功率-角度特性曲线
• 低成本 (<$50) 适合学生分组实验

改进建议

• 引入 PID 控制器消除稳态误差与超调
• 加入 GPS+时间算法实现“天文跟踪”模式，无需 LDR
• 使用步进电机+减速机替代舵机，提升扭矩与定位精度
• 增加风速/温度传感器，研究环境因素对发电效率影响