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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik [Arduino] Mehrere Fotodioden auswerten und Motoren ansteuern


Autor: Dominik W. (doz512)
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Hallo zusammen,

ich habe mir vor kurzen einen Arduino UNO zu gelegt. Habe mich für eines 
dieser "Starter Kitts" mit jeder Menge Jumper Kabel, Steckbrett, und 
Standard Bauteilen entschieden. Habe damit auch schon einige Schaltungen 
gebaut. Bin also kein blutiger Anfänger. ;)
Allerdings will ich jetzt auch mal etwas "praktisch anwendbares" bauen. 
Ich habe mich dazu entschieden eine sich nach dem Sonnenstand 
ausrichtende Vorrichtung für ein Solarpanel zu bauen.
Der Stand der Sonne soll dabei mit Hilfe von vier Fotodioden ermittelt 
werden. Die Signale werden dann von dem Arduino ausgewertet und zwei 
Motoren sollen über eine Zwei-Achsen Lagerung eine Solarzelle 
ausrichten.
Ich habe dafür die angehängte Schaltung entworfen und wollte mich vor 
dem Kauf der Bauelemente schlau machen ob das so überhaupt funktionieren 
kann bzw. was ich verbessern / ändern muss um es um zu setzen.

Danke und Gruesse :)

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Die Ausgänge des Arduinos sind nicht stark genug, um Relais direkt 
anzusteuern.

Du brauchst pro Relais folgende Bauteile zusätzlich:

1 Transistor BC337-40
1 Widerstand 2,7k Ohm
1 (Freilauf-)Diode 1N4148

Parallel zu jedem Motor brauchst du einen Snubber, damit die 
Relaiskontakte nicht frühzeitig abbrennen:

1 Kondensator 100 nF
1 Widerstand 100 Ohm

Achtung: Falls du die Motoren mit 230V betreiben willst, brauchst du 
Kondensatoren, die mindestens 250V~/630V= vertragen. Lass Dir nicht 
Kondensatoren mit dem Aufdruck 250V~/400V= andrehen, die gehen schnell 
kaputt.

Statt Photodioden nimm besser Phototransistoren. Die geben ein 
deutlicheres Signal aus. Die Widerstände davor hängen sehr vom 
Phototransistor-Typ ab. Für Tageslicht empfehle ich den PT331C mit 10k 
Ohm Widerständen.

Siehe Artikelsammlung oder 
http://stefanfrings.de/mikrocontroller_buch/index.html

: Bearbeitet durch User
Autor: Dominik W. (doz512)
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Danke! Hat mir weiter geholfen. Ich entwerfe dann direkt mal eine neue 
Schaltung.

Autor: Dominik W. (doz512)
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Stefan U. schrieb:
> Die Ausgänge des Arduinos sind nicht stark genug, um Relais direkt
> anzusteuern.

Also eine "normale" Treiberschaltung wie sie hier gezeigt wird?
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/1201131.htm

Autor: Dominik W. (doz512)
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Gut, habe die Schaltung einmal angepasst. Hoffe ich habe alles richtig 
verstanden. Die Fotodioden werde ich wahrscheinlich durch 
Phototransistoren ersetzen.

Autor: hp-freund (Gast)
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Ist dein Solar Panel 360° drehbar?
Wenn nicht sollten die Motoren auch die Drehrichtung ändern können.

Autor: hp-freund (Gast)
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Autor: Jakob (Gast)
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OK, wie man einen Motor von einen µC (jeweils Transistor-
Relais-Motor) ein- und ausschaltet, ist wohl klar.

Nicht so klar ist mir, wie du mit 4 Lichtsensoren (egal, ob
Fotodioden, oder Fototransistoren) die Sonneposition eindeutig
feststellen willst.

Aber, nehmen wir mal an, dass das ein gelöstes Problem ist:

Vormittags musst du die vertikale Ausrichtung des Panels langsam
anheben, nachmittags wieder absenken.
Dafür ist eine Drehrichtungsumkehr notwendig!

Ohne Schleiferkontakte für den Solarstrom des Panels musst du am
Abend das Panel auch wieder zum Azimutwinkel des Sonnenaufgangs
zurückfahren.
Dafür ist auch eine Drehrichtungsumkehr notwendig!

Sonst sind die Anschlusskabel
    recht bald
        recht fest
            verzwirbelt...

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Dominik W. schrieb:
> Nachfuehrungv1.1.PNG

Wenn Du sowieso eine getrennte Spannungsquelle für Deine Motoren hast, 
ist es nicht notwendig, die beiden Stromkreise (µC und Motoren) zu 
verbinden.
Unter Umständen handelst Du Dir damit ehr Probleme ein.


Gruß

Jobst

Autor: M. K. (sylaina)
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Jakob schrieb:
> Nicht so klar ist mir, wie du mit 4 Lichtsensoren (egal, ob
> Fotodioden, oder Fototransistoren) die Sonneposition eindeutig
> feststellen willst.

Zum Beispiel die Lichtsensoren in einem Quadrat anordnen und zwischen 
die Sensoren Wände stellen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Sonne da 
ist, wo die Sensoren alle das gleiche Signal ausgeben, ist dann sehr 
hoch. Anordnung z.B. so:
—————————————
|     |     |
| PD  |  PD |
|     |     |
-------------
|     |     |
| PD  |  PD |
|     |     |
—————————————

Stefan U. schrieb:
> Statt Photodioden nimm besser Phototransistoren. Die geben ein
> deutlicheres Signal aus. Die Widerstände davor hängen sehr vom
> Phototransistor-Typ ab. Für Tageslicht empfehle ich den PT331C mit 10k
> Ohm Widerständen.

Kann man machen, muss man aber nicht. Ich würde (oder besser: habe) 
einen LM324 oder ähnliches als TIA benutzen (benutzt), Feedback mit 
100k. Damit kann man ganz gut nach der Sonne am Himmel schaun (oder 
anderen Lichtquellen). Habe bei mir die BPW34 benutzt, die hat IMO eine 
bessere Empfindlichkeit als ein PT331C.

Autor: Jakob (Gast)
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@ M. Köhler (sylaina)

OK, 4 Sensoren in einem Quadrat mit Wänden dazwischen.
Bei jutjub hab ich diese Konstruktion mittlerweile gesehen.

Meine Zweifel an der EINDEUTIGEN Erkennung der Sonnenposition
bleiben damit aber bestehen:

Nehmen wir mal an, dass die Nachführung so schlau ist, bei
Sonnenuntergang stehenzubleiben. Dann kommt beim nächsten
Sonnenaufgang nur Streulicht (etwa gleich) auf die 4
Sensoren. Oder zufällig die Reflexion von einer weißen Wand,
oder einer (verspiegelten) Glasscheibe...

Damit ist die eindeutige Erkennung der Sonnenposition gewiss
NICHT gewährleistet - wie soll man daraus ein Steuersignal
generieren, mit dem das Panel zur Morgensonne ausgerichtet wird?

Gegenvorschlag:
Erstmal könnte man die 4-Sensor-Konstruktion auf 3 Sensoren
mit passend angeordneten Wänden (120°, statt 90°) reduzieren.
Mit etwas Geometrieverständnis (was auch der Software beigebracht
werden muss) geht das ähnlich (un-)genau.

Wenn der 4. Sensor jetzt aber "nach hinten" schaut, kann er
die Morgensonne erkennen und der Azimutsteuerung mitteilen, dass
sie rückwärts zu laufen hat, bis die anderen 3 Dioden erkannt
haben, dass die Azimutausrichtung stimmt.


Da der TO immer nur in eine Richtung bewegen will, sind solche
Überlegungen natürlich überflüssig...

Autor: Jobst M. (jobstens-de)
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Um der Sonne zu folgen, reicht eigentlich eine Drehachse (parallel zur 
Erdachse) und damit auch 2 Sensoren.

Aufbau:

                      Mittagssonne
                           |
                           |
                           V

                         _____
                           |^^
                           |
                           |
                        s  |  s
Morgensonne ---->      ----o----        <---- Abendsonne

s = Sensor
o = Drehachse
_ = Reflektor

^ = dunkel


Die Sensoren sind auf dunklem Material befestigt.
Zwischen den Sensoren befindet sich eine lichtundurchlässige Wand.
Gegenüber den Sensoren, am Ende der Wand, befindet sich ein Reflektor, 
welcher so breit ist, wie die Sensoren auseinander sitzen.
Er reflektiert auf einer Seite Richtung Sensor, die andere Seite 
reflektiert nicht.

Wenn die Sensoren genau Richtung Sonne stehen, bekommen beide Sensoren 
gleich viel Licht. Ist einer der Sensoren abgedeckt, muss 
nachpositioniert werden.

Wenn das Gerät am Abend zum Stillstand kommt, wird am nächsten Morgen 
über den Reflektor nur der Sensor beleuchtet, welcher Richtung Osten 
dreht.


Jakob schrieb:
> Meine Zweifel an der EINDEUTIGEN Erkennung der Sonnenposition
> bleiben damit aber bestehen:

Nö, das funktioniert schon. Allerdings muss man dafür sorgen, dass bei 
geradem Lichteinfall jeder Sensor nur zur Hälfte beleuchtet wird. 
(Schatten)


Jakob schrieb:
> Gegenvorschlag:
> Erstmal könnte man die 4-Sensor-Konstruktion auf 3 Sensoren
> mit passend angeordneten Wänden (120°, statt 90°) reduzieren.
> Mit etwas Geometrieverständnis (was auch der Software beigebracht
> werden muss) geht das ähnlich (un-)genau.

Dafür müssten die Sensoren recht linear und gleich sein.


Jakob schrieb:
> Da der TO immer nur in eine Richtung bewegen will, sind solche
> Überlegungen natürlich überflüssig.

Das ist allerdings ein Punkt, den man ihm noch klar machen muss.
Sonst wird das ein Einmalgerät.



Gruß

Jobst

Autor: M. K. (sylaina)
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Jakob schrieb:
> Damit ist die eindeutige Erkennung der Sonnenposition gewiss
> NICHT gewährleistet - wie soll man daraus ein Steuersignal
> generieren, mit dem das Panel zur Morgensonne ausgerichtet wird?

Es gehört natürlich auch ein bisschen Logik dazu, ich benutze dafür das 
Funkuhrsignal und Abends (wenn die Ausbeute zu gering wird) fahre ich 
Richtung Sonnenaufgangsposition zurück.

Jobst M. schrieb:
> Um der Sonne zu folgen, reicht eigentlich eine Drehachse (parallel zur
> Erdachse) und damit auch 2 Sensoren.

Gibs zu, du hast bei mir gespickt. Ich habs nämlich mit nur zwei 
Sensoren gelöst. Aber nicht wie du vorgeschlagen hast, das werd ich aber 
auch mal probieren, finde ich nämlich sehr interessant den Ansatz ;)

Autor: Wolfgang (Gast)
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Jakob schrieb:
> Damit ist die eindeutige Erkennung der Sonnenposition gewiss
> NICHT gewährleistet - wie soll man daraus ein Steuersignal
> generieren, mit dem das Panel zur Morgensonne ausgerichtet wird?

Zum Glück bewegt sich die Sonne nicht erratisch über den Himmel, sondern 
ist höchst berechenbar.
Beitrag "Re: Lichteinfallsregelung durch Sonnenverfolger"

Für eine Solarzelle ist die Genauigkeit allemal ausreichend. Durch 
entsprechende Schwellwerte bei den Sonnensensoren kann man dafür sorgen, 
dass je nach Beleuchtungsstärke die Ausrichtung nach Berechnung oder 
nach Sensor höher gewichtet wird. Dann findet die Mimik auch morgens die 
aufgehenden Sonnen - sogar wenn Wolken davor sind ;-)

Autor: Bernd K. (prof7bit)
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Dominik W. schrieb:
> Gut, habe die Schaltung einmal angepasst

GND und +5V sind verbunden, die Schaltung ergibt keinen so rechten Sinn, 
man kann zwar die Absicht erkennen aber da ist mehr als nur eine 
Verbindung falsch angeschlossen. Reiß die verknoteten verwinkelten 
Versorgungsleitungen mal alle raus und verleg die komplett neu und 
übersichtlich.

Autor: Jakob (Gast)
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@ Wolfgang (Gast)

Dass die "astronomische" Nachführung in Azimut (noch besser: mit
schräger Achse in Rektaszension) konstruktiv einfacher ist, steht
hier nicht zur Debatte.
Diese + Vertikalsuche nach dem stärksten Licht ist wohl der
effektivste Ansatz.

Aber der TO will die Nachsteuerung nur mit Fotodioden machen.

Oder auch garnichts mehr: Letzte Meldung vor 3 Tagen...

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