Seguidor de luz

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Universidad Politécnica Salesiana. Barros Paul, Naula Paul. Aplicación de Arduino: Panel Solar Seguidor de Luz



Aplicación de Arduino: Panel Solar seguidor de Luz

Barros Paul, Naula Paul.
[email protected], [email protected]
Universidad Politécnica Salesiana.


Resumen— En este trabajo se presenta la aplicación del microcontrolador Arduino, el tema de aplicación consiste en un panel solar seguidor de luz, el cual es accionado mediante un servomotor y por la cantidad de luz presente que afectan a los sensores LDR, este panel se orienta con respecto a la cantidad de luz y enciende un led cuando está cargado.

Palabras clave— LDR, Arduino, Servomotor

Abstract— In this paper the application of microcontroller Arduino is presented, the subject of application consists of a solar panel follower of light, which is driven by a servomotor and the amount of light present affecting the LDR sensors, this panel is oriented with regarding the amount of light and lights a LED when loaded.

Keywords— LDR, Arduino, Servomotor
INTRODUCCIÓN

Arduino es una herramienta para hacer que los ordenadores puedan sentir y controlar el mundo físico a través de una computadora. Es una plataforma de desarrollo de computación física (physical computing) de código abierto, basada en una placa con un sencillo microcontrolador y un entorno de desarrollo para crear software (programas) para la placa. Puedes usar Arduino para crear objetos interactivos, leyendo datos de una gran variedad de interruptores y sensores y controlar multitud de tipos de luces, motores y otros actuadores físicos. Los proyectos con Arduino pueden ser autónomos o comunicarse con un programa (software) que se ejecute en tu ordenador [1].
Conociendo un poco de las aplicaciones que tiene el arduino decidimos realizar un proyecto de un panel solar seguidor de luz ya que resulta interesante tener que usar un servomotor, LDRs y el arduino como medios, ya que el arduino simplifica mucho el diseño electrónico y puede controlar mediante software el servomotor.

Marco teórico

ARDUINO

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida.4 Los microcontroladores más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque que es ejecutado en la placa.

Arduino puede tomar información del entorno a través de sus entradas analógicas y digitales, puede controlar luces, motores y otros actuadores. El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing). Los proyectos hechos con Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un computador [2].

El Arduino puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de
alimentación externa Fig.1 . La fuente de alimentación se selecciona automáticamente [1].


Fig. 1 Arduino y cable usb
Especificaciones técnicas:

Las especificaciones pueden variar dependiendo del modelo, el nuestro corresponde al Arduino UNO [1].


Tabla 1 Especificaciones tecnicas
Power, Inputs and Outputs:

Pines de alimentation (Power Pins) Fig 2.


Fig 2 Pines alimentación
Bien alimentemos al arduino mediante la conexión USB o mediante una fuente externa (recomendada de 7-12V), vamos a tener unas salidas de tensión continua debido a unos reguladores de tensión y condensadores de estabilización. Estos pines son:
VIN: se trata de la fuente tensión de entrada que contendrá la tensión a la que estamos alimentando al Arduino mediante la fuente externa.
5V: fuente de tensión regulada de 5V, esta tensión puede venir ya sea de pin VIN a través de un regulador interno, o se suministra a través de USB o de otra fuente de 5V regulada.
3.3V: fuente de 3.3 voltios generados por el regulador interno con un consumo máximo de corriente de 50mA [1].
GND: pines de tierra.

Analog Inputs:

El Arduino posee 6 entradas analógicas Fig. 3, etiquetadas desde la A0 a A5, cada una de las cuales ofrecen 10 bits de resolución (es decir, 1024 estados). Por defecto, tenemos una tensión de 5V, pero podemos cambiar este rango utilizando el pin de AREF y utilizando la función analogReference(), donde le introducimos una señal externa de continua que la utilizara como referencia [1].


Fig 3. Entradas analogicas

SERVOMOTOR

Un servomotor es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en robótica, pero su uso no está limitado a estos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.
Un servo normal o Standard tiene 3kg por cm. de torque que es bastante fuerte para su tamaño. También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energía.
La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar moviéndose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está enclavado [3].

TIPOS DE SERVOMOTORES

-Servomotores de CC
-Servomotores de AC
-Servomotores de imanes permanentes o Brushless.

Partes de un servomotor:

Motor de corriente continúa.

Es el elemento que le brinda movilidad al servo. Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales, este motor gira en un sentido a su velocidad máxima. Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso, el sentido de giro también se invierte Fig. 4.

Engranajes reductores

Se encargan de convertir gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente continua en torque.

Circuito de control

Este circuito es el encargado del control de la posición del motor. Recibe los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos. [3].

Fig. 4. Estructura de un servomotor
Tiene además de los circuitos de control un potenciómetro conectado al eje central del motor. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al ángulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante.
Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante.
Los servomotores tienen 3 terminales:
Terminal positivo: Recibe la alimentación del motor (4 a 8 voltios)
Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios)
Entrada de señal: Recibe la señal de control del motor
Los colores del cable de cada terminal varían con cada fabricante: el cable del terminal positivo siempre es rojo; el del terminal negativo puede ser marrón o negro; y el del terminal de entrada de señal suele ser de color blanco, naranja o amarillo.

Cálculos

Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación puede estar comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar su posición mediante una señal cuadrada de voltaje. El ángulo de ubicación del motor depende de la duración del nivel alto de la señal. Cada servo motor, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de operación. Para el servomotor Futaba S3003, los valores posibles de la señal en alto están entre 0,3 y 2,1 ms, que posicionan al motor en ambos extremos de giro (0° y 180°, respectivamente). El valor 1,2 ms indica la posición central, y otros valores de duración del pulso dejarían al motor en la posición proporcional a dicha duración [3].

Funcionamiento del servo

La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation) Fig. 5, es una de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con el objetivo de modificar la posición del servo según se desee [3].


Fig. 5 Pulsos
Aplicaciones

En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots [3].

PANEL SOLAR

Un panel solar (o módulo solar) es un dispositivo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) mediante energía solar térmica y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad mediante energía solar fotovoltaica.

Los paneles fotovoltaicos: están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas, del griego "fotos", luz. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energía lumínica produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente [4].

Contamos con panel solar de 65x65 mm Fig. 6, se encuentra disponible en tiendas de electrónica. Sus característica se ven en la tabla 2.


Fig. 6 Panel cuadrado
Especificaciones del artículo
Se puede personalizar:
Sí
Tipo:
Generador solar
Número de modelo:
65x6-0.6W
size:
65x65x2 mm
Operating voltage::
5.5V
Operating current::
0.09A
Power:
0.6W
Net weight::
20 g
Tabla 2
Características

1. alta tasa de conversión y salida eficiente
2. excelente efecto de luz baja
3. alta transmitancia de vidrio templado de alta calidad
4. La tecnología única permite a los componentes y sólida resistencia al viento y la nieve , fácil de instalar
5. En el marco de las técnicas específicas para evitar la congelación del agua y la deformación [5].

Usos

Lámpara solar del jardín
Pequeño sistema de iluminación del hogar
La energía solar iluminación de la lámpara de la calle
Publicidad solar al aire libre
Por una variedad de electrodomésticos de bajo consumo , luces de emergencia , iluminación de publicidad, semáforos , lámparas de uso doméstico , los fans , por ejemplo , bombas de agua solares , farolas solares , sistema solar en miniatura [5].

LDR

LDR viene de la expresión inglesa Light Dependent Resistor Fig. 7 , se caracterizan por ser componentes pasivos cuya resistencia varía en función de la luz que reciben [6].



Fig. 7 LDR y su simbolo
A medida que reciben más luz la resistencia disminuye notablemente como se muestra en el siguiente gráfico de valores típicos.

Muestran una gran sensibilidad a la luz, pero si la luz varía muy rápidamente, los valores de la resistencia varían mas lentamente (se dice que muestra inercia a las variaciones de la intensidad luminosa) [6].

Procedimiento

Funcionamiento:

Panel solar se orientara girando el servomotor dependiendo de la incidencia de luz en las LDRs,
cuando den una entrada Baja ya que están conectadas en un partidor de tensión, cada vez que exista un cambio de la luz el panel se orientara en ángulos determinados por la programación del arduino además se vizualiza en un led si esta cargado o descargado, el movimiento del panel es giratorio en un solo eje tendríamos que orientar los sensores en dirección Este-Oeste.

Calculo del partidor de tensión:

Datos:
RA= 120 k Resistencia de LDR en oscuro
RB= 5.6 k
Ve= 5v


Vs=RBRA+RB*Ve
Vs=5600120000+5600*5=1.59 v

Componentes:

Caja de madera
Brazo y soporte para el panel
Arduino
1 Servomotor
2 LDR
1 LED
Fuente de Alimentación
Protoboard
2 Resistencias 5.6k
Cables
Panel Solar

Circuito:


Fig 8 Esquema en Protobaord

Fig. 9 Circuito electronico
Construccion:


Fig 10 Arduino y circuito de Señal

Fig 11 Montaje de LDRs

Fig 12 Montaje en la Caja

Fig 13 Montaje Completo
Codigo de Programacion:

#include
 
int const leftSensorPin = A0;
int const rightSensorPin = A1;
 
Servo myServo;
 
int angle = 90;
int leftSensorValue = 0;
int rightSensorValue = 0;
// no se detendra, le voy a poner un colchon en el que considere left = right para
// que se detenga cuando esté en ese rango. Este valor se puede ir ajustando para lograr
// la precisión deseada sin que perjudique el funcionamiento del sistema
int colchon = 50;
 
void setup(){
myServo.attach(11);
Serial.begin(9600);
// Ponemos inicialmente el motor en 2º, no usar 0, puede dar vibraciones en el motor
// si este no consigue alcanzar los 0º
myServo.write(angle);
}
 
void loop(){
leftSensorValue = analogRead(leftSensorPin);
delay(10);
rightSensorValue = analogRead(rightSensorPin);
delay(10);
Serial.print("Left Sensor Value: ");
Serial.print(leftSensorValue);
Serial.print(" - Right Sensor Value: ");
Serial.print(rightSensorValue);
Serial.print(" - Angle: ");
Serial.println(angle);
 
if (rightSensorValue > leftSensorValue && angle > 5 && rightSensorValue-leftSensorValue > colchon){
angle = angle - 5;
myServo.write(angle);
}
if (rightSensorValue < leftSensorValue && angle < 175 && leftSensorValue-rightSensorValue > colchon){
angle = angle + 5;
myServo.write(angle);
}
else
//Este equilibrado, no mover
delay(15); // Retraso para procesar valores
}




Conclusiones
Con este Proyecto logramos comprender como y utilizar un microcontrolador llamado arduino con este dispositivo se puede controlar muchas aplicaciones y señales.
Aprendimos cómo se utiliza un ARDUINO, y las bases que se necesitan para armar y diseñar circuitos muy simples en comparación con los que utilizan compuertas lógicas y otros elementos como flip flops, resulta ser muy ventajoso para analizar señales analógicas como lo son las señales luminosas, con este trabajo quisimos demostrar que se puede hacer sistemas eficientes para producir energía eléctrica mediante paneles solares ya que el circuito esta diseñado para seguir la luz por lo que se aprovecha al máximo la luz solar.
referencias


http://www.uca.es/recursos/doc/Unidades/Unidad_Innovacion/Innovacion_Docente/ANEXOS_2011_2012/22232441_310201212102.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Arduino
http://www.monografias.com/trabajos60/servo-motores/servo-motores.shtml#ixzz3RePDHztZ
http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar
http://es.aliexpress.com/store/product/Free-shipping-5-pcs-65x65-mm-mini-solar-panels-5-5v-90mA-0-6W-for-Small/334371_1201526531.html?isOrig=true#extend
http://roble.pntic.mec.es/~jsaa0039/cucabot/fotorresistencia-intro.html