電子工作６１ – 簡易太陽光追跡システムの製作 「ＤＣモータ回転制御にホールセンサ使用」
概要
小型のソーラーバッテリーチャージャーが日中（朝から夕方まで）自動的に太陽光を追いかけることが出来るシステムを製作した、プログラムで一定の間隔でモータを回してソーラーパネルを少しずつ東から西方向に回転させ太陽を追いかける。モータの回転をいかにＰＩＣマイクロコントローラで制御するか、それとモータの回転をパネルの回転に変えるメカニズムの作成がポイントであった。今回の試みで実用的な大きいソーラーパネルへの基礎データが得られたと思っている。
今回製作にあたって考えていたこと；
１） ＤＣモータに直結したネジ山を刻んだ長いシャフトの回転をプログラムで正確にコントロールするにはどうすればよいのか。
２） ホールセンサを使ってシャフトの回転を計測する方法を実験する。
３） 回転するシャフトにはめたネジの移動を板状のソーラーパネルの回転に変えるメカニズムをどうするか。
４） ダイアル式の２４時間タイマで太陽が出る朝７時頃にシステムをＯＮにして時間の経過とともにパネルを回転させ、日没前のの６時頃ＯＦＦにする。
５） パネル回転のスタート位置の東端と終了位置の西端にはマイクロスイッチを設置する。
６） 何らかの理由でモータが暴走する場合を想定し、シャフトを上下するネジの移動上限と下限にそれぞれスイッチを設置しモータへの通電を遮断する。
回路図
使用した主な部品
１） ソーラーバッテリーチャージャー（ソーラーパネル）:： ３，６，９ ａｎｄ １２ Ｖｏｌt Ｓｏｌａｒ Ｐａｎｅｌ Ｎｏ．ＥＳ８８５、パネル面１１ｘ７．５ｃｍ、 秋月で￥１０００で購入
２）
ギヤードモータ： ＲＡ２５０１００−５８Ｙ１２，ＤＣ３−６Ｖ，ギア比１００：１，７０００ｒｐｍ ダイセン電子製 ￥１５００
３）
モータドライバ： ＴＡ７２６７ＢＰ 東芝製 ￥１５０
４）
１６Ｆ８１９ ￥１７０
５）
ホールセンサ： ＤＮ６８５１ パナソニック製 ￥６０
６）
ダイアル式２４時間タイマ： 例えば ＨＳ−ＡＴ01 ￥１０００
７）
ＡＣアダブタ： ＤＣ５Ｖ １Ａ ￥６００
８）
その他の部品は秋葉原のネジ販売店、東急ハンズで入手
回路図や写真の説明
下に回路図や写真を示す。木製の角材の表側にソーラーパネルがアルミ製パイプ（外径８ｍｍ、長さ２８ｃｍ）の中間部に固定されモータによって約９５°回転出来る。パイプの最下部にはり東端、西端のマイクロスイッチに接触するアルミ片が装着されている。裏側には真鍮製のネジ山を刻んだ長いシャフト(外径３．８ｍｍ、長さ２５ｃｍ)は上記のアルミ製パイプと並行して上下方向に設置してある。シャフトの最上部にはプラスチック片（長さ３ｃｍ、幅１ｃｍ）がネジ止めしてありその上には２個の穴の空いた円形ファライト磁石（外径６ｍｍ、厚さ２．５ｍｍ）が接着してある。これらの磁石はN極が上を向くように取り付けてある。ホールセンサは磁石から約２ｍｍほど離れてセンサの印字面が磁石に面して角材の上部に固定されている。磁石の数が２個なのでシャフトが１回転する毎に２個のＨｉｇｈ信号が出力される。シャフトの最下部はモータと接続してある。シャフトとモータ軸の間は緩衝目的で２重のゴムチューブでつないでいる（内側は飴色の自転車チューブ用虫ゴム外径４ｍｍ、外側は外径１０ｍｍ 内径４ｍｍの黒色チューブ 日本エラスター製）。シャフトの中間部には真鍮製の長さ１２ｍｍのナットが挿入してありモータの回転と共にガイドレールに沿って上下に約７ｃｍ動く。ナットには上方向と下方向にタコ糸が接続してあり、角材に取り付けてある支点になっているフックを経由してパネルを固定してある水平アルミ支柱の左右の先端にそれぞれ接続してある。これでナットの上下動がパネルの回転に変わる。また、角材にはナットが東端や西端のマイクロスイッチを超えて異常に移動した場合にモータへの電源を遮断するスイッチを上下に２個設置してある。回路図でＰ−ＳＷを設けてあるが、これはパネルを任意の方向に迅速に回転させるためのものである。パネルが東端から西端までの約９５°回転するためにはシャフトが約１００回転する必要がある。今回はシャフトを１回に４．５回転させて３０分停止して太陽に当てるルーチンを２０回（４．５Ｘ２０＝９０回転）繰り返させてほぼ西端近くまで近づける。ただし、原則西端のマイクロスイッチは作動させない。なお、東端のマイクロスイッチはスタートポイントとしてプログラム上で重要な働きをする。 ＶＲ１Ｋでモータの回転速度をコントロールする。
Ｐｈｏｔｏ １ ソーラパネル側全体図 Ｐｈｏｔｏ ２ シャフト側全体図
Ｐｈｏｔｏ ３ モータとシャフトの接続部 Ｐｈｏｔｏ ４ 駆動基板の上にＲｅｓetＳＷとＰ−ＳＷが見える
Ｐｈｏｔｏ ５ 回転検知部：２個の磁石とホールセンサ Ｐｈｏｔｏ ６ 東端、西端マイクロスイッチ Ｐｈｏｔｏ ７ ナット、安全スイッチ
ホールセンサからの出力
下図は簡易太陽光追跡システムのモータが実際に回転してパネルを動かしている時のホールセンサ（Ｐｈｏｔｏ ５ 参照）からの出力をオシロでとらえたものである。ＨｉｇｈとＬｏｗがハッキリしていて大変きれいなパルスパターンである。これが１６Ｆ８１９のＰＯＲＴＡ１よりデジタルデータとして読込まれる。このパターンの個々のＨ−ｐeakを検知するのが下記プログラムの中のOneHpeakcont サブルーチンである。
操作法
１） ２４時間タイマにＡＣアダプタをつなぎ基板に電源を供給する。
２） ２４時間タイマの動作時間を朝７時から夕方６時までに設定する。
３） 次の朝７時になるとパネルは前の停止時にどこいても自動的に東端に戻り、そしてシャフトが４．５回転して停止し３０分間太陽をあびるルーチンを夕方まで２０回繰り返す。
４） 夕方６時にタイマが切れる。その時パネルは西端近くにいるか、または、東端に戻ってルーチンをこなしているかもしれない。
５） もし、パネルを任意の方向に向けたい場合は、Ｒｅｓｅｔ ＳＷを押した後、直ぐにＰ−ＳWを押し続けて求めている方向に来たら離す。
結果＆コメント
１） 前回の電子工作６０の場合のように毎回太陽の方向を検知するのではなく、太陽の動きが分かっているのでパネルをその動きをとらえるように動かせばよいのではというのが今回の作動原理。
２） ホールセンサでモータの回転をソフト的に計測する方法を見出したのが最大の収穫だった。
３） ナットの上下動をいかにパネルの回転に変えるかが難問だった。糸で引っ張る。やってみないと分からない。まさにその通り。
４） プログラムでセンサから出る１個のＨパルスを計測する部分をサブルーチン化できて、全体がコンパクトになった。
５） システムが動作することが分かったので、雨対策などを考慮に入れ次作は簡単でより本格的なものが出来そう！
６） プログラムのアルゴリズムの構想に苦労した。OneHpeakcontの作成、パネルを任意の位置に迅速に動かす方法など、ジジイにはヤサシクナイ！
７） フローチャートを後で（2012.3.3）作成したがアルゴリズムを思い出すのが結構大変だった。直ぐ作成するのがよい。
プログラム
プログラムの要旨は以下の様なものである：
１） ＰＩＣに電源が入ったらモータを回してパネルを東端のマイクロスイッチまで移動させ、そこをスタート地点としてシャフトを４．５回転させ停止させる。
２） その位置で３０分パネルを太陽に当てる。
３） 上記のシャフトを４．５回転させて３０分パネルを止めるルーチンを２０回繰り返す。終了時パネルはほぼ東端に達している。接触はしていない。
４） そして、電源が入っている限り、また上記１）以下を繰り返す。
５） その外、２０回繰り返すうち、もし西端のマイクロスイッチに接触したら直ぐ東端に戻す。パネルを任意の位置に迅速に移動させるなどの機能を組込んである。
６） フローチャートを描いてみたらプログラムの流れが良く分かる（２０12.3.3追加）。
フローチャート
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'SolarPanAkiHallsD1.bas - a new simplified prog (using OneHpeakCount subroutine) on 2012.2.8 works OK!
'Circuit Diagram "SolarPanAkiHallsD1"
'Using Hall sensor and shaft counting
'P-SW added for random positioning of the panel
'16F819, PICBasic Pro 250A
'******* Pin connection ********
'Pin 14 - Vdd (+5V)
'Pin 5 - Vss (GND)
'Pin 4 - /MCLR for reset
'Pin 18 - RA1/AN1 - Counting input from Hall sensor
'Pin 12 - RB6 - H/L input from limit SW (West), pulled up with 10K
'Pin 13 - RB7 - H/L input from limit SW (East), pulled up with 10K
'Pin 7 - RB1 - H/L output to Pin 1 of motor driver (Toshiba's TA7267BP)
'Pin 8 - RB2 - H/L output to Pin 2 of motor driver
'Pin 2 - RA3 - Open/L input from P-SW
'****** Main program ****
TRISA=%00101010 'RA1, RA3 and RA5=inputs
TRISB=%11000000 'RB6-7=inputs
ADCON1=7 'All pins digital "essential"
OSCCON=%01100100 '4MHz internal clock "essential"
HallsIN var PORTA.1 'Hall sensor input
Motorp1 var PORTB.1 'Motor driver pin1
Motorp2 var PORTB.2 'Motor driver pin2
LimSWw Var PORTB.6 'West-end Limit Switch
LimSWe Var PORTB.7 'East-end Limit Switch
PositSelSW var PORTA.3 'Position-Select SW
HpC var byte 'H-peak counter
t var word 'Counter for timer
n var byte 'Counter for go-and-stop routine
m var word 'Coefficient for timer
Motorp1=0
Motorp2=0
'---- Moving Motor to LSWe then toward West ----
LSWeLoop: 'LSWe contact check 以下の１２行でパネルを東端のマクロスイッチまで戻し、接触したらJump1に飛ぶ
n=0
Gosub ToEast 'Move motor toward East
If LimSWe=0 then 'Contacted to LimSWe?
Gosub Motorstop
Gosub ToWest
Pause 100 'Return a little bit 0.1 sec
Gosub Motorstop
Goto Jump1 'If contacted, go to Jump1
Else
Goto LSWeLoop
Endif
'---- Moving the panel by revolving the drive shaft ----
Jump1: ‘以下でモータを回してパネルを西方向に動かしながらH-peakを９個（シャフトの４．５回転に相当）を数える
HpC=0
t=0
HpeakCountR: 'H-peak counting routine
Gosub ToWest 'Move the panel Westward パネルを西方向に動かす
If LimSWw=0 Then LSWeLoop 'If LimSWw is hit, return to LSWeLoop パネルが西端のマクロスイッチに接触しているかどうか検知する。もし接触していればLSWeLoopに飛ぶ
Gosub OneHpeakcont 'One H-peak counting subroutine "key point" このサブルーチンに飛ぶと１個のH-peakを検知する
HpeakCount:
HpC=HpC+1 'Totalizing the number of Hall sensor counts (two counts per shaft revolution) 回転数を蓄積する
If HpC=9 Then ShaftRevStop 'Equivalent to 4.5 shaft revolutions ９個に達したらShaftRevStopに飛ぶ。そうでなければHpeakCountRに飛ぶ
If LimSWw=0 Then LSWeLoop 'If LimSWw is hit, return to LSWeLoop ここでもまたパネルが西端のマクロスイッチに接触しているかどうか検知する
Goto HpeakCountR
ShaftRevStop: ‘モータを止めパネルを太陽に３０分当てる
Gosub Motorstop 'Stop the shaft movement
'Timer for Sun exposure
If PositSelSW=0 Then 'Move a random position by pressing P-SW これでパネルの位置をＰ−ＳWを押すことによって希望する位置に移動するが出来る。押されていると１秒だけ止まって次に進む
m=2 'Correspond to 1 sec
Else
m=3600 'Correspond to 30 min Ｐ−ＳWが押されていないと３０分止まってから次に進む
Endif
For t=1 to m '(in practice, 30 min timer) ｍの値によって時間が変わるタイマ（１秒 or ３０分）
Pause 500 '0.5 sec
Next t
n=n+1 ‘シャフトを４．５回まわして３０分（または１秒）止まるルーチンの回数を蓄積する
If n=20 Then LSWeLoop '20 divisions over the entire covering angle ルーチンの回数が２０に達したら東端に戻りＪｕｍｐ１に飛ぶ
Goto Jump1
'****** Subroutines ******
OneHpeakcont: 'Key subroutine to count one H-peak from Hall sensor この２１行のH-peakを数えるサブルーチンがプログラム全体をコンパクトにした
SeekHpeak:
Gosub ToWest
If HallsIN=1 Then 'H-peak is detected?
Pauseus 500 'Wait 500 us
Else
Goto SeekHpeak
Endif
If HallsIN=1 Then SeekDownEdge 'H-peak is detected again?
Goto SeekHpeak
SeekDownEdge:
If HallsIN=0 Then 'L-section after H-peak is detected?
Pauseus 500 'Wait 500 us
Else
Goto SeekDownEdge
Endif
If HallsIN=0 Then JumpToReturn 'L-section is detected again?
Goto SeekDownEdge
JumpToReturn:
Gosub Motorstop
Return
ToEast: ‘モータを回してパネルを東方向に回す
Motorp1=0
Motorp2=1
Return
ToWest: ‘モータを回してパネルを西方向に回す
Motorp1=1
Motorp2=0
Return
Motorstop: ‘モータを停止させる
Motorp1=0
Motorp2=0
Return
'****** End of program -------
'Note:
'melabs U2 Programmer's configurations for 16F819
'Oscillator - INTOSC; WDTE - Enable; Power-up Timer - Enable!
'MCLRpin - Reset; BODEN - Enable; L.V.Programming - Disable,
'CCP Mult. with - RB2, F.P.M. Wrire Enable - all, CD - Not Protected; Data EPPROM - Not Protected
Simple Sun-Tracking type
Solar Panel using Hall Sensor (English version
of the above Electronics Project 61 in Japanese)
As shown in the circuit diagram and photos below, this unit is composed of a small solar panel (3,6,9 & 12V Solar Panel No.ES885, panel area 11x7.5cm) connected to an aluminum shaft (outer diameter 8mm, length 28cm) and a long motor-driven threaded brass shaft (outer diameter 3.8mm, length 25cm) onto which a long-size nut (length 12mm) is screwed so that the nut can move upward and downward when the motor-driven shaft revolves. The shaft of the solar panel is connected to the nut with a cotton string, so that when the motor-driven shaft revolves and lifts up or down the nut, the solar panel can change its direction. A pair of small ferrite magnets (outer diameter 6mm, thickness 2.5mm) is connected to a small rectangular plastic bar fixed on the top of the motor-driven shaft. These two magnets (their North pole facing the marking side of Hall sensor) are detected by a Hall sensor (Panasonic DN6851) installed in the head section of the support wood bar and positioned 2 - 3 mm above the magnets. The working principle of this unit is simple. That is, to track the sun’s movement from morning to evening over about 10 hours, the solar panel is designed to change its sun-facing angle from the east to the west at a fixed interval of time. The overall angle the solar panel changes is about 95 degrees. If the motor-driven shaft revolves 90 times, the solar panel can change its angle by approximately 95 degrees. In the morning around 7:30 am, for example, a 24-hour programmable timer begins to supply power to the AC adapter and DC5V is supplied to 16F819 in the circuit, executing the program. Wherever the solar panel was lastly positioned as a result of timer’s power-supply stoppage, it first returns to the East-end (or limit SW (EAST)) and then the motor-driven shaft revolves 4.5 times which changes the angle of the solar panel by 95 degrees/20 times=4.75 degrees. After that the solar panel stays there for 30-minutes exposure to the sun. This combined operation of the panel angle change by 4.75 degrees and a 30-minutes solar exposure is repeated 20 times over approximately 30 x 20 =600min=10 hours. The 24-hour programmable timer is normally set up to stop supplying power to the AC adapter before the sunset (5 to 6 pm). When the timer stops power supplying in the evening, the solar panel stops at a location where it was. It may be near the West-end or East-end. But it does not matter because when the timer begins to work again in the following morning, the solar panel returns to its starting point or the East-end and restarts again. In the circuit, two safety switches are also installed at both upper- and lower-most sections of the motor-driven shaft on the wood support bar. The individual switch is physically pushed by an accidental and excessive movement of the running nut, halting the power supply to the motor and therefore stopping the movement of the motor-driven shaft.
Photo 1 Solar panel Photo 2 Drive shaft Photo 3 Motor and joint section Photo 4 Control circuit
Photo 5 Hall sensor and 2 magnets Photo 6 Limit SWe and Limit SWw (microswitches) Photo 7 Panel pulling string
Photo 8 24-hour timer and AC adapter
The following Fig 1 shows a waveform pattern from Hall sensor when the motor-driven shaft is revolving in the actual unit. The shaft revolves slowly, approximately at a rate of one turn per second, generating two H-peaks per turn. The waveform pattern is very sharp and each H-peak can be easily read by subroutine “OneHpeakcont”.
Fig 1
Result &
comment
1) The working principle of this sun-tracking system is different from that of the previous mentioned Electronics Project 60. The program is shorter and simpler, but was not that easy to make. Especially it took time to come up with an algorithm prepared this time.
2) The development of subroutine “OneHpeakcont” which enables counting the individual H-peak and controlling the revolution of the motor-driven shaft accurately is the most important part of this program.
3) By using cotton string the upward and downward movements of the nut were changed to the angular movement of solar panel. This mechanism may be very useful in an application for a larger practical sun-tracking type solar panel.
Program
The program flowchart and list are shown below. The most important part in the program is the routine to count H-peaks in the waveform pattern (See the above F1) generated from Hall sensor for controlling the revolution of the motor-driven shaft. Namely, it is the subroutine "OneHpeakcont.” which counts each H-peak. When the program counts 9 H-peaks, equivalent to 4.5 revolutions of the shaft, the solar panel stops for 30-minutes exposure to the sun. The operation is repeated 20 times.
'SolarPanAkiHallsD1.bas - a new simplified prog (using OneHpeakCont
subroutine) on 2012.2.8 works OK!
'Circuit Diagram "SolarPanAkiHallsD1" List 99 changed to list 100 on 2012.2.29
'Using Hall sensor and shaft counting
'P-SW added for random positioning of the panel
'16F819, PICBasic Pro 250A
'******* Pin connection ********
'Pin 14 - Vdd (+5V)
'Pin 5 - Vss (GND)
'Pin 4 - /MCLR for reset
'Pin 18 - RA1/AN1 - Counting input from Hall sensor
'Pin 12 - RB6 - H/L input from limit SW (West), pulled up with 10K
'Pin 13 - RB7 - H/L input from limit SW (East), pulled up with 10K
'Pin 7 - RB1 - H/L output to Pin 1 of motor driver (Toshiba's TA7267BP)
'Pin 8 - RB2 - H/L output to Pin 2 of motor driver
'Pin 2 - RA3 - Open/L input from P-SW
'****** Main program ****
TRISA=%00101010
'RA1, RA3 and RA5=inputs
TRISB=%11000000
'RB6-7=inputs
ADCON1=7 'All pins
digital "essential"
OSCCON=%01100100 '4MHz
internal clock "essential"
HallsIN var PORTA.1
'Hall sensor input
Motorp1 var PORTB.1
'Motor driver pin1
Motorp2 var PORTB.2
'Motor driver pin2
LimSWw Var PORTB.6 'West-end Limit Switch
LimSWe Var PORTB.7 'East-end Limit Switch
PositSelSW var PORTA.3 'Position-Select SW
HpC var byte
'H-peak counter
t var word
'Counter for timer
n var byte
'Counter for go-and-stop routine
m var word
'Coefficient for timer
Motorp1=0
Motorp2=0
'---- Moving Motor to LSWe then toward West ----
LSWeLoop: 'LSWe contact
check
n=0
Gosub ToEast 'Move motor toward East
If LimSWe=0 then
'Contacted to LimSWe?
Gosub Motorstop
Gosub ToWest
Pause 100 'Return a little
bit 0.1 sec
Gosub Motorstop
Goto Jump1 'If contacted, go to
Jump1
Else
Goto LSWeLoop
Endif
'---- Moving the panel by revolving the drive shaft ----
Jump1:
HpC=0
t=0
HpeakCountR: 'H-peak
counting routine
Gosub ToWest 'Move the
panel Westward
If LimSWw=0 Then LSWeLoop
'If LimSWw is hit, return to LSWeLoop
Gosub OneHpeakcont 'One H-peak
counting subroutine "key point"
HpeakCount:
HpC=HpC+1
'Totalizing the number of Hall sensor counts (two counts per shaft
revolution)
If HpC=9 Then ShaftRevStop 'Equivalent to 4.5 shaft revolutions
If LimSWw=0 Then LSWeLoop
'If LimSWw is hit, return to LSWeLoop
Goto HpeakCountR
ShaftRevStop:
Gosub Motorstop 'Stop the
shaft movement
'Timer for Sun exposure
If PositSelSW=0 Then 'Move
a random position by pressing P-SW
m=2 'Correspond to 1
sec
else
m=3600 'Correspond to 30
min
Endif
For t=1 to m '(in
practice, 30 min timer)
Pause 500
'0.5 sec
Next t
n=n+1
If N=20 Then LSWeLoop '20
divisions over the entire covering angle
Goto Jump1
'****** Subroutines ******
OneHpeakcont: 'Key
subroutine to count one H-peak from Hall sensor
SeekHpeak:
Gosub ToWest
If HallsIN=1 Then 'H-peak
is detected?
Pauseus 500 'Wait 500 us
Else
Goto SeekHpeak
Endif
If HallsIN=1 Then SeekDownEdge 'H-peak is detected again?
Goto SeekHpeak
SeekDownEdge:
If HallsIN=0 Then
'L-section after H-peak is detected?
Pauseus 500 'Wait 500 us
Else
Goto SeekDownEdge
Endif
If HallsIN=0 Then JumpToReturn
'L-section is detected again?
Goto SeekDownEdge
JumpToReturn:
'Goto Motorstop
Gosub Motorstop 'Changed
on 2012.2.29
Return
ToEast:
Motorp1=0
Motorp2=1
Return
ToWest:
Motorp1=1
Motorp2=0
Return
Motorstop:
Motorp1=0
Motorp2=0
Return
'****** End of program -------
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations for 16F819
'Oscillator - INTOSC;
WDTE - Enable; Power-up Timer - Enable!
'MCLRpin - Reset; BODEN -
Enable; L.V.Programming - Disable,
'CCP Mult. with - RB2,
F.P.M. Wrire Enable - all, CD - Not Protected; Data EPPROM - Not Protected