Úloha má jednoduché zadání: Aby měl malý solární panel optimální výkon, je potřeba nastavit ho v horizontální i vertikální rovině kolmo na dopadající sluneční paprsky. K pohybu panelu se použijí upravená modelářská serva.
Pokud se omezíme jen na splnění zadání bez jakýchkoli doplňkových funkcí, vystačíme si v každé ose s jedním časovacím obvodem 555 ve CMOS provedení a jedním servem. Zapojení časovače generuje standardní servosignál, tedy kladné pulzy v délce 1 až 2 ms nastavitelné trimrem a opakované přibližně po 20 ms. Jako výchozí stav nastavíme na výstupu pulzy 1,5 ms nebo pokud nemáme možnost jejich kontroly, dáme jezdec trimru doprostřed dráhy.
Schéma zapojení pro ovládání jedné osy
Když výstup časovače připojíme na běžné neupravené servo, natočí se jeho páka podle délky pulzu, ale žádnou vazbu na osvětlení zatím nemáme. Servo je potřeba upravit. Otevřeme kryt, odpojíme vodiče od vnitřního potenciometru (obvykle má hodnotu 5 kΩ) , kterým servo snímá aktuální polohu, a vyvedeme je ven z krytu. Můžeme dokonce původní potenciometr zcela odstranit, nicméně to je možné jen v tom případě, kdy hřídel potenciometru neslouží současně jako spodní uložení unašeče serva, pak samozřejmě musíme potenciometr ponechat, i když je od elektroniky odpojený.
Ke snímání světla použijeme dva fotorezistory LDR03, které mají při plném osvětlení odpor 200 až 300Ω, v naprosté tmě odpor přes 10 MΩ. Pokud je to možné a máme k dispozici více fotorezistorů, změříme jejich odpor při stejném osvětlení a vybereme do páru ty vzájemně nejpodobnější. Střední vodič od původního potenciometru zapojíme na jezdec nového vnějšího trimru, fotoodpory zapojíme mezi kraje trimru a zbývající vyvedené vodiče.
Fotorezistor LDR03
Je pravděpodobné, že po zapnutí se servo rozjede v nějakém směru až nakonec narazí na doraz. Nenecháváme ho narážet, servo by se zničilo. Krátce vyzkoušíme, že když osvítíme jeden fotorezistor a druhý zůstane zacloněný, servo se rozjede jedním směrem, když osvětlení a zaclonění prohodíme, pojede opačným směrem.
V dalším kroku musíme z fotorezistorů vytvořit čidlo směru světla. Máme dvě možnosti:
Uspořádání čidla bez clony, fotorezistory míří různým směrem
1/ Fotorezistory upevníme tak, aby jejich roviny byly vzájemně (přibližně) kolmé a natočené vůči podložce se solárním panelem 45°. Když bude sluneční světlo dopadat na panel kolmo, budou oba fotoodpory osvětlené stejně (budou stejně natočené vůči světlu). Když bude světlo dopadat ze strany, jeden z fotorezistorů bude osvětlený víc (ten, na který světlo dopadá víc kolmo), druhý méně (světlo dopadá pod ostrým úhlem). Osvětlený rezistor má menší odpor, změní se napětí na výstupu děliče a servo se začne otáčet. Pokud se současně se servem natáčí i podložka s panelem, bude se servo otáčet jen tak dlouho, dokud se zase podložka nenastaví kolmo ke světlu a oba fotorezistory nebudou osvětleny stejně.
Uspořádání čidla s clonou, obě jsou v rovině podložky
2/ Druhá možnost je upevnit fotorezistory blízko sebe na podložku se solárním panelem. Oba jsou nasměrovány stejně, ale je mezi nimi kolmá clona z neprůsvitného materiálu. Čím je clona vyšší, tím bude nastavení přesnější. Když bude sluneční světlo dopadat na panel kolmo, budou oba fotorezistory osvětlené stejně, stín clony nezasahuje ani jeden z nich. Když bude světlo dopadat ze strany, jeden z fotorezistorů bude osvětlený víc (ten „před“ clonou), druhý méně (ten ve stínu clony). Osvětlený rezistor má menší odpor, změní se napětí na výstupu děliče a servo se začne otáčet. Pokud se současně se servem natáčí i podložka s panelem, bude se servo otáčet jen tak dlouho, dokud se zase podložka nenastaví kolmo ke světlu a oba fotorezistory nebudou osvětleny stejně.
První způsob provedení je jednodušší, fotorezistory mohou být i volně jen na svých přívodech, ale činnost čidla je méně přesná. Druhý způsob je náchylný na poškození clony, nastavení je však podstatně přesnější.
Když už máme zapojené celé čidlo a servo otáčí panelem (i čidlem na něm), mohou nastat dvě možnosti. Buď vše funguje podle předpokladů, nebo po osvícení z úhlu se servo rozběhne opačným směrem, než by mělo, a víc a víc panel odklání od světla. V tom případě prohodíme krajní vývody původního potenciometru vyvedené z krytu serva.
Obvody, které natáčejí panel v horizontální rovině, i ty obsluhující vertikální rovinu, jsou shodné. Pochopitelně orientace čidel (clony) musí být vzájemně kolmé. Obvod reaguje dobře na přímé sluneční světlo, je-li světlo silně rozptýlené mraky, nemusí reagovat vůbec. Vlivem toho, že dva fotorezistory nikdy nemají přesně stejné vlastnosti, se panel při prvním spuštění nenatočí přesně kolmo na světlo, polohu nastavíme trimrem zapojeným mezi fotorezistory.
Když mají oba fotorezistory velký odpor (je tma), může servo v podstatě dělat cokoli, to záleží na jeho konstrukci. Může být v klidu, uhnout mírně do strany nebo i chaoticky přejíždět. Když nastane tato situace, zapojíme paralelně k oběma fotorezistorům stejné pevné rezistory s hodnotou 10 až 22 kΩ, to mírně sníží citlivost nastavení správného směru, ale současně by to mělo problém s nedefinovaným chováním ve tmě odstranit.
Rozsah výchylky serva omezený mechanickými dorazy bývá 240 až 270°. Pro servo pracující ve svislé rovině to s velkou rezervou stačí, tam by stačilo i méně než 90°, pro servo vodorovné roviny to může být málo. Zapojení bude fungovat, nicméně se může stát, že brzy ráno a před západem slunce by servo naráželo na doraz a mohlo by se zničit. Toto nebezpečí lze odstranit tím, že celému obvodu zapneme napájení jen na několik málo sekund třeba každou čtvrthodinu. Za ¼ hodiny urazí slunce po obloze úhel necelé 4°. Je-li to třeba, servo dorovná podobnou odchylku během 2 – 3 sekund. Pokud by servo naráželo na doraz, pak během těch 3 sekund se elektronika možná trochu zahřeje, ale nepoškodí.
Další nedokonalost vyplývající z jednoduchosti řešení je to, že večer zůstane panel nasměrovaný na západ a v průběhu noci se nebude hýbat. Ráno, když slunce vyjde, bude světlo dopadat na panel zezadu a odražené rozptýlené světlo na čidla zhruba stejně. Není zaručené, že se panel dokáže ráno přetočit na východ. Z tohoto důvodu je při řízení mikrokontrolérem vhodné detekovat dlouhou dobu tmy a někdy během noci otočit panel přibližně k východu, aby se regulace po východu slunce dokázala „chytit“.
Stejný obvod nemusí sloužit jen k natáčení solárního panelu, ale třeba i orientaci malého robota bez řízení mikrokontrolérem a jeho pohybu ve směru světla, nebo naopak, aby se jako brouk snažil před světlem uniknout.