아두이노 우노 듀얼 축 태양 추적기: 태양광 패널 자동 정렬 시스템

프로젝트 개요

교육용 테스트 베드로 설계된 이 듀얼 축 태양 추적기는 4개의 LDR(조도 센서)과 2개의 서보 모터를 사용하여 태양의 고도각(남-북)과 방위각(동-서)을 실시간으로 추적합니다. 자동/수동 모드 전환, 가상 계측(Excel 실시간 그래프), 저비용 오픈 하드웨어 설계를 특징으로 합니다.

시스템 사양

기계적 설계

• CATIA로 3D 모델링, 목재 플레이트로 프레임 제작
• 수평축(좌우): SG90 서보 + 베어링으로 부드러운 회전
• 수직축(상하): MG996R 서보 (더 높은 토크 필요)
• LDR 센서: 패널 4모서리에 설치, 암전관(다크 튜브)으로 직진광만 감지 → 노이즈 내성 강화

전자 회로

LDR 전압 분배 회로

5V ──[LDR]──┬──[330Ω]── GND
            │
         아날로그 입력 (A0~A3)

광량 증가 → LDR 저항 감소 → 분배 전압 상승 → ADC 값 증가

서보 모터 제어

• 좌우 서보 → PWM 핀 6
• 상하 서보 → PWM 핀 5
• 직접 구동 (드라이버 불필요, 3선식: VCC/GND/PWM)

수동 모드 인터페이스

• 포텐셔미터 → A4 (0~1023 → 0~180° 매핑)
• 모드 전환 버튼 → 핀 12 (자동 ↔ 수동)
• 축 선택 버튼 → 핀 11 (좌우 ↔ 상하)

자동 추적 알고리즘

// 방위각 (좌우) 제어
avgLeft  = (topL + botL) / 2;
avgRight = (topR + botR) / 2;
diffAzi  = avgRight - avgLeft;

if (abs(diffAzi) >= THRESHOLD) {
  if (diffAzi > 0) servoRL.write(servoRL.read() + 2);  // 오른쪽으로
  else             servoRL.write(servoRL.read() - 2);  // 왼쪽으로
}

// 고도각 (상하) 제어
avgTop  = (topL + topR) / 2;
avgBot  = (botL + botR) / 2;
diffEle = avgTop - avgBot;

if (abs(diffEle) >= THRESHOLD) {
  if (diffEle > 0) servoUD.write(servoUD.read() - 2);  // 위쪽으로
  else             servoUD.write(servoUD.read() + 2);  // 아래쪽으로
}

// 야간 감지: 4개 LDR 평균값 < 8 → 일출 위치로 복귀 (0°, 30°)

임베디드 소프트웨어 요구사항

1. 자동/수동 모드 전환 (핀 12 버튼)
2. 수동 모드: 포텐셔미터로 좌우/상하 서보 개별 제어 (핀 11 버튼으로 축 전환)
3. 자동 모드: LDR 기반 비례 제어, 임계값 ±10으로 헌팅 방지
4. 야간 감지 시 일출 위치로 자동 복귀
5. PV 전압(A5) → 전류/전력 계산 → 시리얼 전송 → Excel 실시간 그래프

가상 계측: PLX-DAQ + Excel

1. PLX-DAQ 매크로 설치 → PLX-DAQ Spreadsheet 바로가기 생성
2. 보드레이트(9600) 및 COM 포트 설정 후 Connect
3. 아두이노에서 Serial.println("CLEARDATA"), Serial.println("LABEL,t,voltage,current,power,Mode")로 헤더 정의
4. 루프에서 Serial.print("DATA,TIME,") + 데이터 전송
5. Excel에서 실시간 시계열 차트 자동 갱신

교육적 가치

• 제어 이론(피드백, 임계값, 헌팅 방지) 실습
• 아날로그 신호 처리(전압 분배, ADC, 필터링)
• 서보 제어(PWM, 각도 매핑)
• 데이터 수집 및 시각화(시리얼 통신, Excel 매크로)
• 태양광 에너지 기초(입사각, 전력 특성)

확장 가능성

• MPPT(최대 전력점 추적) 알고리즘 통합
• GPS 모듈 연동으로 정확한 태양 위치 계산(천문 알고리즘)
• IoT 게이트웨이로 클라우드 모니터링 확장
• 대형 패널용 스테퍼 모터/기어드 모터로 스케일업