光能風車·太陽能轉動機器人手工電子DIY教程

本專案介紹的是與之前幾個專案的機器人一樣，同樣是採用太陽能脈動充放電控制電路，晒太陽的蚊子的第二個遠房親戚——太陽能轉動機器人。通過這些專案，我們可以再瞭解一種新的機器人驅動方式。

 

本專案機器人可以看成一個“太陽能風車”，風車轉動的能量是風能，而“太陽能風車”轉動的能量卻是太陽能——有太陽的時候會轉動，把太陽能轉變為動能。本專案採用的同樣是與之前幾個專案一樣的脈動充放電控制電路，執行的效果就是晒一會太陽充會電，然後轉動一會，太陽越大轉動越快；如果太陽足夠火辣則可以幾乎連續轉動而中間沒有停頓，而且這個時候會產生較大的震動，機器人整體也會發生移動，這有點類似2號蚊子的移動方式，看來作為親戚還是有不少地方的相似的，呵呵。

以下為效果視訊，前一段是在燈光（白熾燈）下進行測試的效果，後面一段為在陽光下的效果。

 

 

1   基本原理

本專案的機器人採用太陽能電池作為電源，驅動電機帶動一個轉軸進行轉動。

1.1   驅動原理

本專案機器人的驅動原理很簡單，就是驅動電機旋轉的傳動方式，不過和通常的應用有點區別：一般的電機傳動結構，電機是固定的，電機的軸是旋轉的；而本專案的結構是正好相反，電機的軸是固定的，電機本身卻是旋轉的——電機的軸是固定在底座的，而電機和太陽能電池板、以及控制電路等都是和電機繫結在一起可以轉動的，就是說除了一個固定的底座，其他部分都會跟著一起旋轉。

 

1.2   機械結構

本專案採用的“電機軸固定、而電機本身旋轉”的機械結構，其實效率並不如果“電機本身固定，而電機軸旋轉”，畢竟這樣電機轉動時除了負擔實際的負載之外，還要負擔電機本身的重量。實際應用時一般不會採取這種方式，如果真的是作為太陽能風車，合理的方式應該是儘可能的減少驅動的負載，除了電機和控制電路等應該固定在底座不要跟著轉動之外；同時還應該考慮太陽能電池板的安裝角度，儘可能對著太陽以充分獲得太陽能；實在不行至少應該固定太陽能電池板的安裝角度，不至於說獲得太陽能會那麼不穩定（轉到對著太陽的角度則效率高轉得快，轉到揹著太陽的角度則效率低轉得慢）。

 

本專案機器人之所以採用這樣傳動方式，主要是為了增加一個趣味性的效果，同時也作為介紹一種新驅動方式來拓寬視野而已。

此外，對於本專案機器人，讓電機本身也一起轉動，可以增加轉動時整體的動能，讓轉動時產生的震動更大，而底座相對接觸地面的面積儘可能小一點，就可以在轉動速度比較快的時候機器人整體也會進行移動，而這個時候本專案也不再僅僅是一個固定的太陽能風車，而可以稱得上是一個會移動的機器人（見視訊中在燈光下快速轉動時的效果），當然這個移動效果也不明顯，效率也不高，所以本專案可以說有點不倫不類——低效率的太陽能風車，或低效率的移動機器人，可以說作為一種反面教材普及相關知識而已。

 

如果說作為移動機器人，為了讓移動的效果更明顯，就要增加轉動時產生的震動。要產生更大的震動，除了說轉動時帶動更重的負載外，可以考慮用偏心輪的結構，就是說把除了電機上的其他繫結的負載（太陽能電池板、電路板等）都裝在電機的一側，而不是與電機同軸的位置，這個原理詳見PVC-Robot 2號機器人的震動馬達的原理（具體見： 晒太陽的蚊子·光能電機昆蟲的移動原理 ）。

不過，如果採用偏心輪的效果，會造成電機轉動時的負載過大（轉不動），在普通強度的太陽光下太陽能風車的效果就不是很好——轉動太慢，轉動角度太小。本專案機器人早期有一個設計版本就是屬於偏心輪的結構，後來為了兼顧太陽能風車的效果（太陽不大的情況下也能轉動得比較順）所以被淘汰了。

 

新舊版本對比（左舊--右新）

 

另外，本專案如果從移動機器人來看，為了增加移動效果，還可以把底座的四隻腳都裝上一個小輪子，這樣轉動時產生的震動就可以讓機器人移動的幅度更大，可以說這作為本專案機器人的擴充套件裝備。

 

1.3   電路原理

本專案的電路與PVC-Robot 2號機器人專案的電路是一摸一樣的，電路原理也是一摸一樣的——典型的脈動充放電控制電路。

基本原理如下：

1）太陽能電池板給電解電容充電，電解電容兩端的電壓不斷上升；

2）當電路電壓達到LED二極體的導通電壓（2V左右）時，LED二極體導通；

3）三極體9015的基極從導通的LED二極體獲得足夠的導通電壓，則三極體9015導通；

4）三極體9015導通後，又使三極體9014的基極獲得足夠的導通電壓，則三極體9014導通；

5）三極體9014導通後，電機獲得電流開始轉動；

6）電機轉動，消耗電解電容中儲存的電能，電路電壓下降；

7）當電路電壓下降到低於LED二極體的導通電壓時，LED二極體截止；

8）雖然三極體9015的基極失去了來自LED的導通電壓，但是由於此時三極體9014已經導通，導通後的電流除了提供給電機轉動之外，還通過電阻分流了一部分重新回到三極體9015的基極（形成一個迴圈），即三極體的基極還是有足夠的導通電壓；

9）當電機繼續轉動消耗電解電容的電能時，電路電壓進一步下降，則即便三極體9014導通後迴流給三極體9015基極的電壓也無法保證三極體9015繼續導通（迴圈被破壞），則兩個三極體都截止，電機停止轉動；

10）電解電容重新充電，繼續重複上面的各環節。

 

簡單的說，即：太陽能電池對電解電容充電，當充電量達到由LED二極體設定的充電上限後，則電路開始瞬間放電提供給電機轉動；雖然電機轉動消耗電能使電壓下降至低於LED二極體的下限，但是由於電路存在一個導通迴圈的機制，仍然會繼續放電讓電機轉動，能夠儘可能的把電解電容中儲存的電能都消耗掉；消耗完電解電容中的電能後，重新由太陽能電池對其進行充電……如此迴圈往復。

也可以這樣理解：太陽能電池對電解電容進行緩慢充電（太陽能電池的電流比較小），充電達到上限後對電機進行瞬間放電（電機的電流比較大）；放電停止的下限比較低，可以比較徹底的把充電的電量消耗完。

在PVC-Robot 2號機器人的專案中已經對該電路原理進行了更詳細的分析，這裡不再重複。如果還有不清楚的，或者有興趣繼續瞭解的，戳這裡 晒太陽的蚊子·光能電機昆蟲的電路原理 。

 

2   準備工作

本專案需要的器材主要包括：PVC線槽、小型電機（馬達）、太陽能電池、電阻、電解電容、二極體、三極體、螺絲/螺帽等。

電子電路是與前幾個專案一樣的太陽能脈動充放電控制電路，作為一個經典的電路基本上可以做成通用電路板，見下圖，其中LED發光二級管這次選擇黃色的。

 

以下列出本專案主要器材，其中的採購預算，由於有些器材採購時一般是批量的，而本專案中實際使用用不了那麼多（剩下的可以留在以後的其他專案上），所以另外加了一項成本折算。

主要的器材都可以從網上購買，我列出了一些淘寶上的網址，基本上我也是通過這個渠道進行採購的，供大家參考。

名稱 規格 數量 採購預算/成本折算 來源 用途

名稱 規格 數量 採購預算/成本折算 來源 用途 PVC線槽 2.5CM寬度 1段 4元 / 0.5元 實體五金店 主要結構材料 小電機 微型馬達 1個 3元 淘寶：morehave 動力 太陽能電池 1.5V 2片 2.2元 淘寶：zhiqiang588 電源 電阻 2.2K 1個 8元 / 0.03元 淘寶：jxpjihao 電子元件 電解電容 4700uf 1個 0.4元 淘寶：東莞創博電子 電子元件 二極體 LED發光二極體（紅/黃/綠） 1個 0.08元 淘寶：lc工作室 電子元件 三極體 9014、9015各1個 2個 4.5元 / 0.15元 淘寶：jxpjihao 電子元件 電路板 電路板/實驗板/萬用板/洞洞板 1塊 1.5元 淘寶：lm750811   齒輪 模數M0.3，70T（軸徑1mm） 1個 2元 淘寶：morehave 底座 M1.2*5螺絲 1.2mm直徑，長5mm 4顆 4元/0.16元 淘寶：精隆五金製品有限公司 固定PVC材料 M2*6螺絲 2mm直徑，長6mm，平頭 1顆 2元/0.02元 淘寶：精隆五金製品有限公司 固定PVC材料 M1.2螺母 1.2mm內徑 4個 15元/0.6元 淘寶：微型螺絲小王 固定PVC材料 M2螺母 2mm內徑 1顆 2元/0.02元 淘寶：精隆五金製品有限公司 固定PVC材料 合計     48.68元/10.66元     

3   製作過程

以下將按照製作的順序，全程介紹本專案機器人的製作過程。

3.1   電路焊接

本專案機器人的控制電路與PVC-2號機器人專案是一樣的，關於電路焊接的說明這不再重複，具體請參考 晒太陽的蚊子·光能電機昆蟲的電路焊接 。

 

這是“電路板正面佈局圖”（無焊點的一面，黑芯藍點為焊點，藍色帶代表焊點相連）：

 

這是“電路板底面佈局圖”（有焊點的一面，黑芯藍點為焊點，藍色帶代表焊點相連）：

 

3.2   四足底座

用剪刀把PVC線槽裁剪成如下的形狀和尺寸，即兩組雙足支架。

 

把兩組支架疊在一起，中間打一個孔，並把齒輪按下圖所示裝好。

 

這裡之所以用這個齒輪，一方面是這個齒輪的孔徑是1mm正好可以裝上我們選擇的軸徑為1mm的電機；另一方面可以比較方便的把底座的兩組四足支架固定在一起。

把兩組支架用502膠水貼在齒輪上，並且把支架的前端剪小一點，並且用尖嘴鉗折成如下圖所示的樣子。

 

3.3   太陽能電池

把兩片太陽能電池板用雙面膠布貼在一塊PVC方條上，並且在方條中心打一個孔供M2*6的螺絲固定用。

因為太陽能電池板的背面有電極，所以只能對沒有電極的一端進行固定，同時用金屬線把兩片太陽能電池板的正負電極焊接在一起，即把太陽能電池串聯起來。

 

3.4   安裝電機

用PVC線槽剪一個長方條，對比電機的長度和電路板的尺寸，折成如下圖所示形狀的支架。

 

把電機如下圖所示用透明膠固定在長方條支架上。注意電機的軸要穿過方條支架上的小孔，同時方條支架的另一端用M1.2*5mm的螺絲如圖所示固定好。

 

3.5   整機組裝

把電路板通過M1.2*5mm的螺絲螺母安裝到支架上，因為電路板的主要重量是電解電容，為了保證轉動時擺動不要太大，注意電解電容應該與電機在同一個中心軸上。

 

把太陽能電池板的固定方條用M2*6的螺絲螺母安裝到支架上。

 

把電機的軸插入底座的齒輪的孔中，整體組裝在一起。

 

3.6   整機除錯

完成整機組裝後，需要進行除錯。

首先，除錯機械結構。可以在沒有陽光的情況下，即在電路沒有接通的時候，把機器人放置在水平的桌面上（底座著地），然後用手撥動太陽能電池板，手動讓轉軸轉動起來，看看轉軸是否能夠轉動得比較平滑，一般手工撥動可以讓轉軸轉動幾圈。如果發現轉軸比較卡，轉動不平滑，可以檢查太陽能電池板支架的中心是否正好在電機轉軸的中心線上，或者檢查電路板的電解電容的中心也正好在電機轉軸的中心線上。

然後，測試電路是否正常工作，可以在100W白熾燈光下測試電路的充放電控制是否正常，電機是否能夠正常轉動（見視訊中在燈光下的效果）。

 

3.7   最終展示

最終的效果展示。

 

3.8   完善升級

為了增加移動效果，還可以把底座的四隻腳都裝上一個小輪子，這樣轉動時產生的震動就可以讓機器人移動的幅度更大。

 

4   專案總結

本專案是一個以簡單電子元件電路為控制基礎的智慧機器人。對於剛入門的朋友，可以通過這個專案：

1、加深脈動充放電控制電路在太陽能驅動應用方面的理解；

2、瞭解太陽能風車結構的原理以及應用；

3、動手製作太陽能風車。

本專案的機械結構也比較特殊，建議有條件的朋友可以試試手作為一次實踐經歷。