Đồ án Hệ thống nhúng: Đèn đường năng lượng mặt trời dựa trên ARM Cortex ( STM32)

23 A - MỤC TIÊU ĐỒ ÁN - Tìm hiểu về kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM; - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Đèn đường năng lượng mặt trời dựa trên ARM Cortex STM32... - Các dự án hoặc thi

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN TỬ 1 - -

Lê Phấn Nguyên – B17DCDT137

HÀ NỘI - 2021

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Học viện Công nghệ Bưu

chính Viễn thông đã đưa môn học Đồ án thiết kế hệ thống nhúng vào trong

chương trình giảng dạy Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đếngiảng viên bộ môn - thầy Nguyễn Ngọc Minh đã chỉ dạy và hướng dẫn chúng

em trong thời gian học tập vừa qua

Đồ án của nhóm em sẽ tìm hiểu về Đèn đường năng lượng mặt trời dựa

trên ARM Cortex (STM32) Tuy nhiên, vì thời gian học tập trên lớp không nhiều,

mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn những hiểu biết và kỹ năng của chúng emvẫn còn nhiều hạn chế Do đó, Đồ án này khó có thể tránh khỏi những thiếusót, kính mong thầy xem xét và góp ý giúp sản phẩm của nhóm em được hoànthiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2021

Sinh viên

Nhóm 10

MỤC LỤC

A - MỤC TIÊU ĐỒ ÁN ……… ……… 4

B - CÁC KHÁI NIỆM ……….…… 4

I Năng lượng mặt trời……… 4

II Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)………… 7

1 Khái niệm……… … 7

2 Ưu điểm của PWM so với bộ biến áp/chiết áp……….…… 8

3 Những tham số cần quan tâm ……… 8

4 Các phương pháp điều chế độ rộng xung ……… 10

C - SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG……… ……….…… 11

I Sơ đồ khối chính ……… ……. 11

II Sơ đồ mạch ……….………… … 11

1 Mạch bảo vệ sạc……… 11

2 Mạch cấp nguồn 5V cho STM32……… … 13

3 Mạch điều khiển LED sử dụng STM32F103C8T6……… 14

D - CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA MẠCH………. 15

1 Thời gian sạc đầy Ắc quy……….…… 15

2 Công suất tiêu thụ của mạch đèn LED……….…… 16

E - LẬP TRÌNH CHO STM32 BẰNG PHẦN MỀM STM32CUBE VÀ KEILC 18 1 Cấu hình chân Timer2 cho PA0 trên STM32Cube ……… 18

2 Mã nguồn điều chế xung cho KeilC………. 20

3 Nạp code cho STM32 và mạch cứng mô phỏng……… 21

F - TỔNG KẾT……… …… 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 23

A - MỤC TIÊU ĐỒ ÁN

- Tìm hiểu về kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM);

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Đèn đường năng lượng mặt trời dựa trên ARM Cortex (STM32)

- Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của hệ thống.

- Ứng dụng trong cuộc sống, đặc biệt là chiếu sáng đường phố

B - CÁC KHÁI NIỆM

I Năng lượng mặt trời

- Năng lượng mặt trời đã trở thành một nguồn năng lượng thay thế phổ biến như một nguồn năng lượng tái tạo Đó là năng lượng đến như tài nguyên thiên nhiên

từ mặt trời Ngày nay, có rất nhiều thiết bị gia dụng và thiết bị dựa trên năng lượng mặt trời như xe chạy bằng năng lượng mặt trời, các tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời, đèn chiếu sáng đường phố và thậm chí cả bộ đèn năng lượng mặttrời cho các ứng dụng nhỏ

- Các dự án hoặc thiết bị dựa trên năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng ánh sáng của mặt trời thành điện năng được sử dụng để vận hành thiết bị Đối với quá trình chuyển đổi, các tế bào quang điện được sử dụng với các kích thước

và xếp hạng khác nhau dựa trên ứng dụng được sử dụng

- Theo cách thức sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng mặt trời được phân thành hai loại:

● Năng lượng mặt trời chủ động

● Năng lượng mặt trời thụ động

- Năng lượng mặt trời thụ động được

sử dụng trực tiếp từ Mặt trời cho các ứng dụng khác nhau mà không cần

sử dụng bất kỳ thiết bị hoặc bộ chuyển đổi trung gian nào

- Các tấm pin mặt trời hấp thụ năng lượng mặt trời, sau đó chuyển điện năng đến điểm sử dụng.

- Với hệ thống năng lượng này, quang năng từ mặt trời được biến đổithành điện năng bằng cách sử dụng một mạch trung gian

1 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời.

- Tế bào quang điện là thành phần chính, có chức năng hấp thụ ánh sáng mặt

trời và chuyển hóa nó thành điện năng Hiện có 2 loại tinh thể silicon được sử dụng để tạo tế bào quang điện đó là đơn tinh thế (Mono) và đa tinh thể (Poly) Trong điều kiện thời tiết không thuận lợi thì tấm pin Mono sẽ mang lại hiệu suất tốt hơn

2 Nguyên lý hoạt động tạo ra dòng điện của tấm pin năng lượng mặt trời.

- Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết

bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời

có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.

II Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

1 Khái niệm

- Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

- Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

2 Ưu điểm của PWM so với bộ biến áp/chiết áp

- Ưu điểm chính của PWM là tổn thất điện năng trong các thiết bị chuyển mạch là rất thấp

→ Khi một công tắc tắt thực tế không có dòng điện, và khi nó đang bật vànguồn điện đang được chuyển đến tải, hầu như không có sự sụt giảm điện áp trên công tắc Do đó, tổn thất điện năng, là sản phẩm của điện áp và dòng điện, trong cả hai trường hợp đều gần bằng không

- PWM cũng hoạt động tốt với các điều khiển kỹ thuật số, do tính chất bật/ tắt của chúng, có thể dễ dàng thiết lập chu kỳ nhiệm vụ cần thiết

3 Những tham số cần quan tâm

(1) Duty cycle: chu kỳ hoạt động (tỷ lệ phần trăm xung ở mức cao).

- Thông thường, điện áp một chiều không đổi ở một số giá trị trên hoặc dưới 0 Điều chế độ rộng xung biến tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự bằng cách thay đổi thời gian bật và tắt của nó Thuật ngữ "chu kỳ hoạt động" được sử dụng để mô tả tỷ lệ phần trăm hoặc tỷ lệ thời gian nó hoạt động so với khi nó tắt

( D: chu kỳ nhiệm vụ

PW: Độ rộng của xung (thời gian hoạt động) T: Tổng chu kỳ của tín hiệu )

(2) PTO (Pulse Train Output): là xung vuông có 50% thời gian cao,

50% thời gian thấp

- Chu kỳ hoạt động được biểu thị bằng phần trăm, 100% được bật hoàn toàn Khi tín hiệu số bật một nửa thời gian và tắt nửa thời gian còn lại, tín hiệu

số có chu kỳ hoạt động là 50% và giống như sóng "vuông"

- Khi một tín hiệu số dành nhiều thời gian hơn ở trạng thái bật hơn trạng thái tắt, nó có chu kỳ hoạt động> 50%

- Khi một tín hiệu số dành nhiều thời gian hơn ở trạng thái tắt hơn trạng thái bật, nó có chu kỳ hoạt động <50%

(3) Period: là chu kỳ xung (bao gồm tổng thời gian mức cao + mức thấp) (4) Pulse width: biên độ xung là giá trị của mức cao.

4 Các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

- Cách đơn giản nhất để tạo tín hiệu PWM là phương pháp giao nhau,

chỉ yêu cầu dạng sóng răng cưa hoặc tam giác (dễ dàng tạo ra bằng cách sử dụng

bộ dao động đơn giản ) và bộ so sánh Khi giá trị của tín hiệu tham chiếu (sóng sin màu đỏ) lớn hơn dạng sóng điều chế (xanh lam), tín hiệu PWM (màu hồng)

ở trạng thái cao, ngược lại nó ở trạng thái thấp

(1) Điều chế Delta

(2) Điều chế Delta-sigma

(3) Điều chế véc tơ không gian SVM (Space vector modulation)

(4) Điều khiển mô-men xoắn trực tiếp DTC (Direct torque control) (5) Sử dụng tỉ lệ thời gian

- Nhiều mạch kỹ thuật số có thể tạo ra tín hiệu PWM (ví dụ, nhiều vi điều khiển

có đầu ra PWM) Chúng thường sử dụng một bộ đếm tăng dần theo chu kỳ (được kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp với đồng hồ của mạch đó) và được reset vào cuối mỗi chu kỳ PWM Khi giá trị bộ đếm nhiều hơn giá trị tham chiếu, đầu

ra PWM sẽ thay đổi trạng thái từ cao xuống thấp (hoặc thấp lên cao)

- Kỹ thuật này được gọi là tỉ-lệ-thời-gian, đặc biệt là điều khiển tỷ lệ-thời gian

Trong đó tỷ lệ của một chu kỳ thời gian cố định là ở trạng thái cao.

C - SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

I Sơ đồ khối chính

- Hệ thống sử dụng bộ xử lý ARM-Cortex thuộc họ STM32 và ắc quy để cung cấp năng lượng Sử dụng bảng điều khiển năng lượng mặt trời để sạc pin

STM32 được kết nối với một chuỗi đèn LED

- Có thể kiểm soát cường độ của đèn LED bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động

từ nguồn STM32 được lập trình để cung cấp các cường độ khác nhau vào các thời điểm khác nhau trong đêm bằng cách sử dụng kỹ thuật PWM

- Mạch bảo vệ sạc được sử dụng để bảo vệ ắc quy khỏi quá tải và xả sâu

II Sơ đồ mạch

1 Mạch bảo vệ sạc

- LM317T: IC điều chỉnh điện áp ra 1,2V - 37V

 Dòng điện đầu ra >1,5A

 Bảo vệ quá tải nhiệt

 Giới hạn dòng ngắn mạch

- Mạch thu năng lượng mặt trời để sạc cho ắc quy 6V - 4,5Ah Bộ sạc có điều chỉnh điện áp và dòng điện và các phương tiện ngắt quá áp.

- Mạch sử dụng bảng điều khiển năng lượng mặt trời 12V và IC LM 317T điều chỉnh điện áp biến đổi 12 VDC có sẵn từ pin mặt trời để sạc Dòng sạc đi qua D1 đến IC điều chỉnh điện áp LM 317T Bằng cách điều chỉnh chân Adjust (điềuchỉnh) của nó, điện áp đầu ra và dòng điện có thể được điều chỉnh

- Biến trở VR được đặt giữa chốt điều chỉnh và mặt đất để cung cấp điện áp đầu

ra 9V cho ắc quy Điện trở R3 hạn chế dòng sạc và diode D2 ngăn dòng điện phóng ra từ ắc quy

- Transistor T1 và Zener diode ZD hoạt động như một công tắc ngắt khi ắc quy đầy Thông thường T1 tắt và ắc quy nhận được dòng điện sạc Khi điện áp đầu cuối của ắc quy tăng trên 6,8V, Zener dẫn và cung cấp dòng điện cơ bản đến T1 Sau đó, nó sẽ bật nối đất đầu ra của LM317T để ngừng sạc

2 Mạch cấp nguồn 5V cho STM32

- LM7805: IC ổn định điện áp đầu ra 5V

 Điện áp đầu vào lên đến 35V

 Dòng điện đầu ra lên đến 1.5A

 Không yêu cầu các thành phần bên ngoài

 Bảo vệ quá tải nhiệt bên trong

 Giới hạn dòng ngắn mạch bên trong

 Bù vùng an toàn bóng bán dẫn đầu ra

 Điện áp đầu ra được cung cấp trong dung sai 4%

- Nguyên tắc hoạt động: Điện áp đầu vào từ ắc quy đưa vào chân 1 của LM7805

và điện áp 5V ở ngõ ra sẽ được lấy qua chân 3

- Tụ C1 và C2 để lọc điện áp vào và ra

- IC 7805 dễ toả nhiệt nên để mạch hoạt động ổn định và lâu dài, nên gắn thêm tản nhiệt cho IC

- Mạch ổn áp này phù hợp để cấp nguồn cho các mạch điện tử vận hành với điện

+ Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp : CAN, I2C, SPI UART/USART, USB.

+ Có led báo nguồn

+ Nút nhấn Reset

+ Kích thước: 5.3cm x 2.2cm

- Sơ đồ chân:

- STM32 được cấp nguồn từ ắc quy thông qua cổng USB

- Chân PA0 của STM32 sẽ đưa ra tín hiệu xung điều chế (PWM) và được nối với LED để điều khiển cường độ sáng

D - CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA MẠCH

1 Thời gian sạc đầy Ắc quy

- Ắc quy 6V – dung lượng 4500mAh = 4.5(Ah)

- Năng lượng của Ắc quy:

- Năng lượng thực tế của Ắc quy khoảng 70% giá trị lý thuyết:

- Pin mặt trời 12V – 1,5W sẽ sạc đầy Ắc quy trong khoảng thời gian:

2 Công suất tiêu thụ của mạch đèn LED

- 20 đèn LED vàng thông số: 2.4V - 20mA / 1 LED

- Thời gian đèn hoạt động trong 1 ngày: từ 6h chiều đến 5h sáng => t = 11(h)

2.1 Trường hợp đèn sáng liên tục với điện áp tối đa (không điều chế):

- Công suất của mạch LED là:

- Năng lượng tiêu thụ của mạch LED trong 11h là:

- Năng lượng tiêu thụ của trở tải trong 11h là:

- Năng lượng cần thiết cho hệ thống là:

(1)

- Dung lượng cần thiết của Ắc quy để cung cấp cho hệ thống:

- Vậy phần trăm dung lượng của Ắc quy được tiêu thụ trong 1 ngày:

(2)

2.2 Trường hợp sử dụng mạch điều chế xung PWM:

- Điện áp của đèn trong khoảng thời gian 6h - 8h và 3h - 5h được điều chỉnh, tương đương với việc cường độ sáng thay đổi theo

- Trong khoảng 6h - 8h (p.m) đèn sẽ sáng dần từ 0V đến cường độ tối đa 2.4V

- Trong khoảng 3h - 5h (a.m) đèn sẽ tối dần dần từ 2.4V về 0V

- Vậy thời gian hoạt động sẽ gồm 4h có điều chế và 7h không điều chế

- Do điện áp tỉ lệ thuận với công suất nên khi điện áp thay đổi từ 0 - 2.4V

-> công suất của mạch thay đổi từ 0 đến tối đa là P = 0.96W và ngược lại

- Giả sử đèn sáng / tối dần đều:

- Năng lượng tiêu thụ của mạch LED trong 2h có điều chế là:

với là tốc độ biến thiên của điện áp hay công suất

- Năng lượng tiêu thụ của mạch LED có điều chế trong 11h hoạt động là:

- Năng lượng tiêu thụ của hệ thống có điều chế trong 11h hoạt động là:

- Thời gian điều chế càng dài năng lượng tiết kiệm càng nhiều

- Với mạch điều chế xung sử dụng pin năng lượng mặt trời để nạp thì:

 Trung bình một ngày sử dụng 11h hết <50% Ắc quy và nạp đầy Ắc quy mất khoảng 12h30p

 Có thể nạp 1 lần và dùng được trong 2 ngày liên tục

E - LẬP TRÌNH CHO STM32 BẰNG PHẦN MỀM STM32CUBE VÀ KEILC

1 Cấu hình chân Timer2 cho PA0 trên STM32Cube

(1) Thiết lập xung clock và chỉ định CH1 là kênh đầu ra PWM

- STM32F103C8 có 15 chân PWM và 10 chân ADC Có 7 timer và mỗi đầu ra PWM được cung cấp bởi một kênh được kết nối với 4 timer Nó có độ phân giải PWM 16 bit (), nghĩa là bộ đếm và biến có thể lớn tới 65535

(2) Thiết lập giá trị ARR tối đa bằng 65535 (chu kỳ hoạt động 100%)

(3) Thiết lập xung clock hệ thống bằng 72MHz

(4) (5) Lựa chọn cách thức và xuất file code ra KeilC

2 Mã nguồn điều chế xung cho KeilC

- Mở file KeilC sau khi được xuất từ STM32Cube

- Những thiết lập clock hệ thống, Timer2, cấu hình chân GPIO đã có đủ

- Mã nguồn sẽ được viết vào phần int main (void):

int main(void)

TIM2->CCR1 = CH1_DC;

CH1_DC += 70;

HAL_Delay(10); } //Thời gian đèn sáng từ 0% đến 100% HAL_Delay(5000); //Đèn duy trì độ sáng 100% trong 5s

while(CH1_DC > 0) //Chu kỳ đèn giảm: từ 100% về 0% {

 đèn sẽ tắt (0%) trong 10s

- Các chu kỳ sẽ lặp lại liên tục

3 Nạp code cho STM32 và mạch cứng mô phỏng:

- Khối (1) là mạch bảo vệ sạc nối Pin mặt trời và ắc quy

- Khối (2) là mạch nguồn 5V và mạch điều khiển LED sử dụng STM32

F - TỔNG KẾT

1 Ưu điểm:

- Hệ thống giúp tiết kiệm khá lớn năng lượng tiêu thụ của đèn

- Nguồn năng lượng của mạch được cung cấp liên tục và tự động

- Có thể triển khai thử nghiệm vì chi phí không quá lớn

2 Nhược điểm:

- Pin mặt trời, ắc quy cần phải được bảo vệ tốt

- Hệ thống sử dụng đèn LED cao áp sẽ phức tạp hơn nên cần thay đổi nhiều ở phần mạch cứng

- Độ bền của hệ thống là ổn nhưng mới chỉ dừng ở mức mô phỏng đơn giản, chưa thể kết luận ở triển khai thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]- tutorial/

https://deepbluembedded.com/stm32-pwm-example-timer-pwm-mode-[2]- https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation

[3]- https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_torque_control

[4]- width-modulation/

https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-11/pulse-[5]- https://www.digikey.com/en/blog/pulse-width-modulation

[6]- modulation-mlmLh1

https://www.stdio.vn/dien-tu-ung-dung/dieu-che-do-rong-xung-pulse-width-[7]- https://dientutuonglai.com/dieu-chinh-do-rong-xung.html

[8]- https://mesidas.com/pwm-pto-la-gi/#:~:text=C%E1%BA%A3%20PWM

%20%26%20PTO%20%C4%91%E1%BB%81u%20l%C3%A0,c

%C6%A1%20b%C6%B0%E1%BB%9Bc%20(Stepper%20Motor)