Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời.Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sáng chiếu tới tấmpin càng lớn thì càng có
Trang 1- -TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
GV: Đường Khánh Sơn Vũ Thái Hưng (1500910)
Nguyễn Nhựt Hào (1500802)Ngành: Công nghệ kĩ thuật
cơ điện tử - 2015
Cần Thơ, tháng 4/2019
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC KĨ THUẬT CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA KĨ THUẬT CƠ KHÍ
- -TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU HƯỚNG TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
GV: Đường Khánh Sơn Vũ Thái Hưng (1500910)
Nguyễn Nhựt Hào (1500802)Ngành: Công nghệ kĩ thuật
cơ điện tử - 2015
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học, đó là một trong nhữngbước ngoặc cuối cùng đánh dấu sự trưởng thành của một sinh viên ở giảng đườngđại học Để trở thành một cử nhân hay một kỹ sư đóng góp những gì mình đã họccho đất nước
Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầyĐường Khánh Sơn, khoa kỹ thuật cơ khí, trường Đại học Kỹ thuật-Công nghệ CầnThơ Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, thầy đã dành nhiều thời gian để hướngdẫn chúng em thực hiện đề tốt đề tài Thầy đã hướng dẫn chúng em tìm hiểu nhữngkiến thức cần thiết để thực hiện đề tài tiểu luận này
Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa kỹ thuật cơ khí, cũng nhưcác thầy cô trong trường đã giảng dạy, giúp đỡ cho chúng em trong suốt 4 năm họcvừa qua Chính các thầy cô đã xây dựng cho chúng em kiến thức nền tảng và nhữngkiến thức chuyên môn để chúng em có thể hoàn thành đề tài này
Ngoài ra, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luônủng hộ và giúp đỡ trong suốt quá trình chúng em thực hiện đề tài
Chúng em đã làm việc nghiêm túc và đã cố gắng hoàn thành tốt đề tài tiểuluận này, tuy nhiên không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện đề tài.Kính mong thầy cô và các bạn góp ý để đề tài tiểu luận của chúng em được hoànthiện tốt hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài
Vũ Thái HưngNguyễn Nhựt Hào
Trang 4MỤC LỤC
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan 6
1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài 6
1.1.1 Lý do chọn đề tài 6
1.1.2 Mục đích chọn đề tài 7
1.1.3 Mục tiêu đề tài 7
1.2 Pin năng lượng mặt 7
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển 7
1.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 9
1.2.3 Các loại pin năng lượng mặt trời 10
1.3 Hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời 11
1.4 Phạm vi nghiên cứu 12
Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 13
2.1 Đối tượng nghiên cứu 13
2.1.1 Tiêu chuẩn của một hệ thống điều hướng 13
2.1.2 Ứng dụng của thực tế 13
2.1.3 Arduino 15
2.1.3.1 khái niệm 15
2.1.3.2 Lịch sử hình thành và phát triển 16
2.1.3.3 các loại Arduino 16
2.1.3.4 Arduino Nano 18
2.1.4 Phần mềm Arduino 25
2.1.4.1 Phần mềm viết chương trình và biên dịch chương trình 25
2.1.4.2 Cấu trúc chương trình 27
2.1.5 Động cơ giảm tốc DC 27
2.1.6 Cảm biến hướng sáng 29
Trang 52.2 Phương pháp nghiên cứu……… 33
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều hướng tấm pin năng lượng mặt trời 36
3.1 Thiết kế mô hình 36
3.1.1 Thiết kế cơ khí 36
3.1.1.1 Nhiệm vụ yêu cầu của kết cấu cơ khí 36
3.1.1.2 Thiết kế chế tạo kết cấu cơ khí 36
3.1.2 Thiết kế mạch điều khiển 41
3.1.3 Điều khiển và lập trình ……… 44
3.2 Tiến hành chạy thực nghiệm 46
Chương 4: Kết luận 48
4.1 Kết quả đạt được 48
4.1 Mặt hạn chế và hướng khắc phục 48
4.3 Hướng phát triển 49
Trang 6DANH M C HÌNH NH ỤC HÌNH ẢNH ẢNH
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Trạm sạc năng lượng mặt trời 13
Hình 2.2: Phin năng lượng mặt trời cho phương tiện 14
Hình 2.3: Thùng rác năng lượng mặt trời ở Đà Nẵng 14
Hình 2.4: Pin năng lượng mặt trời cho thieets bị công cộng 15
Hình 2.5: Arduino Nano 16
Hình 2.6: Arduino Uno và Arduino Yun 16
Hình 2.7: Arduino Tre và Arduino robot 17
Hình 2.8: Arduino Due và Arduino Board 17
Hình 2.9: Arduino Leonado và Arduino Redboard 17
Hình 2.10: Cấu tạo Arduino Nano 19
Hình 2.11: Sơ đồ chân Arduino Nano 20
Hình 2.12: Sơ đồ chân ICSP 24
Hình 2.11: Phần mềm Arduino 25
Hình 2.13: Màn hình làm việc của Arduino IDE 26
Hình 2.14: Chọn board và nạp chương trình 26
Hình 2.15: Động cơ servo 27
Hình 2.16: Động cơ bước 28
Hình 2.17: Động cơ DC 28
Hình 2.18: Cảm biến hướng sáng 29
Hình 2.19: Cấu tạo Quang Trở 29
Hình 2.20: Hiệu ứng Quang điện trong 30
Hình 2.21: Sơ đồ đấu dây đọc quang trở 30
Hình 2.22: Cảm biến hướng sáng sử dụng Quang trở 31
Hình 2.23: Sơ đồ bố trí quang trở trên cảm biến 31
Hình 2.24: cảm biến sử dụng trong đề tài 32
Hình 2.25: Khi mặt trời vuông góc 32
Hình 2.26: Khi mặt trời lệch về một phía 33
Trang 7Hình 2.29: Hướng nghiêng của tấm pin tại một số vùng 35
Hình 2.30: Giới hạn góc xoay của tấm pin Ox 35
Hình 2.31:Giới hạn góc quay theo phương Oz 35
Hình 3.1: Chuyển động quay của hai trục tọa độ 36
Hình 3.2: Bộ động cơ xoay theo phương Ox và Oz 37
Hình 3.3: Bản vẽ cơ khí 3D hoàn chỉnh 37
Hình 3.4: Bộ truyền đai 38
Hình 3.5: Truyền động cơ cấu thanh truyền 39
Hình 3.6: Động cơ kèm hộp giảm tốc 40
Hình 3.7: Mô hình cơ khí thực tế 40
Hình 3.8: Thiết kế mạch cầu H 41
Hình 3.9: Mạch cầu H thực tế 41
Hình 3.10: Mạch Vi điều khiển Arduino Nano 42
Hình 3.11: Hộp điều khiển 42
Hình 3.12: Sơ đồ đấu day với Arduino Nano 43
Hình 3.13: Sơ đồ hệ thống điều hướng 44
Hình 3.14: Hướng đặt của cảm biến 45 Hình 3.15: Lưu đồ giải thuật 45
Trang 8CH ƯƠNG 1: TỔNG QUAN NG 1: T NG QUAN ỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Lý do và mục đích chọn đề tài:
Với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, có lãnh thổ trảidài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đốicao Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích
và áp dụng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất
Hệ thống pin mặt trời được sử dụng nhằm mục đích sản xuất ra điện trực tiếp từnăng lượng mặt trời thông qua các tấm pin mặt trời là các tế bào quang điện bándẫn Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sáng mặt trời.Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sáng chiếu tới tấmpin càng lớn thì càng có nhiều năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng tức làhiệu suất của tấm pin mặt trời càng tăng lên Hệ thống pin mặt trời thường được lắp
cố định vào một tấm đế, do đó pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sángmặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng của tấm pin Các vùng khác, hiệu suất củapin mặt trời sẽ giảm Giải pháp đưa ra để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời là hệ
Trang 91.1.2 Mục đích chọn đề tài:
Xuất phát từ những ứng dụng quan trọng của Pin mặt trời trong thời đạu hiệnnay nên chúng em đã tìm hiểu, nghiên cứu, cải tiến thêm từ các sản phẩm cũng như
công trình của nhiều tác giả trước đây và xây dựng ra mô hình thực tế “hệ thống
điều hướng tấm pin mặt trời” phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu và sáng tạo.
Hơn nữa còn có thể nâng cao chất lượng sản phẩm pin năng lượng mặt trời từ
cố định, sang một sản phẩm có thể điều hướng và kiểm soát năng suất nhằm tối ưuhóa năng lượng thu được
nó không hiệu quả khi biến ánh sáng mặt trời thành điện Tiếp sau đó mãi cho đếnkhi Albert Einstein đề xuất một lời giải thích cho “hiệu ứng quang điện” vào đầunhững năm 1900, sau đó ông đã giành được giải Nobel
Trang 10CH ƯƠNG 1: TỔNG QUAN NG 1: T NG QUAN ỔNG QUAN
Công nghệ năng lượng mặt trời tiến tới gần như thiết kế hiện tại của nó vào năm
1908 khi William J Bailey của Công ty thép Carnegie phát minh ra với một hộpcách nhiệt và thanh selen Để kiểm chứng lại nguyên nhân ông đã đặt thanh selenvào bên trong chiếc hộp có nắp trượt Khi nắp được đóng kín và không có ánh sánglọt vào, thanh selen có điện trở cao nhất và thực hiện đúng nhiệm vụ ngăn cản dòngđiện Nhưng khi chiếc nắp được trượt ra để ánh sáng lọt vào, dòng điện chạy quangày càng được tăng cường và tăng theo cường độ ánh sáng chiếu vào Khi đó ông
đã đăng tải phát hiện của mình trên tạp chí Nature với nội dung “Tác động của ánhsáng lên selen thông qua quá trình truyền tải dòng điện” Bài báo cáo đã gây nên sựchú ý đối với nhiều nhà khoa học trên khắp Châu Âu thời bấy giờ Với nghiên cứucủa mình ông được công nhận là người đầu tiên khám phá ra chất quang điện củanguyên tố selen Khám phá này đã tạo tiền đề cho việc chế tạo ra pin mặt trời saunày.Vào giữa những năm 1950 pin quang năng đã đạt được hiệu suất 4%, và hiệusuất sau đó nâng lên 11%, với các tế bào silicon ( Nguyên liệu phổ biến thứ hai trêntrái đất ) “Sức mạnh được tạo ra khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu bán dẫn
và tạo ra dòng điện.” Từ đó trở đi, sự quan tâm đến năng lượng mặt trời được tăngcường Vào cuối những năm 1950 và 1960, chương trình không gian của NASA đãđóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của quang điện “Các tế bào là nguồnnăng lượng điện hoàn hảo cho vệ tinh vì chúng rất chắc chắn, nhẹ và có thể đáp ứngcác yêu cầu công suất thấp đáng tin cậy.”
Năm 1982 Nhà máy điện mặt trời đầu tiên có công suất 1MW được hoàn thành ởMỹ
Năm 1983: sản xuất pin mặt trời trên toàn thế giới vượt mức 20 MW, và doanh
số bán vượt mức 250 trieu USD
Năm 1997: Sanyo bắt đầu sản xuất hàng loạt pin mặt trời hiệu xuất cao HIT c-Si/a-Si: H
Đến năm 1999 tổng công suất lắp đặt pin mặt trời trên thế giới đạt 1GW
Năm 2002: Hội nghị Solar Silicon đầu tiên đối phó với cuộc khủng hoảng của
Trang 11Năm 2006: Wacker mở rộng sản xuất pin năng lượng mặt trời poly-Si tạiBurghausen, Đức, Công suất lên đến 16.000 tấn / năm để trở thành công ty lớn thứhai trong lĩnh vực này trên toàn thế giới
Năm 2008: Q-Cells vượt qua Sharp để trở thành nhà sản xuất PV lớn nhất thếgiới
Năm 2010, tổng công suất pin mặt trời trên thế giới ước tính đạt 37,4GW (trong
đó Đức có công suất lớn nhất với 7,6GW.)
Chỉ trong vài thập kỷ gần đây khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, các vấn đềmôi trường ngày càng tăng và tài nguyên nhiên liệu hóa thạch giảm khiến chúng taphải tìm kiếm các giải pháp năng lượng thay thế
1.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời:
Pin năng lượng mặt trời (solar panel/pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúpchuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượngđiện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là khả năngphát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất
Silicon được biết đến là một chất bán dẫn “Chất bán dẫn là vật liệu trung giangiữa chất dẫn điện và chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động như một chất cáchđiện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng” Với tính chất như vậy,silicon là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặttrời Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạtphoton truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm choelectron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tửxuất hiện chỗ trống vì thiếu electron
Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa công việc của pin nănglượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rải rác này vào một dòng điện.Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin năng lượngmặt trời, có tác dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùngmột hướng
Trang 12CH ƯƠNG 1: TỔNG QUAN NG 1: T NG QUAN ỔNG QUAN
Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon.Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ.Bằng cách ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loạisilicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm –Negative) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính
là các electron dẫn chính Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương – Positive) có tạpchất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống
Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt trời,electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p.Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện
âm, tạo ra một điện trường trên pin năng lượng mặt trời Vì silicon là một chất bándẫn nên có thể hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này.Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tửsilicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhấtđịnh, cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa
1.2.3 Các loại pin năng lượng mặt trời :
Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) làcác silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
* Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski.Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt
từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module
* Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội vàlàm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn.Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinhthể bù lại cho hiệu suất thấp của nó
* Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinhthể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại
Trang 131.3 Hệ thống điều hướng pin năng lượng mặt trời :
Như đã biết, tại một vị trí trong một ngày hè trung bình sẽ được chiếu sangkhoảng 8 tiếng bởi mặt trời (khoảng từ 8h sang đến 16h chiều) Và trong khoảngthời gian từ 11h đến 13h, mặt đất sẽ nhận được cường độ ánh sang mạnh nhất, vàsau đó giảm dần, lúc này các tia bức xạ từ mặt trời chiếu vuông góc với mặt đất.Nếu như tại vị trí này, ta đặt một viên pin mặt trời cố định song song với mặt đất thì
nó chỉ đạt hiệu suất lớn nhất trong khoảng thời gian từ 11h đến 13h Ta có thể xétđến bảng hiệu suất của hai loại pin mặt trời phổ biến nhất là Mono và Poly trong cáckhoảng thời gian chiếu sang trong ngày (khi đặt trong hệ thống đỡ pin cố định):
Bảng thống kê hiệu suất của pin mặt trời Mono và Poly trong các khoảng thời gian
trong ngày khi đặt trên hệ thống giá đỡ pin cố định.
*Pin mặt trời Monocrystalline là loại pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể, đạthiệu suất tốt trong điều kiện ánh sang thấp
*Pin mặt trời Polycrystalline là loại pin đa tinh thể, ưu điểm giá rẻ hơn nhiều sovới loại đơn tinh thể Mono nhưng nhược điểm là đạt hiệu suất thấp hơn loại Monotrong cùng điều kiện ánh sang thấp
Như vậy, dựa vào bảng thống kê từ trang Wikipedia, ta có thể nhận thấy là khi sửdụng pin mặt trời với hệ thống đỡ pin cố định thì khoảng thời gian tốt nhất để mộtviên Pin năng lượng mặt trời cho hiệu suất tối đa sẽ chỉ rơi vào khoảng 2 giờ đồng
hồ (tức khoảng 11h đến 13h) Vì vậy nên việc sử dụng pin sẽ không được hiệu quả
Trang 14CH ƯƠNG 1: TỔNG QUAN NG 1: T NG QUAN ỔNG QUAN
và chúng ta sẽ không khai thác được tối đa nguồn tài nguyên được cho là vô tậnnày
Đối với hệ thống pin mặt trời khi được đặt trên hệ thống tự động điều hướng, hệthống sẽ không sử dụng thời gian thực để điều chỉnh góc quay của pin mặt trời mà
sẽ sử dụng chính tia bức xạ của Mặt trời để căn chỉnh góc quay cho pin mặt trờiluôn luôn vuông góc với tia bức xạ phát ra từ Mặt trời Bằng cách làm này sẽ có ưuđiểm là luôn luôn cho độ chính xác (vì không phải phụ thuộc vào thời gian vàkhông chịu tác động của sự dịch chuyển cơ động địa chất), pin mặt trời luôn luônđược hướng vuông góc về nơi có ánh sang mạnh nhất, cụ thể là ánh sang Mặt trời
Do đó, hệ thống pin sẽ luôn cho ra một mức hiệu suất cao nhất
Trang 15CHƯƠNG 2 : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU2.1 Đối tượng nghiên cứu:
2.1.1 Tiêu chuẩn cho một hệ thống điều hướng pin mặt trời:
Với sản phẩm nghiên cứu “Hệ thống điều hướng pin mặt trời” cần có một số
tiêu chuẩn như sau:
-Có thể điều hướng tấm pin theo hướng vuông góc với măt trời
-Có thể trở về vị trí Home ( ban đầu) khi kết thúc một ngày
2.1.2 Ứng dụng thực tế:
Bộ điều hướng pin năng lượng mặt trời có thể áp dụng vào các hệ thống sử dụngpin mặt trời phổ biến hiện nay như:
Trạm sạc năng lượng mặt trời:
Trạm sạc năng lượng mặt trời được thiết kế dùng để sạc pin cho smartphone, cósẵn dây kết nối microUSB hay Lightning cho các thiết bị Android và iPhone với tốc
độ sạc tương đương với tốc độ sạ của điện lưới quốc gia
Hình 2.1: Trạm sạc năng lượng mặt trời
Trang 16CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Ứng dụng pin mặt trời cho phương tiện giao thông:
Để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguyên liệu xăng dầu, ngày nay con người đã ứngdụng pin mặt trời trong việc phát minh ra những phương tiện giao thông chạy bằngnăng lượng mặt trời, hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường
Hình 2.2: Pin năng lượng mặt trời cho phương tiện
Thùng rác năng lượng mặt trời:
Những chiếc thùng rác thông minh có chức năng lọc nước thải để nuôi cây xanh
và đặc biệt là có thể sạc pin điện thoại bằng năng lượng mặt trời vô cùng tiện lợi
Trang 17Hình 2.3: Thùng rác năng lượng mặt trời ở Đà Nẵng
Ứng dụng của pin mặt trời cho chiếu sáng công cộng, đèn giao thông:
Một ứng dụng của pin mặt trời chính là những chiếc đèn đường năng lượng mặt
trời tại đường đi, sân vườn công viên,…hay những chiếc đèn giao thông tự động vô
cùng hiện đại, vừa góp phần tiết kiệm điện năng, vừa giảm ô nhiễm môi trường
Hình 2.4: Pin năng lượng mặt trời cho thiết bị công cộng
Trang 18CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.3 Arduino :
2.1.3.1 Khái niệm :
Arduino là một board mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với cácthiết bị phần cứng như động cơ, cảm biến… Đặc điểm nổi bật của Arduino là môitrường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học mộtcách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử, lập trình
Là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tửArduino gồm có board mạch có thể lập trình được (thường gọi là vi điều khiển) vàcác phần mềm hổ trợ phát triển tích hợp IDE(lntegrated DevelopmentEnvironment)dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương trình cho board Arduino ngàynay rất phổ biến cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về điện tử vì nó đơn giản,hiệu quả và dễ tiếp cận không giống như các loại vi điều khiển khác Arduinokhông cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code cho PLC cầnphải có Pic kit Đối với Arduino rất đơn giản, ta có thể kết nối với máy tính bằngcáp USB Thêm vào đó việc lập trình
Arduino rất dễ dàng, trình biên dịch Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giảnhóa của ngôn ngữ C++
Hình 2.5: Arduino Nano
2.1.3.2 Lịch sử hình thành Arduino :
Arduino được ra đời tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên của một vịvua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin Nó chính thức được giới thiệu vào năm 2005
Trang 19như là một công cụ cho sinh viên học tập của giáo sư Massimo Banzi, một trongnhững người phát triển arduino tại trường Interaction Design Instisture Ivrea (IDII).
2.1.3.3 Các loại Arduino :
Hình 2.6: Arduino Uno và Arduino Yun
Hình 2.7: Arduino Tre và Arduino Robot
Hình 2.8: Arduino Due và Arduino Mega
Trang 20CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hình 2.9: Arduino Leonado và Arduino Redboard
Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính (thường được gọi là shield)
Các bo mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau Một số
bo có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth
Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính ví dụ như tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ v.v…
2.1.3.4 Arduino Nano :
Với đề tài này chúng em quyết định lựa chọn sử dụng arduino nano
Arduino Nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ ArduinoNano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm Bài viết này trình bày vềcác thông số kỹ thuật quan trọng, nhất là sơ đồ chân và chức năng của mỗi chântrong bảng Arduino Nano
Arduino Nano khác thế nào?
Arduino Nano có chức năng tương tự như Arduino Duemilanove nhưng khácnhau về dạng mạch Nano được tích hợp vi điều khiển ATmega328P, giống nhưArduino UNO Sự khác biệt chính giữa chúng là bảng UNO có dạng PDIP (PlasticDual-In-line Package) với 30 chân còn Nano có sẵn trong TQFP (plastic quad flatpack) với 32 chân Trong khi UNO có 6 cổng ADC thì Nano có 8 cổng ADC BảngNano không có giắc nguồn DC như các bo mạch Arduino khác, mà thay vào đó cócổng mini-USB Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trình và bộ giám sát nốitiếp Tính năng hấp dẫn của arduino Nano là nó sẽ chọn công xuất lớn nhất với hiệuđiện thế của nó
Đặc điểm kỹ thuật Arduino Nano
Trang 21Cấu trúc AVR
Số chân Digital I/O 22
Bộ nhớ Flash 32 KB of which 2 KB used by
BootloaderĐiện áp ngõ vào (7-12) Volts
Sơ đồ chân :
Theo sơ đồ bên dưới, chúng ta sẽ thảo luận về tất cả các chức năng của mỗi chân
Hình 2.10: Cấu tạo arduino nano
Trang 22CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hình 2.11: Sơ đồ chân Arduino Nano
Chức năng của các chân
Thứ tự
chân
1 D1 / TX I / O Ngõ vào/ra số, Chân
Trang 2312 D9 I / O Ngõ vào/ra digital
Trang 24CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
28 RESET Đầu vào Chân đặt lại, hoạt động ở
mức thấp
Chân ICSP
Tên pin Arduino Nano
MISO Đầu vào hoặc đầu ra Master In Slave Out
MOSI Đầu ra hoặc đầu vào Master Out Slave In
RST Đầu vào Đặt lại, Hoạt động ở mức
Trang 25Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL.Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp USB tớiTTL.
Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI
Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, bạn có thể sử dụng cácchân ngoại vi nối tiếp này Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK Mặc dùphần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có Vì vậy, phải sửdụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này
Chân 16: Led
Khi sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng
Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự
Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano có 8đầu vào tương tự (19 đến 26), được đánh dấu A0 đến A7 Điều này có nghĩa là cóthể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự để xử lý Mỗi chân tương tự này có một ADC
có độ phân giải 1024 bit (do đó nó sẽ cho giá trị 1024) Theo mặc định, các chânđược đo từ mặt đất đến 5V Nếu bạn muốn điện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, cóthể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức nănganalogReference () Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analogcũng có một số chức năng khác
Trang 26CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C
Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân và giới hạntrong một thiết bị Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C I2C
hỗ trợ chỉ với hai dây Một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA) Để sử dụngtính năng I2C này, chúng ta cần phải nhập một thư viện có tên là Thư viện Wire
Hình 2.12: Sơ đồ chân ICSP
ICSP là viết tắt của In Circuit Serial Programming , đại diện cho một trong nhữngphương pháp có sẵn để lập trình bảng Arduino Thông thường, một chương trình bộnạp khởi động Arduino được sử dụng để lập trình một bảng Arduino, nhưng nếu bộnạp khởi động bị thiếu hoặc bị hỏng, ICSP có thể được sử dụng thay thế ICSP có
Trang 27Mỗi chân ICSP thường được kết nối với một chân Arduino khác có cùng tên hoặcchức năng Ví dụ: MISO của Nano nối với MISO / D12 (Pin 15) Lưu ý, các chânMISO, MOSI và SCK được ghép lại với nhau tạo nên hầu hết giao diện SPI.
Chúng ta có thể sử dụng Arduino để lập trình Arduino khác bằng ICSP này
Trang 28CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Arduino sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập chương trình, ngôn ngữ lập trìnhcho Arduino cũng có tên là Arduino (được xây dựng trên ngôn ngữ C) Ngoài viếtchương trình phần mềm Arduino IDE còn biên dịch và tải chương trình lên board
Hình 2.14: Màn hình làm việc của Arduino IDE
Trang 29vị trí và thường là tốc độ phản hồi, trong đó bằng cách sử dụng một bộ điều khiểnPID cho phép điều khiển chính xác hơn vị trí và do đó đạt được vị trí ổn định nhanhhơn (đối với một động cơ nhất định).
