Đồ án cảm biến đo lường Hệ thống pin mặt trời tự động điều hướng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG Giáo viên hướng dẫn ThS Trần Anh Sơn S.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn: ThS Trần Anh Sơn

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tuấn 2020600446

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời đã và đang được cảthế giới quan tâm nghiên cứu và sử dụng Trên thế giới, các nước phát triển đã

có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và trong công nghiệp để thu được cácnguồn năng lượng này Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồn năng lượngsạch, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải pháp thaythế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất Tại cácnước đang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời

đã được quan tâm và khích lệ, tuy nhiên những ứng dụng còn rất hạn chế

Với mong muốn đưa những ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ởViệt Nam được phổ biến và phát triển hơn nữa, đem những kiến thức đã họcđược áp dụngvào thực tế sản xuất, vì vậy nhóm sinh viên chúng em đã thựchiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời”

Sản phẩm làm ra là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và triển khaithực tế trên cơ sở làm việc theo nhóm Đề tài là sự kết hợp giữa cơ khí- điệntử- tin học, thiết kế kết cấu cơ khí, chọn động cơ và thiết kế chế tạo mạch điềukhiển, xây dựng phần mềm điều khiển và lập trình

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

Giáo viên phản biện

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẲNG BIỂU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 5

1.1 Giới thiệu chung 5

1.2 Mục tiêu của đề tài: 6

1.3 Các yêu cầu cơ bản 7

1.4 Phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu: 7

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 8

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 9

2.1 Sơ đồ khối và chức năng: 9

2.2 Cấu tạo hệ thống 9

2.2.1 Quang trở (LDR) 9

2.2.2 Vi điều khiển 11

2.2.3 Động cơ Servo 17

2.2.4 Tấm pin năng lượng mặt trời: 20

2.3 Nguyên lí hoạt động của bộ điều hướng pin mặt trời 21

2.3.1 Nguyên lí hoạt động: 21

2.3.2 Nguyên tắc xoay: 22

2.3.3 Cách đọc giá trị quang trở: 22

2.3.4 So sánh tín hiệu giữa các quang trở 23

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 26

3.1 Thiết kế phần điều khiển 26

3.1.2 Các khối quan trọng trong mạch nguyên lí 26

3.1.3 Mô phỏng mạch nguyên lí bằng Proteus 29

3.2 Thiết kế cơ khí 29

3.2.1 Vật liệu nhựa in 3D 29

3.2.2 Quy trình thiết kế cơ khí của hệ thống 32

3.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán và viết chương trình 34

3.3.1 Lưu đồ thuật toán 34

3.3.2 Viết chương trình 35

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 38

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

danh mục hình ản

Hình 1.1: Năng lượng mặt trời 5

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 9

Hình 2.2: Quang trở (LDR) 9

Hình 2.3: PIC 16F887A 12

Hình 2.4: Vi điều khiển 8051 13

Hình 2.5: Arduino UNO R3 14

Hình 2.6: Sơ đồ các chân của Arduino UNO R3 15

Hình 2.7: Động cơ servo SG90 17

Hình 2.8: Động cơ servo MG90S 18

Hình 2.9: Động cơ servo MG996R 19

Hình 2.10: Tấm pin năng lượng mặt trời 20

Hình 2.11: Nguyên lí làm việc 21

Hình 2.12: Nguyên tắc xoay 22

Hình 2.13: Đọc giá trị quang trở 22

Hình 2.14: So sánh 4 quang trở 23

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý 26

Hình 3.2: Khối điều khiển 26

Hình 3.3: Khối cảm biến 27

Hình 3.4: Khối động cơ 27

Hình 3.5: Khối pin năng lượng mặt trời 28

Hình 3.6: Khối hiển thị 28

Hình 3.7: Mô phỏng bằng phần mềm Proteus 8.13 29

Hình 3.8: Nhựa in 3D 30

Hình 3.9: Nhựa in 3D PLA 31

Hình 3.10: Thiết kế mô hình 3D bằng phần mềm Solidworks 2022 32

Hình 3.11: Mô hình sau khi được in 3D 32 Hình 3.12:Mô hình 3D hệ thống sau khi lắp ráp trên phần mềm Solidworks

Hình 3.13: Mô hình hệ thống sau khi lắp ráp thực tế 33

Danh mục bẳng biể Bảng 2.1: Bảng thông số của quang trở 10

Bảng 2.2: Bảng chân năng lượng của Arduino 14

Bảng 2.3: Bảng thông số của Arduino UNO R3 16

Bảng 2.4: Bảng thông số servo SG90 17

Bảng 2.5: Bảng động cơ servo RC MG90S 18

Bảng 2.6: Bảng động cơ servo MG996R 19

Bảng 2.7: Bảng thông số pin năng lượng mặt trời 20

Bảng 3.1: Bảng thông tin về nhựa PLA 31

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung

Khi các nguồn năng lượng phổ biến như thủy điện, nhiệt điện đangngày một cạn kiệt, việc sản xuất điện bằng các nhà máy thủy điện, các nhàmáy nhiệt điện gây ra ô nhiễm môi trường và thay đổi môi trường sinh thái.Trong khi đó nhu cầu về điện năng ngày càng tăng cao, con người cần phảitìm ra các nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu của mình

Hình 1.1: Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một trong những giải pháp được tìm ra để thaythế, với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, là nguồn năng lượng táitạo, thân thiện với môi trường Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổbiến hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu Thứ nhất là năng lượng mặt trờiđược biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫnhay còn gọi là pin mặt trời Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặttrời dưới dạng nhiệt năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời

và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng

Với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, có lãnhthổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạtương đối cao Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đangđược khuyến khích và áp dụng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất Hệthống 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 điệnbán dẫn Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đâu có ánh sángmặt trời.

Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sángchiếu tới tấm pin càng lớn thì càng có nhiều năng lượng mặt trời biến đổithành điện năng tức là hiệu suất của tấm pin mặt trời càng tăng lên Hệ thốngpin mặt trời thường được lắp cố định vào một tấm đế, do đó pin mặt trời chỉđạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳngcủa tấm pin Các vùng khác, hiệu suất của pin mặt trời sẽ giảm Giải pháp đưa

ra để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời là hệ thống điều khiển chuyển độngcủa tấm pin mặt trời luôn hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời

1.2 Mục tiêu của đề tài:

- Đề tài có mục tiêu chủ yếu là nghiên cứu và thiết kế hệ thống điềukhiển, hệ thống khung, hệ thống giá đỡ, hệ truyền động cơ khí cho dàn đỡpin mặt trời có khả năng tự xoay theo hướng mặt trời - Các mục đích nghiêncứu cụ thể là:

- Phân tích quỹ đạo di chuyển của mặt trời và các nguyên tắc xoay dànnhằm chọn ra phương pháp dẫn động và điều khiển thích hợp;

- Tính toán thiết kế hệ thống giá đỡ, chọn động cơ hệ truyền động cơ khícho dàn năng lượng mặt trời tự xoay có công suất 50 W

Chế tạo một hệ thống thực đầy đủ cả thiết bị điều khiển;

- Vận hành thử nghiệm để chỉ ra các lưu ý thiết kế các hệ thống tương tự.

1.3 Các yêu cầu cơ bản

- Hệ thống phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, của các doanhnghiệp

- Hệ thống đảm bảo được độ chính xác

- Giá thành của hệ thống phù hợp và kết cấu nhỏ gọn

- Hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường

1.4 Phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu:

A Phương pháp nghiên cứu:

- Lập trình điều khiển động cơ servo

- Tìm các công thức toán học để tính ra nhiệt độ, hiển thị thông qua tínhiệu trả về từ cảm biến

- Mô phỏng mạch trên ứng dụng Proteus

Dựa trên kết quả thu được của xây dựng mô hình thực nghiệm phân tích cáckết quả thu được và kiến nghị.

- Đánh giá tổng quát toàn bộ đồ án và đưa ra hướng phát triển của đề tài

1.5 Ý nghĩa thực tiễn

Do các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiênđều có hạn, khiến cho con người đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt nănglượng trong tương lai

Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quantrọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Năng lượng mặttrời có thể nói là vô tận

Chính vì vậy đề tài “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển theo

hướng mặt trời cho pìn năng lượng mặt trời” nhằm thu nhận năng lượng

mặt trời đạt công suất tối ưu

Vận dụng một cách tổng hợp những kiến thức đã học để tiến hành thiết

kế, thi công mạch để từ đó có thể đào sâu, mở rộng và hồn thiện vốn hiểu biếtcủa bản thân

Kết quả thiết kế và thi công mạch giúp cho việc đơn giản hóa nhu cầu

về tự động hóa và thiết bị thông minh

Ngoài ra, đề tài còn có thể giúp cho người mới học về điện, điện tử, cơđiện tử, có thể tiếp thu thêm những kiến thức mới về lập trình Arduino đểứng dụng vào các nhu cầu của mình trong sinh hoạt đời sống và làm việc

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối và chức năng:

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống

2.2 Cấu tạo hệ thống

2.2.1 Quang trở (LDR)

• Các thông số cơ bản của quang trở:

bóng đèn hay các thiết bị điện khác theo cường độ ánh sáng chiếu vào cảmbiến.

- Khi có ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn, làm xuất hiện các điện tử tự

do, làm sự dẫn điện tăng lên, làm giảm điện trở của chất bán dẫn (nếu có nốivào mạch điện thì mạch sẽ nối tắt, ngắn mạch)

- Khi không có ánh sáng chiếu vào, nội trở của chất bán dẫn tăng dần đến

vô cùng ( nếu có nối vào mạch điện thì sẽ hở mạch)

• Ứng dụng của quang trở

- Cảm biến quang (LDR) có giá thành thấp, cấu tạo đơn giản và thườngđược sử dụng làm cảm biến ánh sáng Các ứng dụng khác của quang trở baogồm:

 Phát hiện sự vắng mặt hoặc sự hiện diện của ánh sáng như trong đồng

hồ đo ánh sáng của camera

 Được sử dụng trong thiết kế chiếu sáng đường phố

 Đồng hồ báo thức

 Mạch báo trộm

 Máy đo cường độ ánh sáng

 Được sử dụng như một phần của hệ thống SCADA để thực hiện cácchức năng như đếm số lượng gói hàng trên băng chuyền chuyển động

A Vi điều khiển PIC 16F887A:

-Vi điều khiển PIC 16F887A: có tất cả 40 chân được chia thành 5 PORT,

2 chân cấp nguồn, 2 chấn GND, 2 chân thạch anh và 1 chân dùng để RESETvi

điều khiển

-Tính năng và chức năng của nó được xem là vượt trội hơn nhiều so vớimodule khác đã được tích hợp sẵn như ADC 10BIT, PWM 10BIT, EEPROM256BYTE, ngoài ra PIC 16F887A mang đến cho ta nhiều thuận lợi hơn

Hình 2.4: PIC 16F887A

dự án lớn, nếu cần thiết người ta phải mở rộng thêm làm hạn chế số chân dànhcho các ứng dụng của nó.

- Số lượng các bộ giao tiếp với ngoại vi được tích hợp sẵn muốn sử dụngthì người ta phải thêm các IC bên ngồi gây tốn kém và khó thực hiện Sốlượng của Timer của 8051 ít (chỉ có 2 Timer) làm khó khăn cho việc giải thuậtkhi viết chương trình

- Phần cứng của 8051 phức tạp giả sử nếu muốn đo hiệu điện thế hiển thịtrên LED hoặc LCD thì mạch 8051 phải có con ADC bên ngồi

Hình 2.5: Vi điều khiển 8051

Trong một số mơi trường làm việc nhất định 8051 dễ bị nhiễu nếu không biếtcách chống nhiễu tốt.

C Arduino UNO R3

 Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người

ta thường nói tới chính là dòng Arduino Uno Hiện dòng mạch này đã pháttriển tới thế hệ thứ 3

 Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino Uno sử dụng vi điều khiển Atmega328với giá khoảng 90.000 đồng

 Các chân năng lượng

GND ( Ground ) Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO

này là 500mA

chân này là 50mA

Vin ( Voltage Input ) Để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO

Hình 2.6: Arduino UNO R3

IOREF Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino

UNO có thể được đo ở chân này Điện áp 5V

RESET Việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều

khiển tương đương với việc chân RESET được nốivới GND qua 1 điện trở 10K

Bảng 2.2: Bảng chân năng lượng của Arduino

Hình 2.7: Sơ đồ các chân của Arduino UNO R3

- 1KB cho EPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only

Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi

dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữliệu trên SRAM

• Một vài thông số của Arduino UNO R3:

Điện áp cấp (hoạt động tốt) 7 – 12 V

Điện áp cấp (giới hạn) 6 – 12 V

Chân I/O digital 14 ( có 6 chân xuất xung PWM)

Chân Input analog 6 (A0 – A5)

Dòng điện mỗi chân I/O 20 mA

 Arduino Uno có 6 chân analog ( A0-A5 ) cung cấp độ phân giải tín hiệu

10 bit để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V-5V Với chân AREF trên board,bạn có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là

nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog

để đo điện áp trong khoảng 0V-2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

 Đặc biệt, Arduino Uno có 2 chân A4 (SDA ) và A5 (SCL) hỗ trợ giaotiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

do tấm pin tạo ra và sử dụng nó lúc cần Ngoài ra để kiểm soát hiệu quảnguồn điện được tạo ra, động cơ còn được trang bị các mạch điều khiển sạcriêng biệt.

B Động cơ servo MG90S:

- Động cơ Servo RC MG90S là phiên bản nâng cấp của động cơ RCServo 9G với các bánh răng được làm bằng kim loại cho lực khéo khỏe và độbền cao, động cơ có kích thước nhỏ gọn Động cơ Servo MG90S phù hợp chonhiều ứng dụng khác nhau: cánh tay máy Robot, robot nhện, cơ cấu chuyểnhướng, cơ cấu quay góc, máy bay RC,

Hình 2.9: Động cơ servo MG90S

• Thông số kỹ thuật động cơ Servo RC MG90S:

Dòng điện không tải ~0.15A

Bảng 2.6: Bảng động cơ servo MG996R

Động cơ RC Servo MG996 là loại thường được sử dụng nhiều nhấttrong các thiết kế Robot hoặc dẫn hướng xe Động cơ RC Servo MG996 cólực kéo mạnh, các khớp và bánh răng được làm hoàn toàn bằng kim loại nên

có độ bền cao, động cơ được tích hợp sẵn driver điều khiển động cơ bêntrong theo cơ chế phát xung - quay góc nên rất dễ sử dụng

2.2.4 Tấm pin năng lượng mặt trời:

Hình 2.11: Tấm pin năng lượng mặt trời

Một số thông số cơ bản của tấm pin năng lượng mặt trời:

Bảng 2.7: Bảng thông số pin năng lượng mặt trời

 Ứng dụng của pin mặt trời với nguồn điện cho thiết bị di động:

- Trạm sạc năng lượng mặt trời

- Balo năng lượng mặt trời:

- Thùng rác năng lượng mặt trời:

- Dù năng lượng mặt trời:

- Quần áo năng lượng mặt trời

- Xe ô tô năng lượng mặt trời Stella:

- Máy bay SI2

2.2.5 Module LED 7 thanh 4 số HC595

Hình 2.11: Module LED 7 thanh 4 số HC595

 Thông số kĩ thuật của module LED 7 thanh 4 số HC595:

 Sử dụng 4 LED 7 đoạn Anode chung (0.36 inch)

 2 chân cấp nguồn (VCC, GND) và 3 chân điều khiển

DATA(DIO), LATCH(RCLK), CLOCK(SCLK)

 Tích hợp 2 IC ghi dịch 74HC595

 Tín hiệu điều khiển có thể 5v hoặc 3v

 Kích thước: 42 x 24 x 12 mm.

 Nguyên lí hoạt động của LED 7 thanh:

Hình 2.12: Cấu tạo của LED 7 thanh

LED 7 thanh hay còn được gọi là LED 7 đoạn, bao gồm 7 đoạn LEDđược sắp xếp với nhau thành hình chữ nhật

Trên hình 2.12 tất cả các kết nối Anode của các LED sẽ được kết nốivới nhau ở mức logic “1”, các phân đoạn LED riêng lẻ sẽ sáng bằng cách ápdụng cho nó một mức logic “0” hoặc mức thấp “LOW” thông qua một điệntrở giới hạn dòng điện để giúp phù hợp với các cực Cathode với các đoạnLED cụ thể từ a đến g

 IC ghi dịch 74HC595:

 IC ghi dịch 74HC595 là gì?

Hình 2.13: IC ghi dịch 74HC959

74HC595 thuộc dòng 74xx595 (xx là ký hiệu có thể khác nhau giữa cáchãng) là IC ghi dịch 8bit chốt dữ liệu, đầu vào nối tiếp, đầu ra song song.Dùng để mở rộng cổng ra của MCU (Vi điều khiển) sử dụng giao tiếp SPI.Chúng ta có thể mắc nối tiếp các IC 595 với nhau để mở rộng tùy thích

 Giao tiếp SPI với IC 595 gồm 3 đường:

DATA: (14) – Dữ liệu từ MCU sẽ đưa vào chân này, dữ liệu được đưa

vào theo kiểu nối tiếp Để dễ hình dung, bạn có thể hiểu giống như bạn đưacác đồng xu vào ống vậy Tức dữ liệu sẽ được đẩy dồn vào các ngăn nhớ của595

CLK: (11) – Đây là tín hiệu đồng bộ quá trình giao tiếp giữa MCU và

IC 595 Cứ mỗi bit dữ liệu được gửi đi đồng nghĩa với việc gửi đi 1 xungclock Tức khi có 1 xung tích cực ở sườn dương (từ 0 lên 1) thì 1 bit sẽ đượcdịch vào IC

SCK: (12) – Là chân Shift Clock, dùng để chốt dữ liệu Khi có 1 xung

tích cực ở sườn dương thì dữ liệu ở trong IC 595 sẽ được đẩy ra các chânOutput tương ứng, và bạn có thể đẩy dữ liệu ra bất cứ lúc nào

OE (13): Output Enable – Dữ liệu được phép xuất ra khi chân này ở

mức tích cực thấp

MR (10): Memory Clear – Khi chân này ở mức tích cực thấp sẽ xóa dữ

liệu đã đưa vào IC