Hiện nay, các vấn đề về năng lượng tái tạo đang được quan tâm hơn khi các nguồn năng lượng không tái tạo đang dần cạn kiệt. Các tấm pin năng lượng mặt trời dần được chú ý, như một nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống. Các tấm pin năng lượng mặt trời dần phổ biến hơn khi giá thành của các công nghệ này giảm xuống. Năng lượng lượng này có thể sử dụng khi cần thiết, hoặc có thể sử dụng như một giải pháp thay thế trực tiếp cho nguồn cung cấp điện. Vị trí của mặt trời đối với tấm pin mặt trời không cố định do trái đất quay. Để thu được tối ưu mức năng lượng, các tấm pin năng lượng mặt trời phải thu được ở mức tối đa. Điều này có thể thực hiện nếu các tấm pin được đặt liên tục theo hướng mặt trời. Để tận dụng được tối đa nguồn năng lượng này thiết kế sản phẩm “Theo dõi vị trí mặt trời cho tấm pin năng lượng mặt trời”.
Trang 1http://cce.hcmute.edu.vn Email:
cce@hcmute.edu.vn
Design Project
SW Design Document
Projec
t
Name
Hệ thống theo dõi vị trí của mặt trời, cho các tấm pin năng lượng mặt
trời
(Sun Tracking Solar Panel system)
Stude
Major ComputerTechnology Engineering Supervisor Assoc Prof Phan VanCa
Copyright ©2021 CCE Department.
Trang 2M c l c ụ ụ
1 Introduction 4
2 Technical objectives and Specification 5
3 Concept/Technology 6
4 System Architecture 8
5 Detailed Design 9
6 Final Product 14
7 Appendix 15
7.1 Division of Labor 15
7.2 Bill of Material 15
7.3 Gantt Chart 16
7.4 User manual 16
Trang 3Terms and abbreviations
[RISC] Reduced Instructions Set Computer.
[IPS] Instructions per second.
[EEPROM] Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory.
[ADC] Analog to Digital Converter.
[UART] Universal Asynchronous Receiver/Transmitter.
[SPI] Serial Peripheral Interface.
[I2C] Inter – Integrated Circuit.
References
[1] A A Galadima, "Arduino as a learning tool," 2014 11th International Conference
on Electronics, Computer and Computation (ICECCO), Abuja, 2014, pp 1-4, doi: 10.1109/ICECCO.2014.6997577.
[2] V Oza and P Mehta, "Arduino Robotic Hand: Survey Paper," 2018 International Conference on Smart City and Emerging Technology (ICSCET), Mumbai, 2018, pp 1-5, doi: 10.1109/ICSCET.2018.8537312.
[3] https://www.microchip.com/en-us/product/atmega328p
[4]
List of Tables & Figures
Bảng 1 Thông số Atmega328p 6
Bảng 2 Chi tiết các chân của Atmega328p 10
Hình 1 Sơ đồ chân ATMega328 6
Hình 2 Sơ đồ khối hoạt động hệ thống 8
Hình 3 Mạch kết nối 8
Hình 4 Sản phẩm cuối cùng 14
Hình 5 Sản phẩm cuối cùng 14
Confidential Property of CCE Dept 3
Trang 51 Introduction
Confidential Property of CCE Dept 5
Hiện nay, các vấn đề về năng lượng tái tạo đang được quan tâm hơn khi các
nguồn năng lượng không tái tạo đang dần cạn kiệt Các tấm pin năng lượng mặt trời dần được chú ý, như một nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống Các tấm pin năng lượng mặt trời dần phổ biến hơn khi giá thành của các công nghệ này giảm xuống
Năng lượng lượng này có thể sử dụng khi cần thiết, hoặc có thể sử dụng như một giải pháp thay thế trực tiếp cho nguồn cung cấp điện
Vị trí của mặt trời đối với tấm pin mặt trời không cố định do trái đất quay Để thu được tối ưu mức năng lượng, các tấm pin năng lượng mặt trời phải thu được ở mức tối đa
Điều này có thể thực hiện nếu các tấm pin được đặt liên tục theo hướng mặt trời
Để tận dụng được tối đa nguồn năng lượng này thiết kế sản phẩm “Theo dõi vị trí mặt trời cho tấm pin năng lượng mặt trời”
Trang 62 Technical objectives and Specification
2.1 Customers Needs
Yêu cầu hệ thống bao gồm:
+ Tối ưu diện tích tiếp xúc ánh sáng mặt trời, tăng hiệu suất hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời
+ Hiển thị đèn báo mạch hoạt động
+ Dễ dàng lắp đặt, sử dụng
+ Các linh kiện có sẵn, dễ tìm, dễ thay thế
Trang 7Confidential Property of CCE Dept 7
2.1 Engineering Requiments
2.1.1 Funtions
Hệ thống theo dõi vị trí mặt trời cho tấm pin năng lượng mặt trời bao gồm hai LDR, động cơ servo và vi điều khiển ATmega328
Hai quang trở được bố trí trên các cạnh của bảng điều khiển Quang trở tạo ra điện trở thấp khi ánh sáng chiếu vào chúng Động cơ servo được kết nối với bảng điều khiển sẽ xoay bảng điều khiển theo hướng Mặt trời Bảng điều khiển được sắp xếp sao cho ánh sáng trên hai LDR được so sánh và bảng điều khiển được xoay về phía LDR có cường độ cao tức là điện trở thấp so với LDR còn lại Động cơ servo xoay bảng ở một góc thích hợp
Khi ánh sáng chiếu vào LDR bên phải có cường độ lớn hơn, bảng điều khiển sẽ từ
từ di chuyển về bên phải và nếu cường độ ánh sáng ở LDR bên trái nhiều hơn, bảng điều khiển sẽ từ từ di chuyển về bên trái Vào buổi trưa, Mặt trời ở phía trước và cường độ ánh sáng trên cả hai tấm là như nhau Trong những trường hợp như vậy, bảng điều khiển không đổi và không có chuyển động quay
2.2.1 Non-functions
Trong thực tế hệ thống cảm biến mặt trời còn có các vấn đề cần giải quyết như:
Hệ thống theo giõi vị trí mặt trời cần một cơ chế reset độ nghêng của bảng năng lượng vào buổi tối cho hệ thống hoạt động vào buổi sáng tiếp theo Bởi vì nếu
không có cơ chế này vào đầu buổi sáng tất cả các quang trở đều bị khuất đi ở mặt sau, ánh nắng mặt trời lúc này không thể chiếu vào chúng để hoạt động
Cần thêm một đèn báo hiệu mạch đã đi vào hoạt động hay chưa
Cần một cơ chế giao tiếp để vi điều khiển có thể thông báo tình trạng hoạt động hiện tại của hệ thống cho máy tính hoặc điện thoại để người dùng dễ nhận biết
Trang 83 Concept/Technology
- Vi điều khiển ATmega328
- Điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) x 2
- động cơ servo
Vi điều khiển Atmega328
Atmega328 là bộ vi điều khiển đơn chip do Atmel tạo ra trong dòng megaAVR
Nó dựa trên kiến trúc RISC 8-bit của Atmel kết hợp bộ nhớ flash IPS 32K byte có thể lập trình, 1K byte EEPROM và 2K byte SRAM 23 chân I/O có thể lập trình được Hỗ trợ các tính năng ngoại vi như hai bộ định thời 8 bit, một bộ hẹn giờ 16bit, bộ chuyển đổi A/D 10 bit 6 kênh, USART có thể lập trình, SPI, I2C,…
Tốc độ CPU tối đa 20 MHz Hiệu suất 20 MIPS ở 20 MHz [2]
Sốc chân đóng gói 28 hoặc 32 Các kênh cảm ứng điện dung 16
Số chân I/O tối đa 23
Bảng 1 Thông số Atmega328p
Hình 1 Sơ đồ chân ATMega328
Trang 9Confidential Property of CCE Dept 9
Vi điều khiển được chọn sử dụng cho hệ thống có đây đủ yêu cầu của thiết kế Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) được tích hợp là giảm số lượng các bộ phận
bổ xung
Để cấu hình vộ vi điều khiển, nguồn điện 1 chiều 5V được sử dụng cung cấp cho mạch hoạt động
LDR (quang trở)
Quang trở hay điẻn trở quang (Light-dependent resistor) là điện trở có giá trị điện trở phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Khi cường độ ánh sáng chiếu vào LDR tăng lên, giá trị điện trở giảm xuống Trong bóng tối, LDR sẽ có điẻn trở tối
đa
Hai LDR được kết nối với các chân ADC theo kiểu chia điện áp kết hớp với các điện trở 10KΩ
Động cơ Servo
Động cơ Servo được sử dụng để xoay bảng điều khiển Để điều khiển động cơ Servo, tín hiệu PWM được cung cấp cho chân điều khiển Chân có PWM được kết nối với chân điều khiển của động cơ Servo
Phần mềm lập trình: Arduino IDE
Arduino IDE là phần mềm có mã nguồn mở hỗ trợ người dùng lập trình và nạp lệnh vào các board hay vi điều khiển
Trang 104 System Architecture
Hình 2 Sơ đồ khối hoạt động hệ thống
Hình 3 Mạch kết nối
Trang 115 Detailed Design
Confidential Property of CCE Dept 11
1 Nguồn cấp cho hệ thống
Sử dụng nguồn có điện áp 5V
2 Cảm biến ánh sáng.
Sử dụng quang trở để cảm biến ánh sáng mặt trời
Quang trở được cấu tạo từ: Chất bán dẫn: giá trị điện trở sẽ giảm khi có ánh sáng chiếu vào; chất quang dẫn Cadmium Sulphide (CdS): thường không
chứa hoặc có rất ít các hạt electron khi không được ánh sáng chiếu vào
Thông số kỹ thuật:Điện áp tối đa 150V
Công suất tối đa: 100mW
Giá trị đỉnh phổ: 540 nm
Trở sáng (10Lux) 10 ~ 20 (KΩ)
Trở tối: 1 (MΩ)
Nhiệt độ hoạt động: -30 ~ 70oC
Giá trị γ (1000 | 10): 0.6
Thời gian đáp ứng (ms): + Tăng: 20ms + Giảm: 30ms
3 Vi điều khiển
ATmega328
Sơ đồ chân:
Số
thứ
tự
chân
1 PC6 reset Khi chân reset này ở mức thấp, bộ vi điều khiển và chương trình của nó sẽ được reset.
2 PD0 Chân kỹ thuật số (RX) Chân đầu vào cho giao tiếp nối tiếp
3 PD1 Chân kỹ thuật số (TX) Chân đầu ra cho giao tiếp nối tiếp
4 PD2 Chân kỹ thuật số Chân 4 được sử dụng làm ngắt ngoài 0
5 PD3 Chân kỹ thuật số (PWM) Chân 5 được sử dụng làm ngắt ngoài 1
6 PD4 Chân kỹ thuật số Chân 6 được sử dụng cho nguồn bộ đếm bên ngoài Timer0
9 XTAL Dao động tinh thể Chân này nối với một châncủa bộ dao động tinh thể để cung cấp xung nhịp bên ngoài cho chip
10 XTAL Dao động tinh thể Chân này nối với chân còn lại của bộ dao động tinh thể để cung cấp xung nhịp bên ngoài cho
chip
Trang 13Confidential Property of CCE Dept 13
11 PD5 Chân kỹ thuật số (PWM) Chân 11 được sử dụng cho nguồn bộ đếm bên ngoài Timer1
12 PD6 Chân kỹ thuật số (PWM) Bộ so sánh analog dương i / ps
13 PD7 Chân kỹ thuật số Bộ so sánh analog âm i / ps
14 PB0 Chân kỹ thuật số Nguồn đầu vào bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ
15 PB1 Chân kỹ thuật số (PWM) Bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ so sánh khớp A
16 PB2 Chân kỹ thuật số (PWM) Chân này hoạt động như lựa chọn slave i / p
17 PB3 Chân kỹ thuật số (PWM) Chân này được sử dụng làm đầu ra dữ liệu master và đầu vào dữ liệu slave cho SPI.
18 PB4 Chân kỹ thuật số Chân này hoạt động như một đầu vào xung nhịp mastervà đầu ra xung nhịp slave.
19 PB5 Chân kỹ thuật số Chân này hoạt động như một đầu ra xung nhịp master và đầu vào xung nhịp slave cho SPI.
20 AVcc Điện áp dương Điện áp dương cho ADC (nguồn)
21 AREF Tham chiếu analog Điện áp tham chiếu analog cho ADC (Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số)
23 PC0 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 0
24 PC1 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 1
25 PC2 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 2
26 PC3 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 3
27 PC4 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 4 Chân này cũng có thể được sử dụng làm kết nối giao diện nối
tiếp cho dữ liệu
28 PC5 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 5 Chân này cũng được sử dụng như dòng xung nhịp giao diện nối
tiếp
Bảng 2 Chi tiết các chân của Atmega328p
Thông số kỹ thuật:
+ Kiến trúc: AVR 8bit
+ Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz
+ Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB
+ Bộ nhớ EEPROM: 1KB
+ Bộ nhớ RAM: 2KB
+ Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V
+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit
+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)
Trang 14Servo motor:
Thông số kỹ thuật:
Khối lượng : 9g – 14g kèm các linh kiện
Kích thước: 23mmX12.2mmX29mm
Momen xoắn: 1.8kg/cm
Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V)
Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
Phạm vi quay 180º
Tính hiệu điều khiển: xung PPM/PWM
Các dây nối của motor:
Dây màu cam: Nối với các chân tín hiệu PWM
Dây màu đỏ: Nối với nguồn (5.5V để hoạt động bình thường)
Dây màu nâu: Nối với cực âm (GND)
5 Bộ chuyển đổi USB -UART sang TTL Serial
Thông số của FT232RL:
IC chính: FT232RL chính hãng FTDI
Nguồn cấp: 5VDC từ cổng USB (cổng mini USB)
Có ngõ ra nguồn có thể điều chỉnh 3V3 hoặc 5VDC
Chuyển giao tiếp từ USB sang UART TTL
Drive hỗ trợ Windows Mac, Linux
Có cầu chì tự phục hồi: 500mA
Tốc độ Baudrate: tùy chỉnh
Kích thước PCB: 36 x 18.5mm
Trọng lượng: 3g
6 Các phụ kiện khác:
Tụ điện sứ/gốm loại 22pF và 104pF
Tụ điện 10uF 25V
Điện trở 10k và 220
Bộ tạo xung thạch anh 16MHz
Nút nhấn
Trang 15Confidential Property of CCE Dept 15
7 Chương trình vi điều khiển
Code:
#include <Servo.h>
Servo myservo;
int ldr1 = 4; // Chan A4 tren Arduino - AT 27
int ldr2 = 5; // Chan A5 tren Arduino - AT 28
int val1;
int val2;
int pos = 90; // goc quay ban dau
int btn = 8; // Nut bat-tat - Chan 8 tren Arduino - AT 14
int led = 13; // Led nguon - Chan 13 tren Arduino - AT 19
int ledhd = 12; // Led hoat dong - Chan 12 tren Arduino - AT 18
boolean i = 1; // moi vo la no chay chinh thanh 0 de moi vo la no tat
void setup()
{
myservo.attach(9); // Chan motor - - Chan 9 tren Arduino - AT 15
Serial.begin(9600);
myservo.write(pos);
pinMode(led, OUTPUT);
pinMode(ledhd, OUTPUT);
pinMode(btn, INPUT);
}
void loop()
{
if(digitalRead(btn)==LOW) // an la no muc thap doi "LOW" thanh "HIGH" de
an no la muc cao
i = !i; // trang thai on/off cua he thong
if ( i == 1)
{
digitalWrite(led, HIGH); // den thong bao mach hd
val1 = analogRead(ldr1);
val2 = analogRead(ldr2);
Trang 16Serial.print("Q1: ");
Serial.print(val1);
Serial.println ("");
Serial.print ("Q2: ");
Serial.print(val2);
val1 = map(val1, 0, 1023, 0, 180);
val2 = map(val2, 0, 1023, 0, 180);
if(val1 > (val2+50))
{
if(pos<180)
{
pos=pos+1;
digitalWrite(ledhd, HIGH);
}
myservo.write(pos);
Serial.println("backward");
Serial.println ("");
delay(10);
}
else if(val2 > (val1+50))
{
if(pos>0)
{
pos=pos-1;
digitalWrite(ledhd, HIGH);
}
myservo.write(pos);
Serial.println("forward");
Serial.println ("");
delay(10);
}
digitalWrite(ledhd, LOW);
}
if ( i == 0)
digitalWrite(led, LOW); // den thong bao mach ko hd
}
Trang 176 Final Product
Confidential Property of CCE Dept 17
Hình 4 Sản phẩm cuối cùng
Hình 5 Sản phẩm cuối cùng
Trang 187 Appendix
7.1 Division of Labor
7.2 Bill of Material
I
D Activity Description Deliverables/Checkpoints Duration (Days) People Resources Predecessors 1
Lên ý
tưởng Xác định mục tiêu, sản phẩm
cần làm
Ý tưởng về sản phẩm 1 Both Internet và các thiết bị
truy cập internet
/
2
Thiết kế
sợ bộ hệ
thống
Thiết kế các thức hoạt động của hệ thống
Sơ đồ nguyên
lý và sơ đò khố của hệ thống
Internet và các thiết bị truy cập internet
1
3
Tìm hiểu
các thiết
vị cần
thiết
Xác định được các linh kiện cần dùng để thiết kế sản phẩm
Danh sách các linh kiện cần thiết
1
Both
Internet và các thiết bị truy cập internet
2
4
Lập trình
là lắp ráp Dựa trên sơ đònguyên lý và
sơ đồ khối để lắp ráp, lập trình cho sản phẩm
Sản phẩm ban đầu
Both
Công cụ hỗ trợ lắp ráp Phần mềm Arduino IDE
3
5
Kiểm thử
hệ thống Kiểm tra, đưa sản phẩm vào
hoạt động thử nghiệm
Các vướng vấn đề còn vướng phải của hệ thống 1
Both
4
6
Sửa chữa
và nâng
cấp
Xử lý các vấn
đề gặp phải và nâng cấp cải tiến sản phẩm
Both
5
7
Hoàn
thành báo
cáo
Trình bày quá trình làm sản phẩm, chức năng và thông
số chi tiết của
Nội dung báo cáo
6
Trang 197.3 Gantt Chart
Confidential Property of CCE Dept 19
Trang 20Hướng dẫn sử dụng:
1 Lắp đặt chiều nghiêng của hệ thống sao cho hai quang trở chiều của chúng hướng theo hướng di chuyển của mặt trời, cụ thể hướng Đông – Tây
Chú ý: không cần chú ý bên nào hướng tây/đông bởi vì hệ thống tự nghiêng theo hướng của mặt trời
2 Khi trời tối ấn nút reset để tấm năng lượng mặt trời quay về nằm ngang
Nếu không có ấn nút reset vào buổi thôi có thể sáng hôm sau bộ cảm biến sẽ bị khuất nắng sẫn đến hệ thông hoạt động không hiệu quả
3 Lắp ráp, và đi dây theo sơ đồ:
4.
Hình Sơ đồ hướng dẫn kết nối hệ thống
Lưu ý để bảng mạch điều khiển trong bóng mát tránh ánh sáng trực tiếp từ mặt trời
Dùng nguồn có điện áp 5V để cung cấp cho hệ thống hoạt động