Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tối ưu hướng tiếp cận năng lượng mặt trời sử dụng vi điều khiển,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

LỜI MỞ ĐẦU Trong thời gian thực hiện đề tài với sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Trường Giang đến nay đề tài tối ưu hóa hệ thống định hướng năng lượng pin mặt trời đã đ

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời gian thực hiện đề tài với sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Trường Giang đến nay đề tài tối ưu hóa hệ thống định hướng năng lượng pin mặt trời đã được hoàn thành Nhóm nghiên cứu đã vận dụng được những kiến thức đã học ở trường và giải quyết yêu cầu

Để ứng dụng được những kiến thức đã học vào các ứng dụng công nghệ thực tế

và để có hướng nghiên cứu sâu hơn nhóm nghiên cứu đã có hướng mở rộng ứng dụng của đề tài này là : “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tối ưu hướng tiếp cận năng lương

mặt trời sử dụng vi điều khiển” Đề tài này sẽ góp phần sử dụng có hiệu quả nguồn

năng lượng mặt trời vào trong sinh hoạt và sản xuất

Để đạt được những điều đó nhóm nhiên cứu đã nỗ lực thực hiện với sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Nhóm nhiên cứu rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để đề tài của nhóm nhiên cứu sẽ hoàn thiện hơn

Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH HÌNH VẼ iv

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Hạn chế của đề tài 2

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN VÀ PHẦN TỬ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 3

2.1 Vi điều khiển PIC16F877A[1] 3

2.1.1 Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A 3

2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển PIC16F877A 4

2.1.3 Các bộ timer của 16F877A 6

2.2 Lập trình C cho vi điều khiển 8

2.2.1 Phần mềm biên soạn chương trình CCS [2] 8

2.2.2 Phần mềm nạp chương trình Winpic800 [3] 8

2.3 Các linh kiện được sử dụng trong mạch [4] 10

2.3.1.Transistor 10

2.3.2.Điện trở 10

2.3.3.Tụ điện 11

2.3.4.Diode 12

2.3.5 Led 13

2.3.6 Led 7 đoạn 13

2.3.7 Thạch anh 14

2.3.8 Ic L298 15

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 17

3.2 Nguyên lý hoạt động 19

3.3 Mạch điện tử 19

3.3.1 Mạch nguồn và Mạch Pic 16f877a 19

3.3.2 Mạch hiển thị led 20

3.3.3 Mạch cầu sử dụng ic L298 20

3.3.4 Sơ đồ toàn bộ mạch điều khiển 22

3.4 Sơ đồ khối và chương trình điều khiển 22

3.5 Code chương trình điều khiển 24

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 31

4.1 Kết quả của đề tài 31

4.2 Những hạn chế 31

4.3 Phương hướng phát triển của đề tài 31

CHƯƠNG 5: TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 1 PIC 16F877A 3

Hình 1 2 Sơ đồ chân của pic 16F877A 3

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý 4

Hình 2 1 Mô tả phần mềm nạp pic 8

Hình 2 2 Hình ảnh card nạp GTPs 9

Hình 2 3 Transistor 10

Hình 2 4 Sơ đồ chân 10

Hình 2 5 Điện trở 11

Hình 2 6 Tụ điện 11

Hình 2 7 Diode 12

Hình 2 8 Led 7 đoạn có hai loại là loại anot chung và catot chung 14

Hình 2.9 Thạch anh 14

Hình 2.10 IC L298 15

Hình 3.1 Mô hình hệ thống 17

Hình 3.2 Động cơ 18

Hình 3.3 Hộp giảm tốc 18

Hình 3.4 Pin mặt trời 19

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý nguồn và mạch lọc Pic 16f877a 20

Hình 3.6 Mạch hiển thị led 20

Hình 3.7 Mạch cầu sử dụng ic L298 21

Hình 3.8 Sơ đồ mạch 22

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện là có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với nhưng nước đang phát triển như Việt Nam chúng ta Ở Việt Nam hiện nay, công nghệ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời nói chung, và hệ thống pin mặt trời nói riêng, đang được phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên, việc tiếp cận hướng mặt trời của một số hệ thống pin mặt trời sử dụng hiện nay thường không thu được giá trị năng lượng cao nhất

Chính vì vậy, việc tối ưu hóa hệ thống định hướng pin mặt trời sẽ khắc phục được các nhược điểm nêu trên Qua đó sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống pin mặt trời

1.2 Mục đích nghiên cứu

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, duới 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

Để sử dụng nguồn năng lượng đó thông qua các tấm pin mặt trời đạt hiệu quả cao chúng ta cần tối ưu hóa hệ thống định hướng năng lượng pin mặt trời để thu được lượng nhiệt năng chuyển hóa thành điện năng có hiệu suất cao nhất

Vì vậy, đề tài này được nghiên cứu và thực hiện nhằm góp phần nhỏ vào mục đích trên, đồng thời giúp cho học sinh sinh viên thấy được mối liên hệ giữa những kiến thức được học ở trường với ứng dụng chúng ra ngoài thực tế

1.3 Hạn chế của đề tài

Do thời gian nghiên cứu và kiến thức đã học của nhóm nghiên cứu còn có phần hạn chế nên việc phát triển mô hình dưới dạng thô sơ và phần lập trình chưa được tối

ưu Vì vậy, nhóm nghiên cứu rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô và các bạn

để nhóm nghiên cứu có thể ngày càng hoàn thiện đề tài hơn Đồng thời, hy vọng có thể phát triển đề tài với nhiều tính năng khác để có thể ứng dụng vào quá trình sản xuất thực tế

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN VÀ PHẦN TỬ

SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG

2.1 Vi điều khiển PIC16F877A[1]

2.1.1 Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A

Hình 1 1 PIC 16F877A

Hình 1 2 Sơ đồ chân của pic 16F877A

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý

2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển PIC16F877A

Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A được trình bày trên Hình 1.2

và 1.3 với các đặc điểm cơ bản như sau :

* Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A

PORTA:

PORTA gồm có 6 chân Các chân của PortA, có thể thực hiện được chức năng

“hai chiều” : xuất dữ liệu từ vi điều khiển ra ngoại vi và nhập dữ liệu từ ngoại vi vào vi điều khiển

Việc xuất nhập dữ liệu ở PIC16F877A khác với họ 8051 Ở tất cả các PORT của PIC16F877A, ở mỗi thời điểm chỉ thực hiện được một chức năng :xuất hoặc nhập

Để chuyển từ chức năng này nhập qua chức năng xuất hay ngược lại, ta phải xử lý bằng phần mềm, không như 8051 tự hiểu lúc nào là chức năng nhập, lúc nào là chức năng xuất

Trong kiến trúc phần cứng của PIC16F877A, người ta sử dụng thanh ghi TRISA ở địa chỉ 85H để điều khiển chức năng I/O trên Muốn xác lập các chân nào của PORTA là nhập (input) thì ta “ set bit ’’ tương ứng chân đó trong thanh ghi TRISA Ngược lại, muốn chân nào là output thì ta “ clear bit ’’ tương ứng chân đó trong thanh ghi TRISA Điều này hoàn toàn tương tự đối với các PORT còn lại

Ngoài ra, PORTA còn có các chức năng quan trọng sau:

- Ngõ vào Analog của bộ ADC: thực hiện chức năng chuyển từ Analog sang Digital

Khi muốn chân nào của PORTB là input thì ta set bit tương ứng trong thanh ghi TRISB, ngược lại muốn chân nào là output thì ta clear bit tương ứng trong TRISB

Thanh ghi TRISB còn được tích hợp bộ điện trở kéo lên có thể điều khiển được bằng chương trình

PORTC:

PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên

Ngoài ra PORTC còn có các chức năng quan trọng sau:

- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng

- Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sử dụng trong điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ v.v…

- Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

PORTD:

PORTD có 8 chân Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và output của PORTD tương tự như trên PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port)

PORTE:

PORTE có 3 chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP

2.1.3 Các bộ timer của 16F877A

Bộ vi điều khiển PIC16F877A có 3 bộ Timer đó là: Timer0, Timer1, Timer2

* Bộ Timer 0: Là bộ định thời hoặc bộ đếm có những ưu điểm nổi bật sau:

+ 8 bit cho timer hoặc bộ đếm

+ Có khả năng đọc và viết

+ Có thể dùng đồng hồ bên trong hoặc bên ngoài

+ Có thể chọn cạnh xung của xung đồng hồ

+ Có hệ số chia cho xung đầu vào có thể lập trình lại bằng phần mềm

+ Ngắt tràn

* Bộ Timer 1: Bộ Timer1 có thể là bộ đếm hoặc bộ định thời với ưu điểm sau:

+ 16 bít cho bộ đếm hoặc bộ định thời (gồm hai thanh ghi TMR1H:TMR1L) + Có khả năng đọc và viết

+ Có thể chọn xung đồng hồ bên trong hoặc đồng hồ bên ngoài

* Bộ Timer 2: Bộ Timer2 có những đặc tính sau đây:

+ 8 bít cho bộ định thời ( thanh ghi TMR2 )

2.2 Lập trình C cho vi điều khiển

2.2.1 Phần mềm biên soạn chương trình CCS [2]

CCS (Custom Computer Services) là trình biên dịch dùng ngôn ngữ C lập trình cho VĐK có mã lệnh được tối ưu khi biên dịch và chứa rất nhiều hàm phục vụ cho mọi mục đích điều khiển Ngoài ra CCS có đủ khả năng để không phải chèn bắt kỳ dòng lệnh Assembly nào Điểm nổi bật CCS cung cấp nhiều công cụ tiện ích hỗ trợ người dùng trong việc biên dịch, bắt lỗi chương trình và quản lý bộ nhớ

- Kiểm tra lỗi sau khi nạp

- Hiển thị bản đồ bộ nhớ chương trình và dữ liệu

- Nạp chip 40/28/18/14/8 pin trên cùng một socket

Đặc trưng:

- Mạch nạp theo chuẩn ICSP

- Giao tiếp với PC qua cổng USB

- Nguồn nuôi 5VDC lấy từ cổng USB

- Có thể auto detect chip hoặc manual select chip

- Đinh dạng file chương trình: Intel 8 bit HEX

- Kích thước: 70.5 x 67.8 mm

Software:

- Phần mềm WinPic800 ver 3.55g Giao diện sử dụng trực quan, tiện lợi

- Làm việc trên hệ điều hành Window 2000/NT/XP

- Giao diện tiện dụng

Hình 2 2 Hình ảnh mạch nạp GTPs

2.3 Các linh kiện được sử dụng trong mạch [4]

2.3.1.Transistor

A1015 là Transistor BJT gồm ba miền tạo bởi hai tiếp giáp p–n, trong đó miền

giữa là bán dẫn loại n Miền có mật độ tạp chất cao nhất, kí hiệu p+ là miền phát (emitter) Miền có mật độ tạp chất thấp hơn, kí hiệu p, gọi là miền thu (collecter) Miền giữa có mật độ tạp chất rất thấp, kí hiệu n, gọi là miền gốc (base) Ba chân kim loại gắn với ba miền tương ứng với ba cực emitter (E), base (B), collecter (C) của transistor

Hình 2 3 Transistor

Hình 2 4 Sơ đồ chân

C1815 là Transistor BJT gồm ba miền tạo bởi hai tiếp giáp p–n, trong đó miền

giữa là bán dẫn loại p Miền có mật độ tạp chất cao nhất, kí hiệu n+ là miền phát (emitter) Miền có mật độ tạp chất thấp hơn, kí hiệu n, gọi là miền thu (collecter) Miền giữa có mật độ tạp chất rất thấp, kí hiệu p, gọi là miền gốc (base) Ba chân kim loại gắn với ba miền tương ứng với ba cực emitter (E), base (B), collecter (C) của transistor

2.3.2.Điện trở

Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp

Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử

Điện trở là đại lượng vật lí đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫn điện Nó được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể đó với cường độ dòng điện đi qua nó:

Trong đó:

U : là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V)

I : là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ămpe (A)

R : là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω)

Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của tụ điện là hai bản cực bằng kim loại ghép cách nhau một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay chất điện mơi cách điện cĩ điện dung C Đặc điểm của tụ là cho dịng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản dịng điện một chiều

Cơng thức tính điện dung của tụ: C = ε.S/d

ε là hằng số điện mơi

S là điện tích bề mặt tụ m2

d là bề giày chất điện mơi

Tụ điện phẳng gồm hai bàn phẳng kim loại diện tích đặt song song và cách nhau một khoảng d

Cường độ điện trường bên trong tụ cĩ trị số

E =

0



 0

 = 8.86.10-12 C2/ N.m2 là hằng số điện mơi của chân khơng

 là hằng số điện mơi tương đối của mơi trường; đối với chân khơng  = 1, giấy tẩm dầu  = 3,6, gốm  = 5,5; mica  = 45

2.3.4.Diode

Hình 2 7 Diode

Diode được cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p-n được ghép với nhau Diode chỉ hoạt động dẫn dịng điện từ cực anot sang catot khi áp trên hai chân được phân cực thuận (VP>VN) và lớn hơn điện áp ngưỡng Khi phân cực ngược (VP<VN) thì Diode khơng dẫn điện

Là diode thông dụng nhất, dùng để đổi điện xoay chiều – thường là điện thế 50Hz đến 60Hz sang điện thế một chiều Diode này tùy loại có thể chịu đựng được dòng từ vài trăm mA đến loại công suất cao có thể chịu được đến vài trăm ampere Diode chỉnh lưu chủ yếu là loại Si Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của Diode chỉnh lưu là dòng thuận tối đa và đi ngược tối đa (điện áp sụp đổ) Hai đặc tính này do nhà sản xuất cho biết

Đây là loại đèn dùng hiển thị các số từ 0 đến 9, đèn gồm 7 đoạn a, b, c, d, e, f,

g, bên dưới mỗi đọan là một led (đèn nhỏ) hoặc một nhóm led mắc song song (đèn lớn) Qui ước các đoạn cho bởi:

Khi một tổ hợp các đoạn sáng sẽ tạo được một số thập phân từ 0 - 9

LED anot chung LED catotchung

Hình 2 8 Hai loại Led 7 đoạn

Đối với led 7 đoạn ta phải tính toán sao cho mỗi đoạn của led 7 đoạn có dòng điện từ 10….20mA Với điện áp 5V thì điện trở cần ung là 270Ω; công suất là 1,4 Watt

2.3.7 Thạch anh

Thạch anh là linh kiện điện tử dùng để tạo bộ dao động cho vi điều khiển hoạt động

+ 4 chân đầu vào: in1 ,in2 ,in3 ,in4

+ 4 chân ra: out1, out2 ,out3 ,out4

+ 1 chân Vss: là chân cấp nguồn 5V cho L298 hoạt động

+ 1 chân Vs: là chân cấp nguồn 12V

+ 2 chân Sense

+ 2 chân Enable

L298 là IC cầu đôi có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL và lái cảm kháng như relay động cơ DC, động cơ bứơc

+ Điện áp cấp lên đến 46V

+Tổng dòng DC có thể chịu là 4A

+ Điện áp bão hòa

+ Chức năng bảo vệ quá nhiệt

+ Điện áp logic ‘0’ từ 1,5V trở xuống

Sơ đồ chân của ic L298:

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG

a Động cơ

Hình 3.2 Động cơ

Nguyên lý hoạt động: phần chình của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên stator và rotor được kết nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen

b Hộp giảm tốc

Hộp giảm tốc có tác dụng làm giảm tốc độ quay của động cơ, để thay đổi tỉ số truyền

từ động cơ đến cơ cấu vận hành

Hình 3.3 Hộp giảm tốc

c Pin mặt trời

Pin mặt trời được ghép nối từ nhiều tế bào quang điện, tế bào quang điện là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, dưới ánh sáng của mặt trời nó có khả năng tạo ra

dòng điện Sự chuyển đổi này được gọi là hiệu ứng quang điện Người ta có thể ghép nối nhiều tấm pin mặt trời thành hệ thống pin mặt trời Pin năng lượng mặt trời có dạng đơn tinh thể hoạc đa tinh thể

Hình 3.4 Pin mặt trời

3.2 Nguyên lý hoạt động

Động cơ 1 điều khiển hệ thống giá đỡ pin mặt trời quay quanh trục thẳng đứng

Động cơ 2 điều khiển hệ thống pin quay quanh phương ngang

Khi có tín hiệu điện áp của pin mặt trời gửi về, vi điều khiển pic sẽ điều khiển 2 động

cơ quay theo hướng mà pin mặt trời thu được điện áp là lớn nhất Từ đó mà hệ thống pin năng lượng mặt trời được tối ưu

3.3 Mạch điện tử

3.3.1 Mạch nguồn và Mạch Pic 16f877a [5]

Dòng điện nuôi vi điều khiển được cấp các chân AVDD (chân 11,chân 32)

Bộ dao đông bao gồm 2 tụ điện C1,C2 và thạch anh 12MHz Tín hiệu dao động được cấp vào chân 13,14 của PIC Công tắc được nối vào chân số 9 của PIC có tác dụng reset lại hệ thống