Tổng quan
Tình hình sử dụng năng lượng hiện nay
Nhu cầu năng lượng toàn cầu đã liên tục gia tăng trong hơn 20 năm qua, trong khi đó, nguồn năng lượng hóa thạch vẫn chiếm tới 90% tổng nhu cầu năng lượng cho đến năm gần đây.
Nhu cầu đòi hỏi về năng lượng của từng khu vực trên Thế giới cũng không giống nhau
Theo dự báo của Cơ quan Thông tin Năng lượng năm 2004, nhu cầu tiêu thụ năng lượng đang gia tăng nhanh chóng Mặc dù giá năng lượng hóa thạch vẫn thấp hơn so với năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo và các nguồn năng lượng hoàn nguyên khác.
Tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng đang diễn ra nhanh chóng và không còn là cảnh báo cho tương lai xa Hậu quả của việc khai thác quá mức năng lượng hóa thạch, trong khi không đầu tư vào năng lượng tái tạo, đã dẫn đến sự suy giảm nguồn năng lượng này tại Việt Nam Nhu cầu sử dụng ngày càng tăng cùng với ô nhiễm môi trường nghiêm trọng từ việc tiêu thụ năng lượng hóa thạch đang đặt ra thách thức lớn Tuy nhiên, tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo rất lớn, giúp giảm tiêu thụ năng lượng hóa thạch và phát thải khí nhà kính Phát triển năng lượng tái tạo không chỉ bổ sung nguồn điện cho sự thiếu hụt mà còn đa dạng hóa nguồn năng lượng, phân tán rủi ro và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
1.2 Ưu và nhược điểm của nguồn năng lượng nhân tạo
1.2.1 Ưu điểm nguồn năng lượng không tái tạo
Năng lượng không táo tạo được chia làm hai loại:
1.2.2 Nhược điểm nguồn năng lượng không tái tạo a Lượng khí thải Carbon Dioxide trên toàn cầu gây ra do quá trình sử dụng năng lượng
Báo cáo tổng quan năng lượng năm 2004 (IEO2004) đã dự đoán sự gia tăng khí thải CO2 liên quan đến năng lượng, chủ yếu do hoạt động của con người gây ra trên toàn cầu.
Theo IEO2004, sự thải khí carbon dioxide toàn cầu dự kiến sẽ tăng nhanh hơn nhiều so với những năm 1990, chủ yếu do kỳ vọng tăng trưởng kinh tế khu vực và sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch Đặc biệt, các nước đang phát triển sẽ chịu trách nhiệm lớn về sự gia tăng này, khi mà tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch tăng cao, kết hợp với mức tăng trưởng kinh tế và dân số vượt trội so với các nước công nghiệp.
Hiệu ứng nhà kính đang gia tăng do sự phát triển kinh tế, dẫn đến nhu cầu năng lượng cao trong quá trình công nghiệp hóa Các nước đang phát triển, đặc biệt là Trung Quốc, đóng góp phần lớn vào lượng khí thải CO2 toàn cầu Trung Quốc hiện là quốc gia có tốc độ tăng trưởng thu nhập bình quân đầu người nhanh nhất và mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch cao nhất.
Năm 2001, các nước công nghiệp hóa chiếm 49% lượng khí thải CO2 toàn cầu, trong khi các nước đang phát triển chiếm 38% và Đông Âu cùng Liên Xô cũ chiếm 13% Dự đoán đến năm 2025, tỷ lệ khí thải CO2 từ các nước công nghiệp hóa sẽ giảm xuống còn 42%, trong khi các nước đang phát triển sẽ tăng lên 46%, và Đông Âu cùng Liên Xô cũ sẽ giữ ở mức khoảng 12%.
Trong thế giới công nghiệp hóa, dầu mỏ là nguồn chính gây ra khí thải CO2, chiếm hơn một nửa tổng lượng khí thải vào năm 2001, tiếp theo là than với 31% Dự báo cho thấy dầu vẫn sẽ là nguồn nhiên liệu chủ yếu gây ra khí thải CO2 ở các quốc gia công nghiệp hóa, đặc biệt trong ngành vận tải Bên cạnh đó, việc sử dụng khí tự nhiên cũng sẽ gia tăng, đặc biệt trong ngành công nghiệp điện, với dự đoán lượng khí thải từ khí tự nhiên có thể đạt 24% vào năm 2025.
Dầu mỏ và than là nguồn năng lượng chính, đóng góp lớn vào lượng khí thải CO2 ở các nước đang phát triển Trung Quốc và Ấn Độ vẫn tiếp tục dựa vào nguồn than nội địa cho điện năng và hoạt động công nghiệp Hầu hết các khu vực đang phát triển sẽ chủ yếu sử dụng dầu mỏ để đáp ứng nhu cầu năng lượng, đặc biệt trong lĩnh vực vận tải.
Hình 1 2 Lượng khí thải CO2 chia theo khu vực và nhiên liệu
Nhiều nhà khoa học tin rằng việc gia tăng nồng độ khí nhà kính do hoạt động của con người gây ra sẽ dẫn đến sự nóng lên toàn cầu, làm thay đổi khí hậu trong các thập kỷ tới.
Giới thiệu nguồn năng lượng tự nhiên và xu hướng nguồn năng lượng thế giới
Năng lượng tự nhiên là nguồn năng lượng sạch và bền vững cho tương lai, với những ưu điểm nổi bật như không gây ô nhiễm, luôn có sẵn trong thiên nhiên và không bị cạn kiệt Đây là giải pháp tối ưu giúp tiết kiệm năng lượng hóa thạch, đảm bảo sự phát triển bền vững cho thế hệ mai sau.
Khí đốt tự nhiên là nguồn năng lượng hóa thạch phát triển nhanh nhất, hiện chiếm 23% nhu cầu năng lượng sơ cấp toàn cầu và gần 25% sản lượng điện Là nhiên liệu hóa thạch sạch nhất, khí tự nhiên mang lại nhiều lợi ích môi trường, đặc biệt trong việc cải thiện chất lượng không khí và giảm khí thải nhà kính.
Khả năng lưu trữ và tính linh hoạt của các nhà máy nhiệt điện khí đốt giúp khí tự nhiên đáp ứng hiệu quả với biến động nhu cầu ngắn hạn theo mùa, từ đó tăng cường an ninh cung cấp điện trong các hệ thống điện có tỷ lệ tái tạo cao Thị trường khí đốt tự nhiên đang trở nên toàn cầu hóa, nhờ vào sự sẵn có của khí đá phiến và nguồn cung cấp khí đốt tự nhiên hóa lỏng linh hoạt.
Khi thương mại khí đốt gia tăng, sự liên kết giữa các thị trường khí đốt dẫn đến những thách thức mới về an ninh khí đốt tự nhiên Cú sốc cung hoặc cầu tại một khu vực có thể ảnh hưởng đến các khu vực khác, tạo ra những tác động lan tỏa đáng kể.
Năm 2018, khí đốt tự nhiên ghi nhận mức tăng tiêu thụ 4,6%, đóng góp gần một nửa vào sự gia tăng nhu cầu năng lượng toàn cầu Kể từ năm 2010, 80% sự tăng trưởng này tập trung chủ yếu ở ba khu vực chính.
- Hoa Kỳ - nơi cuộc cách mạng khí đá phiến đang diễn ra mạnh mẽ
- Trung Quốc - nơi mối quan tâm mở rộng kinh tế và chất lượng không khí đã củng cố tăng trưởng nhanh chóng
- Trung Đông - nơi khí đốt là cửa ngõ để đa dạng hóa kinh tế từ dầu mỏ
Khí tự nhiên đang ngày càng chiếm ưu thế so với than và dầu trong cả Kịch bản chính sách và Kịch bản phát triển bền vững Dự báo nhu cầu khí sẽ tăng hơn 1/3 trong Kịch bản chính sách, trong khi trong Kịch bản phát triển bền vững, nhu cầu khí sẽ tăng nhẹ đến năm 2030 trước khi trở lại mức hiện tại vào năm 2040.
Tuy nhiên, ngành công nghiệp khí phải đối mặt với một số thách thức thương mại và môi trường ở các khu vực khác nhau trên thế giới
Năng lượng mặt trời hiện nay đã và đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước Nhật Bản,
Mỹ và một số quốc gia Tây Âu đã tiên phong trong việc sử dụng năng lượng mặt trời từ những năm 1950 Đến năm 2002, Nhật Bản đã sản xuất khoảng 520.000 kW điện từ pin mặt trời, với giá trung bình giảm xuống còn 800.000 Yên/kW, thấp hơn 10 lần so với một thập kỷ trước Đối với một gia đình Nhật Bản 4 người tiêu thụ từ 3 đến 4 kW mỗi giờ, diện tích mái nhà cần thiết để lắp đặt pin mặt trời là từ 30-40 m2 Nhật Bản đặt mục tiêu sản xuất hơn 8,2 triệu kW điện từ năng lượng mặt trời vào năm 2010.
Năng lượng từ đại dương là nguồn tài nguyên phong phú, đặc biệt đối với các quốc gia có diện tích biển lớn Sóng và thủy triều được khai thác để quay các turbin phát điện, tạo ra điện năng Nguồn điện này có thể được sử dụng trực tiếp cho các thiết bị hoạt động trên biển như hải đăng, phao, cầu cảng, và hệ thống hoa tiêu dẫn đường.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng xanh phong phú và có mặt ở khắp nơi, có thể được sử dụng để quay các turbin phát điện Ở nhiều quốc gia như Hà Lan, Anh và Mỹ, năng lượng gió đã được khai thác hiệu quả Gần đây, Nhật Bản đã phát triển thành công turbin gió siêu nhỏ NP 103 của hãng North Powen, với cánh quạt dài 20 cm và công suất 3 W, đủ để thắp sáng một bóng đèn nhỏ, sử dụng điện từ một bình phát điện cho đèn xe đạp.
Nguồn năng lượng địa nhiệt nằm sâu dưới lòng đất, đặc biệt ở các hòn đảo và núi lửa, có thể được khai thác bằng cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét dưới bề mặt Tại Nhật Bản, hiện có 17 nhà máy địa nhiệt, trong đó nhà máy Hatchobaru ở Oita Kyushu là lớn nhất với công suất 110.000 kW, đủ cung cấp điện cho 3.700 hộ gia đình.
Gió di chuyển các đám mây, và khi gặp điều kiện thích hợp, chúng tích tụ hạt nước lớn dần và rơi xuống thành mưa Nước từ mưa tập trung ở sườn núi, tạo thành suối và cuối cùng là sông, đổ ra đại dương, khởi động lại chu kỳ tuần hoàn vô tận Dưới tác động của trọng lực, nước trong các dòng sông tạo ra năng lượng.
Than cung cấp hơn một phần ba sản lượng điện toàn cầu và đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho các ngành công nghiệp.
Mặc dù có những lo ngại về ô nhiễm không khí và khí thải nhà kính, việc sử dụng than vẫn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tương lai Do đó, cần có chính sách phối hợp từ Chính phủ để đảm bảo than trở thành nguồn năng lượng sạch hơn trong những thập kỷ tới Chính phủ và ngành công nghiệp cần nỗ lực hơn nữa trong việc triển khai và phát triển các công nghệ ít gây ô nhiễm.
Sử dụng than toàn cầu đã tăng liên tiếp trong năm 2018, chủ yếu do nhu cầu từ Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia và một số quốc gia Đông Nam Á, mặc dù vẫn dưới mức cao nhất năm 2014 Tại châu Á, nhu cầu điện vẫn tiếp tục tăng, với than vẫn giữ vị trí là nguồn điện lớn nhất.
Sản lượng điện từ than đã tăng 3% trong năm 2018, lần đầu tiên vượt mốc 10.000 TWh, với than vẫn chiếm 38% tổng sản lượng điện toàn cầu Sự tăng trưởng này chủ yếu diễn ra ở châu Á, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ, do điện than là nguồn cung cấp điện giá rẻ và đáng tin cậy Tuy nhiên, nhiều nền kinh tế tiên tiến đang giảm dần tỷ trọng than trong hỗn hợp năng lượng của họ do chính sách môi trường, cam kết loại bỏ và áp lực cạnh tranh từ năng lượng tái tạo cũng như khí đốt tự nhiên.
Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu pin năng lượng mặt trời
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu và phát triển những ứng dụng tiên tiến, hiện đại Những nỗ lực này nhằm phục vụ tốt hơn cho xã hội và nâng cao chất lượng cuộc sống con người.
Tấm pin năng lượng mặt trời là một trong những phát minh đột phá trong ngành sản xuất và tái tạo năng lượng xanh, mang lại nhiều lợi ích và ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hiện nay.
Pin năng lượng mặt trời:
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện (Solar panel), bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) Các tế bào này là những phần tử bán dẫn với bề mặt chứa nhiều cảm biến ánh sáng, gọi là đi ốt quang, có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của tấm pin mặt trời phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện được kết hợp thành một khối, thường gồm 60 hoặc 72 tế bào, để tạo thành một tấm pin mặt trời hoàn chỉnh.
Tấm pin năng lượng mặt trời là vật liệu chuyển đổi quang năng từ ánh sáng mặt trời thành điện năng, tương tự như cách thủy điện và nhiệt điện tạo ra điện từ nước và than Với hiệu suất cao, pin mặt trời có tuổi thọ trung bình lên đến 30 năm, đóng góp vào việc sản xuất điện năng bền vững.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Hệ thống năng lượng mặt trời thường được lắp đặt ở những vị trí nhận nhiều ánh sáng mặt trời, như trên mái tòa nhà, để chuyển đổi quang năng thành điện năng sử dụng như điện lưới thông thường Silicon, một chất bán dẫn quan trọng trong cấu tạo của pin năng lượng mặt trời, hoạt động như một vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, có khả năng dẫn điện ở nhiệt độ phòng Ánh sáng mặt trời chứa các hạt photon nhỏ, là nguồn năng lượng chính cho quá trình này.
Khi photon va chạm với các nguyên tử silicon trong tấm pin mặt trời, chúng truyền năng lượng cho các electron, khiến chúng rời khỏi nguyên tử và tạo ra chỗ trống Việc giải phóng electron chỉ là một phần của quá trình, tiếp theo, các electron này được dồn vào một dòng điện, tạo ra sự mất cân bằng điện trong pin Sự mất cân bằng này giống như việc xây dựng một con dốc, giúp các electron chảy theo cùng một hướng, và nó cũng có thể được hình thành từ cấu trúc bên trong của silicon.
Nguyên tử silicon được sắp xếp trong cấu trúc liên kết chặt chẽ, và khi ép thêm một lượng nhỏ các nguyên tố khác vào, sẽ hình thành hai loại silicon: loại n (bán dẫn âm) và loại p (bán dẫn dương) Chất bán dẫn loại n chứa tạp chất từ nhóm V, với các electron dẫn chính là những electron lớp ngoài lỏng lẻo Ngược lại, chất bán dẫn loại p có tạp chất từ nhóm III, chủ yếu dẫn điện thông qua các lỗ trống.
Khi các loại bán dẫn n và p được đặt cạnh nhau trong một tấm pin mặt trời, electron từ loại n sẽ lấp đầy các khoảng trống của loại p Kết quả là silicon loại n mang điện tích dương, trong khi silicon loại p có điện tích âm, tạo ra một điện trường trên tấm pin.
Silicon, với tính chất bán dẫn, hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng điện Khi các photon từ ánh sáng mặt trời tác động lên silicon, chúng làm bật các electron ra khỏi nguyên tử, tạo ra một trật tự nhất định Quá trình này cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và nhiều thiết bị khác.
Hình 2 2 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời
Phân loại pin mặt trời
Đơn tinh thể module được sản xuất qua quá trình Czochralski, với hiệu suất đạt tới 16% Tuy nhiên, giá thành của chúng thường cao do được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Đa tinh thể là loại pin được sản xuất từ các thỏi silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Mặc dù giá thành của chúng thấp hơn so với pin đơn tinh thể, hiệu suất của đa tinh thể lại kém hơn Tuy nhiên, ưu điểm của loại pin này là khả năng tạo thành các tấm vuông lớn, giúp che phủ bề mặt hiệu quả hơn, bù đắp cho hiệu suất thấp.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, thường có hiệu suất thấp nhất và giá thành rẻ nhất vì không cần cắt từ thỏi silicon Công nghệ sản xuất này tạo ra các tấm silic có độ dày 300 μm, được sắp xếp lại để hình thành các module.
Phương pháp tính công suất hệ thống Pin năng lượng mặt trời
Để thiết kế một hệ solar, chúng ta lần lượt thưc hiện các bước sau:
Bước 1: Tính tổng điện năng tiêu thụ của tất cả các thiết bị mà hệ thống hệ mặt trời phải cung cấp
Tính tổng Watt-hour hàng ngày cho từng thiết bị và cộng tất cả lại để có tổng số Watt-hour toàn tải sử dụng mỗi ngày.
Bước 2 Tính điện năng tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải mỗi ngày
Để bù đắp tổn hao trong hệ thống, điện năng do tấm pin mặt trời cung cấp cần phải cao hơn tổng điện năng của toàn bộ tải Cụ thể, điện năng từ các tấm pin mặt trời được tính toán là Wh = (1.3 ~ 1.5) x tổng điện năng của toàn tải sử dụng.
Trong đó (1.3~ 1.5) là hệ số an toàn
Để xác định công suất đỉnh (Watt peak - Wp) của hệ thống pin mặt trời, cần tính toán kích thước các tấm pin dựa trên khí hậu của từng vùng Mức độ hấp thu năng lượng của cùng một tấm pin sẽ khác nhau tùy thuộc vào vị trí lắp đặt Để thiết kế chính xác, việc khảo sát từng khu vực là cần thiết nhằm đưa ra hệ số tích điện của pin, trong đó tại Việt Nam, hệ số này khoảng 4.58 Công thức tính công suất đỉnh của hệ thống pin mặt trời sẽ dựa trên những yếu tố này.
Để xác định số lượng tấm pin mặt trời cần thiết, ta cần tổng hợp thông số Wp của từng tấm pin Bằng cách chia tổng số Wp cần có của hệ thống pin mặt trời cho thông số Wp của một tấm pin, chúng ta sẽ tính được số lượng tấm pin cần sử dụng.
Bước 4: Tính toán bộ biến tần (Inverter) cho hệ thống năng lượng mặt trời độc lập yêu cầu bộ inverter có công suất lớn hơn 125% công suất tải để đảm bảo hoạt động hiệu quả khi tất cả tải đều bật Đặc biệt, nếu tải là motor, cần tính thêm công suất để đáp ứng thời gian khởi động Đối với hệ thống solar kết nối lưới điện, không cần sử dụng battery, nhưng điện áp vào danh định của inverter cần phải tương thích với điện áp danh của hệ pin mặt trời.
Công suất inverter = tổng công suất điện tiêu thụ × 125%
Bước 5 Tính toán battery ( bộ Pin , Ắc quy )
Số lượng pin cần thiết cho hệ thống năng lượng mặt trời là lượng pin đủ để cung cấp điện trong những ngày không có ánh sáng mặt trời (ngày dự phòng) Để tính toán dung lượng pin, chúng ta cần xem xét nhu cầu sử dụng điện hàng ngày và thời gian dự phòng mong muốn.
- Hiệu suất của battery chỉ khoảng 85% cho nên chia số Wh của tải tiêu thụ với 0.85 ta có
- Với mức deep of discharge DOD (mức xả sâu) là 0.6, ta chia số Wh của battery cho 0.6 sẽ có dung lượng battery
Kết quả cho thấy dung lượng pin tối thiểu cần thiết cho hệ thống năng lượng mặt trời không có dự phòng Để xác định số lượng pin cần thiết cho hệ thống khi có số ngày dự phòng (ngày tự chủ), ta cần nhân dung lượng pin với số ngày dự phòng.
Thiết kế solar charge controller ( bộ điều khiển sạc pin mặt trời )
Solar charge controller phải tương thích với điện thế của pin mặt trời và điện thế của ắc quy Có nhiều loại solar charge controller, vì vậy bạn cần chọn loại phù hợp với hệ thống năng lượng mặt trời của mình Đối với các hệ thống pin mặt trời lớn, chúng thường được thiết kế thành nhiều dãy song song, mỗi dãy sẽ được quản lý bởi một solar charge controller riêng Công suất của solar charge controller cần đủ lớn để tiếp nhận điện năng từ pin mặt trời và nạp đầy ắc quy.
Thông thường ta chọn Solar charge controller có dòng Imax = 1.3 x dòng ngắn mạch của
Giới thiệu Vi mạch Arduino
2.6.1 Lý thuyết về mạch Arduino
Arduino là một bo mạch vi điều khiển được phát triển bởi nhóm giáo sư và sinh viên Ý vào năm 2005 Phần mềm lập trình Arduino IDE có nhiều ưu điểm như chi phí thấp, tương thích với nhiều hệ điều hành, giao diện lập trình đơn giản và dễ sử dụng, cùng với việc sử dụng mã nguồn mở và khả năng kết hợp với nhiều module khác nhau.
* Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là một nền tảng mã nguồn mở phổ biến trong việc phát triển các dự án điện tử Nó bao gồm cả bảng mạch lập trình, thường được gọi là vi điều khiển, và các thành phần phần mềm hỗ trợ.
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
EEPROM 1 KB (ATmega328) mềm hoặc IDE (Môi trường phát triển tích hợp) chạy trên máy tính, được sử dụng để viết và tải mã máy tính lên bo mạch
Nền tảng Arduino ngày càng trở nên phổ biến đối với người mới bắt đầu trong lĩnh vực điện tử Khác với các bo mạch lập trình truyền thống, Arduino cho phép tải mã mới qua cáp USB mà không cần phần cứng riêng biệt Hơn nữa, Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản của ngôn ngữ lập trình C++, giúp việc học lập trình trở nên dễ dàng hơn Bên cạnh đó, Arduino cung cấp mẫu chuẩn, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận các chức năng của bộ vi điều khiển.
Có nhiều loại bo mạch Arduino sử dụng cho các mục đích khác nhau, nhưng hầu hết Arduino có các thành phần như dưới đây:
Hình 2 4 Sơ đồ chân mạch Arduino UN0 R3 *Nguồn (USB / Đầu cắm nguồn cái)
Mỗi bo mạch Arduino, như Arduino UNO, có hai cách để cấp nguồn: qua cáp USB hoặc đầu cắm nguồn cái Trong đó, cổng USB được đánh số (1) và đầu cắm nguồn cái được đánh số (2).
Cổng USB cũng hỗ trợ tải mã lên bo mạch Arduino
*Chân (5V, 3.3V, GND, Analog, Kỹ thuật số, PWM, AREF)
Các chân trên Arduino là điểm kết nối dây để xây dựng mạch, thường có đầu cắm bằng nhựa đen giúp dễ dàng cắm dây vào bo mạch Arduino có nhiều loại chân khác nhau, mỗi loại được ghi chú trên bo mạch và phục vụ cho các chức năng khác nhau.
GND (3): Viết tắt của ‘Ground’ Có một số chân GND trên Arduino, có thể sử dụng bất kỳ chân nào để nối đất cho mạch
5V (4) & 3.3V (5): Chân 5V cấp nguồn 5 vôn, và chân 3.3V cấp nguồn 3,3 vôn Hầu hết các linh kiện đơn giản sử dụng với Arduino chạy ổn định ở 5 hoặc 3,3 vôn
Các chân 'Analog In' (A0 đến A5 trên UNO) là khu vực nhận tín hiệu đầu vào, cho phép đọc dữ liệu từ cảm biến tương tự như cảm biến nhiệt độ và chuyển đổi tín hiệu này thành giá trị số có thể đọc được.
Các chân digital trên UNO, từ 0 đến 13, có thể được sử dụng cho cả đầu vào và đầu ra Chúng cho phép xác định nút nào được nhấn và cung cấp năng lượng cho các thiết bị như đèn LED.
PWM (8): Trên board Arduino UNO, các chân số 3, 5, 6, 9, 10 và 11 được đánh dấu bằng dấu ngã (~), cho thấy chúng không chỉ hoạt động như các chân digital thông thường mà còn hỗ trợ chức năng điều chế độ rộng xung (PWM).
AREF (9) là viết tắt của tham chiếu analog, thường ít được sử dụng Chân này đôi khi được dùng để thiết lập điện áp tham chiếu bên ngoài, nằm trong khoảng từ 0 đến 5 Vôn, nhằm tạo ra giới hạn trên cho các chân analog đầu vào.
Arduino cũng có nút reset giống như Nintendo gốc, cho phép khởi động lại mã đã nạp bằng cách kết nối chân reset với đất Nút này rất hữu ích khi bạn muốn kiểm tra mã không lặp lại nhiều lần.
Trên bảng mạch Arduino, ngay bên dưới và bên phải của từ “UNO” có một đèn LED nhỏ bên cạnh chữ ‘ON’ (11), đèn LED này sẽ phát sáng khi Arduino được kết nối với nguồn điện.
TX là viết tắt của truyền và RX là viết tắt của nhận, thường thấy trong các thiết bị điện tử để chỉ các chân giao tiếp nối tiếp Trên bo mạch UNO Arduino, TX và RX xuất hiện ở hai vị trí khác nhau.
- vị trí thứ nhất là chỗ các chân số 0 và 1, và vị trí thứ hai bên cạnh đèn LED báo TX và
RX (12) Những đèn LED này sẽ cung cấp chỉ dẫn trực quan bất cứ khi nào Arduino nhận hoặc truyền dữ liệu
IC hay mạch tích hợp trên Arduino thường có màu đen và được trang bị các chân kim loại, được xem như bộ não của thiết bị Các loại IC trên các bo mạch Arduino khác nhau chủ yếu là dòng ATmega từ công ty ATMEL Việc nhận biết loại IC và bo mạch là rất quan trọng trước khi tải lên chương trình Thông tin này thường được ghi ở phần trên cùng của IC, và nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về sự khác biệt giữa các loại IC, bạn có thể tham khảo datasheet của chúng.
Bộ điều chỉnh điện áp (14) không tương tác trực tiếp với Arduino nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp cung cấp cho bo mạch Nó giống như một người gác cổng, bảo vệ mạch khỏi điện áp phụ có thể gây hại Tuy nhiên, cần lưu ý rằng bộ điều chỉnh này có giới hạn và không nên cấp điện cho Arduino vượt quá 20 vôn.
Giới thiệu Module Relay 8 kênh
Relay là một công tắc điện có khả năng chuyển đổi giữa hai trạng thái ON và OFF Trạng thái của relay phụ thuộc vào việc có dòng điện chạy qua hay không.
Khi dòng điện đi qua relay, nó kích hoạt cuộn dây bên trong, tạo ra từ trường hút Từ trường này tác động lên đòn bẩy, dẫn đến việc đóng hoặc mở các tiếp điểm điện, từ đó thay đổi trạng thái của relay Số lượng tiếp điểm điện thay đổi có thể là một hoặc nhiều, tùy thuộc vào thiết kế của relay.
Rơ le hoạt động với hai mạch độc lập; một mạch điều khiển cuộn dây để xác định trạng thái ON hoặc OFF, và mạch còn lại kiểm soát dòng điện có đi qua rơ le hay không dựa trên trạng thái này.
Dòng điện điều khiển rơ le thường dao động từ 30mA ở điện áp 12V đến 100mA Hầu hết các chip không đủ khả năng cung cấp dòng này, do đó, cần sử dụng một BJT để khuếch đại dòng điện nhỏ từ ngõ ra IC thành dòng lớn hơn, phục vụ cho việc điều khiển relay hiệu quả.
Trên rơ le có 3 kí hiệu là: NO, NC và COM
Chân COM (chân chung) của relay luôn được kết nối với một trong hai chân còn lại, và sự kết nối này phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của relay.
- NC (Normally Closed): Nghĩa là bình thường nó đóng Nghĩa là khi relay ở trạng thái OFF, chân COM sẽ nối với chân này
- NO (Normally Open): Khi relay ở trạng thái ON (có dòng chạy qua cuộn dây) thì chân COM sẽ được nối với chân này
Là thiết bị tích hợp 1 hay nhiều relay, trong đó có các đầu ngõ vào và ngõ ra, có mạch bảo vệ…
Module relay 2 kênh 12V được thiết kế nhỏ gọn, cho phép đóng ngắt thiết bị một cách hiệu quả Mạch có đèn LED báo nguồn và tình trạng relay, cùng với opto cách ly để ngăn nhiễu tín hiệu điều khiển Người dùng có thể dễ dàng thay đổi mức tín hiệu kích hoạt relay giữa mức cao và thấp thông qua jumper trên mạch Với điện áp 12V phổ biến và ngõ ra Domino 3 chân bao gồm NO (thường mở), COM (chung), và NC (thường đóng), module này mang lại sự tiện lợi tối đa trong việc sử dụng.
- Dòng tải tối đa: AC 250V/10A - DC 30V/10A
- Có đèn led báo nguồn, đèn led báo đóng ngắt relay
Module led 7 đoạn
Module led đơn
-Nguồn cấp: 12V -Dòng tải: 5mA -Đường kình: 12mm
-Nguồn cấp: 9V -Dòng tải: 5mA -Dòng kích: 3mA
Module bộ điều khiển sạc
Hình 2 8 Bộ điều khiển sạc
Module bình ac quy
Hình 2 9 Module bình ac quy
Thiết kế và thi công mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông
Mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông sử dụng năng lượng mặt trời
3.1.1 Bản vẽ bố trí thiết bị:
Mô hình được thiết kế với các khối:
- Khối Lamp Module (12V): bao gồm 14 đèn tín hiệu dùng để kết nối với ngõ ra để hiển thị
- Khối Relay Module: 8 ngõ ra dạng tiếp điểm relay, dùng để kết nối với thiết bị bên ngoài: đèn, van điện, Contactor
- Khối Switch Module: bao gồm 4 công tắc, dùng để kết nối giữa thiết bị bên ngoài: nút nhấn, công tắc, cảm biến với Adruino
- Khối Led 74HC595 Module: bao gồm 4 khối led 7 đoạn dùng để hiển thị thời gian
- Khối nguồn DC Power supply: sử dụng nguồn 12 VAC-10A, có công tắc đóng/ngắt và cầu chì bảo vệ
- Khối Board Adruino: dùng để xử lý chương trình điều khiển
Hình 3 7 Bản vẽ bố trí thiết bị
3.1.2 Mô phỏng hệ thống trên máy tính
Hình 3 8 Mô phỏng trên máy tính
Hình 3 9 Mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông sử dụng năng lượng mặt trời
Hướng dẫn sử dụng
Bước 1: Kiểm tra các thiết bị trên mô hình: board adruino, bộ điều khiển sạc, pin, nguồn điện
Bước 2: đấu dây kết nối theo sơ đồ
Hình 3 10 đấu dây kết nối Adruino và led Bước 3: Bật CB nguồn (đèn power sáng)
Bước 4: vận hành hệ thống đèn tín hiệu giao thông
