Thiết kế hệ thống điều khiển theo dấu mặt trời

Thiết kế hệ thống điều khiển theo dấu mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn: Nguyễn Minh Tuấn Ký tên:

Ngày bắt đầu: 23/03/2013 Ngày kết thúc: 05/06/2013 Ngày bảo vệ: 12/06/2013

Đề tài

Đề số 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO DẤU MẶT TRỜI

Phương án số: 06

Động cơ Driver

1

3 4

5

2

Hệ thống điều khiển chuyển động thẳng bao gồm các bộ phận như hình vẽ:

(1) Động cơ điện và Hộp giảm tốc

(2) Khớp nối trục, băng tải

(3) Cảm biến vị trí/vận tốc

KẾT QUẢ YÊU CẦU

1 01 tập thuyết minh (khổ A4, khoảng 20 trang)

5 Phải thực hiện chế tạo mô hình bao gồm mô hình cơ khí, điện

6 Phải thực hiện chương trình điều khiển

NỘI DUNG THUYẾT MINH

1 Tổng quan về vấn đề được giao

2 Thiết kế kết cấu cơ khí (2D &3D) cho hệ thống

3 Mơ phỏng hệ thống cơ khí

4 Thiết kế bộ điều khiển

5 Sơ đồ mạch điều khiển và sơ đồ mạch driver cho động cơ

DC step chuyển vịgĩc vận tốc driverIC transitor analog digital

DỰ KIẾN TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

1 01 Nhận đề tài, phổ biến nội dung ĐAMH

2 02-03 Thiết kế kết cấu cơ khí

3 04 Thiết kế và mơ phỏng bộ điều khiển

4 05 Thiết kế và chế tạo driver cho động cơ

5 06 Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển

6 07-08 Viết chương trình điều khiển và thử nghiệm hiệu chỉnh

7 09-12 Thí nghiệm, hiệu chỉnh, lấy số liệu thí nghiệm

8 13-14 Viết báo cáo và hồn thiện bản vẻ, chuẩn bị bảo vệ

MỤC LỤC

Kế hoạch thực hiện……… 4 CHƯƠNG I - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu……….… 4

CHƯƠNG II - Phương án thiết kế……… 5

3 Kết cấu giá đỡ trục và trục đỡ tấm pin

4 Kiểm tra bền trục đỡ tấm pin

4 Mạch nguồn 5VDC

5 Mạch nguồn 12VDC

CHƯƠNG VI

Lưu đồ giải thuật cà chương trình điều khiển…… …….……24

1 Lưu đồ giải thuật

2 Chương trình điều khiển

CHƯƠNG VII - Thí nghiệm và kết luận……….…… 28

Gia công cơ khí, mạch

Thực nghiệm, hiệu

Cả nhóm tập trung vào chiều chủ nhật hàng tuần, liên lạc bằng điện thoại vàemail, từng cá nhân thực hiện nhiệm vụ đã được phân công

Nhóm đã thực hiện theo đúng kế hoạch đã vạch ra, Vì điều kiện vừa học ,vừa làm nên có những vấn đề nảy sinh thêm nhưng nhóm đã khắc phục được vàhoàn thành đồ án môn học theo đúng tiến trình

Vì điều kiện thời gian không cho phép nên có những vấn đề không nghiêncứu sâu được.

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Năng lượng Mặt Trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọngnhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Năng lượng mặt trời có thểnói là vô tận

Đối với nguồn năng lượng Mặt Trời thì nhân loại đã nghiên cứu và ứngdụng nó từ những năm 40 của thế kỷ trước để chế tạo các Pin Mặt Trời cung cấpnăng lượng cho các vệ tinh nhân tạo Tuy nhiên phải đến những năm 70, sau cuộckhủng hoảng dầu lửa đầu tiên trên thế giới thì việc nghiên cứu, phát triển và ứngdụng Pin năng lượng Mặt Trời mới được quan tâm thực sự và đã phát triển mạnh

mẽ từ đó đến nay Ở các nước phát triển như Đức, Mỹ, Nhật Bản thì việc sử dụngnăng lượng Mặt Trời thay cho các nguồn năng lượng khác đã trở nên phổ biến vànhận được nhiều sự ủng hộ

Việc định hướng Pin Mặt Trời là công việc cần được quan tâm đặc biệt vì nóảnh hưởng trực tiếp đến điện năng do dàn Pin phát ra hàng ngày

Như chúng ta đã biết, Trái Đất phải thực hiện cùng một lúc hai chuyển động, mộtchuyển động quanh chính trục của nó và một chuyển động xung quanh mặt trời Vìvậy, từ Trái Đất ta có thể coi Mặt Trời “chuyển động” hàng ngày trên bầu trời từĐông sang Tây

Về mặt lý thuyết, để thu được năng lượng Mặt Trời một cách triệt để, tức làlàm cho lượng bức xạ Mặt Trời chiếu vào dàn Pin là tối đa ở mọi thời điểm trongngày thì ta phải làm cho dàn Pin luôn hướng về phía Mặt Trời Muốn vậy dàn Pinphải quay để hướng tấm Pin Mặt Trời từ Đông sang Tây tương ứng với vị trí hàngngày của Mặt Trời.

Nguyên tắc hoạt động:

Khi PC1 được chiếu sáng nhiều hơn PC2, điện áp đầu vào 5 lớn hơn đầu vào 4 dẫnđến đầu ra 2 (+) led2 sáng, C3 được nạp từ từ qua R5 R6 và r7 được phân cực saocho đầu 7 lớn hơn đầu 6 đầu 1(+) Q1 dẫn rơle RL1 tác động làm động cơ quaychậm từ Đông sang Tây

Động cơ sẽ dừng quay khi ánh sáng chiếu vào PC1 và PC2 bằng nhau hoặckhi tấm Panel Mặt Trời chạm vào công tắc hành trình SW1 Như vậy để đảm bảo làPanel sẽ luôn nhận được ánh sáng Mặt Trời một cách trực diện(Nghĩa là đã đảmbảo yêu cầu điều khiển bám)

Khi trời bắt đầu tối hoặc khi trời có mưa, âm u thì điện áp ở chân số 9 lớn hơn chân

số 8 nên động cơ sẽ tự động quay về phía Đông chuẩn bị cho chuyển động bám củamột ngày mới

* Đánh giá phương án: Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, tuy nhiên

có những chi tiết không đúng như phần yêu cầu của đồ án

2 Sử dụng cammera để chụp hình mặt trời, xử lý ảnh qua matlap:

Khi hệ thống hoạt động webcam kết nối với máy tính có nhiệm vụ chụp lạiảnh của mặt trời, dữ liệu của mặt trời sẻ được đưa tới phần mềm matlab xử lý ảnh,tìm trọng tâm của ảnh sau đó xuất xung điều khiển động cơ quay cho đến khi tâmảnh trùng với tâm hình thì dừng lại, lúc này tấm pin vuông góc với mặt trời

Dựa trên các yêu cầu của đồ án sơ bộ lựa chọn linh kiện như sau:

Động cơ step 12 V DC

Vi điều khiển pic 16f877A

Quang trở LDR 12mm

Hộp giảm tốc

Yêu cầu đặt ra:

- Kết cấu cơ khí đơn giản, hoạt động hiệu quả, chuyển động trơn chu, êm

- Sử dụng linh kiện điện tử tốt đảm bảo độ bền cho hệ thống

- Hệ thống chuyển động chính xác đúng vị trí mong muốn

CHƯƠNG III

THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ 2D&3D CHO HỆ THỐNG

I THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ

SƠ ĐỒ ĐỘNG

Trong đó:

Hệ thống điều khiển chuyển động thẳng bao gồm các bộ phận như hình vẽ:

(1) Step motor và hộp giảm tốc

(2) Khớp nối trục, băng tải

(3) Cảm biến vị trí ( analog )

(4) Bộ vi xử lý và điều khiển

(5) Driver ( Transistor Driver )

Động cơ Driver

1

3 4

5

2

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc =132.6

Góc bước của động cơ =1,8 độ

Để quay hết 1 vòng cần 200 bước tườn đương với 200 xung được cấp

Để đầu trục ra được 1 vòng thì cần 200x132 = 26400 xung

Với thời gian là 1 phút thì ta cần khoảng thời gian delay giữa mỗi lần cấpxung là =60000ms/24600 =2 ms

2 Kết cấu hộp giảm tốc

Hộp giảm tốc có tỷ số truyền khá lớn, Hộp giảm tốc 3 cấp với sơ đồ động như sau:

3 Bản vẽ chi tiết gắn tấm pin NLMT

4 Bản vẽ thiết kế 3D

5 Bản vẽ lắp

II TÍNH BỀN TRỤC TRÊN SOLIDWORKS

Ta sử dụng Solidworks Simulation để thiết lập các biểu đồ ứng suất, chuyển

vị và sức căng của trục

tinh ben truc 8x100 tinh ben-Stress-Stress1

tinh ben truc 8x100 -tinh ben-Strain-Strain1

Qua các biểu đồ, ta thấy kết cấu trục hoàn toàn đáp ứng được các đòi hỏi về sức bền

CHƯƠNG IV

TÌM HIỂU VỀ CÁC LINH KIỆN DÙNG TRONG ĐỒ ÁN

1.Động cơ bước:

Sử dụng động cơ bước 2 pha đơn cực, mỗi bước là 1.8 độ, loại unipolar.

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý khác biệt với đa số các động

cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổicác tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành cácchuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vàocác vị trí cần thiết

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ:Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Động cơ bước quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điềukhiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điềukhiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôtotương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôtophụ thuộc vào việc thay đổi thứ tự cấp xung cho cuộn dây và thời gian giữa các lần

Đề số 5 – Phương án 6 20 BT09CĐT

Tín hiệu điều khiển:

Điều khiển đủ bước (full step):

2 Vi điều khiển Pic 16F877A:

Về mặt tính năng và công năng thì có thề xem PIC vượt trội hơn rất nhiều sovới các họ VĐK khác, với nhiều module được tích hợp sẵn như ADC10 BIT, PWM

10 BIT, PROM 256 BYTE, COMPARATER, VERF COMPARATER, một đặc

Sơ đồ khối chân Pic 16F 877A

3.Quang điện trở LDR 12mm (Light dependent Resistors)

Quang trở LDR khi có ánh sáng thì phản ứng xảy ra làm cho điện trở giảm vì thếnguốn qua nó tăng, ngược lại khi ánh sáng giảm thì điện trở tăng làm cho nguồnqua nó giảm

Max external voltage: Maximum voltage to be

continuously given to component in the dark

Dark resistance: Refer to the resistance ten

seconds after the 10Lux light is shut up

Max power consumption: Maximum power at

the environmental temperature 25℃

Light resistance: Irradiated by 400-600Lux

Đề số 5 – Phương án 6 26 BT09CĐT

3 Mạch cảm biến, ngắt ngoài

4 Mach nguồn 5V DC

Đề số 5 – Phương án 6 28 BT09CĐT

CHƯƠNG VI

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

1 Lưu đồ giải thuật:

2.Chương trình điều khiển:

#include <16f877a.h>

#use delay (clock=20000000)

#byte portd = 0x08//dinh dia chi cho cac port

setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_256);//prescaller = 256

enable_interrupts(int_RTCC);

enable_interrupts(int_ext); //khai bao ngat ngoai

enable_interrupts(GLOBAL); // khai bao ngat toan cuc

ext_int_edge( H_TO_L ); //ngat bang xung canh xuong

set_tris_d(0); //port d output

output_b(0x01); //RB0 muc 1

set_timer0(76);/*fMCU=20mhz/4=5MHZ;TMCU=1/5MHZ=0.2us;presscaler period=0.2*256=51.2us overflow period=51.2*256=131072us=0.0131027s can 1s tran thi 1/0.0131027=76 overflows*/

CHƯƠNG VII

THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN

1.Kiểm nghiệm hoạt động của phần cơ khí:

Để tiến hành kiểm tra hoạt động của phần kết cấu cơ khí, lắp phần cơ khíhoàn chỉnh test cho quay thuận, quay nghịch, dừng nhiều lần Sau đó thay đổi tảitrọng, tăng phần tải trọng kéo lên bằng cách giữ tấm pin mô hình lại với lực giữtăng dần, khoảng delay mỗi xung là 2ms

Bảng thống kê kết quả thí nghiệm:

Tăng tải lên 60%

Tăng tải lên 80%

Thấy động cơ bắt đầu giật cục momen tải yếu đi, có lúc dừng

2 Kiểm nghiệm hoạt động của cảm biến:

Cấp nguồ 5V cho cảm biến dùng ampe kế đo giá trị điện áp

Nội dung test

3 Kiểm nghiệm hoạt động của toàn hệ thồng:

Tiến hành lắp hoàn chỉnh mạch điều khiển, driver, khối nguồn khối cảm biến, các công tắc ngắt, đổ code cho VĐK

Dùng đèn Pin chiếu sáng lệch 1 góc từ đông sang tây, tấm pin quay theo khiđến giữa nguồn sáng thì dừng, thử nhiều góc khác nhau hệ thống hoạt động tốt Tuynhiên khi gần đạt được vị trí vuông góc với nguồn sáng thì động cơ chuyển độnghơi giật cục

Nguyên nhân là do tại thời điểm đó giá trị analog của 2 cảm biến chênh lệch nhauquá ít nên dẫn đến có va chạm giữa hai hàm quay thuận và stop Nhưng xét thấykhông ảnh hưởng gì, vì động cơ cũng dừng đúng vị trí mong muốn

Khi cho quay hết cỡ về phía tây chạm vào công tắc hành trình tấm pin lậptức quay trở về vị trí home và dừng đúng vị trí

Khi tấm pin đang ở 1 góc bất kỳ, tiến hành cài đặt timer0 5 phút , sau 5 phúttấm pin tự động quay về vị trí home và dừng lại đúng vị trí

Tất cả quá trình đều thực hiện trơn chu, động cơ chuyển động êm ái, bộ phậntruyền động cũng hoạt động êm

4 Kết luận và hướng phát triển:

Qua quá trình thực nghiệm và kiểm tra hoạt động của hệ thống, tuy cónhững vấn đề chưa hợp lý nhưng xét về tổng thể, trên cơ sở là mô hình thì cơ bản

hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đặt ra ban đầu Hệ thống hoạt động êm, dừngđúng vị trí, Đảm bảo được độ bền về cơ học, các linh kiện điện tử dùng trong mạchhoạt động tốt, ổn định

Hướng phát triển trong tương lai có thể áp dụng vào thực tế vì xu hướng sửdụng năng lượng xanh ngày càng nhiều và mô hình có thế mạnh về mặt kinh phí,kinh phí thấp, sử dụng ổn định, dể chế tạo Chỉ cần thay đổi về mặt momem do tảithay đổi là có thể dùng được

Bên cạnh đó có thể bố trí thêm một động cơ dùng để điều chỉnh tấm pin quaytheo chiều bắc nam để điều chỉnh bám theo mùa do góc chiếu mặt trời thay đổi,đồng thời vệ sinh tấm pin khi trời mưa Dùng bộ sạc pin, sử dụng năng lượng mặt

Tài liệu tham khảo:

[1] Giáo trình chi tiết máy đại học bách khoa TP HCM Phan Tấn Tùng

[2] Power electronics Nguyễn Minh Triết 02/2010

[3] Giáo trình Vi Điều Khiển Võ Tường Quân ĐH BKTP HCM 2010

[4] Giáo trình Động lực học và điều khiển Võ Duy Anh ĐHBKTP HCM

[5] bản dịch tài liệu sử dụng động cơ bước của giáo sư Duaglas w.jone đại họcIOWA Đoàn Hiệp ĐHBKTPHCM

[6] Kỹ thuật cảm biến và đo lường Đào Thái Diệu ĐHCN TPHCM

Phần code

#include <16f877a.h>

#use delay (clock=20000000)

#byte portd = 0x08//dinh dia chi cho cac port

void stop() //dung dong co

setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);//su dung xung noi

setup_adc_ports(ALL_ANALOG); //tat ca cac chan la analog

setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_256);//prescaller = 256

enable_interrupts(int_RTCC);

enable_interrupts(int_ext); //khai bao ngat ngoai

enable_interrupts(GLOBAL); // khai bao ngat toan cuc