ĐỒ án tự ĐỘNG điều HƯƠNG kép PIN mặt TRỜI

Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

SVTH:

L ớp:

Trang 1


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

LỜI MỞ ĐẦU
So với những nguồn năng lượng như thủy điện ,nhiệt điện nguồn năng
lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió, năng lượng hạt
nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là
một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan
tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng
lượng tốt nhất trong tương lai. Hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời
(Hệ pin mặt trời) có nhiều ưu điểm như không cần nguyên liệu, không gây ô
nhiễm mơi trường, ít phải bảo dưỡng, khơng gây tiếng ồn… Hiện nay năng
lượng mặt trời đã được khai thác và đưa vào ứng dụng trong cuộc sống cũng
như trong công nghiệp dưới nhiều dạng và hình thức khác nhau.Một hệ pin mặt
trời sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm 2 loại: Hệ pin mặt trời làm
việc độc lập và hệ pin mặt trời làm việc với lưới. Tùy theo điều kiện về nhu cầu
sử dụng và vị trí địa lý lắp đặt mà hệ nào được ứng dụng.
Đồ án môn học Thiết kế cơ điện tử này nhóm em tập trung vào giải thuật
điều hướng kép tấm pin mặt trời xoay theo bức xạ ánh nắng để năng lượng thu
nhận được là lớn nhất. Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã củng cố được
những kiến thức đã được học và tiếp thu thêm được một số kiến thức và kinh
nghiệm mới về pin mặt trời. Trên tất cả là em đã được học và rèn luyện được
phương pháp làm việc, nghiên cứu một cách chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc

biệt là phương pháp làm việc theo nhóm. Q trình làm đồ án thực sự đã rất có
ích cho em về nhiều mặt.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SVTH:

L ớp:

Trang 2


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử
-----------------................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
...............................................................................................................................
ĐHPVĐ, Ngày….tháng…năm 2022
Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM ĐIỂM
-----------------................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
ĐHPVĐ, Ngày….tháng…năm 2022
Giáo viên chấm điểm

SVTH:

L ớp:

Trang 3


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ,PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN ,LỰA
CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.
1.1. Lý do chọn đề tài
Đối với loài người, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô cùng vô
tận và quý báu. Chúng ta đã biết tận dụng nguồn năng lượng tái tạo này dựa trên
các tấm pin mặt trời để tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ cho lợi ích cá nhân (hệ
thống nước nóng, phương tiện đi lại, hệ thống đèn chiếu sáng, hệ thống điện
trong dân dụng…). Hiệu suất của tấm pin quang điện hiện nay chỉ đạt được tối
đa là 17,6% so với lượng nhiệt mà nó nhận được từ mặt trời. Tuy nhiên cơng
việc nâng cao hiệu suất của nó vẫn ln đang diễn ra mạnh mẽ. Do giá thành đắt
đỏ và hiệu suất không cao nên pin quang điện chưa được sự quan tâm nhiều ở
các nước đang phát triển.
Vì vậy, vấn đề tạo ra các thiết bị nhằm đạt được điểm công suất tối ưu của
tấm pin là việc cần thiết. Trước đây, khi tấm pin cịn ở hiệu suất thấp thì nhà sản
xuất phải cần một số lượng lớn và tiêu tốn chi phí vật tư mà hiệu quả mang lại
thì khơng đáng kể. Vì vậy, pin mặt trời trước đây được bán với giá thành rất đắt
đỏ và không là giải pháp kinh tế của người tiêu dùng. Ngày nay với công nghệ
hiện đại hơn, những tấm pin hiệu suất cao cũng đã được sản xuất, nhưng với chi
phí khá cao, do đó việc đầu tư nhiều tấm pin sản xuất ra điện năng phục vụ cho
nhu cầu cuộc sống cũng khó khăn. Cần đưa ra những giải pháp tiết kiệm chi phí
đầu tư tấm pin năng lượng mặt trời là khả thi. Ứng dụng những nguyên lý của
điện tử cơ bản, và công nghệ vi điều khiển đáp ứng thực hiện nâng cao hiệu suất
thu năng lượng của tấm pin năng lượng mặt trời
Xuất phát từ ý tưởng đó, nhóm chúng em đã nghiên cứu và thực hiện đề

tài : “TỰ ĐỘNG ĐIỀU HƯỚNG KÉP PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THEO
BỨC XẠ” nhằm phát triển hệ thống nguồn năng lượng sạch, tiết kiệm chi phí và
nâng cao chất lượng đầu tư hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.2Phân bố bức xạ mặt trời ở Việt Nam.
-Phân bố bức xạ mặt trời tại Việt Nam Trải dài từ vĩ độ 8030' Bắc đến
23022 Bắc .
-Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao.
Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng
Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La,Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ
An, Hà Tĩnh)… Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn
định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt,
số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng
300 ngày/năm .

SVTH:

L ớp:

Trang 4


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Hình Phân bố cường độ bức xạ ở Việt Nam.
TT

Khu vực

Cường độ BXMT Số giờ nắng trung bình
(kWh/m2/ngày)

(giờ/năm)

1 Đơng Bắc Bộ

3,3 - 4,1

1500 – 1800

2 Tây Bắc Bộ

4,1 – 4,9

1890 – 2102

3 Bắc Trung Bộ

4,6 – 5,2

1700 – 2000

4 Nam Trung Bộ – Tây
Nguyên

4,9 – 5,7

2000 – 2600

5 Nam Bộ

4,3 – 4,9

2200 – 2500

4,6

2000

Trung bình cả nước

Giá trị trung bình cường độ bức xạ bức xạ ngày trong năm và số giờ nắng của
một số khu vực khác nhau ở Việt Nam.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong nghiên cứu thiết kế hệ thống các vấn đề được quan tâm bao gồm:
-Điện áp ra của pin mặt trời thay đổi theo điều kiện chiếu sáng của mặt trời.
-Nghiên cứu cải thiện nâng cao hiệu suất thu NLMT bằng cách tự động
thay đổi hướng của pin mặt trời nhằm bám theo mặt trời để thu được hiệu suất
cao nhất.
+Nội dung nghiên cứu được trình bày bao gồm các phần chính như sau:
SVTH:

L ớp:

Trang 5


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

-Nghiên cứu phương pháp nhận biết vị trí mặt trời, dùng quang trở nhằm
đơn giản hóa chi phí thiết kế hệ thống.

-Thiết kế mạch điều khiển tấm pin năng lượng theo vị trí mặt trời.
-Nghiên cứu thiết kế hệ thống định hướng pin năng lượng theo vị trí mặt
trời.
-Khảo nghiệm, lấy số liệu và so sánh hiệu suất giữa hai trường hợp khi hệ
thống được đặt cố định và khi sử dụng thiết bị tự động định hướng.
-Thiết kế mạch điều khiển, mạch giảm áp ,mạch cảm biến ánh sáng.
-Viết lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển sử
dụng arduino cấp xung cho động cơ serrvo.
-Đánh giá hoạt động của mơ hình.
Phạm vi áp dụng
Sử dụng tấm pin năng lượng loại nhỏ 1W làm mơ hình cho hệ thống và áp
dụng các nguyên lý cơ bản của điện tử cơ bản ,áp dụng thiết kế mạch điều khiển
động cơ để xoay tấm pin theo bức xạ.
1.4Khái quát về pin mặt trời.
-Pin mặt trời (Solar panel) gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là
phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là
diode quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin Mặt trời thay đổi phụ
thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng. Tế bào quang điện được ghép lại
thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện
trên một tấm pin mặt trời). Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh
sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo.
-Hiện nay vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể. Pin mặt trời
từ tinh thể silic chia tành 3 loại: mono (đơn tinh thể), poly (đa tinh thể), thin-film
(màng mỏng).
-Để tạo ra tinh thể Silic có khả năng dẫn điện tốt, người ta phải thêm một
lượng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay nhóm V trong bảng tuần hồn hóa học
vào các nguyên tử Silic ở nhóm IV. Khi Silic kết hợp với ngun tử nhóm III
(nhơm hay gali) tạo thành bán dẫn loại p (positive, mang năng lượng dương),
khi Silic kết hợp với nguyên tử nhóm V (photpho hay asen) thì tạo ra bán dẫn

loại n (negative, mang năng lượng âm).

SVTH:

L ớp:

Trang 6


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Quá trình hình thành pin mặt trời.
+Nguyên lý hoạt động pin mặt trời.
-Về cấu tạo pin mặt trời bao gồm một lớp tiếp xúc bán dẫn p -n có khả năng
biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang
điện được gọi là pin mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời, năng lượng từ
ánh sáng (các photon) tạo ra các hạt mang điện tự do, được tách ra bởi điện
trường. Điện áp được tạo ra và đo được tại các điểm tiếp xúc bên ngoài, vì vậy
ta đo được giá trị dịng quang điện khi có tải kết nối vào. Dịng quang điện được
tạo ra trong pin mặt trời và tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ. Pin quang điện (pin
mặt trời) tiêu biểu cho thiết bị chuyển đổi cơ bản năng lượng mặt trời thành
năng lượng điện. Cường độ nắng, nhiệt độ của tế bào quang điện và điện áp vận
hành ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơng suất và dịng điện ngõ ra của pin mặt
trời .

Sơ đồ tương đương của pin mặt trời.
-Khi nhận được ánh sáng, pin mặt Trời phát ra một dịng quang điện I p. Vì
vậy có thể xem Pin măt trời tương đương như một nguồn dòng.
-Lớp bán dẫn p-n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diode.

SVTH:

L ớp:

Trang 7


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

-Khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một
dịng điện gọi là dịng rị. Do đó ta có thể xem ngay tại đó có 1 điện trở R p giá
trị rất lớn.
-Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó đi qua các lớp bán dẫn p, n, các
điện cực,… Vì thế ta có thể xem đó như một điện trở Rs nối tiếp với mạch.
1.5 Phương án hệ thống điều hướng pin mặt trời.
1.5.1Nguyên tắc điều hướng.
-Tấm pin năng lượng mặt trời đạt hiệu suất cao nhất khi phương của tia
sáng mặt trời vng góc với mặt phẳng của nó.

Mơ tả góc tới tia ánh sáng mặt trời đối với đối với mặt phẳng tấm pin.
Nguyên tắc xoay của mơ hình là ln ln hướng pin vào mặt trời sao cho
ánh sáng ln chiếu 1 góc 90 độ vào mặt phẳng tấm pin, ngồi ra có thể kết hợp
với bộ điều khiển MPPT để bám được điểm MPP. Nguyên tắc này là cơ sở để
thiết kế kiểu xoay của hệ thống pin mặt trời.
1.5.2 Các hệ thống điều hướng pin mặt trời.
Trên thế giới hiện nay có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng,
đó là hệ thống định hướng theo trục đơn và hệ thống định hướng theo trục kép.
Hệ thống điều hướng theo trục đơn sẽ điều hướng tấm pin theo vị trí Mặt Trời
mọc từ Đơng sang Tây trên một trục đặt theo hướng Bắc Nam. Hệ thống điều
hướng theo trục kép sẽ điều hướng tấm pin theo hướng Đông sang phía Tây và

Bắc đến phía Nam.
Các hệ thống với các kiểu xoay tấm pin khác nhau.

1.5.2.1Hệ thống điều hướng theo một trục
Đặc điểm của hệ thống định hướng theo 1 trục.
SVTH:

L ớp:

Trang 8


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

-Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đơng sang Tây bằng cách sử dụng một
trục xoay
-Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 25 % so với dàn pin cố định
-Thiết kế đơn giản, dễ lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng phù hợp ở những vị
trí có vĩ độ lớn.
-Tần suất bảo trì thấp.
-Giá thành vật tư thấp hơn so với hệ thống sử dụng 2 trục xoay.
-Khả năng hư hỏng các thành phần thấp

Mơ hình pin mặt trời tự xoay theo một trục.
+Trong loại điều hướng chỉ theo một trục duy nhất này, tấm pin được lắp
trên một dàn được gắn liền trên trục, dàn được đặt một góc nghiêng định trước.
Ưu điểm chính của hệ thống này là góc quay của dàn lớn, chế tạo đơn giản, dễ
lắp ráp, vận hành và bảo trì phù hợp đặt ở những vị trí lắp đặt có cao độ lớn.
+Tuy nhiên, kiểu dàn này khơng có tính ổn định cao và cần đặt vị trí ban
đầu trước khi vận hành.

1.5.2.2 Hệ thống điều hướng theo 2 trục.
+Đặc điểm của hệ thống điều hướng dàn pin năng lượng theo 2 trục:
-Điều hướng xoay tấm pin theo vị trí Mặt Trời từ Đơng sang Tây, và phía
Bắc đến phía Nam bằng cách sử dụng hai trục quay.
-Có thể tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời 37% so với dàn cố định (Tùy
điều kiện thời ---tiết, giả thiết đưa ra với điều kiện thuận lợi nhất).
-Thi công hệ thống phức tạp về mặt cơ khí lẫn điều khiển động cơ xoay.
-Chi phí đầu tư gấp đôi so với hệ thống điều hướng chỉ theo một trục.
-Bảo trì, bảo dưỡng phức tạp hơn hệ thống cố định và điều hướng theo một
trục.
-Các bộ phận nhiều hơn so với hệ thống cố định,tăng khả năng hư hỏng.
+Tấm pin hai trục xoay, một trục thẳng đứng xoay và một trục nằm ngang
xoay. Trong loại điều hướng theo 2 trục này, tấm pin được lắp trên một dàn
SVTH:

L ớp:

Trang 9


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

riêng. Ưu điểm chính của hệ thống này là góc quay của dàn lớn, đến 360 0, qua
đó sẽ thu được ánh sáng mặt trời nhiều hơn, đạt hiệu suất cao. Tuy nhiên, kiểu
dàn này khơng có tính ổn định cao và cần đặt vị trí ban đầu trước khi vận hành,
cần nhiều kết cấu, lắp ráp, vận hành phức tạp.
1.5.3 Lựa chọn phương án kiểu xoay mơ hình
Hệ thống điều hướng 1 trục xoay

Ưu

điểm

Hệ thống điều hướng 2 trục xoay

Tăng hiệu suất thu năng lượng Tăng hiệu suất thu năng lượng cao
mặt trời so với dàn pin cố nhất trong các hệ thống.
định.
Phạm vi áp dụng rộng rãi, không
Đơn giản, dễ thi công hệ cần đặt dàn pin với hướng cho
thống.
trước.
Tần suất bảo trì thấp.

Giảm số lượng tấm pin trong hệ
Giá thành đầu tư chấp nhận thống
được.
nhưng có thể cho lượng điện năng
Khả năng hư hỏng các thành tương đương so với dàn cố định.
phần trong hệ thống thấp.

Với điều kiện vận hành (thời
tiết, độ cao lắp đặt, vị trí địa
phương...) khơng thuận lợi thì
Nhược hiệu suất khơng nâng cao đáng
điểm kể so với dàn cố định.

Thi công hệ thống phức tạp về mặt
cơ khí lẫn điều khiển động cơ xoay.
Chi phí đầu tư và vận hành lớn hơn
hệ thống điều hướng chỉ theo một

trục.

Phải đặt góc nghiêng ban đầu Bảo trì, bảo dưỡng phức tạp.
(vì hệ thống chỉ xoay được
Khả năng hư hỏng cao hơn so với
theo 1 trục).
các hệ thống khác.
Ưu, nhược điểm của hai hệ thống điều hướng pin mặt trời.
Kết luận: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, nhằm thí nghiệm
nâng cao hiệu suất tấm pin nên chọn kiểu điều hướng hai trục xoay cho tấm pin
mặt trời. Tấm pin thử nghiệm công suất nhỏ, trọng lượng khơng đáng kể, hệ
thống trục đỡ nhỏ gọn. Vì vậy động cơ xoay trục cho hệ thống này chỉ là động
cơ công suất nhỏ, tổn hao điện năng vận hành là khơng đáng kể. Mặt khác, để
đạt mục đích nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời tại mọi thời điểm và
nhiều vị trí nên lựa chọn kiểu dàn xoay hai trục này sẽ đáp ứng yêu cầu tốt nhất.

SVTH:

L ớp:

Trang 10


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

CHƯƠNG II. TÍNH TỐN VỀ CƠ KHÍ,MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN.

PIN MẶT TRỜI

HỆ THỐNG

TRỤC XOAY

HIỂN THỊ
ĐIỆN ÁP
MẠCH CẢM
BIẾN
NGUỒN
24VDC

MẠCH GIẢM
ÁP CÒN 5VDC

ĐỘNG CƠ
SERRVO

ARDUINO

Sơ đồ khối thiết kế
Tổng quan về thành phần:
-Hệ thống trục đỡ, trục xoay.
-Tấm pin năng lượng mặt trời.
-Nguồn điện qua mạch giảm áp dùng để nạp điện và nuôi mạch điều khiển
cùng hai động cơ.
-Hai động cơ Servo với chức năng xoay 2 trục.
-Bộ cảm biến hướng sáng được gắn trên đầu tấm pin
-Vi xử lí Arduino đóng vai trị xử lí tín hiệu đầu vào và điều khiển.
Các mạch giảm áp, bảng điều khiển bằng tay và hiển thị thông số. Từ sơ đồ
này, tính tốn và lựa chọn thiết bị phù hợp.
2.1 Tổng quan về linh kiện điện tử
1)Arduino UNO R3

Giới thiệu về Arduino UNO R3

SVTH:

L ớp:

Trang 11


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những
người tự chế ra sản phẩm của mình) trên tồn thế giới trong vài năm gần đây,
gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động. Số
lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thơng lên
đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về
mức độ phổ biến.

Những thành viên khởi xướng Arduino
-Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu
tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử
dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino
Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và
các thiết bị khác?
-Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác
với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác.
Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử
dụng, với một ngơn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với
người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino
chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Mà

nhắc tới dịng 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 phát triển tới thế hệ
thứ 3 (R3).

SVTH:

L ớp:

Trang 12


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

: Bo mạch Arduino UNO R3
Một vài thông số của Arduino UNO R3
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

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như
điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một
trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng
khác.
SVTH:

L ớp:

Trang 13


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

+Các chân năng lượng
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng
các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được
nối với nhau.

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể
được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Dù vậy không được lấy nguồn
5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Lưu ý:
Arduino UNO khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Vì thế ta phải hết
sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino
UNO.
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho
các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Nên việc cấp nguồn sai
vị trí có thể làm hỏng board.
Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới
6V có thể làm hỏng board.
Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều
khiển ATmega328.
Cường độ dịng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino
UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO
sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino
UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu khơng dùng để
truyền nhận dữ liệu, phải mắc một điện trở hạn dòng.
+ Bộ nhớ
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ

nhớ Flash của vi điều khiển.
2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo
khi lập trình sẽ lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ
RAM.
SVTH:

L ớp:

Trang 14


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

1KB
cho
EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống
như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không
phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.
+Các cổng vào/ra

Các cổng kết nối của Arduino UNO
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ
có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở
mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển
ATmega328 (mặc định thì các điện trở này khơng được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị
khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính là
kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng

2 chân này nếu không cần thiết
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với
độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2 8-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở
chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những
chân khác.

SVTH:

L ớp:

Trang 15


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài
các chức năng thơng thường, 4 chân này cịn dùng để truyền phát dữ liệu bằng
giao thức SPI với các thiết bị khác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi
bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với
chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu
10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với
chân AREF trên board, bạn có thể để 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 từ 0V → 2.5V với độ phân
giải vẫn là 10bit.
Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.

+Lập trình cho Arduino
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng.
Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và
Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số
khác thì gọi là C hay C/C++. Riêng mình thì gọi nó là “ngơn ngữ Arduino”, và
đội ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ
C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu. Nếu học tốt chương trình Tin
học 11 thì việc lập trình Arduino sẽ rất dễ thở đối với bạn.
Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm
phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một mơi trường lập trình
Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)
2)PIN mặt trời (Pin năng lượng mặt trời poly 1Wp 6V)
Trong phạm vi làm đồ bài tập đồ án, thiết kế mơ hình mơ phỏng và điều
kiện khơng cho phép. Để phù hợp chúng em chỉ sử dụng PIN có cơng suất nhỏ.
Thơng số kỹ thuật:
- Cơng suất P: 1W
- Điện áp danh định Vmp: 6V
- Dòng danh định Imp: 0-200mA
- Chuẩn loại Pin (cell): Pin Silic đa tinh thể (polycrystalline)
- Kích thước: 110 * 65 * 2.5mm

SVTH:

L ớp:

Trang 16


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Hình pin năng lượng mặt trời poly 1w
Tấm pin năng lượng mặt trời 1W có điện áp ra là 6V, sử dụng để thực
nghiệm điều hướng .
3)Mạch Giảm Áp LM2596
Là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến
3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Tức là khi cấp nguồn 9v
vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v...như 5V hay
3.3V
Thơng số kỹ thuật
Module nguồn không sử dụng cách ly
Nguồn đầu vào từ 4V - 35V.
Nguồn đầu ra: 1V - 30V.
SVTH:

L ớp:

Trang 17


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Dịng ra Max: 3A
Kích thước mạch: 53mm x 26mm
Đầu vào: INPUT +, INPUTĐầu ra: OUTPUT+, OUTPUT-

Hình Mạch Giảm Áp LM2596
+Cách sử dụng LM2596
Khá đơn giản, các bạn chỉ cần cấp nguồn thô vào chân INPUT+, INPUTrồi nhận nguồn ra từ chân OUTPUT+, OUTPUT-

Hình Các chân Mạch Giảm Áp LM2596

Ta có thể chỉnh điện áp đầu ra bằng cách vặn cái biến trở trên module...rồi
lấy đồng hồ đo điện áp đầu ra, hiệu chỉnh sao cho phù hợp.
4) Động cơ servo MG995

SVTH:

L ớp:

Trang 18


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Động cơ servo bản chất là 1 động cơ DC thông thường nhưng được lắp
them hệ thống bánh rang giúp làm giảm tốc độ vòng tua và tăng momen xoắn.
Khác với các lại động cơ điện thông thường chỉ cần cấp nguồn là quay liên
tục, Động Cơ Servo chỉ quay khi được điều khiển với góc quay nằm trong
khoảng bất kì từ 0º đến 180º.

Hình Động cơ servo MG995

+Thơng số kỹ thuật
-Chủng loại : Động cơ servo
· Kích thước : 40 x 19.9 x 43 mm
· Điện áp làm việc : 4.8 V - 7.2 V
· Góc quay Động cơ servo Futaba: 180độ
· Sức kéo tại áp 4.8V : 13kg/cm
· Sức kéo tại áp 6.0V : 15kg/cm
· Tốc độ vận hành 4.8V :0.17 sec / 60độ
· Tốc độ vận hành 6.0V :0.13 sec / 60độ

5)Quang trở 5mm:
Là điện trở có trị số càng giảm khi được chiếu sáng càng mạnh. Điện trở tối
(khi không được chiếu sáng - ở trong bóng tối) thường trên 1M, trị số này giảm
rất nhỏ có thể dưới 100 ôm khi được chiếu sáng mạnh

SVTH:

L ớp:

Trang 19


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Hình Quang trở 5mm
Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán
dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát
sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất
bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào
vật liệu dùng trong chế tạo.

Hình Nguyên lý làm việc của quang trở

- Vài ứng dụng của quang điện trở: Quang điện trở được dùng rất phổ biến
trong các mạch điều khiển.
2.2 Hệ thống trục đở ,trục xoay
2.2.1Thiết kế ban đầu
-Để đảm bảo về phần thiết kế, ta nên xem xét khối lượng tấm pin, trục đỡ, ổ
bi …Đây chỉ là mơ hình thí nghiệm để hiểu rõ về tăng hiệu suất tấm pin ,khơng
đặt ngồi trời, khơng có yếu tố thời tiết như mưa, nắng, gió, bão … vì vậy phải

chọn chất xốp Fomex 10mm để làm khung xoay,giá đở.
-Sau khi nghiên cứu, khảo sát các kết cấu dàn tự xoay tấm pin thì đã cho ra
được đề xuất mơ hình như sau.

SVTH:

L ớp:

Trang 20


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Mơ hình cơ khí 3D được dựng trên phần mềm AUTOCAD MECHANICAL
2.2.2 Cấu tạo khung đỡ hai trục

Khung trục xoay dọc được lắp bằng xốp fomex 10mm được kết nối vào
đế giàn khung ,khung xoay ngang được lắp trên đỉa xoay đứng nhằm thay đổi
góc nhận ánh sáng mặt trời.
Khi động cơ quay trục xoay đứng sẽ xoay một góc phù hợp với điều kiện
ánh sáng theo phương thẳng đứng và giữ cân bằng trục ngang.
-Phần đế chân được ghép với nhau từ các thanh xốp Fomex 10mm, dùng
keo cố định với nhau, đảm bảo chắc chắn cho quá trình vận hành. Chiều dài
thanh ngang 400mm, 4 chân cao 150mm.
-Khung xoay đứng là 1 đĩa xoay hình trịn với đường kính 190mm có 3 gối
đỡ kết dính phía
dưới đĩa lệch nhau 120 độ chống rung lắc.Đĩa xoay và khung gắn tấm pin
đều được được gắn với cánh tay đòn của động cơ serrvo .

SVTH:

L ớp:

Trang 21


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

2.3 Thiết kế Mạch điều khiển.

2.3.1 Mạch nguồn:
- Nguồn cấp 24vdc được cấp vào hai module giảm áp xuống 5vdc , 1 modul

giảm áp cấp nguồn cho arduino và mạch cảm biến ánh sáng,modul còn lại cấp
cho 2 động cơ serrvo.

SVTH:

L ớp:

Trang 22


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử
2.3.2 Mạch cảm biến ánh sáng:

Dàn PIN mặt trời sẽ tự động quay theo mặt trời và ln ln vng góc
với mặt trời. Vì vậy tấm PIN của chúng ta sẽ thu được nhiều ánh sáng mặt trời
hơn, tận dụng được tối đa nguồn ánh sáng ánh sáng mặt trời.
Hệ thống định hướng sử dụng 4 quang trở làm nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng

từ nguồn sáng. Giữ các quang trở này được lắp 1 vách ngăn hình dấu “+” để
phân chia 4 cảm biến quang trở thành 4 hướng khác biệt. Vách ngăn sẽ làm
nhiệm vụ định hướng cho 4 quang trở luôn ln hướng về nơi có nguồn sáng
mạnh nhất ( Mặt Trời ). Khi giá trị của 4 quang trở bằng nhau thì cụm cảm biến
này sẽ vng góc với tia bức xạ của mặt trời.

Hình mơ phỏng cảm biến ánh sáng.

SVTH:

L ớp:

Trang 23


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử

Hình ảnh cảm biến thực tế
2.3.3 Mạch điều khiển động cơ
-Tín hiệu từ cụm cảm biến này sẽ được truyền về trung tâm điều khiển Arduino.
Ở đây , Arduino sẽ tính tốn bằng cách lấy giá trị trung bình của 2 cảm biến quang trở
liền kề trừ đi giá trị trung bình của 2 cảm biến còn lại. Nếu kết quả của giá trị này lớn
hơn 0 thì nó sẽ phát ra xung vng cho động cơ servo quay theo 1 chiều ( và quay theo
hướng ngước lại khi giá trị này nhỏ hơn 0). Nếu giá trị này bằng khơng thì sẽ ngưng
cung cấp xung đến 2 động cơ khiến nó dừng quay và hệ thống giá đỡ pin sẽ giữ cho
pin ở trang thái cố định.
-Mạch cảm biến được cấp nguồn giá trị điện áp ra từ các chân A1, A2, A3, A0
tương đương với cường độ ánh sáng rơi trên tường quang trở, từ đó arduino sẽ tính
tốn được góc nghiêng theo giá trị trả về phát xung điều khiển cho động cơ serrvo hoạt
động cho phù hợp.Các chân băm xung cho serrvo là chân 9 arduino nối serrvo 1,chân

10 nối serrvo 2.

2.4 Xây dựng thuật tốn và chương trình điều khiển
2.4.1 Lưu đồ thuật tốn(Đính kèm bản vẽ)

Chú thích:
cbtt: Cảm biến phía trên bên trái
cbdp: Cảm biến phía dưới bên phải
cbtp: Cảm biến phía trên bên phải)
cbdt: Cảm biến phía dưới bên trái
servo ngang: Động cơ xoay trục ngang
SVTH:

L ớp:

Trang 24


Đồ án:Thiết Kế HT Cơ Điện Tử
servo dọc: Động cơ xoay trục dọc

2.4.2 Code chương trình điều khiển trên arduino
#include <Servo.h>// include Servo library
// 180 horizontal MAX
Servo horizontal; // horizontal servo
int servoh = 90; // 90; // stand horizontal servo
int servohLimitHigh = 170;
int servohLimitLow = 5;
Servo vertical; // vertical servo
int servov = 45; // 90; // stand vertical servo

int servovLimitHigh = 130;
int servovLimitLow = 5;
// LDR pin connections
// name = analogpin;
int ldrlt = A0; //LDR TREN BEN TRAI
int ldrrt = A1; //LDR TREN BEN PHAI
int ldrld = A2; //LDR DUOI BEN TRAI
int ldrrd = A3; //ldr DUOI BEN PHAI
void setup()
{ Serial.begin(9600);
// servo connections
// name.attacht(pin);
horizontal.attach(9);
vertical.attach(10);
horizontal.write(90);
vertical.write(45);
delay(3000);
}
void loop()
{ int lt = analogRead(ldrlt); // tren trai
int rt = analogRead(ldrrt); // tren phai
int ld = analogRead(ldrld); // duoi trai
int rd = analogRead(ldrrd); // duoi phai
// int dtime = analogRead(4)/20; // doc phan ap

SVTH:

L ớp:

Trang 25