Hệ thống theo dõi vị trí của mặt trời, cho các tấm pin năng lượng mặt trời (Sun Tracking Solar Panel system)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (684.18 KB, 20 trang )
DEPARTMENT OF COMPUTER AND COMMUNICATION ENGINEERING
FACULTY OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING
HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION
Email:
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
nt
[1]
Major
Computer
Technology
ID
Engineering
Supervisor
Assoc. Prof. Phan Van
Ca
Copyright ©2021 CCE Department.
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
Mục lục
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
7.2
7.3
7.4
2
Division of Labor................................................................................................. 15
Bill of Material..................................................................................................... 15
Gantt Chart......................................................................................................... 16
User manual........................................................................................................ 16
Confidential Property of CCE Dept.
SW Design Document
Department-HCMUTE
Terms
CCE
and abbreviations
[LDR]
Light-dependent resistor.
[RISC]
Reduced Instructions Set Computer.
[IPS]
Instructions per second.
[EEPROM]
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory.
[SRAM]
Static random-access memory.
[I/O]
Input/Output port.
[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] />[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
SW Design Document
Department-HCMUTE
4
Confidential Property of CCE Dept.
CCE
SW Design Document
Department-HCMUTE
1
CCE
Introduction
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”.
Confidential Property of CCE Dept.
5
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
2 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
6
Confidential Property of CCE Dept.
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
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 khơng đổi và khơng có chuyển động quay.
2.2.1 Non-functions
Trong thực tế hệ thống cảm biến mặt trời cịn 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
khơng 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 thơng báo tình trạng hoạt động
hiện tại của hệ thống cho máy tính hoặc điện thoại để người dùng dễ nhận biết
Confidential Property of CCE Dept.
7
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
3 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 dịng 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,….
Tham số
Giá trị
Loại CPU
AVR 8-bit
Tốc độ CPU tối đa
20 MHz
Hiệu suất
20 MIPS ở 20 MHz [2]
Bộ nhớ flash
32KB
SRAM
2KB
EEPROM
1KB
Sốc chân đóng gói
28 hoặc 32
Các kênh cảm ứng điện dung 16
Số chân I/O tối đa
23
Ngắt ngồi
2
Kết nối USB
Khơng
Bảng 1 Thơng số Atmega328p
Hình 1 Sơ đồ chân ATMega328
8
Confidential Property of CCE Dept.
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
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.
Confidential Property of CCE Dept.
9
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
4 System Architecture
Hình 2 Sơ đồ khối hoạt động hệ thống
Hình 3 Mạch kết nối
10
Confidential Property of CCE Dept.
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
5 Detailed Design
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 khơng
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
Mô tả
Chức năng
Mô tả chức năng
1
PC6
reset
Khi chân reset này ở mức thấp, bộ vi điều khiển
và chương trình của nó sẽ được reset.
2
PD0
3
PD1
4
PD2
5
PD3
6
PD4
7
8
Vcc
GND
9
XTAL
10
XTAL
Chân kỹ thuật
số (RX)
Chân kỹ thuật
số (TX)
Chân kỹ thuật
số
Chân kỹ thuật
số (PWM)
Chân kỹ thuật
số
Điện áp dương
Nối đất
Dao động tinh
thể
Dao động tinh
thể
Chân đầu vào cho giao tiếp nối tiếp
Chân đầu ra cho giao tiếp nối tiếp
Chân 4 được sử dụng làm ngắt ngoài 0
Chân 5 được sử dụng làm ngắt ngoài 1
Chân 6 được sử dụng cho nguồn bộ đếm bên
ngoài Timer0
Nguồn dương của hệ thống
Nối đất của hệ thống
Chân này nối với một châncủa bộ dao động tinh
thể để cung cấp xung nhịp bên ngồi cho chip
Chân này nối với chân cịn lại của bộ dao động
tinh thể để cung cấp xung nhịp bên ngoài cho
chip
Confidential Property of CCE Dept.
11
SW Design Document
Department-HCMUTE
12
Confidential Property of CCE Dept.
CCE
SW Design Document
Department-HCMUTE
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
CCE
Chân kỹ thuật
số (PWM)
Chân kỹ thuật
PD6
số (PWM)
Chân kỹ thuật
PD7
số
Chân kỹ thuật
PB0
số
Chân kỹ thuật
PB1
số (PWM)
Chân kỹ thuật
PB2
số (PWM)
Chân kỹ thuật
PB3
số (PWM)
Chân kỹ thuật
PB4
số
Chân kỹ thuật
PB5
số
AVcc Điện áp dương
Tham chiếu
AREF
analog
GND Nối đất
Đầu vào
PC0
analog
Đầu vào
PC1
analog
Đầu vào
PC2
analog
Đầu vào
PC3
analog
PD5
27
PC4
Đầu vào
analog
28
PC5
Đầu vào
analog
Chân 11 được sử dụng cho nguồn bộ đếm bên ngoài
Timer1
Bộ so sánh analog dương i / ps
Bộ so sánh analog âm i / ps
Nguồn đầu vào bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ
Bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ so sánh khớp A
Chân này hoạt động như lựa chọn slave i / p.
Chân này được sử dụng làm đầu ra dữ liệu master và
đầu vào dữ liệu slave cho SPI.
Chân này hoạt động như một đầu vào xung nhịp master
và đầu ra xung nhịp slave.
Chân này hoạt động như một đầu ra xung nhịp master
và đầu vào xung nhịp slave cho SPI.
Điện áp dương cho ADC (nguồn)
Điện áp tham chiếu analog cho ADC (Bộ chuyển đổi
analog sang kỹ thuật số)
Nối đất của hệ thống
Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 0
Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 1
Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 2
Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 3
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.
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)
Confidential Property of CCE Dept.
13
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
4. Động cơ servo
Servo 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
Dây
Dây
màu cam: Nối với các chân tín hiệu PWM.
màu đỏ: Nối với nguồn (5.5V để hoạt động bình thường).
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:
14
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
Bảng lắp mạch
Confidential Property of CCE Dept.
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
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);
Confidential Property of CCE Dept.
15
SW Design Document
Department-HCMUTE
Serial.println ("");
Serial.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
}
16
Confidential Property of CCE Dept.
CCE
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
6 Final Product
Hình 4 Sản phẩm cuối cùng
Hình 5 . Sản phẩm cuối cùng
Confidential Property of CCE Dept.
17
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
7 Appendix
7.1 Division of Labor
I
D
1
2
3
Activity
Description
Lên ý
tưởng
Xác định mục
tiêu, sản phẩm
cần làm
Thiết kế
sợ bộ hệ
thống
Thiết kế các
thức hoạt động
của hệ thống
Tìm hiểu
các thiết
vị cần
thiết
Xác định được
các linh kiện
cần dùng để
thiết kế sản
phẩm
Dựa trên sơ đò
nguyên lý và
sơ đồ khối để
lắp ráp, lập
trình cho sản
phẩm
Kiểm tra, đưa
sản phẩm vào
hoạt động thử
nghiệm
Xử lý các vấn
đề gặp phải và
nâng cấp cải
tiến sản phẩm
Trình bày q
trình làm sản
phẩm, chức
năng và thơng
số chi tiết của
Lập trình
là lắp ráp
4
5
6
7
Kiểm thử
hệ thống
Sửa chữa
và nâng
cấp
Hồn
thành báo
cáo
Deliverables/
Checkpoints
Ý tưởng về
sản phẩm
Sơ đồ nguyên
lý và sơ đò
khố của hệ
thống
Danh sách
các linh kiện
cần thiết
Duration
(Days)
People
1
Both
1
Both
Both
1
Sản phẩm
ban đầu
Both
Các vướng
vấn đề còn
vướng phải
của hệ thống
Resources
Predecessors
Internet và
các thiết bị
truy cập
internet
Internet và
các thiết bị
truy cập
internet
Internet và
các thiết bị
truy cập
internet
/
Công cụ hỗ
trợ lắp ráp
Phần mềm
Arduino
IDE
3
1
2
4
Both
1
5
Both
Nội dung báo
cáo
6
1
Both
7.2 Bill of Material
ID
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
18
Parts/Components
Atmega328
Động cơ Servo SG90
Quang trở
Thạch anh 16Mhz 2 chân
Điện trở 10k 1/4w (10)
Nút nhấn
Tụ gốm 22pF
Bộ chuyển đổi UART –
TTL
Dây nối (1 tá)
Tụ 10uF
Breadboard
Amount
1
1
2
1
1
1
4
Price per Unit
140.000 vnd
30.000 vnd
2.000 vnd
2.000 vnd
1.000 vnd
1.000 vnd
250 vnd
Total
140.000 vnd
30.000 vnd
2.000 vnd
2.000 vnd
1.000 vnd
1.000 vnd
1.000 vnd
1
25.000 vnd
25.000 vnd
4
1
1
4.000 vnd
3.000 vnd
20.000 vnd
12.000 vnd
3.000 vnd
20.000 vnd
Confidential Property of CCE Dept.
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
7.3 Gantt Chart
ID
1
2
3
4
5
6
7
Task name
Lên ý tưởng
Thiết kế sợ bộ hệ thống
Tìm hiểu các thiết vị cần thiết
Lập trình là lắp ráp
Kiểm thử hệ thống
Sửa chữa và nâng cấp
Hoàn thành báo cáo
Start
12-12
12-12
12-12
12-12
13-12
13-12
14-12
Finish
12-12
12-12
12-12
12-12
13-12
13-12
14-12
Duration
3 giờ
3 giờ
2 giờ
4 giờ
3 giờ
3 giờ
1 ngày
Confidential Property of CCE Dept.
19
SW Design Document
Department-HCMUTE
CCE
7.4 User manual
Hướng 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/đơng 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 khơng có ấn nút reset vào buổi thơi có thể sáng hơm 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.
20
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.
Confidential Property of CCE Dept.
