Nghiên cứu khoa học ĐHBK HN thiết kế, chế tạo hệ thống tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 1


Tóm tắt công trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2013-2014
Mã số:…
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI
Sinh viên

: Đoàn Thanh Sơn CĐT1 -

K54

Phạm Văn Trưởng CĐT1 -

K54
GVHD

: TS. Đặng Thái Việt
Khoa/Viện

: Cơ khí

TÓM TẮT NỘI DUNG
Nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường một
cách nghiêm trọng.Vấn đề tìm ra các nguồn năng lượng mới, nguồn năng lượng tái tạo được
và nguồn năng lượng xanh đang được cả thế giới quan tâm.Cùng với năng lượng gió, thủy
triều, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng cho thấy nhiều hi vọng trong tương lai.
Muốn thu được năng lượng mặt trời và có thể truyền nó đi được xa hơn, chúng ta cần
pin mặt trời để chuyển năng lượng mặt trời từ dạng quang năng sang điện năng. Pin năng

lượng mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm
pin. Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời hiện nay thường được lắp cố định nên làm giảm hiệu
suất thu năng lượng của tấm pin. Để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất chúng
ta cần một hệ thống điều chỉnh tấm pin luôn hướng về phía mặt trời.
Mục đích của đề tài là tự động hóa quá trình điều khiển định hướng tấm pin mặt trời kể
cả khi bị mây che mất ánh sáng. Đồng thời, cũng thay đổi chế độ điều khiển tự động thành chế
độ điều khiển bằng tay một cách linh hoạt phục vụ trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Solar Tracking System: More Efficient Use of Solar Panels (J. Rizk and Y. Chaiko)
2. Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời (Đinh Hồng Bộ, Nguyễn Nhật
Dương,Nguyễn Hồng Long,Đỗ Văn Sơn)
3. Tống Văn On, Hoàng Đức Hải; Họ vi điều khiển 8051; Nhà xuất bản Lao động- Xã
hội; Xuất bản năm 2009
4. Huỳnh Đắc Thắng; Kỹ thuật số thực hành; NXB KH-KT; Hà Nội 2006
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 2


LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, nguồn cung cấp điện chủ yếu tại Việt Nam là thủy điện và nhiệt điện. Tuy
nhiên, thủy điện gây mất cân bằng sinh thái và nhiệt điện tiêu tốn một lượng khoáng sản mà
nước ta đang ngày càng cạn kiệt. Không những vậy,nhiệt điện còn gây ô nhiễm môi trường
nghiêm trọng.Qua đây, ta thấy tầm quan trọng của các nguồn năng lượng thay thế - năng
lượng xanh, đặc biệt là năng lượng mặt trời.
Với ưu điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường,
năng lượng mặt trời đang là giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn
kiệt trên Trái Đất. Ở Việt Nam, thiên nhiên ưu đãi cho nước ta một lượng bức xạ mặt trời

thuộc loại cao nhất trên thế giới (vào khoảng 4.5 – 6 KWh/m
2
). Do đó, thật uổng phí nếu
chúng ta bỏ qua nguồn năng lượng tự nhiên này.
Mong muốn đưa năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến và phát triển hơn nữa ở
Việt Nam, đem những kiến thức đã học được áp dụng vào thực tế sản xuất và đời sống. Vì
vậy, nhóm sinh viên chúng em đã thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống tối ưu hóa
hiệu suất pin mặt trời”. Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng công nghệ xác định vùng cực
đại năng lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất phát điện hệ thống pin điện mặt trời.
Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức
đã học, kế thừa và phát triển những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây.Đó còn là
sự kết hợp giữa cơ khí - điện tử - tin học để đem đến một sản phẩm hoàn thiện có tính ứng
dụng cao, phù hợp với điều kiện hiện tại ở Việt Nam.
Do thời gian, kinh phí có hạn và kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên sản phẩm của
chúng em không thể tránh khỏi thiếu xót và hạn chế, chúng em rất mong nhận được sự góp ý,
chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn.
Chúng em xin trân thành cảm ơn Thầy – TS. Đặng Thái Việt, cùng các thầy cô trong bộ môn
Máy và Ma sát đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này,
chúng em cũng xin trân thành cảm ơn ban lãnh đạo bộ môn đã tạo mọi điều kiện làm việc
cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua.
Hà nội, ngày 2 tháng 5 năm 2014
Nhóm sinh viên thực hiện

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 3



PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1. Đặt vấn đề:
Nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường một cách
nghiêm trọng.Vấn đề tìm ra các nguồn năng lượng mới, nguồn năng lượng tái tạo được và
nguồn năng lượng xanh đang được cả thế giới quan tâm.Cùng với năng lượng gió, thủy triều,
năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng cho thấy nhiều hi vọng trong tương lai.
Muốn thu được năng lượng mặt trời và có thể truyền nó đi được xa hơn, chúng ta cần
pin mặt trời để chuyển năng lượng mặt trời từ dạng quang năng sang điện năng. Pin năng
lượng mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm
pin. Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời hiện nay thường được lắp cố định nên làm giảm hiệu
suất thu năng lượng của tấm pin. Để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất chúng
ta cần một hệ thống điều chỉnh tấm pin luôn hướng về phía mặt trời.
2. Mục tiêu của đề tài:
- Giải quyết được các vấn đề của hệ thống cũ, đồng thời phát triển hệ thống để nâng cao hiệu
suất hơn nữa:
 Điều khiển tấm pin luôn chuyển động hướng vuông góc với tia sáng mặt trời, làm tăng
hiệu suất chuyển đổi năng lượng quang – điện.
 Có khả năng chuyển chế độ làm việc phù hợp với điều kiện thời tiết hiện tại
 Nâng cao độ chính xác của hệ thống bằng việc sử dụng các sensor xác định phương
hướng.
- Thiết kế, chế tạo, mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời.
3. Phạm vi nghiên cứu:
Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ định hướng pin mặt trời nhưng do điều kiện thời
gian, kinh phí có hạn, đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau:
1. Mô hình hóa hệ thống định hướng pin mặt trời để có thể phát triển, áp dụng rộng rãi
vào thực tiễn.
2. Sử dụng hệ thống sensor trong nhận biết phương hướng.
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 4

3. Dùng chip vi điều khiển để giám sát, xử lý, đưa ra tín hiệu điều khiển hệ thống.
4. Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ một chiều có sử dụng đĩa encoder.
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 5



PHẦN II: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Giới thiệu chung về đề tài
1.1. Nội dung đề tài
Đề tài gồm 3 phần:
1. Thiết kế chế tạo cơ khí
2. Thiết kế chế tạo phần cứng điện tử
3. Thiết kế phần mềm

1.2. Tổng quan sơ đồ của hệ thống

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 6



1.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hệ thống có 3 chế độ hoạt động:
1. Chế độ bám:
Khi hệ thống ở chế độ bám, tấm pin sẽ di chuyển tự động đến vị trí thẳng góc với mặt

trời nhờ hai động cơ ở hai trục từ tín hiệu các sensor đưa về.
2. Chế độ tự động:
Khi mặt trời bị mây che, hoặc vào những ngày mưa … cường độ sáng sẽ xuống mức
rất thấp, do đó sensor sẽ không nhận đủ độ sáng cần thiết để xác định hướng di chuyển cần
thiết, khi đó hệ thống sẽ chuyển sang chế độ tự động. Mạch xử lý trung tâm sẽ nhận tín hiệu
thời gian thực về ngày, giờ hiện tại, so sánh với giá trị góc quay được lưu sẵn trong chip để
điều khiển hệ thống xoay đến vị trí thích hợp, đảm bảo cho hệ thống vẫn hoạt động tốt trong
điều kiện xấu.
3. Chế độ thủ công:
Ở chế độ này, hệ thống sẽ đươc vận hành thủ công nhờ 4 nút điều khiển ứng với 4
hướng Đông – Tây và Nam – Bắc. Người vận hành sẽ xoay tấm pin theo hướng vuông góc với
ánh sáng mặt trời chiếu xuống. Chế độ này được sử dụng khi hệ thống gặp lỗi, hư hỏng hay
bảo dưỡng mà vẫn đảm bảo được yêu cầu đề ra.
Mạch còn có hệ thống đèn led báo chế độ, hướng di chuyển hiện tại, ngày, giờ theo
thời gian thực … giúp người vận hành có thể kiểm soát hệ thống một cách tốt nhất.
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 7



2. Thiết kế, chế tạo cơ khí
2.1.Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống cơ khí:
Nhiệm vụ:
Cơ cấu cơ khí bao gồm các chi tiết nâng đỡ, điều chỉnh tấm pin chuyển động hướng
theo mặt trời.
Yêu cầu:
- Kết cấu đơn giản.
- Đạt độ cứng vững.
- Tỉ số truyền lớn.

- Chuyển động đạt độ chính xác cao.
2.2. Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí:
Trước khi thiết kế, chúng ta cần phải lựa chọn phương pháp để điều khiển tấm pin hướng
theo mặt trời. Có 2 phương pháp khả thi cho việc điều khiển chuyển động. Phương pháp thứ
nhất là nghiêng tấm pin theo 2 trục để đạt vị trí yêu cầu (hình 2.1a ), phương pháp thứ hai là
đồng thời xoay và nghiêng tấm pin theo 2 trục cũng đạt được kết quả tương tự (hình 2.1b).

Hình 2.1: Chuyển động quay theo 2 trục tọa độ
Sau khi tìm hiểu kĩ 2 phương pháp, chúng em thấy rằng phương pháp thứ 2 xoay và
nghiêng theo 2 trục ít phức tạp hơn. Từ đó, nhóm đã xây dựng hệ thống cơ khí theo phương
pháp này.
Chuyển động quay quanh 2 trục thông qua việc truyền động giữa các cặp bánh răng trụ
và các cặp bánh vít - trục vít.
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 8



1. Truyền động bánh răng có ưu điểm nổi bật:
- Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn.
- Tỷ số truyền không thay đổi.
- Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 0,99
- Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy.
Tuy nhiên truyền động bánh răng có các nhược điểm sau:
- Chế tạo tương đối phức tạp.
- Đòi hỏi độ chính xác cao.
- Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn.
2. Truyền động trục vít – bánh vít có ưu điểm sau:
- Tỉ số truyền lớn1

- Làm việc êm, không ồn.
Nhược điểm của bộ truyền trục vít – bánh vít:
- Giá thành đắt
3. Ổ lăn được sử dụng để đỡ hai trục chuyển động, loại ổ lăn dùng là loại ổ bi đỡ một dãy. So
với ổ trượt, ổ lăn có ưu điểm:
- Hệ số ma sát nhỏ.
- Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, ít tốn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ bôi trơn.
- Kích thước chiều rộng ổ lăn nhỏ hơn chiều rộng ổ trượt có cùng đường kính ngõng
trục.
- Mức độ tiêu chuẩn hóa và tính lắp lẫn cao, thay thế thuận tiện, giá thành thấp do sản
xuất hàng loạt.
Tuy nhiên ổ lăn có một số nhược điểm:
- Lắp ghép tương đối khó khăn.
- Kích thước hướng kính lớn.
- Lực quán tính tác dụng lên các con lăn khá lớn khi làm việc với vận tốc cao.
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 9


Do trục có lắp ghép với các chi tiết máy khác như ổ lăn, bánh răng nên ta chọn trục là loại trục
bậc, tuy có kết cấu phức tạp hơn trục trơn nhưng đảm bảo các điều kiện lắp ghép.
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 10



2.3. Tính toán tỉ số truyền
Khâu 1:

Khâu 2:



Tỉ số truyền khâu 1 bằng tích tỉ số truyền
giữa 2 cặp bánh răng thẳng và trục vít – bánh
vít:
â 1 1 2 3
85 85 70
. . 2258
14 16 1
kh u
u u u u    





Tỉ số truyền khâu 2 bằng tích tỉ số truyền
giữa cặp bánh răng thẳng và trục vít – bánh
vít:
â 2 1 2
85 1
. 0.076
16 70
kh u
u u u   

2.4.Thiết kế trục
2.4.1.Chọn vật liệu thiết kế trục

Chọn vật liệu là thép C45, thường hóa, có:
- Giới hạn bền:
600 MPa
b
 

- Giới hạn chảy:
360 MPa
ch
 
- Ứng suất xoắn cho phép:
[ ] 15 30 MPa
  

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 11


2.4.2.Tính các lực tác dụng lên trục
Trục 1:
Các thông số đầu vào:
1
w1
'
w1
1

513
52
14
1
òn / út
14
T Nmm
d mm
d mm
n v g ph














Góc ăn khớp:
20
o


Góc vít:

7
o



Lực bánh vít:

1 1 w1
1 1
1 1
2 / 19.731
tan 2.423
tan 7.181
t
a t
r t
F T d N
F F N
F F N


 


 


 


Lực bánh răng thẳng:

' '
1 1 w1
' '
1 1
2 / 73.286
tan 26.734
t
r t
F T d N
F F N


 


 



69.0
l
3
=
l
2
=
l
1

=
F
x11
F
y11
F
t1
F
a1
F
r1
F
'
r1
F
y12
F
x12
F
'
t1
26.5
34.5

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 12


'

1 1 11 12
11
'
1 1 11 12
12
'
11
1 w1 12 3 1 2 1 1
'
12
12 3 1 2 1 1
0
35.274
0
18.281
19.144
/ 2 0
14.771
0
x t t x x
x
y r r y y
x
y
x a y r r
y
y x t t
F F F F F
F N
F F F F F

F N
F N
M F d F l F l F l
F N
M F l F l F l

    




      



 

    
 
 

   







21.0 47.0 12.0

21.0
l
3
l
1
l
2
l
4
40N
16.301N
34.067N
29.171N
80.147N
63.846N
16.762N
40
z
y
x
2000Nmm
840
1118.851
840
1
2
3
766.147
2000
2000

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 13



Trục 2:

Các thông số đầu vào:

2
w2
2
1 2
1 2
2725
68
0.013 òn / út
P 40
2000
T Nmm
d mm
n v g ph
P N
M M Nmm










 

  


Góc ăn khớp:
20
o


Lực bánh răng thẳng:

2 w2
2 / 80.147
tan 29.171
t
r t
F T d N
F F N

 


 


21.0 47.0 12.0
21.0
l
3
l
1
l
2
l
4
P
1
F
x21
F
y21
F
r
F
t
F
x22
F
y22
P
2
z
y
x

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 14


   
 
21 22
21
1 2 21 22 22
21
1 1 2 22 2 3 2 2 3 4
22
22 2 3 2
0
16.301
0
63.846
34.067
0
16.762
0
x t x x
x
y r y y x
y
x r y
y

y x t
F F F F
F N
F P P F F F
F N
F N
M Pl F l F l l P l l l
F N
M F l l Fl

   




      



 

       
 
 

    








21.0 47.0 12.0
21.0
l
3
l
1
l
2
l
4
40N
16.301N
34.067N
29.171N
80.147N
63.846N
16.762N
40
z
y
x
2000Nmm
2000Nmm
840
1118.851
840
1

2
3
766.147
2000
2000


Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 15



2.4.3.Kiểm nghiệm độ bền
Trục 1:
 
1
1
1
2 2
1 1 1
2 2
d1 1 1
1
3
1 1
507.316
934.761
376.47
1063.554

= 0.75 1112.405
2.647
0.1
x
y
y x
t
td
l
M
M
T
M M M
M M T
M
d d










  





 

   

 
2
2
2
2 2
2 2 2
2 2
d2 2 2
2
3
2 2
446.596
630.665
376.47
772.778
= 0.75 838.739
2.409
0.1
x
y
y x
t
td
l
M

M
T
M M M
M M T
M
d mm d










  




 

   


Thỏa mãn điều kiện bền

Thỏa mãn điều kiện bền
Trục 2:

 
1
1
1
2 2
1 1 1
2 2
d1 1 1
1
3
1 1
840
0
2000
840
= 0.75 1924.99
3.178
0.1
x
y
y x
t
td
l
M
M
T
M M M
M M T
M

d d










  




 

   

 
2
2
2
2 2
2 2 2
2 2
d2 2 2
2
3

2 2
1118.851
766.147
2000
1356.027
= 0.75 2199.729
3.322
0.1
x
y
y x
t
td
l
M
M
T
M M M
M M T
M
d mm d











  




 

   


Thỏa mãn điều kiện bền

Thỏa mãn điều kiện bền
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 16


 
3
3
3
2 2
3 3 3
2 2
d3 3 3
3
3
3 3

840
0
2000
840
= 0.75 1924.99
3.178
0.1
x
y
y x
t
td
l
M
M
T
M M M
M M T
M
d d











  




 

   


Thỏa mãn điều kiện bền
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 17



2.5. Hình ảnh các chi tiết được thiết kế.

Hình 2.2: Đế và tấm ốp trên khâu 1

Hình 2.3: Tấm ốp và giá đỡ khâu 2

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 18


Hình 2.4: Các loại trục

Hình 2.5: Mô hình được thiết kế

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 19



3.Thiết kế, chế tạo mạchđiện tử
Sơ đồ các khối:









Hệ thống bao gồm 8 khối:
- Mạch sensor: cung cấp tín hiệu về hướng cho mạch so sánh.
- Mạch so sánh: xử lý tín hiệu từ sensor đưa về, rồi đưa tín hiệu vào vi điểu khiển.
- Mạch Encoder: cung cấp tín hiệu về số vòng quay được của động cơ cho mạch xử lý
trung tâm giúp xác định góc quay hiện tại của tấm pin.
- Mạch xử lý trung tâm: nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển, đồng thời lưu dữ liệu
cho chế độ điều khiển tự động theo thời gian, hiển thị báo hiệu nguồn, chế độ hoạt
động, hướng quay…
- Mạch thời gian thực: cung cấp dữ liệu thời gian thực về ngày, giờ, mùa trong năm
phục vụ cho chế độ điều khiển tự động.
- Mạch công suất: nhận tín hiệu điều khiển từ mạch so sánh để điều khiển động cơ.

- Động cơ: là cơ cấu chấp hành, tạo momen quay.
- Nguồn: cung cấp nguồn điện cho toàn hệ thống.
Ngu
ồ
n

Mạch so sánh
Mạch sensor
Mạch công suất
Động cơ
M
ạ
ch x
ử

lý trung tâm

M
ạ
ch th
ờ
i gian th
ự
c

Mạch Encoder
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 20

3.1.Mạch sensor
Hệ thống bám mặt trời hoạt động dựa trên sự thay đổi cường độ chiếu sáng của mặt
trời tới cảm biến, từ đó sẽ nhân biết được hướng di chuyển của mặt trời. Trong hệ thống sử
dụng cảm biến quang LDR(Light Dependent Resistors là 1 loại cảm biến ánh sáng đơn giản,
nguyên tắc hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong.

Hình 3.1: Hình dạng thực tế và kí hiệu của quang điện trở.
Khi ánh sáng kích thích chiếu vào LDR thì nội trở của LDR sẽ giảm xuống , tiến về 0
ôm( mạch kín). Nhưng khi ánh sáng kích thích ngừng thì nội trở tăng đến vô cùng( hở mạch).
Để phát hiện sự thay đổi cường độ chiếu sáng của mặt trời chúng ta sử dụng 1 cặp 2 sensor đặt
tại 2 hướng đối diện.

Hình 3.2: Cặp sensor trong mạch so sánh.
Điện áp tại đầu ra của mạch sensor được tính theo công thức sau:



Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 21


Do điện trở của cảm biến dao động từ vài Ω tới xấp xỉ 1MΩ nên điện áp ra dao động
trong khoảng từ 0-5V với điện áp cung cấp = 5V.
Hệ thống bám mặt trời bám theo 2 phương Đông – Tây và Nam – Bắc nên cần sử dụng
2 cặp sensor trên.Tín hiệu điện áp từ 2 cặp sensor này sẽ được đưa vào mạch so sánh để xử lý.
Sơ đồ mạch hoàn chỉnh và linh kiện dùng trong mạch:

Hình 3.3: Sơ đồ mạch hoàn chỉnh.
Linh kiện:
4 quang điện trở CDS PGM5506 có các đăc tính và thông số kĩ thuật:

Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 22



3.2.Mạch so sánh
Do mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển để nhận, xử lý và đưa ra tín hiệu
điều khiển nên tín hiệu đầu ra của mạch so sánh phải là tín hiệu logic 0-1(mức 0 ứng với giá
trị điện áp 0V và 1 ứng với giá trị điện áp 5V). Trong khi đó tín hiệu đầu vào là tín hiệu điện
áp tuyến tính. Do vậy chúng ta sẽ sử dụng mạch so sánh để chuyển tín hiệu analog thành tín
hiệu số. Để tối ưu phần cứng cũng như thiết kế mạch, chúng ta sẽ sử dụng các IC khuếch đại
thuật toán(OPAMP).
Điện áp đầu ra của mạch sensor phụ thuộc tuyến tính vào điện trở của cặp sensor.Khi
mặt trời ở vị trí thẳng góc với hai cặp sensor, điện trở của mỗi sensor tại mỗi cặp bằng nhau,
nhưng trên thực tế có độ sai lệch nhất định giữa chúng cho dù giá trị rất nhỏ.Chính giá trị sai
lệch này sẽ khiến hệ thống đáp ứng sự thay đổi ngay cả khi mặt trời đã ở vị trí thẳng góc.Điều
này khiến hệ thống mất ổn định, tổn hao năng lượng vô ích…việc tạo khoảng dừng sẽ giúp hệ
thống ngừng đáp ứng khi sai lệch còn ở trong khoảng cho phép.Khoảng cho phép này được
tạo ra nhờ sử dụng hai mạch so sánh tạo bởi hai Opamp và sẽ ảnh hưởng tới độ nhạy của hệ
thống.

Hình 3.4: Các khoảng điện áp đầu vào.
Tạo ra khoảng “dừng” nhờ việc sử dụng 2 mạch so sánh sử dụng 2 OPAMP:
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 23



Hình 3.5: Mạch so sánh dùng 2 opamp
Hai mạch so sánh có chung đầu vào ở hai cực khác nhau. Điện áp đầu vào này được so sánh
với 2 điện áp cố định tạo ra bởi 2 cầu phân áp bằng 2 biến trở RV1 và RV2.

Hình 3.6: Cầu phân áp
Cầu phân áp hình 1 có sơ đồ tương đương như hình 2 với R2, R3 là 2 điện trở có giá trị thay
đổi. Công thức tính điện áp Vout của cầu:

Do Vcc cố định, nên khi R2, R3 cố định thì điện áp Vout cũng cố định. Hai điện áp cố
định này có giá trị chênh lệch nhau từ vài phần mười vôn tới vài vôn tùy theo yêu câu độ nhạy
của hệ thống do người dùng đặt. Cách mắc này cho phép hệ thống tạo ra ba khoảng điện áp
đầu vào có thể điều chỉnh được.
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 24


Điện áp Vout trên chân ra của Opamp được tính theo công thức:
: Khi khuếch đại đảo
: Khi khuếch đại không đảo
Do không có điện trở hồi tiếp ( = ) nên hệ số K trong công thức bằng vô cùng do
đó điện áp ra chỉ nhận hai giá trị 0V(min) hoặc (max) ứng với hai giá trị logic 0 và 1.
Tín hiệu dạng số này sẽ được vào mạch xử lý trung tâm để xử lý và xuất tín hiệu điều khiển.
Cụ thể đối với cặp sensor Đông – Tây là:
Khoảng điện áp Output 1 Output 2 Kết quả
V

in
= 0V V
out 1
Vcc (giá trị logic 1) 0V (giá trị logic 0) Mặt trời nghiêng về
phía Đông
V
in
= V
out 1
V
out 2

Vcc (giá trị logic 1) Vcc (giá trị logic 1) Mặt trời ở vị trí
thẳng góc
V
in
= V
out 2
Vcc
0V (giá trị logic 0) Vcc (giá trị logic 1) Mặt trời nghiêng về
phía Tây

Từ cặp giá trị Output 1 và Output 2 chúng ta sẽ biết được vị trí của mặt trời so với tấm pin.
Tương tự đối với cặp sensor Nam – Bắc.
Báo cáo nghiên cứu khoa học GVHD: TS. Đặng Thái Việt

SV: Đoàn Thanh Sơn – Phạm Văn Trưởng – CĐT1 – K54 25

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh và linh kiện dùng trong mạch:

Hình 3.7:Sơ đồ mạch hoàn chỉnh
Để tối ưu phần cứng cũng như thi công mạch, chúng ta sử dụng IC khuếch đại thuật toán
LM358 với 2 Opamp tích hợp.