Đồ án Hệ thống nhúng: Đèn đường năng lượng mặt trời dựa trên ARM Cortex ( STM32)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG Đèn đường lượng mặt trời dựa ARM Cortex (STM32) Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Ngọc Minh Nhóm : 10 Sinh viên thực :Vũ Mạnh Hùng - B17DCDT089 Nguyễn Ngọc Khánh - B17DCDT101 Nguyễn Hải Nam - B17DCDT129 Lê Phấn Nguyên – B17DCDT137 Lớp : D17XLTH1 HÀ NỘI - 2021 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng đưa môn học Đồ án thiết kế hệ thống nhúng vào chương trình giảng dạy Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên môn - thầy Nguyễn Ngọc Minh dạy hướng dẫn chúng em thời gian học tập vừa qua Đồ án nhóm em tìm hiểu Đèn đường lượng mặt trời dựa ARM Cortex (STM32) Tuy nhiên, thời gian học tập lớp không nhiều, cố gắng chắn hiểu biết kỹ chúng em cịn nhiều hạn chế Do đó, Đồ án khó tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy xem xét góp ý giúp sản phẩm nhóm em hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2021 Sinh viên Nhóm 10 MỤC LỤC A - MỤC TIÊU ĐỒ ÁN ……………………………………… …………… B - CÁC KHÁI NIỆM ………………………………………………….…… I Năng lượng mặt trời…………………………………………………… II Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)………… 4 Khái niệm……………………………………………………… … Ưu điểm PWM so với biến áp/chiết áp……………….…… Những tham số cần quan tâm ………………………………………… Các phương pháp điều chế độ rộng xung …………………………… 10 C - SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG…………………… …………….…… 11 I Sơ đồ khối …………………………………………… …… 11 II Sơ đồ mạch ……………………………………….………… … 11 Mạch bảo vệ sạc……………………………………………… 11 Mạch cấp nguồn 5V cho STM32……………………………… … 13 Mạch điều khiển LED sử dụng STM32F103C8T6……………… 14 D - CÁC THƠNG SỐ CHÍNH CỦA MẠCH………………………… 15 Thời gian sạc đầy Ắc quy…………………………………….…… 15 Công suất tiêu thụ mạch đèn LED……………………….…… 16 E - LẬP TRÌNH CHO STM32 BẰNG PHẦN MỀM STM32CUBE 18 VÀ KEILC Cấu hình chân Timer2 cho PA0 STM32Cube ……………… 18 Mã nguồn điều chế xung cho KeilC……………………………… 20 Nạp code cho STM32 mạch cứng mô phỏng………………… 21 F - TỔNG KẾT………………………………………………………… …… 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………… 23 A - MỤC TIÊU ĐỒ ÁN - Tìm hiểu kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM); - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động Đèn đường lượng mặt trời dựa ARM Cortex (STM32) - Đánh giá ưu điểm nhược điểm hệ thống - Ứng dụng sống, đặc biệt chiếu sáng đường phố B - CÁC KHÁI NIỆM I Năng lượng mặt trời - Năng lượng mặt trời trở thành nguồn lượng thay phổ biến nguồn lượng tái tạo Đó lượng đến tài nguyên thiên nhiên từ mặt trời Ngày nay, có nhiều thiết bị gia dụng thiết bị dựa lượng mặt trời xe chạy lượng mặt trời, tòa nhà sử dụng lượng mặt trời, đèn chiếu sáng đường phố chí đèn lượng mặt trời cho ứng dụng nhỏ - Các dự án thiết bị dựa lượng mặt trời chuyển đổi lượng ánh sáng mặt trời thành điện sử dụng để vận hành thiết bị Đối với trình chuyển đổi, tế bào quang điện sử dụng với kích thước xếp hạng khác dựa ứng dụng sử dụng - Theo cách thức sử dụng lượng mặt trời, lượng mặt trời phân thành hai loại: ● Năng lượng mặt trời chủ động ● Năng lượng mặt trời thụ động - Năng lượng mặt trời thụ động sử dụng trực tiếp từ Mặt trời cho ứng dụng khác mà không cần sử dụng thiết bị chuyển đổi trung gian - Các pin mặt trời hấp thụ lượng mặt trời, sau chuyển điện đến điểm sử dụng - Với hệ thống lượng này, quang từ mặt trời biến đổi thành điện cách sử dụng mạch trung gian Cấu tạo pin lượng mặt trời - Tế bào quang điện thành phần chính, có chức hấp thụ ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành điện Hiện có loại tinh thể silicon sử dụng để tạo tế bào quang điện đơn tinh (Mono) đa tinh thể (Poly) Trong điều kiện thời tiết khơng thuận lợi pin Mono mang lại hiệu suất tốt Nguyên lý hoạt động tạo dòng điện pin lượng mặt trời - Pin lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn diod p-n, diện ánh sáng mặt trời có khả tạo dòng điện sử dụng Sự chuyển đổi gọi hiệu ứng quang điện II Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Khái niệm - Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp tải, hay nói cách khác, phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông, dẫn đến thay đổi điện áp - Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm Ưu điểm PWM so với biến áp/chiết áp - Ưu điểm PWM tổn thất điện thiết bị chuyển mạch thấp → Khi công tắc tắt thực tế khơng có dịng điện, bật nguồn điện chuyển đến tải, khơng có sụt giảm điện áp cơng tắc Do đó, tổn thất điện năng, sản phẩm điện áp dòng điện, hai trường hợp gần không - PWM hoạt động tốt với điều khiển kỹ thuật số, tính chất bật / tắt chúng, dễ dàng thiết lập chu kỳ nhiệm vụ cần thiết Những tham số cần quan tâm (1) Duty cycle: chu kỳ hoạt động (tỷ lệ phần trăm xung mức cao) - Thông thường, điện áp chiều không đổi số giá trị Điều chế độ rộng xung biến tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự cách thay đổi thời gian bật tắt Thuật ngữ "chu kỳ hoạt động" sử dụng để mô tả tỷ lệ phần trăm tỷ lệ thời gian hoạt động so với tắt ( D: chu kỳ nhiệm vụ PW: Độ rộng xung (thời gian hoạt động) T: Tổng chu kỳ tín hiệu ) (2) PTO (Pulse Train Output): xung vng có 50% thời gian cao, 50% thời gian thấp - Chu kỳ hoạt động biểu thị phần trăm, 100% bật hoàn tồn Khi tín hiệu số bật nửa thời gian tắt nửa thời gian cịn lại, tín hiệu số có chu kỳ hoạt động 50% giống sóng "vng" - Khi tín hiệu số dành nhiều thời gian trạng thái bật trạng thái tắt, có chu kỳ hoạt động> 50% - Khi tín hiệu số dành nhiều thời gian trạng thái tắt trạng thái bật, có chu kỳ hoạt động 1,5A  Bảo vệ tải nhiệt  Giới hạn dòng ngắn mạch 11 - Mạch thu lượng mặt trời để sạc cho ắc quy 6V - 4,5Ah Bộ sạc có điều chỉnh điện áp dòng điện phương tiện ngắt áp - Mạch sử dụng bảng điều khiển lượng mặt trời 12V IC LM 317T điều chỉnh điện áp biến đổi 12 VDC có sẵn từ pin mặt trời để sạc Dòng sạc qua D1 đến IC điều chỉnh điện áp LM 317T Bằng cách điều chỉnh chân Adjust (điều chỉnh) nó, điện áp đầu dịng điện điều chỉnh - Biến trở VR đặt chốt điều chỉnh mặt đất để cung cấp điện áp đầu 9V cho ắc quy Điện trở R3 hạn chế dòng sạc diode D2 ngăn dịng điện phóng từ ắc quy - Transistor T1 Zener diode ZD hoạt động công tắc ngắt ắc quy đầy Thông thường T1 tắt ắc quy nhận dòng điện sạc Khi điện áp đầu cuối ắc quy tăng 6,8V, Zener dẫn cung cấp dòng điện đến T1 Sau đó, bật nối đất đầu LM317T để ngừng sạc Mạch cấp nguồn 5V cho STM32 12 - LM7805: IC ổn định điện áp đầu 5V  Điện áp đầu vào lên đến 35V  Dịng điện đầu lên đến 1.5A  Khơng yêu cầu thành phần bên  Bảo vệ tải nhiệt bên  Giới hạn dòng ngắn mạch bên  Bù vùng an tồn bóng bán dẫn đầu  Điện áp đầu cung cấp dung sai 4% 13 - Nguyên tắc hoạt động: Điện áp đầu vào từ ắc quy đưa vào chân LM7805 điện áp 5V ngõ lấy qua chân - Tụ C1 C2 để lọc điện áp vào - IC 7805 dễ toả nhiệt nên để mạch hoạt động ổn định lâu dài, nên gắn thêm tản nhiệt cho IC - Mạch ổn áp phù hợp để cấp nguồn cho mạch điện tử vận hành với điện áp 5V dòng điện 1A đổ lại Mạch điều khiển LED sử dụng STM32F103C8T6 - Thông số kỹ thuật: + Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn cấp cho Vi điều khiển + Chế độ Debug: SWD + Tần số làm việc : 72MHz + Bộ nhớ flash : 64K + SRAM : 20K + Tích hợp USB để cấp nguồn giao tiếp 14 + Hỗ trợ chuẩn giao tiếp : CAN, I2C, SPI UART/USART, USB + Có led báo nguồn + Nút nhấn Reset + Kích thước: 5.3cm x 2.2cm - Sơ đồ chân: - STM32 cấp nguồn từ ắc quy thông qua cổng USB - Chân PA0 STM32 đưa tín hiệu xung điều chế (PWM) nối với LED để điều khiển cường độ sáng D - CÁC THƠNG SỐ CHÍNH CỦA MẠCH Thời gian sạc đầy Ắc quy - Ắc quy 6V – dung lượng 4500mAh = 4.5(Ah) - Năng lượng Ắc quy: - Năng lượng thực tế Ắc quy khoảng 70% giá trị lý thuyết: 15 - Pin mặt trời 12V – 1,5W sạc đầy Ắc quy khoảng thời gian: Công suất tiêu thụ mạch đèn LED - 20 đèn LED vàng thông số: 2.4V - 20mA / LED - Thời gian đèn hoạt động ngày: từ 6h chiều đến 5h sáng => t = 11(h) 2.1 Trường hợp đèn sáng liên tục với điện áp tối đa (không điều chế): - Công suất mạch LED là: - Năng lượng tiêu thụ mạch LED 11h là: - Năng lượng tiêu thụ trở tải 11h là: - Năng lượng cần thiết cho hệ thống là: (1) - Dung lượng cần thiết Ắc quy để cung cấp cho hệ thống: - Vậy phần trăm dung lượng Ắc quy tiêu thụ ngày: (2) 2.2 Trường hợp sử dụng mạch điều chế xung PWM: - Điện áp đèn khoảng thời gian 6h - 8h 3h - 5h điều chỉnh, tương đương với việc cường độ sáng thay đổi theo - Trong khoảng 6h - 8h (p.m) đèn sáng dần từ 0V đến cường độ tối đa 2.4V - Trong khoảng 3h - 5h (a.m) đèn tối từ 2.4V 0V - Vậy thời gian hoạt động gồm 4h có điều chế 7h khơng điều chế 16 - Do điện áp tỉ lệ thuận với công suất nên điện áp thay đổi từ - 2.4V -> công suất mạch thay đổi từ đến tối đa P = 0.96W ngược lại - Giả sử đèn sáng / tối dần đều: - Năng lượng tiêu thụ mạch LED 2h có điều chế là: với tốc độ biến thiên điện áp hay công suất - Năng lượng tiêu thụ mạch LED có điều chế 11h hoạt động là: - Năng lượng tiêu thụ hệ thống có điều chế 11h hoạt động là: (3) - Vậy phần trăm dung lượng Ắc quy tiêu thụ ngày: (4) 2.3 Đánh giá: - Mạch điều chế xung giúp giảm tiêu hao lượng Ắc quy từ 56% xuống 45.95% - Thời gian điều chế dài lượng tiết kiệm nhiều - Với mạch điều chế xung sử dụng pin lượng mặt trời để nạp thì:  Trung bình ngày sử dụng 11h hết CCR1 = CH1_DC; CH1_DC += 70; HAL_Delay(10); } HAL_Delay(5000); //Thời gian đèn sáng từ 0% đến 100% //Đèn trì độ sáng 100% 5s while(CH1_DC > 0) //Chu kỳ đèn giảm: từ 100% 0% { TIM2->CCR1 = CH1_DC; CH1_DC -= 70; HAL_Delay(5); } //Thời gian đèn giảm từ 100% 0% HAL_Delay(10000); // Đèn tắt (0%) 10s } } - Kết mô phỏng:  đèn LED tăng độ sáng từ 0% đến tối đa 100% vòng 10s  trì độ sáng 100% 5s  đèn LED giảm dần độ sáng 0% 5s 21  đèn tắt (0%) 10s - Các chu kỳ lặp lại liên tục Nạp code cho STM32 mạch cứng mô phỏng: - Khối (1) mạch bảo vệ sạc nối Pin mặt trời ắc quy - Khối (2) mạch nguồn 5V mạch điều khiển LED sử dụng STM32 22 F - TỔNG KẾT Ưu điểm: - Hệ thống giúp tiết kiệm lớn lượng tiêu thụ đèn - Nguồn lượng mạch cung cấp liên tục tự động - Có thể triển khai thử nghiệm chi phí khơng q lớn Nhược điểm: - Pin mặt trời, ắc quy cần phải bảo vệ tốt - Hệ thống sử dụng đèn LED cao áp phức tạp nên cần thay đổi nhiều phần mạch cứng - Độ bền hệ thống ổn dừng mức mô đơn giản, chưa thể kết luận triển khai thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- https://deepbluembedded.com/stm32-pwm-example-timer-pwm-modetutorial/ 23 [2]- https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation [3]- https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_torque_control [4]- https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-11/pulsewidth-modulation/ [5]- https://www.digikey.com/en/blog/pulse-width-modulation [6]- https://www.stdio.vn/dien-tu-ung-dung/dieu-che-do-rong-xung-pulse-widthmodulation-mlmLh1 [7]- https://dientutuonglai.com/dieu-chinh-do-rong-xung.html [8]- https://mesidas.com/pwm-pto-la-gi/#:~:text=C%E1%BA%A3%20PWM %20%26%20PTO%20%C4%91%E1%BB%81u%20l%C3%A0,c %C6%A1%20b%C6%B0%E1%BB%9Bc%20(Stepper%20Motor) 24 ... thiết bị dựa lượng mặt trời xe chạy lượng mặt trời, tòa nhà sử dụng lượng mặt trời, đèn chiếu sáng đường phố chí đèn lượng mặt trời cho ứng dụng nhỏ - Các dự án thiết bị dựa lượng mặt trời chuyển... thức sử dụng lượng mặt trời, lượng mặt trời phân thành hai loại: ● Năng lượng mặt trời chủ động ● Năng lượng mặt trời thụ động - Năng lượng mặt trời thụ động sử dụng trực tiếp từ Mặt trời cho ứng... A - MỤC TIÊU ĐỒ ÁN - Tìm hiểu kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM); - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động Đèn đường lượng mặt trời dựa ARM Cortex (STM32) - Đánh giá ưu điểm nhược điểm hệ thống - Ứng