Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển tự động định hướng pin mặt trời

Tóm tắt cơng trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2010-2011 Mã số:… THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG PIN MẶT TRỜI Sinh viên: Đinh Hồng Bộ Nguyễn Nhật Dương Nguyễn Hồng Long Đỗ Văn Sơn Lớp: Cơ điện tử 4-K51,Viện Cơ khí Điện thoại: 0973 371 565, 0127 378 0862 Thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hùng Bộ môn: Máy ma sát học, Viện Cơ khí TĨM TẮT NỘI DUNG Nhu cầu lượng người thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày tăng Trong nguồn nhiên liệu dự trữ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên thủy điện có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy thiếu hụt lượng Con người cần tìm nguồn lượng Cùng với lượng gió, thủy triều, lượng mặt trời hướng phát triển lượng quan trọng tương lai Hiện hệ thống pin mặt trời thường lắp cố định, pin đạt hiệu suất lớn ánh sáng mặt trời vng góc với mặt phẳng pin Các vùng khác, hiệu suất pin mặt trời giảm Để nâng cao hiệu suất pin mặt trời, cần hệ thống cảm biến xác định hướng chiếu ánh sáng mặt trời, từ điều khiển cho mặt phẳng pin hướng vng góc với ánh sáng mặt trời Mục đích đề tài tự động hóa q trình điều khiển định hướng hệ thống pin mặt trời đạt hiệu suất cao nhất, thu nhiều lượng từ mặt trời TÀI LIỆU THAM KHẢO Tống Văn On, Hoàng Đức Hải; Họ vi điều khiển 8051; Nhà xuất Lao động- Xã hội; Xuất năm 2009 Huỳnh Đắc Thắng; Kỹ thuật số thực hành; NXB KH-KT; Hà Nội 2006 Bộ môn Công nghệ chế tạo máy; Cơ sở Công nghệ chế tạo máy; NXB KH-KT; Hà Nội 2008 Help Matlab; Phần mềm Matlab 7.7.0 Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Mục lục………………………………………………………………………………………….2 Lời nói đầu…………………………………………………………………………………… PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề………………………………………………………………………………….4 1.2 Mục tiêu đề tài…………………………………………………………………………… 1.3 Phạm vi nghiên cứu……………………………………………………………………… PHẦN 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu chung đề tài…………………………………………………………………6 2.2 Thiết kế, chế tạo kết cấu khí………………………………………………………… 2.3 Chọn động thiết kế, chế tạo mạch điều khiển………………………………………11 2.4 Phần mềm điều khiển lập trình……………………………………………………… 18 PHẦN 3: KẾT LUẬN 3.1 Ý nghĩa khoa học ứng dụng thực tiễn………………………………………………….26 3.2 Định hướng phát triển…………………………………………………………………… 26 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………… 27 Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI NĨI ĐẦU Năng lượng tái tạo, có lượng mặt trời giới quan tâm nghiên cứu sử dụng Trên giới, nước phát triển có nhiều ứng dụng đời sống công nghiệp để thu nguồn lượng Với ưu điểm sẵn có, dồi dào, nguồn lượng sạch, thân thiện với môi trường, lượng mặt trời giải pháp thay cho nguồn lượng khác ngày cạn kiệt Trái Đất Tại nước phát triển, có Việt Nam việc sử dụng lượng mặt trời quan tâm khích lệ, nhiên ứng dụng cịn hạn chế Với mong muốn đưa ứng dụng sử dụng lượng mặt trời Việt Nam phổ biến phát triển nữa, đem kiến thức học áp dụng vào thực tế sản xuất, nhóm sinh viên chúng em thực đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời” Sản phẩm làm kết hợp nghiên cứu lý thuyết triển khai thực tế sở làm việc theo nhóm Đề tài kết hợp khí- điện tử- tin học, thiết kế kết cấu khí, chọn động thiết kế chế tạo mạch điều khiển, xây dựng phần mềm điều khiển lập trình Đây sản phẩm nhóm sinh viên chúng em nên khơng thể tránh khỏi thiếu xót hạn chế, chúng em mong nhận góp ý, bảo thầy giáo, cô giáo bạn Chúng em xin trân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Phạm Văn Hùng, thầy cô môn Máy Ma sát tận tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài này, chúng em xin trân thành cảm ơn ban lãnh đạo môn tạo điều kiện làm việc trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em suốt thời gian qua Hà nội, ngày 10 tháng năm 2011 Nhóm sinh viên thực Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1/ Đặt vấn đề: Khi nguồn lượng phổ biến thủy điện, nhiệt điện ngày cạn kiệt, việc sản xuất điện nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện gây ô nhiểm môi trường thay đổi mơi trường sinh thái Trong nhu cầu điện ngày tăng cao, người cần phải tìm nguồn lượng để đáp ứng nhu cầu Năng lượng mặt trời giải pháp tìm để thay thế, với ưu điểm nguồn lượng sạch, lâu dài, nguồn lượng tái tạo, thân thiện với môi trường Các ứng dụng lượng mặt trời phổ biến bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu Thứ lượng mặt trời biến đổi trực tiếp thành điện nhờ tế bào quang điện bán dẫn hay gọi pin mặt trời Lĩnh vực thứ hai sử dụng lượng mặt trời dạng nhiệt năng, ta dùng thiết bị thu xạ nhiệt mặt trời tích trữ dạng nhiệt Với ưu điểm nước có tiềm lượng mặt trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ Bắc đến 23 Bắc, nằm khu vực có cường độ xạ tương đối cao Do việc sử dụng lượng mặt trời Việt Nam khuyến khích áp dụng lĩnh vực đời sống sản xuất Hệ thống pin mặt trời sử dụng nhằm mục đích sản xuất điện trực tiếp từ lượng mặt trời thông qua pin mặt trời tế bào quang điện bán dẫn Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ lắp đâu có ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời lớn tức cường độ ánh sáng chiếu tới pin lớn có nhiều lượng mặt trời biến đổi thành điện tức hiệu suất pin mặt trời tăng lên Hệ thống pin mặt trời thường lắp cố định vào đế, pin mặt trời đạt hiệu suất lớn ánh sáng mặt trời chiếu vng góc với mặt phẳng pin Các vùng khác, hiệu suất pin mặt trời giảm Giải pháp đưa để nâng cao hiệu suất pin mặt trời hệ thống điều khiển chuyển động pin mặt trời ln hướng vng góc với ánh sáng mặt trời 1.2/ Mục tiêu đề tài: - Nâng cao hiệu suất chuyển đổi pin thơng qua việc điều khiển vị trí pin ln vng góc với tia sáng mặt trời chiếu tới Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Nâng cao độ xác hệ thống với phần mềm Matlab xử lý ảnh chụp mặt trời thông qua Webcam - Thiết kế, chế tạo, mơ hồn chỉnh hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời 1.3/ Phạm vi nghiên cứu: Với mục tiêu thiết kế chế tạo hệ định hướng pin mặt trời điều kiện thời gian, kinh phí có hạn đề tài giới hạn phạm vi sau: - Mơ hình hóa hệ thống định hướng pin mặt trời dùng cho học tập nghiên cứu - Động dẫn động khí động bước - Sử dụng phần mềm Matlab để xử lý ảnh, phần mềm điều khiển máy tính - Độ rọi nguồn sáng xử lý giới hạn 1000 ÷ 100000 (lux) Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com PHẦN 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1/ Giới thiệu chung đề tài: *Nội dung đề tài bao gồm phần chính: - Thiết kế, chế tạo kết cấu khí - Chọn động thiết kế, chế tạo mạch điều khiển - Xử lý ảnh qua Matlab *Tổng quan sơ đồ hệ thống: Hình 1: Sơ đồ nguyên lý Trục nằm ngang Tấm pin Động bước Webcam Trục thẳng đứng Mạch công suất Mạch điều khiển Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Máy tính Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2: Hình ảnh sản phẩm chế tạo *Nguyên lý hoạt động hệ thống: Khi hệ thống hoạt động, webcam kết nối với máy tính có nhiệm vụ chụp ảnh Mặt Trời, liệu ảnh Mặt Trời chuyển đến phần mềm Matlab xử lý, phân tích ảnh, tìm trọng tâm ảnh chụp sau máy tính xuất xung mạch điều khiển để điều khiển hai động bước quay theo chiều phù hợp tâm ảnh với tâm khung hình (tấm pin vng góc với Mặt trời) hệ thống dừng trạng thái giữ Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.2/ Thiết kế, chế tạo kết cấu khí: 2.2.1/ Nhiệm vụ, yêu cầu kết cấu khí: *Nhiệm vụ: Cơ cấu khí bao gồm chuyển động để điều khiển pin mặt trời chuyển động hướng theo mặt trời pin vuông góc với tia sáng mặt trời dừng lại *u cầu: - Kết cấu đơn giản số chuyển động - Chuyển động đạt độ xác cao 2.2.2/ Thiết kế, chế tạo kết cấu khí: a)Thiết kế: *Từ yêu cầu nhiệm vụ đề ra, ta cần dùng hai chuyển động quay quanh hai trục Oz Ox(hoặc Oy) hệ tọa độ Đề Các để điều khiển pin hướng theo mặt trời Thật vậy, xét hệ tọa độ Đề Các không gian gắn liền với pin, pin nằm mặt phẳng Oxy, gốc O trùng với tâm pin, giả sử tia sáng từ mặt trời chiếu tới pin hợp với trục Oz góc α, hình chiếu tia sáng mặt phẳng Oxy hợp với trục Oy góc β Để tia sáng vng góc với pin tức tia sáng vng góc với mặt phẳng Oxy, ta quay hệ tọa độ quanh trục Oz góc β (khi quay quanh trục Oz góc α hợp tia sáng với trục Oz khơng thay đổi), tiếp tục quay hệ tọa độ quanh trục Ox góc α Hình 3: Chuyển động quay hai trục tọa độ z z1 z1 z2 S S S α α y y O O β x1 x1 S' S' x O β x y1 y1 y2 Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com *Chuyển động quay quanh trục Oz thực thơng qua truyền động khí truyền bánh trụ thẳng So với truyền động khí khác, truyền động bánh có ưu điểm bật: - Kích thước nhỏ, khả tải lớn - Tỷ số truyền không thay đổi - Hiệu suất cao, đạt 0,97 ÷ 0,99 - Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy Tuy nhiên truyền động bánh có nhược điểm sau: - Chế tạo tương đối phức tạp - Địi hỏi độ xác cao - Có nhiều tiếng ồn vận tốc lớn *Chuyển động quay quanh trục Ox thực thông qua truyền động khí truyền đai Truyền động đai có ưu điểm sau: - Có khả truyền chuyển động trục xa - Làm việc êm, không ồn - Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ Nhược điểm truyền đai: - Khn khổ kích thước lớn so với truyền bánh (khi điều kiện làm việc) - Lực tác dụng lên trục ổ lớn phải căng đai *Ổ lăn sử dụng để đỡ hai trục chuyển động, loại ổ lăn dùng loại ổ bi đỡ dãy So với ổ trượt, ổ lăn có ưu điểm: - Hệ số ma sát nhỏ - Chăm sóc bơi trơn đơn giản, tốn vật liệu bơi trơn, dùng mỡ bơi trơn - Kích thước chiều rộng ổ lăn nhỏ chiều rộng ổ trượt có đường kính ngõng trục - Mức độ tiêu chuẩn hóa tính lắp lẫn cao, thay thuận tiện, giá thành thấp sản xuất hàng loạt Tuy nhiên ổ lăn có số nhược điểm: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Lắp ghép tương đối khó khăn - Kích thước hướng kính lớn - Lực quán tính tác dụng lên lăn lớn làm việc với vận tốc cao *Do trục có lắp ghép với chi tiết máy khác ổ lăn, bánh nên ta chọn trục loại trục bậc, có kết cấu phức tạp trục trơn đảm bảo điều kiện lắp ghép b)Chế tạo: Phần khí hệ thống bao gồm: 1- Ống đỡ thẳng đứng 7- Tấm đỡ 2- Ổ bi đỡ 8- Tấm pin mặt trời 3- Bánh 9- Webcam 4- Trục thẳng đứng 10- Bu lơng, đai ốc, vít 5- Khung đỡ 11- Trục nằm ngang 6- Bánh đỡ 12- Dây đai 13- Động bước Thơng số hình học truyền bánh trụ thẳng: Thông số m Z d b Bánh chủ động 25 25 Bánh bị động 62 62 Tỷ số truyền: u= = = u= = = Tỷ số truyền truyền đai: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bo mạch chính: Mạch giao tiếp RS232: Mạch gồm linh kiện cổng COM DB9 với IC MAX232 để thực chuyển đổi tương thích điện áp cổng COM máy tính điện áp điện áp tín hiệu mạch điều khiển Làm nhiệm vụ giao tiếp máy tính vi điều khiển Sơ đồ mạch sau: Hình 7: Sơ đồ mạch giao tiếp RS232 vi điều khiển Hình 8: Mạch điều khiển Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com B PHẦN MỀM: Để lập trình điều khiển chip AT89S52 ta dùng phần mềm Keil uVision2 phiên 7.08 Việc lập trình có hai nhiệm vụ sau:  Lập trình thu phát liệu  Lập trình điều khiển động bước Điều khiển thu phát liệu: Đối với chip vi điều khiển nay, việc thu phát liệu thực nhờ chip UART tích hợp bên qua hai đường truyền thông nối tiếp TxD RxD vi điều khiển Thường hai đường nằm trùng với chân làm nhiệm vụ xuất/nhập liệu thông thường, sử dụng trường hợp truyền nhận nối tiếp set chế độ thích hợp phần mềm Việc thu phát liệu vi điều khiển theo phương thức: a) Thăm dò : việc thu liệu, vi điều khiển khơng làm cả, chờ việc liệu gửi đến đệm thu, thực thi nhiệm vụ tương ứng với liệu – lệnh điều khiển gửi đến vi điều khiển từ DTE phát Đối với việc phát liệu, vi điều khiển chờ liệu đưa vào đệm phát phát tín hiệu sẵn sàng cho việc gửi liệu Sau thực thi chương trình tương ứng, vi điều khiển lại quay chờ liệu đưa vào đệm để chuyển đến chương trình Việc thực đơn giản lại thời gian việc chờ đợi liệu b) Ngắt nối tiếp : Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phương thức khắc phục nhược điểm phương thức thăm dị nêu trên, loại bỏ thời gian vơ ích việc chờ liệu đưa đến đệm thu/phát Trong chương trình ta thực thi, ngắt thu/phát liệu đưa đến đệm trạng thái sẵn sàng cho việc thực thi chương trình ngắt nối tiếp xảy ra, chương trình nhảy đến chương trình ngắt tương ứng để thực hiện, xong lại quay điểm bị ngắt thực thi tiếp Trong 8051 có ghi điều khiển ngắt IE, điều khiển ngắt tương ứng, ngắt định thời, ngắt ngoài, ngắt nối tiếp Trong phạm vi nghiên cứu đồ án nhóm đưa thuộc tính ngắt port nối tiếp Để khai báo việc sử dụng ngắt nối tiếp, ta set bit EA bit thứ ghi IE phép ngắt, bit ES bit thứ ghi IE cho phép ngắt nối tiếp Khi xảy ngắt (thu phát) cờ ngắt RI TI set lên, chương trình nhảy đến ngắt thích hợp thực thi Vì cờ nhớ khơng tự xóa nên người lập trình phải xóa thuật tốn vi điều khiển để chương trình thực ngắt Lưu ý : chương trình thuộc nội dung đồ án, liệu xuất cổng COM dạng kí tự liệu nhận vào chip dạng kí tự, nên để đồng hóa việc thu phát liệu dễ dàng việc lập trình, nhóm sử dụng kí tự theo thứ tự tùy chọn giao diện thiết kế để gửi nhận tín hiệu VB lẫn chip, : “1” : Chế độ – động quay thuận “2” : Chế độ – động quay nghịch “3” : Chế độ – động quay thuận “4” : Chế độ – động quay nghịch “5” : Chế độ 5– Trạng thái giữ “6” Chế độ – Khởi tạo vịt trí Để thực việc thu phát tín hiệu giao tiếp vi điều khiển, nhóm sử dụng ngắt nối tiếp vi điều khiển AT89S52, tốc độ baudrate 1200 bits/s Điều khiển động bước: Để điều khiển động cơ, nhóm đưa chế độ cấp tín hiệu điều khiển cho đầu dây theo kiểu đơn cực phụ thuộc vào đầu dây cấp tín hiệu Đối với động bước có đầu dây số lượng đầu cấp tín hiệu cho lần dịch bước tối đa Việc ứng dụng thực tế cần điều khiển nhiều thiết bị khác gây nên lãng phí chân, nhiên ứng dụng nhỏ thuộc nội dung đồ án đơn giản cho việc điều khiển không bị giới hạn số lượng chân nên nhóm chọn cách điều khiển đơn cực để tạo chuyển động quay động nửa bước Như trình bày phần tạo chuyển động quay cho Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com động ta cần cấp tín hiệu cho đầu dây việc thực cách cho PORT nhận giá trị mảng cho trước Cụ thể là: const unsigned char a[4]={0x0c,0x06,0x03,0x09};//mảng dự liệu case '1': //động quay thuận P2_0 =~P2_0; if (j3){j=0;} break; case '2': //dong co quay nghich P2_0 = 0; k=k-1; if(k