Báo cáo đồ án cơ điện tử

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ  BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ Tp.HCM, ngày 13 tháng năm 2021 LỜI NÓI ĐẦU Trước hết, chúng em xin chân thành cảm ơn trường Đại học Cơng nghiệp khoa Cơ khí tạo điều kiện để sinh viên thực đồ án nhầm rèn luyện vận dụng kiến học vào thực tiễn có thêm kiến thức hữu ích qua việc học tập công nghệ đại Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Ngọc Trân tận tình giúp đỡ chúng em suốt trình thực hiền đề tài Và xin gởi lời cảm ơn đến thành viên nhóm giúp đỡ hồn thành đồ án Từ kỷ XIX, nhà khoa học tiến nghiêng cứu sử dụng nguồn lượng tái tạo khác lượng mặt trời, nước, gió, nguyên tử,… Trong nguồn lượng mặt trời sử dụng phổ biến Năng lượng mặt trời nâng cao cải tiến không ngừng Cùng với việc sử dụng điện nhu cầu thiết yếu toàn cầu, kỹ sư cải tiến trạm cung cấp điện để đảm bảo đáp ứng nhu cầu cho người dùng Nguồn điện tạo từ loại lượng tái tạo dần thay nhà máy nhiệt điện Góp phần bảo vệ mơi trường sử dụng tài nguyên gần vô hạn cách thông minh Đây đề tài hay phát triển thị trường công nghệ hiên Trong q trình thực mơ hình, chúng em cố gắng hoàn thiện đề tài tất nhiệt tình lực mình, đề tài đến hoàn thành Song hiểu biết lý thuyết chuyên đề kinh nghiệm thực tế hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận bảo thêm thầy bạn để học hỏi chuyên sâu đề tài MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH NỘI DUNG .4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .4 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 16 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 22 CHƯƠNG IV: MƠ HÌNH VÀ THÍ NGHIỆM 24 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng số liệu khung .18 Bảng 2: Bảng số thông số hệ thống .20 Bảng 3: Bảng thông số động 20 Bảng 1: Bảng thông số Arduino Uno R3 32 DANH MỤC HÌNH Ả Hình 1: Tổng quan hệ thống Hình 2: Pin lượng Mặt Trời Hình 3: Off-Grid Solar Inverter 500 W ~ 3000 W Hình 4: Pin lưu trữ LG CHEM 9.8kWh LV (RESU 10LV) 11 Hình 5: Hệ thống Solar Tracking BeeSolar .14Y Hình 1: vẽ sơ hệ thống Solar Tracking 16 Hình 2 Pin VSUN355-72M 17 Hình 3: Nhơm ống 18 Hình 4: Nhơm hình hộp 19 Hình 5: Bản vẽ kỹ thuật hệ thống Solar Tracking .19 Hình 6: Động 5840-31ZY 12V/24V 21 Hình 7: Động 5840-31ZY 12V/24V 21 Hình 1: Lưu đồ giả thuật hệ thống .22 Hình 2: sơ đồ mạch điện .23 Hình 3: Kết cấu phận .23 Hình 1: Mơ hình 24 Hình 2: Sơ đồ mạch điện mơ hình 25 Hình 3: Quang trở 25 Hình 4: Điện trở 10k 27 Hình 5: Động servo mg90s 28 Hình 6: Dây cắm testboard 29 Hình 7: Arduino Uno R3 30 Hình 8: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 30 Hình 1: Cơ cấu Xi-lanh 37 Hình 2: Cơ cấu đóng mở 38 Hình 3: Cơ cấu đóng mở 38 Hình 4: Pin Mặt trời “hoa Hướng dương” 38 NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I Đề tài: Lý chọn đề tài: Cùng với phát triển q trình Cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước, kinh tế nước ta ngày phát triển Sự phát triển kinh tế kéo theo nhu cầu sử dụng lượng Việt Nam ngày tăng Nguồn lượng khai thác tự nhiên ngày cạn kiệt, nhu cầu tìm loại lượng tái tạo, lượng xanh, sạch,… để thay nguồn lượng truyền thống toán đặt từ lâu quốc gia giới kể quốc gia phát triển Việt Nam Với phát triển kinh tế, Việt Nam gặp phải khó khăn trở ngại thiếu hụt lượng mà nguồn lượng tuyền thống dần không đủ đáp ứng Mặt khác, Việt Nam quốc gia nhiệt đới gió mùa, có phần đất liền trải dài từ kinh tuyến 102°8′ Đông đến 109°27′ Đông từ vĩ tuyến 8°27′ Bắc đến 23°23′ Bắc, cách đường xích đạo khơng xa nên cường độ ánh sáng mặt trời nhận dồi Với ưu vị trí địa lý này, Việt Nam hồn tồn sử dụng nguồn lượng mặt trời đầy tiềm này.[ CITATION Ngu20 \l 1033 ] Những năm gần đây, khai thác lượng mặt trời nhà nước quan tâm Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, nhóm em thực đề tài “Thiết kế mơ hình tự động điều hướng pin mặt trời (Solar Tracking)” Với mong muốn mơ hình đề tài ứng dụng thực tế cho việc phát tối ưu lượng điện gia đình để giải phần tình trạng thiếu hụt lượng làm sở để tạo nên trạm điện mặt trời tương lai Tổng quan mơ hình: Hình 1: Tổng quan hệ thống 2.1 Pin lượng Mặt Trời:[ CITATION giv20 \l 1033 ] a Giới thiệu pin lượng Mặt Trời: Pin mặt trời hay pin quang điện có tên tiếng Anh Solar panel, bao gồm nhiều tế bào quang điện (gọi solar cells) Tế bào quang điện phần tử bán dẫn có chứa bề mặt nhiều cảm biến ánh sáng ốt quang, làm biến đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Các số cường độ dòng điện, hiệu điện thể hay điện trở pin thay đổi phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường từ 60 72 | tế bào quang điện pin) Tấm Pin biết đến vật liệu có tính chuyển đổi quang ánh sáng mặt trời thành điện lắp đặt điện mặt trời Pin tạo nguồn điện từ ánh sáng mặt trời giống thủy điện tạo điện từ nước, nhiệt điện tạo điện từ than chúng có hiệu suất cao có tuổi thọ trung bình lên đến 30 năm Hình 2: Pin lượng Mặt Trời b Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời: Chúng thường lắp đặt nơi hấp thu nhiều ánh sáng mặt trời mái tịa nhà hay cơng trình Hệ thống chuyển đổi quang từ ánh sáng mặt trời hấp thụ thành điện năng, sử dụng điện lưới thông thường silicon biết đến chất bán dẫn, thành phần quan trọng cấu tạo pin lượng mặt trời “Chất bán dẫn vật liệu trung gian chất dẫn điện chất cách điện, hoạt động chất cách điện nhiệt độ thấp có tính dẫn điện nhiệt độ phòng” Ánh sáng lượng mặt trời gồm hạt nhỏ gọi photon tỏa từ mặt trời Nó va chạm với nguyên tử Silicon pin, lúc hạt photon truyền lượng chúng tới electron rời rạc, kích thích làm cho electron liên kết với nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử, đồng thời nguyên tử xuất chỗ trống thiếu electron Tuy nhiên việc giải phóng electron nửa cơng đoạn pin mặt trời, tiếp đến dồn electron rải rác vào dòng điện Điều ảnh hưởng đến việc tạo cân điện pin, có tác dụng giống xây dốc để electron chảy theo hướng Sự cân tạo tổ chức bên silicon Các nguyên tử silicon xếp cấu trúc liên kết chặt chẽ Bằng cách ép lượng nhỏ nguyên tố khác vào cấu trúc này, tạo loại silicon là: loại n (bán dẫn âm - Negative) loại p (bán dẫn dương Positive) Chất bán dẫn loại n có tạp chất nguyên tố thuộc nhóm V, nguyên tử dùng electron tạo liên kết electron lớp liên kết lỏng lẻo với nhân, electron dẫn Chất bán dẫn loại p có tạp chất nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu lỗ trống Khi hai loại bán dẫn n p đặt cạnh pin mặt trời, electron dẫn loại n chuyển qua lấp đầy khoảng trống loại p Điều có nghĩa silicon loại n tích điện dương silicon loại p tích điện âm, tạo nên điện trường pin Vì silicon chất bán dẫn nên hoạt động chất cách điện trì cân Khi làm cho electron liên kết với nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử silicon, photon ánh sáng mặt trời đưa electron vào trật tự định, từ cung cấp dịng điện cho máy tính, vệ tinh tất thiết bị c Những lợi ích sử dung pin mặt trời: - Tạo nguồn lượng xanh: Ánh sáng mặt trời xem nguồn lượng tự nhiên quen thuộc Thông qua pin mà nguồn lượng tự nhiên chuyển hóa thành điện để phc vụ cho đời sống người Làm giảm phần gánh nặng cho lưới điện quốc gia ln tình hình q tải, giúp khắc phục tình trạng thiếu điện cho nhu cầu sản xuất sinh hoạt, khơng bị gián đoạn q trình sử dụng - Tiết kiệm: Giá pin mặt trời rẻ, kèm chi phí để lắp đặt hệ thống cho hộ gia đình, cơng ty, nhà xưởng vừa phải Với vốn đầu tư thấp hiệu sử dụng mang lại lớn giúp giảm thiểu chi phí từ hệ thống lắp đặt, khơng phải bảo trì bảo dưỡng, độ bền lên đến 25 -30 năm, giúp tiết kiệm phí trị trả tiền điện hàng tháng nhiều so với dùng hệ thống điện lưới - Thân thiện với môi trường: Một ưu điểm bật pin tạo từ nguồn lượng sạch, thân thiện với môi trường, góp phần lớn việc bảo vệ mơi trường - Thời hạn sử dụng lâu dài: Một pin có thời gian sử dụng lên đến 25-30 năm 2.2 Inverter Off-grid:[ CITATION kos20 \l 1033 ] a Giới thiệu Inverter: Hình 3: Off-Grid Solar Inverter 500 W ~ 3000 W Inverter hay gọi biến tần, thiết bị quan trọng hệ thống điện mặt trời Nó chuyển đổi đầu dòng điện chiều (Direct Current – DC) pin lượng mặt trời thành dòng điện xoay chiều (Alternating Current – AC) Dòng điện AC lúc tương thích với phần lớn thiết bị điện nhà bạn đưa điện mặt trời vào lưới điện lưu trữ Inverter Off-grid loại biến tần độc lập, nghĩa chúng hoạt động không kết nối với lưới điện b Phân loại: - Biến tần chuỗi (String Inverter): loại có hiệu chi phí thường nhà lắp đặt điện mặt trời Việt Nam sử dụng Các công ty xem xét điều kiện mái nhà bạn khơng có bóng râm che khuất (như cối, nhà cao tần…) họ đề xuất lựa chọn cho bạn Việc pin bị bóng râm che ánh sáng mặt trời làm ảnh hưởng đáng kể đến hiệu vận hành biến tần chuỗi - Biến tần tối ưu hóa lượng (Power Optimizer): cung cấp nhiều lợi ích giống với biến tần vi mơ, chúng có xu hướng rẻ chút Nó tối ưu hóa điện thường coi dạng “giữa” không đắt không rẻ, hiệu hoạt động không cao không thấp - Biến tần vi mô (Micro-inverter): Ngược lại với nguyên lý biến tần chuỗi, loại hoạt động riêng rẻ với pin, tức bạn có kèm với nhiêu biến tần vi mô Micro-inverter xem loại đắt có hiệu vận hành tốt c Nguyên lý hoạt động: - Để giải thích cách biến tần điện mặt trời hoạt động, phải bắt đầu tư điều Khi mặt trời chiếu vào tế bào quang điện (PV), Hình 2: Sơ đồ mạch điện mơ hình Các thiết bị cần thiết để thực mô hình: 1.1 quang trở: Hình 3: Quang trở a Khái niệm quang trở (DRL) Quang trở gọi điện trở quang, photoresistor, photocell linh kiện tạo chất đặc biệt thay đổi điện trở ánh sáng chiếu vào Hay hiểu điện trở thay đổi giá trị theo cường độ ánh sáng b Cấu tạo quang trở 25 Cấu tạo quang trở gồm phần phần phần màng kim loại đấu nối với thông qua đầu cực Linh kiện thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa với màng kim loại đặt hộp nhựa giúp tiếp xúc với ánh sáng cảm nhận thay đổi cường độ ánh sáng Thành phần để tạo nên quang trở Cadmium Sulphide (CdS) sử dụng chất quang dẫn, thường khơng chứa có hạt electron không ánh sáng chiếu vào c Nguyên lý hoạt động Quang trở chất bán dẫn có trở kháng cao khơng có tiếp giáp Trong bóng tối, quang trở thường có điện trở lên vài MΩ Cịn có ánh sáng chiếu vào giá trị điện trở giảm xuống mức vài trăm Ω Nguyên lý hoạt động quang trở dựa nguyên lý hiệu ứng quang điện khối vật chất Khi mà photon có lượng đủ lớn đập vào, khiến cho electron bật khỏi phân tử trở thành electron tự khối chất từ chất bán dẫn chuyển thành dẫn điện Mức độ dẫn điện quang trở tùy thuộc vào phần lớn photon hấp thụ Khi ánh sáng lọt vào quang trở, electron giải phóng độ dẫn điện tăng lên Tùy thuốc vào chất bán dẫn mà quang trở có phản ứng khác với loại sóng photon khác 1.2 điện trở 10k: 26 Hình 4: Điện trở 10k - Điện trở 10K Ohm -1/4W giúp cản trở dòng điện chạy qua - Thông số kĩ thuật: + Model: 10K Ohm - 1/4W + Nhiệt độ hoạt động: -55oC đến 155o + Loại: Điện trở cố định + Sai số: +/-5% - Công dụng: + Làm cầu chia áp + Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp + Phân cực cho bóng bán dẫn + Tham gia vào mạch tạo dao động R C 1.3 động servo mg902: 27 Hình 5: Động servo mg90s Động RC Servo MG90S phiên nâng cấp động RC Servo 9G với bánh làm kim loại cho lực khéo khỏe độ bền cao, động có kích thước nhỏ gọn, cách điều khiển giống động RC Servo phổ biến thị trường nay: MG996, MG995, 9G, Phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau: Robot cánh tay máy, robot nhện, cấu chuyển hướng, cấu quay góc, [ CITATION hsh17 \l 1033 ] - Thông số kỹ thuật: + Model: MG90S servo + Điện áp hoạt động: 4.8 ~ 6VDC + Stall Torque: 1.8kg/cm (4.8V), 2.2kg/cm (6V) + Operating Speed: 0.1sec/60degree (4.8v), 0.08sec/60degree (6v) + Bánh răng: Kim loại + Độ dài dây nối: 175mm + Trọng lượng: 13.4g 28 + Kích thước: 22.8 x 12.2 x 28.5mm 1.4 Dây dẫn 0.3mm (Dây 40P 20CM C-C Hai Đầu Cái Tệp 40 Sợi): Hình 6: Dây cắm testboard Dây Cắm Breadboard đực 20cm 40 sợi loại tốt (M-F Jumper Wire) sử dụng với Breadboard để kết nối module linh kiện điện tử với nhau, dây có chất lượng tốt với lõi đồng giúp dây mềm, khó đứt khơng bị oxy hóa so với loại chất lượng giá rẻ lõi nhôm thị trường (dây cứng, cắt thấy bị oxy hóa dễ đứt) - Thơng số kỹ thuật: + Một bó có 40 dây + Dây lõi đồng nhiều sợi có độ dẫn điện cao, mối tiếp xúc chắn, độ dài 20cm, có nhiều màu sắc khác (10 màu) 1.5 Arduino Uno R3: 29 Hình 7: Arduino Uno R3 Hình 8: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 30 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp khuyên dung Điện áp vào giới hạn Số chân Digital I/O Số chân Analog Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash 5v DC (chỉ cấp qua cổng USB) 16 MHz Khoảng 30mA 7-12V DC 6-20V DC 14 (6 chân hardware PWM) (độ phân giải 10 bit) 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng SRAM EEPROM bootloader KB (ATmega328) KB (ATmega328) Bảng 1: Bảng thông số Arduino Uno R3 - Các chân sử dụng: + GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với + 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA + Chân Analog in: (sử dụng chân A0, A1, A2, A3) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V + Chân digital: (sử dụng chân 8,9) dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) Đặc biệt chân digital số (chân PWM~) cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() II Lập trình điều khiển: 31 Giới thiệu phần mềm Arduino: Code viết phần mềm Arduino Arduino tảng mã nguồn mở sử dụng để xây dựng ứng dụng điện tử tương tác với với môi trường thuận lợi Arduino giống máy tính nhỏ để người dùng lập trình thực dự án điện tử mà khơng cần phải có công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code 1.1 Phần mềm Arduino IDE gì? Arduino IDE phần mềm mã nguồn mở chủ yếu sử dụng để viết biên dịch mã vào module Arduino Đây phần mềm Arduino thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà người bình thường khơng có kiến thức kỹ thuật làm Nó có phiên cho hệ điều hành MAC, Windows, Linux chạy tảng Java kèm với chức lệnh có sẵn đóng vai trị quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa biên dịch mã mơi trường Có nhiều module Arduino Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro nhiều module khác Mỗi module chứa vi điều khiển bo mạch lập trình chấp nhận thơng tin dạng mã Mã chính, cịn gọi sketch, tạo tảng IDE tạo file Hex, sau chuyển tải lên điều khiển bo Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần bản: Trình chỉnh sửa Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã yêu cầu phần sau sử dụng để biên dịch tải mã lên module Arduino Môi trường hỗ trợ ngôn ngữ C C ++ 32 1.2 Arduino IDE hoạt động nào: Khi người dùng viết mã biên dịch, IDE tạo file Hex cho mã File Hex file thập phân Hexa Arduino hiểu sau gửi đến bo mạch cáp USB Mỗi bo Arduino tích hợp vi[ CITATION die21 \l 1033 ] điều khiển, vi điều khiển nhận file hex chạy theo mã viết.[ CITATION die21 \l 1033 ] Lập trình phần mềm: 2.1 Các bước thực hiện: - Bước 1: Đấu nối mạch điện mơ hình - Bước 2: Kết nối với phần mềm thơng qua máy tính (laptop) - Bước 3: Tạo project cho trương trình - Bước 4: Viết code điều khiển - Bước 5: Kiểm tra nạp chương trình 2.2 Code: #include Servo myservo1, myservo2; int LDR1 = A0, LDR2 = A1, LDR3 = A2, LDR4 = A3; int rRDL1 = 0, rRDL2 = 0, rRDL3 = 0, rRDL4 = 0; int max1=0, max2=0, max3=0; int ser1 = 0, ser2=0; void setup() { myservo1.attach(9); myservo2.attach(8); Serial.begin(9600); 33 myservo1.write(ser1); myservo2.write(100); } void loop() { rRDL1 = analogRead(LDR1) / 10; rRDL2 = analogRead(LDR2) / 10; rRDL3 = analogRead(LDR3) / 10; rRDL4 = analogRead(LDR4) / 10; max1 = max(rRDL1, rRDL2); max2 = max(rRDL3, rRDL4); max3 = max(max1, max2); Serial.println(String(max3)); Serial.println(String(rRDL1) +", "+String(rRDL2) +", "+String(rRDL3) +", "+String(rRDL4)); if(rRDL1