Thông tin tài liệu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI GVHD: THS NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH: LÊ HOÀNG NGHĨA MSSV: 16141061 SVTH: BÀNH BÁ CẨN MSSV: 16141008 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 an CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2020 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lê Hoàng Nghĩa MSSV: 16141061 Họ tên sinh viên 2: Bành Bá Cẩn MSSV: 16141008 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông Lớp: 16141CLDTA Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 12/08/2020 Tên đề tài: Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng lượng mặt trời Nội dung thực đề tài: Tổng quan Cơ sở lý thuyết Thiết kế tính tốn hệ thống Lưu đồ giải thuật phần mềm Kết Kết luận hướng phát triển i an Sản phẩm TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên 1: Lê Hoàng Nghĩa MSSV: 16141061 Họ tên sinh viên 2: Bành Bá Cẩn MSSV: 16141008 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông Lớp: 16141CLDTA Họ tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) iii an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên 1: Lê Hoàng Nghĩa MSSV: 16141061 Họ tên sinh viên 2: Bành Bá Cẩn MSSV: 16141008 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông Lớp: 16141CLDTA Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iv an LỜI CẢM ƠN Đề tài “ Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng lượng mặt trời” nội dung chọn để nghiên cứu làm luận văn tốt nghiện sau chương trình đại học chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Để hoàn thành q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn này, lời xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Ngô Lâm thuộc khoa Đào tạo Chất lượng cao – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Thầy trực tiếp bảo hướng dẫn chúng tơi suốt q trình nghiên cứu để hồn thiện luận văn Ngồi chúng tơi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô khoa Đào tạo Chất lượng cao; cụ thể Bộ môn Công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông đóng góp ý kiến quý báu cho luận văn v an LỜI CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan tồn nội dung trình bày khóa luận tốt nghiệp chúng thực Chúng xin cam đoạn nội dung tham khảo khóa luận tốt nghiệp trích dẫn xác đầy đủ theo qui định Ngày tháng năm 2020 Ký tên vi an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv LỜI CẢM ƠN v LỜI CAM ĐOAN vi MỤC LỤC .vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv DANH MỤC HÌNH ẢNH xv TÀI LIỆU THAM KHẢO…… …………………………………………………………………………………………………………….xviii TÓM TẮT… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………1 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1.2.1 Hệ thống điều khiển thiết bị nhà 1.2.2 Hệ thống đèn giao thông nước ta 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Chương 2: 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Sơ đồ khối 2.1.3 Thông số kỹ thuật 2.1.4 Chức chân 2.2 ESP8266 NODEMCU 2.2.1 Giới thiệu ESP8266 NodeMCU vii an 2.2.2 Thông số kỹ thuật 10 VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO UNO R3 10 2.3 2.3.1 Giới thiệu Arduino Uno R3 10 2.3.2 Các thông số kỹ thuật 11 2.3.3 Chức chân 12 MODULE CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN ACS712 13 2.4 2.4.1 Hiệu ứng Hall 13 2.4.2 Giới thiệu cảm biến ACS712 13 2.4.3 Thông số kỹ thuật 15 MÀN HÌNH LCD 20x4 15 2.5 2.5.1 Giới thiệu hình LCD 15 2.5.2 Thông số kỹ thuật 16 2.5.3 Cấu trúc hình LCD 20x4 17 a Cấu trúc 17 b Các vùng nhớ LCD 18 2.5.4 Hoạt động đọc & ghi LCD 19 MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 20 2.6 2.6.1 Giới thiệu IC DS1307 21 a IC DS1307 21 b Chức chân 21 2.6.2 Cấu trúc ghi 22 2.6.3 Module DS1307 22 2.7 MODULE HAI LED ĐOẠN SỬ DỤNG 74HC595 24 2.7.1 Tổng quan IC 74HC595 24 2.7.2 Hoạt động IC 74HC595 25 2.7.3 LED đoạn 26 2.7.4 Module hai LED đoạn 29 2.8 MODULE CẦU H ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC L298 29 2.8.1 Giới thiệu IC L298N 29 2.8.2 Module L298 31 2.9 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 32 viii an 2.9.1 Giới thiệu 32 2.9.2 Cấu tạo pin mặt trời 32 2.9.3 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 33 BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 34 2.10 2.10.1 Giới thiệu sạc pin mặt trời 34 a Tổng quan 34 b Thông số kỹ thuật 34 2.10.2 Sơ đồ kết nối 35 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU 36 2.11 2.11.1 Chuẩn giao tiếp I2C 36 2.11.2 Chuẩn giao tiếp UART 39 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN HỆ THỐNG 41 GIỚI THIỆU 41 3.1 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 41 3.1.2 Phương án thiết kế 41 3.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 42 HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG 43 3.3 3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 43 3.3.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống 44 3.3.3 Thiết kế hệ thống phần cứng 44 a Khối đồng hồ thời gian thực 44 b Khối cảm biến 46 c Khối nút nhấn 48 d Khối hiển thị 50 e Khối đèn chiếu sáng 51 f Khối xử lý trung tâm 53 g Bảng tiêu thụ lượng 56 3.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG 57 3.4.1 Sơ đồ khối hệ thống 57 3.4.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống 58 ix an - Bước 1: Kiểm tra có tín hiệu gửi liệu UART từ ESP8266 hay khơng, có thực bước Nếu khơng có xảy bỏ qua xử lý kết thúc chương trình - Bước 2: Xóa giá trị biến lưu liệu RDATA Gán liệu nhận vào biến RDATA bằng lệnh “RDATA = GETCH()” Bước 3: Kiểm tra giá trị RDATA Nếu RDATA = 0x62: Thực đảo trạng thái biến SW, gán COUNT_MODE = 1, gọi hàm “CHECK_MODE()” Nếu RDATA = 0x63: Tăng giá trị biến đếm COUNT_MODE lên 1, gọi hàm “CHECK_MODE()” Nếu RDATA = 0x64: Bật đèn xanh pha đèn đèn đỏ pha đèn Nếu RDATA = 0x65: Bật đèn đỏ pha đèn đèn xanh pha đèn Nếu RDATA = 0x66: Bật đèn đỏ pha đèn đèn xanh pha đèn Nếu RDATA = 0x67: Bật đèn xanh pha đèn đèn đỏ pha đèn Kết thúc chương trình - 4.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG PIN MẶT TRỜI Chương trình hệ thống điều hướng pin mặt trời thể lưu đồ hình 4.17 với trình tự sau: - Bước 1: Chương trình khởi tạo chân ngõ vào vi điều khiển khai báo biến VI_TRI = 100 có tác dụng lưu giá trị vị trí góc quay pin - Bước 2: Sau khởi tạo thực vịng lặp vơ tận While (1) - Bước 3: Đọc giá trị tín hiệu analog từ cảm biến quang trở LDR1 LDR2 - Bước 4: So sánh giá trị từ cảm biến LDR1 LDR2: LDR1 < LDR2: Xét giá trị biến VI_TRI < 200 thực điều khiển quay động theo chiều thuận tăng biến VI_TRI lên đơn vị LDR1 > LDR2: Xét giá trị biến VI_TRI > thực điều khiển quay động theo chiều thuận giảm biến VI_TRI đơn vị 105 an - LDR1 = LDR2: Chuyển sang bước Bước 5: Cho đến giá trị LDR1 LDR2 bằng thực dừng động cơ, cố định pin mặt trời vị trí Hình 4.19 Lưu đồ giải thuật hệ thống điều hướng pin mặt trời 106 an 4.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT KHỞI TẠO & ĐIỀU KHIỂN QUA WEBSEVER Trong đề tài này, nhóm sử dụng ESP8266 NodeMCU modem thu phát wifi Đây gọi chế độ Soft Access Point (Soft AP), lúc ESP8266 đóng vai trị tạo nên WebSever xử lý có HTTP request Chương trình thực sau [16]: Hình 4.20 Lưu đồ giải thuật khởi tạo & điều khiển qua WebSever - Bước 1: Chương trình tiến hành khởi tạo chân truyền nhận liệu theo chuẩn UART Cần thiết lập TX RX cho ESP bằng lệnh “SoftwareSerial mySerial(1,3)”, với chân thiết lập RX chân TX Sau cài đặt tốc độ baud 9600 baud/s 107 an - - Bước 2: Khởi tạo WebSever bằng HTML kết hợp với CSS Tiếp đến, thiết lập ESP8266 chạy chế độ Soft AP bằng lệnh “WiFi.softAP(ssid, password)” Kết WebSever cấp cho địa IP, để thực xem địa IP ta dùng lệnh “IPAddress myIP = WiFi.softAPIP()” Bước 3: Thực vịng lặp vơ tận “While(True)”, chương trình lắng nghe lệnh gửi từ WebSever bằng yêu cầu HTTP Một kiện gửi yêu cầu HTTP nút nhấn ảo WebSever nhấn, sau xử lý yêu cầu nhận truyền tín hiệu điều khiển mã lệnh (kí tự) đến PIC 16F887 Bảng 4-3 Bảng chức lệnh điều khiển WebSever STT Nút nhấn SWITCH Mã lệnh b (0x62) MODE c (0x63) X_00 R_00 X_01 R_01 d (0x64) e (0x65) f (0x66) g (0x67) Chức Chuyển đổi chế độ điều khiển tự động bằng tay Thay đổi thời gian sáng chế độ sáng đèn tín hiệu giao thông Điều khiển đèn xanh pha sáng (bằng tay) Điều khiển đèn đỏ pha sáng (bằng tay) Điều khiển đèn xanh pha sáng (bằng tay) Điều khiển đèn đỏ pha sáng (bằng tay) 108 an Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG 5.1.1 Hệ thống điều hướng pin mặt trời Hình 5.1 Hệ thống điều hướng pin mặt trời Hình 5.2 Thử nghiệm góc quay LDR1 > LDR2 Hình 5.3 Thử nghiệm góc quay LDR1 < LDR2 109 an Hình 5.4 Kết nối sạc PWM với pin mặt trời Hình 5.5 Kết nối ắc quy đo điện áp pin mặt trời 110 an Hình 5.6 Điện áp ắc quy trình sạc Hình 5.7 Điện áp pin mặt trời trình sạc 111 an Nhận xét: - Về ưu điểm: Hệ thống xác định hướng có ánh sáng tốt nhờ hai cảm biến quang trở gắn hai bên pin mặt trời Bộ sạc xác định đo dung lượng ắc quy tương đối xác Việc đo điện áp pin mặt trời chưa gắn tải (mạch sạc) sau gắn vào mạch sạc cho thấy mức điện áp pin giảm rõ rệt Đây đặc điểm sạc theo phương pháp PWM đưa điện áp pin mặt trời gần với giá trị điện áp ắc quy tiến hành nạp Việc sạc cho ắc quy diễn bình thường, hoạt động ổn định - Về nhược điểm: Việc điều khiển hướng xoay pin mặt trời mang tính chất tương đối Giá trị điện áp đo sạc sai lệch so với đo bằng VOM Quá trình nạp ắc quy diễn lâu cơng suất pin 5.1.2 Hệ thống điều khiển đèn giao thơng Hình 5.8 Hệ thống điều khiển đèn giao thơng hồn chỉnh 112 an Hình 5.9 Hệ thống điều khiển đèn giao thơng hồn chỉnh (từ xuống) Hình 5.10 Hệ thống điều khiển đèn giao thơng hoạt động 113 an Hình 5.11 Hệ thống điều khiển đèn giao thông hoạt động (từ xuống) Hình 5.12 Bảng điều khiển đèn tín hiệu giao thông 114 an Nhận xét: - Về ưu điểm: Hệ thống hoạt động ổn định hai pha đèn Các đèn tín hiệu sáng mạnh, dễ quan sát Các LED đoạn đếm thời gian hiển thị rõ ràng, khơng bị nhiễu, hiển thị xác số đếm Thời gian đếm định thời tương đối xác Màn hình LCD hiển thị đầy đủ thơng số như: Điện áp, dịng điện, cơng suất dung lượng ắc quy, đồng hồ thời gian thực, trạng thái đèn đường, nguồn sạc,… Giá trị điện áp dòng điện ắc quy lưu trữ đo tương đối xác Bảng điều khiển bao gồm nút nhấn, hỗ trợ nhiều chế độ chạy tự động khác chạy bằng tay, dễ sử dụng Các nút nhấn đáp ứng tốt, nhiễu làm tăng khả xác khâu điều khiển Việc điều khiển qua Web hoạt động bình thường, nhiên giới hạn vi điều khiển mơi trường nên cịn độ trễ định Hệ thống đèn đường tự động bật tắt dựa vào thời gian thực Hệ thống sạc tự động chuyển nguồn sạc sang lưới điện phát dung lượng ắc quy lưu trữ khơng cịn nhiều - Về nhược điểm: Khi khởi động, hệ thống cần khoảng thời gian để cập nhật giá trị điện áp dòng điện ắc quy Tồn sai số đo giá trị điện áp, dòng điện ắc quy Tuy nhiên sai số tương đối chấp nhận Điều khiển đáp ứng qua Web cịn bị trễ, đơi bị treo giới hạn vi điều khiển thu phát Wifi Việc thi cơng mơ hình có số giới hạn định, mang tính chất chạy thử nghiệm tính thẩm mỹ lại chưa cao 115 an 5.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM Hình 5.13 Giao diện điều khiển qua WebSever Đây tính mẻ ứng dụng phần mềm để điều khiển hệ thống môi trường không dây, phù hợp với xu hướng cơng nghiệp 4.0 Trang Web có chức sau: - Trang Web đăng nhập bằng IP danh định vi điều khiển ESP8266 cung cấp, thay đổi tùy theo mong muốn người sử dụng - Được thiết kế hiển thị bảng điều khiển mềm, sử dụng hầu hết loại smart phone 116 an - Các nút nhấn ảo có chức giống nút nhấn bảng điều khiển hệ thống Tuy nhiên, số trường hợp điều khiển phải đợi tín hiệu phản hồi vi điều khiển dẫn đến trễ bị treo không mong muốn 5.3 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỀ TÀI Sau hoàn thành đề tài, nhóm nhận thấy đề tài có ưu điểm riêng so với hệ thống thực tiễn Hệ thống có thêm tính điều khiển giao thơng qua WebSever, hỗ trợ thiết bị smart phone nhỏ gọn điều khiển Có tích hợp thêm hệ thống điều hướng cho pin mặt trời để hướng pin đến vị trí có hướng sáng tốt nhất, giúp tối đa lượng điện nạp vào cho hệ thống Tích hợp đèn đường xung quanh khu vực ngã tư, tự động bật tắt dựa vào thời gian thực mà không cần điều khiển người Ngoài ra, hệ thống giám sát điện áp, dòng điện ắc quy lưu trữ, tự động chuyển nguồn sạc ắc quy gần cạn kiệt điện Tuy nhiên, nhóm nhận thấy mơ hình cịn số hạn chế như: phần điều khiển qua WebSever cịn chậm, mơ hình chưa đạt tính thẩm mỹ cao, cơng suất pin mặt trời cịn nhỏ, phần khung khí hệ thống điều hướng chưa chắn, thuật tốn điều hướng cịn sơ sài 117 an Chương 6: KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN - - - Sau hoàn thành xong đề tài “Hệ thống đèn giao thông thông minh”, nhóm chúng em thực gần tất yêu cầu đề Hệ thống sử dụng nguồn lượng cung cấp lấy trực tiếp từ nguồn lượng mặt trời Có khả tự động chuyển đổi nguồn lượng dự trữ cung cấp cho hệ thống nguồn lượng khơng đủ Hệ thống điều khiển tín hiệu đèn với chế độ bằng tay, tự động điều khiển thông qua mạng không dây Bộ điều chỉnh bằng tay hoạt động ổn định Hệ thống giám sát điện áp dòng điện hoạt động tốt Hệ thống giám sát bật tắt tín hiệu đèn đường Hệ thống điều hướng pin mặt trời xoay theo hướng mặt trời để nhận nguồn lượng cao Tuy nhiên việc cập nhật lại ví trí ban đầu chưa ổn định Cuối cùng, mơ hình hồn thiện chưa đạt thẩm mỹ cao 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI - Lắp đặt thêm cảm biến để hệ thống nhận biết lưu lượng xe từ tự động điều chỉnh thời gian cho phù hợp mà không cần người điều khiển - Trang bị thêm rào chắn cứng đèn đỏ, giúp giảm tượng vượt đèn người tham gia giao thông, tăng mức an tồn nút giao thơng - Gắn camera nhận diện xe vi phạm giao thông - Phát triển điều hướng pin lượng mặt trời giám sát qua internet mạch sạc dị tìm đỉnh cơng suất để tối ưu việc cung cấp lượng cho hệ thống 118 an an ... 112 Hình 5.9 Hệ thống điều khiển đèn giao thơng hồn chỉnh (từ xuống) 113 Hình 5.10 Hệ thống điều khiển đèn giao thông hoạt động 113 Hình 5.11 Hệ thống điều khiển đèn giao thông hoạt động... tiêu thụ lượng hệ thống điều hướng pin mặt trời 75 HỆ THỐNG CẤP ĐIỆN BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 75 3.6 3.6.1 Sơ đồ khối hệ thống 75 3.6.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống ... đến lượng tái tạo từ mặt trời Năng lượng từ mặt trời chuyển đổi thành lượng nhiệt điện, biết đến nguồn lượng tái tạo dồi có nước ta có tài nguyên lượng mặt trời phong phú Các công nghệ lượng mặt
Ngày đăng: 02/02/2023, 09:11
Xem thêm:
