Hiện nay, các vấn đề về năng lượng tái tạo đang được quan tâm hơn khi các nguồn năng lượng không tái tạo đang dần cạn kiệt. Các tấm pin năng lượng mặt trời dần được chú ý, như một nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống. Các tấm pin năng lượng mặt trời dần phổ biến hơn khi giá thành của các công nghệ này giảm xuống. Năng lượng lượng này có thể sử dụng khi cần thiết, hoặc có thể sử dụng như một giải pháp thay thế trực tiếp cho nguồn cung cấp điện. Vị trí của mặt trời đối với tấm pin mặt trời không cố định do trái đất quay. Để thu được tối ưu mức năng lượng, các tấm pin năng lượng mặt trời phải thu được ở mức tối đa. Điều này có thể thực hiện nếu các tấm pin được đặt liên tục theo hướng mặt trời. Để tận dụng được tối đa nguồn năng lượng này thiết kế sản phẩm “Theo dõi vị trí mặt trời cho tấm pin năng lượng mặt trời”.
DEPARTMENT OF COMPUTER AND COMMUNICATION ENGINEERING FACULTY OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION http://cce.hcmute.edu.vn cce@hcmute.edu.vn Email: Design Project SW Design Document Projec t Name Hệ thống theo dõi vị trí mặt trời, cho pin lượng mặt trời (Sun Tracking Solar Panel system) Stude nt [1] Major Computer Technology ID Engineering Supervisor Assoc Prof Phan Van Ca Copyright ©2021 CCE Department SW Design Document Department-HCMUTE CCE Mục lục Introduction Technical objectives and Specification Concept/Technology System Architecture Detailed Design Final Product 14 Appendix 15 7.1 7.2 7.3 7.4 Division of Labor 15 Bill of Material 15 Gantt Chart 16 User manual 16 Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE Terms CCE and abbreviations [LDR] Light-dependent resistor [RISC] Reduced Instructions Set Computer [IPS] Instructions per second [EEPROM] Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory [SRAM] Static random-access memory [I/O] Input/Output port [ADC] Analog to Digital Converter [UART] Universal Asynchronous Receiver/Transmitter [SPI] Serial Peripheral Interface [I2C] Inter – Integrated Circuit References [1] A A Galadima, "Arduino as a learning tool," 2014 11th International Conference on Electronics, Computer and Computation (ICECCO), Abuja, 2014, pp 1-4, doi: 10.1109/ICECCO.2014.6997577 [2] V Oza and P Mehta, "Arduino Robotic Hand: Survey Paper," 2018 International Conference on Smart City and Emerging Technology (ICSCET), Mumbai, 2018, pp 1-5, doi: 10.1109/ICSCET.2018.8537312 [3] https://www.microchip.com/en-us/product/atmega328p [4] List of Tables & Figures Bảng Thông số Atmega328p Bảng Chi tiết chân Atmega328p 10 Hình Sơ đồ chân ATMega328 Hình Sơ đồ khối hoạt động hệ thống Hình Mạch kết nối Hình Sản phẩm cuối .14 Hình Sản phẩm cuối 14 Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE Confidential Property of CCE Dept CCE SW Design Document Department-HCMUTE CCE Introduction Hiện nay, vấn đề lượng tái tạo quan tâm nguồn lượng không tái tạo dần cạn kiệt Các pin lượng mặt trời dần ý, nguồn lượng tái tạo thay cho nguồn lượng truyền thống Các pin lượng mặt trời dần phổ biến giá thành công nghệ giảm xuống Năng lượng lượng sử dụng cần thiết, sử dụng giải pháp thay trực tiếp cho nguồn cung cấp điện Vị trí mặt trời pin mặt trời không cố định trái đất quay Để thu tối ưu mức lượng, pin lượng mặt trời phải thu mức tối đa Điều thực pin đặt liên tục theo hướng mặt trời Để tận dụng tối đa nguồn lượng thiết kế sản phẩm “Theo dõi vị trí mặt trời cho pin lượng mặt trời” Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE CCE Technical objectives and Specification 2.1 Customers Needs Yêu cầu hệ thống bao gồm: + Tối ưu diện tích tiếp xúc ánh sáng mặt trời, tăng hiệu suất hoạt động pin lượng mặt trời + Hiển thị đèn báo mạch hoạt động + Dễ dàng lắp đặt, sử dụng + Các linh kiện có sẵn, dễ tìm, dễ thay Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE CCE 2.1 Engineering Requiments 2.1.1 Funtions Hệ thống theo dõi vị trí mặt trời cho pin lượng mặt trời bao gồm hai LDR, động servo vi điều khiển ATmega328 Hai quang trở bố trí cạnh bảng điều khiển Quang trở tạo điện trở thấp ánh sáng chiếu vào chúng Động servo kết nối với bảng điều khiển xoay bảng điều khiển theo hướng Mặt trời Bảng điều khiển xếp cho ánh sáng hai LDR so sánh bảng điều khiển xoay phía LDR có cường độ cao tức điện trở thấp so với LDR lại Động servo xoay bảng góc thích hợp Khi ánh sáng chiếu vào LDR bên phải có cường độ lớn hơn, bảng điều khiển từ từ di chuyển bên phải cường độ ánh sáng LDR bên trái nhiều hơn, bảng điều khiển từ từ di chuyển bên trái Vào buổi trưa, Mặt trời phía trước cường độ ánh sáng hai Trong trường hợp vậy, bảng điều khiển khơng đổi khơng có chuyển động quay 2.2.1 Non-functions Trong thực tế hệ thống cảm biến mặt trời cịn có vấn đề cần giải như: Hệ thống theo giõi vị trí mặt trời cần chế reset độ nghêng bảng lượng vào buổi tối cho hệ thống hoạt động vào buổi sáng Bởi khơng có chế vào đầu buổi sáng tất quang trở bị khuất mặt sau, ánh nắng mặt trời lúc chiếu vào chúng để hoạt động Cần thêm đèn báo hiệu mạch vào hoạt động hay chưa Cần chế giao tiếp để vi điều khiển thơng báo tình trạng hoạt động hệ thống cho máy tính điện thoại để người dùng dễ nhận biết Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE CCE Concept/Technology - Vi điều khiển ATmega328 Điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) x động servo Vi điều khiển Atmega328 Atmega328 vi điều khiển đơn chip Atmel tạo dịng megaAVR Nó dựa kiến trúc RISC 8-bit Atmel kết hợp nhớ flash IPS 32K byte lập trình, 1K byte EEPROM 2K byte SRAM 23 chân I/O lập trình Hỗ trợ tính ngoại vi hai định thời bit, hẹn 16bit, chuyển đổi A/D 10 bit kênh, USART lập trình, SPI, I2C,… Tham số Giá trị Loại CPU AVR 8-bit Tốc độ CPU tối đa 20 MHz Hiệu suất 20 MIPS 20 MHz [2] Bộ nhớ flash 32KB SRAM 2KB EEPROM 1KB Sốc chân đóng gói 28 32 Các kênh cảm ứng điện dung 16 Số chân I/O tối đa 23 Ngắt Kết nối USB Khơng Bảng Thơng số Atmega328p Hình Sơ đồ chân ATMega328 Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE CCE Vi điều khiển chọn sử dụng cho hệ thống có đủ yêu cầu thiết kế Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) tích hợp giảm số lượng phận bổ xung Để cấu hình vộ vi điều khiển, nguồn điện chiều 5V sử dụng cung cấp cho mạch hoạt động LDR (quang trở) Quang trở hay điẻn trở quang (Light-dependent resistor) điện trở có giá trị điện trở phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Khi cường độ ánh sáng chiếu vào LDR tăng lên, giá trị điện trở giảm xuống Trong bóng tối, LDR có điẻn trở tối đa Hai LDR kết nối với chân ADC theo kiểu chia điện áp kết hớp với điện trở 10KΩ Động Servo Động Servo sử dụng để xoay bảng điều khiển Để điều khiển động Servo, tín hiệu PWM cung cấp cho chân điều khiển Chân có PWM kết nối với chân điều khiển động Servo Phần mềm lập trình: Arduino IDE Arduino IDE phần mềm có mã nguồn mở hỗ trợ người dùng lập trình nạp lệnh vào board hay vi điều khiển Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE CCE System Architecture Hình Sơ đồ khối hoạt động hệ thống Hình Mạch kết nối 10 Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE CCE Detailed Design Nguồn cấp cho hệ thống Sử dụng nguồn có điện áp 5V Cảm biến ánh sáng Sử dụng quang trở để cảm biến ánh sáng mặt trời Quang trở cấu tạo từ: Chất bán dẫn: giá trị điện trở giảm có ánh sáng chiếu vào; chất quang dẫn Cadmium Sulphide (CdS): thường khơng chứa có hạt electron không ánh sáng chiếu vào Thông số kỹ thuật:Điện áp tối đa 150V Công suất tối đa: 100mW Giá trị đỉnh phổ: 540 nm Trở sáng (10Lux) 10 ~ 20 (KΩ) Trở tối: (MΩ) Nhiệt độ hoạt động: -30 ~ 70oC Giá trị γ (1000 | 10): 0.6 Thời gian đáp ứng (ms): + Tăng: 20ms + Giảm: 30ms Vi điều khiển ATmega328 Sơ đồ chân: Số thứ tự chân Mô tả Chức Mô tả chức PC6 reset Khi chân reset mức thấp, vi điều khiển chương trình reset PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 Vcc GND XTAL 10 XTAL Chân kỹ thuật số (RX) Chân kỹ thuật số (TX) Chân kỹ thuật số Chân kỹ thuật số (PWM) Chân kỹ thuật số Điện áp dương Nối đất Dao động tinh thể Dao động tinh thể Chân đầu vào cho giao tiếp nối tiếp Chân đầu cho giao tiếp nối tiếp Chân sử dụng làm ngắt Chân sử dụng làm ngắt Chân sử dụng cho nguồn đếm bên Timer0 Nguồn dương hệ thống Nối đất hệ thống Chân nối với châncủa dao động tinh thể để cung cấp xung nhịp bên cho chip Chân nối với chân lại dao động tinh thể để cung cấp xung nhịp bên cho chip Confidential Property of CCE Dept 11 SW Design Document Department-HCMUTE 12 Confidential Property of CCE Dept CCE SW Design Document Department-HCMUTE 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 CCE Chân kỹ thuật số (PWM) Chân kỹ thuật PD6 số (PWM) Chân kỹ thuật PD7 số Chân kỹ thuật PB0 số Chân kỹ thuật PB1 số (PWM) Chân kỹ thuật PB2 số (PWM) Chân kỹ thuật PB3 số (PWM) Chân kỹ thuật PB4 số Chân kỹ thuật PB5 số AVcc Điện áp dương Tham chiếu AREF analog GND Nối đất Đầu vào PC0 analog Đầu vào PC1 analog Đầu vào PC2 analog Đầu vào PC3 analog PD5 27 PC4 Đầu vào analog 28 PC5 Đầu vào analog Chân 11 sử dụng cho nguồn đếm bên Timer1 Bộ so sánh analog dương i / ps Bộ so sánh analog âm i / ps Nguồn đầu vào đếm hẹn Bộ đếm hẹn so sánh khớp A Chân hoạt động lựa chọn slave i / p Chân sử dụng làm đầu liệu master đầu vào liệu slave cho SPI Chân hoạt động đầu vào xung nhịp master đầu xung nhịp slave Chân hoạt động đầu xung nhịp master đầu vào xung nhịp slave cho SPI Điện áp dương cho ADC (nguồn) Điện áp tham chiếu analog cho ADC (Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số) Nối đất hệ thống Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh Chân sử dụng làm kết nối giao diện nối tiếp cho liệu Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh Chân sử dụng dòng xung nhịp giao diện nối tiếp Bảng Chi tiết chân Atmega328p Thông số kỹ thuật: + Kiến trúc: AVR 8bit + Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz + Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB + Bộ nhớ EEPROM: 1KB + Bộ nhớ RAM: 2KB + Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V + Số timer: timer gồm timer 8-bit timer 16-bit + Số kênh xung PWM: kênh (1timer kênh) Confidential Property of CCE Dept 13 SW Design Document Department-HCMUTE CCE Động servo Servo motor: Thông số kỹ thuật: Khối lượng : 9g – 14g kèm linh kiện Kích thước: 23mmX12.2mmX29mm Momen xoắn: 1.8kg/cm Tốc độ hoạt động: 60 độ 0.1 giây Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V) Nhiệt độ hoạt động: ºC – 55 ºC Phạm vi quay 180º Tính hiệu điều khiển: xung PPM/PWM Các dây nối motor: Dây Dây Dây màu cam: Nối với chân tín hiệu PWM màu đỏ: Nối với nguồn (5.5V để hoạt động bình thường) màu nâu: Nối với cực âm (GND) Bộ chuyển đổi USB -UART sang TTL Serial Thông số FT232RL: IC chính: FT232RL hãng FTDI Nguồn cấp: 5VDC từ cổng USB (cổng mini USB) Có ngõ nguồn điều chỉnh 3V3 5VDC Chuyển giao tiếp từ USB sang UART TTL Drive hỗ trợ Windows Mac, Linux Có cầu chì tự phục hồi: 500mA Tốc độ Baudrate: tùy chỉnh Kích thước PCB: 36 x 18.5mm Trọng lượng: 3g Các phụ kiện khác: 14 Tụ điện sứ/gốm loại 22pF 104pF Tụ điện 10uF 25V Điện trở 10k 220 Bộ tạo xung thạch anh 16MHz Nút nhấn Bảng lắp mạch Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE CCE Chương trình vi điều khiển Code: #include Servo myservo; int ldr1 = 4; // Chan A4 tren Arduino - AT 27 int ldr2 = 5; // Chan A5 tren Arduino - AT 28 int val1; int val2; int pos = 90; // goc quay ban dau int btn = 8; // Nut bat-tat - Chan tren Arduino - AT 14 int led = 13; // Led nguon - Chan 13 tren Arduino - AT 19 int ledhd = 12; // Led hoat dong - Chan 12 tren Arduino - AT 18 boolean i = 1; // moi vo la no chay chinh de moi vo la no tat void setup() { myservo.attach(9); // Chan motor - - Chan tren Arduino - AT 15 Serial.begin(9600); myservo.write(pos); pinMode(led, OUTPUT); pinMode(ledhd, OUTPUT); pinMode(btn, INPUT); } void loop() { if(digitalRead(btn)==LOW) // an la no muc thap doi "LOW" "HIGH" de an no la muc cao i = !i; // trang thai on/off cua he thong if ( i == 1) { digitalWrite(led, HIGH); // den thong bao mach hd val1 = analogRead(ldr1); val2 = analogRead(ldr2); Confidential Property of CCE Dept 15 SW Design Document Department-HCMUTE Serial.println (""); Serial.print("Q1: "); Serial.print(val1); Serial.println (""); Serial.print ("Q2: "); Serial.print(val2); val1 = map(val1, 0, 1023, 0, 180); val2 = map(val2, 0, 1023, 0, 180); if(val1 > (val2+50)) { if(pos (val1+50)) { if(pos>0) { pos=pos-1; digitalWrite(ledhd, HIGH); } myservo.write(pos); Serial.println("forward"); Serial.println (""); delay(10); } digitalWrite(ledhd, LOW); } if ( i == 0) digitalWrite(led, LOW); // den thong bao mach ko hd } 16 Confidential Property of CCE Dept CCE SW Design Document Department-HCMUTE CCE Final Product Hình Sản phẩm cuối Hình Sản phẩm cuối Confidential Property of CCE Dept 17 SW Design Document Department-HCMUTE CCE Appendix 7.1 Division of Labor I D Activity Description Lên ý tưởng Xác định mục tiêu, sản phẩm cần làm Thiết kế sợ hệ thống Thiết kế thức hoạt động hệ thống Tìm hiểu thiết vị cần thiết Xác định linh kiện cần dùng để thiết kế sản phẩm Dựa sơ đò nguyên lý sơ đồ khối để lắp ráp, lập trình cho sản phẩm Kiểm tra, đưa sản phẩm vào hoạt động thử nghiệm Xử lý vấn đề gặp phải nâng cấp cải tiến sản phẩm Trình bày trình làm sản phẩm, chức thơng số chi tiết Lập trình lắp ráp Kiểm thử hệ thống Sửa chữa nâng cấp Hoàn thành báo cáo Deliverables/ Checkpoints Ý tưởng sản phẩm Sơ đồ nguyên lý sơ đò khố hệ thống Danh sách linh kiện cần thiết Duration (Days) People Both Both Both Sản phẩm ban đầu Both Các vướng vấn đề vướng phải hệ thống Resources Predecessors Internet thiết bị truy cập internet Internet thiết bị truy cập internet Internet thiết bị truy cập internet / Công cụ hỗ trợ lắp ráp Phần mềm Arduino IDE Both Both Nội dung báo cáo Both 7.2 Bill of Material ID 10 11 18 Parts/Components Atmega328 Động Servo SG90 Quang trở Thạch anh 16Mhz chân Điện trở 10k 1/4w (10) Nút nhấn Tụ gốm 22pF Bộ chuyển đổi UART – TTL Dây nối (1 tá) Tụ 10uF Breadboard Amount 1 1 Price per Unit 140.000 vnd 30.000 vnd 2.000 vnd 2.000 vnd 1.000 vnd 1.000 vnd 250 vnd Total 140.000 vnd 30.000 vnd 2.000 vnd 2.000 vnd 1.000 vnd 1.000 vnd 1.000 vnd 25.000 vnd 25.000 vnd 1 4.000 vnd 3.000 vnd 20.000 vnd 12.000 vnd 3.000 vnd 20.000 vnd Confidential Property of CCE Dept SW Design Document Department-HCMUTE CCE 7.3 Gantt Chart ID Task name Lên ý tưởng Thiết kế sợ hệ thống Tìm hiểu thiết vị cần thiết Lập trình lắp ráp Kiểm thử hệ thống Sửa chữa nâng cấp Hoàn thành báo cáo Start 12-12 12-12 12-12 12-12 13-12 13-12 14-12 Finish 12-12 12-12 12-12 12-12 13-12 13-12 14-12 Duration giờ giờ giờ ngày Confidential Property of CCE Dept 19 SW Design Document Department-HCMUTE CCE 7.4 User manual Hướng dẫn sử dụng: Lắp đặt chiều nghiêng hệ thống cho hai quang trở chiều chúng hướng theo hướng di chuyển mặt trời, cụ thể hướng Đông – Tây Chú ý: không cần ý bên hướng tây/đơng hệ thống tự nghiêng theo hướng mặt trời Khi trời tối ấn nút reset để lượng mặt trời quay nằm ngang Nếu khơng có ấn nút reset vào buổi thơi sáng hơm sau cảm biến bị khuất nắng sẫn đến hệ thông hoạt động không hiệu Lắp ráp, dây theo sơ đồ: 20 Hình Sơ đồ hướng dẫn kết nối hệ thống Lưu ý để bảng mạch điều khiển bóng mát tránh ánh sáng trực tiếp từ mặt trời Dùng nguồn có điện áp 5V để cung cấp cho hệ thống hoạt động Confidential Property of CCE Dept ... lượng, pin lượng mặt trời phải thu mức tối đa Điều thực pin đặt liên tục theo hướng mặt trời Để tận dụng tối đa nguồn lượng thiết kế sản phẩm ? ?Theo dõi vị trí mặt trời cho pin lượng mặt trời? ?? Confidential... Hiện nay, vấn đề lượng tái tạo quan tâm nguồn lượng không tái tạo dần cạn kiệt Các pin lượng mặt trời dần ý, nguồn lượng tái tạo thay cho nguồn lượng truyền thống Các pin lượng mặt trời dần phổ biến... nghệ giảm xuống Năng lượng lượng sử dụng cần thiết, sử dụng giải pháp thay trực tiếp cho nguồn cung cấp điện Vị trí mặt trời pin mặt trời không cố định trái đất quay Để thu tối ưu mức lượng, pin