Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tối ưu hướng tiếp cận năng lượng mặt trời sử dụng vi điều khiển,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

LỜI MỞ ĐẦU Trong thời gian thực đề tài với giúp đỡ hướng dẫn nhiệt tình thầy Nguyễn Trường Giang đến đề tài tối ưu hóa hệ thống định hướng lượng pin mặt trời hồn thành Nhóm nghiên cứu vận dụng kiến thức học trường giải yêu cầu Để ứng dụng kiến thức học vào ứng dụng công nghệ thực tế để có hướng nghiên cứu sâu nhóm nghiên cứu có hướng mở rộng ứng dụng đề tài : “Nghiên cứu thiết kế hệ thống tối ưu hướng tiếp cận lương mặt trời sử dụng vi điều khiển” Đề tài góp phần sử dụng có hiệu nguồn lượng mặt trời vào sinh hoạt sản xuất Để đạt điều nhóm nhiên cứu nỗ lực thực với giúp đỡ thầy cô mơn Nhóm nhiên cứu mong đóng góp ý kiến thầy bạn để đề tài nhóm nhiên cứu hồn thiện Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn i MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU i MỤC LỤC ii DANH SÁCH HÌNH VẼ iv CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Hạn chế đề tài CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN VÀ PHẦN TỬ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 2.1 Vi điều khiển PIC16F877A[1] 2.1.1 Sơ đồ chân sơ đồ nguyên lý PIC16F877A 2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển PIC16F877A 2.1.3 Các timer 16F877A 2.2 Lập trình C cho vi điều khiển 2.2.1 Phần mềm biên soạn chương trình CCS [2] 2.2.2 Phần mềm nạp chương trình Winpic800 [3] 2.3 Các linh kiện sử dụng mạch [4] 10 2.3.1.Transistor 10 2.3.2.Điện trở 10 2.3.3.Tụ điện 11 2.3.4.Diode 12 2.3.5 Led 13 2.3.6 Led đoạn 13 2.3.7 Thạch anh 14 2.3.8 Ic L298 15 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 17 3.1 Phần khí 17 ii 3.2 Nguyên lý hoạt động 19 3.3 Mạch điện tử 19 3.3.1 Mạch nguồn Mạch Pic 16f877a 19 3.3.2 Mạch hiển thị led 20 3.3.3 Mạch cầu sử dụng ic L298 20 3.3.4 Sơ đồ toàn mạch điều khiển 22 3.4 Sơ đồ khối chương trình điều khiển 22 3.5 Code chương trình điều khiển 24 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 31 4.1 Kết đề tài 31 4.2 Những hạn chế 31 4.3 Phương hướng phát triển đề tài .31 CHƯƠNG 5: TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 iii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1 PIC 16F877A Hình Sơ đồ chân pic 16F877A Hình Sơ đồ nguyên lý Hình Mơ tả phần mềm nạp pic Hình 2 Hình ảnh card nạp GTPs Hình Transistor 10 Hình Sơ đồ chân 10 Hình Điện trở 11 Hình Tụ điện 11 Hình Diode 12 Hình Led đoạn có hai loại loại anot chung catot chung 14 Hình 2.9 Thạch anh 14 Hình 2.10 IC L298 15 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống 17 Hình 3.2 Động 18 Hình 3.3 Hộp giảm tốc 18 Hình 3.4 Pin mặt trời .19 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý nguồn mạch lọc Pic 16f877a 20 Hình 3.6 Mạch hiển thị led 20 Hình 3.7 Mạch cầu sử dụng ic L298 21 Hình 3.8 Sơ đồ mạch 22 iv CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu lượng 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 Việc tìm kiếm khai thác nguồn lượng lượng hạt nhân, lượng địa nhiệt, lượng gió lượng mặt trời hướng quan trọng kế hoạch phát triển lượng, nước phát triển mà với nước phát triển Việt Nam Ở Việt Nam nay, công nghệ sử dụng nguồn lượng mặt trời nói chung, hệ thống pin mặt trời nói riêng, phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên, việc tiếp cận hướng mặt trời số hệ thống pin mặt trời sử dụng thường không thu giá trị lượng cao Chính vậy, việc tối ưu hóa hệ thống định hướng pin mặt trời khắc phục nhược điểm nêu Qua góp phần nâng cao hiệu kinh tế hệ thống pin mặt trời 1.2 Mục đích nghiên cứu Pin lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn diod p-n, duới diện ánh sáng mặt trời có khả tạo dịng điện sử dụng Sự chuyển đổi gọi hiệu ứng quang điện Để sử dụng nguồn lượng thơng qua pin mặt trời đạt hiệu cao cần tối ưu hóa hệ thống định hướng lượng pin mặt trời để thu lượng nhiệt chuyển hóa thành điện có hiệu suất cao Vì vậy, đề tài nghiên cứu thực nhằm góp phần nhỏ vào mục đích trên, đồng thời giúp cho học sinh sinh viên thấy mối liên hệ kiến thức học trường với ứng dụng chúng thực tế 1.3 Hạn chế đề tài Do thời gian nghiên cứu kiến thức học nhóm nghiên cứu cịn có phần hạn chế nên việc phát triển mơ hình dạng thơ sơ phần lập trình chưa tối ưu Vì vậy, nhóm nghiên cứu mong nhận góp ý thầy, bạn để nhóm nghiên cứu ngày hồn thiện đề tài Đồng thời, hy vọng phát triển đề tài với nhiều tính khác để ứng dụng vào q trình sản xuất thực tế CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC LINH KIỆN VÀ PHẦN TỬ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 2.1 Vi điều khiển PIC16F877A[1] 2.1.1 Sơ đồ chân sơ đồ nguyên lý PIC16F877A Hình 1 PIC 16F877A Hình Sơ đồ chân pic 16F877A Hình Sơ đồ nguyên lý 2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển PIC16F877A Sơ đồ chân sơ đồ nguyên lý PIC16F877A trình bày Hình 1.2 1.3 với đặc điểm sau : - PIC16F877A có tất 40 chân - 40 chân chia thành PORT, chân cấp nguồn, chân GND, chân thạch anh chân dùng để RESET vi điều khiển - port PIC16F877A bao gồm : + PORTB : chân + PORTD : chân + PORTC : chân + PORTA : chân + PORT E : chân * Khái quát chức port vi điều khiển PIC16F877A PORTA: PORTA gồm có chân Các chân PortA, thực chức “hai chiều” : xuất liệu từ vi điều khiển ngoại vi nhập liệu từ ngoại vi vào vi điều khiển Việc xuất nhập liệu PIC16F877A khác với họ 8051 Ở tất PORT PIC16F877A, thời điểm thực chức :xuất nhập Để chuyển từ chức nhập qua chức xuất hay ngược lại, ta phải xử lý phần mềm, không 8051 tự hiểu lúc chức nhập, lúc chức xuất Trong kiến trúc phần cứng PIC16F877A, người ta sử dụng ghi TRISA địa 85H để điều khiển chức I/O Muốn xác lập chân PORTA nhập (input) ta “ set bit ’’ tương ứng chân ghi TRISA Ngược lại, muốn chân output ta “ clear bit ’’ tương ứng chân ghi TRISA Điều hồn tồn tương tự PORT cịn lại Ngồi ra, PORTA cịn có chức quan trọng sau: - Ngõ vào Analog ADC: thực chức chuyển từ Analog sang Digital - Ngõ vào điện so sánh - Ngõ vào xung Clock Timer0 kiến trúc phần cứng : thực nhiệm vụ đếm xung thông qua Timer0… - Ngõ vào giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port) PORTB: PORTB có chân Cũng PORTA, chân PORTB thực chức năng: input output Hai chức điều khiển bới ghi TRISB Khi muốn chân PORTB input ta set bit tương ứng ghi TRISB, ngược lại muốn chân output ta clear bit tương ứng TRISB Thanh ghi TRISB tích hợp điện trở kéo lên điều khiển chương trình PORTC: PORTC có chân thực chức input output điều khiển ghi TRISC tương tự hai ghi Ngồi PORTC cịn có chức quan trọng sau: - Ngõ vào xung clock cho Timer1 kiến trúc phần cứng - Bộ PWM thực chức điều xung lập trình tần số, duty cycle: sử dụng điều khiển tốc độ vị trí động v.v… - Tích hợp giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART PORTD: PORTD có chân Thanh ghi TRISD điều khiển chức input output PORTD tương tự PORTD cổng xuất liệu chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) PORTE: PORTE có chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISE Các chân PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh PORTE cịn chân điều khiển chuẩn giao tiếp PSP 2.1.3 Các timer 16F877A Bộ vi điều khiển PIC16F877A có Timer là: Timer0, Timer1, Timer2 * Bộ Timer 0: Là định thời đếm có ưu điểm bật sau: + bit cho timer đếm + Có khả đọc viết a Động Hình 3.2 Động Nguyên lý hoạt động: phần chình động điện gồm phần đứng yên (stator) phần chuyển động (rotor) quấn nhiều vịng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây stator rotor kết nối với nguồn điện, xung quanh tồn từ trường, tương tác từ trường rotor stator tạo chuyển động quay rotor quanh trục hay mômen b Hộp giảm tốc Hộp giảm tốc có tác dụng làm giảm tốc độ quay động cơ, để thay đổi tỉ số truyền từ động đến cấu vận hành Hình 3.3 Hộp giảm tốc c Pin mặt trời Pin mặt trời ghép nối từ nhiều tế bào quang điện, tế bào quang điện thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn diod p-n, ánh sáng mặt trời có khả tạo 18 dòng điện Sự chuyển đổi gọi hiệu ứng quang điện Người ta ghép nối nhiều pin mặt trời thành hệ thống pin mặt trời Pin lượng mặt trời có dạng đơn tinh thể hoạc đa tinh thể Hình 3.4 Pin mặt trời 3.2 Nguyên lý hoạt động Động điều khiển hệ thống giá đỡ pin mặt trời quay quanh trục thẳng đứng Động điều khiển hệ thống pin quay quanh phương ngang Khi có tín hiệu điện áp pin mặt trời gửi về, vi điều khiển pic điều khiển động quay theo hướng mà pin mặt trời thu điện áp lớn Từ mà hệ thống pin lượng mặt trời tối ưu 3.3 Mạch điện tử 3.3.1 Mạch nguồn Mạch Pic 16f877a [5] Dòng điện nuôi vi điều khiển cấp chân AVDD (chân 11,chân 32) Bộ dao đông bao gồm tụ điện C1,C2 thạch anh 12MHz Tín hiệu dao động cấp vào chân 13,14 PIC Công tắc nối vào chân số PIC có tác dụng reset lại hệ thống 19 Chân vi điều khiển có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điện áp từ pin lượng mặt trời để xử lý tín hiệu Hình 3.5.Sơ đồ ngun lý mạch nguồn mạch PIC 16F877A 3.3.2 Mạch hiển thị led [5] Hình 3.6.Mạch hiển thị led 3.3.3 Mạch cầu sử dụng ic L298 Khối gồm: +IC L298 có tác dụng đảo chiều động DC 1, DC2 20 +8 diode dùng để bảo vệ hệ thống điều khiển ngăn dòng điện phóng ngược lại IC Nguyên lý hoạt động khối: Sau nhận tín hiệu điều khiển từ PORT C PIC, IC L298 có tác dụng hệ thống khóa điên tử đóng / ngắt dịng điện 12V từ nguồn vào động DC.Cấc chân out1, out2, out3,out4 nối với cực DC Khi nhận tín hiệu điều khiển từ PIC ,tùy theo giá trị logic tín hiệu điều khiển, L298 hoạt động đóng/ mở chân output với nguồn 12V Qua đảo cực động Như vậy, ta điều khiển đươc tốc độ động đảo chiều động Hình 3.7.Mạch cầu sử dụng Ic L298 21 3.3.4 Sơ đồ toàn mạch điều khiển [6] Hình 3.8 Sơ đồ mạch điều khiển 3.4 Sơ đồ khối chương trình điều khiển 22 START Đọc ADC  OldADC Điều khiển ĐC quay phải Đọc ADC  NewADC NewADC ≠ NewADC N Dừng ĐC 1s Y NewADC > NewADC Y OldADC = NewADC (a) 23 N 2 Điều khiển ĐC quay trái Đọc ADC  NewADC N NewADC ≠ NewADC Dừng ĐC 1s Y N NewADC > NewADC Y OldADC = NewADC (b) Hình 3.9.Sơ đồ khối điều khiển chương trình 24 3.5 Code chương trình điều khiển #include #device *=16 ADC=10 // Use ADC 10 bits, ADC value: 0-1023 #fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP #use delay(clock=12000000) #include #include Int1 QP1=1, QP2=1; Int8 Const BCDNo[10] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F}; Int8 Var[4], Step = 60, Rate = 50, Digit=10; Int16 VarADC, OldADC, NewADC, TempADC, Count, Rem, Esl=2; //Chuong trinh ngat TMR0 #int_timer0 Void Interrupt_timer0() { Int8 i, DispNum, Temp=0x0F; Set_timer0(6); ++Count; If(Count>=4*Step) // 240*(500/3)us = 40000us = 0.04s { Count = 0; VarADC = Read_adc(7); TempADC = VarADC; For (i=4; i>0; i ) { Rem = TempADC%Digit; TempADC = TempADC/Digit; Var[i-1] = (Int8)Rem; } } Else { DispNum = (Int8)(Count/Step); Output_B(BCDNo[Var[DispNum]]); Bit_clear(Temp,DispNum); 25 If (CountEsl) { Output_high(PIN_C2); Output_low(PIN_C3); OldADC = NewADC; Delay_ms(20); NewADC = Read_adc(7); } If(Abs(NewADC-OldADC)