thiết kế thi công bộ sạc ắc quy từ pin mặt trời

32123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com hghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ SẠC ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI

Sinh viên thực hiện:

Phạm Minh Toàn MSSV : 16009521 Trần Quốc Khải MSSV : 16026461

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THANH THUẬN

TP.HCM, Năm 2020

712413069:30:00 PM9:30:00 PM712413069:30:00 PM9:30:00 PM712413069:30:00 PM9:30:00 PM

hghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctc

hghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctc

71Thursday, June 13, 20249:30:01 PM9:30:01 PM71Thursday, June 13, 20249:30:01 PM9:30:01 PM71Thursday, June 13, 20249:30:01 PM9:30:01 PM

hghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctc

71hghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctcThursday, June 13, 2024

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ SẠC ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI

Sinh viên thực hiện:

Phạm Minh Toàn MSSV : 16009521 Trần Quốc Khải MSSV : 16026461

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THANH THUẬN

TP.HCM, Năm 2020

712413069:30:00 PM9:30:00 PM712413069:30:00 PM9:30:00 PM712413069:30:00 PM9:30:00 PM

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 4

1.4 Nội dung dự kiến 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Pin năng lượng mặt trời 3

2.1.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời 3

2.1.2 Điểm công suất cực đại 4

2.2 Mạch tăng áp (boost converter) 5

2.2.1 Sử dụng mạch tăng áp trong thiết kế thi công bộ sạc ắc quy 5

2.2.2 Giới thiệu mạch tăng áp (boost converter) 6

2.2.3 Nguyên lý hoạt động mạch tăng áp (Boost converter) 6

2.3 Vi điều khiển Arduino 8

2.3.1 Sử dụng Arduino trong bộ sạc ắc quy 8

2.3.2 Giới thiệu vi điều khiển Arduno 8

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ SẠC ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI 9

3.1 Thiết kế sơ đồ khối 9

3.2 Mạch tăng áp Boost converter 10

Trang 5

3.5.1.2 Thay đổi tần số ngỏ ra tương tự của Arduino 19

3.5.2 Module cảm biến điện áp 21

3.5.3 Cảm biến dòng điện ACS712 21

3.5.4 LCD 20×4 23

3.5.5 Module chuyển đổi I2C cho LCD 24

3.5.6 Module Relay 25

3.6 Thiết kế phầm mềm 26

3.6.1 Thuật toán MPPT P&O 26

3.6.2 Lập trình vi điều khiển Arduino 29

3.6.2.1 Lập trình đọc giá trị điện áp từ cảm biến điện áp 30

3.6.2.2 Lập trình đọc giá trị dòng điện từ cảm biến dòng điện 32

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

hghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctchghieh euu mot xo bieh uhau ky thuat tao eo xo eho bao puah hat giohg xc moe dau euhhihghcmic kohixhii hcyctc712413069:30:00 PM9:30:00 PM712413069:30:00 PM9:30:00 PM712413069:30:00 PM9:30:00 PM

Trang 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 - Pin năng lượng mặt trời (Pin mặt trời) 3

Hình 2 1 - Đặc tuyến pin năng lượng mặt trời 4

Hình 2 2 - Pin mặt trời với tải 5

Hình 2 3 - Mạch tăng áp (boost converter) 6

Hình 2 4 - Mạch tăng áp – Bước 1 6

Hình 2 7 - Một số loại Arduino 8

Hình 3 1 - Sơ đồ khối bộ dò tìm điểm công suất cực đại 9

Hình 3 2 – Mạch tăng áp (boost converter) 10

Hình 3 3 - Mosfet IRFP250N 11

Hình 3 4 – Sơ đồ chân Mosfet IRFP250N 11

Hình 3 5 – Diode MBR10200CT 13

Hình 3 6 - Sơ đồ chân Diode MBR10200CT 14

Hình 3 7 – Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp (boost converter) 15

Hình 3 8 – Sơ đồ mạch tăng áp trên proteus 15

Hình 3 9 – Opto TLP250 16

Hình 3 10 – Sơ đồ chân Opto TLP250 16

Hình 3 11 – Sơ đồ nguyên lý mạch Opto cách ly 17

Hình 3 12 – Sơ đồ mạch opto trên proteus 17

Hình 3 13 – Sơ đồ nguyên lý mạch trên phần mềm Proteus 17

Hình 3 14 – Sơ đồ mạch in trên phần mềm Proteus 18

Hình 3 15 – Sơ đồ mạch được mô phỏng 18

Hình 3 16 – Arduino Uno R3 19

Hình 3 17 – Cảm biến điện áp DC 21

Hình 3 18 – Sơ đồ cảm biến điện áp 21

Hình 3 19 – Cảm biến dòng điện ACS712 21

Hình 3 20 – Sơ đồ cảm biến dòng điện ACS712 22

Hình 3 21 – LCD 20×4 23

Hình 3 22 – Module I2C cho LCD 24

Hình 3 23 – Sơ đồ kết nối Module I2C với Arduino 24123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

Hình 3 24 – Module relay 1 kênh 25

Hình 3 25 – Lưu đồ thuật toán P&O 27

Hình 3 26 – Lưu đồ thuật toán P&O sử dụng 28

Hình 3 27 – Lưu đồ chương trình điều khiển Arduino 29

Hình 3 28 – Lưu đồ đo điện áp pin mặt trời 30

Hình 3 29 – Lưu đồ đo điện áp ắc quy 31

Hình 3 30 – Lưu đồ đo dòng điện pin mặt trời 32

Hình 3 31 – Lưu đồ đo dòng điện ắc quy 33

Hình 3 32 – Lưu đồ thuật toán MPPT 35

Hình 3 33 – Lưu đồ đóng cắt relay 37

Hình 3 34 – Đồ thị điện áp pin mặt trời theo thời gian 39

Hình 3 35 – Đồ thị dòng điện pin mặt trời theo thời gian 39

Hình 3 36 – Đồ thị công suất pin mặt trời theo thời gian 40

Hình 3 37 – Đồ thị điện áp ắc quy theo thời gian 41

Hình 3 38 – Đồ thị dòng điện ắc quy theo thời gian 41

Hình 3 39 – Đồ thị công suất ắc quy 42

Hình 3 40 – Đồ thị công suất pin và công suất ắc quy theo thời gian 42

Hình 3 41 – Đồ thị điện áp pin mặt trời theo thời gian 43

Hình 3 42 – Đồ thị dòng điện pin mặt trời theo thời gian 43

Hình 3 43 – Đồ thị công suất pin mặt trời theo thời gian 44

Hình 3 44 – Đồ thị điện áp ắc quy theo thời gian 44

Hình 3 45 – Đồ thị dòng điện ắc quy theo thời gian 45

Hình 3 46 – Đồ thị công suất ắc quy theo thời gian 45

Hình 3 47 – Đồ thị công suất pin mặt trời và ắc quy 46

Hình 3 48 – Các cảm biến dòng điện và cảm biến điện áp 47

Hình 3 49 – Mạch tăng áp (Boost converter) 47

Hình 3 50 – Mạch relay ngắt tải 48

Hình 3 51 – Công suất pin mặt trời và công suất nạp ắc quy lúc hoạt động 48

Hình 3 52 – Trạng thái hoạt động không tải 49

Hình 3 53 – Sản phẩm hoàn thiện 49

Trang 8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3 1 – Giá trị điện áp đầu ra tương ứng 12Bảng 3 2 – Mã lệnh thay đổi tần số ngõ ra tương tự của Arduino Uno R3 20Bảng 3 3 – Sơ đồ chân LCD 20×4 23

Trang 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong những năm gần đây, trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều phát minh mang lại lợi ích cho con người trong rất nhiều lĩnh vực Trong lĩnh vực Điện – Điện tử, đã xuất hiện các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử từ lâu Tuy nhiên các loại nhà máy điện này lại làm hủy hoại môi trường sống của con người, sinh ra rất nhiều khí độc, ô nhiễm

Để giải quyết vấn đề đó, các loại hình năng lượng tái tạo đã xuất hiện như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sinh khối,… Loại năng lượng dễ tiếp cận và sử dụng cho gia đình, doanh nghiệp nhất chính là năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có thể sử dụng để hòa vào điện lưới, hoặc sử dụng độc lập cho một hệ thống nào đó tùy vào nhu cầu và mục đích của sử dụng của cá nhân người sử dụng Hệ thống điện năng lượng mặt trời có thể giảm thiểu được phần nào số tiền phải chi trả cho hóa đơn điện hằng tháng, đồng thời con người có thể sử dụng một nguồn năng lượng sạch bất kể lúc nào muốn, ngay cả khi bị cắt điện từ lưới điện mà điện lực cung cấp

Pin năng lượng mặt trời có thể đưa thẳng điện vào ắc quy để lưu trữ, tuy nhiên dưới hình thức này thì năng lượng nhận được rất thấp, bị tổn hao phần lớn năng lượng mà tấm pin phát ra Để sử dụng được trọn vẹn nguồn năng lượng xanh này cần có các bộ sạc ắc quy từ pin năng lượng mặt trời

Chính vì sự cần thiết này, nhóm chúng em quyết định lựa chọn đề tài: “Thiết kế thi công bộ sạc ắc quy từ năng lượng mặt trời” để giải quyết vấn đề trên

1.2 Tầm quan trọng của đề tài

Bộ sạc ắc quy từ năng lượng mặt trời sử dụng nguyên lý của mạch tăng áp để điều chỉnh điện trở tiêu thụ sao cho bằng với điện trở nội của pin năng lượng, giúp pin

năng lượng phát ra công suất tối đa, ít tổn hao nhất có thể

Vì vậy đề tài này là một vấn đề thiết yếu cho các hệ thống năng lượng mặt trời từ hộ gia đình cho đến công nghiệp

Trang 10

1.3 Giới hạn đề tài

Trong giới hạn của đề tài này, nhóm chúng em sẽ tìm hiểu và thiết kế thi công:

Bộ sạc ắc quy từ pin mặt trời dựa theo nguyên lý của mạch tăng áp (boost converter)

để hiệu chỉnh hiệu suất của pin năng lượng mặt trời

1.4 Nội dung dự kiến

1 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

2 Nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp (boost converter) 3 Sử dụng vi điều khiển arduno

4 Thiết kế cấu trúc sơ đồ khối 5 Thi công phần cứng, phần mềm

Trang 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin năng lượng mặt trời

2.1.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời) hay pin quang điện bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 36 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo [1]

Hình 2.1 - Pin năng lượng mặt trời (Pin mặt trời) [2]

Trang 12

2.1.2 Điểm công suất cực đại

Hình 2 1 - Đặc tuyến pin năng lượng mặt trời

Các tế bào quang điện có mối quan hệ phức tạp (đường cong IV) giữa môi trường hoạt động của chúng và công suất tối đa mà chúng có thể tạo ra Đối với mỗi điều kiện hoạt động nhất định, các ô có một điểm vận hành duy nhất trong đó các giá trị của dòng điện (I) và điện áp (V) của ô dẫn đến công suất tối đa Các giá trị này tương ứng với một điện trở tải cụ thể, bằng với V/I theo quy tắc của định luật Ohm Điểm này được gọi là điểm công suất tối đa (MPP) và tương ứng với "đầu gối" của đường cong [3]

Theo định luật Ohm ta có:

𝑉 = 𝐼 × 𝑅 Ta lại có phương trình công suất:

𝑃 = 𝑉 × 𝐼 Trong đó:

V = Điện áp (Volt, V) I = Dòng điện (Ampe, A) R = Điện trở (Ohm, Ω) P = Công suất (Watt, W)

Trang 13

Nhìn vào phương trình công suất, dễ dàng thấy rằng cần có điện áp và dòng điện lớn nhất để tạo ra công suất cực đại Theo định luật Ohm, dòng điện và điện áp có mối liên hệ đến điện trở trong mạch Nếu không có điện trở (R = 0) thì cũng không có điện áp (V = 0) Ngược lại, nếu điện trở quá lớn thì dòng điện sẽ trở nên rất nhỏ và làm giảm công suất đầu ra

Từ các phương trình cơ bản này có thể thấy, cần một điện trở có giá trị hợp lý trong mạch, đảm bảo sự kết hợp của điện áp và dòng điện để đạt được công suất đầu ra tối đa [4]

2.2 Mạch tăng áp (boost converter)

2.2.1 Sử dụng mạch tăng áp trong thiết kế thi công bộ sạc ắc quy

Hình 2 2 - Pin mặt trời với tải

Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời thay đổi liên tục theo nhiệt độ, độ rọi,… do đó giá trị nội trở của tấm pin sẽ không cố định Đặc điểm của mạch tăng áp là với mỗi giá trị điện áp đầu ra khác nhau, chúng ta có một điện trở tiêu thụ khác nhau Điện áp đầu ra của mạch tăng áp có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tần số đóng cắt của thiết bị đóng cắt

Do đó, cần lấy nguồn điện của pin mặt trời cấp vào mạch tăng áp trước rồi mới qua tải, như vậy sẽ kiểm soát được điện trở tiêu thụ và giúp tấm pin đạt hiệu suất cao nhất có thể

Trang 14

2.2.2 Giới thiệu mạch tăng áp (boost converter)

Hình 2 3 - Mạch tăng áp (boost converter)

Mạch tăng áp (boost converter) là một trong những mạch chuyển đổi DC – DC đơn giản nhất Nó có thể tạo ra một điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào [5] Cấu trúc mạch tăng áp rất đơn giản, chỉ gồm cuộn cảm, diode, tụ điện và một thiết bị đóng cắt

2.2.3 Nguyên lý hoạt động mạch tăng áp (Boost converter)

Hình 2 4 - Mạch tăng áp – Bước 1

Bước 1: Tại bước này gần như không có gì xảy ra, tụ điện đầu ra được nạp một

điện áp bằng với điện áp nguồn điện đầu vào trừ đi điện áp rơi trên diode

Trang 15

Bước 2: Bây giờ là thời điểm để đóng thiết bị đóng cắt lại Lúc này mạch phần

cuộn cảm bị ngắn mạch, nhờ có cuộn cảm nên dòng điện tăng lên khá chậm, đồng thời xuất hiện từ trường xung quanh cuộn cảm, điện áp của nguồn điện phát ra được tích trữ trên cuộn cảm Lưu ý cực tính của điện áp trên cuộn cảm

Bước 3: Thiết bị đóng cắt mở ra và dòng điện đến cuộn cảm bị giảm đột ngột

Bản chất của cuộn cảm là giữ cho dòng điện ổn định, vì vậy nó đáp ứng lại sự thay đổi dòng điện đột ngột này bằng cách tạo ra một điện áp lớn với cực tính ngược lại của điện áp ban đầu được cấp vào bằng cách sử dụng năng lượng được lưu trữ trong từ trường

Nhìn vào các kí hiệu phân cực, có thể thấy lúc này cuộn cảm như một nguồn áp được mắc nối tiếp với điện áp cung cấp, dẫn đến điện áp nạp vào tụ điện lúc này sẽ lớn hơn điện áp của nguồn điện phát ra

Bằng cách này chúng ta đã có thể đưa điện áp đầu ra cao hơn so với điện áp đầu vào [5]

Trang 16

2.3 Vi điều khiển Arduino

2.3.1 Sử dụng Arduino trong bộ sạc ắc quy

Trong đề tài lần này, chúng em sử dụng vi điều khiển Arduino để đọc các tín hiệu cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, điều khiển mạch tăng áp, xuất thông số ra LCD,… Nhìn chung, vi điều khiển Arduino đóng vai trò là trung tâm điều khiển, rất quan trọng trong đề tài

2.3.2 Giới thiệu vi điều khiển Arduno

Arduino là một bảng mạch lập trình mã nguồn mở có thể được tích hợp vào nhiều dự án từ đơn giản đến phức tạp Bảng mạch này chứa một vi điều khiển có thể lập trình được Arduino có thể tương tác với một mảng lớn các đầu vào như cảm biến, nút nhấn,… và các đầu ra như đèn LED, động cơ, rơ le, màn hình,… Do tính linh hoạt và chi phí thấp, Arduino đã trở thành một lựa chọn rất phổ biến trong học tập, nghiên cứu và các ứng dụng đơn giản

Arduino được Massimo Banzi giới thiệu trở lại vào năm 2005 tại Ý như một cách để những người không phải kỹ sư có thể sử dụng một công cụ đơn giản, chi phí thấp, tạo các dự án phần cứng Vì Arduino là nguồn mở, nên bất cứ ai cũng có thể sản xuất bảng mạch của riêng mình [7]

Hình 2 7 - Một số loại Arduino [6]

Trang 17

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ SẠC ẮC QUY TỪ PIN MẶT TRỜI

Nhiệm vụ chính của việc thiết kế, thi công bộ sạc ắc quy từ năng lượng mặt trời là thay đổi giá trị điện trở trong mạch của pin mặt trời, giúp giá trị điện trở tiêu thụ

của mạch bằng với giá trị điện trở nội của tấm pin

Để có thể hoàn thành nhiệm vụ này, cần có sự kết hợp chặt chẽ giữa các module phần cứng, cũng như các mã lệnh của phần mềm Sau khi hoàn thiện khâu xử lý, cần hiển thị kết quả cũng như các thông số cần thiết một các trực quan nhất cho người sử dụng có thể dễ dàng theo dõi

Dựa trên những yêu cầu đó, cần thiết kế một sơ đồ khối của hệ thống sao cho đơn giản và hiệu quả nhất có thể

3.1 Thiết kế sơ đồ khối

Hình 3 1 - Sơ đồ khối bộ dò tìm điểm công suất cực đại

Sử dụng các cảm biến dòng điện và cảm biến điện áp để đo các giá trị dòng điện, điện áp đầu vào Các giá trị này được đưa vào vi điều khiển Arduino để tính toán công suất đầu vào Sau đó, vi điều khiển Arduino sẽ thực hiện thuật toán dò tìm điểm công

Trang 18

suất cực đại (Maxium Power Point Tracking – MPPT) để tính toán và đưa ra một độ rộng xung thích hợp Giá trị độ rộng xung này được đưa vào mạch tăng áp (boost converter) để điều chỉnh giá trị điện trở tiêu thụ trong mạch đầu ra của tấm pin

Ở đầu ra của mạch tăng áp (boost converter) cũng có các cảm biến dòng điện và cảm biến điện áp để đo công suất đầu ra được nạp vào ắc quy

Màn hình LCD sẽ hiển thị giá trị thông số công suất phát ra của tấm pin, công suất nạp vào ắc quy, giá trị độ rộng xung,…để người sử dụng có thể quan sát trực quan hơn

Ngoài ra người dùng có thể theo dỏi tình trạng sạc ắc quy thông qua mạch Sim 900a

3.2 Mạch tăng áp Boost converter

Hình 3 2 – Mạch tăng áp (boost converter)

Trang 19

Sử dụng mạch ở tần số cao sẽ giảm thời gian dòng điện lớn đi qua các linh kiện, từ đó giảm được tình trạng tỏa nhiệt, giảm được hao phí công suất

Hình 3 3 - Mosfet IRFP250N [8] Các thông số cơ bản của Mosfet IRFP250N:

 VGS = ±20V (Max)

 ID = 30A (Max) tại VGS = 10 V, t0c = 250C

 ID = 21A (Max) tại VGS = 10 V, t0c = 1000C

Trang 20

Tính toán dựa trên độ rộng xung, tìm được các điện áp đầu ra tương ứng ghi trong

bảng 3.1

Bảng 3 1 – Giá trị điện áp đầu ra tương ứng

Để đảm bảo về mặt an toàn cần phải giới hạn điện áp đầu ra, tương ứng phải giới hạn độ rộng xung D Chỉ chọn D nằm trong khoảng từ 0.1 đến 0.7

Công suất đầu ra

Pout = U0 I0 =U02RCông suất đầu vào

Pin = Us Is = Us ILCân bằng công suất

Us IL =U02

[ Us1 − D]

Us2(1 − D)2 R Tính được 𝐼𝐿

IL =U0 I0Us

Từ đó tính được giới hạn trên và giới hạn dưới của 𝐼𝐿Imax = I +∆IL

2 =

(1 − D)2R+UsDT

2LVà

Trang 21

Imin = I −∆IL2 =

(1 − D)2R−UsDT

2LHay

(1 − D)2R=UsDT

2L =UsD

2LfTừ đó suy ra

Lmin =D(1 − D)2R2f

Giá trị cuộn cảm tìm được thông qua công thức 𝐿𝑚𝑖𝑛 với độ rộng xung D = 0.3, tần số ƒ = 31372.55Hz và tải R = 15 ohm

Thế vào công thức tìm được

Lmin = 35μH Chọn cuộn cảm có cảm ≥ 35μH

Các thông số cơ bản của diode MBR10200CT:

Trang 22

Hình 3 6 - Sơ đồ chân Diode MBR10200CT [11]

RCf≤ 1% → C ≥DRf∆UU 0

= 64μF

Chọn tụ điện có điện dung lớn hơn 64μF để thỏa mãn thông số tính toán

Trang 23

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp (boost converter)

Hình 3 7 – Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp (boost converter)

Hình 3 8 – Sơ đồ mạch tăng áp trên proteus

3.3 Mạch Opto cách ly

Mạch cách ly Opto có công dụng cách ly tín hiệu PWM từ Arduino đưa ra với tín hiệu đưa vào mạch tăng áp (boost converter), nhằm giảm nhiễu và bảo vệ cho Arduino

3.3.1 Chọn linh kiện

Sử dụng Opto TLP250 để cách ly tín hiệu PWM từ Arduino

Trang 24

Hình 3 9 – Opto TLP250 [12]

Hình 3 10 – Sơ đồ chân Opto TLP250 [13]

Các thông số cơ bản Opto TLP250:

 Vcc = 10 − 35V

 Icc = 11mA (max)

 Iout = ±1.5A (max)

 Thời gian chuyển mạch 1µs (max)

 Điện áp cách ly: 2500𝑉𝑟𝑚𝑠 (min)

Trang 25

3.3.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 3 11 – Sơ đồ nguyên lý mạch Opto cách ly

Hình 3 12 – Sơ đồ mạch opto trên proteus

3.4 Thiết kế sơ đồ mạch trên phần mềm Proteus

Hình 3 13 – Sơ đồ nguyên lý mạch trên phần mềm Proteus

Trang 26

Hình 3 14 – Sơ đồ mạch in trên phần mềm Proteus

Hình 3 15 – Sơ đồ mạch được mô phỏng

3.5 Các module sử dụng 3.5.1 Vi điều khiển Arduino 3.5.1.1 Arduino Uno R3

Chúng em lựa chọn vi điều khiển Arduino Uno R3 để sử dụng Arduino Uno R3 có kích thước nhỏ gọn, giá thành vừa phải, cũng như có đủ các ngõ vào số (Digital Input), ngõ vào tương tự (Analog Input), ngõ ra số (Digital Output), ngõ ra tương tự (Analog Output), ngõ ra cổng nối tiếp (Serial Conection),…

Trang 27

Hình 3 16 – Arduino Uno R3 [14]

3.5.1.2 Thay đổi tần số ngỏ ra tương tự của Arduino

Tần số mặc định của các ngõ ra tương tự (Analog Output) của vi điều khiển Arduino chỉ nằm ở mức dưới 1kHz, cụ thể:

 Tần số PWM mặc định của chân D3 & D11: 490.20 Hz. Tần số PWM mặc định của chân D5 & D6: 976.56 Hz. Tần số PWM mặc định của chân D9 & D10: 490.20 Hz [15]

Trong ứng dụng lần này, cần sử dụng ngỏ ra tương tự (Analog Output) của Arduino ở tần số cao (khoảng vài chục kHz) Do đó, cần đưa tần số của các ngỏ ra này lên cao hơn

Để thay đổi tần số này rất đơn giản, chúng ta chỉ cần thêm một dòng mã lệnh

trước khi sử dụng Mã lệnh cụ thể của các chân ngõ ra PWM được thể hiện ở Bảng 3.2

Trang 28

Bảng 3 2 – Mã lệnh thay đổi tần số ngõ ra tương tự của Arduino Uno R3 [15]

Trang 29

3.5.2 Module cảm biến điện áp

Hình 3 17 – Cảm biến điện áp DC [17]

 Điện áp phạm vi đầu vào: DC 0 – 25V

 Điện áp phạm vi phát hiện: DC 0.02445V – 25V [17]

Hình 3 18 – Sơ đồ cảm biến điện áp [18]

3.5.3 Cảm biến dòng điện ACS712

Hình 3 19 – Cảm biến dòng điện ACS712 [19]

Trang 30

Thông số kỹ thuật:

 IC ACS712 5/20/30A

 Nguồn sử dụng: 5VDC

 Độ nhạy đầu ra từ 63~190mV/A

 Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

 Độ trễ đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5µs

 Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ [19]

Hình 3 20 - Sơ đồ cảm biến dòng điện ACS712 [19]

Trang 31

3.5.4 LCD 20×4

Hình 3 21 – LCD 20×4 [20] Bảng 3 3 – Sơ đồ chân LCD 20×4 [21]

Trang 32

3.5.5 Module chuyển đổi I2C cho LCD

Hình 3 22 – Module I2C cho LCD [22]

Có thể thấy, để sử dụng LCD 20x4 cần tối thiểu 16 chân trên vi điều khiển Arduino Nếu sử dụng như vậy ta sẽ không đủ ngõ vào/ra để sử dụng

Module chuyển đổi I2C cho LCD giải quyết vấn đề này một cách dễ dàng Thay vì sử dụng tối 16 chân, bây giờ ta chỉ cần sử dụng 2 chân trên vi điều khiển Arduino (Tx & Rx) để kết nối với LCD

Hình 3 23 – Sơ đồ kết nối Module I2C với Arduino [23]

 Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD [23]

Trang 33

3.5.6 Module Relay

Module relay với đặc tính có thể đóng cắt nguồn điện AC hoặc DC công suất cao được sử dụng trong hệ thống để bảo vệ cho người dùng, tránh đưa điện áp tới đầu ra khi không sử dụng

Hình 3 24 – Module relay 1 kênh [24]

Module relay 1 kênh nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với vi điều khiển Arduino, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper

Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC (thường đóng), NO (thường mở) và COM (chân chung) được cách ly hoàn toàn với board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích NC sẽ nối với COM, khi có trạng thái kích COM sẽ chuyển sang nối với NO và mất kết nối với NC

Thông số kỹ thuật:

 Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.

 Relay mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.

 Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A. Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.

 Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper.

 Kích thước: 1.97 in x 1.02 in x 0.75 in (5.0 cm x 2.6 cm x 1.9 cm). Trọng lượng: 0.60oz (17 g) [25]

Trang 34

3.6 Thiết kế phầm mềm 3.6.1 Thuật toán MPPT P&O

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất

Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại

Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh điểm làm việc có công suất lớn nhất đó (điểm MPP) [26]

Trang 35

Hình 3 25 – Lưu đồ thuật toán P&O

Để dễ dàng điều khiển, chúng em sẽ điều chỉnh một số thông số trong thuật toán để phù hợp với phần cứng sử dụng trong mạch