thiết kế robot vệ sinh mặt hồ sử dụng năng lượng mặt trời

Robot được thiết kế nhằm thực thi công việc vệ sinh mặt hồ bơi, hệ thống chấp hành của robot gồm guồng gạt thu rác, guồng gạt đẩy nước, bánh xe và chân vịt để chuyển hướng robot, pin Mặt

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY UY

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S 0 9

THIẾT KẾ ROBOT VỆ SINH MẶT HỒ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

S KC 0 0 3 9 5 1

Trang 2

SỬ DUN ̣ G NĂNG LƯƠN ̣ G MĂT ̣ TRỜI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Trang 3

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- -

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN DUY UY

THIẾT KẾ ROBOT VỆ SINH MẶT HỒ SỬ DỤNG

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204

Hướng dẫn khoa học:

TS HUỲNH NGUYỄN HOÀNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 05/2013

Trang 4

GVHD: TS HUỲNH NGUYỄN HOÀNG HVTH: NGUYỄN DUY UY

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ và tên: Nguyễn Duy Uy Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 06 – 10 – 1985 Nơi sinh: Hải Hưng

Quê quán: Hải Hưng Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 30/4, Châu Văn Liêm, Tổ 2, KP4, P Xuân Thanh, Thị xã Long

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: 10/2005 – 10/2010

Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy

Tên luận văn tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy bóc vỏ hạt cà phê

Bảo vệ luận án tốt nghiệp: Năm 2010

Người hướng dẫn: TS Trần Ngọc Hào

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 03/2010 – 06/2011 Công ty Lilama 45.4 Jsc Kỹ sư giám sát

07/2011 – đến nay Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực.Ngoài các phần tham khảo từ tài liệu, các phần bản thân tự nghiên cứu chƣa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp.Hồ Chí Minh, ngày… tháng 04 năm 2013

NGUYỄN DUY UY

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân:

Tiến sĩ HUỲNH NGUYỄN HOÀNG đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn khoa học

và giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Quý Thầy Cô ở Phòng đào tạo và tất cả quý Thầy Cô ở Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Khoa Điện, quý Thầy Cô giảng dạy trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Gia đình, các anh em, các bạn học viên cùng lớp và những người thân đã giúp

đỡ, đóng góp ý kiến, động viên tôi trong suốt thời gian học tập

Trân trọng!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày… tháng 04 năm 2013

NGUYỄN DUY UY

Trang 7

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn thiết kế robot vệ sinh mặt hồ sử dụng năng lượng mặt trời Robot được thiết kế nhằm thực thi công việc vệ sinh mặt hồ bơi, hệ thống chấp hành của robot gồm guồng gạt thu rác, guồng gạt đẩy nước, bánh xe và chân vịt để chuyển hướng robot, pin Mặt Trời nhưng đều có chung hệ thống điều khiển Robot chủ yếuhoạt động

ở các bể bơi gia đình, khách sạn, bể bơi dịch vụ công cộng,…Với kích thước bể bơi được sắp xếp và bố trí theo sơ đồ thiết kế Robot di chuyển trên mặt nước nhờ hai đế phao, guồng gạt phía trước có tác dụng thu gom rác và kéo robot di chuyển, guồng gạt phía sau có tác dụng chính là đẩy robot di chuyển nhưng đồng thời cũng giúp robot không bị kẹt rác, 4 góc robot được bố trí 4 bánh xe nhằm chống va đập thân robot vào thành bể bơi, trong đó 2 bánh trước quay để chuyển hướng robot khi đi vào góc của bể bơi.Phía sau robot được lắp đặt hệ thống bánh láiđể chuyển hướng robot.Phía trước robot được đặt cảm biến quang nhằm phát hiện vật có kích thước lớn.Phía trên thân robot có đặt cảm biến quang trở để robot nhận biết ban ngày - đêm và điều này giúp robot chọn chế độ hoạt động khi làm việc Tấm pin Mặt Trời được đặt trên thân robot nhằm cung cấp năng nượng cho robot hoạt động.Ngoài ra, chúng ta có thể dùng bộ điều khiển từ xa để điều khiển robot thông qua kết nối không dây bằng sóng RF

Ứng dụng vi điều khiển PIC 18F4431 làm bộ xử lý trung tâm để điều khiển các hoạt động của robot Lập trình điều khiển robot bằng ngô ngữ C với trình biên dịch PIC C Compiler.Kiểm tra kết quả thực nghiệm robot thực hiện công việc đạt được các yêu cầu đặt ra

Trang 8

ABSTRACT

Dissertation on designing robotic pool cleaner using the solar power Robotic is designed to carry out the work pool cleaning, system of robotic includes front paddlewheel, rear paddlewheel, bumper wheels, screw propeller, solar panels but share of control system Robotic primarily operates in homes, hotels, public pools, etc with dimension pool is sorted and arranged according to the diagram designer Robotic moves on surface water by float; Front paddlewheel collect leaves, dust, pollen, etc and propulsion; Rear paddlewheel of robotic is for propulsion and help the unit the reverse to back away from the obstacle; 4 corners of robotic is placed 4 bumper wheels, thing is going to follow the edge of the pool, any time the unit collides with a wall of the pool and they are particularly good at casing the vessle to

do a hard right or a hard left turn each time it encounters a wall of the pool, casing the vessle to quickly maneuver out of corners and around obstacles.Behind the robotic is placed a screw propeller to change way of the unit In front of the robotic is placed an optical sensor to detect the things large Top site of the unit is placed a resistance optical detector to identify light or dark and the thing help it to choose mode when the unit works The solar panels are placed on top site of the robotic is feeding source power to the unit Also, we can use the remote to control the robotic via wireless connection using RF waves

PIC 18F4431 microcontroller applications central processor to control the operation of the robotic.Robotic controller programming in C language with the PIC C compiler The experimental results robots do the work to achieve the requirements set out

Trang 9

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài

nước đã công bố 1

1.1.1.Giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.1.2.Phân loại robot 2

1.1.3.Một số dạng điều khiển 5

1.1.4.Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 5

1.2.Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài 11

1.3.Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 11

1.4.Phương pháp nghiên cứu 12

Trang 10

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.Điều kiện ổn định của vật nổi trong chất lỏng 13

2.1.1.Định luật Archimede 13

2.1.2.Điều kiễn ổn định của vật rắn ngập trong chất lỏng 13

2.2 Thiết kế các cơ cấu thu gom rác 14

2.2.1 Các nguyên lý thu gom rác 14

2.2.2 Lực tác động lên vật ngập trong chất lỏng chuyển động 17

2.2.3.Mô hình động học 19

2.3 Pin mặt trời 20

2.3.1.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 20

2.3.2 Các đặc trưng của pin Mặt Trời 20

2.4 Vi điều khiển 24

2.4.1.Giới thiệu về vi điều khiển PIC 18F4431 24

2.4.2 Chức năng của từng chân 25

2.4.3 Ngắt (interrupts) 27

2.5 Lý thuyết về phần mềm – chường trình điều khiển robot 27

2.5.1 Các khâu chính trong quá trình hoạt động của robot 27

2.5.2 Phương pháp điều khiển 28

Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 3.1 Thiết kế cơ khí 31

3.1.1 Đế phao di chuyển 32

3.1.2 Áp lực thủy tĩnh lên thành phẳng của phao robot và chuyển động ma sát tấm đế phẳng của thân robot 33

3.1.3 Cơ cấu thu rác của Robot 35

3.1.4 Tính toán công suất của guồng cánh gạt 36

Trang 11

3.1.5 Tính toán lực tác động lên bánh lái và moment của trục bánh lái 41

3.1.6 Phần điều hướng bánh lái của robot sử dụng vitme – đai ốc 44

3.1.7 Bộ phận đổi hướng và chống va chạm của robot sử dụng bánh xe cao su 49

3.2 Thiết kế bộ điều khiển và lập trình cho robot 50

3.2.1 phần cứng 50

3.2.2 Lập trình điều khiển robot 61

3.3 Tính toán diện tích pin mặt trời và khả năng tích trữ của acquy 64

3.3.1 Diện tích pin Mặt Trời 64

3.3.2 Khả năng tích trữ của Acquy 65

3.3.3 Sơ đồ hệ thống pin Mặt Trời 65

Chương 4: KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Kết cấu cơ khí 66

4.1.1 Đế phao di chuyển 66

4.1.2 Guồng cánh gạt thu rác 66

4.1.3 Guồng cánh gạt đẩy nước 67

4.1.4 Bánh lái 68

4.1.5 Bánh xe chuyển hướng 68

4.1.6 Khay chứa rác 69

4.2 Mạch điều khiển sử dụng trong robot 70

4.2.1 Mạch điều khiển robot 70

4.2.2 Khối cách ly và động lực 70

4.2.3 Cảm biến IR 70

4.2.4 Cảm biến quang trở 71

4.2.5 Bộ điều khiển RF 72

Trang 12

4.3 Các bước tiến hành thực nghiệm 73

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận 76

5.2 Hướng phát triển cho tương lai 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC 79

Trang 13

Hình 1.6 - Mô hình máy dọn rác trên mặt nước 6

Hình 1.7 - iRobot Verro 500 PowerScrub 7

Hình 1.8 - Swimming pool cleaning robots – Surrey 7

Hình 1.10 - Bể bơi dịch vụ-gia đình 9

Hình 2.1 – Các trạng thái của vật trong chất lỏng 13 Hình 2.2 – Vị trí tâm đẩy Archimede và tâm khối của vật 14 Hình 2.3 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý nhặt rác 15 Hình 2.4 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý cào rác 16 Hình 2.5 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý

sàng cát để tách rác và đưa vào thùng chứa 17 Hình 2.6 – sơ đồ lực tác dụng lên vật ngập trong chất lỏng 17

Trang 14

Hình 2.11 - Sơ đồ chức năng chân của PIC 18F4431 25 Hình 2.12 - Sơ đồ cấu trúc hoạt động của robot 28 Hình 2.13 - Điều khiển chu kỳ xung PWM 29 Hình 3.1 – Không gian làm việc của Robot 31 Hình 3.2 - Sơ đồ lực tác dụng lên đế phao robot 32 Hình 3.3 - Sơ đồ lực tác động lên thân trước robot 33 Hình 3.4 – chuyển động masát tấm đế và thành bên robot 34 Hình 3.5- Cơ cấu thu rác của Robot 35

Hình 3.7 – Sơ đồ lực tác dụng lên bánh lái 41 Hình 3.8 - Đồ thị xác định các hệ số lực và moment thủy động trên bánh lái 42 Hình 3.9 – Cơ cấu điều hướng bánh lái của robot 44 Hình 3.10 – Bánh xe chuyển hướng và chống va chạm của robot 48

Hình 3.12 – Mô hình thiết kế robot đã được lắp ráp 49 Hình 3.13 - Sơ đồ khối hoạt động của robot 50 Hình 3.14 – Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển chính PIC18F4431 51 Hình 3.15 – Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển PIC16F887 52

(vi điều khiển phát tín hiệu) Hình 3.16 – Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển PIC16F887 53

( vi điều khiển nhận tín hiệu) Hình 3.17 – Sơ đồ nguyên lý mạch kiểm tra dòng áp 54 Hình 3.18 – Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị đèn báo trên bảng điều khiển 54 Hình 3.19 – Sơ đồ nguyên lý mạch đèn báo trạng thái 54 Hình 3.20 - Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của robot 55

Trang 15

Hình 3.21 – Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát cảm biến IR loại 1 56 Hình 3.22 – Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát cảm biến IR loại 2 56 Hình 3.23 – Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện vật cản 57 Hình 3.24 – Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang trở 57 Hình 3.25 – Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát nRF24L01+ 58 Hình 3.26 – Sơ đồ khối của nRF24L01+ 59 Hình 3.27 – Sơ đồ chân nRF24L01+ 60 Hình 3.28 – Lưu đồ giải thuật chương trình chính 61 Hình 3.29 – Sơ đồ khối hệ thống pin Mặt Trời 65 Hình 4.1 – Guồng cánh gạt thu rác 67 Hình 4.2 – guồng cánh gạt đẩy nước 67

Trang 16

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 - Bảng tính lực tác động lên bánh lái và moment của trục bánh lái 43

Trang 17

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1.Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố:

1.1.1.Giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu

Robot đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỷ qua Robot đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Do nhu cầu cần hòa nhập ngày càng nhiều với quá trình sản xuất phức tạp nên robot cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn Ngày nay, ngoài những ứng dụng trong chế tạo máy thì các ứng dụng trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình có nhu cầu gia tăng là động lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển

Hình dạng robot đầu tiên xuất hiện ở Mỹ, là loại robot tay máy chép hình dùng trong phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 thế kỷ trước, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, các tay máy thương mại đều có chung nhược điểm là thiếu sự di động Các tay máy cố định chỉ hoạt động trong một không gian bị giới hạn quanh vị trí của nó Ngược lại, mobile robot là loại robot di động có thể di chuyển từ không gian này tới không gian khác một cách độc lập hay có điều khiển từ xa, do đó tạo nên không gian hoạt động linh hoạt và lớn hơn

Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong các môi trường

tự nhiên Với sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi quan điểm về robot từ robot phục

vụ công nghiệp sang robot phục vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người

Trang 18

1.1.2.Phân loại robot

Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc phân loại chúng được dễ dàng Có 4 yếu tố chính để phân loại robot như sau:

Theo hình dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động Tuy nhiên trong giới hạn của đề tài này chỉ đề cập đến lĩnh vực nghiên cứu là robot di động dùng trong phục vụ Robot di động là một hệ robot có khả năng thực hiện các nhiệm vụ ở nhiều vị trí khác nhau với khả năng dịch chuyển bằng bánh xe, xích hay bằng chân phụ thuộc vào địa hình Đối với robot di chuyển trên nước, dưới nước hay trên không ta cần có động cơ cánh quạt, guồng cánh gạt, chân vịt hay động cơ phản lực để tạo chuyển động cho robot Khả năng di động làm robot có nhiều ứng dụng và đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề mới Một trong những vấn đề chung cần nghiên cứu ở các loại robot di động là khả năng xác định phương hướng của robot

Robot di động có thể phân loại bằng các cách:

 Phân loại theo môi trường mà chúng di chuyển:

 Robot ngoài trời và robot trong nhà Thông thường, chúng được lắp bánh

xe, nhưng cũng có loại robot có chân (gồm 2 hoặc nhiều chân) như robot hình người, robot hình dạng động vật hoặc côn trùng

Hình 1.1 – Robot hình người và hình dáng động vật

Trang 19

 Robot trên không thường dùng cho các phương tiện trên không, phương tiện không người lái

Hình 1.2 – Robot trên không

 Robot dưới nước dùng cho các phương tiện hoạt động dưới nước, chúng hoạt động độc lập

Hình 1.3 – Robot dưới nước

 Phân loại theo phương pháp di chuyển:

 Robot có chân, chân giống người hay chân giống động vật

- Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề Hơn nữa chúng còn có thể đí qua những vật cản như hố, vết nứt sâu một cách dễ dàng

- Nhược điểm chính của loại robot này chính là chế tạo quá phức tạp Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot, đồng thời giảm tốc độ di chuyển Các kỹ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm tốc độ cứng vững của robot Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao

Trang 20

 Robot di chuyển bằng bánh xe

Hình 1.4 – Robot di chuyển bằng dạng bánh xích hoặc bánh đa hướng

Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành Các loại bánh xe có bản:

+ Bánh xe tiêu chuẩn: 2 bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm tiếp xúc

+ Bánh lái: 2 bậc tự do, có thể quay xung quanh khớp lái

+ Bánh Sweddish: 3 bậc tự do, có thể quay đồng thời xung quanh trục bánh xe, trục lăn và điểm tiếp xúc

 Robot di chuyển bằng bánh xe kiểu guồng gạt nước và hệ thống chân vịt

Loại bánh xe này dùng cho robot di chuyển trên mặt nước và được điều hướng bằng hệ thống chân vịt, khi di chuyển trên nước thì việc điều khiển rất khó chính xác do lực quán tính

 Robot di chuyển bằng bánh xích

Loại robot này chuyển động bằng các bánh có lắp xích như xe tăng, rất phù hợp khi di chuyển các địa hình phức tạp Để đổi hướng nó có thể thay đổi tốc độ quay của 2 bánh xích chủ động Tuy nhiên, do chuyển động bằng xích khi đổi hướng sẽ xảy ra hiện tượng trượt, do đó khó điều khiển chính xác Một số vấn đề nữa là loại robot này rất dễ làm hỏng bề mặt của nền, đặc biệt là khi chuyển hướng

Trang 21

1.1.3.Một số dạng điều khiển

Robot điều khiển từ xa bằng tay với các bộ phận có cần điều khiển hoặc những thiết bị điều khiển khác Thiết bị điều khiển có thể được gắn trực tiếp vào trong robot Robot điều khiểu từ xa tự bảo vệ có khả năng phát hiện và tránh những chướng ngại vật nhưng điều khiển cũng giống như robot điều khiển từ xa bằng tay Có rất ít robot chỉ dùng đơn lẻ bộ điều khiển từ xa tự bảo vệ

Một vài robot tự động đầu tiên là những robot theo lộ trình Chúng có thể theo những đường sơn khắc trên sàn, trần nhà,… Đa số robot này hoạt động theo một thuật toán đơn giản là giữ lộ trình trong bộ xử lý trung tâm, chúng không thể đi vòng qua các trướng ngại vật, chúng chỉ dừng lại khi có vật nào đó cản đường chúng Rất nhiều mẫu của loại robot này vẫn được bày bán bởi FMC, EGEMIN, HK system,…

Robot hoạt động độc lập với những chuyển động ngẫu nhiên, về cơ bản đó là những chuyển động như nhảy bật lên tường, những bức tường này được cảm nhận do

sự cản trở về mặt vật lý như máy hút bụi Roomba, hoặc với bộ cảm biến điện tử như máy cắt cỏ Friendly Robotic

1.1.4.Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Trong đề tài chỉ tập trung nghiên cứu robot vệ sinh bể bơi nên trong phần này chỉ giới thiệu các nghiên cứu có liên quan đến robot vệ sinh bể bơi

 Một số nghiên cứu ở trong nước:

-Robot vệ sinh đáy hồ:

Hình 1.5 - Robot làm sạch hồ bơi

Trang 22

Đây là nghiên cứu của thạc sĩ Phạm Xuân Vũ và kỹ sư Trần Văn Thành, thuộc khoa cơ điện trường đại học Lạc Hồng

Robot thế hệ 1 hoạt động dựa theo nguyên lý hút đẩy Nước và rác bẩn được hút vào lòng robot bởi động cơ bơm, rác được giữ lại trong thân robot nhờ túi lọc rác, nước được đẩy ra ngoài như nguyên lý của máy hút bụi Nhờ vậy rong rêu, tảo bám dưới sàn, các khe và cạnh hồ cùng các loại rác, tạp chất, cát, sỏi dưới đáy hồ được hút sạch Robot có thể hoạt động ở độ sâu 3m, công suất khoảng 5m2/phút Kích thước của robot (L)50cm x (W)30cm x (H)20cm, nặng dưới 7kg

Nguồn [Báo người lao động-Khoahoc.com.vn]

-Robot vệ sinh mặt hồ:

Hình 1.6 - Mô hình máy dọn rác trên mặt nước

Mô hình này vừa đoạt giải ba cuộc thi sáng tạo dành cho thanh, thiếu niên, nhi đồng toàn quốc lần thứ VII năm 2010-2011 do liên hiệp các hội khoa học kỹ thuật Việt Nam và Trung ương Đoàn phối hợp tổ chức

Máy hoạt động dựa theo nguyên lí tạo lực hút li tâm để đưa nước và rác vào trong khoang chứa nhờ hệ thống xoắn ốc, từ đó rác sẽ được giữ lại ở khoang chứa, đồng thời nước được đẩy ra sau thân máy

Nguồn [Báo mới-Baomoi.com]

Trang 23

 Một số nghiên cứu ở ngoài nước:

-Robot vệ sinh đáy hồ:

Robot: iRobot Verro 500 PowerScrub

iRobot Verro khi được thả xuống nước nó sẽ tự động nhẹ nhàng lặn xuống đáy

hồ và tiến hành dọn dẹp vệ sinh bằng cách dùng vòi Hydro để tẩy các vết bẩn và tiêu diệt vi khuẩn trong hồ Verro còn có thể dọn dẹp các vách tường thành xung quanh thành hồ cũng như là các bậc thanh lên xuống

iRobot Verro 500 PowerScrub

- Kích cỡ của robot: 15”L x 16.5”W x 11”H -Trong lượng của robot: 17lbs = 7.7kg -Công suất: 265 lít nước/phút

-Thời gian làm việc liên tục: 3 giờ -Sản xuất: Israel

Hình 1.7 - iRobot Verro 500 PowerScrub - Nguồn [iRobot]

Robot: Swimming pool cleaning robots – Surrey

Hình 1.8 - Swimming pool cleaning robots – Surrey

Trang 24

Robot sử dụng công nghệ xoáy để hút bụi và rong rêu dưới đáy hồ, các bụi bẩn

và rong rêu được giữ lại trong lòng robot thông qua bộ lọc Robot được cấu tạo bởi hình dạng thủy động lực học cho phép robot di chuyển nhanh hơn dưới nước

[Nguồn: Desjoyaux Pools]

-Robot vệ sinh mặt hồ:

Robot làm sạch hồ bơi sử dụng năng lƣợng mặt trời – Solar Breeze

Hình 1.9 - Solar Breeze Robot

Với robot này, bạn sẽ tiết kiệm rất nhiều thời gian, năng lượng và tiền bạc Breeze sẽ tự động di chuyển xung quanh hồ bơi, giúp loại bỏ 90-95% các tất cả các chất bẩn, bao gồm cả lá, phấn hoa, bụi và các loại dầu chống nắng ngay từ mặt nước trước khi các chất bẩn này chìm xuống đáy Solar-Breeze không cần dây, ống hoặc các thiết bị đi kèm Đơn giản, bạn chỉ cần đặt Solar-Breeze trong hồ bơi và chuyển sang chế độ “On” Nó sẽ hoạt động cả ngày dài mà không tốn nhiều điện năng do chú robot này trực tiếp lấy nguồn năng lượng trong thiên nhiên là ánh sáng mặt trời Đi kèm với Solar-Breeze là một pin sạc lithium Ion cho phép lưu trữ năng lượng ban ngày để có thể hoạt động được vài giờ vào ban đêm

Solar-[Nguồn: Solar Breeze]

-Ưu điểm: robot hoạt động tốt, tính tiện dụng cao, kích thước nhỏ gọn

-Nhược điểm: Giá thành cao

Trang 25

Kết luâ ̣n: Chưa có nghiên cứu trong nước về vấn đề tự đô ̣ng của Robot vê ̣ sinh

mă ̣t hồ bơi sử du ̣ng năng lượng sa ̣ch Ở nước ngoài, khả năng linh hoạt của robot vệ sinh mặt hồ chưa cao

 Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay, bơi lội là hoạt động thể thao thích thú và bổ ích nhất mà ai cũng có thể tham gia Bơi không như chạy bộ, chạy xe, nâng tạ hoặc các hoạt động khác, bởi môn này rất lý tưởng cho mọi lứa tuổi hoặc thể trạng Bơi lội giúp làm chắc khỏe toàn thân, làm dịu tâm trí, kích thích tuần hoàn và không gây căng các khớp

Hình 1.10 - Bể bơi dịch vụ Bể bơi gia đình

Bơi lội mang lại cho chúng ta 6 tác dụng có lợi cho cơ thể:

- Phòng trị bệnh béo phì

- Phòng trị viêm khớp

- Có lợi cho hô hấp

- Tốt cho tuần hoàn máu

- Phòng trị mất ngủ hoặc chứng suy nhược thần kinh

- Phòng trị bệnh tĩnh mạch

Bên cạnh những mặt lợi mà bể bơi mang lại cho chúng ta thì nó luôn tồn tại những mặt hại mà chúng ta không biết được, đó là những vi khuẩn gây bệnh Để tạo ra một khuôn viên bể bơi thoáng mát và không khí tự nhiên thông thường các bể bơi được thiết kế bên ngoài trời và xung quanh trồng các cây xanh, nhưng những điều này

Trang 26

làm cho bể bơi luôn bị dơ do bụi bẩn và các lá cây rơi xuống mặt hồ Để đảm bảo cho

hồ bơi luôn được sạch thì chúng ta phải thuê người thu dọn rác hoặc chúng ta phải mất nhiều thời gian để thu dọn rác

Một số loại rác trên hồ bơi mà chúng ta thường gặp: đó là các loại lá cây, các loại bụi bẩn, các loại rác sinh hoạt,v.v…

Vì vậy, ngoài việc thường xuyên thay nước, công tác làm vệ sinh hồ bơi cần được chú trọng đặc biệt Đặc biệt là với các bể bơi công cộng và bể bơi ngoài trời nên được làm sạch hàng ngày để chất lượng nước được duy trì tự vệ sinh Ngoài ra, các bụi bẩn, lá cây,… đều có thể nổi trên mặt nước trong vài giờ do sức căng mặt nước trước khi chìm hẳn xuống đáy Nếu làm sa ̣ch các chất bẩn này ngay trên mă ̣t nước sẽ giúp cho hệ thống làm sạch dưới nước hoạt động ít hơn và các vi khuẩ n sẽ ít phát triển hơn

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

Để có khả năng tiếp cận công nghệ hiện đại của thế giới, từng bước có thể tự thiết kế, chế tạo các thiết bị máy móc điều khiển, việc nghiên cứu và ứng dụng tự động hóa là một bước đi rất quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa, tạo ra những sản phẩm mới có tính cạnh tranh trên thế giới, nước ta cũng không nằm trong quy luật này Trong quá trình học tập ở nhà trường để có thể đáp ứng nhu cầu của xã hội, bản thân tôi được sự định hướng giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, đặc biệt là thầy TS Huỳnh Nguyễn Hoàng, tác giả đã

chọn và thực hiện đề tài “Thiết kế Robot vệ sinh mặt hồ sử du ̣ng năng lươ ̣ng mă ̣t

trời” Vấn đề này rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao trong giai đoạn hiện nay

Ý nghĩa thực tiễn:

Để vệ sinh bể bơi cá nhân, bể bơi dịch vụ chúng ta phải tốn nhiều chi phí để mua các dụng cụ làm vệ sinh, phải thuê lao động, phải tốn nhiều thời gian để làm những công việc này Với việc sử dụng robot để thay thế hoặc hỗ trợ con người, chúng ta sẽ

Trang 27

tiết kiệm rất nhiều thời gian, năng lượng và tiền bạc Những tính năng của robot là robot sẽ tự động di chuyển xung quanh hồ bơi, giúp loại bỏ các chất bẩn, bao gồm cả

lá, phấn hoa, bụi và các loại dầu chống nắng ngay từ mặt nước trước khi các chất bẩn này chìm xuống đáy; không cần dây, ống hoặc các thiết bị đi kèm Robot sẽ hoạt động

cả ngày dài mà không tốn nhiều điện năng do robot này trực tiếp lấy nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời, đi kèm với robot là mô ̣t nguồn dự trữ cho phép lưu trữ năng lượng ban ngày để có thể hoạt động được vài giờ vào ban đêm

1.2.Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của đề tài: thiết kế và chế tạo robot ứng dụng trong việc vệ sinh bể

bơi cá nhân và bể bơi dịch vụ sử dụng năng lượng mặt trời

Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu của đề tài: lựa chọn mô hình và giải pháp

điều khiển cho robot, nguồn năng lượng sử dụng, di chuyển tự động và điều khiển từ

xa

1.3.Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu

Nhiệm vụ của đề tài: thiết kế và chế tạo mô hình robot vệ sinh mặt hồ sử dụng

năng lượng mặt trời bao gồm:

- Phần cơ khí gồm có:

+ Thiết kế, chế tạo phần phao nổi cho robot

+ Thiết kế, chế tạo phần cơ cấu thu gom rác

+ Thiết kế, chế tạo phần điều hướng cho robot

- Phần điều khiển gồm có:

+ Lựa chọn nguồn năng lượng

+ Thiết kế mạch điều khiển cho robot

+ Thiết kế mạch điều khiển từ xa

+ Xây dựng lưu đồ giải thuật cho robot

+ Lập trình để robot thực hiện công việc thu gom rác

Giới hạn của đề tài: Khả năng linh hoạt của robot chưa cao, di động theo hình

xoắn ốc để thu rác có thể chưa đạt được

Trang 28

Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot vệ

sinh mặt hồ sử dụng năng lượng mặt trời để phục vụ cho hồ bơi trong gia đình và các

hồ bơi dịch vụ Các công việc tính toán và chế tạo được triển khai chi tiết

1.4.Phương pháp nghiên cứu

Để đáp ứng được các mục tiêu đã đề ra, phương pháp nghiên cứu sẽ tập trung giải quyết các vấn đề như sau:

 Xây dựng mô hình lý thuyết bao gồm:

 Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan về các mô hình

 Tìm hiểu và ứng dụng PIC 18F4431, làm bộ xử lý trung tâm cho robot

 Nghiên cứu giải thuật để điều khiển robot

 Xây dựng mô hình thực nghiệm bao gồm:

 Thiết kế, chế tạo mô hình phần phao nổi, cơ cấu thu rác, khay chứa rác,

cơ cấu đổi hướng (bánh lái)

 Thiết kế mạch điều khiển

 Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình điều khiển robot

 Nguồn năng lượng Pin Mặt Trời và Acquy dự trữ cho robot

Trang 29

Một vật ngập trong chất lỏng chịu một lực đẩy của chất lỏng thẳng đứng hướng

từ dưới lên trên Lực này có trị số bằng trọng lượng của khối chất lỏng mà vật chiếm chỗ và đi qua trọng tâm của khối chất lỏng đó gọi là lực đẩy Archimede

P = VC [2.43] – sách [5] Trong đó, VC – thể tích khối chất lỏng bị vật chiếm chỗ

 - trọng lượng riêng của chất lỏng

Gọi V là thể tích của vật, * là trọng lượng riêng của vật, P là lực đẩy Archimede,

 là trọng lượng riêng của chất lỏng Như vậy khi ngập trong chất lỏng theo phương thẳng đứng tổng hợp lực tác dụng lên vật sẽ là:

G – P = V(*

- ) [3.1] – sách [7] Trong đó G = *V – là trọng lượng của vật

2.1.2.Điều kiện ổn định của vật rắn ngập trong chất lỏng:

Từ hệ thức: G – P = V(*

- ), ta thấy có ba trạng thái của vật rắn trong chất lỏng:

Nếu * > , G > P, trọng lượng của vật rắn lớn

hơn lực đẩy Archimede nên vật bị chìm xuống đáy

Nếu * = , G = P, trong trường hợp này vật

nổi lưng chừng trong nước

Nếu *

< , G < P, trường hợp này vật có một

phần nổi lên trên mặt nước, thể tích khối chất lỏng

choán chỗ bị giảm và do đó lực Archimede giảm

Hình 2.1 – các trạng thái của vật trong chất lỏng

Trang 30

Một vật rắn ngập trong chất lỏng tĩnh sẽ chịu hai lực tác dụng: lực đẩy Archimede hướng từ dưới lên qua tâm đẩy D và trọng lượng của vật đặt tại khối tâm C của vật có chiều hướng xuống

Hình 2.2 – vị trí tâm đẩy Archimede và tâm khối của vật

- Khi C nằm dưới D (hình 2.2.a), nếu ta dịch vật ra khỏi vị trí cân bằng thì P và

G sẽ tạo nên một ngẫu lực làm vật quay lại vị trí cân bằng cũ Trạng thái này gọi là cân bằng ổn định

- Khi C nằm cao hơn D (hình 2.2.b), vật sẽ đứng yên khi C và D cùng trên một đường thẳng Nếu vật hơi dịch ra khỏi vị trí ấy thì P và G sẽ tạo ra một ngẫu lực làm cho vật quay tới khi C và D cùng nằm trên một đường thẳng đứng nhưng C nằm dưới D: vật cân bằng không ổn định

- Khi C và D trùng nhau (hình 2.2.c), vật cân bằng phím định vì nó sẽ cân bằng ở bất kỳ vị trí nào

Để vật nổi được cân bằng thì cần đường tác dụng của trọng lực và lực nổi phải phương trùng nhau Nếu từ trạng thái cân bằng một kích động nhỏ vật chuyển động nhưng sẽ trở lại được cân bằng thì sự cân bằng đó được gọi là cân bằng ổn định Điều kiện cân bằng ổn định dễ thấy là vị trí trọng tâm của vật thấp hơn vị trí tâm đẩy (vị trí đặt lực Archimede)

2.2 Thiết kế các cơ cấu thu gom rác:

2.2.1 Các nguyên lý thu gom rác:

[Theo Tạp Chí Khoa Học Và Công Nghệ, Đại học Đà Nẵng-Số 2(43).2011]

Trang 31

Trên cơ sở khảo sát hoạt động thu gom rác thải của công nhân trên bãi biển và khảo sát sự thu gom rác của các máy trên bãi biển, đã xác định được 03 nguyên lý thu gom rác thải và thiết kế được 05 cơ cấu thu gom rác thải :

Nguyên lý thứ nhất là nhặt rác đưa vào thùng chứa Mô phỏng hoạt động của

tay công nhân nhặt rác, hoặc dùng các móc nhặt rác bỏ vào thùng chứa Các máy hoạt động theo nguyên lý này làm việc với độ tin cậy cao, năng suất thu gom rác cao, cát không lẫn trong rác, nhưng không thu gom được rác có kích thước nhỏ và trung bình

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.3 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý nhặt rác

Cơ cấu thu gom rác trên hình 2.3A, các móc trên lô quay nhặt rác bỏ lên băng

tải, băng tải chuyển rác vào thùng chứa, mặt băng có đục lỗ để cát rơi xuống bãi biển Vận tốc vòng tại đầu các móc được chọn trong khoảng 2,4 m/s đến 3,0 m/s Vận tốc vận chuyển rác của xích tải được chọn trong khoảng 1,2 m/s đến 1,5 m/s Góc nghiêng của xích so với phương nằm ngang lấy trong khoảng 100 đến 150

Cơ cấu thu rác trên hình 2.3B, các móc được gắn trên các thanh ngang, các

thanh gắn lên xích tải tạo thành một hệ thống móc Khi xích tải chuyển động, các móc nhặt rác, giữ rác và đổ vào thùng chứa Vận tốc chuyển động của dây xích tải được chọn trong khoảng từ 1,8 m/s đến 2,4 m/s Góc nghiêng của xích tải so với phương nằm nagng có thể lấy đến 300

Nguyên lý thứ hai là cào rác dồn vào thùng rác Mô phỏng hoạt động công nhân

dùng các bừa cào cào rác dồn thành đống để bốc vào thùng chứa Các máy hoạt động theo nguyên lý này có năng suất không cao, thường có cát lẫn trong rác làm tăng thêm khối lượng phải chuyên chở Máy không thu gom được các rác có kích thước nhỏ hoặc quá lớn

Trang 32

Hình 2.4 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý cào rác

Cơ cấu thu gom rác trên hình 2.4A, các tấm cào được gắn trên xích tải, các tấm

cào trượt trên mặt sàng đặt nghiêng Khi xích tải chuyển động, các tấm cào cào rác và cát lên mặt sàng đặt nghiêng, cát sẽ rơi xuống bãi biển, còn rác được chuyển vào thùng chứa Vận tốc chuyển động của xích kéo tấm cào chọn trong khoảng từ 0,8 m/s đến 1,5 m/s, tương ứng với chiều dài của sàng từ 1,2 mét đến 2,5 mét Góc nghiêng của sàng so với phương nằm ngang chọn trong khoảng 200 đến 300

Cơ cấu thu gom rác trên hình 2.4B, các răng cào được gắn lên lô quay Các

răng cào rác lên băng tải, băng tải chuyển rác vào thùng chứa, băng tải đặt nghiêng và

có đục lỗ để rơi cát xuống bãi biển Vận tốc vòng của đỉnh các răng cào chọn trong khoảng 1,0 m/s đến 1,5 m/s Vận tốc di chuyển của xích tải nên chọn trong khoảng 0,9 m/s đến 1,4 m/s Chiều dài của xích tải khoảng 2,0 mét đến 2,5 mét, đặt nghiêng so với phương nằm ngang một góc từ 100 đến 150 Mặt xích tải có lỗ, để cát rơi xuống bãi biển

Nguyên lý thứ ba là sàng cát để tách rác và đưa vào thùng chứa Hỗn hợp cát

và rác được đưa lên mặt sàng Sàng lắc qua lắc lại, cát rơi xuống bãi biển, rác ở lại trên mặt sàng và dịch chuyển dần vào thùng chứa Các máy hoạt động theo nguyên lý này có năng suất thu gom rác rất thấp Có thể thu gom được các loại rác có kích thước nhỏ và trung bình, khó thu gom các rác có kích thước lớn, cát ít bị lẫn trong rác Máy làm việc theo nguyên lý này, chỉ có thể thu gom được rác trên các bãi cát khô

Cơ cấu thu gom rác theo nguyên lý sàng cát được trình bày ở hình 2.5 Sàng đặt

nghiêng, lắc với biên độ trong khoảng 10 mm đến 20 mm, tần số lắc trong khoảng từ 5 đến 7 lần trong 1 giây Kích thước của lỗ sàng được lựa chọn phụ thuộc vào kích thước rác cần thu gom, bình thường có thể chọn kích thước lỗ 10mm x 10 mm Góc nghiêng của sàng so với phương nằm ngang nên lấy nhỏ hơn 100

Trang 33

Hình 2.5 - Cơ cấu gom rác theo nguyên lý sàng cát để tách rác và đưa vào thùng chứa

2.2.2 Lực tác động lên vật ngập trong chất lỏng chuyển động:

Trong kỹ thuật thường phải giải quyết những bài toán như:

- Tính lực của dòng nước tác động lên một phao, lên trụ cầu;

- Tính lực của gió tác động lên nhà nhiều tầng, ống khói, cột điện, cẩn cẩu, cầu lớn;

- Chọn hình dáng thích hợp cho ô tô, máy bay, tàu thủy để giảm lực cản của không khí và của nước làm cho công suất được sử dụng tốt hơn

Cơ sở lý luận của lực tác động lên vật ngập trong chất lỏng chuyển động này

giúp ta giải quyết nhứng bài toán trên Điều kiện nghiên cứu là: vật cố định ngập trong chất lỏng không nén được và chuyển động với vận tốc V về phía thượng lưu cách xa vật cản (V không đổi về giá trị và hướng) Trên lý thuyết có thể đặt ra bài toán ngược lại: vật chuyển động với vận tốc V trong môi trường chất lỏng tĩnh; hai cách lập luận coi như tương đương Trên thực tế, lực đo được có khác nếu chất lỏng chuyển động do vận tốc không hoàn toàn đều và do trạng thái chảy rối của dòng chất lỏng

Tác dụng của chất lỏng chuyển động lên vật cản gây ra những lực phân bố pháp tuyến (áp lực) và tiếp tuyến Tất cả các lực phân tố đó quy thành một hợp lực 𝐹 và một ngẫu lực C Hợp lực 𝐹 gồm hai thành phần:

Trang 34

 - Khối lượng riêng của nước,  = 9810N/m3

S – Tiết diện cản chính (hình chiếu của vật cản lên mặt phẳng thẳng góc với V) Lực cản tổng hợp có thể chia thành hai thành phần: một thành phần do ma sát trong lớp chất lỏng tiếp xúc với bề mặt vật cản (lớp biên); một thành phần do phân bố của áp suất trên bề mặt vật cản và chịu ảnh hưởng của hình dạng của vật

Để thắng được lực cản T, cần tiêu hao một công suất N = TV

Dạng năng lượng này xuất hiện dưới dạng nhiệt, dưới dạng động năng của các xoáy, của các sóng

Trang 35

dòng chảy hoặc của vật, m/s

 - Khối lượng riêng của nước, 

Tâm quay trở là giao điểm của

mặt cắt dọc mũi lái với đường kính

vuông góc với nó đi qua tâm vòng tròn

Trang 36

2.3 Pin mă ̣t trời:

2.3.1.Cấu ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của pin mă ̣t trời:

Mô ̣t lớp tiếp xúc bán dẫn pn có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xa ̣

Mă ̣t Trời thành điê ̣n năng nhờ hiê ̣u ứng quang điê ̣n bên trong go ̣i là pin mặt trời

Pin Mă ̣t Trời được sản xuất và ứng du ̣ng phổ biến hiê ̣n nay là các Pin Mặt Trời đươ ̣c chế ta ̣o từ các vâ ̣t liê ̣u tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hóa trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n , người ta pha ta ̣p chất Donor và Phopho (P) có hóa trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor đươ ̣c dùng để pha vào Si là Bo có hóa tri ̣ 3 Đối với Pin Mặt Trời từ vật liệu tinh thể Si khi đươ ̣c chiếu sáng thì hiê ̣u điê ̣n thế hở ma ̣ch giữa hai cực vào khoả ng 0,55V, còn dòng đoản mạch của nó dưới bức xạ Mặt Trời 1000W/m2 vào khoảng (25  30) mA/cm2 Hiện hany người ta cũng đưa ra thi ̣ trường các pin mă ̣t trời bằng vâ ̣t liê ̣u Si

vô đi ̣nh hình (a-Si) Pin Mă ̣t Trời a -Si có ưu điểm là t iết kiê ̣m được vâ ̣t liê ̣u trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mă ̣t trời tinh thể thì hiê ̣u suất biến đổi quang điê ̣n của nó thấp và kém ổn đi ̣nh khi làm viê ̣c ngoài trời

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của pin Mặt Trời

2.3.2 Các đặc trưng của pin Mặt Trời:

a) Sơ đồ tương đương:

Pin mặt trời khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc

pn bằng một dây dẫn, thì pin Mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trước hết pin Mặt Trời có thể xem tương đương như một nguồn dòng

Trang 37

Lớp tiếp xúc bán dẫn pn có tính chỉnh lưu tương đương như một Diot Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện – được gọi là dòng dò – qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc pn người

ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh.

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,…Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở Rs nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin Mặt Trời)

Như vậy, một pin Mặt Trời được chiếu sáng có sơ đồ điện tương đương như hình 2.6

Hình 2.9.Sơ đồ tương đương của pin Mặt Trời (a)

và đường đặc trưng sa ́ ng của pin Mặt Trời (b)

Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được phương trình đặc trưng ampe của pin mă ̣t trời như sau:

von-I = von-Iph – Id – Ish = Iph – IS expq(V−Rs I)

nkT − 1 – V+ RS I S

Rsh [1.10]-trang 34 [6]

Trong đó, Iph – dòng quang điện (A/m2)

ID – dòng qua Diot (A/m2)

IS – dòng bão hòa (A/m2)

n – được go ̣i là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghê ̣ chế ta ̣o pin Mă ̣t Trời Gần đúng có thể lấy n =1

RS – điện trở nối tiếp (điê ̣n trở trong) của pin Mặt Trời (/m2)

Rsh – điện trở sơn (điê ̣n trở dò) (/m2)

q –điện tích của điê ̣n tử (C)

Trang 38

Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức [1.10] Đường đặc trưng sáng vôn – ampe của pin Mặt Trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong trong hình 2.9b Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng này:

c) Các điều kiện về tải tiêu thụ điện:

Một hệ thống năng lượng pin Mặt Trời (đơn giản) thông thường có 3 thành

phần như hình 2.10 Tấm pin Mặt Trời nhận năng lượng ánh sáng để biến đổi thành

điện năng Bộ acquy tích trữ năng lượng ánh sáng để biến đổi thành điện năng Bộ acquy tích trữ năng lượng cho những khi không có nắng (vì ban đêm hoặc ngày không

có nắng) Tải là các thiết bị tiêu thụ điện như đèn chiếu sáng, radio, TV, các thiết bị thông tin, bơm nước,…

Trang 39

Hình 2.10 - Sơ đồ khối hê ̣ nguồn pin Mặt Trời đơn giản

Các thành phần này được mắc song song Theo đi ̣nh luâ ̣t Kirchoff về dòng điê ̣n

ta có:

IP = IR + IL [2.16] – trang 40 [6] Trong đó:

IP – dòng do tấm pin Mặt Trời phát ra

IR – dòng qua nạp cho Acquy

IL – dòng tải tiêu thụ

Tùy theo dấu của (IP – IL) = IR mà có thể xác định vị trí tương đối giữa đường

đă ̣c trưng von – ampe của tấm pin Mă ̣t Trời và của tải phu ̣ thuô ̣c vào sự biến đổi của cường đô ̣ bức xa ̣ Mă ̣t Trời Nếu IR > 0 thì acquy được nạp điện , còn nếu I R <0 thì acquy đang phóng điê ̣n cấp cho tải

d) Hiê ̣u suất biến đổi quang – điê ̣n của pin Mă ̣t Trời:

Công suất đỉnh của pin Mă ̣t Trời là công suất do pin Mă ̣t trời phát ra khi nó làm viê ̣c tối ưu dưới bức xa ̣ có cường đô ̣ 1000W/m2

và nhiệt độ 250 Công suất đỉnh đo bằng Wp hay kWp

Hiê ̣u suất biến đổi quang điê ̣n của pin mă ̣t trời là tỷ số giữa công suất điê ̣n đỉnh

và tổng năng lượng bức xạ tới pin Mặt Trời ở một nhiệt độ cho trước

Trang 40

Trong đó:

 - hiệu suất biến đổi quang điê ̣n (%)

A – diện tích bề mă ̣t pin Mă ̣t Trời được chiếu sáng (m2

)

E0 – cườ ng đô ̣ bức xa ̣ chuẩn = 1000 W/m2

Popt – công suất đỉnh (Wp)

Đối với pin Mặt Trời tinh thể Si thương mại ,  thườ ng vào khoảng (12  15)% Trong phòng thí nghiê ̣m,  đạt giá tri ̣ khoảng (20  22)%

2.4 Vi điều khiển

2.4.1.Giới thiệu về vi điều khiển PIC 18F4431

Vi điều khiển được chọn dùng làm bộ vi xử lý trung tâm để điều khiển robot là PIC 18F4431 của công ty Microchip Sau đây là một vài nét chính của vi điều khiển nay:

- Là CPU sử dụng tập lệnh RISC và có tốc độ xử lý cao, công suất thấp nhờ sử dụng công nghệ CMOS FLASH/EEPROM

- 768 byte bộ nhớ RAM, trong đó bộ nhớ EEPROM lên đến 256 byte

- Trang bị tới 34 ngắt với 8 cấp độ ngắt

- 5 port I / O

- Trang bị 3 bộ định thời: 2 bộ 8 bit, 1 bộ 16 bit

- 2 module capture/Compare/PWM

- Có 9 kênh chuyển đổi 10 bit ADC với tốc độ 5-10 us

- Cổng serial đồng bộ với chế độ SPI (Master) và I2C (Master/Slave) thực hiện bằng phần cứng

- Chế độ chuyển nhận đồng bộ/bất đồng bộ với 9 bit địa chỉ kiểm tra

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	5,94 MB