THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ TỰ ĐỘNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Năng lượng mặt trời cung cấp cho ta một nguồn nhiệt năng, quang năng khổng lồ vô cùng bất tận, từ nguồn nhiệt năng và quang năng đó con người đã biết sử dụng và chuyển đổi thành các nguồ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ TỰ ĐỘNG PIN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

SVTH: TRỊNH THẾ VĨNH

MAI XUÂN TRIỀU LỚP: DH07CD Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2007-2011 Tháng 06/2011

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ TỰ ĐỘNG PIN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Tác giả Trịnh Thế Vĩnh Mai Xuân Triều

Khóa luận được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành

Cơ điện tử

Giáo viên hướng dẫn:

Ths.Nguyễn Lê Tường

Tháng 06 năm 2011

Cảm tạ

Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Nguyễn Văn Hùng và cô Ths.Nguyễn Lê Tường, người đã giúp đỡ rất nhiều về định hướng nghiên cứu, thiết bị thí nghiệm phục vụ cho đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy chúng em, đặc biệt là các thầy cô giáo trong Bộ môn Cơ điện tử

Và cuối cùng, chúng em xin dành tất cả lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc nhất tới bố mẹ chúng em, những người đã sinh thành, nuôi dưỡng chúng em nên người, đã lo lắng, chỉ bảo từ những việc nhỏ nhất, đã tạo mọi điều kiện cho chúng

em được sống và học tập một cách tốt nhất để vươn tới những ước mơ và hoài bão của mình

Mặc dù đã rất nỗ lực và cố gắng để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, song chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô giáo để đề tài hoàn thiện hơn

Mô hình tự động điều khiển nhờ vào cảm biến ánh sáng đặt trên pin, giá trị mà cảm biến thu nhận được sẽ được vi điều khiển xử lý thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số, kết quả sẽ được hiển thị trên LCD và điều khiển động cơ hoạt động

Điện năng mà pin xuất ra sẽ được nạp liên tục vào ắc quy thông qua mạch nạp

ắc quy Khi ắc quy đầy mạch nạp có chế độ tự động ngắt, điện năng mà ắc quy lưu trữ được dùng cho chính động cơ hoạt động trong mô hình và đem đi sử dụng với những mục đích khác nhau như điều khiển đèn, biển quảng cáo…

 

MỤC LỤC

TRANG

Cảm tạ ii

TÓM TẮT iii

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề: 1

1.2 Mục đích của đề tài: 2

1.3 Yêu cầu của đề tài: 2

1.4 Giới hạn đề tài 2

Chương 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tình hình sử dụng điện năng từ năng lượng mặt trời trên thới giới 3

2.2 Hiện trạng nguồn năng lượng mặt trời ở Nước ta 4

2.3 Một số ứng dụng điện mặt trời trên Thế giới và ở Việt Nam 7

2.3.1 Thế giới: 7

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 11

3.1 Phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 11

3.1.1 Phương pháp 11

3.1.2 Phương tiện thực hiện đề tài 12

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời 13

3.2.1 Cấu tạo: 13

3.2.2 Nguyên lý hoạt động: 13

3.3 Giới thiệu sơ lược về các linh kiện trong đề tài 15

3.3.1 Vài nét về họ Vi điều khiển 8051 15

3.3.2 Tìm hiểu sơ lược về LM7805 22

3.3.3 Vài nét về quang trở 22

3.3.4 Các linh kiện công suất 23

3.3.5 Giới thiệu sơ lược về động cơ điện 24

3.3.6 Sơ lược về màn hình LCD 25

3.3.7 Sơ lược về ADC 0809 27

3.3.8 Thiết bị đo cường độ ánh sáng (The daystar meter) 28

3.3.9 Vài nét về mạch nạp Ắc quy 29

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

4.1 Sơ đồ khối tổng quát 31

4.2 Tấm Pin sử dụng 32

4.3 Chế tạo phần cơ khí 32

4.3.1 Chế phần khung mô hình 32

4.3.2 Chế tạo trục quay cho tấm pin 35

4.3.3 Chế tạo trục bánh vít 36

4.3.4 Chế tạo giá đỡ động cơ điện 37

4.3.5 Chế tạo bộ cảm biến 38

4.4 Chế tạo phần điện tử 39

4.4.1 Sơ đồ khối: 39

4.4.2 Mạch điều khiển 39

4.5 Kết quả sau quá trình thiết kế, chế tạo 48

4.5.1 Mô hình cơ khí sau khi thực hiện 48

4.5.2 Nguồn sử dụng cho mô hình 49

4.5.3 Kết quả thi công mạch điều khiển 50

4.6 Ứng dụng 51

4.7 Khảo sát 51

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC: Chương trình điều khiển 60

DANH SÁCH CÁC BẢNG

TRANG

Bảng 2 1 Bảng thống kê tổng bức xạ trung bình theo vị trí địa lý 5

Bảng 2 2 Bảng thống kê tổng số giờ nắng trong năm của từng vùng 6

Bảng 3 1 Bảng chức năng riêng thứ hai của P3 19

Bảng 3 2 Bảng tóm tắt chức năng của các chân LCD 27

Bảng 3 3 Bảng chọn kênh ADC 0809 28

Bảng 4 1.  Bảng khảo nghiệm đánh giá quá trình hoạt động của mô hình   53 

Bảng 4 2.      Bảng so sánh kết quả giữa hai phương pháp cố định và sử dụng cảm

biến   53 

Hình 2 1 Trạm điện mặt trời Archimede trên đảo Sicily, miền nam nước Ý

(Công suất 5MW) 7

Hình 2 2 Máy bay Solar Impulse sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên trên thới giới 8

Hình 2 3 Máy lạnh ô tô dùng năng lượng mặt trời (Hệ thống i-Cool) 8

Hình 2 4 Một ứng dụng năng lượng mặt trời trên dàn khoan ngoài biển 9

Hình 2 5 Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời ở Mỹ Tho tỉnh Tiền Giang 9

Hình 2 6 Hệ Pin mặt trời 500W cho trạm xá Yên Lâp, Phú Thọ 10

Hình 3 1 Cấu tạo Pin mặt trời 13

Hình 3 2 Sơ đồ chân AT89S52 17

Hình 3 3 Kết nối chân Reset 20

Hình 3 4 Kết nối chân XTAL1 và XTAL2 21

Hình 3 5 Sơ đồ chân Opto PC 817 24

Hình 3 6 Sơ đồ chân LCD 16x2 25

Hình 3 7 Sơ đồ chân ADC 0809 27

Hình 3 8 Thiết bị đo bức xạ mặt trời 29

Hình 4 1 Sơ đồ khối tổng quát của mô hình 31

Hình 4 2 Tấm Pin mặt trời 32

Hình 4 3 Cấu tạo khung mô hình 34

Hình 4 4 Cấu tạo chân đế 34

Hình 4 5 Cấu tạo thanh đỡ chính 35

Hình 4 6 Cấu tạo thanh đỡ vít me 35

Hình 4 7 Cấu tạo trục quay 36

Hình 4 8 Chế tạo trục quay 36

Hình 4 9 Cấu tạo trục bánh vít 37

Hình 4 10 Chế tạo trục bánh vít 37

Hình 4 11 Giá đỡ động cơ điện 37

Hình 4 12 Bộ cảm biến Cách cân chỉnh cảm biến: 38

Hình 4 13 Vị trí lắp đặt cảm biến 39

Hình 4 14 Sơ đồ khối quá trình điều khiển 39

Hình 4 15 Sơ đồ mạch nguồn 40

Hình 4 16 Sơ đồ mắc mạch cảm biến 41

Hình 4 17 Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi ADC 0809 41

Hình 4 18 Sơ đồ mạch bô hiển thị 42

Hình 4 19 Sơ đồ mạch vi điều khiển 43

Hình 4 20 Sơ đồ mạch cơ cấu chấp hành 44

Hình 4 21 Sơ đồ mạch nạp ắc quy 45

Hình 4 22 Mô hình sau khi thực hiện 49

Hình 4 23 Ắc quy sử dụng cho mạch điều khiển 50

Hình 4 24 Mạch ứng dụng điều khiển đèn từ xa 51

Hình 4 25 Khảo sát mô hình 52

Hình 4 26 Biểu đồ so sánh công suất giữa phương pháp cố định và tự động 55

Hình 4 27 Biểu đồ so sánh công suất trung bình giữa phương pháp cố định và tự động 55

Hình 4 28 Biểu đồ so sánh hiệu suất trung bình giữa phương pháp cố định và tự động 56

Năng lượng mặt trời cung cấp cho ta một nguồn nhiệt năng, quang năng khổng

lồ vô cùng bất tận, từ nguồn nhiệt năng và quang năng đó con người đã biết sử dụng

và chuyển đổi thành các nguồn năng lượng khác, ứng dụng vào các mục đích khác nhau

Trong đó sự chuyển hóa từ quang năng sang điện năng là một bước tiến vô cùng quan trọng, mang lại cho loài người một nguồn năng lượng mới vô tận cho tương lai Ngoài ra việc sử dụng nguồn năng lượng này góp phần không nhỏ cho việc bảo

vệ môi trường, góp phần to lớn cho việc bảo vệ hành tinh xanh của chúng ta

Ngày nay, năng lượng mặt trời đã được nhiều Quốc gia ứng dụng và đạt khá nhiều thành công Tuy nhiên, ở Việt Nam việc sử dụng nguồn năng lượng này còn nhiều hạn chế, một phần là vì giá thành vẫn còn khá cao và hệ thống vẫn còn thụ động không linh hoạt nên hiệu suất chưa cao lắm

Để khắc phục điều đó, muốn tăng hiệu suất chúng ta phải cần nâng cao quá trình

tự động hóa trong điều khiển thu nhận năng lượng mặt trời

1.2 Mục đích của đề tài: 

Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình và lập trình điều khiên các tấm Pin xoay theo hướng mặt trời, lấy điện năng một cách tối ưu nhất Gồm các mục đích chính sau:

 Nâng cao hiệu suất sử dụng các tấm Pin Có khả năng tự động nhận biết và xoay theo hướng di chuyển của mặt trời một cách linh hoạt, chính xác, phát huy tối đa khả năng thu nhận năng lượng

 Thay thế sức lao động của con người, giảm chi phí sản xuất, năng cao năng suất lao động, bảo vệ môi trường và có khả năng đáp ứng nhu cầu về điện trong tương lai

 Tạo ra điện năng ứng dụng trong sinh hoạt

1.3 Yêu cầu của đề tài: 

Tìm hiểu về quá trình chuyển đổi từ quang năng sang điện năng trong tấm Pin mặt trời

Thiết kế, chế tạo mô hình

Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất ứng dụng cho điều khiển mô hình.Viết lưu đồ giải thuật, chương trình điều khiển cho vi xử lý AT89S52

Khảo nghiệm, đánh giá hoạt động của mô hình và khả năng ứng dụng thực tế

1.4 Giới hạn đề tài 

Do hạn chế về thời gian và chi phí nên đề tài chỉ giới hạn trong những phần sau:

- Sử dụng tấm pin có công suất thấp loại 17 – 24 V, 20 W, cường độ 1 A

- Sử dụng vi điều khiển AT89S52

- Cảm biến: Sử dụng quang trở

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Tình hình sử dụng điện năng từ năng lượng mặt trời trên thới giới 

Hiện nay, các nguồn năng lượng mà con người đang tiêu dùng là 41,76% dầu

mỏ, 24,72% than, 21,16% gas, 6,25% năng lượng nguyên tử, 6,11% thuỷ điện, các nguồn năng lượng khác như mặt trời, gió, sinh học, địa nhiệt, thuỷ triều chỉ chưa được 1% nhu cầu về năng lượng của nhân loại Trong khi đó, các nguồn năng lượng truyền thống: dầu khí, gas, than đá ngày càng cạn kiệt, giá cả bất ổn, năng lượng nguyên tử ngày nay đã có những công nghệ an toàn hơn, song không phải là không

có rủi ro, lại còn phải lo đến "các kho chứa chất thải hạt nhân"

Do đó, nhiệm vụ đặt ra cho các nhà quản lý, các nhà khoa học trên thế giới là phải tìm kiếm những nguồn năng lượng mới có tính khả thi cao và bền vững để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống đang bị cạn kiệt dần Nhiều Nước đã bắt đầu chuyển sang nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng mới như : Gió, Thủy Triều, Mặt Trời,… nhằm giảm bớt sự phụ thuộc của con người vào các nguồn năng lượng truyền thống Trong đó nguồn năng lượng vô tận và có khả năng ứng dụng nhiều nhất là năng lượng mặt trời

Nguồn năng lượng mặt trời đã được con người sử dụng cách đây hàng chục năm, với những ứng dụng như : phơi, sấy, sưởi ấm,…đối với những quốc gia nghèo

về tài nguyên thì đây là một nguồn năng lượng vô cùng phong phú, nhưng vấn đề đặt ra là phải biết cách sử dụng và chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác để đáp ứng được các nhu cầu khác nhau của đời sống và sản xuất Tiêu biểu là Quốc gia Nhật Bản, là một Nước nghèo về tài nguyên, để đảm bảo nhu cầu về năng lượng cho sinh hoạt và sản xuất Nhật đã không ngần ngại chi ra hàng tỉ đôla cho nghành quang điện

Ngày nay, Năng lượng mặt trời đã được con người sử dụng một cách có hiệu quả hơn Ngoài việc sử dụng nhiệt năng con người còn khả năng ứng dụng quang năng chuyển hóa thành điện năng sử dụng trong đời sống, đồng thời cũng góp phần tạo ra nguồn năng lượng sạch bảo vệ môi trường

Hiện nay nhiều nước đã từ bỏ dần năng lượng hạt nhân chuyển sang điện sạch (năng lượng mặt trời), Ở Nhật Bản, chỉ riêng năm 2000 đã tăng lượng điện mặt trời lên tới 128 MW (gấp 4 lần trước đó); Philipines điện mặt trời đảm bảo nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 dân, 250.000 ngôi nhà được lắp đặt pin mặt trời ở Sri Lanka Từ những năm 90 ở Đức, Thuỵ Sỹ đã có hàng ngàn toà nhà được lắp đặt các tấm pin thu năng lượng mặt trời theo chương trình hỗ trợ tài chính của Chính phủ, ở Kenya,

từ 1993 số nhà sử dụng năng lượng điện mặt trời còn nhiều hơn số nhà được hệ thống điện quốc gia cung cấp, Khối EU có trên 25 triệu m2 thu năng lượng mặt trời dùng để phát điện và đun nước nóng…Ngoài ra nó còn ứng dụng trong khoa học như tạo năng lượng cho các vệ tinh và các con tàu vũ trụ thông qua các tấm Pin mặt trời bằng Sillicon,…

Nhờ chính sách khuyến khích đầu tư khai thác năng lượng mặt trời, giá thành 1 kWh điện mặt trời chỉ còn 3 - 23 cent, so với 20 năm trước người sử dụng phải tốn 2,5 USD Theo dự tính đến năm 2020, điện năng lượng mặt trời ở Mỹ sẽ đảm bảo 15% năng lượng tiêu thụ của cả nước Nhiều tập đoàn lớn đã đầu tư vào lĩnh vực này như Shap Corporation của Nhật Bản hiện chiếm 27% thị trường sản xuất pin mặt trời của thế giới

2.2 Hiện trạng nguồn năng lượng mặt trời ở Nước ta 

Vị trí địa lý đã ưu ái cho Việt Nam một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…

Hằng năm các vùng ở phía Bắc Việt Nam có khoảng 1400-2000 giờ nắng và các vùng miền Trung và một số vùng miền Nam có từ 2000-3000 giờ nắng Riêng ở miền Nam theo kết quả đo đạt của Trương trình khoa hoc công nghệ ICC-01 phối hợp với đài thủy văn TP.HCM thì tổng số giờ nắng trung bình là 6,5h/ngày Tuy nhiên có sự chênh lệch khá lớn về giữa các địa phương như ở Cần Thơ là 6,9h/ngày,

 Bảng thống kê tổng số giờ nắng trong năm của từng vùng

Vùng lãnh thổ Tổng số giờ nắng trong năm

Miền núi cực Bắc < 1500 giờ

Tây Bắc và khu 4 cũ trở ra < 1759 giờ

Trung Nam Bộ 1750 – 2000 giờ

Trung Nam Bộ và Nam Bộ 2000 – 2500 giờ

Bảng 2 2 Bảng thống kê tổng số giờ nắng trong năm của từng vùng Tình hình sử dụng điện mặt trời tại Việt Nam

Tại Việt Nam, theo các nhà khoa học, nếu phát triển tốt điện mặt trời sẽ góp phần đẩy nhanh Chương trình điện khí hóa nông thôn (Dự kiến đến năm 2020, cung cấp điện cho toàn bộ 100% hộ dân nông thôn, miền núi, hải đảo…)

Từ những năm 1990, khi nhiều thôn xóm ngoại thành chưa có lưới điện quốc gia, Phân viện Vật lý TP Hồ Chí Minh đã triển khai các sản phẩm từ điện mặt trời Tại một số huyện như: Bình Chánh, Cần Giờ, Củ Chi, điện mặt trời được sử dụng khá nhiều trong một số nhà văn hoá, bệnh viện… Đặc biệt, công trình điện mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo, huyện Cần Giờ cung cấp điện cho 50% số hộ dân sống trên đảo

Năm 1995, hơn 180 nhà dân và một số công trình công cộng tại buôn Chăm, xã Eahsol, huyện Eahleo tỉnh Đắk Lắk đã sử dụng điện mặt trời Gần đây, dự án phát điện ghép giữa pin mặt trời và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, và dự án phát điện lai ghép giữa pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9 kW đặt tại làng Kongu 2, huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng (EVN) thực hiện, góp phần cung cấp điện cho khu vực đồng bào dân tộc thiểu số

Từ thành công của Dự án này, Viện Năng lượng (EVN) và Trung tâm Năng lượng mới (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) tiếp tục triển khai ứng dụng giàn pin mặt trời nhằm cung cấp điện cho một số hộ gia đình và các trạm biên phòng ở đảo Cô Tô (Quảng Ninh), đồng thời thực hiện Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn Dự án được hoàn thành vào tháng 11/2002

2.3 Một số ứng dụng điện mặt trời trên Thế giới và ở Việt Nam 

2.3.1 Thế giới:

Hiện nay trên thới giới năng lượng mặt trời được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực và đạt được nhiều kết quả rất khả quan, trong đó đáng kể nhất là việc sử dụng điện năng từ năng lượng mặt trời, sau đây là một số ứng dụng khá thành công và nổi bật như:

Hình 2 1 Trạm điện mặt trời Archimede trên đảo Sicily, miền

nam nước Ý (Công suất 5MW)

Hình 2 2 Máy bay Solar Impulse sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên trên thới

giới

Hình 2 3 Máy lạnh ô tô dùng năng lượng mặt trời (Hệ thống i-Cool)

Hình 2 4 Một ứng dụng năng lượng mặt trời trên dàn khoan ngoài biển

2.3.1 Việt Nam

Ở Việt Nam mặc dù việc sử dụng điện mặt trời còn khá là mới mẻ và còn nhiều hạn chế nhưng hiện nay cũng đã có những chuyển biến tích cực và khá rõ nét Hiện nay có nhiều công ty ở Việt Nam bắt đầu sản xuất về các tấm pin quang điện và Nhà nước ta đã bắt đầu ứng dụng nguồn năng lượng sạch vào đời sống như:

Hình 2 5 Đèn đường sử dụng năng lượng mặt trời ở Mỹ Tho tỉnh Tiền Giang

Hình 2 6 Hệ Pin mặt trời 500W cho trạm xá Yên Lâp, Phú Thọ

 Các ưu điểm của việc sử dụng điện năng từ năng lượng mặt trời

- Mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng gần như vô tận

- Không làm ô nhiễm môi trường

- Không tạo ra phế thải rắn và khí từ các Nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử

- Không tạo ra hiệu ứng nhà kính

- Góp phần đảm bảo nhu cầu về năng lượng trong tương lai

Chương 3

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN

3.1 Phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài 

3.1.1 Phương pháp

 Chọn phương pháp thiết kế mô hình

Mục đích của đề tài này đặt ra là tối ưu hóa khả năng nhận ánh sáng của các tấm Pin làm tăng hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng Do đó yêu cầu đặt

ra phải làm cho tấm pin có khả năng quay theo hướng của ánh sáng mặt trời một cách linh hoạt và chính xác nhất

Qua khảo sát ta thấy Nước ta nằm trên đường xích đạo, do đó mặt trời chỉ di chuyển chủ yếu từ Đông sang Tây, sự sai lệch giữa các mùa trong năm cũng không lớn lắm Vì vậy trong đề tài quá trình điều khiển chủ yếu là làm cho các tấm Pin quay từ Đông sang Tây, nhằm giảm bớt chi phí và giảm khó khăn trong thiết kế chế tạo nhưng năng suất cũng không thay đổi nhiều

Trong đề tài này quá trình quay theo hướng ánh sáng mặt trời của các tấm Pin được thực hiện một cách linh hoạt, tự động thông qua việc so sánh tín hiệu điện áp nhận về giữa hai mạch phân áp Giá trị điện áp so sánh giữa hai quang trở sẽ được hiển thị trên một LCD

 Phương pháp thực hiện phần cơ khí

Lắp ráp các tấm Pin theo dạng khuôn chữ nhật, mặt trên thiết kế thêm phần kính chịu lực nhằm tăng khả năng bảo vệ khi va đập nhẹ và có thể tránh thời tiết xấu

Để thực hiện phần cơ khí một cách chính xác và tiết kiệm được thời gian khi tiến hành gia công các chi tiết ta tiến hành thực hiện theo trình tự các bước sau:

Phát thảo mô hình 3D trên phần mềm Autocad

Vẽ bản vẽ của mô hình

Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết

Chế tạo các chi tiết trục, ổ lăn

Chế tạo khung đỡ, giá đỡ

Lắp ráp các chi tiết, giá đỡ lên khung mô hình

 Phương pháp thực hiện phần điện tử

- Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất cho mô hình

- Viết chương trình điều khiển

- Chạy thử nghiệm mạch trên test board

- Hoàn thiện phần cứng và chương trình điều khiển

3.1.2 Phương tiện thực hiện đề tài

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tấm pin mặt trời 

3.2.1 Cấu tạo:

Pin mặt trời (hay pin quang điện) là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%) Pin có cấu tạo như hình 3.1

Hình 3 1 Cấu tạo Pin mặt trời

3.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý của pin mặt trời là hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) Hiệu ứng quang điện được xem là một trong những phát hiện to lớn của Einstein Hiệu ứng này mô tả khả năng của ánh sáng (quang) khi được chiếu trên bề mặt vật liệu có thể đánh bật điện tử (điện) ra khỏi bề mặt này

Để giải thích hiệu ứng quang điện Einstein đưa ra khái niệm quang tử (photon) Ánh sáng là những quang tử được bắn lên vật liệu để tống điện tử của vật liệu thành điện tử tự do Sự di động của các điện tử này sẽ cho ta dòng điện

 Sơ lược về hiện tượng quang điện:

Khi một thông lượng bức xạ điện từ đập lên bề mặt một vật thể bất kỳ thì một phần của nó bị phản xạ, một phần xuyên sâu vào bên trong vật thể và chúng bị hấp thụ Bức xạ bị hấp thụ này có thể:

 Làm xuất hiện những hạt tải điện mới: điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị làm tăng độ dẫn điện Hiện tượng này gọi là hiện tượng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội)

Hiện tượng quang dẫn dễ xuất hiện đối với chất bán dẫn và chất cách điện, làm thay đổi độ dẫn điện của chúng.Và hiện tượng quang dẫn không xuất hiện trong kim loại vì trong kim loại đã có rất nhiều điện tử tự do

 Làm xuất hiện những điện tử có năng lượng đủ lớn để vượt qua rào thế trên

bề mặt vật thể và phát xạ ra ngoài Hiện tượng này gọi là hiện tượng quang điện ngoại hay phát xạ quang điện tử

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn)

là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt

trống ở góc nối các module

- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề

mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất

trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon

3.3 Giới thiệu sơ lược về các linh kiện trong đề tài 

3.3.1 Vài nét về họ Vi điều khiển 8051

a Tìm hiểu tổng quan về vi điều khiển

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử

Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài

Vi điều khiển có rất nhiều và nhiều giá thành khác nhau tùy theo chức năng của từng loại mà ta có thể chọn lựa thích hợp Trong đề tài này việc điều khiển chủ yếu dựa vào con AT89S52

b Sơ lượt về AT89S52

AT89S52 là một Microcomputer 8 bit, loại CMOS, có tốc độ cao và công suất thấp với bộ nhớ Flash có thể lập trình được AT89S52 là một bộ vi xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia thành các dữ liệu 8 bit để cho xử lý Với các đặt điểm sau:

- 32 đường xuất nhập lập trình được (tương ứng 4 Port)

- Hai timer/counter 16 bit

- Mạch đồng hồ và bộ dao động trên chip

- Có thể mở rộng không gian nhớ chương trình ngoài 64 KByte (bộ nhớ ROM ngoại)

Vi điều khiển AT89S52 là một IC đơn phiến có kích thước nhỏ gọn, nhiều chức năng có khả năng đáp ứng được các yêu cầu trong quá trình điều khiển, ngoài ra đây cũng là một IC căn bản vì sau khi sử dụng ta có thể sử dụng các IC khác Trong đề tài này nhóm đã quyết định chọn IC AT89S52 vì:

Tư liệu về dòng IC này có rất nhiều, dễ tìm, giá thành thấp

Có trình dịch các câu lệnh viết ở dạng Assembler ra dạng mã máy

Có board nạp ROM để nạp các mã máy vào bộ nhớ EEPROM của IC

Có nhiều dạng board test dùng để kiểm tra nhanh các trương trình đã có trong bộ nhớ EEPROM của IC AT89S52

Có nhiều tài liệu viết về các ứng dụng thực tế về IC AT89S52, có nhiều sách hướng dẫn cách sử dụng IC này

 Cấu tạo vi điều khiển AT89S52:

AT89S52 có tất cả 40 chân, mỗi chân có chức năng như các đường I/O (xuất/nhập), trong đó 24 chân có công dụng kép: mỗi đường có thể hoạt động như một đường I/O hoặc như một đường điều khiển hoặc như thành phần của bus địa chỉ

và bus dữ liệu Có cấu tạo như hình 3.2:

Hình 3 2 Sơ đồ chân AT89S52

Chức năng Port 0:

Port 0 là một port xuất/nhập song hướng cực máng hở 8 bit Nếu được sử dụng như là một ngõ xuất thì mỗi chân có thể kéo 8 ngõ vào TTL Khi mức một được viết vào các chân của port 0, các chân này có thể dùng như là các ngõ nhập tổng trở cao Port 0 có thể được định cấu hình để hợp kênh giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu (phần byte thấp) khi truy cập đến bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình ngoài Ở chế độ này port 0 cá các điện trở pullup bên trong

Port 0 cũng nhận các byte code (byte mã chương trình) khi lập trình Flash, và xuất ra các byte code khi kiểm tra chương trình Cần có các điện trở pullup bên ngoài khi thực hiện kiểm tra chương trình

Chức năng Port 1

Port 1 gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), chỉ có chức năng làm các đường xuất/nhập, không có chức năng khác

Port 1 là một port xuất/nhập song hướng 8 bit có các điện trở pullup bên trong Các bộ đệm ngõ ra của port 1 có thể kéo hoặc cung cấp 4 ngõ nhập TTL Khi mức 1 được viết vào các chân của port 1, chúng được kéo lên cao bởi các điện trở pullup nội và có thể được dùng như là các ngõ nhập Nếu đóng vai trò là các ngõ nhập, các chân của port 1 (được kéo xuống thấp qua các điện trở bên ngoài) sẽ cấp dòng IIL do

có các điện trở pullup bên trong

có các điện trở pullup bên trong

Port 2 phát ra byte cao của địa chỉ khi đọc từ bộ nhớ chương trình ngoài và khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài dùng các địa chỉ 16 bit (MOVX @DPTR) Trong ứng dụng này, nó dùng các điện trở pullup nội “mạnh” khi phát ra mức 1 Khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài dùng các địa chỉ 8 bit (MOVX @RI), port 2 phát ra các nội dung của các thanh ghi chức năng đặt biệt P2

Port 2 cũng nhận các bit cao của địa chỉ và một vài tín hiệu điều khiển khi lập trình và kiểm tra flash

Tóm lại Port 2 gồm 8 chân (từ chân 21 đến chân 28) có hai chức năng:

- Chức năng xuất/nhập

- Chức năng là bus địa chỉ cao (A8-A15): khi kết nối với bộ nhớ ngoài có dung lượng lớn, cần 2 byte để định địa chỉ của bộ nhớ, byte thấp do P0 đảm nhận, byte cao do P2 này đảm nhận

Chức năng Port 3

Port 3 là một port xuất/nhập song hướng 8 bit có các điện trở pullup bên trong Các bộ đệm ngõ ra của port 3 có thể kéo hoặc cung cấp 4 ngõ vào TTL, khi các mức

1 được viết vào các chân của port 3 thì chúng được kéo lên cao bởi các điện trở pullup nội và có thể được dùng như các ngõ vào Khi được dùng như các ngõ vào, các chân của port 3 (được kéo xuống qua các điện trở bên ngoài) sẽ cấp dòng IIL do

có các điện trở pullup bên trong

Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17): Chức năng chính xuất/nhập

Ngoài ra với mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau:

Bit Tên Chức năng

P3.0 RxD Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp

P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt cứng thứ 0

P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt cứng thứ 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0

P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1

P3.6 WR Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài P3.7 RD Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên

ngoài P0.0 T2 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2

P0.1 T2X Ngõ nạp lại/thu nhận của Timer/Counter thứ 2

Bảng chức năng riêng thứ hai của P3Chân Reset ( RST)

Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho

vi điều khiển Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy

Việc kết nối chân RESET đảm bảo hệ thống bắt đầu làm việc khi Vi điều khiển được cấp điện, hoặc đang hoạt động mà hệ thống bị lỗi cần tác động cho Vi điều khiển hoạt động trở lại, hoặc do người sử dụng muốn quay về trạng thái hoạt động ban đầu Vì vậy chân RESET được kết nối như hình 3.3:

Với vi điều khiển sử dụng thạch anh có tần số fzat = 12 MHz sử dụng C=10 µF

và R = 10 KΩ

Hình 3 3 Kết nối chân Reset

Chân XTAL1 và XTAL2

Hai chân này có vị trí chân là 18 và 19 được sử dụng để nhận nguồn xung Clock

từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định

Thường để tạo xung Clock cho vi điều khiển AT89S52 ta dùng thạch anh 12 MHZ và hai tụ 33pF mắc như hình 3.4:

Hình 3 4 Kết nối chân XTAL1 và XTAL2

Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN

PSEN (program store enable) tín hiệu được xuất ra ở chân 29 dùng để truy xuất

bộ nhớ chương trình ngoài Chân này thường được nối với chân OE (output enable) của ROM ngoài

Khi vi điều khiển làm việc với bộ nhớ chương trình ngoài, chân này phát ra tín hiệu kích hoạt ở mức thấp và được kích hoạt 2 lần trong một chu kì máy

Khi thực thi một chương trình ở ROM nội, chân này được duy trì ở mức logic không tích cực (logic 1) (Không cần kết nối chân này khi không sử dụng đến)

Chân ALE (chân cho phép chốt địa chỉ-chân 30)

Khi vi điều khiển truy xuất bộ nhớ từ bên ngoài, port 0 vừa có chức năng là bus địa chỉ, vừa có chức năng là bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ở chân ALE dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào vi điều khiển, như vậy có thể dùng tín hiệu ở ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp cho các phần khác của hệ thống, (khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này)

Chân EA

Chân EA chân số 31 dùng để xác định chương trình thực hiện được lấy từ ROM nội hay ROM ngoại:

 Khi EA nối với logic 1 (+5 V) thì vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ nội

 Khi EA nối với logic 0 (0 V) thì vi điều khiển thực hiện chương trình lấy

từ bộ nhớ ngoại

3.3.2 Tìm hiểu sơ lược về LM7805

Có chức năng ổn định điện thế đầu ra ở mức 5V

Nguyên lý hoạt động: khi ta cấp nguồn dương vào chân 1, điện thế dao động trong khoảng từ 5V - 25V, và chân 3 nối mass khi đó điện thế đo được ở đầu chân

số 2 ra là 5V Sơ đồ chân thể hiện trong hình 3.5:

Hình 3.5 Sơ đồ chân 7805

3.3.3 Vài nét về quang trở

Quang trở thường ký hiệu là LDR là một loại biến trở mà giá trị điện trở thay đổi tùy thuộc vào cường độ ánh sáng Khi ánh sáng chiếu vào thì giá trị điện trở sẽ giảm, ánh sáng càng lớn thì điện trở sẽ càng nhỏ Quang trở thể hiện trong hình 3.6

Hình 3.6 Quang trở

3.3.4 Các linh kiện công suất

 IRF 540, IRF 9540 thuộc họ Mosfet, có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao cho đóng ngắt thấp Được sử dụng nhiều cho các ứng dụng có công suất nhỏ khoảng vài kW

Mosfet đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh, tuy nhiên mosfet có điện trở khi dẫn điện lớn, do dó công suất tổn hao khi dẫn điện lớn

Nguyên lý hoạt động: khi cực cổng G được kích với điện thế từ 0 V đến 20 V thì cực D và S sẽ thông với nhau và cho dòng điện chạy qua

Sơ đồ chân của IRF 540 và IRF 9540 được thể hiện trong hình 3.7 và hình 3.8

Hinh 3.7 Sơ đồ chân IRF 9540

Hình 3.8 Sơ đồ chân IRF 540

 Opto PC 817

Dùng để cách ly giữa vi điều khiển và mạch công suất

Nguyên lý hoạt động: Khi có dòng điện kích đủ lớn vào chân 1 sẽ làm led phát sáng, ánh sáng làm cho transistor dẫn điện từ chân 4 xuống chân 3

Sơ đồ chân PC 817 thể hiện trong hình 3.9

1

2

4

3

Hình 3 5 Sơ đồ chân Opto PC 817

3.3.5 Giới thiệu sơ lược về động cơ điện

Động cơ điện 1 chiều có cấu tạo gồm phần cảm stator và phần ứng rotor

- Stator : gồm lõi thép làm bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy và các cực từ chính có dây quấn kích từ Dòng điện chạy trong dây quấn kích từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp luân phiên nhau

- Rotor: gồm lõi thép dây quấn ứng, cổ góp và trục máy

Nguyên lý hoạt động: khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện Các thanh dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường

sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo ra moment tác dụng lên rotor, làm rotor quay

3.3.6 Sơ lược về màn hình LCD

Trong đề tài này chọn bộ hiển thị là LCD 16x2, gồm 2 dòng và 16 ký tự Sơ đồ chân thể hiện trong hình 3.10

Hình 3 6 Sơ đồ chân LCD 16x2 Chức năng của các chân trong LCD:

- Chân VDD cấp nguồn dương 5V

- Chân VSS nối mass

- Chân VEE được dùng để điều khiển độ tương phản của LCD

- Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): Có hai thanh ghi rất quan trọng bên trong LCD, chân RS được dùng để chọn các thanh ghi này như sau: Nếu RS

= 0 thì thanh ghi mà lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi một lệnh chẳng hạn như xóa màn hình, đưa con trỏ về vị trí đầu dòng,…Nếu RS = 1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị trên LCD

- Chân đọc/ghi (R/W): Đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0, hoặc đọc thông tin từ nó khi R/W = 1

- Chân cho phép E (Enable): Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt thông tin hiện hữu trên chân dữ liệu của nó Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một xung mức cao xuống thấp phải được áp đến chân này để LCD chốt

dữ liệu trên các chân dữ liệu Xung này phải rộng tối thiểu là 450 ns

- Chân D0 – D7:

Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD

Để hiển thị các chữ cái và các con số, chúng ta gửi mã ASCII của các chữ cái

từ A - Z, a - f và các con số từ 0 - 9 đến các chân này khi bật RS = 1

Cũng có các mã lệnh mà có thể được gửi đến LCD để xóa màn hình hoặc đưa con trỏ về vị trí đầu dòng hoặc nhấp nháy con trỏ

Chúng ta cũng sử dụng RS = 0 để kiểm tra bit cờ bận để xem LCD có sẵn sàng nhận thông tin Cờ bận là D7 và có thể được đọc khi R/W = 1 và RS = 0 như sau:

Nếu R/W = 1, RS = 0 khi D7 = 1 (cờ bận 1) thì LCD bận bởi các công việc bên trong và sẽ không nhận bất kỳ thông tin mới nào Lưu ý nên kiểm tra cờ bận trước khi ghi bất kỳ dữ liệu nào lên LCD

 Bảng tóm tắt chức năng của các chân LCD

Bảng 3 1 Bảng tóm tắt chức năng của các chân LCD

3.3.7 Sơ lược về ADC 0809

Hình 3 7 Sơ đồ chân ADC 0809

ADC 808/809 là sản phẩm của National Semiconductor, chip này có 8 kênh đầu

vào tương tự Như vậy nó cho phép ta hiển thị lên 4 bộ biến đổi khác nhau, ADC

0809 có đầu ra dữ liệu là 8 bit và 8 kênh đầu vào tương tự, 3 chân địa chỉ A, B và C,

được chọn theo bảng 3.1 sau:

Bảng 3 2 Bảng chọn kênh ADC 0809

Trong ADC 0809 thì:

 Chân Vref(+) và Vref(-) thiết lập điện áp tham chiếu

 Chân ALE là chân chốt địa chỉ

 Chân SC (Start Conversion) là chân bắt đầu chuyển đổi

 Chân EOC được dùng để kết thúc chuyển đổi

 Chân OE (Out put Enable) là chân cho phép đọc đầu ra

 Các bước chuyển dữ liệu từ đầu vào của ADC 0809 vào đầu vào của vi điều khiển:

1 Chọn một kênh tương tự bằng cách tạo địa chỉ A, B và C theo bảng 3.1

2 Kích hoạt chân ALE (cho phép chốt địa chỉ Address Latch Enable) Nó cần xung thấp lên cao để chốt địa chỉ

3 Kích hoạt chân SC bằng xung cao xuống thấp để bắt đầu chuyển đổi

4 Hiển thị OCE để báo kết thúc chuyển đổi Đầu ra cao xuống thấp báo rằng

dữ liệu đã được chuyển đổi và cần phải được lấy đi

5 Kích hoạt OE cho phép đọc dữ liệu ra của ADC Một xung cao xuống thấp tới chân OE sẽ đem dữ liệu số ra khỏi chip ADC

Lưu ý: Trong ADC 0809 không có đồng hồ riêng và do vậy phải cấp xung đồng bộ ngoài đến chân CLK Mặc dù tốc độ chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng

hồ được nối đến CLK nhưng nó không nhanh hơn 100 ms

3.3.8 Thiết bị đo cường độ ánh sáng (The daystar meter)

Có chức năng đo bức xạ mặt trời bằng đơn vị Watts/m2, việc sử dụng thiết bị này giúp ta kiểm tra bức xạ mặt trời ở các góc độ khác nhau nhằm xác định độ hoạt động ổn định của mô hình

Thiết bị đo có các thông số sau:

- Khoảng đo bức xạ: bức xạ của mặt trời chiếu lên trái đất là một con số cố định tương đối là 1336 Watts/m2 Độ sai lệch của thiết bị đo nằm trong khoảng từ 2-3 %

- Góc đo của thiết bị: thiết bị không khuyến khích đo ở những góc lớn hơn

 Một số phương pháp điều khiển lấy điện năng từ năng lượng mặt trời

 Phương pháp cố định: các tấm pin được lấy điện bằng cách để nghiêng một góc 100 về hướng Nam

 Phương pháp điều khiển bằng tay: Người sử dụng tự canh thời gian và dùng tay để xoay thiết bị về phía mặt trời

 Phương pháp điều khiển bằng Timer: Xác định trước những khoảng thời gian

để thiết bị tự xoay theo mặt trời với những góc cố định

 Phương pháp điều khiển bằng cách sử dụng cảm biến quang: dùng 2 cảm biến quang nhận tín hiệu trực tiếp từ mặt trời sau đó đưa tín hiệu về so sánh tùy thuộc vào cường độ sáng khác nhau mà điều khiển thiết bị xoay theo hướng mặt trời một cách tối ưu nhất

Trong đề tài này ta chọn phương pháp điều khiển bằng 2 cảm biến quang (quang trở), vì giá thành rẻ, mạch nhỏ gọn, tiết kiệm sức lao động và mang lại hiệu suất cao