Thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh bằng năng lượng mặt trời

621 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đềtài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Sinh viên thực hiện: TRẦN THANH TÙNG Lớp: 51K ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA NGHỆ AN – 2015 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đồ án này, nhận nhiều giúp đỡ từ thầy cô Khoa Điện tử Viễn thông, đặc biệt phải kể đến tận tâm, nhiệt tình TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, Bộ môn KT Viễn Thông, Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Vinh, giảng viên trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cô thầy cô Khoa Điện tử Viễn thông giúp đỡ hồn thành đồ án Cuối cùng, tơi xin kính chúc quý thầy, cô sức khỏe thành công nhiều nghiệp giáo dục cao quý Nghệ An, tháng 01 năm 2015 Sinh viên Trần Thanh Tùng i LỜI NÓI ĐẦU Trong kỷ XXI lượng vấn đề hàng đầu mà giới phải giải bối cảnh nguồn dầu mỏ bị cạn kiệt, giá thành ngày lên cao, nguồn cung cấp khơng ổn định Nguồn than đá có hạn gây nhiễm mơi trường Vì việc tìm kiếm nguồn lượng khác mà có khả tái tạo đặt toán giải nhà khoa học lĩnh vực Những nguồn lượng triển vọng lượng hạt nhân, nhiệt hạch, lượng sinh học, lượng gió, lượng mặt trời… So với nguồn lượng khác thi nguồn lượng mặt trời coi nguồn lượng rẻ, vô tận, thiết bị đơn giản nguồn lượng không gây hại cho môi trường thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu trở thành nguồn lượng tốt tương lai Hệ thống quang điện sử dụng lượng mặt trời có nhiều ưu điểm không cần nguyên liệu, không gây ô nhiễm mơi trường, phải bảo dưỡng, khơng gây tiếng ồn… Hiện lượng mặt trời khai thác đưa vào ứng dụng sống cơng nghiệp nhiều dạng hình thức khác nhau, thông thường để cấp nhiệt điện Tuy nhiên việc đầu tư cho xây dựng hệ thống điện mặt trời gặp nhiều thách thức trở ngại Vấn đề việc chi phí đầu tư ban đầu lớn so với điều kiện kinh tế Việt Nam Vì nhiệm vụ đặt thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh với chi phí thấp để phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta Xuất phát từ ưu điểm lượng mặt trời nhiệm vụ đặt thực đồ án với đề tài nghiên cứu “Thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh lượng mặt trời” Trong đồ án này, giới thiệu chi tiết hệ thống chiếu sáng thông minh lượng mặt trời vào thiết kế hệ thống chiếu sáng lượng mặt trời Bố cục đồ án gồm có ba chương Chương giới thiệu cách tổng quan hệ thống chiếu sáng thông minh lượng mặt trời, mục tiêu đồ án, phạm vi đồ án Chương mô tả hệ thống chiếu sáng thông minh lượng mặt trời bao gồm panel pin mặt trời, bình ắc-quy linh kiện để thiết kế điều ii khiển sạc, điều khiển LED Chương này, đưa nguyên nhan lại lựa chọn đèn LED hệ thống chiếu sáng Chương sâu vào thiết kế chế tạo hệ thống chiếu sáng thông minh lượng mặt trời bao gồm thiết kế mơ hình hệ thống chiêu sáng LED dùng lượng mặt trời thiết kế mơ hình cột đèn chiếu sáng thông minh lượng mặt trời Phần kết luận kết mà đồ án đạt mở hướng phát triển để hoàn thiện đề tài thời gian tới iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Hệ thống điện mặt trời ngày sử dụng phổ biến giới, đặc biệt để chiếu sáng công cộng Đồ án nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống chiếu sáng sử dụng nguồn lượng mặt trời có khả điều khiển đèn sạc ắc-quy thời gian ban ngày việc sử dụng nguồn cung cấp lượng mặt trời Hệ thống dùng vi điều khiển PIC16F877A để điều khiển sạc cho ắc quy điều khiển đèn Hệ thống sử dụng đèn LED làm nguồn chiếu sáng đèn LED mang tính hiệu quả, tuổi thọ, chi phí, tiêu thụ điện Hệ thống sử dụng cảm biến chuyển động TM-212 dùng để phát có mặt người qua ABSTRACT Solar energy system has become more and more popularly all over the world, specially, lighting in the public places This thesis is about developing and fabricating the circuit that can charge the lead acid battery during day time by using solar energy as the source The process, like most other photovoltaic systems theses days, would require the use of a microcontroller, namely PIC16F877A, to control many of the circuit functionalities including switching, controlling driver circuit, and integrating sensor output etc The preferred lighting source is LED considering its photometrics such as efficacy, life span, cost, efficiency and power consumption Moving sensor TM-212 used to discover the existence of user iv MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT x CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Thực trạng 1.2 Tổng quan đồ án 1.3 Mục tiêu đồ án 1.4 Phạm vi dự án 1.5 Kết luận chương CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 2.1 Giới thiệu 2.2 Tấm Pin mặt trời 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Cấu tạo pin mặt trời 2.2.3 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 2.2.4 Các thống số đặc trưng 2.2.5 Các hệ pin mặt trời 2.2.6 Ứng dụng pin mặt trời 2.3 Ắc-quy 2.3.1 Giới thiệu chung ắc-quy 2.3.2 Các thông số ắc-quy 11 2.3.3 Tiêu chuẩn ắc-quy TCVN: 4472:93 15 2.4 Cảm biến chuyển động 17 2.5 Chíp thời gian thực DS1307 18 2.5.1 Ghép nối DS1307 với vi điều khiển 19 2.5.2 Tổ chức ghi DS1307 19 v 2.6 Vi điều khiển PIC16F877A 22 2.6.1 Khái niệm 22 2.6.2 Vi điều khiển PIC16F877A 24 2.6.3 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A 26 2.6.4 Bộ Nhớ PIC 16F877A 27 2.6.5 Các cổng xuất nhập PIC16F877A 30 2.6.6 Các định thời 32 2.6.7 Ngắt 35 2.6.8 Các ghi đặc biệt 36 2.6.9 ADC 38 2.6.10 Stack 40 2.7 Sử dụng đèn LED hệ thống chiếu sáng 40 2.8 Kết luận chương 48 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG LED BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 49 3.1 Giới thiệu 49 3.2 Thiết kế mơ hình hệ thống chiếu sáng LED dùng lượng mặt trời 49 3.2.1 Tấm pin mặt trời 52 3.2.2 Bình ắc-quy 54 3.2.3 Bộ điều khiển sạc 55 3.2.4 Mạch điều khiển đèn LED 61 3.2.5 Đèn LED siêu sáng 67 3.3 Thiết kế mơ hình cột đèn chiếu sáng LED dùng lượng mặt trời 67 3.4 Kết luận chương 70 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73 Chương trình mạch nạp ắc-quy 73 Chương trình mạch điều khiển LED 75 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 2.1 Solar Cell Hình 2.2 Cấu tạo pin mặt trời Hình 2.3 Mơ tả hoạt động chuyển tiếp P-N Hình 2.4 Cấu tạo ắc-quy Hình 2.5 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch γ tới điện trở sức điện động 10 Hình 2.6 Biểu đồ dung lượng phóng 12 Hình 2.7 Đặc tính phóng ắc-quy 13 Hình 2.8 Đặc tuyến nạp 14 Hình 2.9 Bán kính góc qt cảm biến chuyển động 18 Hình 2.10 DS1307 18 Hình 2.11 Giao tiếp DS1307 với PIC 19 Hình 2.12 Vi điều khiển PIC16F877A 24 Hình 2.13 Sơ đồ chân vđk PIC16F877A 25 Hình 2.14 Sơ đồ khối PIC16F877A 26 Hình 2.15 Sơ đồ nhớ chương trình 28 Hình 2.16 Sơ đồ nhớ liệu 29 Hình 2.17 Sơ đồ khối time0 32 Hình 2.18 Sơ đồ khối time1 33 Hình 2.19 Sơ đồ khối time2 34 Hình 2.20 Sơ đồ ngắt PIC16F877A 36 Hình 2.21 Sơ đồ khối chuyển đổi ADC 39 Hình 2.22 Các lưu kết chuyển đổi AD 39 Hình 2.23 LED siêu sáng 10W 48 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống chiếu sáng LED 49 Hình 3.2 Ba loại pin mặt trời (a) Đơn tinh thể, (b) Đa tinh thể, (c) Vơ định hình 53 Hình 3.3 Các loại ắc-quy 54 Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch nạp 58 vii Hình 3.5 Mạch điều khiển nạp ắc-quy từ nguồn lượng mặt trời 59 Hình 3.6 Sơ đồ mạch in 59 Hình 3.7 Sạc giai đoạn 59 Hình 3.8 Sạc giai đoạn hai 60 Hình 3.9 Sạc giai đoạn ba 60 Hình 3.10 Lưu đồ thuật tốn chế độ chuyển động 62 Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán chế độ thời gian 64 Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán kết hợp hai chế độ 65 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiền đèn LED theo chế độ 66 Hình 3.14 Sơ đồ mạch in 66 Hình 3.15 Sơ đồ lắp ráp linh kiện mạch điều khiển đèn 67 Hình 3.16 Cột đèn chiếu sáng 68 Hình 3.17 Mặt trước mặt sau mơ hình thí nghiệm 69 Hình 3.18 Khối điều khiển 69 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Quá trình chuyển đổi ắc-quy 11 Bảng 2.2 Thông số ắc-quy 15 Bảng 2.3 Thông số yêu cầu ắc-quy 16 Bảng 2.4 Địa ghi thời gian thực 20 Bảng 2.5 Bảng chọn bank ghi 30 Bảng 2.6 Bảng dự báo tiêu kỹ thuật mà đèn dùng LED đạt vào thập kỷ tới 44 Bảng 2.7 Bảng thể mức tiết kiệm chi phí người tiêu dung thay bóng nóng bóng LED 45 Bảng 2.8 Bảng so sánh loại đèn hiệu kinh tế đèn sợi đốt, đèn LED bóng trịn đèn compact 46 Bảng 3.1 Khảo sát mạch sạc ắc-quy 61 ix điều khiển sạc điều khiển LED tích hợp cột đèn Mơ hình thí nghiệm dựng sau: Hình 3.17 Mặt trước mặt sau mơ hình thí nghiệm Khối điều khiển hệ thống chiếu sáng LED thơng minh lượng mặt trời hình vẽ sau: Hình 3.18 Khối điều khiển 69 3.4 Kết luận chương Ở chương thiết kế thành công hệ thống chiếu sáng thông minh lượng mặt trời Hệ thống chiếu sáng đáp ứng yêu cầu đặt mạch điều khiển thực sạc ắc-quy theo ba giai đoạn mạch điều khiển đèn tự động thay đổi cường độ sáng dựa vào thời gian thực , có người sử dụng hay khơng có người sử dụng 70 KẾT LUẬN Hệ thống chiếu sáng thông minh lượng mặt trời giải pháp để tiết kiệm lượng sử dụng hiệu lượng mặt trời Ngoài ra, việc sử dụng lượng mặt trời sống góp phần bảo vệ môi trường Thiết kế hệ thống chiếu sáng lượng mặt trời: mạch nạp ắc-quy mạch điều khiển đèn thành phần quan trọng mà đồ án sâu vào thiết kế chế tạo Các kết đạt đạt đề tài bao gồm: Mạch điều khiển sạc thực nạp điện cho ắc-quy lượng mặt trời Mạch điều khiển sạc đọc giá trị điện áp ắc-quy sau dựa vào giá trị điện áp để điều khiển độ rộng xung cách phù hợp để bảo vệ cho ắc-quy Mạch điều khiển đèn LED tích hợp hai chế độ sử dụng vào mạch điều khiển: chế độ điều khiển theo thời gian thực chế độ điều khiển theo nhu cầu người sử dụng Ở chế độ điều khiển theo thời gian chúng tơi điều khiển bật tắt đèn theo mùa đông theo mùa hè mạch điều khiển theo nhu cầu sử dụng chúng tơi điều khiển bật tắt đèn dựa vào thời gian điều khiển đèn sáng với cường độ khác dựa vào có người sử dụng hay không Tuy nhiên, thời gian thực đồ án có hạn hệ thống cịn số đặc điểm chưa tối ưu Ví dụ như: điều khiển bật tắt đèn theo thời gian thực nên việc bật tắt đèn không theo độ sáng tối mặt trời Vì vậy, để hệ thống chiếu sáng lượng mặt trời hồn thiện nên tơi đề xuất ý tưởng sau: + Mạch điều khiển đèn LED sử dụng cảm biến ánh sáng lắp đặt vị trí nhận biết độ sáng mặt trời điều khiển đèn cách hiệu + Hệ thống chiếu sáng thông minh lượng mặt trời kết hợp với lắp đặt thu phát wifi để phủ sóng mạng tồn thành phố Hy vọng với hướng phát triển nêu với ý tưởng, góp ý khác thầy cô giáo, bạn đọc phát triển đề tài này, khắc phục hạn chế, tồn đồ án, làm cho đồ án trở nên hồn chỉnh hơn, mang tính ứng dụng cao vào thực tế sống, phục vụ cho lợi ích người tương lai 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.pinmattroi.com/kien-thuc-co-ban-ve-pin-mat-troi/phan-loaicau-tao-va-hoat-dong-cua-pin-mat-troi, truy nhập cuối ngày 20/12/2014 [2] http://solarpower.vn/vi/bvct/id115/Phuong-phap-thiet-ke-he-thong-diennang-luong-mat-troi/, truy nhập cuối ngày 20/12/2014 [3] http://www.slideshare.net/muangau794/pin-mt-tri-v-ng-dng, truy cập cuối ngày 30/1/2014 [4] http://tman75hd.blogspot.com/2011/05/ac-quy-dung-trong-kich-dien.html, truy cập cuối ngày 10/12/2014 [5] http://www.chargingchargers.com/tutorials/charging.html, truy nhập cuối ngày 10/12/2014 [6] http://vi.wikipedia.org/wiki/Pin_sac,truy nhập cuối ngày 10/12/2014 [7] Tiêu chuẩn ăc-quy, TCVN 4472 – 1993 [8] http://www.tme.vn/Product.aspx?id=1545#page=pro_info, truy cập cuối ngày 1/12/2014 [9] http://www.alldatasheet.com/ truy cập cuối ngày 30/12/2014 [10] http://rev.org.vn/411/news-detail/486534/tap-chi-dien-tu/den-led-trongcong-nghe-chieu-sang.html, truy cập cuối ngày 10/12/2014 [11] Sanjana Ahmed, Nisat Tasneem, Md Saidur Rahman, Ahmed Hosne Zenan, “Third - Solar Powered Traffic Sensitive Automated LED Street Lighting System”, 2012 [12] Dr AKM Abdul Malek Azad, Marufa Ferdausi, “Third – Designing Smart Charge Controller for the Solar Battery Charging Station (SBCS)”, Science in Electrical and Electronic Engineering, 2012 72 PHỤ LỤC Viết chương trình cho VĐK PIC16F877A Chương trình mạch nạp ắc-quy //======================================================== // Ten chuong trinh: Dieu Khien Mach Sac Ac-quy // Nguoi thuc hien : Tran Thanh Tung // Ngay thuc hien : 28/11/2014 // Phien ban : DEMO //======================================================== #include #FUSE NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, RESERVED #device *=16 adc=8 #use delay(clock=20000000) #use fast_io(d) #byte portd = 0x08 unsigned int var,ldr; int i; //================CT ADC=============================== void adc() { setup_adc_ports(AN0_AN1_AN3); set_adc_channel(0); } //================Chuong trinh chinh========================== void main() { set_tris_c(0b00000000); // thiet lap che hoat dong port c la ngo set_tris_d(0xff); trisd=0; // thiet lap che hoat dong port d la ngo // tat het cac cong port d 73 portd=0xff; // bat portd setup_timer_2(T2_DIV_BY_16,63,1);// xac dinh chu xung setup_ccp1(CCP_PWM); setup_adc(adc_clock_internal);// khoi tao cong ADC setup_adc_ports(AN0_AN1_AN3);// xac dinh cong lay gia tri ADC while(1) { for(i=0;i