3.2.1IC555: IC thời gian 555 được du nhập vào những năm 1971 bằng công ty Signetics Corporation bằng 2 dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là máy thời gian và cũng là loại có đầu tiên. Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn ổn và không ổn định.
Từ đó thiết bị này được làm ra với tính thương mại hóa. 10 năm qua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi vì sự cạnh tranh và những lý do khác. Tuy thế những công ty khác lại sản suất ra những dòng này. IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạo xung, đóng cắt hay là những mạch dao động khác.
Thông số:
Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555..). Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA.
Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V. Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V. Công suất tiêu thụ (max) 600mW. Chức năng của 555:
Tạo xung.
Điều chế được độ rộng xung (PWM).
Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại).
www.7gio.com
GVHD: ? 37
Hình dạng của 555 ở trong hình 3.1 và hình 3.2. Loại 8 chân hình tròn và loại 8 chân hình vuông. Nhưng ở thị trường Việt Nam chủ yếu là loại chân vuông.
Chức năng từng chân:
IC NE555 N gồm có 8 chân.
+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.
+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc.
+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V) .
Hình 3.1 Hình 3.2
www.7gio.com
GVHD: ? 38
+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC.
+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động .
+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V -->18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE755
3.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35:
LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog.
Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35. Đơn vị nhiệt độ: °C.
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C.
www.7gio.com (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
GVHD: ? 39
Hình 3.3 Sơ đồ chân của LM35.
LM35 không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử dụng.
Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C
LM35 có hiệu năng cao, công suất tiêu thụ là 60uA
Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại chân Vout (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ.
Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 hiệu điện thế 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa bằng các pin A0 trên arduino, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) bằng công thức:
float temperature = (5.0*analogRead(A0)*100.0/1024.0) (3.1)
Với LM35, bạn có thể tự tạo cho mình mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng LM35 và tự động ngắt điện khi nhiệt độ vượt ngưỡng tối đa, đóng điện khi nhiệt độ thấp hơn ngưỡng tối thiểu thông qua module rơ le...
LM35 thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác.
3.2.2 Quang trở:
Thông thường, điện trở của quang trở khoảng 1000 000 ohms. Khi chiếu ánh sáng vào, điện trở này giảm xuống rất thấp. Người ta ứng dụng đặc tính này của quang trở để làm ra các mạch phát hiện sáng/tối.
www.7gio.com
GVHD: ? 40
…
Flash bên dưới mô phỏng quá trình cho dòng điện đi qua của quang trở.
Mạch phát hiện sáng tối dùng quang trở.
Khi ánh sáng yếu, trở kháng của quang trở cao. Dòng ở cực B của transistor bé, đèn tắt. Tuy nhiên, khi ánh sáng mạnh, dòng chạy qua quang trở đến cực B của transistor thứ nhất cũng như transistor thứ 2 làm đèn sáng. Biến trở bên dưới tạo thành cầu chia áp để chỉnh độ nhạy của quang trở.
Ngoài ra còn có các thiết bị khác như tụ, điện trở,…
Hình 3.4 Quang trở.
www.7gio.com
GVHD: ? 41
Ứng dụng của mạch phát hiện sáng tối Mở/tắt đèn đường tự động
Hình 3.5 Mạch dùng quang trở đóng ngắt đèn buổi tối.
3.3 Sơ đồ mô hình, bản vẽ mạch điện, sơ đồ nối dây:
3.3.1 Mạch cảm biến:
www.7gio.com (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
GVHD: ? 42
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý.
www.7gio.com
GVHD: ? 43
3.3.2 Mạch hiển thị LCD:
3.4 Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến:
Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra chân số 2 của LM35. Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C.
LM35 - > ADC - > Vi điều khiển Như vậy ta có:
U= t.k
www.7gio.com
GVHD: ? 44
u: là điện áp đầu ra.
t: là nhiệt độ môi trường đo.
k: là hệ số theo nhiệt độ của LM35 10mV/1 độ C.
-Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 là 5V ADC 10bit .Vậy bước thay đổi của LM35 sẽ là 5/(2^10) = 5/1024.
-Giá trị ADC đo được thì điện áp đầu vào của LM35 là: (t*k)/(5/1024) = ((10^-2)*1024*t)/5 = 2.048*t
-Vậy nhiệt độ ta đo được t = giá trị ADC/2.048.
Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng mạch tạo xung chuển độ rọi ánh sáng sang tín hiệu tần số của xung phụ thuộc vào trị các điện trở R1, R2, R3 và các tụ C1, C2. Vậy khi Bạn dùng tụ nhỏ C2, Bạn sẽ tạo ra tín hiệu dạng xung có tần số cao, lúc này quang trở R2 dùng để chỉnh chọn tần. Khi Bạn đổi qua dùng tụ hóa C1 có trị điện dung lớn hơn, Bạn sẽ tạo ra xung có tần số thấp hơn, và cũng chỉnh tần với quang trở R2.
-Xung ra lấy trên chân số 3,xung ra trên chân 3 là dạng xung vuông với bờ lên và bờ xuống rất thẳng. Kết hợp với LCD để đọc tín hiệu và hiển thị trên LCD.
Công thức tính tần số và chu kỳ: ln2=0.693 T=0.693*(R1+2R2)*C (3.2) f=1/T (3.3) Tn=0.693*(R1+R2)*C (3.4) Tx=0.693*R2*C (3.5) T=Tn+Tx (3.6) www.7gio.com
GVHD: ? 45
3.5 Nguyên lý hoạt động của mạch hiển thị LCD:
Khi tín hiệu xung ra từ chân số 3 của IC 555 được nối với chân số 11 của ATMEGA8 để xử lý tín hiệu xung và hiển thị độ rọi.
Khi tín hiệu điện áp ra từ chân số 2 của cảm biến nhiệt độ LM35 được nối với chân số 27 của ATMEGA8 để xử lý tín hiệu và hiển thị nhiệt độ.
Hình 3.7 Sơ đồ khối.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.6 Mô đun cảm biến:
Hình 3.8 Mặt trước cảm biến Hình 3.9 Mặt sau cảm biến
www.7gio.com
GVHD: ? 46
Hình 3.10 Mạch cảm biến 3.7 Đánh giá thiết bị
-Bộ cảm biến kết hợp với mạch hiển thị LCD đo được độ rọi của ánh sáng và nhiệt độ với độ chính xác cao.
-Giúp ta có được các thông số chính xác để thực hiện các thí nghiệm. -Giúp ta chọn góc cho tấm pin đạt hiệu suất cao nhất.
-Chi phí lắp đặt tương đối thấp. -Kích thước nhỏ gọn.
www.7gio.com
GVHD: ? 47
CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO LƯỜNG V- I-P:
4.1 Tìm hiểu về MPPT:
4.1.1 Giới thiệu chung về MPPT:
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới.
MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV( với tải để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển.
Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu điểm hơn bộ điều khiển tương tự.
Bộ điều khiển số có thể lập trình được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn. Nó dễ dàng mã hoá biểu thức, ví dụ x = yxz, hơn là thiết kế một mạch điện tương tự để thực hiện cùng một biểu thức đó. Nhờ lý do này mà việc hiệu chỉnh ở bộ điều khiển số được thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự.
Mặt khác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính. Vì vậy, bộ điều khiển số có trạng thái ổn định lâu hơn.
Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được. Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau. Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM,
www.7gio.com
GVHD: ? 48
vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ.Vì những ưu điểm của bộ điều khiển số mà đồ án sẽ chọn phương pháp điều khiển số cho MPPT.
4.2 Phương pháp điều khiển MPPT:
Thuật toán MPPT sẽ ra lệnh cho bộ điều khiển MPPT phải làm gì để điều chỉnh điện áp làm việc. Sau đó nhiệm vụ của bộ điều khiển MPPT là điều chỉnh tăng giảm điện áp làm việc và duy trì ổn định mức điện áp làm việc của hệ nguồn pin mặt trời.
Có 3 phương pháp phổ biến điều khiển MPPT:
4.2.1 Phương pháp điều khiển PI:
MPPT sẽ đo giá trị điện áp PV và dòng PV, sau đó dựa vào thuật toán MPPT (P&O, INC hay các thuật toán MPPT khác…) để tính toán giá trị điện áp quy chiếu Vref để nâng điều chỉnh điện áp làm việc PV lên theo Vref. Nhiệm vụ của thuật toán MPPT chỉ là định giá trị điện áp Vref và việc tính toán này sẽ được lặp lại theo chu kỳ (thường khoảng từ 1đến 10 lần lấy mẫu trên 1 giây). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.1:Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI.
Bộ điều khiển tỉ lệ-phân tích quy định điện áp đưa vào của bộ biến đổi DC/DC. Bộ PI có nhiệm vụ bù sai lệch Vref và điện áp đo được bằng cách điều chỉnh hệ số đóng cắt D. PI có tốc độ làm việc nhanh, cho đáp ứng nhanh và ổn định. Bản thân bộ điều khiển PI được cấu tạo từ những thành phần tương tự Analog, nhưng nó được làm việc vớinguyên tắc điều khiển xử lý tín hiệu số DSP (Processing Signal Digital) vì bộ xử lý tín hiệu số có thể thực hiện được nhiều nhiệm vụ khác như xác định điểm làm việc có công suất tối ưu vì vậy sẽ giảm được một số lượng thành phần trong hệ.
www.7gio.com
GVHD: ? 49
4.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp:
Phương pháp điều khiển này đơn giản hơn và chỉ sử dụng một mạch vòng điều khiển, và nó thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh hệ số làm việc trong thuật toán MPPT.
Hình 4.2.Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT.
Tổng trở của PV được coi là tổng trở vào bộ biến đổi. Rin=Vin/Iin=(1-D)2.V0/I0==(1-D)2Rtải (3.7)
Trong đó: D là hệ số làm việc của bộ biến đổi Boost.
Hình vẽ 4.3 cho thấy việc tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào Rin, từ đó điện áp làm việc PV sẽ dịch sang bên trái (giảm đi). Tương tự khi giảm D sẽ làm tăng Rin khi đó điện áp làm việc sẽ dịch sang phải (tăng lên). Thuật toán MPPT (P&O, INC, và các thuật toán khác …) sẽ quyết định việc dịch chuyển điện áp như thế nào.
www.7gio.com
GVHD: ? 50
Hình 4.3: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D.
Thời gian đáp ứng của các tầng công suất và nguồn PV tương đối chậm (10 – 50 mili giây tuỳ thuộc từng loại tải). Thuật toán MPPT thay đổi hệ số làm việc D, sau đó lần lấy mẫu điện áp và dòng PV tiếp theo nên được thực hiện sau khi hệ đạt đến trạng thái ổn định để tránh đo phải giá trị đang ở trạng thái chuyển tiếp. Tỷ lệ lấy mẫu của phương pháp này thường từ 1 đến 100 lần trên 1 giây trong khi tỷ lệ lấy mẫu của bộ điều khiển PI thường nhanh hơn, vì vậy phương pháp điều khiển trực tiếp này cho độ bền vững đối với sự thay đổi đột ngột của tải. Tuy nhiên nhìn chung đáp ứng của hệ thống lại chậm hơn.Phương pháp điều khiển trực tiếp có thể làm việc ổn định đối với
www.7gio.com
GVHD: ? 51
các thiết bị như hệ thốngcó trang bị ắc quy và hệ thống bơm nước. Vì tỷ lệ lấy mẫu chậm nên có thể sử dụng bộ vi điều khiển giá thành thấp.