2.5.1 Tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 2.20: Tấm pin năng lượng mặt trời 10W.
Pin năng lượng mặt trời công suất 10W có kích thước nhỏ gọn. Phù hợp để sạc cho bình ắc quy 12V/4.5Ah hoặc 12V/7.2Ah – loại bình ắc quy cho xe máy rất phổ biến hiện nay.
Đặc điểm nổi bật:
Biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt của IEC, UL, CE, TUV , ETL, PV Cycle, MCS, BBA, Safety class.
Tuổi thọ Tấm pin năng lượng mặt trời Solarcity (Solar panels) từ 30 đến 50 năm.
Khung nhôm định hình, thiết kế dễ dàng lắp đặt và kiểu dáng đẹp, ngoại hình hiện đại.
Cấu trúc bề mặt kính cường lực tối ưu: Chống phản xạ, chống đọng nước đặc biệt không làm giảm hiệu suất hấp thụ năng lượng mà vẫn bảo vệ các tác động bên ngoài như mưa đá...
Hộp nối dây được bảo vệ IP65, chống bụi chống nước vận hành trong mọi điều kiện thời tiết.
Dây đấu và đầu connect tiêu chuẩn MC4 có khả năng chống bụi, nước, thiết kế ghép nối dễ dàng.
Khả năng chống ăn mòn muối biển, bão cát và ammonia.
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật pin năng lượng mặt trời 10w
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI POLY 10 W
Công suất tấm pin NL mặt trời Pmax 10 W
Điện áp hở mạch Voc 21.6V
Dòng ngắn mạch Isc 0.46 A
Điện áp danh định Vmp 18 V
Dòng danh định Imp 0.55 A
Hiệu suất quang năng Module %
Chuẩn loại Pin (cell) - Pin Silic đơn tinh thể (monocrystalline)
Cấu tạo tấm pin mặt trời - Kính-EVA-Cell-EVA-TPT & Khung nhôm
Số lượng cell nCell 36
Chất lượng sản phẩm - IEC 61215, IEC 61730, TUV
Nhiệt độ hoạt động Tpv - 40oC ~ 80oC
Kích thước mm 347 * 247 * 17
Trọng lượng Kg
Bảo hành - 10 năm
Tuổi thọ sản phẩm - Từ 30 năm đến 50 năm
Hình 2.21: Ứng dụng pin năng lượng mặt trời vào trồng trọt.
2.5.2 Bộ điều khiển sạc
BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC: Là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc- quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài.- Bộ điều khiển còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải.- Bộ điều khiển còn thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp.
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật Bộ Điều Khiển Sạc Solar 12V/24V 5A
Model SL10
Điện áp Solar vào (VS)
Ăcquy (VB) 12/24V/ (10V-14.5V) Dòng sạc định mức 5A Max.
Dòng tải định mức 5A Max.
Bảo vệ quá tải 120%/5phút,130%/5s ngưng làm việc ngắn mạch Dòng điện tiêu thụ (không tải) 50ms
Nhiệt độ làm việc 0 đến 45oC Dung lượng ắc quy (đề nghị) 4,5Ah – 100Ah
Thông số sạc Ắc quy
Model SL10
Mức áp sạc duy trì(V_Float) 13.8 V : ( keep 10min) Mức áp sạc nhồi lại(V_Reboost) 13.2 V Mức áp sử dụng lại (V_ReUse)* 13.2 V Mức áp báo cạn (V_Empty) 10.7 V Mức áp cắt tải (V_LVD) 10.5 V 2.5.3 Bình ắc-quy Hình 2.22: Bình ắc-quy 12V-5Ah.
Loại bình VRLA, siêu kín siêu bền, miễn bảo dưỡng, an tâm trên mọi hành trình
Dung lượng: 12V - 5Ah (10HR)
Kích thước (mm): 91 x 62 x 101 (dài x rộng x cao)
Điện áp của ắc-quy : Tuỳ thuộc vào nồng độ chất điện phân và nguồn nạp cho ăc quy mà điện áp ở mỗi ngăn của ăc quy khi nó được nạp đầy sẽ đạt 2,6V đến 2,7V(để hở mạch), và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là 1,7V đến 1,8V. Điện áp phụ thuộc vào số bản cực.
Điện trở trong của ắc-quy : Là trị số điện trở bên trong của ăc quy, bao gồm điện trở các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực. Thường thì trị số điện trở trong của ăcquy khi đã nạp đầy điện là (0,001-0,0015) Ω và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là (0,02-0,025) Ω .
Phương pháp nạp bằng dòng điện không đổi. Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại ăc-quy, bảo đảm cho ăcquy được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sữa chữa để nạp điện cho ăcquy hoặc nạp sửa chữa cho các ăcquy bị sunfat hoá. Với phương pháp này ăcquy được mắc nối tiếp với nhau và phải thoả mãn điều kiện: UN ≥2,7.Naq
2.5.4 Mạch giảm áp L2596
Hình 2.23: Mạch giảm áp L2596.
Mạch giảm áp DC nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%) . Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho các thiết bị như camera, motor , robot,...
Thông số kỹ thuật:
Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V.
Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V.
Dòng đáp ứng tối đa là 3A.
Hiệu suất : 92%
Công suất : 15W
Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm
2.6CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 2.6.1 Chuẩn giao tiếp UART 2.6.1 Chuẩn giao tiếp UART
UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa là truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ. Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ có 1 đường phát dữ liệu và 1 đường nhận dữ liệu, không có tín hiệu xung clock nên gọi là bất đồng bộ. Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud...
2.6.2 Chuẩn giao tiếp SPI
SPI là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình tuyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK, MISO, MOSI và SS .
Hình 2.25: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ.
2.6.3 Chuẩn giao tiếp I2C
I2C là 1 chuẩn truyền nối tiếp theo mô hình chủ – tớ. Một thiết bị chủ có thể giao tiếp với nhiều thiết bị tớ. Muốn giao tiếp với thiết bị nào, thiết bị chủ phải gửi đúng địa chỉ để kích hoạt thiết bị đó rồi mới được phép ghi hoặc đọc dữ liệu.
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống vườn lan sử dụng năng lượng mặt trời. Chức năng các khối:
- Khối Wifi: Nhận dữ liệu từ vi xử lý và truyền lên dữ liệu web để giao tiếp với máy tính thông qua website.
- Khối thực thi: Bao gồm động cơ và các thiết bị chăm sóc vườn cây dựa trên sự điều khiển của vi xử lý.
- Khối nguồn: Sử dụng năng lượng mặt trời , chức năng cấp nguồn cho toàn bộ mạch để hoạt động.
- Khối cảm biến và nút nhấn: có chức năng đo nhiệt độ độ ẩm gửi về khối xử lý. KHỐI CẢM BIẾN & NÚT NHẤN KHỐI NGUỒN KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM KHỐI HIỂN THỊ KHỐI THỰC THI KHỐI WIFI
- Khối xử lý trung tâm: Có chức năng tiếp nhận tín hiệu từ khối cảm biến, xử lý thông tin để điều khiển máy bơm tưới nhỏ giọt và chất dinh dưỡng.
- Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị ra màn hình LCD các thông số nhiệt độ độ ẩm.
Đối với hình 3.2 là hình ảnh thực tế của các khối trong sơ đồ hệ thống được kết nối với nhau.
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế.
3.2 Tính toán và thiết kế mạch 3.2.1 Khối xử lý trung tâm 3.2.1 Khối xử lý trung tâm
Arduino Uno R3 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega328. Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau:
Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ máy tính lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
Jack nguồn: nguồn từ 9V - 12V.
Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0-13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).
Vi điều khiển AVR: sử dụng ATMega328.
4 chân analog (A0 đến A5).
Hình 3.3 Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino UNO R3. Trong quá trình kết nối các module và lập trình cho hệ thống:
Bộ nhớ sử dụng hết 3303 bytes vào khoảng 43% bộ nhớ
Tổng số chân I/O sử dụng là 17 chân, công thức tính dòng tiêu thụ (3.1) Dòng tiêu thụ = 17 x 20mA = 340mA (3.1)
3.2.2 Khối module wifi ESP 8266 V1
Hình 3.4: Module wifi ESP 8266 V1. Điện áp cung cấp: 3.3V DC.
Dòng điện tiêu thụ:300mA.
Cách nối dây cho ESP 8266 vào Arduino UNO R3 theo thứ tự chân ở bảng 3.5 ở trên như sau:
VCC: 3.3V
GND: 0V
Tx: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển.
RST: chân reset, kéo xuống mass để reset.
CH_PD: chân này nếu được kéo lên mức cao module sẽ bắt đầu thu phát wifi, kéo xuống mức thấp module dừng phát wifi. Vì ESP8266 khởi động hút dòng lớn nên chúng ta giữ chân này ở mức 0V khi khởi động hệ thống của mình , sau 2 s hãy kéo chân CH_PD lên 3.3V, để đảm bảo module hoạt động ổn định.
GPIO0: kéo xuống thấp cho chế độ upgrade firmware.
GPIO2: không sử dụng.
Dưới đây là cách nối dây vào Arduino UNO R3 với ESP 8266 V1, được thể hiện trong hình 3.5:
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý Module wifi ESP 8266 V1 với Arduino UNO R3.
Cách kết nối chân Arduino UNO với module ESP 8266:
Chân VCC và chân CH_PD của ESP nối với nguồn 3.3V.
Chân GND của ESP nối với GND của nguồn 3.3V và GND của Arduino.
Chân RX của ESP kết nối với chân TX của Arduino.
3.2.3 Khối cảm biến độ ẩm đất.
Hình 3.6: Hình ảnh thực tế của Module cảm biến độ ẩm đất.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động: 5VDC
Dòng tiêu thụ: 5mA.
Tín hiệu đầu ra:
o Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng.
o Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp.
Kích thước: 3 x 1.6cm.
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý Module độ ẩm đất kết nối Arduino UNO R3.
Cách kết nối chân Arduino UNO với cảm biến độ ẩm đất:
Chân A0 nối với chân A0 của Arduino.
Chân vcc nối với 5V của Jack DC 5V.
3.2.4 Khối cảm biến DHT11
Thông số kỹ thuật
Nguồn 3-5V DC.
Chuẩn giao tiếp TTL, 1wire
Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)
Đo tốt độ ẩm 20% - 80%RH với sai số ±5%
Đo tốt ở nhiệt độ 0-50℃ sai số ±2%
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến DHT11 vào Arduino UNO
Cách kết nối giữa cảm biến DHT11 và Arduino UNO
Chân số 2 nối vào chân 6 của Arduino để truyền nhận dữ liệu.
Chân số 3 nối với GND của Arduino và Jack DC 5V.
Chân số 1 nối với 5V của Jack DC 5V.
3.2.4 Khối chấp hành.
a. Máy bơm 5V
Hình 3.9: Động cơ 5V DC.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp 5V
Lưu lượng: 1.5 lít/phút
Dòng điện: 100-200mA
Động cơ: Chổi than
b. Mạch tạo độ ẩm không khí
Hình 3.10: Mạch tạo hơi sương 5V.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 5V
Dòng tiêu thụ:100mA
Cộng hưởng tần số của đầu phun sương: 1.70MHz.
Lượng sương: 380ml / h
3.2.5 Khối hiển thị
Hình 3.11: LCD 20x4.
Vì ta sử dụng mạch chuyển giao tiếp LCD 20x4 sang I2C, chỉ cần 2 chân SDA và SCL của Arduino Mega 2560 kết nối với 2 chân SDA và SCL của module là đã có thể hiển thị thông tin lên LCD.
Hình ảnh thực tế của mạch chuyển giao tiếp được thể hiện ở hình 3.12:
Hình 3.12: Mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C.
Cách kết nối giữa LCD 20x4 sử dụng mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C và Arduino UNO R3, được thể hiện trong hình 3.12 dưới đây:
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO R3 với I2C.
Cách kết nối giữa LCD 20x4 sử dụng mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C và Arduino UNO
Hai chân nguồn VCC và GND được kết nối với 5V 2A để dòng điện cho sim hoạt động ổn định lâu dài.
SDA được nối vào chân số A4 của Arduino UNO R3 để truyền nhận dữ liệu theo chuẩn I2C.
SCL được nối vào chân số A5 của Arduino UNO R3 để truyền nhận dữ liệu theo chuẩn I2C.
3.2.6 Khối ngoại vi
Trong khối này có nút nhấn đơn và led đơn. Sơ đồ nối dây và hình ảnh thực tế được biểu hiện trong hình 3.13 sau:
ILED=15mA
R1=R2=R3=R4=R5=V/ILED=5/0,015=330 Ω (3.1) INUT NHAN =2.2mA
R=V/INUT NHAN =5/0,0022=2.2KΩ (3.2) Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO với nút nhấn và led được thể hiện trong hỉnh 3.14
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO với nút nhấn.
3.2.7 Khối relay
Do dùng nguồn 5V để cách ly với nguồn 9V cung cấp cho Arduino, mục đích để chống nhiễu từ cuộn dây của relay khi điều khiển thiết bị mức điện áp 220V nên sử dụng loại relay 5V. Chịu được điện áp và dòng tối đa là 250VAC/10A.
Hình 3.16: Relay 5V 10A 5 chân
Theo thông số kỹ thuật của relay, ta có dòng trong cuộn dây IL=30mA, điện áp trong cuộn dây UL=5, điện trở cuộn dây được tính như sau:
RL = UL
IL = 5V
30mA=167Ω (3.3) Từ đó ta có thể tính hFE và IC của transistor với dòng ra tối đa trên mỗi chân Arduino là I = 20mA: hFE ≥ 5×𝐼𝐿 𝐼 = 5×30 20 = 7.5 (3.4) Chọn hFE = 100 Và IC > IL = 30mA (3.5) Chọn Ic = 150 mA
Chọn transistor thực tế là C1815, từ đó ta tính Rb cho mạch relay
Rb = 𝑉𝐶𝐶 × ℎ𝐹𝐸
5×𝐼𝐿 =
5𝑉×100
5×20𝑚𝐴 = 5000Ω (3.6) Chọn điện trở thực tế trong mạch là 5.1KΩ
Mạch nguyên lý hoạt động của khối relay được thể hiện trong hình 3.17 dưới đây:
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý hoạt động khối Relay.
3.2.8 Khối nguồn
Board Arduino UNO R3 sử dụng hết 17 chân (N). Dòng DC trên mỗi chân I/O (I1C) là 20mA.
IAr = I1C x N
= 20 x 17 = 340 mA (3.7) Dòng tiêu thụ ESP 8266 (IESP) là 300mA.
Dòng tiêu thụ cảm biến DHT11 (IDHT11) là 2.5mA. Dòng tiêu thụ cảm biến độ ẩm đất (IĐỘ ẨM) là 5mA. Dòng tiêu thụ bơm nước 5V(IBƠM) tối đa là 200mA.
Dòng tiêu thụ mạch tạo hơi sương 5V(IHƠI SƯƠNG) tối đa là 100mA. Dòng tiêu thụ quạt 5V(IQUẠT) tối đa là 200mA.
Dòng tiêu thụ LCD 20x4 (ILCD) là 5mA. Tổng dòng tiêu thụ trên là:
I max = IAR+ IESP + IDHT11 + IĐỘ ẨM +IBƠM + IHƠI SƯƠNG + IQUẠT + ILCD = 340 + 300 + 2.5 + 5.0 + 200 + 100 + 200 + 5 = 1152.5 mA (3.8)
Theo tính toán thì sẽ cấp dòng tối thiểu là 1152.5mA. Vì vậy, nhóm sinh viên sử dụng mạch giảm áp LM2596 từ nguồn ắc-quy 12V 5A để có ngõ ra là 5V 3A và nguồn 3.31V 3A cung cấp cho ESP 8266. Nguồn dự phòng nguồn tổ ong 12V 3A để có ngõ ra dự phòng khi không sử dụng nguồn năng lượng mặt trời do thời tiết xấu.
Vì vậy, nhóm sinh viên sử dụng công tắc 3 cực để chuyển đổi nguồn sử dụng từ nguồn ắc-quy 12V 5A hay nguồn tổ ong có thông số là 12V 3A khi không sử dụng