4.1.1 Thi công bo mạch
Hệ thống gồm có ba mạch thi công chính: mạch điều khiển, mạch kích và mạch tăng áp nguồn Z. Dưới đây là sơ đồ thi công mạch in của các mạch trên.
Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển:
Hình 4.1. Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển.
Bảng 4.1. Bảng linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển.
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 Kit NodeMCU ESP8266 5V ESP8266 MCU Verson 1.0
2 LCD 20X4 3.3V LCD20X4A
3 Module I2C CONN-SIL4
4 Cảm biến dòng MCU-
219
3.2A INA219
5 Điện trở (R7) 330Ω RES40
6 LED 1 20mA LED
7 Jack DC 5V DC-JACK
8 Domino 2 Pin 10A/300V CONN-SIL2
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.2. Sơ đồ mạch in của mạch kích.
Bảng 4.2. Bảng linh kiện sử dụng trong mạch kích.
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 Điện trở R1, R3, R5 330Ω RES60 2 R1_NGUỒN, R2_NGUỒN, R3_NGUỒN 1kΩ RES40 3 Tụ Mica C1, C2, C5, C7, C10, C11 10𝑛𝐹 CAP50M 4 Tụ hóa C3, C8, C12 100𝜇𝐹, 50𝑉 CAPPRD350W 5 Tụ Mica C4, C6, C9 100nF CAP70M
6 LED2, LED3, LED4 20mA LED
7 Mornsun QA01 15V IC_NGUỒN
8 TLP250 1.5A SW-DIP4
9 Domino 2 Pin 10A/300V CONN-SIL2
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.3. Sơ đồ mạch in của mạch nguồn Z.
Bảng 4.3. Bảng linh kiện sử dụng trong mạch nguồn Z.
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 IGBT FGA 25N120 JACK3
2 Cuộn cảm 0.68mH JACK1
3 Diode D1, D2 5A/1000V Diode30
4 Domino 2 Pin 10A/300V
5 Tụ hóa 100𝜇𝐹, 450𝑉 CAPPRD750W
4.1.2 Lắp ráp và kiểm tra
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.4. Module nguồn xung.
Tiến hành lắp module nguồn, hệ thống sử dụng hai module nguồn 15V và 5V.
b. Lắp ráp khối điều khiển
Hình 4.5. Khối điều khiển sau khi lắp ráp.
Sau khi hàn linh kiện cho khối điều khiển thì sản phẩm như hình 4.5. Khối điều khiển có ESP8266, hai cảm biến dòng MCU 219 và LCD hiển thị.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.6. Khối điều khiển sau khi lắp chân LCD lên.
c. Lắp ráp mạch kích
Hình 4.7. Mạch kích sau khi lắp ráp.
Ở hình 4.7, mạch trên gồm ba mạch kích kích đóng ngắt cho IGBT ở hai mạch tăng áp và một mạch mô phỏng ngắn mạch phía nghịch lưu.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.8. Bộ tăng áp nguồn Z sau khi lắp ráp.
Bộ tăng áp nguồn Z sau khi hàn xong linh kiện như hình 4.8. Bộ tăng áp gồm có 1 domino ngỏ vào từ pin năng lượng mặt trời, 1 domino ngỏ ra tải, 2 diode, 1 tụ điện 100𝜇𝐹, 1 IGBT và 1 cuộn cảm 0,68mH.
4.2 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Đề tài thiết kế và thi công bộ điều khiển giám sát DC link dùng hai tấm pin năng lượng mặt trời cho hai phân khu của một xí nghiệp. Bộ điều khiển giám sát DC link được lắp dưới tấm pin năng lượng mặt trời và lắp đặt trên mái. Vì vậy, nhóm đã thiết kế nên mô hình giống ngôi nhà, phần mái được lắp tấm pin mặt trời và bộ điều khiển giám sát DC link.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.9. Mặt trước của mô hình.
Hình 4.10. Mặt sau của mô hình.
Mô hình được thiết kế với chiều dài: 1150mm, chiều rộng: 580mm và chiều cao: 770mm. Mỗi tấm pin năng lượng mặt trời được lắp trên mái của một phân khu. Bên trái hình 4.9 là phân khu 1, bên phải là phân khu 2. Phía sau mỗi LCD hiển thị sẽ được lắp bộ điều khiển DC link và phần phía dưới của LCD là phần thân ngôi nhà.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.3.1 Lưu đồ giải thuật
Hình 4.11. Lưu đồ hệ thống. Khi vừa cấp điện cho nguồn 5V:
ESP8266 hoạt động cấp nguồn cho cảm biến dòng MCU 219 và LCD hoạt động. ESP8266 thiết lập kết nối wifi để bắt đầu gửi dữ liệu lưu trữ lên firebase. Cảm biến dòng MCU lấy giá trị dòng điện, điện áp đo được từ tấm pin năng lượng mặt trời gửi cho khối điều khiển (ESP8266). ESP8266 tiến hành điều chế độ rộng xung PWM và gửi cho mạch kích.
Khi vừa cấp điện cho nguồn 15V:
Mạch kích hoạt động, opto TLP250 trong mạch kích nhận tín hiệu xung PWM từ khối điều khiển ESP8266 và tiến hành tạo xung kích cho IGBT trong bộ tăng áp nguồn Z. Pin năng lượng mặt trời sẽ cấp nguồn cho bộ tăng áp nguồn Z hoạt động tiến hành nâng điện áp lên. Cảm biến điện áp ngõ ra đo điện áp và gửi về khối điều
Lấy dữ liệu từ cảm biến MCU 219 Bộ tăng áp nguồn Z Mạch lái IGBT Hiệu chỉnh xung PWM
Node MCU ESP
8266 Hiển thị LCD
Nghịch lưu Pin Mặt Trời
Kiểm tra kết nối Wifi
Gửi dữ liệu lên firebase EEPROM
False
True Bắt đầu
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
khiển để giám sát. Trong quá trình nâng điện áp của bộ tăng áp nguồn Z, phía nghịch lưu cũng tiến hành mô phỏng ngắn mạch.
4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
a. Giới thiệu phần mềm Arduino IDE
Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino. Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++. Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, MAC OSX và Linux. Hai hàm để tạo ra một chương trình vòng thực thi có thể chạy được:
Setup(): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt.
Loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch.
Hình 4.12. Giao diện phần mềm Arduino IDE.
Vùng lệnh: bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help). Phía dưới là các icon cho phép sử dụng các chức năng thường dùng của IDE.
Vùng viết chương trình: Các đoạn code sẽ được viết trong vùng này. Tên chương trình được hiển thị ngay dưới dãy các icon, như ở hình 4.12 tên chương trình
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
là “Blink”. Phía sau tên chương trình có một dấu “§” có nghĩa là đoạn chương trình chưa được lưu.
Vùng thông báo (Debug): Những thông báo từ IDE sẽ được hiển thị tại đây. Góc dưới cùng bên phải hiển thị loại board Arduino và cổng COM được sử dụng.
b. Viết chương trình hệ thống #include <ESP8266WiFi.h> #include <FirebaseArduino.h> #include <Wire.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <Adafruit_INA219.h> LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4);
#define FIREBASE_HOST "do-an-tot-nghiep-2019-7b1fb.firebaseio.com" #define FIREBASE_AUTH ""
#define WIFI_SSID "D405_2"
#define WIFI_PASSWORD "hoithaytri" #define PWM_PIN 14 #define PWM_PIN_N 12 Adafruit_INA219 ina219_A(0x40); Adafruit_INA219 ina219_B(0x41); float shuntvoltage_A = 0; float busvoltage_A = 0; float current_mA_A = 0; float loadvoltage_A = 0; float shuntvoltage_B = 0; float busvoltage_B = 0; float current_mA_B = 0; float loadvoltage_B = 0; void setup() { Wire.begin(D1,D2); Serial.begin(9600); ina219_A.begin(); ina219_B.begin(); lcd.init(); lcd.clear(); lcd.backlight(); analogWriteFreq(20000); Connect_wifi(); Firebase.begin(FIREBASE_HOST, FIREBASE_AUTH); delay(3000); lcd.clear(); lcd.setCursor(3, 0);
lcd.print("HO GIA DINH 1"); lcd.setCursor(0, 1);
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
lcd.setCursor(0,2);
lcd.print("Dien Ap Pin : "); lcd.setCursor(0,3);
lcd.print("Dong Dien Pin: ");
} void loop() { Read_INA219_Values_A(); Read_INA219_Values_B(); Update_Data(); charge_cycle(); } void charge_cycle() { float m = 0.5;
int U_in = busvoltage_A; if( U_in < 10 ) { analogWrite(PWM_PIN, 562.27); } else { float ud = 0.5 + m*sqrt(3)/2; float A = 16.6*sqrt(2)/U_in; float udk = ud - m/A;
analogWrite(PWM_PIN , udk * 1023); } analogWrite(PWM_PIN_N , 68.541); } void Connect_wifi() { WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(5000); Serial.print("."); } Serial1.print("Connecting"); lcd.clear(); lcd.setCursor(2, 0);
lcd.print("DO AN TOT NGHIEP"); lcd.setCursor(1, 1); lcd.print("WiFi Connecting..."); delay(2000); Serial1.println(); Serial1.print("Connected: "); lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(" WiFi Connected "); Serial1.println(WiFi.localIP());
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
lcd.setCursor(1, 2); lcd.print("IP: "); lcd.print(WiFi.localIP()); } void Read_INA219_Values_A() { shuntvoltage_A = ina219_A.getShuntVoltage_mV(); busvoltage_A = ina219_A.getBusVoltage_V(); current_mA_A = ina219_A.getCurrent_mA(); } void Read_INA219_Values_B() { shuntvoltage_B = ina219_B.getShuntVoltage_mV(); busvoltage_B = ina219_B.getBusVoltage_V(); current_mA_B = ina219_B.getCurrent_mA(); } void Update_Data() {
float U_out_tt = busvoltage_B * 41/10 ; int U_out = U_out_tt ;
lcd.setCursor(13, 1);
lcd.print(U_out); lcd.print("V "); lcd.setCursor(13,2);
lcd.print(busvoltage_A); lcd.print("V "); int current_Pin = current_mA_A;
lcd.setCursor(14,3);
lcd.print(current_Pin); lcd.print("mA ");
Firebase.setFloat("/Phân Khu 1/Điện Áp Pin", busvoltage_A ); Firebase.setFloat("/Phân Khu 1/Dòng Điện Pin", current_mA_A ); Firebase.setFloat("/Phân Khu 1/Điện Áp Ra", U_out_tt );
Firebase.pushFloat("/Phân Khu 1/Luu tru/Điện Áp Pin", busvoltage_A ); Firebase.pushFloat("/Phân Khu 1/Luu tru/Dòng Điện Pin", current_mA_A ); Firebase.pushFloat("/Phân Khu 1/Luu tru/Điện Áp Ra", U_out_tt ); delay(1500);
}
4.3.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại
a. Giới thiệu phần mềm Mit App Inventor
MIT App Inventor cho Android là một ứng dụng web nguồn mở ban đầu được cung cấp bởi Google và hiện tại được duy trì bởi Viện Công nghệ Massachusetts, viết tắt là (MIT). Mục tiêu cốt lõi của Mit App Inventor là giúp đỡ những người chưa có kiến thức về ngôn ngữ lập trình từ trước có thể tạo ra những ứng dụng có ích trên hệ điều hành Android.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Những tính năng có trên MIT App Inventor: 16
Cho phép xây dựng nhanh chóng những thành phần cơ bản (components) của một ứng dụng Android: Nút bấm, nút lựa chọn, chọn ngày giờ, ảnh, văn bản, thông báo, kéo trượt, trình duyệt web.
Sử dụng nhiều tính năng trên điện thoại: chụp ảnh, quay phim, chọn ảnh, bật video, audio, thu âm, nhận diện giọng nói, chuyển lời thoại thành đoạn văn …
Hỗ trợ xây dựng game bằng các components: Ball, Canvas, ImageSpirte. Cảm biến: đo gia tốc, đọc mã vạch, tính giờ, xác định địa điểm, đo tốc độ, đo khoảng cách xa gần với vật thể …
Kết nối: Danh bạ, email, gọi điện, chia sẻ thông qua các ứng dụng mạng xã hội khác trên thiết bị, nhắn tin, sử dụng twitter qua API, bật ứng dụng khác, bluetooth, bật trình duyệt.
Lưu trữ: đọc hoặc lưu tệp txt, tạo cơ sở dữ liệu đơn giản trên điện thoại hoặc trên đám mây thông qua server tự tạo hoặc Firebase.
Và rất nhiều mở rộng do các nhà lập trình hoạt động riêng liên tục thêm vào như là: mua bán trong ứng dụng, báo thức, cảm biến ánh sáng, kết nối dữ liệu SQLite…
Thiết kế app cho thiết bị ardroid
Để sử dụng mit app inventor ta truy cập vào trang web:
http://ai2.appinventor.mit.edu sau đó đăng nhập tài khoản google và bắt đầu.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.13. Giao diện quản lý project.
Để tạo một project mới ta chọn Start new project sau đó đặt tên cho project mới. Giao diện chính xuất hiện, ở đây ta bắt đầu thiết kế app.
Hình 4.14. Giao diện thiết kế của mit app inventor.
Thiết kế giao diện cho app điều khiển
Để thiết kế giao diện cho app ta chọn mục Designer sau đó tiến hành thiết kế, kết quả như hình bên dưới:
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Hình 4.15. Thiết kế giao diện.
Viết chương trình cho app điều khiển
Để viết chương trình cho app điều khiển ta chọn mục Blocks sau đó tiến hành viết chương trình.
Hình 4.16. Chương trình điều khiển.
b. Giới thiệu phần mềm giám sát Firebase
Firebase là một cơ sở dữ liệu thời gian thực hoạt động trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm lập trình nhanh các ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu.
Firebase có nhiều tính năng và lợi ích chẳn hạn như: Realtime Database, bảo mật, làm việc offline, xác thực người dùng, firebase hosting… Đề tài chỉ thực hiện việc giám sát và lưu trữ dữ liệu nên chỉ sử dụng tính năng realtime database.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Firebase lưu trữ dữ liệu database dưới dạng JSON và đồng bộ thời gian thực đến mọi kết nối của khách hàng. Khi xây dựng những ứng dụng đa nền tảng như Android, IOS và JavaScrip SDKs, tất cả các khách hàng sẽ chia sẻ trên một cơ sở dữ liệu Firebase và tự động cập nhật với dữ liệu mới nhất.
Tự động tính toán quy mô ứng dụng. Ngoài ra firebase còn sử dụng NoSQL, giúp cho database không bị bó buộc trong các bảng và các trường mà có thể tùy ý xây dựng database theo cấu trúc riêng của người dùng.
Cho phép phân quyền một cách đơn giản bằng cú pháp tương tự như javascript.
Firebase hoạt động dựa trên nền tảng cloud có nghĩa là mọi thứ có kết nối internet thì đều có thể “tương tác” với firebase. ESP8266 có kết nối internet nên có thể dùng ESP8266 để lấy dữ liệu từ cảm biến và gửi lên firebase.
Tạo một tài khoản trên Firebase:
Đăng nhập Firebase bằng cách dùng tài khoản Google. Sau đó nhấn chọn Get Started For Free để tạo project mới.
Hình 4.17. Giao diện hiển thị khi mới mở phần mềm.
Sau đó điền tên project và nhấn nút Greate project để kết thúc phần tạo project mới.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.18. Giao diện tạo project mới. Tạo dữ liệu trong database, tạo database mới tại thẻ database.
Hình 4.19. Giao diện tạo database mới tại thẻ database.
Sau khi tạo xong database tại thẻ database chọn realtime database (1). Sau đó chỉnh lại rule (2) cho database, cho phép ai cũng có thể ghi và đọc dữ liệu, chỉnh null thành true (3), sau đó nhấn publish (4) để lưu lại.
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.20. Giao diện bắt đầu làm việc với database.
Sau đó chúng ta viết chương trình cho ESP8266, và kết quả như hình sau:
Hình 4.21. Giao diện giám sát và lưu trữ trên database.
c. Viết chương trình hệ thống
Chương trình giám sát điện áp và dòng điện ngõ vào ra: Phân khu 1:
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
4.4 LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG
4.4.1 Lưu đồ
Hình 4.22. Lưu đồ điều khiển.
Trong lưu đồ điều khiển hình 4.22, khi bắt đầu sẽ khởi tạo các biến, các chân của ESP8266 kết nối với cảm biến dòng MCU 219, với LCD và với firebase. Thiết lập tốc độ baud và cấu hình cho chân điều khiển. Thiết lập cấu hình kết nối wifi, tạo vòng lặp kiểm tra kết nối wifi, nếu kết nối được wifi thì bắt đầu thiết lập kết nối firebase. MCU ESP lấy dữ liệu từ cảm biến MCU 219, truyền dữ liệu hiển thị trên
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
LCD thông qua chuẩn I2C, xử lý dữ liệu hiệu chỉnh PWM xuất ra chân GPIO D5. Sau đó kiểm tra kết nối wifi, nếu đã kết nối thì tiến hành gửi dữ liệu lên firebase, ngược lại thì quay lại lấy dữ liệu từ cảm biến. Sau khi gửi dữ liệu lên firebase trở về lấy giá trị của cảm biến và tiếp tục vòng lặp.
4.4.2 Xử lý tín hiệu hay hình ảnh
Hệ thống xây dựng trên hai phân khu, dùng hai bộ tăng áp nguồn Z. Để mô phỏng chi tiết các dạng sóng và điện áp, nhóm chia ra phân tích theo hai hướng sau:
a. Xét trên một phân khu
Hình 4.23. Mô phỏng mạch tăng áp nguồn Z trên một phân khu.
Để lập trình mô phỏng cho bộ tăng áp nguồn Z, nhóm đã sử dụng phần mềm PSIM để tiến hành mô phỏng dạng xung như hình 4.23. Sử dụng hai Oscilloscop: SCOPE1 và SCOPE1222 để mô phỏng dạng sóng. SCOPE1 kênh A hiển thị dạng sóng điện áp ngỏ vào, kênh B hiển thị dạng sóng điện áp ngỏ ra trên tụ. SCOPE1222 kênh A hiển thị dạng sóng mang, kênh B hiển thị dạng sóng xung kích, kênh C hiển thị điện áp ngắn mạch và kênh D hiển thị dạng sóng ngắn mạch. Kết quả mô phỏng như sau:
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Hình 4.24. Dạng sóng điện áp trên SCOPE1.
Từ dạng sóng hình 4.24, ta thấy điện áp ngõ vào đúng bằng 18V và điện áp ngõ