L ỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆ P
3.4.3.3 Thiết kế phần cứng cho khối giám sát và điều khiển hệ thống
a. Phương án thiết kế.
Để đo được dòng điện của pin mặt trời nhóm đã chọn giải pháp mua module đo
dòng thay vì đi thi công mạch, vì lý do là ưu điểm của module so với mạch thi công là module nhỏ gọn, sai số thấp và cho điện áp ra ổn định. Hơn nữa do khối lượng công việc còn nhiều nên nhóm chọn giải pháp mua module. Yêu cầu của chọn module là có giới hạn dòng và áp phải lớn hơn hoặc bằng dòng và áp của pin mặt trời tạo ra (0.87A, 18V). Do
đó nhóm chọn module đo dòng ACS-712 5A.
Thông số của module:
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 62
Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.
Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp.
Nguồn: 5VDC.
Độ nhạyđầu ra từ 63-190mV/A.
Điện áp ra cực kỳổnđịnh.
Ip: 5A đến -5A.
Độ nhạy: 180 - 190 mV/A.
b. Kết nối phần cứng.
Module cảm biến dòng sẽđược lắp trực tiếp vào nguồn pin mặt trời như hình sau.
Hình 3.3: Mạch nguyên lý cảm biến dòng.
c. Nguyên lý hoạt động.
Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, dòng điện đi từ Ip+ đến Ip-
để Vout ra mứcđiện thế 2.5 - 5V tươngứng dòng 0 - 5A, nếu mắcngược Vout sẽ ra điện
thế -2.5V đến 0V tươngứng với 0A đến -5A.
Cấp nguồn 5V cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với
domino), thì Vout=2.5V. khi dòng Ip( dòng của tải) bằng 5A thì Vout=5V, Vout sẽ tuyến
tính với dòng Ip, trong khoảng 2.5V đến 5V tươngứng với dòng 0 đến 5A.
Để kiểm tra dùng đồng hồ VOM thang đo DC đo Vout.
3.4.3.3.2 Khối 2. a. Phương án thiết kế.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 63 phép của chân đọc tín hiệu điện áp trong xử lý trung tâm 1, vì vậy để có thểđo được điện áp pin mặt trời nhóm đã tiến hành chia áp ra. Điện áp đểđưa vào chân đọc tín hiêu analog phải nhỏhơn hoặc bằng 5V.
b. Tính toán, kết nối phần cứng.
Điện áp pin mặt trời U1=18V.
Điện áp đưa vào chân analog U2max=5V (U2≤5V).
Dòng điện tối đa đưa vào chân analog Imax=80mA.
Suy ra: Tổng điện trở nhỏ nhất của hai điện trở phân áp
Rmin= = ≈163Ω.
Mà R8+R11=163Ω,
Chọn R8=100Ω, suy ra R11=163-100=63Ω(chọn 68Ω).
Ta có thể chọn giá trị lớn hơn nhưng giá trị điện trở R nhỏ nhất cho phép là 163Ω,
trên thực tế vì mỗi chân I/O của xử lý trung tâm 1 đều có điện trở kéo lên bên trong(từ
5.6kΩ đến 10kΩ). Vì vậy ta cần phải chọn giá trị điện trở phù hợp cho kết quả chính xác
nhất. Qua những lần chọn và thử nhóm chọn R8=2.2KΩ, R11=560Ω. Điện áp được lấy
ra trên R11 đưa vào chân analog của xử lý trung tâm1.
Ngoài ra do biên độ dao động điện áp của mặt trời lớn sẽ làm cho kết quả đo kém
chính xác nên nhóm đã mắc thêm hai tụ song song với điện trở R11 ở trên, mục đích làm cho ngõ ra ổn định hơn. Qua nhũng lần thử thực tế nhóm chọn được giá trị tụ cho ra điện áp tương đồi ổn định là: 100µF và 0.1µF.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 64 Hình 3.4: Mạch đo điện áp pin mặt trời.
c. Nguyên lý hoạt động.
Điện áp pin mặt trời sẽ được chia ra lên hai điện trở là 100KΩ và 22KΩ. Điện áp
được lấy trên điện trở 22KΩ và nối vào chân A0 của xử lý trung tâm 1.
3.4.3.3.3 Khối 3. a. Phương án thiết kế.
Nhóm chọn phương án thiết kế mạch giảm áp dùng Mosfet, vì mạch dễ thi công, có nhiều tài liệu viết tương đồi dễ hiểu. Để điêu khiển được hoạt động đóng ngắt cho Mosfet
nhóm đã dùng thêm mạch thúc, nguyên nhân là vì: Dòng và áp từ chân ngõ ra PWM của xử ly trung tâm 1 quá nhỏ (5V, 25mA) không thểđiều khiển đóng và ngắt một cách tối ưu cho mosfet được. vì thế phải cho xung PWM từ xử lý trung tâm 1 qua mạch thúc để nâng áp ngõ ra rồi mới mang đi điều khiển mosfet.
b. Tính toán, kết nối phần cứng.
Mạch buck:
Nguyên lý hoạt động:
Mạch giảm áp là mạch chuyển đổi điện áp DC sang DC với điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn hoặc bằng điện áp ngõ vào. Sơ đồ nguyên lý của mạch giảm áp như hình sau:
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 65
Khi Mosfet ON
Khi Mosfet ON sẽ có dòng điện chạy qua cuộn dây L, chạy qua tải R và tụ điện ngõ ra C. Khi này thì Diode bị phân cực ngược nên sẽ không có dòng điện chạy qua nó vì vậy dòng điện sẽ chạy về cực âm của nguồn. Cũng trong lúc này năng lượng sẽ tích trữ cuộn dây L và tụđiện ngõ ra C. Như hình bên dưới.
Hình 3.6: Hình mô tả hoạt động của mạch khi Mosfet ON.
Khi Mosfet OFF
Khi Mosfet OFF, năng lượng trong cuộn dây sẽ được giải phóng ra và hình thành dòng điện chạy qua cuộn dây, tụđiện C, tải R và chạy qua Diode, vì khi này Diode được phân cực thuận. Năng lượng trong tụ sẽ cung cấp cho tải để duy trì dòng điện. Hoạt động của mạch như hình bên dưới.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 66 Hình 3.7: Hình mô tả hoạt động của mạch khi Mosfet OFF.
Tính toán lựa chọn cuộn dây: theo cơ sở lý thuyết chương 2 mục 2.8.
Đồ án này thiết kếcho năng lượng mặt trời 15W và ắc quy 12V. Chọn giá trị của L để khi:
Điện áp đầu vào (Vin) = 15V.
Điện áp đầu ra (Vout) = 12V. Dòng điện ra (Iout) ≈0.6A (xấp xỉ).
Chuyển đổi Tần số f= 31 KHz(bằng tần số xung cấp cho chân PWM D9). Duty Cycle (D) = = 0,8 hay 80%.
Tính toán:
L =(Vin−Vout). . .
∆ (theo công thức 2.13 chương 2)
Với ∆dI là dòng gợn sóng(là mức độ chênh lệch giữa hai đỉnh cao nhấp và thấp nhấp của dòng điện).
Chọn giá trị ∆dI nằm trong khoảng 2% đến 5% dòng ngõ ra Iout. Vì pin mặt trời có độ
biến thiên lớn, do nó phụ thuộc vào cường độ sáng mặt trời, tuy nhiên nếu chọn khoảng biến thiên này quá lớn sẽ làm cho hệ thống kém ổn định hơn.
Chọn dI = 5% Iout. Ta có:
L = (Vin−Vout). . .
∆ = (15,0-12,0) x0,8x x
. ≈26µH .
Giá trị dòng điện lớn nhất đi qua cuộn cảm = Iout + dI / 2 = 0.6+ 0.15 = 0.65A.
Trong thực tế giá trị cuộn cảm 26µH không có, vì thế chọn giá trị cuộn cảm có giá trị
33µH.
Vì vậy, chọn cuộn cảm có thông số 33µH và 0.65A.
Tính toán lựa chọn tụđiện: theo tài liệu số 1 trong phần phụ lục.
Điện dung của tụ điện là điều cần thiết để giảm thiểu việc quá áp và độ gợn sóng ở
ngõ ra của mạch giảm áp.
Giá trịđiện dung ngõ ra (Cout) = dI / (8 x Fsw x dV). Với dV là điện áp gợn sóng.
Chọn điện áp gợn (dV) = 25mV.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 67 Vậy chọn tụ 47µF.
Lựa chọn Mosfet:
Mosfet là thành phần quan trọng của bộ chuyển đổi Buck. Trong mạch Buck này Mosfet có vai trò như một công tắc với tần sốđóng cắt lớn.
Một vài thông sốcơ bản để lựa chọn MOSFET hợp lý:
Điện áp ngưỡng: Tìm hiểu giá trị điện áp ngưỡng Vth của Mosfet là bao nhiều để
cấp điện áp điều khiển cho hợp lý.
Dòng định mức: Id của MOSFET nên lớn hơn 20% hoặc nhiều hơn so với dòng
định mức sử dụng trong mạch Buck.
Trong mạch Buck của nhóm đã chọn Mosfet IRF 3205. Mạch thúc:
Có nhiều cách làm ra mạch thúc như sử dụng linh kiện rời, hoặc IC chuyên dụng.
Nhóm em đã chọn hướng là IC. Vì IC có kích thước nhỏ gọn và nếu sử dụng IC sẽ giảm khối lượng thi công làm mạch so với sử dụng linh kiện rời. Nhóm em sử dụng IC
IRF2101. IC này đã được trình bày trong phần cơ sở lý thuyết Chương 2 mục 2.10.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 68 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch thúc.
c. Nguyên lý hoạt động.
Xung PWM sẽđi Mạch thúc có chức năng điều khiển hoạt động của Mosfet trong mạch Buck thông qua xung điện áp. Xung điện áp này là xung PWM nhận từ xử lý trung
tâm 1 có đặc điểm có cùng chu kỳTon, Toff nhưng biên độ lớn hơn.
Chân HIN của IRF2101 sẽ nhận xung từ chân D9 của xử lý trung tâm 1 cấp vào chân HIN và ngõ ra HO sẽ kích cho mosfet Q1 dẫn hay tắt.
Mạch thúc này cho phép chỉ với điện áp thấp (0V-5V) từ vi điều khiển ta có thể điều khiển việc đóng cắt điện áp cao hơn để cung cấp cho tải. Mosfet ở đâyđóng vai trò
như một công tắc, khi ON tương ứng là lúc trong khoảng thời gian Ton của một xung PWM, khi OFF là lúc trong khoảng thời gian Toff của một xung PWM.
3.4.3.3.4 Khối 4.
Được tính toán và chọn thông sốtương tựnhư khối 2.
3.4.3.3.5 Khối 5. a. Phương án lựa chọn.
Vì trên thị trường có rất nhiều loại màn hình dùng để hiển thị, có thể hiển thị được dạng text, dạng hình ảnh,…vì trong đồ án này nhóm chỉ sử dụng hiển thị các thông sốcơ
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 69
b. Kết nối phần cứng.
Hình 3.9: Mạch nguyên lý kết nối LCD.
3.4.3.3.6 Khối 6. a. Phương án thiết kế.
Tải sẽđược điều khiển thông qua các chân số của vi xử lý trung tâm. Nguồn cung cấp cho tải là nguồn bình ắc quy. Các chân số sẽ điều khiển transistor kích dòng cho
mosfet đóng ngắt tải.
Tải đèn sẽ có ba vòng led, các led trong một vòng sẽđược nối tiếp với nhau.
b. Tính toán, kết nối phần cứng.
Tải đèn:
Các thông số của led sử dụng là: Vled=2.2V, Iled=10mA. Nguồn cung cấp: Vs=12V.
Ta sẽtính toán điện trởđể hạn dòng cho led như sau:
R=(Vs-(Số led sử dụng x 2.2 ))/10mA. Vòng 1: R1=(12-4x2.2)/0.01=320Ω.
Vòng 2: R2=(12-3x2.2)/0.01=540Ω.
Vòng 3: R3=(12-3x2.2)/0.01=540Ω. Chọn R chung cho cả 3 vòng led là 560Ω.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 70 Điều khiển đèn:
Các tải đèn sẽđược điều khiển thông qua việc điều khiển mosfet. Sơ đồ nguyên lý:
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tải.
c. Nguyên lý hoạt động.
Ta sẽ dùng một chân số của vi điều khiển làm ngõ ra kích vô cực B của transistor
thông qua điện trở 1k. Chân C của transistor và chân G của Mosfet được nối vô nguồn
VCC thông qua điện trở 10k. Transistor này có chức năng kích vô chân G cho Mosfet dẫn hoặc tắt.
Đầu tiên nếu chân B của transistor không được phân cực, tức điện áp vào chân B của transistor là 0V thì sẽ có dòng điện chạy từ VCC qua R7, R14 , qua chân D13 và chạy về GND, khi đó con Mosfet sẽ được phân cực, tương ứng là mở tải vì có điện áp rơi trên
chân G(do trước đo đã hình thành cầu chia áp qua R7 và R14). Khi chân B của transistor
được phân cực, tức điện áp cấp vào 5V, thì sẽ có dòng điện chạy từ VCC qua R7 qua cực C của transistor xuống cực E và đi xuống GND. Khi này Mosfet không được phân cực nữa do điện áp đặt lên chân G bằng 0V, tương ứng là ngắt tải.
3.4.3.3.7 Khối 7. a. Phương án lựa chọn.
Đểđáp ứng được yêu cầu điều khiển của hệ thống nhóm như đo đạc tính toán các thông số, giao tiếp với LCD, sử dụng PWM, ...và điều khiển được thông qua webserver
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 71 thì có rất nhiều board mạch có thể đáp ứng được yêu cầu này như board Rasperry pi,
board Arduino,… Nhưng vì nhóm muốn tìm hiểu một board mới và được nhà trường hỗ
trợnên nhóm đã chọn board Intel Galileo.
b. Phần cứng.
Sơ đồ mạch chi tiết của board được đính kèm trong phụ lục, phần Sơ đồ mạch tham khảo [1] Galileo_schematic.pdf
Một sốchân được sử dụng trong kết nối điều khiển. Các chân analog sẽđược kết nối với các khối đo dòng và đo áp. Một số chân số sẽđược dùng đề điều khiển tải. Chân IO9 sẽdùng để cấp xung PWM cho mạch thúc.
Hình 3.11: Sơ đồ chân Intel Galileo.
3.4.3.3.8 Sơ đồ mạch tổng quát của khối giám sát và điều khiển hệ thống.
Được đính kèm trong hình 3.12.
3.4.3.4 Phần mềm: a. Thuật toán: a. Thuật toán:
Đề tài sử dụng phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O để dò tìm điểm công suất cực đại.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 72
Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn
giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng. Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm
điện áp theo chu kỳđể tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất.
Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ
giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm. Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại. Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh (điểm MPP) điểm làm việc có công suất lớn nhất đó.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 73
b. Lưu đồ:
Hình 3.14: Hình lưu đồ thuật toán MPPT.
Giải thích lưu đồ:
Đầu tiên ta sẽ đo điện áp ngõ vào, dòng điện ngõ vào, và điện áp ngõ ra. Tiếp theo ta sẽ tính công suất tương ứng với giá trị dòng và áp ngõ vào vừa đo được gọi là công suất
trước (P(k-1)). Sau đó so sánh với công suất lúc sau tương ứng với điện áp và dòng điện
đo được lúc sau, gọi là công suất sau (P(k)).
Nếu hiệu P(k) – P(k-1) lớn hơn 0 thì ta kiểm tra tiếp điện áp sau có lớn hơn điện áp
trước hay không, nếu có lớn hơn thì ta tăng PWM lên ngược lại thì giảm PWM xuống. Nếu hiệu P(k) – P(k-1) nhỏ hơn 0 thì ta kiểm tra tiếp điện áp sau có lớn hơn điện áp
trước hay không, nếu có lớn hơn thì ta giảm PWM xuống ngược lại thì tăng PWM lên.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 74
3.4.4 Khối tìm hướng cường độ sáng lớn nhất:
Bao gồm các khối sau: Khối 1: Cảm biến ánh sáng. Khối 2: Module ổn áp.
Khối 3, 5: Module giao tiếp điều khiển động cơ bước. Khối 4, 6: Động cơ 1 và động cơ 2.
Khối 7, 8: Khối công tắc hành trình. Khối 9: Xử lý trung tâm 2.
3.4.4.1 Chức năng của từng khối. Khối 1: Khối 1:
Tìm nơi có cường độ sáng lớn nhất, gửi tín hiệu về vi xử lý trung tâm.
Khối 2: Module ổn áp.
Chuyển điện áp của ắc quy từ 12V xuống 8V để cấp cho vi xử lý.
Khối 3, 5: Module giao tiếp điều khiển động cơ bước.
Nhận tín hiệu điều khiển từ vi xử lý trung tâm đểđiều khiển động cơ bước.
Khối 4, 6: Động cơ 1 và động cơ 2.
Quay tấm pin theo hướng được yêu cầu.
Khối 7, 8: Khối công tắc hành trình.
Nhận biết vị trí quay của động cơ bước.
Khối 9: Xử lý trung tâm 2.
Nhận tín hiệu từ khối cảm biến, sau đó xử lý điều khiển tín hiệu ra tác động vào khối module đểđiều khiển động cơ.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. 75
3.4.4.2 Sơ đồ khối .
Hình 3.15: Sơ đồ khối dò tìm hướng có cường độ sáng lớn nhất.
3.4.4.3 Thiết kế phần cứng cho khối tìm hướng cường độ sáng lớn nhất. 3.4.4.3.1 Khối 1: 3.4.4.3.1 Khối 1:
a. Phương án thiết kế.
Theo yêu cầu thiết kế là phải luôn phát hiện được nơi có cường độsáng lơn nhất. Ý
tưởng của nhóm là đặt bốn quang trở ở bốn hướng khác nhau, được đặt tên như sau cho