CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.4 Tính tốn và chọn động cơ
3.4.1 Vai trò của động cơ
- Trong hệ thống điều khiển góc quay pin mặt trời, động cơ chấp hành đóng một vai trị cực kì quan trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy. Động cơ chấp hành thường làm việc ở dạng khởi động, dừng mô hình hoặc chạy đảo chiều, đây là các điều kiện làm việc của động cơ. Vì vậy động cơ cần có những yếu tố sau:
• Khơng có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển.
• Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc.
• Tác động nhanh.
• Cơng suất điều khiển nhỏ.
• Dễ điều khiển vơ cấp.
• Dãy điều khiển tốc độ rộng.
• Điện áp khởi động nhỏ.
• Độ tin cậy cao.
• Kích thước, trọng lượng nhỏ.
3.4.2 Động cơ Servo 3.4.2.1 Khái niệm 3.4.2.1 Khái niệm
- Động cơ sevor hay còn gọi là động cơ máy móc chuyên dùng để cung cấp cơ năng cho một số thiết bị, dây chuyền hay cơ cấu hoạt động nào đó trong quy trình sản suất và chế tạo. Chúng đóng vai trị là đầu tàu cung cấp lực kéo, giúp cho các dây chuyền hay các cơ cấu động cơ khác hoạt động theo.
- Thường sử dụng từ trường để biến đổi điện năng thành cơ năng dưới dạng xoay nhắm mục đích kéo tải. động cơ Servo bắt buộc phải kết nối với một cơ cấu chuyển động cơ khí (hệ thống truyền đai, xích, bơm…) mới có thế hoạt động được.
35
3.4.2.2 Nguyên lý hoạt động
- Động cơ Servo thường là một động cơ DC đơn giản được điều khiển cho vịng quay góc cụ thể với sự giúp đỡ của Servomechanism bổ sung (một hệ thống kiểm sốt phản hồi vịng kín điển hình)
- Nó cung cấp chính xác góc cạnh, tức là nó chỉ xoay bao nhiêu chúng ta muốn và sau đó dừng lại, chờ tín hiệu tiếp theo có hành động tiếp theo. Động cơ Servo không giống như một động cơ điện tiêu chuẩn bắt đầu quay như khi chúng ta áp dụng năng lượng cho nó và vịng quay tiếp tục cho tới khi chúng ta tắt nguồn.
- Khơng thể kiềm sốt tiến trình quay của động cơ điện, nhưng có thể kiểm sốt tốc độ quay và có thể bật tắt. Trong động cơ được bao gồm nhiều bộ dụng cụ khởi động Arduino mới bắt đầu, vì chúng dễ vận hành như một phần của các dự án nhỏ.
- Chú thích:
• Gear system: Cơ cấu bánh răng.
• DC Motor: Động cơ DC.
• Control Electronics: Điều khiển điện.
• Servo Horn/Arm: Nhánh/Cánh tay Servo.
• Potentionmeter: Điện thiết kế phân cực.
36
3.4.3 Lựa chọn động cơ Servo
- Trong mơ hình điêu khiển góc quay pin mặt trời có 2 động cơ thực hiện 2 chức năng khác nhau nhưng chúng sẽ hoạt động bằng cách sử dụng bánh răng để làm lực kéo kết hợp với tuốt năng quạt công nghiệp và được điều khiển bằng module L298N, cả 2 Động cơ Servo kết nối với cơ cấu chuyển động cơ khí là tuốc năng quạt cơng nghiệp để hoạt động. kết nốt thông qua khớp nối cứng.
3.4.3.1 Động cơ 1
- Có vai trị điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời.
Hình 3. 6 vị trí động cơ 1. Hình 3. 5 Động cơ kết nối tuốc năng quạt. Hình 3. 5 Động cơ kết nối tuốc năng quạt.
37
- Dựa vào khối lượng của pin mặt trời (~ 2kg) thanh sắt tròn D10 (0.3g/ 50 cm) và đã được bánh răng của tuốc năng giảm tốc chuyển động, tăng sức kéo nên ở đây chỉ cần sử dụng động cơ Servo với lực kéo 15 kg.
Chọn động cơ Servo MG995.
- ĐC Servo này truyền qua bánh răng của tuốc năng quạt công nghiệp và được nối thẳng vào tấm Pin mặt trời để quay theo 2 hướng Đơng và Tây.
Thơng số kĩ thuật:
• Điện áp hoạt động: 3.5 ~ 8,4 V.
• Dịng điện cung cấp < 1000 Ma.
• Xung yêu cầu: xung vuông điện áp đỉnh từ 3~ 5V.
• Kích thước: 40 x 19 x 43 mm. • Sức kéo tại áp 4.8V: 13kg/cm. • Sức kéo tại áp 6.0V: 15kg/cm. • Tốc độ vận hành 4.8V :0.17 sec / 60độ. • Tốc độ vận hành 6.0V :0.13 sec / 60độ. Hình 3. 7 Động cơ Servo MG995.
38
3.4.3.2 Động cơ 2
- Có vai trị điều khiển phần thân máy.
- Dựa vào khối lượng của pin mặt trời ( ~2kg) thanh sắt tròn D10 ( 0.3g/ 50 cm) và phần thân khung sắt tầm (~10kg), đã được bánh răng của tuốt năng giảm tốc chuyển động, tăng sức kéo nhưng khối lượng phần thân máy khá nặng nên sử dụng động cơ Servo 25 kg để động cơ quay dễ dàng hơn.
Chọn động cơ Servo SPT5525LV-320
- ĐC Servo này truyền qua bánh răng của tuốc năng quạt công nghiệp và được nối vào khung đỡ tấm Pin mặt trời để quay theo 2 hướng Nam và Bắc.
Thông số kĩ thuật:
• Kích thước: 40,5 x 20 x 40,5mm.
Hình 3. 8 vị trí động cơ 2.
39 • Góc 500-2500: 320 ° ± 2 °. • Điện áp làm việc: 4.8V-6.0V. • Tốc độ vận hành 4,8V: 0,22 sec / 60 °. • Tốc độ hoạt động 6.0V: 0.18 sec/ 60 °. • Sức kéo tại áp 4,8V: 24 kg.cm. • Sức kéo tại áp 6.0V: 26 kg.cm. 3.5 Module I2C
- Với Vi điều khiển thơng qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay. Module chuyển đổi I2C cho LCD sẽ giải quyết vấn đề khó khăn trong qua trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của Vi điểu khiển, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của Vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780 (LCD 1602, LCD 2004, …), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
Thơng số kĩ thuật:
• Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.
• Hỗ trợ màn hình: LCD16x2, 16x4, 20x4 (driver HD44780).
• Giao tiếp: I2C.
40
• Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
• Kích thước: 41.5mm (L) x 19mm (W) x 15.3mm (H).
• Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
• Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
3.6 Giới thiệu Module điều khiển động cơ LN298N
- Module L298N là một chip tích hợp 2 mạch trong gói 15 chân. Module L298N có điện áp danh định cao (lớn hơn 50V) và dòng điện danh định lớn hơn 2A nên rất thích hợp cho các ứng dụng cơng suất nhỏ như các động cơ DC loại vừa và nhỏ.
- Có 2 mạch cầu H trên mỗi chip L298 nên có thể điều khiển 2 đối tượng riêng với 1 chip này. Mỗi mạch cầu H gồm đường nguồn Vs (thật ra là đường chung cho 2 mạch cầu), một chân current sensing (cảm biến dòng) ở phần cuối của mạch cầu H, chân này không được nối đất mả bỏ trống để cho người dùng nối 1 điện trở nhỏ gọi là Sensing Resitor. Bằng cách đo điện áp rơi trên điện trở này chúng ta có thể tính được dịng qua điện trở , cũng là dịng qua động cơ, mục đích của việc này là để xác định dịng q tải. Nếu việc đo lường là khơng cần thiết thì ta có thể nối chân này với GND. Động cơ sẽ được nối với 2 chân
41
OUT1, OUT2 hoặc OUT3, OUT4. Chân EN (ENA và ENB) cho phép mạch cầu hoạt động, khi chân này được kéo lên mức cao.
3.7 Giới thiệu Module ESP8266 NodeMCU
- ESP8266 là một mạch Vi điều khiển được dùng làm module wifi bên ngồi. Thêm vào đó nó được tích hợp Wifi 2.4 GHz có thể dùng cho lập trình. Kết nối với ứng dụng Bynk trên điên thoại để điều khiển.
Hình 3. 13 Module ESP8266 NodeMCU.
42 Thơng số kĩ thuật:
• Wifi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
• Điện áp hoạt động: 3.3V.
• Điện áp vào: 5V thơng qua cổng USB.
• Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0).
• Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V).
• Bộ nhớ Flash: 4MB.
• Giao tiếp: Cable Micro USB (tương đương cáp sạc điện thoại).
• Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2.
• Tích hợp giao thức TCP/IP.
• Lập trình trên các ngơn ngữ: C/C++, Micropython, …
3.8 Giới thiệu Module cảm biến dòng ACS712
- Cảm biến dòng điện ACS712 là một IC cảm biến dịng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall. ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), trong phạm vi đã cho. Tụ (Cf theo sơ đồ) được dùng với mục đích chống nhiễu và có giá trị tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng.
43 Thơng số kĩ thuật:
• Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5às.
ã in tr dõy dn trong l 1.2m.
• Nguồn vận hành đơn là 5V.
• Độ nhạy đầu ra từ 63-69mV/A.
• Nhiệt độ hoạt động: - 40 - 85C.
• Điện áp cách ly tối đa: 2100V(RMS).
3.9 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời Dual USB SOLAR CHARGE CONTROLLER LCD 10A CONTROLLER LCD 10A
- Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời Dual USB Solar Charge Controller LCD 10A được sử dụng để điều khiển tối ưu quá trình sạc Ắc Quy từ pin Năng lượng mặt trời, giúp q trình sạc ln đạt hiệu suất cao nhất cũng như bảo vệ Ắc Quy bằng quy trình sạc thơng minh PWM 4 trạng thái và ngắt khi đầy.
Thơng số kĩ thuật:
• Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời 10A.
• Tích hợp màn hình LCD hiển thị chun nghiệp và 2 cổng USB.
44
• Sử dụng với Ắc Quy Chì 12/24V OPEN, AGM, GEL.
• Cơng suất tải tối đa: 120W.
• Q trình xạc PWM 4 trạng thái.
• Có bảo vệ q dịng, chập mạch tự động.
3.10 Giới thiệu phần mềm SOLIDWORKS 2018
- Là phần mềm thiết kế phần mềm thiết kế 3D, đầy đủ các tính năng và dễ dàng sử dụng. dùng để thiết kế ra mơ hình, chi tiết, tạo các lắp ghép và tự động tạo bản vẽ 2D để đưa vào sản xuất. ngoài ra có thể sử dụng tồn bộ các cơng cụ cần thiết để tạo ra các bề mặt phức tạp, chi tiết tấm kim loại.
3.11 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng ROBOTSTUDIO (bản 6.8)
- RobotStuio là phần mềm lập trình mô phỏng Robot ABB, cho phép người dùng thực hiện nhiệm vụ, bao gồm lập trình, tào tạo và tối ưu hóa sản suất mà không làm phiền, giúp giảm thiếu rủi ro, một sự thay đổi giao ngắn hơn, một năng suất nhanh hơn khởi động và tốt hơn.
45
- Nó cho phép lập trình Robot để thực hiện trên máy tính bên trong mà khơng cần phải sản xuất, RobotStudio được xây dựng trên phần mềm ABB VirtualController. Nó là một bản sao của một mơ hình chạy thực tế robot sản xuất. điều này cho phép hoàn tồn mơ phỏng thực tế được thực hiện bằng cách áp dụng các chương trình Robot thực tế và các tập tin cấu hình tương tự như sử dụng trên cửa hàng.
3.12 Giới thiệu phần mềm CCS
- CCS kế thừa tất cả các đặc điểm của ngôn ngữ C – là ngôn ngữ cơ bản, quen thuộc mà sinh viên đã được tào tạo để lập trình cho PIC.
- Xây dựng sẵn các hảm phục vụ cho việc sử dụng đễ dàng các khối chức năng đặc biệt của vi điểu khiển PIC như khối ADC, PWM, RS232, SPI.
Hình 3. 17 Giao diện và dự án mô phỏng robot trên Robotstudio.
46
- Có khả năng kết hợp với ngơn ngữ hợp ngữ, tạo sự mềm dẻo trong phát triển ứng dụng.
- Khả năng phát triển, nâng cấp ứng dụng là dễ dàng.
- Ngày càng được cập nhật với nhiều tín năng ưu việt và hiệu quả hơn.
3.13 Giới thiệu phần mềm trên điện thoại App Blynk
- Blynk được thiết kế cho Internet of Things. Nó có thể:
• Điều khiển các thiết bị phần cứng từ xa
• Hiển thị dữ liệu cảm biến
• Lưu trữ dữ liệu…
- Có 3 thành phần chính trong nền tảng:
• Blynk App: cho phép tạo giao diện cho sản phẩm của bạn bằng cách kéo thả các widget khác nhau mà nhà cung cấp đã thiết kế sẵn.
• Blynk Server: chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu trung tâm giữa điện thoại, máy tính bảng và phần cứng.
• Library Blynk: hỗ trợ cho hầu hết tất cả các nền tảng phần cứng phổ biến, cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và đi.
• Kết nối với server bằng cách sử dụng: Wifi, Bluetooth và BLE, Ethernet, USB (Serial), GSM.
3.14 Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino
Arduino sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập chương trình, ngơn ngữ lập trình cho Arduino cũng có tên là Arduino (được xây dựng trên ngơn ngữ C). Ngồi viết chương trình phần mềm Arduino IDE cịn biên dịch và tải chương trình lên board.
47
Hình 3. 20 Chọn Borad.
48
CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Thiết kế khung trên phẩn mềm Solidworks
- Sử dụng các cơng cụ đo, vẽ bo góc để thiết kế sản phẩm 3D theo từng “Part”, sau đó chuyển sang Assembly để tiến hành lắp ghép sản phẩm hồn chỉnh.
4.1.1 Phần đế mơ hình (Part 1)
Hình 4. 1 Các chế độ của Solidworks.
49
4.1.2 Phần thân mơ hình (Part 2)
4.1.3 Phần đầu (Part 3) mơ hình
4.1.4 Phần lắp ghép
Sau khi vẽ xong các phẩn ta tiến hành lắp ghép:
Hình 4. 3 Phần thân mơ hình.
50
4.2 Thiết kế mạch của mơ hình
4.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống
4.2.2 Chức năng của từng khối
Hình 4. 5 Mơ hình hồn chỉnh.
51
• Khối nguồn: Cung cấp điện áp thích hợp cho từng khối để đảm bảo các khối
hoạt động ổn định (5VDC).
• Khối XLTT (Pic 16F887): nhận dữ liệu từ khối CB hướng sáng, khối CB
dòng và áp, khối CB hướng quay, Esp8266 và xử lý những tín hiệu đó bằng cách:
▪ Truyền tín hiệu cho khối công suất để điều khiển ĐC.
▪ Truyền tín hiệu cho khối ESP8266 để hiển thị giá trị dịng điện, điện áp lên App Blynk.
• Khối hiển thị (LCD 16x2): nhận tín hiệu từ khối XLTT và hiển thị giá trị
dịng điện và điện áp.
• Khối cảm biến dòng và áp (ACS712): Đọc giá trị dòng điện đưa về khối
XLTT.
• Khối cơng suất (L298N): nhận tín hiệu từ khối XLTT và điều khiển 2 ĐC
Servo.
• Khối cảm biến hướng quay (biến trở): nhận biết hướng quay của tấm Pin
NLMT và đưa về khối XLTT.
• Khối cảm biến hướng sáng (quang trở): nhận biết ánh sáng mặt trời theo 4
hướng: Đông, Tây, Nam, Bắc và đưa về khối XLTT.
• ĐC Servo: dùng 2 động cơ servo MG 995 và SPT5525LV-320 để điều khiển
2 trục.
• Bộ sạc: bộ sạc NLMT Dual USB Solar Charge Controller LCD 10A.
• Pin NLMT: sử dụng pin NLMT loại 20W.
4.3 Mạch điều khiển của từng khối mô phỏng trên phần mềm Protus 4.3.1 Khối xử lí trung tâm 4.3.1 Khối xử lí trung tâm
52
- Khối xử lý trung tâm (PIC16F887) nhận dữ liệu từ khối CB hướng sáng, khối CB dòng và áp, khối CB hướng quay, ESP8266 và xử lý những tín hiệu đó bằng cách:
• Truyền tín hiệu cho khối cơng suất để điều khiển ĐC.
• Truyền tín hiệu cho khối ESP8266 để hiển thị giá trị dòng điện, điện áp lên App Blynk và ngược lại.
53
4.3.2 Khối cảm biến ánh sáng:
- Khối Cảm biến ánh sáng dùng quang trở để nhận biết cường độ ánh sáng chiếu vào tấm pin. Khối CB này dùng bốn quang trở (đông, tây, nam, bắc) để so sánh các quang trở với nhau để trả giá trị về khối XLTT.
4.3.3 Khối CB dòng và áp:
- Khối Cảm biến dòng và áp, đối với dịng sẽ dùng module ASC712 và áp thì sẽ