Mạch điều khiển động cơ Servo với “bộ não” là vi xử lý Arduino thực hiện việc đọc các tín hiệu đầu đầu vào là giá trị điện trở từ bộ cảm biến hướng sáng, sau đó tiến hành xử lý số liệu, tính tốn góc quay và truyền tín hiệu điều khiển động cơ Servo, đồng thời truyền dữ liệu thơng số góc quay lên màn hình hiển thị LCD. Trong sơ đồ, ta sử dụng 4 chân ngõ vào (Analog) của Arduino từ A1 đến A4 kết nối với 4 quang trở từ bộ cảm biến hướng sáng. Hai chân ngõ ra (Digital) D2, D3 của Arduino được nối đến dây tín hiệu của hai động cơ Servo. Nguồn Acquy 12V thông qua hai modul LM2596, điện áp được điều chỉnh giảm xuống cịn 6V và cấp ni toàn bộ hệ thống. Để điều khiển trục xoay của hệ điều hướng ở chế độ bằng tay, ta sử dụng các nút nhấn loại 2 chân, một chân kết nối đến ngõ ra của Arduino (chân tín hiệu) và chân cịn lại nối đất. Các chân nối đất được nối chung lại với nhau, cịn các chất tín hiệu lần lượt đưa vào theo thứ tự:
- Button Right vào chân D4 của Arduino. - Button Down vào chân D5 của Arduino. - Button Mode vào chân D6 của Arduino.
67 - Button Left vào chân D7 của Arduino. - Button Up vào chân D8 của Arduino.
Hình 4. 27: Board mạch điều khiển hồn chỉnh 4.9 Mạch cảm biến hướng ánh sáng
Để có thể điều khiển động cơ điều hướng tấm pin theo vị trí của Mặt Trời cần có một mạch cảm biến có thể nhận biết được cường độ ánh sáng lớn nhất tại các thời điểm
68
Mạch cảm biến hướng sáng sử dụng 4 quang trở có thơng số giống nhau, chất lượng như nhau được ngăn cách bởi 4 vách ngăn đặt vng góc. Khi tia nắng mặt trời chiếuvng góc với mạch cảm biến, bóng của vách ngăn sẽ khơng đè lên quang trở, do đó giá trị điện trở của các quang trở là như nhau. Khi tia nắng mặt trời chiếu xiên, làm bóng của vách ngăn đè lên ít nhất 1 quang trở, làm cho giá trị điện trở của các quang trở khơng bằng nhau. Khi đó tín hiệu từ mạch cảm biến truyền về mạch điều khiển để xử lý và truyền tín hiệu đến động cơ servo, lúc này mơ hình sẽ hoạt động để tấm pin vng góc với tia nắng mặt trời.
Hình 4. 29: Mơ phỏng bố trí quang trở và mạch cảm biến hướng sáng thực tế
4.10 Mạch nạp
Khi mơ hình hoạt động thì tấm pin sẽ sản sinh ra điện năng, lượng điện năng đó ngồi việc ni các mạch cảm biến, mạch điều khiển và động cơ servo cịn được nạp vào acquy thơng qua một mạch nạp tự ngắt lúc aquy đầy
69
Hình 4. 30: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy tự ngắt
Hình 4. 31: Mạch nạp của mơ hình
Nguyên lý hoạt động của mạch nạp là khi nạp điện cho acquy từ tấm pin, lúc đầu điện áp tại acquy thấp hơn điện áp tại tấm pin. Khi đó dịng điện từ ngõ vào sẽ đi qua tiếp điểm thường đóng của rơle, đến J1 và bóng đèn D4, rồi theo dây âm qua biến trở RV1 về cực âm đầu vào. Đồng thời, lúc này diode zener sẽ khơng cho dịng
70
điện đi qua, làm cho tại B của transistor sẽ khơng có điện dẫn đến tại C sẽ bị hở mạch, transistor sẽ khóa lại và khơng có dịng điện đi qua nó. Đến khi nạp đầy, mức điện áp tại mạch sẽ vượt ngưỡng và làm cho diode zener bị phân cực ngược, lúc này sẽ có dịng điện đi qua nó, tại B sẽ có dịng điện, thì tại C của transistor khơng cịn hở mạch nữa. Dòng điện sẽ đi qua transistor và đến cuộn dây của rơle, sau một thời gian thì lực hút của cuộn dây sẽ thắng được lực của lò xo làm cho tiếp điểm thường hở đóng lại, tiếp điểm thường đóng mở ra. Dòng điện sẽ đi qua tiếp điểm thường hở, qua đèn D5 làm đèn D5 sáng, rồi theo dây âm qua biến trở và về cực âm của nguồn. Khơng có dịng điện đến J1, q trình nạp kết thúc
4.11 Mạch giảm áp
Hình 4. 32: Mạch giảm áp DC-DC LM2596 3A của mơ hình
71
Trong mơ hình, các mạch điều khiển, mạch cảm biến hướng ánh sáng, động cơ Servo chỉ dùng điện áp vào khoảng 6VDC. Trong khi đó, tấm pin mặt trời lại sản sinh ra điện áp lên đến 18.1VDC, điện áp của Acquy lại là 12VDC. Do đó muốn cho các thành phần trong mơ hình hoạt động tốt cần có mạch giảm áp DC – DC. Mạch giảm áp DC LM2596 3A là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dịng ra đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong.
Thông số kỹ thuật:
Module nguồn không sử dụng cách ly Nguồn đầu vào: 4V - 35V.
Nguồn đầu ra: 1V - 30V. Dòng ra Max: 3A. Kích thước mạch: 53 mm x 26 mm 4.12 Nút nhấn Hình 4. 33: Nút nhấn và bảng nút nhấn của mơ hình thực. Chọn nút nhấn 2 chân trịn có thơng số: - Áp và dòng tải: 12V, 50mA – DC. - Điện trở tiếp xúc: ≤ 50mΩ. - Điện trở cách điện: ≥ 100MΩ. - Nhiệt độ hoạt động: 200C – 700C. - Nhiệt độ mối hàn: 260 ± 50C, 5 giây. - Điện áp quá tải: 250V – AC, 1phút. - Tuổi thọ: 100000 lần nhấn
72
4.13 Màn hình LCD
Hình 4. 34: Màn hình LCD
Trong lúc vận hành hệ thống cần phải biết các giá trị như góc quay của hai động cơ Servo, điện áp, dòng điện ra của tấm pin, chúng ta cần phải có một bộ phận hiển thị các giá trị trên để nhận biết mơ hình hoạt động có tốt hay khơng, nếu khơng tốt thì ta sẽ tìm hiểu mơ hình bị vấn đề ở chỗ nào, từ đó tìn hướng giải quyết và khắc phục. Màn hình LCD sẽ đảm nhận vai trò này. Màn hình led LCD16x2 xanh lá (xanh dương) sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dịng với mỗi dịng 16 ký tự, màn hình có kích thước gọn, độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng, giá thành thấp, nên được dùng để phục vụ cho hệ thống.
73
CHƯƠNG 5
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG DỰ ÁN BƠM NƯỚC TỪ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
5.1 Xây dựng dự án bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời
Hình 5. 1: Sơ đồ đấu nối đơn tuyến của hệ thống mặt trời hoà lưới
5.1.1 Thiết kế dự án bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời
Những chương trước chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống pin mặt trời. Từ những cơ sở lý thuyết đó, chúng ta xây dựng mơ hình của đề tài với ý tưởng thiết kế là sử dụng pin năng lượng mặt trời để bơm nước sinh hoạt, có dị điểm cơng suất cực đại.
74
Hình 5. 2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển theo điện áp
Mơ hình hóa bộ biến đổi boost converter Gvd (s) = 𝑣 (𝑠) 𝑑 (𝑠) = Gvdo (1+ 𝑠 ωesr) (1−𝜔𝑅𝐻𝑃𝑠 ) 1 + 𝑄0 𝜔0𝑆 +(𝜔0𝑆)2 (5.1) 𝑑 𝑑𝑡 [𝑖𝐿 𝑣𝐶] = [ −1 𝐿(𝑟𝐿 +𝐷′𝑅.𝑟𝐶 𝑅+𝑟𝐶) − 𝐷′𝑅 𝐿(𝑅+𝑟𝐶)] [𝑖𝐿 𝑣𝐶] + [1𝐿 0 ]Vin [ 𝐷′𝑅 𝐶(𝑅+𝑟𝐶)− 1 𝐶(𝑅+𝑟𝐶) ] 𝜗𝑜 = [ 𝐷′𝑅.𝑟𝐶 𝑅+𝑟𝐶 𝑅 𝑅+𝑟𝐶 ] [𝑖𝐿 𝑣𝐶]
Quan hệ giữa điện áp đầu ra và tín hiệu điều khiển D: Gdv(S) = ∆𝑣𝑜( 𝑆) ∆𝐷 = 𝑐( 𝑠𝑙 − 𝐴)-1𝜕𝐴 𝜕𝐷X(s) + 𝜕𝑐 𝜕𝐷X(s)=(𝑅+𝑟𝑐)(𝑠𝐶𝑟𝑐+1){−(𝑠𝐿+𝑟𝐿)(𝑅+𝑟𝑐)+𝐷 ′2𝑅2} 𝑃(𝑠){𝐷′𝑅(𝐷′𝑅+𝑟𝑐)+𝑟𝐿(𝑅+𝑟𝑐)} (5.2) Với : P(s) = 𝑠2𝐿𝐶(𝑅 + 𝑟𝑐)2+ 𝑠{𝐿(𝑅 + 𝑟𝑐) + 𝑟𝐿𝐶(𝑅 + 𝑟𝑐)2+ 𝐷′𝑅𝑟𝑐𝐶(𝑅 + 𝑟𝑐)} + 𝑟𝐿(𝑅 + 𝑟𝑐) + 𝐷′𝑅(𝐷′𝑅 + 𝑟𝑐) (5.3)
75
[State 1: SW ON ] [State 2:SW OFF
State 1 [SW: ON ,RC: OFF] State 2 [ SW:
OFF,RC:ON ] Vin= L𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡 + iLrL ( A1) Vin = L 𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡 + rLiL + vo (A5) Ic = C𝑑𝑣𝑐 𝑑𝑡 ( A2) ic = C𝑑𝑣𝑐 𝑑𝑡 (A6) Vc = -ic ( R + rc ) ( A3) iL = ic + 𝑣𝑜 𝑅 (A7) Vo = vc + rcic (A4) vo = vc + rcic (A8)
Hình 5. 3:Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển dựa theo hàm truyền:
Trong đó bộ điều khiển được thiết kế theo: + Bộ bù loại III
+ Bộ bù PID (lead – lag)
5.1.1.1 Yêu cầu mơ hình
a) u cầu về kỹ thuật
- Mơ hình phải đạt hiệu quả nhưng phải tiết kiệm và thân thiện với môi trường. - Chịu được các điều kiện khắc nghiệt của thời tiết, bền vững với thời gian. - Đơn giản trong vận hành và bảo trì.
76 - Linh động và thẩm mỹ.
b) Yêu cầu về kinh tế
- Đơn giản nhất trong thiết kế để hạ giá thành.
- Sử dụng vật tư và thiết bi thông dụng với giá thành thấp.
- Những chi tiết khơng quan trọng của mơ hình có thể tận dung vật tư có sẵn để hạ giá thành sản phẩm.
c) Ứng dụng cơng nghệ cao và tự động hố trong sản xuất nông nghiệp
Ứng dụng nơng nghiệp cơng nghệ cao vào tự động hóa sản xuất trong nông nghiệp, tạo ra sản phẩm chất lượng đồng đều. Liên kết nông hộ tạo ra sản lượng lớn và liên kết với đơn vị tiêu thụ trực tiếp.
Thiết bị điều khiển tự động trong nông nghiệp. Hiệu quả kinh tế:
- Giúp nơng dân ứng biến với biến đổi khí hậu, làm thuận lợi hơn trong quá trình canh tác.
- Ứng dụng cơng nghệ vào tự động hóa sản xuất xuống cho người nông dân. - Ứng dụng công nghệ vào giám sát, đảm bảo chất lượng nơng sản, từ đó giải quyết bài tốn đầu ra cho nơng dân ổn định.
- Tối ưu phương thức khai thác diện tích trên một đơn vị diện tích, từ đó tăng tối thiểu 50% sản lương nơng sản trên 1 đơn vị diện tích (tùy chủng loại).
- Giảm thiểu thao tác trung gian, vận chuyển, tăng q trình sơ chế, đóng gói bảo quản làm giảm thất thốt trong q trình vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi người tiêu dùng.
- Giảm chi phí logistic do các giải pháp của công ty xây dựng giảm thiểu chịu tác động bởi các tác nhân mơi trường ngồi.
77
Trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống của farm như các điều kiện thông số mơi trường, sinh trưởng cây, lịch tưới.
Hình 5. 4: App điều khiển hệ thống farm
78
5.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp và điều khiển
Trên sơ đồ hình 4.1 gồm bộ điều khiển, bộ chuyển đổi DC- DC, bộ tăng điện áp đầu ra, Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm
- Một vật khi quay quanh trục phải chịu một lực có hướng kéo vật trục quay và có phương lực đi qua tâm quay. Đó là lực ly tâm. Hạt nước khi nằm trên một đĩa tròn phẳng đang quay sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm và dịch chuyển dần từ tâm quay ra phía ngồi. Bơm ly tâm là loại bơm theo nguyên lý lực ly tâm. Nước được dẫn vào tâm quay của cánh bơm. Nhờ lực ly tâm, nước bị đẩy văng ra mép cánh bơm. Năng lượng bên ngồi thơng qua cánh bơm đã được truyền cho dòng nước, một phần tạo nên áp năng, một phần tạo thành động năng khiến nước chuyển động. Trước khi máy bơm làm việc, cần phải làm cho 78han bơm (trong đó có bánh cơng tác) và ống hút được điền đầy chất lỏng, thường gọi là mồi bơm.
- Trước khi máy bơm làm việc, cần phải làm cho 78han bơm (trong đó có bánh cơng tác) và ống hút được điền đầy chất lỏng, thường gọi là mồi bơm. Khi máy bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị văng từ trong ra ngoài, chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm. Đồng thời, ở lối vào của bánh cơng tác tạo nên vùng có chân khơng và dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của máy bơm nước, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút, đó là q trình hút của bơm. Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục, tạo nên dịng chảy liên tục qua bơm. 49 Bộ phận dẫn hướng ra (thường có dạng xoắn ốc nên cịn gọi là buồng xoắn ốc) để dẫn chất lỏng từ bánh cơng tác ra ống đẩy được điều hịa, ổn định và cịn có tác dụng biến một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết. Nhận dạng: máy bơm nước ly tâm có ống hút đưa nước vào tâm của cánh bơm và ống đẩy nằm trên mép cánh.
79
Hình 5. 6: Động cơ bơm nước.
Các đặc điểm của bơm ly tâm [4].[10].[11].
Khi lực nước bị lực ly tâm đẩy từ tâm cánh bơm ra phí mép bơm, sẽ xuất hiện khoảng trống máy bơm nước tại tâm cánh bơm. Áp suất tại kho ảng trống này có thể nhỏ hơn áp suất khí trời và thậm chí có lúc đạt gần tới độ chân không tuyệt đối. Bơm ly tâm lý thuyết có thể hút nước ở độ sâu tối đa 10m so với tâm cánh bơm.
Thực tế bơm ly tâm hút được nước ở độ sâu từ 3 – 8 m, tùy loại bơm. Lực ly tâm tỉ lệ thuận với trọng lượng của vật. Vì khơng khí nhẹ hơn 1000 lần so với nước nên nếu khí lọt vào tâm cánh quạt bơm, lực ly tâm sẻ nhỏ hơn 1000 lần và khơng đủ sức kéo khối khí đó ra khỏi máy bơm, tạo chân không cho lượng chất lỏng kế tiếp tràn vào. Cánh bơm vẫn quay mà nước thì khơng bơm được. Đậy là hiện tượng lọt khí vào ống hút đang hoạt động. thực tế thường gọi là “bơm bị e(air).& Rdquo”. Vì lý do của bơm ly tâm lúc nào cũng phải đẩy nước.
80
Hình 5. 7: Cấu tạo máy bơm ly tâm
Bánh xe công tác (rotor, impeller):
- Là bộ phận quay chính cung cấp lực li tâm cho lưu chất.
- Có thể có 1 hoặc nhiều bánh xe cơng tác tùy theo yêu cầu cột áp. - Bánh xe cơng tác có 3 loại: dang hở, dạng nửa hở và dạng nửa đóng.
81
Khi thiết kế trạm bơm và phân tích hiệu quả kinh tế sự làm việc của máy bơm nước trong trạm bơm phải xác định được điểm làm việc của nó. Muốn vậy trước hết phải dựng được đặc tính đường ống ứng với điều kiện làm việc của máy bơm.
Hình 5. 9: Điểm làm việc của máy bơm
Khảo sát bơm ly tâm có đường đặc tính Q – H làm việc trong hệ thống bơm nước từ bể chứa lên bể chứa áp lực. Muốn vận chuyển qua hệ thống đường ống một lưu lượng Q cần cung cấp cho hệ thống một năng lượng đủ để khắc phục chiều cao bơm nước hình học và tổn thất áp lực trên ống hút, ống đẩy. Năng lượng đó được xác định theo cơng thức:
H=Hhh+hh+hđ (m) (5.4) H=Hhh+h (m)
Trong đó :
H – là áp lực yêu cầu của hệ thống (m). Hh- là tổng tổn thất áp lực trên ống hút (m). Hđ- là tổng tổn thất áp lực trên ống đẩy(m). h- là tổng tổn thất áp lực trên đường ống.
82
h=S.Q2 (5.5) Hhh- chiều cao của bơm nước hình học, xác định bằng khoảng cách theo chiều thẳng đứng tính từ mực nước trong bể hút đến bể chứa.
S- sức cản toàn phần trong hệ thống ống.
S= + bp (5.6) - sức cản dọc đường.
bp- sức cản cục bộ.
Q- lưu lượng chất lỏng di chuyển qua hệ thống (m3) Do đó:
H= Hhh+S.Q2 (5.7) Phương trình này là phương trình đặc tính đường ống biểu diễn dưới dạng đồ thị gọi là đặc tính đường ống. Đường đặc tính Q – H của máy bơm biểu diễn năng lượng H mà bơm có thể cấp được cho chất lỏng khi bơm với một lưu lượng là Q nào đó. Điều kiện làm việc ổn định của hệ thống là giữa bơm và hệ thống phải có sự cân bằng năng lượng. Điều đó có nghĩa là năng lượn H mà bơm cấp vào hệ thống phải bằng năng lượng H mà hệ thống yêu cầu. Đó là giao điểm của đặc tính Q – H của máy bơm nước và đặc tính đường ống của hệ thống (điểm A).
Tính tốn ống hút của máy bơm: Trị số chân không trên trục máy bơm
hck = h+𝑣 2 2𝑔+ hv= h+𝑣2