V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : ThS NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
2.7.5Những nhược điểm của hệ thống định hướng
Cũng như với tất cả hệ thống năng lượng mặt trời, hệ thống định hướng pin năng lượng mặt trời sẽ có một chi phí đầu tư ban đầu bổ sung. Tùy vào nhu cầu sử dụng của người dùng mà cần đánh giá xem chi phí đầu tư bổ sung có đạt được hiệu quả như mong muốn và nâng mức năng lượng sử dụng nhận được hay không. Giá của mỗi thiết bị theo dõi năng lượng mặt trời phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và loại của mỗi thiết bị theo dõi. Tuy nhiên, cần lưu ý là chi phí này sẽ thường bù đắp vào việc sẽ mua ít tấm pin năng lượng hơn cho một hệ thống tổng thể.
Nhược điểm chính của các bộ định hướng năng lượng mặt trời là ứng dụng của người sử dụng. Vì lắp đặt một hệ thống định hướng không phải lúc nào cũng được lắp đặt trên mặt đất hay mái nhà bằng phẳng. Thông thường thì người sử dụng mong muốn lắp đặt hệ thống trên mái nhà nhằm tiết kiệm không gian mặt đất, do vậy mái nhà nghiêng đôi khi sẽ khó khăn trong việc lắp đặt do những ràng buộc về mặt hình học và trọng lượng của các hệ thống định hướng. Chính vì điều này mà phần lớn các nhà sản xuất thường thiết kế và áp dụng trên mặt đất.
Một bất lợi nhỏ được đề cập tới là thêm chi phí cho việc vảo trì hệ thống. Với hệ thống định hướng pin năng lượng mặt trời sẽ làm cho hệ thống phức tạp thêm đôi chút so với hệ thống gắn cố định và bảo trì đơn giản. Hệ thống này cần phải được kiểm tra thường xuyên để đảm bảo rằng các bộ phận như cảm biến, động cơ hay nâng khí nén hư hỏng do một yếu tố nào đó mà ngưng làm việc.
CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 3.1 Tổng quan về họ vi điều khiển AT89S52
AT89S52 là họ IC vi điều khiển do hãng Intel sản xuất. Các sản phẩm AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển. Việc xử lý trên byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội. Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnh số học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia. Nó cung cấp những hỗ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển. AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 KByte bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP. Các đặc điểm của chip AT89S52 được tóm tắt như sau:
− KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xoá
− Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24MHz
− Mức khóa bộ nhớ lập trình
− Bộ Timer/counter 16 Bit
− 128 Byte RAM nội.
− Port xuất /nhập I/O 8 bit.
− Giao tiếp nối tiếp.
− 64 KB vùng nhớ mã ngoài
− 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại.
− 4µs cho hoạt động nhân hoặc chia
3.2 Cấu trúc của vi điều khiển AT89S52
Mặc dù các thành viên của họ AT89S52 (ví dụ 7851, 89S51, 89C51,DS5000) đều có các kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân DIP (Dual In- Line Pakage), dạng vỏ dẹt vuông QPF (Quad Flat Pakage) và dạng chip không có chân đỡ LLC ( Leadless Chip Carrier) thì chúng đều có 40 chân cho các chức năng khác nhau như vào ra I/O, đọc, ghi, địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Cần phải lưu ý một số hãng cung cấp một phiên bản 8051 có 20 chân với số cổng vào ra ít hơn cho các ứng dụng yêu cầu ít hơn. Tuy nhiên vì hầu hết các nhà phát triển sử dụng chip đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP nên ta chỉ tập trung mô tả phiên bản này.
• Chức năng của các chân AT89S52
Port 0: từ chân 32 đến chân 39 (P0.0_P0.7). Port 0 có hai chức năng: trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O, đối với các thiết kế lớn có bộ nhớ mở rộng nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu.
Port 1: từ chân 1 đến chân 9 (P1.0_P1.7). Port 1 là Port I/O dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài nếu cần.
Port 2: từ chân 21 đến chân 28 (P2.0_P2.7). Port 2 là một port có tác dụng kép dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng. Port 3: từ chân 10 đến chân 17 (P3.0_P3.7).
Port 3: là Port có tác dụng kép. Các chân của Port này có nhiều chức năng, có công dụng chuyển đổi có liên hệ đến các đặc tính đặc biệt của AT89S52 như ở bảng sau:
Bảng 3.1: Chức năng chuyển đổi đặc biệt
Bit Tên Chức năng chuyển đổi
P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD
− Ngõ vào dữ liệu nối tiếp.
− Ngõ xuất dữ liệu nối tiêp.
− Ngắt ngoài Timer0.
− Ngắt ngoài T1.
− Ngõ vào TIMER/COUNTER thứ 0.
− Ngõ vào TIMER/COUNTER thứ 1. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
− Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài.
− Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài.
PSEN (Program store enable):
PSEN là tín hiệu ngõ ra có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh.
PSEN ở mức thấp trong thới gian AT89S52 lấy mã lệnh. Các mã lệnh của chương trình được đọc từ EPROM qua bus dữ liệu, được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong AT89S52 để giải mã lệnh. Khi AT89S52 thi hành xong chương trình trong ROM nội, PSEN ở mức cao.
ALE (Address Latch Enable):
Khi AT89S52 truy xuất bộ nhớ ngoài, Port 0 có chức năng là bus địa chỉ và dữ liệu do đó phải tách các đường địa chỉ và dữ liệu. Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt. Tín hiệu ALE là một xung trong khoảng thời gian Port 0 đóng vai trò là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ thấp hoàn toàn tự động.
EA (External Access):
Tín hiệu vào chân EA ( chân 31) thường được nối lên mức 1 hoặc mức 0. Nếu ở mức 1, thì AT89S52 thi hành chương trình từ ROM nội. Nếu ở mức 0, AT89S52 thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong AT89S52.
RST (Reset):
Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất 2 chu kì máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. Khi cấp điện mạch phải tự động reset.
Các ngõ vào bộ dao động X1,X2:
Bộ tạo dao động được tích hợp bên trong AT89S52. Khi sử dụng AT89S52, người ta chỉ cần nối thêm thạch anh và các tụ. Tần số thạch anh tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng, giá trị tụ thường được chọn là 33p
• Thanh ghi TIMER
Vi Điều Khiển AT89S52 có 3 timer 16 bit, mỗi timer có bốn cách làm việc. Người ta sử dụng các timer để:
− Định khoảng thời gian.
− Đếm sự kiện
− Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp trong AT89S52.Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer ở nhữngkhoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer. Cờ được dùng để đồng bộ hóa chương trình đểthực hiện một tác động như kiểm tra trạng thái của các ngõ vào hoặc gửi sự kiện racác ngõ ra. Các ứng dụng khác có thể sử dụng việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện (ví dụ đo độ rộng xung).
• Tổ chức ngắt của AT89S52
Có 5 nguồn ngắt ở AT89S52: 2 ngắt ngoài, 2 ngắt từ timer và 1 ngắt port nối tiếp. Tất cả các ngắt theo mặc nhiên đều bị cấm sau khi reset hệ thống và đượccho phép từng cái một bằng phần mềm
Nếu 2 ngắt xảy ra đồng thời thì ngắt nào có nào có mức ưu tiên cao hơn sẽ được phục vụ trước.
Nếu 2 ngắt xảy ra đồng thời có cùng mức ưu tiên thì thứ tự ưu tiên đượcthực hiện từ cao đến thấp như sau: ngắt ngoài 0 – timer 0 – ngắt ngoài 1 – timer 1 – cổng nối tiếp – timer 2.
Nếu chương trình của một ngắt có mức ưu tiên thấp đang chạy mà có một ngắt xảy ra với mức ưu tiên cao hơn thì chương trình này tạm dừng để chạy một chương trình khác có mức ưu tiên cao hơn.
• Các cờ ngắt:
Khi điều kiện ngắt xảy ra thì ứng với từng loại ngắt mà loại cờ đó được đặtlên mức cao để xác nhận ngắt
Bảng 3.2: Các cờ ngắt
Ngắt Cờ Thanh ghi SFR và vị trí bit
Bên ngoài 0 IE0 TCON.1
Bên ngoài 1 IE1 TCON.2
Timer 0 TF0 TCON.5 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Timer 1 TF1 TCON.7
Port nối tiếp TI SCON.1
Port nối tiếp RI SCON.0
• Các địa chỉ ngắt:
Khi chấp nhận ngắt, giá trị được nạp vào PC gọi là địa chỉ ngắt. Nó là địa chỉ bắt đầu của ISR cho nguồn tạo ngắt, các vector ngắt được cho ở bảng sau :
Bảng 3.3: Các địa chỉ ngắt
Ngắt Cờ Địa chỉ
Bên ngoài 0 IE0 0003H
Bên ngoài 1 IE1 0013H
Timer 0 TF0 000BH
Timer 1 TF1 001BH
3.3 IC LM324N
LM324N là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 4 bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) trong nó.
Hình 3.2: IC LM324
Thông thường một bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) thì cần phải có nguồn đôi. Tức là phải có nguồn dương và nguồn âm. Chẳng hạn như Opamp 741.
Tuy nhiên các Opamp trong LM324N được thiết kế đặc biệt để sử dụng với nguồn đơn. Tức là bạn chỉ cần Vcc và GND là đủ.
Nguồn cung cấp của LM324N có thể hoạt động độc lập với nguồn tín hiệu. Ví dụ nguồn cung cấp của LM324N là 5V nhưng nó có thể làm việc bình thường với nguồn tín hiệu ở ngõ vào V+ và V- là 15V.
Hình 3.3: Sơ đồ chân LM324N
Vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạch với IC LM324N:
- Điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324N tầm từ 5V~32V.
- Áp tối đa ngõ vào: từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 15V đối với nguồn đôi.
- Công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W - Điện áp ngõ ra: từ 0 ~ (Vcc - 1,5V).
+ Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng (dòng Sink): dòng đẩy tối đa đạt được 20mA.
+ Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu hút dòng (dòng Souce): dòng hút tối đa có thể lên đến 40mA.
-Tần số hoạt động của LM324N: 1MHz
CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ THỰC THI 4.1 Thiết kế hệ thống
Mục đích của một hệ thống điều khiển theo hướng mặt trời là xác định được vị trí của mặt trời. Để thiết kế một hệ thống điều khiển pin năng lương theo hướng mặt trời thì hệ thống cơ khí, bộ điều khiển phải có mức tiêu thụ điện năng thấp. Như vậy, hệ thống điện ban đầu bao gồm bộ cảm biến ánh sáng, một mạch so sánh và một mạch đảo chiều động cơ. Để hệ thống hoạt động tốt và chính xác thì động cơ được điều khiển bằng độ rộng xung bằng một mạch vi điều khiển đáp ứng tính ổn định của hệ thống. Ngoài ra việc lựa chọn động cơ sao cho phù hợp với việc điều khiển tấm pin, lựa chọn cảm biến ánh sáng để nhận biết hướng ánh sáng phù hợp về giá cũng cần được chú trọng. Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống được đơn giản hóa bằng sơ đồ khối sau:
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
H - BRIDGE VI ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ DC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống định hướng pin mặt trời
Hệ thống điện bao gồm 2 cảm biến ánh sáng cung cấp thống tin phản hồi đến vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ xử lý cảm biến đầu vào và phản hồi đầu ra cho cầu H, động cơ DC có nhiệm vụ xoay tấm pin năng lượng mặt trời theo hướng sao cho ánh sáng nhận được là vuông góc với tấm pin năng lượng mặt trời. Phần khung giá đỡ cho tấm pin năng lượng mặt trời và động cơ được gắn cố định để có thể điều chỉnh được góc quay cho tấm pin.
4.1.1 Động cơ DC
Động cơ này chuyên dùng cho cơ cấu kẹp ,xoay ,tháo gỡ chốt. Kết cấu nhông xoắn đảm bảo động cơ được khóa khi không có dòng điện. Chính vì vậy khi góc hướng nắng đã vuông góc với tấm pin năng lượng thì ngưng cấp nguồn cho động cơ thì động cơ vẫn giữ cho tấm pin năng lượng đứng yên mà không cần cấp nguồn lien tục để giữ tấm pin. Nguồn 24VDC, tốc độ 18vòng/phút ,công suất 12w
Hình 4.2: Động cơ DC giảm tốc trục ngang
Như mô tả trước đây, động cơ được lựa chọn là loại động cơ DC. Động cơ này có thể xoay hai hướng bằng cách đảo chiều hướng của dòng điện cung cấp. Bởi vì nguồn cung cấp cho hệ thống chỉ có một cực vì vậy cần có một mạch có thể chuyển hướng nguồn cung cấp cho động cơ, để thực hiện việc này một mạch được biết đến đó là mạch cầu H được cung cấp bởi sơ đồ cơ bản sau:
Hai cặp MOSFETs sẽ làm việc cùng nhau để cung cấp nguồn cho động cơ theo hướng nhất định. Hai MOSFETs Q1 và Q2 là loại kênh P, còn lại Q3 và Q4 là kênh N. Dựa vào hình 4.2 ta sẽ thấy được hướng đi của dòng điện cung cấp cho động cơ tương ứng với việc cấp mức điện áp vào cực cổng của MOSFETs. Đối với mạch cầu H, việc lựa chọn linh kiện phải sao cho phù hợp với dự án thiết kế nhằm giảm tối đa chi phí thiết kế để phổ biến rộng rãi vì lý do sản xuất.
4.1.3 Cảm biến và xử lý tín hiệu.a. Cảm biến a. Cảm biến
Có nhiều phương pháp khác nhau để nhận biết ánh sáng và hướng theo mặt trời. Có thể dung thời gian để điều khiển theo hướng mặt trời nhưng đơn giản nhất vẫn là dùng LDR (Light Dependent Resistor). Một điện trở phụ thuộc ánh sáng để phát hiện những thay đổi của cường độ ánh sáng trên bề mặt của điện trở, khi ánh sáng được chiếu vào bề mặt của quang trở, thì điện trở của chúng giảm và ngược lại. Dựa vào đặc điểm này của quang trở ta thiết kế mạch cảm biến và xử lý tín hiệu để điều khiển động cơ.
b. Xử lý tín hiệu
Dựa vào hình 4.3 ta thấy, khi ánh sáng chiếu không vuông góc so với 2 quang trở, thì LDR1 sẽ đi vào vùng tối và LDR2 sẽ nhận ánh sáng. Giá trị điện trở trên LDR2 giảm mạnh, và giá trị điện trở trên LDR1 lại tăng lên rất nhiều. Lúc này hai quang trở sẽ có điện trở chênh lệch khác nhau, dựa vào đặc điểm này của quang trở, ta có thể thiết kế mạch so sánh điện áp giữa hai LDR từ đó đưa ra hướng điều khiển cho thích hợp. Việc đọc giá trị điện trở này ta dùng mạch so sánh Opamp để so sánh điện áp giữa hai LDR và xuất ra 2 ngõ ra để điều khiển.
Hình 4.5: Mạch so sánh điện áp trên hai LDR
Dựa vào Hình 4.4, bình thường khi ánh sáng chiếu vào 2 LDR bằng nhau thì
điểm nối giữa 2 LDR sẽ có giá trị điện áp bằng Vcc. Lúc này hai ngõ ra của Opamp đều ở mức thấp. Khi ánh sáng chiếu vào 2 LDR khác nhau điện áp trên cầu
phân áp Vcc sẽ bị lệch đi và ra khỏi khoảng điện áp rơi trên R2. Một trong hai ngõ ra của 2 opamp sẽ lên mức Vcc làm quay motor. Motor sẽ có chiều quay theo hướng sao cho ánh sáng cân bằng trở lại trên 2 LDR.