V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : ThS NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
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
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.
Ngoài ra để mạch hoạt động ổn định cần sử dụng vi điều khiển bằng cách đọc giá trị ngõ ra của Opamp để xử lý chính xác, sử dụng công tắc hành trình hoặc encoder để điều khiển góc quay về vị trí ban đầu để đón hướng nắng vào ngày tiếp theo.
Việc tính toán các giá trị điện trở R sao cho 2 LDR nằm trong vùng so sánh chính xác ngoài thực tế khi sánh sáng nắng gắt thì 2 LDR có giá trị điện trở khoảng vài trăm ôm, nhưng khi bị che nắng hoặc trời tối thì điện trở tăng rõ rệt nhất rơi vào khoảng trên 100kΩ trở lên. Vì vậy ta chọn giá trị điện trở cho các R trên là 1.5kΩ.
Hình 4.6: Khối mạch so sánh 2 LDR trong mạch.
4.2 Thiết kế mạch điều khiển:
Mạch điều khiển đảm nhiệm các vai trò sau :
- Đọc tín hiệu từ 2 ngõ ra của Opamp có điện áp và không có điện áp. - So sánh đưa ra tín hiệu điều khiển xung trong hai chế độ điều khiển
đảo chiều động cơ.
- Sử dụng công tắc hành trình để nhận biết được điểm tới hạn của góc quay và điều khiển xung để quay động cơ trở về vị trí ban đầu.
Trung tâm mạch điều khiển ta chọn vi điều khiển AT89S52 để thực hiện các nhiệm vụ trên.
Hình 4.7: Khối vi điều khiển AT89S52
Với 2 ngõ vào ngắt ngoài INT_1 và INT_2, vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu ngõ vào từ 2 ngõ ra của Opamp và đưa ra tín hiệu xung điều khiển PWM_1 và PWM_2 để điều khiển việc đảo chiều động cơ. Ngoài ra vi điều khiển còn nhận 2 tín hiệu ngõ vào từ 2 công tắc hành trình là BUTTON_1 và BUTTON_2 nhằm giới hạn góc quay cho động cơ.
4.3 Khối nguồn
Lựa chọn động cơ DC sử dụng nguồn 24VDC cần phải thiết kế nguồn đảm bảo đủ dòng và đủ áp cho động cơ hoạt động mà tránh bị sụt áp cho cả mạch điều khiển. Do đó để giảm chi phí phát sinh khi sử dụng bộ nguồn công suất lớn, ta sử dụng IC thông dụng và cơ bản nhất là LM7824. Theo nhà thiết kế, ta có thể nâng dòng điện cho khối nguồn trên hơn 1A bằng cách mắc song song thêm 1 Transistor công suất để nâng dòng cho LM7824. Như vậy việc nâng dòng LM7824 sẽ đảm bảo cung cấp đủ nguồn cho cả hệ thống.
CHƯƠNG V. LƯU ĐỒ - CHƯƠNG TRÌNH 5.1 Sơ đồ khối
Hình 5.1 Sơ đồ khối toàn mạch
5.2 Sơ đồ mạch in VI ĐIỀU VI ĐIỀU KHIỂN VI ĐIỀU KHIỂN H- BRIDGE H- BRIDGE CẢM BIẾN VÀ CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH CẢM BIẾN VÀ CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH ĐỘNG CƠ DC ĐỘNG CƠ DC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Hình 5.2: Sơ đồ mạch in hoàn chỉnh 5.3 Lưu đồ BEGIN XUẤT PWM_L BUTTON_ R INT_2 XUẤT PWM_L BUTTON_ R END INT_1 BUTTON_ L XUẤT PWM_L Đ S Đ S Đ S Đ S S Đ
5.4 Chương trìnhORG 0000H ORG 0000H CLR P2.0 SETB P1.0 SETB P1.1 MAIN: LB: CLR P2.1 CALL XUNG JB P1.0,LB LB1: JNB P3.2,LB2 SETB P2.1 CALL XUNG JB P1.1,LB2 JMP MAIN LB2: JNB P3.3,LB1 CLR P2.1 CALL XUNG JB P1.1,LB1 JMP MAIN XUNG: SETB P2.0 CALL DELAY10MS CLR P2.0 CALL DELAY50MS RET
DELAY10MS: MOV 7EH,#100
DEL10MS: MOV 7FH,#48 DJNZ 7FH,$
DJNZ 7EH,DEL10MS RET
DELAY50MS: MOV 7EH,#200
DEL50MS: MOV 7FH,#250 DJNZ 7FH,$
DJNZ 7EH,DEL50MS RET
CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU-KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
6.2 Kết quả nghiên cứu:
Mạch chạy đúng yêu cầu đã đặt ra và có thể đem mạch vào ứng dụng vào thực tế.
6.2 Kết luận và hướng phát triển:
Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống định hướng pin năng lượng mặt trời ” đã thực hiện được nhiều điểm mấu chốt trong việc điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời hướng theo vị trí mặt trời. Đề tài chỉ gói gọn trong việc điều khiển và tìm hiểu nguyên lý sử dụng và nạp năng lượng dữ trữ vào bình acqui. Hướng phát triển tiếp của đề tài là thiết kế hệ thống nạp và quản lý, sử dụng nguồn năng lượng từ tấm pin năng lượng, các bộ chuyển đổi nguồn DC sang AC để sử dụng tải xoay chiều. Thiết kế hệ thống điều khiển thông minh để điều hướng và đóng ngắt việc sử dụng các thiết bị ngoài khoảng thời gian quy định sử dụng nhằm hệ thống hoạt động ổn định khi sử dụng nguồn năng lượng mặt trời . Ngoài ra, cần tích hợp hệ thống nạp acquy với các bộ biến đổi khác để phụ việc việc sử dụng và truyền tải.
Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn đến thầy ThS. Nguyễn Đình Phú và các thầy cô trong khoa khi đã tạo mọi điều kiện về kiến thức và các thiết bị để chúng em thực hiện để tài này.
Phần C PHỤ LỤC
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Đình Phú, Giáo trình vi xử lý 1, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. [2] D.C. Riawan and C.V. Nayar, Analysis and Design of a Solar Charge
Controller Using Cuk Converter, Power Engineering Conference, 2007. AUPEC 2007. Australasian Universities
[3] HeberttSira-Ramírez and RamónSilva-Ortigoza, Control design Techniques in Power Electronics Device, Springer
[4] Koyuncu, b., and Balasubramanian, K., "A microprocessor controlled automatic sun tracker ", IEE
[5] www.alldatasheet.com [6]www.hocdelam.org [7]www.picvietnam.com [8]www.dientuvietnam.com