Tóm tắt đồ án Thiết kế và xây dựng mô hình điều hướng pin mặt trời sử dụng PIC 16F877A

Nội dung text: Tóm tắt đồ án Thiết kế và xây dựng mô hình điều hướng pin mặt trời sử dụng PIC 16F877A

1. TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU HƢỚNG PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG PIC 16F877A TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG NIÊN KHÓA: 2016 - 2019 HSSV : Hoàng Văn Đức Mã HSSV : CCVT16A002 CBHD : ThS. Trần Thị Trà Vinh Đà Nẵng, 06/2019
2. MỞ ĐẦU Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, dân số tăng vọt, kinh tế phát triển như vũ bão đã dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương cách mới trong việc cung ứng và sử dụng năng lượng. Ước tính, nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay của chúng ta sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, trong đó dự báo nguồn dầu mỏ thương mại trên thế giới còn dùng khoảng 60 năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm. Nhưng thay vào đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và ít gây ảnh hưởng đến môi trường nhất, có khắp trên bề mặt của trái đất. Đây thực sự là nguồn tài nguyên khổng lồ. Con người đã chế tạo ra được pin năng lượng mặt trời nhằm thực hiện chức năng tạo ra năng lượng điện. Muốn thu được năng lượng mặt trời và có thể truyền nó đi được xa hơn, chúng ta cần pin mặt trời để chuyển năng lượng mặt trời từ dạng quang năng sang điện năng. Pin năng lượng mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng tấm pin. Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời hiện nay thường được lắp cố định nên làm giảm hiệu suất thu năng lượng của tấm pin. Để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất chúng ta cần một hệ thống điều chỉnh tấm pin luôn hướng về phía mặt trời. Mục đích của đề tài là tự động hóa quá trình điều khiển định hướng tấm pin mặt trời kể cả khi bị mây che mất ánh sáng để tấm pin luôn đạt được hiệu suất lớn nhất. Vào những ngày có nắng, mặt trời di chuyển một góc khoảng 180o so với một điểm cố định trên mặt đất. Rõ ràng, một dàn pin đặt 1
3. cố định sẽ thu được quang năng ít hơn nhiều so với một dàn pin luôn có xu hướng di động hứng trọn ánh nắng mặt trời. Trong giai đoạn hiện nay tất cả các lĩnh vực đều muốn tự động hóa hệ thống, dễ dàng kiểm soát hệ thống một cách dễ dàng, an toàn đặc biệt là đối với điện- một trong những nguồn năng lượng rất quan trọng đối với con người. Góp phần cải thiện việc cung cấp điện sử dụng một cách hiệu quả, tránh được các tai nạn về điện của người và thiết bị điện. Việc sử dụng mô hình tấm pin năng lượng mặt trời tạo được sự hiện đại, mỹ quan cho môi trường và nơi ở. 1. Lý do chọn đề tài Từ những thực trạng đó, cùng với sự đam mê công nghệ mong muốn góp phần vận dụng những hiểu biết của mình vào thực tiễn để cho cuộc sống trở nên thuận tiện hơn. Sau khi tìm hiểu được những thông tin từ sách vở và internet thì em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và xây dựng mô hình điều hướng pin mặt trời sử dụng PIC 16F877A” với mong muốn góp phần đáp ứng được nhu cầu thực tế hiện nay. Điều này cũng làm cho đề tài gần gũi với giá trị thực tiễn hơn. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý, tính năng và vấn đề kỹ thuật của mô hình. - Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo của vi điều khiển, tấm pin năng lượng mặt trời. - Xây dựng được mạch điều khiển hoạt động ổn định với công suất định trước, nâng cao hiệu suất của mô hình. - Thiết kế phần cơ khí nhỏ gọn có thể cải thiện giá thành sản phẩm. - Hoàn thiện sản phẩm và nghiệm thu. 2
4. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Pic 16F877A, cảm biến quang trở, động cơ điện Servo, IC ổn áp 7805. - Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu lý thuyết về PIC và xây dựng bài toán điều khiển góc quay của tấm pin mặt trời sao cho dàn pin có xu hướng luôn di động để nhận được nhiều ánh sáng từ mặt trời nhất làm tăng hiệu suất của tấm pin và điện năng nhận được. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Giải quyết bài toán điều khiển tấm pin năng lượng đòi hỏi phải có sự nghiên cứu từ lý thuyết và thực tiễn nhiều mô hình trên thế giới, từ đó đưa ra giải pháp giải quyết vấn đề. Mô hình thực tế là kết quả sau cùng để kiểm thử và đánh giá hệ thống. 5. Dự kiến kết quả - Hoàn thành sản phẩm đúng như lý thuyết trình bày và hoạt động được. - Các kết quả quá trình thực hiện, đánh giá chất lượng hệ thống. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Sản phẩm nếu được ứng dụng thực tế sẽ giúp khai thác hiệu quả nguồn năng lượng xanh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao đời sống của con người, . 7. Nội dung của đồ án tốt nghiệp Gồm 3 chương được giới thiệu sơ lược sau đây: - Chương 1: Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877A - Chương 2: Thiết kế, thực hiện phần cứng và lập trình cho vi điều khiển - Chương 3: Kết quả đạt được và đánh giá. 3
5. CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 1.1. TỔNG QUAN VỀ PIC VÀ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PIC 1.1.1. Khái niệm PIC 1.1.2. Các dòng PIC và cách lựa chọn PIC 1.1.3. Một vài đặc tính của PIC 1.2. GIỚI THIỆU PIC16F877A 1.2.1. Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý Sơ đồ chân Sơ đồ chân với chip loại cắm 40 chân. Hình 1.1. Sơ đồ chân Các chức năng cơ bản: Hình 1.2. Chức năng của PIC16F877A 4
6. Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý 1.2.2. Nhận xét 1.2.3. Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A 1.3. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA PIC16F877A PIC là tên viết tắt của “Programmable Intelligent computer” do hãng General Instrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ. Hãng Micrchip tiếp tục phát triển sản phầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau. PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế. Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC có thể học tập và tạo nền tảng về họ vi điều khiển PIC của mình. Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau: - 8K Flash Rom - 368 bytes Ram - 256 bytes EFPROM - 5 port vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập 5
7. - 2 bộ định thời Timer0 và Timer2 8 bit - 1 bộ định thời Timer1 16 bit có thể hoạt động ở cả chế độ tiết kiệm năng lượng với nguồn xung clock ngồi. - 2 bộ Capture/ Compare/ PWM - 1 bộ biến đổi Analog -> Digital 10 bit, 8 ngõ vào - 2 bộ so sánh tương tự - 1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer) - 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển - 1 cổng nối tiếp - 15 nguồn ngắt Sơ đồ khối vi điều khiển 16F877A Hình 1.4. Cấu trúc phần cứng của PIC16F877A 1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG Ở chương này, đã tìm hiểu về sơ lược về vi điều khiển PIC, phân loại, đặc tính, cấu trúc phần cứng và biết được những ưu điểm của của PIC16F877A. 6
8. CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ, THỰC HIỆN PHẦN CỨNG VÀ LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN 2.1. HIỆU SUẤT THỰC TẾ CỦA PIN MẶT TRỜI 2.2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠCH 2.2.1. Vi điều khiển PIC16F877A 2.2.2. Động cơ servo 2.2.3. Tấm pin năng lƣợng mặt trời loại nhỏ 2.2.4. Adapter 2.2.5. Mạch cảm biến hƣớng ánh sáng Mạch cảm biến hướng ánh sáng bao gồm 4 quang trở, 4 điện trở và 1 miếng chắn sáng. Có chức năng chính là nhận tín hiệu ánh sáng và gửi dữ liệu đến khối vi điều khiển. Hình 2.6. Mạch cảm biến hướng ánh sáng 2.2.6. Bo mạch chính Hình 2.7. Bo mạch chính 7
9. 2.3. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 2.3.1. Sơ đồ khối Để thực hiện được thiết kế và chế tạo mô hình điều hướng pin mặt trời sử dụng PIC16F877A em đưa ra sơ đồ thiết kế như sau: Sơ đồ khối Hình 2.8. Sơ đồ khối mô hình điều hướng pin mặt trời 2.3.2. Phân tích chức năng các khối 2.3.3. Nguyên lý hoạt động của mô hình 2.3.4. Cách sử dụng và ứng dụng của mô hình tự động điều hƣớng pin mặt trời. 2.3.5. Sơ đồ mạch in Các linh kiện được bố trí trên bo mạch chủ theo các vị trí sau: Hình 2.9. Sơ đồ bo mạch điều khiển 8
10. Hình 2.10. Sơ đồ mạch cảm biến hướng ánh sáng 2.3.6. Mô phỏng trên phần mềm proteus C10 J6 22 6 RESET X1 J1 5 20M 4 C9 6 A0 3 5 PGD A1 2 4 PGC 1 22 3 U3 2 A2 SIL-100-06 13 33 1 OSC1/CLKIN RB0/INT A3 14 34 OSC2/CLKOUT RB1 35 SIL-100-06 RB2 2 36 RESET A0 RA0/AN0 RB3/PGM 2 3 37 A1 RA1/AN1 RB4 4 38 A2 RA2/AN2/VREF-/CVREF RB5 SW1 5 39 C11 A3 RA3/AN3/VREF+ RB6/PGC PGC BUTTON 6 40 100nF RA4/T0CKI/C1OUT RB7/PGD PGD 7 RA5/AN4/SS/C2OUT 1 15 RC0/T1OSO/T1CKI A 8 16 RE0/AN5/RD RC1/T1OSI/CCP2 SV1 9 17 R21 RE1/AN6/WR RC2/CCP1 SV2 B 10k 10 18 RESET RE2/AN7/CS RC3/SCK/SCL 23 RC4/SDI/SDA C 1 24 J5 RESET MCLR/Vpp/THV RC5/SDO 25 3 RC6/TX/CK D 26 2 RC7/RX/DT 1 19 RD0/PSP0 20 SIL-100-03 RD1/PSP1 21 RD2/PSP2 22 RD3/PSP3 27 RD4/PSP4 28 RD5/PSP5 29 RD6/PSP6 30 RD7/PSP7 PIC16F877A J3 1 2 3 SV1 SIL-100-03 +12 +11 U1 7805 +5.1 D1 1 3 J4 VI VO 1 D 1N4007 N 2 G 3 C2 C1 C4 C3 SV2 J2 100nF 100uF 100uF 100nF 2 2 SIL-100-03 1 2 +12 +11.1 U2 +5.1 7805 D2 1 3 VI VO D 1N4007 N C6 C5 G C8 C7 100nF 100uF 100uF 100nF 2 Hình 2.11. Mô phỏng mạch điều khiển trên phần mềm Proteus J7 6 A0 5 A2 4 3 2 A3 R1 R2 R3 R4 1 A1 TORCH_LDR 10k TORCH_LDR 10k 2 2 2 A0 2 A1 A2 A3 SIL-100-06 BR BL TR TL TORCH_LDR TORCH_LDR TORCH_LDR 10k 1 1 1 1 Hình 2.12. Mô phỏng mạch cảm biến hướng ánh sáng trên Proteus 9
11. Sau đó, thiết kế và làm mạch in, sau đây là kết quả mô phỏng 3d sử dụng phần mềm proteus. Hình 2.13. Mô phỏng bo mạch sản phẩm 3 chiều trên Proteus Hình 2.14 .Mô phỏng cảm biến hướng ánh sáng 3 chiều trên Proteus 10
12. 2.4. LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN 2.5. NẠP CODE CHO VI ĐIỀU KHIỂN BẰNG MẠCH NẠP VÀ PHẦN MỀM BURN-E Sau khi hoàn thành code, tiến hành nạp code cho vi điều khiển bằng mạch nạp và phần mềm nạp code Burn-E Hình 2.15. Giao diện của phần mềm Burn-E Sau khi mở phần mềm lên ta sẽ được giao diện như hình 2.9. Tại mục họ vi điều khiển ta chọn họ PIC16F, sau đó chọn một vi điều khiển PIC16F877A. Để nạp được code ta cần vào mục OPEN sau đó chọn file code và nhấn enter, tiếp tục nhấn tổ hợp phím Ctrl+F5 để tiến hành nạp code sang vi điều khiển. Sau khi nạp code xong thì sẽ nhận được thông báo “Programming Successful” như hình sau thì quá trình nạp code đã thành công. 11
13. Hình 2.16. Giao diện khi nạp code thành công Hình 2.17. Mạch nạp Burn-E 12
14. Hình 2.18. Kết nối mạch nạp Burn-E với máy tính. 2.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương này đã trình bày và giải thích được những vấn đề sau: - Phân tích được nhược điểm của 8051 từ đó tạo tiền đề để chọn PIC16F877A - Khái quát được các linh kiện sử dụng trong mạch - Phân tích thiết kế và mô phỏng mô hình trên Proteus - Giải thích các bước lập trình nạp code cho vi điều khiển. 13
15. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC Hình 3.1. Mô hình sau khi đã được hoàn thiện - Về lý thuyết, đã khái quát được tiềm năng rất lớn của nguồn năng lượng được cho là vô tận – năng lượng mặt trời; các phương án để khai thác loại năng lượng này một cách hiệu quả nhất - Về khảo sát, đã tìm hiểu các phương pháp thiết kế hệ thống truyền động cho hệ thống giá đỡ pin, qua đó chọn lọc được phương án tối ưu nhất, hoạt động bền bỉ nhất, dễ dàng lắp đặt và điều khiển nhất và rẻ nhất. - Về thực tế, hoàn thành mô hình tự động điều hướng pin mặt trời hoạt động ổn định. Từ đó làm tiền đề để chế tạo các mô hình cỡ lớn, các trạm điện mặt trời công nghệ cao, giúp phần giảm gánh nặng cho hệ thống lưới điện quốc gia vốn sử dụng những nhiên liệu có hạn cũ kỹ. Hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời do em thiết kế, thi công là loại cỡ nhỏ, có ưu điểm là kết cấu tạo gọn nhẹ, dễ chế tạo, dễ thi công lắp đặt, giá thành đầu tư thấp, dải thu nhận ánh sáng rất tốt không chỉ ở tại một địa điểm khảo sát mà ở nhiều địa điểm khác 14
16. nhau, trong các môi trường địa lý khác nhau. Vì vậy loại mô hình này hoàn toàn có thể ứng dụng đại trà, chế tạo hàng loạt để người dân có thể dễ tiếp cận hơn. 3.2. MẶT HẠN CHẾ VÀ HƢỚNG KHẮC PHỤC 3.2.1. Mặt hạn chế Bên cạnh rất nhiều ưu điểm, tuy nhiên với khoảng thời gian này chưa phải là đủ dài để nghiên cứu tường tận mọi vấn đề của đề tài này và những kiến thứcchuyên ngành còn có hạn nên chắc chắn mô hình tự động điều hướng pin mặt trời không thể tránh khỏi những sai sót, vẫn còn tổn tại một số nhược điểm sau: - Hoạt động mất ổn định với nguồn ánh sáng quá mạnh từ nhiều phía. - Chưa có khả năng chống nước. - Khả năng chịu nhiệt độ cao thấp nên dễ gây ra tình trạng hỏng hóc linh kiện, cần có biện pháp bảo vệ. 3.2.2. Hƣớng khắc phục - Cải tiến hệ thống cảm biến để có thể hoạt động được cả trong điều kiện ánh sáng quá mạnh từ nhiều phía. - Đổ keo Epoxy lên toàn bộ bề mặt hệ thống đảm bảo chống nước tuyệt đối. - Sử dụng những linh kiện có khả năng chịu nhiệt độ cao trong thời gian dài để đảm bảo tuổi thọ của hệ thống được cải thiện. 3.3. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Từ những ưu điểm mà hệ thống tự động điều hướng pin mặt trời mang lại và cách khắc phục những nhược điểm của nó, ta có thể phát triển đề tài này lên một tầm cao mới: - Lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời thật để hoàn hiện mô hình. 15
17. - Thiết kế một hệ thống lớn hơn, đủ đáp ứng cho một hộ gia đình có thể tách biệt với hệ thống điện quốc gia mà vẫn đảm bảo được sự ổn định khi hoạt động và giá thành không được quá cao. - Sử dụng thêm thời gian thực để hỗ trợ cho hệ thống cảm biến - Sử dụng thêm các module kiểm soát công suất có khả năng kết nối vạn vật IOT (Internet Of Things) để giúp con người có thể kiểm soát được tình trạng hoạt động ngay cả khi không có nhà. 16