Luận văn thạc sĩ ĐHNKHN: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển tự động định hướng pin mặt trời

Chia sẻ: Đinh Hồng Bộ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

671
lượt xem 187
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và thủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Con người cần tìm ra các nguồn năng lượng mới. Cùng với năng lượng gió, thủy triều, năng lượng mặt trời là hướng phát triển năng lượng quan trọng trong tương lai. Hiện nay hệ thống pin...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ ĐHNKHN: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển tự động định hướng pin mặt trời

Tóm tắt công trình sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2010-2011 Mã số :….. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG PIN MẶT TRỜI Sinh viên: Đinh Hồng Bộ Nguyễn Nhật Dương Nguyễn Hồ ng Long Đỗ Văn Sơn Lớp: Cơ điện tử 4-K51,Viện Cơ khí Điện thoại: 0973 371 565, 0127 378 0862 Thầy giáo hướng d ẫn: PGS.TS Phạm Văn Hùng Bộ môn: Máy và ma sát học, Viện Cơ khí TÓM TẮT NỘI DUNG Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đ ại khoa họ c k ỹ t hu ật phát triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồ n nhiên liệu d ự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và thủ y điện đ ều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Con ngườ i cần tìm ra các nguồ n năng lượng mới. Cùng với năng lượng gió, thủ y triều, năng lượng mặt trời là hướng phát triển năng lượng quan trọng trong tương lai. Hiện nay hệ thố ng pin mặt trời thườ ng được lắp cố đ ịnh, do đó pin chỉ đ ạt hiệu su ất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với m ặt phẳng củ a tấm pin. Các vùng khác, hiệu su ất của tấm pin mặt trời sẽ giảm. Để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, cần một hệ thố ng cảm biến xác định hướ ng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó điều khiển cho mặt phẳng củ a tấm pin hướ ng vuông góc với ánh sáng mặt trời. Mục đích của đề tài này là tự động hóa quá trình đ iều khiển định hướng hệ thố ng pin mặt trời đ ạt hiệu suất cao nhất, thu được nhiều năng lượng sạch từ mặt trời. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tố ng Văn On, Hoàng Đức Hải; Họ vi điều khiển 8051; Nhà xuất bản Lao động- Xã hội; Xuất b ản năm 2009 2. Huỳnh Đắc Thắ ng; Kỹ thu ật số thực hành; NXB KH-KT; Hà Nội 2006 3. Bộ môn Công nghệ chế tạo máy; Cơ sở Công nghệ chế tạo máy; NXB KH-KT; Hà Nộ i 2008 4. Help Matlab; Phần mềm Matlab 7.7.0 Page 1 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
MỤC LỤC Mục lụ c………………………………………………………………………………………….2 Lời nói đầu……………………………………………………………………………………...3 PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề………………………………………………………………………………….4 1.2 Mụ c tiêu đề tài……………………………………………………………………………..4 1.3 Phạm vi nghiên cứu………………………………………………………………………..5 PHẦN 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu chung về đề tài…………………………………………………………………6 2.2 Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí…………………………………………………………...8 2.3 Chọn độ ng cơ và thiết kế, chế tạo mạch điều khiển………………………………………11 2.4 Phần mềm điều khiển và lập trình………………………………………………………...18 PHẦN 3: KẾT LUẬN 3.1 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn………………………………………………….26 3.2 Định hướng phát triển……………………………………………………………………..26 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………………………..............27 Page 2 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
LỜI NÓI ĐẦU Năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời đ ã và đ ang được cả thế giới quan tâm nghiên cứu và sử d ụng. Trên thế giới, các nước phát triển đã có rất nhiều ứng dụ ng trong đời số ng và trong công nghiệp đ ể thu được các nguồn năng lượng này. Vớ i ưu điểm là sẵn có, dồi dào, là nguồ n năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giả i p háp thay thế cho các nguồ n năng lượ ng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất. Tại các nước đ ang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời đ ã được quan tâm và khích lệ, tuy nhiên nhữ ng ứng dụng còn rất hạn chế. Với mong muố n đưa những ứ ng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam được p hổ biến và phát triển hơn nữa, đem những kiến thức đ ã học được áp dụ ng vào thực tế sản xuất, vì vậy nhóm sinh viên chúng em đ ã thực hiện đ ề tài: “Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặ t trời”. Sản phẩm làm ra là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và triển khai thực tế trên cơ sở làm việc theo nhóm. Đề tài là sự kết hợp giữa cơ khí- điện tử- tin họ c, thiết kế kết cấu cơ khí, chọn độ ng cơ và thiết kế chế tạo mạch điều khiển, xây d ựng phần mềm điều khiển và lập trình. Đây là sản phẩm đ ầu tiên củ a nhóm sinh viên chúng em nên không thể tránh khỏi thiếu xót và hạn chế, chúng em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ b ảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn. Chúng em xin trân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Phạm Văn Hùng , cùng các thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát đ ã tận tình hướng d ẫn và giúp đ ỡ chúng em hoàn thành tốt đ ề tài này, chúng em cũng xin trân thành cảm ơn ban lãnh đạo bộ môn đã tạo mọ i điều kiện làm việc cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua. Hà nộ i, ngày 10 tháng 5 năm 2011 Nhóm sinh viên thực hiện Page 3 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1/ Đặt vấn đề: Khi các nguồ n năng lượ ng phổ biến như thủ y điện, nhiệt điện đang ngày một cạn kiệt, việc sản xuất điện bằng các nhà máy thủ y điện, các nhà máy nhiệt điện gây ra ô nhiểm môi trường và thay đ ổi môi trường sinh thái. Trong khi đó nhu cầu về điện năng ngày càng tăng cao, con người cần phải tìm ra các nguồ n năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu của mình. Năng lượng mặt trời là một trong những giải pháp được tìm ra đ ể thay thế, với ưu điểm là ngu ồn năng lượng sạch, lâu dài, là nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường. Các ứng dụ ng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay bao gồ m hai lĩnh vực chủ yếu . Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đ ổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán d ẫn hay còn gọi là pin mặt trời. Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụ ng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng, ở đây ta dùng các thiết b ị thu b ức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng. Với ưu điểm là mộ t nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đ ến 23 Bắc, nằm trong khu vực có cường đ ộ b ức xạ tương đố i cao. Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụ ng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xu ất. Hệ t hống pin mặt trời được sử dụng nhằm mục đích sản xuất ra điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thông qua các tấm pin mặt trời là các tế bào quang điện bán dẫn. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kì đ âu có ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường đ ộ ánh sáng chiếu tới tấm pin càng lớn thì càng có nhiều năng lượng mặt trời biến đổ i thành điện năng tức là hiệu su ất của tấm pin mặt trời càng tăng lên. Hệ thố ng p in mặt trời thườ ng được lắp cố đ ịnh vào một tấm đế, do đó pin mặt trời chỉ đ ạt hiệu su ất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng của tấm pin. Các vùng khác, hiệu su ất củ a pin mặt trời sẽ giảm. Giải pháp đưa ra để nâng cao hiệu su ất củ a pin mặt trời là hệ thống điều khiển chuyển đ ộng của tấm pin mặt trời luôn hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời. 1.2/ Mụ c tiêu của đề tài: Nâng cao hiệu su ất chuyển đ ổi của tấm pin thông qua việc điều khiển vị trí tấm pin - luôn vuông góc với tia sáng mặt trời chiếu tới. Page 4 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
Nâng cao độ chính xác củ a hệ thố ng vớ i phần m ềm Matlab và xử lý ảnh chụp của - mặt trời thông qua Webcam. Thiết kế, chế tạo, mô p hỏ ng hoàn chỉnh hệ t hố ng điều khiển định hướng pin mặt trời. - 1.3/ Phạm vi nghiên cứu: Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ đ ịnh hướng pin mặt trời nhưng do điều kiện thời gian, kinh phí có hạn đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi sau: Mô hình hóa hệ thố ng đ ịnh hướng pin mặt trời dùng cho họ c tập và nghiên cứu. - Độ ng cơ d ẫn động cơ khí là đ ộng cơ bước. - Sử dụng phần mềm Matlab để xử lý ảnh, phần mềm điều khiển trên máy tính. - Độ rọi củ a nguồ n sáng xử lý giới hạn 1000 ÷ 100000 (lux). - Page 5 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
PHẦN 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1/ Giới thiệu chung về đề tài: *Nội dung của đề tài bao gồm 3 phần chính: Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí. - Chọn đ ộng cơ và thiết kế, chế tạo mạch điều khiển. - Xử lý ảnh qua Matlab. - *Tổ ng quan sơ đồ của hệ thống: Hình 1: Sơ đồ nguyên lý Trục nằm ngang Tấm pin Động cơ bước Webcam Trục thẳng đứng Mạch điều khiển Máy tính Mạch công su ất Page 6 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặ t trời
Hình 2: Hình ảnh sản phẩm chế tạo *Nguyên lý hoạt động của h ệ thống: Khi hệ thố ng ho ạt độ ng, webcam kết nố i với máy tính có nhiệm vụ chụp ảnh Mặt Trời, dữ liệu về ảnh của Mặt Trời sẽ đ ược chuyển đ ến phần mềm Matlab xử lý, phân tích ảnh, tìm trọ ng tâm củ a ảnh chụ p sau đó máy tính xuất xung ra mạch điều khiển để điều khiển lần lượt hai động cơ bước quay theo chiều phù hợp cho đ ến khi tâm ảnh về đúng với tâm củ a khung hình (tấm pin vuông góc với Mặt trời) thì hệ thố ng dừng ở trạng thái giữ. Page 7 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
2.2/ Thiết kế, chế tạo kết cấ u cơ khí: 2.2.1/ Nhiệm vụ , yêu cầu củ a kết cấu cơ khí: *Nhiệm vụ: Cơ cấu cơ khí sẽ bao gồm các chuyển độ ng đ ể đ iều khiển tấm pin m ặt trời chuyển độ ng hướ ng theo mặt trời cho đến khi tấm pin vuông góc với tia sáng mặt trời thì d ừng lại. *Yêu cầu: - Kết cấu đơn giản và số chuyển đ ộng là ít nhất. - Chuyển độ ng đạt độ chính xác cao. 2.2.2/ Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí: a)Thiết kế: *Từ yêu cầu và nhiệm vụ đề ra, ta chỉ cần dùng hai chuyển đ ộng quay quanh hai trụ c Oz và Ox(hoặc Oy) trong hệ tọ a độ Đề Các để điều khiển tấm pin hướ ng theo mặt trời. Thật vậy, xét trong hệ tọ a độ Đề Các trong không gian gắn liền với tấm pin, tấm pin nằm trong mặt p hẳng Oxy, gốc O trùng với tâm của tấm pin, giả sử tia sáng từ mặt trời chiếu tới tấm pin hợp với trục Oz mộ t góc α, hình chiếu của tia sáng trên mặt phẳng Oxy hợp với trục Oy góc β. Để tia sáng vuông góc với tấm pin tức là tia sáng vuông góc với mặt phẳng Oxy, ta lần lượt quay hệ tọa độ quanh trục Oz góc β (khi quay quanh trục Oz góc α hợp bởi tia sáng với trụ c Oz khô ng thay đ ổi), rồi tiếp tục quay hệ tọ a độ quanh trục Ox góc α. Hình 3: Chuyển động quay của hai trụ c tọa độ z z1 z1 z2 S S S α α y y O O O β β x1 x1 S' S' x x y1 y1 y2 Page 8 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặ t trời
*Chuyển độ ng quay quanh trục Oz được thực hiện thông qua truyền độ ng cơ khí là bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng. So với các truyền độ ng cơ khí khác, truyền đ ộng bánh răng có ưu điểm nổ i b ật: Kích thước nhỏ , khả năng tải lớn. - Tỷ số truyền không thay đ ổi. - Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 ÷ 0 ,99 - Tuổi thọ cao, làm việc tin cậ y. - Tuy nhiên truyền đ ộng bánh răng có các nhược đ iểm sau: Chế tạo tương đối phức tạp. - Đòi hỏi độ chính xác cao. - Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn. - *Chuyển độ ng quay quanh trục Ox được thực hiện thông qua truyền độ ng cơ khí là bộ truyền đai răng. Truyền động đai có ưu điểm sau: Có khả năng truyền chuyển độ ng và cơ năng giữa các trụ c ở khá xa nhau. - Làm việc êm, không ồn. - Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ. - Nhược điểm của bộ truyền đai: Khuôn khổ kích thước lớn hơn so với bộ truyền bánh răng (khi cùng mộ t điều kiện - làm việc). Lực tác dụng lên trục và ổ lớn do phải căng đai. - *Ổ lăn được sử dụ ng để đ ỡ hai trục chuyển độ ng, loại ổ lăn dùng là loại ổ b i đỡ một dãy. So với ổ trượt, ổ lăn có ưu điểm: Hệ số ma sát nhỏ . - Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, ít tốn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ bôi trơn. - Kích thước chiều rộ ng ổ lăn nhỏ hơn chiều rộ ng ổ trượt có cùng đường kính ngõng - trụ c. Mức độ tiêu chuẩn hóa và tính lắp lẫn cao, thay thế thuận tiện, giá thành thấp do sản - xuất hàng lo ạt. Tuy nhiên ổ lăn có mộ t số nhược điểm: Page 9 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
Lắp ghép tương đối khó khăn. - Kích thước hướng kính lớn. - Lực quán tính tác dụng lên các con lăn khá lớn khi làm việc với vận tố c cao. - *Do trục có lắp ghép với các chi tiết máy khác như ổ lăn, bánh răng nên ta chọ n trục là loại trụ c bậc, tuy có kết cấu phức tạp hơn trụ c trơn nhưng đảm b ảo các điều kiện lắp ghép. b)Chế tạo: Phần cơ khí của hệ thống bao gồm: 1 - Ống đỡ thẳng đứng 7 - Tấm đ ỡ 2 - Ổ bi đỡ 8 - Tấm pin mặt trời 3 - Bánh răng 9 - Webcam 4 - Trục thẳng đ ứng 10- Bu lông, đai ố c, vít 5 - Khung đỡ 11- Trục nằm ngang 6 - Bánh đỡ 12- Dây đai 13- Độ ng cơ bước Thông số hình học của bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng: Thông số m Z d b Bánh chủ động 1 25 25 8 Bánh bị động 1 62 62 5 Tỷ số truyền: u= = = = Tỷ số truyền củ a bộ truyền đai: u= = Page 10 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
2.3/ Chọ n động cơ và thiết kế, chế tạo mạ ch điều khiển: A. PHẦN CỨNG: Giới thiệu chung sơ đồ p hần cứ ng: Chú thích: Mạch nguồ n: để tăng tính ổn đ ịnh của mạch ta dùng bộ nguồn máy tính. Khối điều khiển chính nòng cốt là chip atmega 89S52. Thiết b ị ngo ại vi là 2 độ ng cơ bước. 1.Chọn động cơ bước: Độ ng cơ bước là lo ại độ ng cơ không đồ ng bộ dùng để b iến đ ổi các tín hiệu điều khiển d ưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển đ ộng góc quay củ a rotor. Góc quay này có giá trị nhất đ ịnh phụ thuộc vào xung điện áp cấp vào stator theo kiểu nào, và được đ ịnh nghĩa là góc bước củ a rotor. Độ ng cơ bước được sử dụ ng trong đề tài là đ ộng cơ 2 pha, 6 đ ầu dây, dòng quy ước là 1,2A và đ iện áp cấp vào là 5.16V, thuộc loại động cơ biến từ trở. Ta dùng phương pháp đo điện trở đ ể xác định các đ ầu dây của động cơ bước căn cứ vào cấu tạo của các cuộ n dây bên trong độ ng cơ. Đố i với động cơ bước 6 dây như trên sẽ chia làm 2 nhóm, mỗ i nhóm có 3 dây trong đó có mộ t dây chung, gọ i là dây COM (common) mà điện trở của đầu dây này đ ối với 2 đ ầu dây còn lại thu ộc nhóm đó sẽ bằng nhau, còn giữa các dây Page 11 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặ t trời
khác nhóm sẽ hoàn toàn cách điện. Dựa vào đó ta sẽ tìm đ ược 2 dây COM và các dây thu ộc cùng nhóm với dây COM tương ứng của động cơ bước. Hình vẽ dưới đây mô tả các đ ầu các cuôn dây sau khi đ ã xác định điện trở: Hình 4: Sơ đồ các cuộn dây Để tạo chuyển đ ộng quay của độ ng cơ bước, về mặt logic có 3 cách : điều khiển cả b ước, điều khiển nửa bước và điều khiển vi bước. Hai cách đầu tiên chỉ cần điều khiển theo thứ tự cấp xung cho các cuộ n dây, còn cách thứ b a liên quan đ ến thay đ ổi dòng điện để tạo nhữ ng d ịch chuyển rất nhỏ gần như vô cấp cho độ ng cơ, khá phức tạp. Trong đ ồ án này nhóm chọ n cách điều khiển nửa bước để thực hiện điều khiển. Việc điều khiển được thưc hiện bằng việc cấp xung lần lượt cho các đ ầu dây ABCD, đầu com được đấu nố i với nguồ n 5V, cụ thể như sau: Quay thuận mộ t vòng Quay nghịch một vòng Thứ tự các đầu Giá trị logic Thứ tự các đ ầu dây Giá trị logic d ây 1100 0011 0110 0110 ACBD ACBD 0011 1100 1001 1001 2. Mạch công suất điều khiển động cơ: Mạch điều khiển độ ng cơ bước với phần lõi là 8 linh kiện IRF540N, đ ảm nhận vai trò đ iều khiển 2 độ ng cơ trái, phải. Sau đây là sơ đồ mạch nguyên lý: Page 12 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
Hình 5 : Sơ đồ mạ ch nguyên lý Hình 6 : Mạ ch công suất trên thực tế Ưu điểm của mạch: Đơn giản, d ễ t hực hiện, mạch có khả năng tải được công suât lớn (Điện áp đ ịnh mức là 100V, Dòng định mức 10A). Page 13 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
3. Bo mạ ch chính: Mạch giao tiếp RS232: Mạch gồm linh kiện chính là cổng COM DB9 với IC MAX232 để thực hiện chuyển đổ i tương thích điện áp giữa cổ ng COM trên máy tính và điện áp điện áp tín hiệu trên mạch điều khiển. Làm nhiệm vụ giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển. Sơ đồ mạch như sau: Hình 7 : Sơ đồ mạ ch giao tiếp RS232 và vi điều khiển Hình 8 : Mạch đ iều khiển Page 14 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
B. PHẦN MỀM: Để lập trình điều khiển chip AT89S52 ta dùng phần mềm Keil uVision2 phiên b ản 7.08. Việc lập trình có hai nhiệm vụ chính sau:  Lập trình thu phát dữ liệu  Lập trình điều khiển động cơ bước 1. Điều khiển thu phát dữ liệu: Đố i với các chip vi điều khiển hiện nay, việc thu phát d ữ liệu có thể thực hiện được nhờ một chip UART tích hợp bên trong qua hai đường truyền thông nố i tiếp là TxD và RxD trên vi đ iều khiển. Thường hai đường này nằm trùng với 2 chân làm nhiệm vụ xuất/nhập dữ liệu thông thường, chỉ được sử dụng trong trường hợp truyền nhận nố i tiếp khi được set chế độ thích hợp b ằng phần mềm. Việc thu phát dữ liệu củ a vi điều khiển theo 2 phương thức: a) Thăm dò : đối với việc thu dữ liệu, vi điều khiển không làm gì cả, chỉ chờ việc dữ liệu gửi đ ến b ộ đ ệm thu, thực thi nhiệm vụ tương ứng với dữ liệu đó – cũng chính là lệnh điều khiển được gửi đ ến vi điều khiển từ DTE phát. Đối với việc phát dữ liệu, vi điều khiển chờ dữ liệu được đưa vào bộ đệm phát và phát tín hiệu sẵn sàng cho việc gử i d ữ liệu. Sau khi thực thi chương trình tương ứ ng, vi điều khiển lại quay về chờ d ữ liệu được đưa vào bộ đệm để chuyển đ ến chương trình kế tiếp. Việc này tuy thực hiện đơn giản nhưng lại mất thời gian trong việc chờ đ ợi d ữ liệu. b ) Ngắ t nối tiếp : Page 15 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
Phương thức này khắc phụ c được nhược điểm củ a phương thức thăm dò nêu trên, đó là loại bỏ thời gian vô ích trong việc chờ d ữ liệu được đưa đ ến bộ đ ệm thu/phát. Trong khi chương trình chính củ a ta đang thực thi, thì một ngắt thu/phát do d ữ liệu được đưa đến bộ đệm ở trạng thái sẵn sàng cho việc thực thi chương trình ngắt nố i tiếp xả y ra, chương trình nhảy đ ến chương trình ngắt tương ứng đ ể thực hiện, xong đâu đấy nó lại quay về đ iểm b ị ngắt và thực thi tiếp. Trong 8051 có thanh ghi điều khiển ngắt IE, sẽ điều khiển được 5 ngắt tương ứng, đó là 2 ngắt do bộ định thời, 2 ngắt ngoài, 1 ngắt nối tiếp. Trong phạm vi nghiên cứu củ a đồ án này nhóm chỉ đ ưa ra những thuộ c tính củ a ngắt do port nối tiếp. Để khai báo việc sử dụ ng ngắt nối tiếp, ta set bit EA là bit thứ 7 của thanh ghi IE đ ể cho phép ngắt, và bit ES là bit thứ 4 của thanh ghi IE cho phép ngắt nố i tiếp. Khi xảy ra mộ t ngắt (thu hoặc phát) cờ ngắt RI hoặc TI đ ược set lên, chương trình nhảy đ ến ngắt thích hợp và thực thi nó. Vì cờ nhớ không tự xóa nên người lập trình phải xóa bằng thuật toán trên vi điều khiển để chương trình có thể thự c hiện các ngắt tiếp theo. Lưu ý : trong chương trình thu ộc nộ i dung đ ồ án, dữ liệu được xu ất ra ở cổ ng COM ở d ạng kí tự và dữ liệu nhận vào chip cũng ở d ạng kí tự, nên để đồ ng b ộ hóa việc thu phát d ữ liệu và dễ dàng trong việc lập trình, nhóm sử dụng các kí tự theo thứ tự tùy chọn trên giao diện thiết kế để gửi và nhận tín hiệu trên cả VB lẫn chip, đó là : “1” : Chế độ 1 – độ ng cơ 1 quay thu ận “2” : Chế độ 2 – độ ng cơ 1 quay nghịch “3” : Chế độ 3 – độ ng cơ 2 quay thu ận “4” : Chế độ 4 – độ ng cơ 2 quay nghịch “5” : Chế độ 5– Trạng thái giữ “6” Chế độ 6 – Khởi tạo vịt trí 0 Để thực hiện việc thu và phát tín hiệu giao tiếp giữa vi điều khiển, nhóm sử dụ ng ngắt nối tiếp củ a vi điều khiển AT89S52, tố c độ baudrate là 1200 bits/s. 2. Điều kh iển động cơ bước: Để điều khiển động cơ, nhóm đưa ra các chế độ cấp tín hiệu điều khiển cho các đ ầu dây theo kiểu đơn cực phụ thuộc vào đầu dây được cấp tín hiệu. Đối với đ ộng cơ bước có 4 đầu d ây thì số lượ ng đầu được cấp tín hiệu cho 1 lần dịch bước tối đa là 3. Việc này trong các ứ ng dụng thực tế cần điều khiển nhiều thiết b ị khác nhau sẽ gây nên lãng phí chân, tuy nhiên trong một ứng dụ ng nhỏ thuộ c nộ i dung đồ án này thì nó sẽ đơn giản hơn cho việc điều khiển và cũng không bị giới hạn về số lượng chân nên nhóm chọn cách điều khiển đơn cực đ ể tạo chuyển độ ng quay củ a động nửa bước. Như đã trình bày ở p hần trên t ạo chuyển đ ộng quay cho Page 16 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
các độ ng cơ ta cần cấp tín hiệu lần lượt cho các đầu dây việc này được thực hiện bằng cách cho các PORT nhận lần lượt các giá trị trong một mảng cho trước. Cụ thể là: const unsigned char a[4]={0x0c,0x06,0x03,0x09};//mảng d ự liệu case '1': //độ ng cơ 1 quay thu ận P2_0 =~P2_0; if (j3){j=0;} b reak; case '2': //dong co 1 quay nghich P2_0 = 0; k=k-1; if(k
2.4/ Phần mềm điều khiển và lập trình: 2.4.1/ Nhiệm vụ: Hệ thố ng sẽ sử dụng p hương pháp nhận biết mặt trời bằng cách chụ p ảnh qua mộ t webcam. Phần xử lý ảnh sẽ do Matlab thực hiện. Webcam sẽ chụ p một b ức ảnh có mặt trờ i như sau: Hình 9: Ảnh mặt trời qua xử lý Matlab Page 18 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
Ảnh sẽ đ ược chuyển sang chế đ ộ nhị phân như hình d ưới. Trong đó vùng sáng mặt trờ i sẽ có giá tr ị 1 và vùng xung quanh tối sẽ có giá trị 0. Từ vùng giá trị 1 ta xác định được tâm của vùng và cũng sẽ là tâm của mặt trời. Nhiệm vụ củ a Matlab sẽ là xác đ ịnh tâm đó, xuất ra các xung để vi điều khiển nhận biết và đ iều khiển động cơ cho phù hợp. Webcam chụ p một ảnh vớ i độ p hân giải là 160x120 pixel. Vậy điểm tâm củ a ảnh là (80,60). Động cơ quay góc xác đ ịnh là 1,80, tỷ số truyền của cặp bánh răng là , vậy mỗi bước góc quay củ a trục thẳng đứng là 0,720 . Tỷ số truyền củ a bộ truyền đai là , vậy mỗi bước góc quay củ a trục nằm ngang là 0,57 0 .Qua thực nghiệm ta thấy mỗi bước chuyển độ ng, tọa độ ảnh thay đ ổi là 5 pixel. Ta chọ n vùng tâm mặt trời là 75-85 và 55-65. Độ lệch lớn nhất là 5 pixel mỗi trụ c, vậy góc lệch tương ứng với từng trục là 0,720 và 0,570. Tính theo tọa độ vị trí tại thủ đô Hà Nộ i là 21002’ Bắc và 105 051’ Đông, vào những ngày tháng 6 thì cứ khoảng 3 phút thì mặt trời quay mộ t góc xấp xỉ 0,70. Vậy cứ 3 p hút thì hệ thố ng Page 19 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời
mới chu yển độ ng một lần. Với điều kiện như thế thì đảm bảo việc luôn bắt kịp với tốc độ d i chuyển mặt trời. 2.4.2/ Giới thiệu phần mềm Matlab: Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kĩ t huật với các phần tử cơ b ản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty "The MATHWORKS" viết ra. Thuật ngữ MATLAB có được là do hai từ MATRIX và LABORATORY ghép lại. Chương trình này hiện đang được sử d ụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán củ a các b ài toán kĩ thu ật như: Lý thuyết điều khiển tự động, kĩ thuật thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu, dự b áo chuổi quan sát, v.v… MATLAB được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nó cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh – còn gọ i là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của MATLAB lên đến số hàng trăm và ngày càng được mở rộng b ởi các phần TOOLS BOX( thư viện trợ giúp) hay thông qua các hàm ứng d ụng được xây dựng từ người sử dụng. MATLAB có hơn 25 TOOLS BOX đ ể trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề có liên quan trên. TOOL BOX SIMULINK là phần mở rộ ng củ a MATLAB, sử dụng để mô phỏng các hệ thống độ ng học một cách nhanh chóng và tiện lợi. 2.4.3/ Giao diện điều khiển: Hình 10: Giao diện điều khiển trên Matlab Page 20 Thiết k ế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời