BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CƠNG NGHỆ VŨ NGỌC SANG MSSV: 04138033 Đề tài: TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI QUAY THEO HƯỚNG MẶT TRỜI TP Hồ Chí Minh Tháng 06 - 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CƠNG NGHỆ Đề tài: TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI QUAY THEO HƯỚNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.S PHẠM ĐỨC DŨNG VŨ NGỌC SANG MSSV: 04138033 Tp Hồ Chí Minh Tháng 06 - 2008 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINNING NONG LAM UNIVERSITY FACULTY OF ENGINERING AND TECHNOLOGY Thesis: DESIGN AND MANUFACTURE THE SUN ENERGY COLLECTOR EQUIPMENT AUTOMATIC FOLLOW THE SUN LIGHT DIRECTION Speciality: Automatic Control Supervisor: Done by: MSc PHAM DUC DUNG VU NGOC SANG Student ID: 04138033 Ho Chi Minh City June – 2008 LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin chân thành cảm ơn công lao sinh thành, dạy bảo tất tốt đẹp mà ba-mẹ dành cho con, cho có ngày hơm Và em xin chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu trường Đại Học Nơng Lâm TP Hồ Chí Minh, Q thầy Khoa Cơ Khí Cơng Nghệ tận tình truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trường Trân trọng gửi đến Thầy Th.S Phạm Đức Dũng lời cảm ơn chân thành nhất, Thầy tận tình hướng dẫn giúp đỡ em nhiều để hoàn thành tốt đề tài Thầy Th.S Nguyễn Bá Vương cung cấp cho em nhiều kiến thức học tập, làm đề tài sống Xin bày tỏ lòng cảm ơn đến người bạn gắn bó, động viên chia sẻ ngày tháng khó khăn năm học vừa qua Sinh viên: Vũ Ngọc Sang TÓM TẮT Trong bối cảnh nguồn lượng hóa thạch bị cạn kiệt giá thành ngày tăng cao Nhiều nước giới bắt đầu chuyển sang nghiên cứu sử dụng nguồn lượng mặt trời nhằm giảm bớt phụ thuộc người vào nguồn lượng truyền thống Ở Việt Nam, việc sử dụng nguồn lượng mặt trời nhiều hạn chế phạm vi ứng dụng Tuy nhiên số tỉnh ứng dụng nguồn lượng mặt trời để phơi sấy, đun nấu như: Quảng Nam, Cần Thơ, TP Hồ Chí Minh….bước đầu mang lại hiệu định hiệu suất chưa cao Với có mặt hệ thống tự động lĩnh vực chắn mang lại nhiều hiệu Trong đề tài tiến hành khảo sát thiết kế mơ hình tự động điều khiển thiết bị thu lượng mặt trời quay theo hướng mặt trời cụ thể sau:  Tìm hiểu thiết bị thu lượng kiểu parapolic  Tìm hiểu thiết kế mạch điều khiển động điện chiều  Thiết kế cảm biến ánh sáng dùng quang trở  Thiết kế bo mạch điều khiển dùng Atmega8  Tính tốn thiết kế truyền trục vít bánh vít  Thiết kế khung mơ hình Kết chế tạo mơ hình họat động ổn định Tuy nhiên, mơ hình dừng lại mức thí nghiệm chưa áp dụng vào thực tế Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên: Th.S Phạm Đức Dũng Vũ Ngọc Sang SUMMARY Theme: Design and manufacture the sun energy collector equipment automatic follow the sun light direction Nowadays, fossil energy is being run out and its price is increased day by day Therefore Many countries in the world have researching and using solar energy replace of this energy to lessen their dependent in old energy In Viet Nam, using solar energy is still a new application But there are some provinces have applied solar energy for drying, or cooking as in Quang Nam province, Ho Chi Minh City, Can Tho City,… And these provinces have achieved some results With appearance of automatic system in this field will achieved many great result Through this thesis, I designed and manufactured the sun energy collector equipment automatic follow the sun light direction, detail is as below:  Survery energy collellecting equipment  Designing and manufacturing the circuit which uses photosensor  Designing and manufacturing H bridge circuit  Designing and manufacturing control circuit by Atmega8  Designing and manufacturing model frame The result is: Model has been manufactured successfully Howerver, this model still has limitations on applying practical circumtances Lecturers: Student: Msc Pham Duc Dung Vu Ngoc Sang MỤC LỤC Trang Danh mục hình Danh mục phụ lục Chương Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Yêu cầu đề tài Chương Tra cứu tài liệu 2.1 Tra cứu nguồn lượng mặt trời 2.1.1 Nguồn gốc chất lượng mặt trời 2.1.2 Tình hình sử dụng lượng mặt trời giới 2.1.3 Nguồn lượng mặt trời nước ta 2.1.4 Các ưu điểm việc sử dụng lượng mặt trời 2.2 Tra cứu vi mạch 7805 2.3 Các thiết bị công suất 2.3.1 Tra cứu Transistor IRF540 2.3.2 Opto P521 2.4 Tìm hiểu vi xử lý 2.4.1 Định nghĩa 2.4.2 Tìm hiểu AVR 10 2.4.3 Tìm hiểu mạch nạp cho AVR 10 2.4.4 Vi điều khiển Atmega8 12 2.5 Tìm hiểu quang trở 13 2.6 Tra cứu hiển thị LCD 14 2.7 Tìm hiểu truyền động 15 2.8 Tìm hiểu Động điện chiều 16 2.9 Tra cứu mạch đảo chiều động điện chiều 16 2.10 Một số phương pháp điều khiển thiết bị hướng theo mặt trời 16 Chương Phương pháp phương tiện 17 3.1 Phương pháp thực đề tài 17 3.1.1 Chọn phương pháp thiết kế mơ hình 17 3.1.2 Phương pháp thực phần khí 17 3.1.3 Phương pháp thực mạch công suất 18 3.1.4 Phương pháp thực mạch điều khiển 18 3.1.5 Phương pháp viết chương trình điều khiển 18 3.2 Phương tiện thực đề tài 18 Chương Thực đề tài 19 4.1.Thực phần khí: 19 4.1.1 Thiết kế khung mơ hình 19 4.1.2 Thiết kế trục quay 22 4.1.3 Thiết kế hộp điện 23 4.1.4 Thiết kế giá đỡ ổ lăn cho trục vít 24 4.1.5 Thiết kế giá đỡ động điện 25 4.2 Thiết kế cảm biến 25 4.3 Thực phần điện tử 26 4.3.1 Thiết kế chế tạo mạch nguồn 5V 26 4.3.2 Sơ đồ mạch cảm biến 27 4.3.3 Sơ đồ mạch cầu H 28 4.3.4 Sơ đồ mạch bảo vệ mạch cầu H 28 4.3.5 Sơ đồ mạch vi xử lý 30 4.4 Cơ cấu chấp hành 31 4.4.1 Tính tốn truyền trục vít bánh vít 31 4.4.2 Chọn ổ lăn 35 4.4.3 Chọn động điện 35 4.5 Thực phần chương trình điều khiển 35 4.5.1 Sơ đồ khối điều khiển mơ hình 36 4.5.2 Lưu đồ giải thuật 37 4.6 Khảo sát 37 Chương Kế luận đề nghị 39 5.1 Kết luận 39 5.2 Đề nghị 40 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 2.1 Máy đun nước nóng dùng lượng mặt trời Hình 2.2 Bếp lượng mặt trời .6 Hình 2.3 Nhà máy nhiệt điện Hình 2.4 Động bơm nước Hình 2.5 Phòng máy giặt Califonia Hình 2.6 Sơ đồ chân LM7805 .8 Hình 2.7 Sơ đồ chân IR540 Hình 2.8 Sơ đồ chân opto P521 Hình 2.9 Mạch nạp theo STK200 11 Hình 2.10 Mạch nạp AVR ISP với bốn điện trở 11 Hình 2.11 Sơ đồ chân Atmega8 12 Hình 4.1 Khung mơ hình 19 Hình 4.2 Chân đỡ 20 Hình 4.3 Thanh ngang 21 Hình 4.4 Thanh đỡ phụ 21 Hình 4.5 Thanh ngang đỡ ổ lăn 21 Hình 4.6 Thanh ngang phụ 22 Hình 4.7 Tấm phẳng 22 Hình 4.8 Trục bánh vít .23 Hình 4.9 Bản vẽ gia cơng trục bánh vít 23 Hình 4.10 Vỏ hộp điện .24 Hình 4.11 Giá đỡ ổ lăn 24 Hình 4.12 Giá đỡ động điện 25 Hình 4.13 Bộ cảm biến 25 4.5.2 Sơ đồ khối điều khiển mơ hình Bộ cảm biến Bộ hiển thị LCD Vi xử lý Điều khiển động Hình 4.21 Sơ đồ khối mạch điều khiển 4.6 Khảo sát Sau thực xong phần cứng khí, phần cứng điện tử phần mềm điều khiển chương trình ta tiến hành lắp ráp thành mơ hình hồn chỉnh để khảo sát đánh giá kết hoạt động mơ hình Mơ hình khảo sát hai lần sân trường Đại học Nông Lâm Một lần vào ngày trời nắng tốt, mây nhiệt độ khoảng 30-330C ngày trời nắng dịu có nhiều mây kết đạt sau:  Vào ngày trời nắng tốt, mây: Mơ hình hoạt động tốt, quang trở không bị nhiễu Tâm chảo parapolic hướng phía mặt trời Chảo parapolic quay hướng từ sáng qua chiều khơng bị lắc qua lắc lại Nhìn chung mơ hình hoạt động theo u cầu ban đầu  Vào ngày trời nắng dịu có nhiều mây: Mơ hình hoạt động chưa tốt lắm, trời u ám có gió mạnh cảm biến quang bị nhiễu, chảo parapolic bị lắc qua lắc lại vài lần không đáng kể (khoảng lần/ ngày nhiều mây) Bù lại vào ngày trời có nhiều mây, đám mây đen che khuất mặt trời, tâm chảo parapolic ln hướng vùng có nhiều ánh sáng chứng mặt trời vị trí lúc khoảng 15h tâm chảo parapolic lại hướng phía vị trí mặt trời vào khoảng 10h sáng, mặt trời vị trí lúc 9h sáng, tâm chảo parapolic lại hướng vị trí mặt trời vào khoảng 13h để hứng ánh sáng Điều chứng tỏ tự động điều chỉnh thiết bị thu nhận lượng mặt trời quay theo hướng mặt trời có lợi nhiều so với điều chỉnh thủ công tay 37 a) Thời gian 9h b) Thời gian 15h Hình 4.22 Khảo sát mơ hình Hướng khắc phục nhiễu cho quang trở: Ta dùng thấu kính hội tụ đặt phía buồng chứa quang trở để hứng ánh sáng Ánh sáng chiếu vào khe hở buồng chứa quang trở thấu kính hội tụ thành điểm buồng lấy ánh sáng, lúc quang trở nhận nguồn ánh sáng ổn định tín hiệu điện áp nhận vi xử lý khó bị nhiễu Hình 4.23 Bộ cảm biến chống nhiễu 38 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận Sau thời gian thực hiện, đề tài hoàn thành xong u cầu đặt ra: Tính tốn thiết kế chế tạo mơ hình lập trình tự động điều chỉnh thiết bị thu nhận lượng mặt trời quay theo hướng mặt trời, cụ thể sau:  Phần điện tử: Đã tra cứu tìm hiểu số linh kiện điện tử để sử dụng, phục vụ cho q trình thực đề tài Đã tính tốn thiết kế, vẽ mạch nguyên lý phần mềm máy tính mạch điều khiển cho vi xử lý Atmega8 mạch cầu H đảo chiều động điện đáp ứng tốt yêu cầu đề tài  Phần cứng điện tử: Đã chạy mạch in máy tính làm mạch in lớp, hàn linh kiện điện tử để làm board mạch điều khiển board mạch công suất trực tiếp phục vụ yêu cầu đề tài  Phần khí: Đã thiết kế đựơc vẽ lắp vẽ chi tiết để chế tạo khung đỡ cho mơ hình, gia cơng tiện trục quay bánh vít, làm giá đỡ cho ổ lăn làm vỏ hộp điện  Phần cấu chấp hành: Đã tính tốn thiết kế truyền trục vít bánh vít giảm tốc với tỉ số truyền 1:30  Phần mềm: Đã tìm hiểu chọn phương pháp điều khiển, ngơn ngữ viết chương trình, đưa lưu đồ giải thuật viết chương trình điều khiển ngôn ngữ bascom cho vi xử lý Atmega8 thực tốt yêu cầu đề tài 39  Kết đạt được: Chương trình phần mềm hoạt động tốt, mơ hình hoạt động ổn định, quang trở khơng bị nhiễu, kết cấu khung đỡ mơ hình chắn, truyền chạy êm Chế tạo thành công cảm biến hướng mặt trời siêu rẻ Cơ hoàn thành tốt yêu cầu đặt đề tài 5.2 Đề nghị Cần tiếp tục khảo nghiệm nhiều lần để đánh giá độ ổn định mơ hình, giải thuật chương trình điều khiển Tìm hiểu nguyên lý hoạt động thiết bị thu lượng pin mặt trời số mẫu thiết bị khác có thị trường để kết hợp với ý tưởng điều khiển mơ hình đề tài phát triển thành mơ hình lớn hơn, áp dụng vào thực tiễn, nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Duy Thiện, năm 2001, Kỹ thuật sử dụng lượng mặt trời, Nhà xuất giáo dục Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, năm 2006, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập một, Nhà xuất giáo dục Nguyễn Tấn Phước, năm 2006, Cảm biến đo lường điều khiển, Nhà xuất Hồng Đức Trần Thế San, Trần Khánh Thành, Tự thiết kế lắp ráp 49 mạch điện thông minh, chuyên lượng mặt trời, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nghiên cứu sử dụng chíp vi điều khiển AVR – Lê Minh Dũng Datasheet Atmega8 Trần Quốc Gián, năm 1996, Nghiên cứu chế tạo màng hấp thụ thiết kế thu dùng cho thiết bị đun nóng mặt trời, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Minh Hoàng, năm 2005, Thiết kế, chế tạo mơ hình máy sấy cá dùng lượng mặt trời - Luận văn tốt nghiệp Tài liệu lượng mặt trời PHỤ LỤC Phụ lục 01: Bức xạ mặt trời tổng cộng trung bình ngày 12 tháng Kwh/m2/ngày 10 11 12 Năm Cao Bằng 2 5 5 4.1 0 3 2 4 4 4 3 9 8 2 2 4 4 3 5 2 5 5 4 4 2 5 5 4 3 3 2 5 4 2 3 7 0 7 4 4 5 8 7 5 6 5 2 5 6 5 5 4 5 4 4 4 6 4 5 4 4 4 4 3 2 5 5 4 4 4 4 7 9 Sơn La Quảng Ninh Vĩnh Phú Hà Nội Nghệ Tĩnh Pleicu Đà Nẵng Tp HCM Hậu Giang Cà Mau Phú Quốc 4.3 3.4 3.8 3.8 3.4 5.4 4.8 5.2 4.7 4.6 4.8 Phụ lục 02: Tổng lượng xạ mặt trời tổng cộng trung bình ngày 12 tháng (CAL/CM2 ngày) Vị trí 10 11 12 Tân Sơn Nhất 417 478 506 476 421 391 392 385 383 381 386 386 Tây Ninh 444 489 518 504 465 435 429 415 404 412 421 416 Bến Tre 468 506 534 503 440 416 404 398 391 402 407 406 Cần Thơ 434 494 521 489 432 408 403 398 391 397 403 397 Cần Giờ 432 493 521 498 433 403 397 391 390 389 401 395 Nha Trang 384 447 515 493 494 493 449 475 467 422 347 319 Phú Quốc 434 475 493 482 418 374 375 356 370 359 375 373 Cà Mau 452 470 530 459 388 364 372 362 370 359 375 373 Pleiku 372 498 494 488 481 421 420 361 401 395 347 339 10 Đà Lạt 494 529 533 412 373 370 412 367 318 311 371 476 Phụ lục 03: Một số bảng tra trục vít bánh vít Bảng 7.1 Cơ tính số vật liệu chế tạo bánh vít Vật liệu bánh vít  Cách đúc b (Mpa)  ch (Mpa) БpOФ 10-1 Dùng khuôn cát 200 120 БpOФ 10-1 Dùng khuôn kim loại 260 150 БpOHФ Đúc li tâm 290 170 БpOЦC 6-3-3 Dùng khuôn cát 150… 200 80… 100 БpOЦC 6-3-3 Dùng khuôn kim loại 180… 220 80… 100 БpOЦC 5-5-5 Dùng khuôn kim loại 200… 250 80… 100 БpA ж 9-4 Dùng khuôn cát 400 200 БpA ж 9-4 Dùng khuôn kim loại đúc li 500 200 tâm БpA ж 10-4-4 Dùng khuôn kim loại đúc li 600 200 tâm Л МцC 58-2-2 Dùng khuôn kim loại 340 140 CЧ 12-28 Dùng khuôn cát 120 280* CЧ 15-32 ˝ 150 320* CЧ 18-36 ˝ 180 360* Chú thích: * loại gang, trị số giới hạn bền uốn  bu Bảng 7.6 Chọn cấp xác cho truyền trục vít Vận tốc Cấp trượt Vs m/s xác ≤ 10 Cách gia cơng Phạm vi sử dụng Trục vít thấm cacbon Bộ truyền làm việc với tơi, sau mài vận tốc lớn, có u cầu đánh bóng Bánh vít cắt kich thước nhỏ gọn bàng dao phay vít Mài có tải ≤ làm việc ồn Trục vít tơi đạt độ Bộ truyền có vận tốc rắn HRC ≥ 45 sau mài trung bình, có u vầu đánh bóng trục vút vừa phải tiếng ồn, cải thiện đạt độ rắn kích thước nhỏ gọn HB≤ 350, khơng mài, bánh vít chế độ xác cắt bàng dao phay vít dao bay Nên chạy rà có tải ≤ Trục vút có độ rắn HB < 350, Bộ truyền có vận tốc khơng mài Bánh vít cắt thấp, làm việc thời phương pháp gian ngắn, quay tay Bảng 7.7 Trị số hệ số tải trọng động KHV (KFV) Vận tốc Cấp xác trượt Vs m/s ≤ 1,5 - - 1,1 1,3 - 1,2 1,3 7,5 1,1 1,3 - 12 1,1 1,2 - - ≥ 18 1,3 - - - truyền Bảng 7.9 Các thông số truyền trục vít Thơng số khoảng cách trục Kí hiệu Cơng thức tính aw aw = 0,5m(q + Z2 + 2x) X X= Đường kính vòng chia d d1 = qm ; d2 = mz2 Đường kính vòng đỉnh da da1= d1 + 2m = m(q + 2) Hệ số dịch chỉnh aw - 0,5(q + Z2) m da2 = m(Z2 + + 2x) Đường kính vòng đáy df df1 = m(q – 2,4) df2 = m(Z2 – 2,4 + 2x) Đường kính ngồi bánh vít Chiều rộng bánh vít Góc ơm daM2 ba  daM2 ≤ da2 + 2m b2 Khi z1 = ≤ da2 + 1,5m Khi Z1 = ≤ da2 + m Khi Z1 = ≤ 0,75da1 Khi Z1 = 1; ≤0,67da1 Khi Z1 =  = arcsin b2 d a1  0,5m Phụ lục 04: Một số mẫu thiết bị đun nấu lượng mặt trời Cuộc thi nấu ăn bếp lượng mặy trời Đà Nẵng Hệ thống đun nước nóng cơng nghiệp Máy nước nóng dùng lượng mặt trời Máy đun nước dùng gia đình Phụ lục 05: Chương trình điều khiển $regfile = "m8def.dat" $crystal = 1600000 Config Lcd = 20 * Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portb.2 , Db5 = Portb.3 , Db6 = Portb.4 , Db7 = Portb.5 , E = Portb.1 , Rs = Portb.0 ''Cac bien cho chuong trinh so sanh Dim A As Integer , A0 As Long Dim B As Integer , B0 As Long Dim Kenh_0 As Byte Dim Kenh_1 As Byte Dim Dco_phai As Integer Dim Dco_trai As Integer Dim N As Byte N=0 Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Avcc Start Adc '~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 'Khoi dong bo AD Config Pinc.0 = Input Config Pinc.1 = Input Config Pind.0 = Output Config Pind.1 = Output Dco_phai Alias Portd.0 'Pin D.0: Dong co quay phai Dco_trai Alias Portd.1 'Pin D.1: Dong co quay trai Cls Locate , Lcd "DH NONG LAM" Locate , Lcd "KHOA CO KHI" Locate , Lcd " Sinh Vien Thuc Hien" Locate , Lcd " VU NGOC SANG" Waitms 3000 Set Dco_phai Set Dco_trai 'Call Init_adc '~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 'Chuong trinh chinh Main: Goto Dieukhien Cls Do Loop '********************************************************************* Dieukhien: Do For N = To 99 A = Getadc(0) ' doc gia tri dien ap cua quang tro B = Getadc(1) ' doc gia tri dien ap cua quang tro A0 = A + A0 B0 = B + B0 Next A = A0 / 100 B = B0 / 100 A0 = B0 = Cls Locate , Lcd "CB01:" Locate , Lcd A Locate , Lcd "CB02:" Locate , Lcd B If A > B Then Set Dco_phai Reset Dco_trai If Pinb.1 = Then Gosub Chayve End If Elseif A < B Then Set Dco_trai Reset Dco_phai If Pinb.2 = Gosub Main Elseif A = B Then Set Dco_trai Set Dco_phai Gosub Delay0 End If End If If Pinb.1 = Then Gosub Chayve End If Loop Return '******************************************************************** Delay0: For N = To 100 Waitms 100 Next Gosub Main Return '******************************************************************** Chayve: Do Set Dco_trai Reset Dco_phai Loop Until Pinb.2 = Gosub Main End ... lượng mặt trời đạt hiệu cao / / 1.2 Mục đích đề tài Tự động điều chỉnh thiết bị thu lượng mặt trời quay theo hướng mặt trời gồm mục đích chính:  Làm cho thiết bị thu nhận lượng mặt trời ln hướng. .. pháp thiết kế mơ hình Nhiệm vụ đề tài tự động điều khiển hướng quay thiết bị thu lượng theo hướng mặt trời, nên mơ hình thiết bị thu lượng ta chọn tùy ý Qua trình khảo sát mẫu thiết bị thu lượng. .. MINH KHOA CƠ KHÍ CƠNG NGHỆ Đề tài: TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI QUAY THEO HƯỚNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Th.S