Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 1

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 Hồng Long
Đỗ Văn Sơn
Lớp: Cơ điện tử 4-K51,Viện Cơ khí
Điện thoại: 0973 371 565, 0127 378 0862
Thầy giáo hướng dẫn: 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 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 mặt trời thường được lắp cố định, do đó pin chỉ đạt hiệu suất lớn
nhất khi ánh sáng mặt trời vuông góc với mặt phẳng của tấm pin. Các vùng khác, hiệu suất của
tấm pin mặt trời sẽ giảm. Để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, cần một hệ thống cảm biến
xác định hướng chiếu của ánh sáng mặt trời, từ đó điều khiển cho mặt phẳng của tấm pin
hướng vuông góc với ánh sáng mặt trời.
Mục đích của đề tài này là tự động hóa quá trình điều khiển định hướng hệ thống pin mặt
trời đạt hiệu suất cao nhất, thu được nhiều năng lượng sạch từ mặt trời.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tống Văn On, Hoàng Đức Hải; Họ vi điều khiển 8051; Nhà xuất bản Lao động- Xã
hội; Xuất bản năm 2009

Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 3

LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng mặt trời đã và đang được cả thế giới quan
tâm nghiên cứu và sử dụng. Trên thế giới, các nước phát triển đã có rất nhiều ứng dụng trong
đời sống và trong công nghiệp để thu được các nguồn năng lượng này. Với ưu điểm là sẵn có,
dồi dào, là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, năng lượng mặt trời đang là giải
pháp thay thế cho các nguồn năng lượng khác đang ngày cạn kiệt trên Trái Đất. Tại các nước
đang phát triển, trong đó có Việt Nam việc sử dụng năng lượng mặt trời đã được quan tâm và
khích lệ, tuy nhiên những ứng dụng còn rất hạn chế.
Với mong muốn đưa những ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam được
phổ biến và phát triển hơn nữa, đem những kiến thức đã học được áp dụng vào thực tế sản
xuất, vì vậy nhóm sinh viên chúng em đã thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển
định hướng pin mặt 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 học, thiết kế kết cấu cơ khí,
chọn động cơ và thiết kế chế tạo mạch điều khiển, xây dựng phần mềm điều khiển và lập trình.
Đây là sản phẩm đầu tiên của 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 bảo 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 đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài
này, chúng em cũng xin trân thành cảm ơn ban lãnh đạo bộ môn đã tạo mọi điều kiện làm việc
cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua.

Hà nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011
Nhóm sinh viên thực hiện

suất của pin mặt trời sẽ giảm. Giải pháp đưa ra để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời là hệ
thống điều khiển chuyển động của tấm pin mặt trời luôn hướng vuông góc với ánh sáng mặt
trời.
1.2/ Mục tiêu của đề tài:
- Nâng cao hiệu suất chuyển đổi của tấm pin thông qua việc điều khiển vị trí tấm pin
luôn vuông góc với tia sáng mặt trời chiếu tới. Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 5

- Nâng cao độ chính xác của hệ thống với phần mềm Matlab và xử lý ảnh chụp của
mặt trời thông qua Webcam.
- Thiết kế, chế tạo, mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời.
1.3/ Phạm vi nghiên cứu:
Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ định 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 thống định hướng pin mặt trời dùng cho học tập và nghiên cứu.
- Động cơ dẫn động cơ khí là động cơ bước.
- Sử dụng phần mềm Matlab để xử lý ảnh, phần mềm điều khiển trên máy tính.
- Độ rọi của nguồn sáng xử lý giới hạn 1000 ÷ 100000 (lux).


ề
u khi
ể
n

Máy tính

Động cơ bước
Webcam
Tấm pin
Trục nằm ngang
Trục
thẳng
đứng Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 7

Hình 2: Hình ảnh sản phẩm chế tạo *Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Khi hệ thống hoạt động, webcam kết nối với máy tính có nhiệm vụ chụp ảnh Mặt Trời, dữ
liệu về ảnh của Mặt Trời sẽ được chuyển đến phần mềm Matlab xử lý, phân tích ảnh, tìm trọng
tâm của ảnh chụp 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 đến khi tâm ảnh về đúng với tâm của khung hình
(tấm pin vuông góc với Mặt trời) thì hệ thống dừng ở trạng thái giữ. Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 8

O
S
S'
y1
x1
z1
O
S
y1
x1
z2
y2
α

β

β
α
Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 9

*Chuyển động quay quanh trục Oz được thực hiện thông qua truyền động cơ khí là bộ
truyền bánh răng trụ răng thẳng. So với các truyền động cơ khí khác, truyền động bánh răng có
ưu điểm nổi bật:
- Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn.
- Tỷ số truyền không thay đổi.
- Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 ÷ 0,99
- Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy.

loại trục bậc, tuy có kết cấu phức tạp hơn trục trơn nhưng đảm bảo các điều kiện lắp
ghép.
b)Chế tạo:
Phần cơ khí của hệ thống bao gồm:
1- Ống đỡ thẳng đứng
2- Ổ bi đỡ
3- Bánh răng
4- Trục thẳng đứng
5- Khung đỡ
6- Bánh đỡ

7- Tấm đỡ
8- Tấm pin mặt trời
9- Webcam
10- Bu lông, đai ốc, vít
11- Trục nằm ngang
12- Dây đai
13- Động 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=




A. PHẦN CỨNG:
Giới thiệu chung sơ đồ phần cứng:

Chú thích:
Mạch nguồn: để tăng tính ổn định của mạch ta dùng bộ nguồn máy tính.
Khối điều khiển chính nòng cốt là chip atmega 89S52.
Thiết bị ngoại vi là 2 động cơ bước.
1.Chọn động cơ bước:
Động cơ bước là loại động cơ không đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển
dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay của rotor. Góc
quay này có giá trị nhất định phụ thuộc vào xung điện áp cấp vào stator theo kiểu nào, và được
định nghĩa là góc bước của rotor. Động cơ bước được sử dụng trong đề tài là động cơ 2 pha, 6
đầu dây, dòng quy ước là 1,2A và điện áp cấp vào là 5.16V, thuộc loại động cơ biến từ trở.
Ta dùng phương pháp đo điện trở để xác định các đầu dây của động cơ bước căn cứ vào
cấu tạo của các cuộn dây bên trong động cơ. Đối với động cơ bước 6 dây như trên sẽ chia làm
2 nhóm, mỗi nhóm có 3 dây trong đó có một dây chung, gọi là dây COM (common) mà điện
trở của đầu dây này đối với 2 đầu dây còn lại thuộc nhóm đó sẽ bằng nhau, còn giữa các dây Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 12

khác nhóm sẽ hoàn toàn cách điện. Dựa vào đó ta sẽ tìm được 2 dây COM và các dây thuộc
cùng nhóm với dây COM tương ứng của động cơ bước. Hình vẽ dưới đây mô tả các đầu các
cuôn dây sau khi đã xác định điện trở: Hình 4: Sơ đồ các cuộn dây


Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 13 Hình 5: Sơ đồ mạch nguyên lý Hình 6: Mạch công suất trên thực tế Ưu điểm của mạch: Đơn giản, dễ thực hiện, mạch có khả năng tải được công suât lớn (Điện áp
định mức là 100V, Dòng định mức 10A). Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 14 3. Bo mạch chính:
Mạch giao tiếp RS232: Mạch gồm linh kiện chính là cổng COM DB9 với IC MAX232 để thực
hiện chuyển đổi tương thích điện áp giữa cổng 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 mạch giao tiếp RS232 và vi điều khiển

Hình 8: Mạch điều khiển Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 15
này nhóm chỉ đưa ra những thuộc tính của ngắt do port nối tiếp. Để khai báo việc sử dụng ngắt
nối tiếp, ta set bit EA là bit thứ 7 của thanh ghi IE để cho phép ngắt, và bit ES là bit thứ 4 của
thanh ghi IE cho phép ngắt nối tiếp. Khi xảy ra một ngắt (thu hoặc phát) cờ ngắt RI hoặc TI
được set lên, chương trình nhảy đến 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 thực hiện các
ngắt tiếp theo.
Lưu ý : trong chương trình thuộc nội dung đồ án, dữ liệu được xuất ra ở cổng COM ở
dạng kí tự và dữ liệu nhận vào chip cũng ở dạng kí tự, nên để đồng bộ hóa việc thu phát dữ 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 – động cơ 1 quay thuận
“2” : Chế độ 2 – động cơ 1 quay nghịch
“3” : Chế độ 3 – động cơ 2 quay thuận
“4” : Chế độ 4 – động 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 dụng ngắt
nối tiếp của vi điều khiển AT89S52, tốc độ baudrate là 1200 bits/s.
2. Điều khiển động cơ bước:
Để điều khiển động cơ, nhóm đưa ra các chế độ cấp tín hiệu điều khiển cho các đầu dây
theo kiểu đơn cực phụ thuộc vào đầu dây được cấp tín hiệu. Đối với động cơ bước có 4 đầu
dây thì số lượng đầu được cấp tín hiệu cho 1 lần dịch bước tối đa là 3. Việc này trong các ứng
dụng thực tế cần điều khiển nhiều thiết bị khác nhau sẽ gây nên lãng phí chân, tuy nhiên trong
một ứng dụng nhỏ thuộc nội 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 để tạo
chuyển động quay của động nửa bước. Như đã trình bày ở phần trên tạo chuyển động quay cho Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 17


if (g<=3){P1=a[g];delay(5);}}
while(P2_3==1)
{
k=k-1;
if(k<0){P0=a[3];delay(25);k=3;}
if (k<=3){P0=a[k];delay(25);}}
default:
break;
}}}}
Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 18
, vậy mỗi bước góc
quay của trục nằm ngang là 0,57
0
.Qua thực nghiệm ta thấy mỗi bước chuyển động, tọa độ ảnh
thay đổi là 5 pixel. Ta chọn vùng tâm mặt trời là 75-85 và 55-65. Độ lệch lớn nhất là 5 pixel
mỗi trục, vậy góc lệch tương ứng với từng trục là 0,72
0
và 0,57
0
.
Tính theo tọa độ vị trí tại thủ đô Hà Nội là 21
0
02’ Bắc và 105
0
51’ Đông, vào những ngày
tháng 6 thì cứ khoảng 3 phút thì mặt trời quay một góc xấp xỉ 0,7
0
. Vậy cứ 3 phút thì hệ thống Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 20

mới chuyển động một lần. Với điều kiện như thế thì đảm bảo việc luôn bắt kịp với tốc độ di
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 thuật với các phần tử cơ bản 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 dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán của các

- Núp chụp nhanh để xác định tâm mặt trời hiện tại.
- Nút Return 0: để điều khiển hệ thống về điểm gốc 0. 2.4.4/ Các chế độ điều khiển: Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 22
Bước đầu tiên của việc điều khiển là lựa chọn cổng COM. Có 3 giá trị COM là COM4,
COM5 và COM7 để lựa chọn với tốc độ là 1200 bps. Việc lựa chọn cổng COM sẽ phụ thuộc
vào vị trí của dây cắm trên máy.
Có 3 chế độ điều khiển chính là: chế độ bằng tay, chế độ chạy tự động, chế độ chạy theo
thời gian. Có một chế độ chạy phụ. Tùy vào điều kiện thời tiết và mục đích mà lựa chọn các
chế độ cho phù hợp.
1) Chế độ tự động.

Chế độ tự động là chế độ chuẩn của việc định hướng mặt trời. Chế độ gồm 2 nút start và
stop. Nút start để bắt đầu chế độ điều chỉnh, và nút stop để dừng lại.
a) Thuật toán điều khiển.
Việc đưa ảnh về nhị phân và xác định tâm sẽ cho ta 2 tọa độ của tâm mặt trời là tọa độ
1 và tọa độ 2. Mục tiêu của chế độ là đưa tọa độ 1 về trong khoản 75-85 và tọa độ 2 về
trong khoản 55-65. Thuật toán được trình bày như sau.
Giải thích thuật toán: Khi ta ấn start, webcam sẽ chụp ảnh. Nếu xác định là không có
mặt trời trong khung hình thì sẽ chụp lại. Nếu đã xác định được mặt trời trong khung hình,
sẽ xác định 2 tọa độ tâm mặt trời và hiển thị ở 2 khung dưới. Ta sẽ đưa tọa độ 1 về khoảng
yêu cầu trước rồi sẽ tiến hành đưa tọa độ 2.
Nếu tọa độ 1 nhỏ hơn 75 sẽ xuất xung 4, nếu tọa độ 1 lớn hơn 85 sẽ xuất xung 3. Giá trị
3 hoặc 4 sẽ giúp vi điều khiển nhận biết để điều khiển chiều động cơ dưới sao cho đúng.
Nếu tọa độ 2 nhỏ hơn 55 sẽ xuất xung 2, nếu tọa độ 2 lớn hơn 65 sẽ xuất xung 1.


b) Code.
Chụp ảnh
Có mặt trờ
i ?
Tọa độ trong
khoản 75-
85?
Tọa độ 2 trong
khoản 55-
65?
Về tâm
Khởi tạo vị
trí 0 chạy
cả 2 động
cơ
Tọa độ 1
l
ớ
n hơn 85

Chạy động cơ 1
theo chiều nghịch
Tọa độ 1
nh
ỏ

hơn 75

Chạy động cơ 1
theo chiều thuận

label=bwlabel(bw)
C=regionprops(label,'area')
maxarea=max([C.Area])
mattroi=find([C.Area]==maxarea)
B=regionprops(label,'centroid')
[D,num]=bwlabel(bw,4)

- Phần xuất xung, ví dụ xuất xung4:
fprintf(s,'%s','4','async')

2) Chế độ điều khiển bằng tay.

Trong trường hợp webcam chưa bắt trúng mặt trời thì ta có thể điều khiển cả hệ thống
theo chế độ bằng tay.
Chế độ gồm 4 nút bấm. Mỗi nút ấn left, right, up và down tương ứng với các xung 1, 2,
3 và 4. Mỗi lần ấn nút là sẽ xuất ra 1 xung và động cơ sẽ quay 1 góc là 1,8
0
.
3) Chế độ theo thời gian.
Theo chế độ này, Matlab sẽ xuất ra một xung nhất định trong một thời điểm nhất định
đã được lưu từ trước. Ứng dụng của chế độ này sẽ là vào những ngày không có mặt trời và Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển định hướng pin mặt trời Page 25