ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH CỬ NHÂN CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài
NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG
XÁC ĐỊNH VÙNG CỰC ĐẠI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DỰA
THEO VỊ TRÍ ĐỊA LÍ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Sinh viên thực hiện
NGUYỄN ĐĂNG HÀ CN-CĐT 2 K55
Giáo viên hướng dẫn
TS. ĐẶNG THÁI VIỆT
Giáo viên duyệt
HÀ NỘI, 6/2015
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Chương 4: Lập trình điều khiển và giao diện người dùng
KẾT LUẬN

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BẢN VẼ

Tên bản vẽ
Số lượng
Kích thước
Bản vẽ lắp ghép cơ khí
01
A0
Bản vẽ các chi tiết cơ khí
01
A0
Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống
01
A0
Bản vẽ sơ đồ thuật toán hệ thống thu gọn
01
A0
Bản vẽ sơ đồ mạch điện hệ thống
01
A0
Tổng số bản vẽ
05

- NHẬN XÉT KHÁC: - Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
Ngày tháng năm 201
Giáo viên hướng dẫn (ký tên)

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ DUYỆT

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:
Thuyết minh:


2.2. Tính toán và lựa chọn công suất tấm pin 26
2.3. Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí 28
2.4. Tính toán tỉ số truyền 30
2.5. Thiết kế trục 30
2.6. Các chi tiết cơ khí 35
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 39
3.1. Mạch cảm biến 40
3.2. Mạch so sánh 44
3.3. Mạch xử lý trung tâm 50
3.4. Mạch công suất cho động cơ bước 54
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3.5. Động cơ 56
3.6. Mạch nguồn 59
CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG 60
4.1. Nhiệm vụ công việc lập trình 60
4.2. Ngôn ngữ lập trình C cho STM32F103 62
4.3. Phần mềm lập trình Keil uVision5 67
4.4. Mạch và chương trình nạp vi điều khiển STM32F103 72
4.5. Code chương trình 75
4.6. Hoạt động của hệ thống 77
4.7. Giao diện người dùng 78
4.8. Vận hành hệ thống 78
KẾT LUẬN 80
1. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn: 80
2. Định hướng phát triển: 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

Hình 2.9: Tấm ốp khâu 2 36
Hình 2.10: Bộ truyền trục vít - bánh vít 37
Hình 2.11: Bộ truyền bánh răng 37
Hình 2.12: Mô hình thiết kế 38
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 39
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điện 40
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 40
Hình 3.4: Hình dạng thực tế và kí hiệu của quang điện trở. 41
Hình 3.5: Nguyên lý xác định hướng mặt trời 41
Hình 3.6: 4 cảm biến đặt tại 4 cạnh của khối lăng trụ 41
Hình 3.7: Bóng của khối trụ theo góc nghiêng của mặt trời 42
Hình 3.8: Cấp điện cho cặp cảm biến trong mạch so sánh. 42
Hình 3.9: Sơ đồ mạch cảm biến hoàn chỉnh 43
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh 44
Hình 3.11: Các khoảng điện áp đầu vào. 46
Hình 3.12: Mạch so sánh dùng 2 opamp 47
Hình 3.13: Cầu phân áp 47
Hình 3.14: Sơ đồ mạch nguyên lý 49
Hình 3.15: Mạch in mạch so sánh 49
Hình 3.16: Hình 3D mạch so sánh 50
Hình 3.17: Vi điều khiển STM32F103 51
Hình 3.18: Cấu hình STM32F103 52
Hình 3.19: Sơ đồ khối mạch xử lý trung tâm. 52
Hình 3.20: Buttons 52
Hình 3.21: Text LCD 53
Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm 53
Hình 3.23: Bản vẽ mạch in mạch xử lý trung tâm 54
Hình 3.24: Cấu tạo và kí hiệu transistor lưỡng cực 55

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh giữa các phương pháp lắp đặt pin mặt trời 14
Bảng 2.1: Nhu cầu sử dụng điện mức trung bình của 1 hộ gia đình 26
Bảng 2.2: Thông số tấm pin mặt trời 28
Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật quan điện trở Cds NORP12 43
Bảng 3.2: Opamps lý tưởng và opamps thực tế 45
Bảng 3.3: Thông số kĩ thuật IC LM358 46
Bảng 3.4: Xác định hướng từ cặp cảm biến đưa về 48
Bảng 3.5: Cấu hình STM32F103RCT6: 51
Bảng 3.6: Cấu hình động cơ bước 57

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI NÓI ĐẦU


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề
Nhân loại đang đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi
trường một cách nghiêm trọng. Vấn đề tìm ra các nguồn năng lượng mới, nguồn
năng lượng tái tạo được và nguồn năng lượng xanh đang được cả thế giới quan
tâm. Cùng với năng lượng gió, thủy triều, năng lượng mặt trời là một nguồn năng
lượng cho thấy nhiều hi vọng trong tương lai.
Năng lượng Mặt Trời là một trong những giải pháp được tìm ra để thay
thế, với ưu điểm là nguồn năng lượng sạch, lâu dài, là nguồn năng lượng tái tạo,
thân thiện với môi trường. Các ứng dụng của năng lượng mặt trời phổ biến hiện
nay bao gồm hai lĩnh vực chủ yếu. Thứ nhất là năng lượng mặt trời được biến đổi
trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện bán dẫn hay còn gọi là pin
mặt trời. Lĩnh vực thứ hai đó là sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt
năng, ở đây ta dùng các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng
nhiệt năng.
Tại Việt Nam, với ưu điểm là một nước có tiềm năng về năng lượng mặt
trời, có lãnh thổ trải dài từ vĩ độ 8 Bắc đến 23 Bắc, tính chất phân vùng theo vĩ
độ, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao, do đó sử dụng năng
lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong lĩnh vực
đời sống và sản xuất.
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.
Vì vậy để duy trì được hiệu suất của tấm pin ở mức cao nhất giải pháp đưa ra là
thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động của tấm pin mặt trời theo hệ vĩ độ của
từng địa phương, từ hệ thống vĩ độ của từng địa phương, ta có được góc nhập xạ
của mặt trời theo từng ngày, từ đó có thể đảm bảo tấm pin mặt trời luôn vuông


Đặt cố định
Xoay theo 1 trục
Xoay theo 2 trục
Hiệu suất Thấp Trung bình Cao
Độ tin cậy Cao Cao Cao
Chi phí
Cao
Trung bình
Thấp
Bảng 1.1: So sánh giữa các phương pháp lắp đặt pin mặt trời
• Hiệu suất: Do tấm pin luôn chuyển động hướng vuông góc với tia sáng mặt
trời nên lượng ánh sáng mà tấm pin thu được là nhiều nhất đồng nghĩa với
việc lượng điện năng sản sinh ra là lớn nhất.
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 14
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.1: Biểu đồ so sánh hiệu suất giữa các phương pháp lắp đặt
• Độ tin cậy: hệ thống định hướng nhờ các cảm biến đặt tại bốn phương
Đông – Tây, Nam – Bắc, liên tục xác định vị trí, hướng di chuyển của mặt
trời, điều khiển tấm pin luôn vuông góc với các tia nắng. Các cảm biến
được phủ 1 lớp plastic trong suốt, bền với điều kiện môi trường bên ngoài.
Do vậy, hệ thống làm việc rất tin cây.
• Chi phí: giá thành của một hệ thống pin mặt trời phụ thuộc chủ yếu vào số
lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt. Hệ thống định hướng mặt trời có hiệu
suất cao nên sẽ giảm số lượng tấm pin và mặt bằng lắp đặt so với các hệ
thống khác nếu cùng công suất. Do đó, chi phí hệ thống giảm.
• Từ những phân tích trên, ta thấy rằng một hệ thống định hướng mặt trời
xoay theo hai trục ưu việt hơn so với các phương pháp khác về hiệu suất,
độ tin cậy và chi phí lắp đặt.

• Dựa trên quan điểm kế thừa và cải tiến hệ thống cũ em lựa chọn phương án
kết hợp giữa cảm biến quang và địa lí, ngày giờ.

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.5. Cơ sở lí thuyết của phương pháp chuyển động bám mặt trời theo tọa độ
địa lí
Dựa trên nguyên lý được trình bày trong [2] để áp dụng và thiết kế hệ
thống trong đồ án tốt nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất phát điện của hệ thống pin
mặt trời.
a. Sự chuyển động của mặt trời
Chuyển động biểu kiến của mặt trời được tạo nên bởi trái đất tự quay
quanh mình nó và nghiêng trục trái đất, làm thay đổi góc tới của các tia sáng mặt
trời. Từ một vị trí cố định trên trái đất, mặt trời xuất hiện và di chuyển khắp bầu
trời. Vị trí của mặt trời trên bầu trời phụ thuộc vào điểm ta nhìn trên trái đất, thời
gian trong ngày, ngày trong năm. Chuyển động biểu kiến này được thể hiện ở
hình dưới đây.

Hình 1.3: Sự chuyển động của mặt trời.
Chuyển động biểu kiến này có tác động lớn đến lượng điện năng ta thu
được vào pin năng lượng mặt trời. Khi tia sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề
mặt hấp thụ, hiệu suất hấp thu trên bề mặt pin là lớn nhất. Tuy nhiên, khi góc
giữa tia sáng và bề mặt hấp thụ giảm xuống thì hiệu suất hấp thu cũng giảm
xuống. Khi bề mặt hấp thụ song song với tia sáng thì hiệu suất gần như bằng 0.
Với những góc trung gian còn lại, thì hiệu suất được phụ thuộc vào cos (θ), với θ
là góc tới của tia sáng.
Góc tới của tia sáng tới một vị trí cố định trên trái đất phụ thuộc vào từng
địa điểm cụ thể (vĩ độ của điểm đó), thời gian trong ngày, thời gian trong năm.
Ngoài ra thời điểm mặt trời mọc cũng phụ thuộc vào kinh độ của điểm đó. Vì
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 17

đó.

Hình 1.5: Xích vĩ độ vào hạ chí, xuân phân – thu phân, đông chí.
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 18
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Xích vĩ độ có thể được tính theo công thức sau (theo [1]):

( )
( )
1
360
sin sin 23,45 sin 81
365
d
δ
−


= −






(1.1)

trong đó: d là số thứ tự ngày trong năm, với ngày 1 tháng 1, d = 1.
Xích vĩ độ này bằng 0
0

xạ được biểu diễn như sau.
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 1.8: Các góc được sử dụng trong công thức

Hình 1.8a: Xích vĩ độ lớn nhất (δ) của trái đất, xảy ra tại ngày hạ chí ở bắc bán cầu và ngày
đông chí tại nam bán cầu.

Hình 1.8b: φ là vĩ độ của địa điểm đang cần tính góc nhập xạ, δ là xích vĩ độ, còn ζ là
góc đỉnh, có giá trị là ζ = φ – δ.
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 1.8c: Từ đó α chính là góc nhập xạ và bằng 90 độ trừ góc đỉnh.

α = 90
0
– |φ – δ|
(1.2)
Trong đó:
• φ > 0 khi vĩ độ cần tính góc nhập xạ ở Bắc bán cầu, φ < 0 tại Nam bán cầu.
• δ là xích vĩ độ, tại đó mặt trời chiếu vuông góc xuống mặt đất.
Tuy nhiên góc nhập xạ không cố định mọi giờ trong ngày, mà luôn thay
đổi, tăng từ 0
0
lên thiên đỉnh rồi lại trở về 0
0

(1.4)
Trong đó:
• HRA: góc giờ
• LST: giờ mặt trời tại địa phương

Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 22
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

d. Góc phương vị (azimuth angle)
Góc phương vị (β) là hướng la bàn mà từ đó ánh nắng mặt trời chiếu tới.
Vào giữa trưa, mặt trời luôn ở chính nam tại Bắc bán cầu và chính bắc tại Nam
bán cầu. Góc phương vị luôn thay đổi trong ngày, vào ngày xuân phân và thu
phân, mặt trời luôn mọc chính đông và lặn chính tây tại bất kì vị trí nào trên trái
đất, do đó góc phương vị là 90
0
lúc mọc và 270
0
lúc lặn. Tuy nhiên do trái đất
nghiêng trục quay quanh nó nên, góc phương vị này thay đổi theo từng vĩ độ trên
trái đất và vào từng thời điểm khác nhau trong năm.

Hình 1.9: Góc phương vị (β)

Góc phương vị giống vị trí góc ở la bàn với 0
0
tại chính Bắc và 180
0
ở
chính Nam.
Góc phương vị được tính như sau:

định vị trí của mặt trời. Tuy nhiên, để tính vị trí của mặt trời trong cả ngày, cả hai
Nguyễn Đăng Hà CN CĐT 2 – K55 23
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
góc nhập xạ và góc phương vị phải được tính toán trong cả ngày. Các khu vực
trên trái đất được chia thành những múi giờ nhất định. Tại một vị trí nhất định
trên trái đất, ta thấy mặt trời thực hiện chuyển động từ đông sang tây, từ thấp lên
thiên đỉnh vào giữa trưa, vì vậy để xác định vị trí của mặt trời, ta đi xác định hai
góc: góc nhập xạ và góc phương vị.

Góc nhập xạ và góc phương vị:

( )
1
sin sin sin cos cos cos HRA
α δϕ δ ϕ
−
= +



1
sin( )cos( ) cos( )sin( )cos(HRA)
cos
cos( )
δ ϕ δϕ
β
α
−

−

1.7. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hệ thống có 3 chế độ hoạt động:
a. Chế độ bám tự động theo chuyển dịch của mặt trời (Auto Tracking):
Khi hệ thống ở chế độ này, tấm pin sẽ tự động di chuyển đến vị trí thẳng
với hướng có cường độ ánh sáng mạnh nhất được xác định bởi 4 cảm biến ánh
sáng và mạch so sánh.
b. Chế độ dịch chuyển tự động theo hệ thống vĩ độ (Auto Control):
Khi mặt trời bị mây che, hoặc vào những ngày mưa… cường độ sáng sẽ
xuống mức rất thấp, do đó cảm biến sẽ không nhận đủ độ sáng cần thiết để xác
định hướng di chuyển cần thiết.
Hoặc vào những ngày hè cường độ ánh sáng mặt trời lớn, cảm biến sẽ hoạt
động không hiệu quả và có thể bị sai do ánh sáng tán xạ và phản xạ từ vật liệu
hoặc môi trường xung quanh.
Khi đó hệ thống sẽ chuyển sang chế độ tự động. Tấm pin sẽ tự động xoay
và điều chỉnh góc nhập xạ và góc phương vị theo giờ, với dữ liệu được tính toán.
c. Chế độ điều khiển bằng tay (Manual Control):
Chế độ này cho phép người dùng điều khiển hệ thống theo các góc phương
vị , nhập xạ cố định thông qua giao diện nút bấm trên bảng điều khiển. Góc quay
cố định tối ưu có thể dễ dàng tra cứu trong bảng số liệu (thường là góc lúc mặt
trời lên thiên đỉnh).
Chế độ được sử dụng trong trường hợp hệ thống cần bảo trì, thay thế cần
phải tháo rời bộ điều khiển hay trong trường hợp thời tiết khắc nhiệt: bão hoặc có
tuyết.
Khuyến cáo quay góc nhập xạ xuôi theo hướng gió góc 45
o
trong trường
hợp gió bão to, và góc nhập xạ quay 15
o
trong trường hợp tuyết rơi.