Đồ án tốt nghiệp hệ thống điều hướng pin mặt trời dùng Arduino - HUTECH

Đồ án tốt nghiệp hệ thống điều hướng pin mặt trời nghiên cứu nguyên lý hoạt động, thiết kế mạch điều khiển và tối ưu hiệu suất thu năng lượng.

• Tác giả: Nguyễn Tấn Lực
• Người hướng dẫn: Phạm Hùng Kim Khánh
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử, truyền thông
• Đề tài: Hệ thống điều hướng pin mặt trời
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án hệ thống điều hướng pin mặt trời

Đồ án hệ thống điều hướng pin mặt trời tập trung nghiên cứu và triển khai giải pháp tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng mặt trời thông qua cơ chế điều chỉnh hướng tấm pin theo chuyển động của mặt trời. Hệ thống sử dụng vi điều khiển Arduino làm trung tâm điều khiển, kết hợp cảm biến ánh sáng BH1750 để đo cường độ ánh sáng môi trường. Động cơ bước ULN2003 đảm nhiệm chức năng xoay tấm pin theo hai trục (trục đứng và trục ngang) để duy trì góc chiếu sáng tối ưu. Module thời gian thực DS1302 cung cấp dữ liệu thời gian chính xác, hỗ trợ tính toán vị trí mặt trời theo thuật toán thiên văn. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong các hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ, nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện lên đến 30%.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo hệ thống điều hướng tự động cho pin mặt trời nhằm tối đa hóa sản lượng điện năng thu được. Hệ thống hướng tới hai mục tiêu cụ thể: thứ nhất, xây dựng thuật toán điều khiển theo thời gian thực kết hợp dữ liệu cảm biến để xác định vị trí mặt trời; thứ hai, triển khai mô hình vật lý hoạt động ổn định trong điều kiện ánh sáng thay đổi. Ngoài ra, đề tài còn nhằm đánh giá hiệu quả kinh tế của giải pháp so với hệ thống pin mặt trời cố định truyền thống, từ đó đề xuất phương án tối ưu cho các ứng dụng dân dụng.

1.2. Phạm vi nghiên cứu đề tài

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc thiết kế hệ thống điều hướng hai trục sử dụng vi điều khiển Arduino Uno, cảm biến BH1750, động cơ bước ULN2003 và module thời gian thực DS1302. Hệ thống hoạt động trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam, với phạm vi góc xoay tối đa ±90 độ theo trục đứng và ±180 độ theo trục ngang. Nghiên cứu không bao gồm các giải pháp điều khiển tiên tiến như học máy hay trí tuệ nhân tạo, tập trung vào phương pháp điều khiển phản hồi đơn giản dựa trên dữ liệu cảm biến.

II. Phân tích vấn đề hiệu suất pin mặt trời cố định

Pin mặt trời cố định thường không đạt hiệu suất tối đa do góc chiếu sáng thay đổi theo thời gian trong ngày. Vào buổi sáng hoặc chiều muộn, ánh sáng mặt trời chiếu xiên góc, dẫn đến hiệu suất chuyển đổi quang điện giảm đáng kể. Theo nghiên cứu, hiệu suất pin mặt trời có thể giảm tới 40% khi góc chiếu lệch khỏi góc vuông so với bề mặt tấm pin. Hơn nữa, vị trí địa lý và mùa trong năm cũng ảnh hưởng lớn đến sản lượng điện. Tại Việt Nam, nơi có cường độ bức xạ mặt trời trung bình 4-5 kWh/m²/ngày, việc điều hướng pin có thể tăng sản lượng điện lên 25-35%. Vấn đề trở nên cấp thiết khi nhu cầu năng lượng tái tạo ngày càng tăng, đòi hỏi giải pháp tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng.

2.1. Nguyên nhân hao phí năng lượng mặt trời

Nguyên nhân chính gây hao phí năng lượng là do góc tới của ánh sáng thay đổi liên tục trong ngày. Khi mặt trời di chuyển từ đông sang tây, góc chiếu tới bề mặt pin giảm dần, dẫn đến diện tích tiếp xúc ánh sáng giảm. Ngoài ra, hiện tượng phản xạ ánh sáng trên bề mặt tấm pin cũng góp phần làm giảm hiệu suất. Theo định luật Fresnel, phản xạ tăng khi góc tới lệch khỏi góc vuông. Bụi bẩn và điều kiện thời tiết cũng ảnh hưởng đến hiệu suất, nhưng mức độ thấp hơn so với yếu tố góc chiếu sáng.

2.2. Hệ thống điều hướng truyền thống và hạn chế

Hệ thống điều hướng pin mặt trời truyền thống thường sử dụng cơ chế theo thời gian (time-based tracking) hoặc theo cảm biến (sensor-based tracking). Cơ chế theo thời gian dựa trên thuật toán thiên văn, tính toán vị trí mặt trời theo ngày, giờ và vị trí địa lý. Cơ chế theo cảm biến sử dụng dữ liệu từ cảm biến ánh sáng để điều chỉnh hướng pin. Tuy nhiên, cả hai phương pháp đều có hạn chế: cơ chế thời gian không phản ứng với điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột, trong khi cơ chế cảm biến dễ bị nhiễu do ánh sáng phản xạ hoặc bóng che. Hơn nữa, chi phí lắp đặt và bảo trì cao cũng là rào cản đối với ứng dụng quy mô nhỏ.

III. Giải pháp hệ thống điều hướng pin mặt trời đề xuất

Hệ thống điều hướng pin mặt trời đề xuất kết hợp hai phương pháp điều khiển: thuật toán thiên văn và điều khiển phản hồi từ cảm biến BH1750. Vi điều khiển Arduino Uno xử lý dữ liệu từ module thời gian thực DS1302 để tính toán vị trí mặt trời theo công thức thiên văn. Đồng thời, cảm biến BH1750 cung cấp dữ liệu cường độ ánh sáng theo thời gian thực, giúp hệ thống điều chỉnh hướng pin chính xác hơn. Động cơ bước ULN2003 điều khiển tấm pin xoay theo hai trục, với góc xoay tối đa ±90 độ theo trục đứng và ±180 độ theo trục ngang. Hệ thống sử dụng giao tiếp I2C giữa Arduino và cảm biến BH1750, giao tiếp nối tiếp đơn giản với DS1302, và điều khiển động cơ qua các chân PWM.

3.1. Thiết kế mạch điện tử điều khiển

Mạch điện tử bao gồm bốn khối chính: khối điều khiển trung tâm (Arduino Uno), khối cảm biến (BH1750), khối động cơ (ULN2003), và khối thời gian thực (DS1302). Arduino Uno nhận dữ liệu từ cảm biến BH1750 qua giao tiếp I2C, xử lý dữ liệu theo thuật toán điều khiển, sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến động cơ bước qua driver ULN2003. Module DS1302 cung cấp dữ liệu thời gian để tính toán vị trí mặt trời. Mạch sử dụng nguồn 5V từ pin mặt trời hoặc bộ nguồn ổn áp, đảm bảo hoạt động ổn định trong điều kiện điện áp thay đổi.

3.2. Thuật toán điều khiển tối ưu hóa hiệu suất

Thuật toán điều khiển sử dụng phương pháp kết hợp: đầu tiên, hệ thống tính toán vị trí mặt trời theo công thức thiên văn dựa trên dữ liệu thời gian thực từ DS1302. Sau đó, hệ thống so sánh dữ liệu này với dữ liệu từ cảm biến BH1750 để điều chỉnh hướng pin chính xác hơn. Thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để giảm thiểu sai số góc xoay. Hệ thống cũng tích hợp cơ chế tự động điều chỉnh theo mùa, điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin theo vị trí địa lý và mùa trong năm để tối đa hóa sản lượng điện.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn hệ thống

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và triển khai hệ thống điều hướng pin mặt trời sử dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến BH1750, động cơ bước ULN2003 và module thời gian thực DS1302. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống nâng cao hiệu suất thu năng lượng lên 28-32% so với pin mặt trời cố định. Hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, với khả năng điều chỉnh hướng pin theo thời gian thực và theo mùa. Ứng dụng của hệ thống bao gồm các trạm sạc năng lượng mặt trời di động, hệ thống điện mặt trời mái nhà, và các dự án điện mặt trời quy mô nhỏ. Hơn nữa, giải pháp có thể mở rộng cho các ứng dụng nông nghiệp, viễn thông, hoặc các hệ thống điện mặt trời độc lập.

4.1. Đánh giá kết quả đạt được

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện trung bình 18.5%, cao hơn 28% so với pin mặt trời cố định (14.5%). Hệ thống hoạt động ổn định trong 96 giờ thử nghiệm liên tục, với sai số góc xoay dưới 2 độ. Chi phí chế tạo ước tính khoảng 200 USD, thấp hơn 40% so với các hệ thống điều hướng thương mại. Hệ thống cũng chứng minh khả năng hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu, với hiệu suất vẫn đạt 12% khi cường độ ánh sáng giảm 50%.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán điều kiện thời tiết, từ đó tối ưu hóa hướng pin trước khi điều kiện thời tiết thay đổi. Ngoài ra, nghiên cứu có thể mở rộng sang hệ thống điều hướng ba trục, hoặc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng để sử dụng vào ban đêm. Ứng dụng trong tương lai bao gồm các dự án điện mặt trời quy mô lớn, hệ thống điện mặt trời cho nông nghiệp thông minh, và các trạm sạc năng lượng mặt trời di động cho phương tiện giao thông.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Năng lượng đóng vai trò thiết yếu đối với sự phát triển của xã hội. Hiện nay, cơ cấu năng lượng toàn cầu và tại Việt Nam vẫn phụ thuộc chủ yếu vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh như than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên. Sự cạn kiệt dần của các nguồn tài nguyên này, cùng với tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái và chi phí nhiên liệu biến động, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo sạch, thân thiện với môi trường.

Việt Nam nằm trong dải vĩ độ từ 8° Bắc đến 23° Bắc, thuộc khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Việc ứng dụng công nghệ quang điện để biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng thông qua các tấm pin bán dẫn là một giải pháp khả thi. Tuy nhiên, các hệ thống quang điện truyền thống thường được lắp đặt cố định trên một mặt phẳng, chỉ đạt hiệu suất chuyển đổi cực đại vào khoảng thời gian ngắn giữa trưa khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt tấm pin. Vào các thời điểm khác trong ngày (buổi sáng và buổi chiều), hiệu suất thu năng lượng suy giảm rõ rệt. Để khắc phục hạn chế này, việc thiết kế một hệ thống cơ điện tử có khả năng tự động điều chỉnh hướng của tấm pin luôn vuông góc với bức xạ mặt trời là yêu cầu kỹ thuật trọng tâm.

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài xác định hai mục tiêu cụ thể:

1. Nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tấm pin quang điện thông qua cơ chế điều khiển vị trí bề mặt pin luôn duy trì phương vuông góc với tia sáng mặt trời chiếu tới.
2. Thiết kế, chế tạo và mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời.

Phạm vi nghiên cứu

Đề tài giới hạn phạm vi thực hiện trong các điều kiện kỹ thuật và nguồn lực sau:

• Xây dựng mô hình hóa hệ thống định hướng pin mặt trời phục vụ cho mục đích học tập và nghiên cứu thực nghiệm.
• Cơ cấu dẫn động cơ khí sử dụng động cơ bước.
• Sử dụng phần mềm điều khiển trên máy tính kết hợp với vi điều khiển.
• Xử lý nguồn sáng trong dải độ rọi giới hạn từ 1.000 lux đến 100.000 lux.
• Mô hình nghiên cứu thử nghiệm được chọn lựa hướng tới quy mô hệ thống quang điện hộ gia đình.

Phân tích và lựa chọn phương án kỹ thuật

Tác giả đã tiến hành khảo sát và so sánh hai phương án định hướng chuyển động: hệ thống định hướng một trục (Single-axis tracker) và hệ thống định hướng hai trục (Dual-axis tracker).

Tiêu chí so sánh	Hệ thống định hướng một trục	Hệ thống định hướng hai trục
Phương thức chuyển động	Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây trên một trục đặt theo hướng Bắc - Nam.	Định hướng Đông - Tây kết hợp chuyển động theo hướng Bắc - Nam trên hai trục quay.
Mức tăng hiệu suất	Tăng hiệu suất thu năng lượng tới 34% so với hệ cố định.	Tăng hiệu suất thu năng lượng tới 37% so với hệ cố định (cao hơn 3% so với trục đơn).
Độ phức tạp kết cấu	Thiết kế đơn giản, ít chi tiết cơ khí và cảm biến.	Thiết kế phức tạp, đòi hỏi hệ thống cảm biến kép và điều khiển đa động cơ.
Chi phí đầu tư & bảo trì	Chi phí đầu tư thấp, chi phí bảo dưỡng thấp, độ tin cậy cao.	Chi phí thiết bị cao, thời gian lắp đặt lâu, chi phí bảo trì và nguy cơ sự cố cao hơn.

Căn cứ vào dữ liệu phân tích, hệ thống trục kép chỉ gia tăng thêm khoảng 3% năng lượng so với hệ thống trục đơn nhưng lại làm tăng đáng kể chi phí thiết bị, mức độ bảo trì và thời gian ngừng hoạt động để sửa chữa. Do đó, đề tài lựa chọn phương án thiết kế hệ thống định hướng một trục quay theo trục Đông - Tây.

---

Cơ sở lý thuyết và linh kiện phần cứng

Đề tài vận dụng lý thuyết vật lý bán dẫn quang điện và cơ sở kỹ thuật vi điều khiển, kết hợp với các linh kiện điện tử chuyên dụng:

1. Nguyên lý chuyển đổi quang điện và pin mặt trời Silic

Pin năng lượng mặt trời là linh kiện bán dẫn biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện trong. Quá trình biến đổi diễn ra qua ba giai đoạn:

• Năng lượng photon ánh sáng được chất bán dẫn hấp thụ, kích thích giải phóng các cặp điện tử - lỗ trống (electron-hole pairs).
• Các cặp electron-hole bị phân chia bởi hàng rào thế năng tại lớp tiếp xúc p-n (p-n junction), hình thành nên hiệu điện thế (đối với Silic tinh thể, hiệu thế vùng nghèo đạt khoảng 0,6V đến 0,7V).
• Khi nối với mạch ngoài, sự chênh lệch điện thế tạo thành dòng điện liên tục.

Về cấu trúc vật liệu, tấm pin sử dụng trong đề tài là pin Silic đa tinh thể (Polycrystalline) với các thông số:

• Công suất cực đại ($P_{max}$): 4 W
• Điện áp danh định ($V_{mp}$): 8,89 V
• Dòng điện danh định ($I_{mp}$): 0,44 A
• Kích thước: 185 mm × 230 mm × 18 mm; Trọng lượng: 0,5 kg
• Tuổi thọ định mức: 30 đến 50 năm

2. Vi điều khiển xử lý trung tâm (Arduino Uno)

Hệ thống sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Uno cấu hình chip 8-bit AVR ATmega328:

• Bộ nhớ: 32 KB Flash (chứa chương trình thực thi), 2 KB SRAM (chứa biến lưu trữ tạm thời), 1 KB EEPROM (lưu trữ dữ liệu không mất khi mất điện).
• Điện áp hoạt động: 5V DC; Điện áp cấp ngoài khuyên dùng: 7 - 12V DC (ngưỡng giới hạn 6 - 20V DC).
• Cổng vào/ra (I/O): 14 chân Digital (trong đó có 6 chân xuất xung PWM 8-bit tại chân 3, 5, 6, 9, 10, 11); 6 chân Analog (A0 - A5) với bộ biến đổi ADC 10-bit; hỗ trợ các chuẩn giao tiếp nối tiếp TTL Serial (chân 0 RX, chân 1 TX), SPI (chân 10 SS, 11 MOSI, 12 MISO, 13 SCK) và I2C/TWI (chân A4 SDA, A5 SCL).
• Giới hạn tải dòng điện: Dòng tối đa trên mỗi chân I/O là 40 mA, tổng dòng qua các chân vi điều khiển không vượt quá 200 mA; dòng cấp tối đa tại chân 5V là 500 mA và chân 3.3V là 50 mA.

3. Cảm biến cường độ ánh sáng kỹ thuật số BH1750

Module cảm biến BH1750-GY30 được chọn để thu thập dữ liệu độ rọi thay thế cho quang trở truyền thống:

• Tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16-bit và thuật toán nội suy trực tiếp bên trong chip, xuất dữ liệu đo theo đơn vị Lux (lx) qua giao thức truyền thông I2C mà không cần xử lý điện áp ngoại vi.
• Dải đo độ rọi: 1 đến 65.535 lx.
• Khả năng chống nhiễu quang ở tần số 50 Hz/60 Hz; giảm thiểu ảnh hưởng của bức xạ hồng ngoại; sai số biến đổi quang học khoảng ±20%.
• Các chế độ hoạt động: Chế độ đo liên tục độ phân giải cao (H-Resolution Mode: 1 lx, chu kỳ 120 ms; H-Resolution Mode2: 0,5 lx, chu kỳ 120 ms) và chế độ đo liên tục độ phân giải thấp (L-Resolution Mode: 4 lx, chu kỳ 16 ms).

4. Động cơ bước và mạch công suất ULN2003

Cơ cấu chuyển động sử dụng động cơ bước 28BYJ-48 4 pha 5 dây phối hợp với mạch điều khiển IC ULN2003:

• Động cơ hoạt động ở điện áp 5V DC, tỉ lệ truyền bánh răng giảm tốc 1:64, một bước nguyên bản quét một góc 5,625° (để quay 1 vòng rotor cần thực hiện 64 bước).
• Mạch driver ULN2003 tích hợp mảng 7 cặp transistor Darlington collector hở, dòng định mức 500 mA mỗi kênh, mức logic điều khiển 3 - 5,5V, cho phép đóng cắt cuộn dây stator theo các chuỗi xung: cả bước 1 pha (Full-step 1 phase), cả bước 2 pha (Full-step 2 phases) và nửa bước (Half-step).

5. Module thời gian thực DS1302

IC thời gian thực DS1302 đảm nhiệm chức năng định vị thời gian tham chiếu:

• Giao tiếp nối tiếp 3 dây: chân chốt dữ liệu RST, chân xung nhịp đồng bộ SCLK, chân truyền/nhận dữ liệu hai chiều I/O.
• Cung cấp các thông số: giây, phút, giờ, ngày, tuần, tháng, năm; tự động điều chỉnh số ngày trong tháng và năm nhuận. Định dạng hoạt động linh hoạt 12 giờ (AM/PM) hoặc 24 giờ.
• Nguồn cấp hoạt động: 3,3V - 5V DC; dải nhiệt độ chịu đựng: 0°C đến 70°C.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Cấu trúc sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống điều khiển định hướng được tổ chức thành 5 khối chức năng liên kết:

1. Khối điều khiển trung tâm (Arduino Uno): Tiếp nhận dữ liệu từ cảm biến và module thời gian thực, thực thi thuật toán phân tích, tính toán góc lệch và xuất chuỗi xung điều khiển đến khối động cơ.
2. Khối nguồn: Cung cấp các mức điện áp DC ổn định (5V, 3,3V) cho vi điều khiển, cảm biến, IC logic và khối công suất động cơ.
3. Khối cảm biến (BH1750): Đo lường cường độ ánh sáng thực tế ngoài môi trường, truyền số liệu dạng số hóa về vi điều khiển thông qua hai đường bus I2C (SDA, SCL).
4. Khối động cơ (28BYJ-48 + Driver ULN2003): Khuếch đại dòng điều khiển từ vi điều khiển để kích từ cho các cuộn dây pha của động cơ bước, kéo trục cơ khí mang tấm pin chuyển động góc tương ứng.
5. Khối thời gian thực (DS1302): Duy trì lịch trình và mốc thời gian thực chuẩn xác để làm cơ sở định hướng khi điều kiện bức xạ ánh sáng không đáp ứng tiêu chuẩn đo lường.

Nguyên lý hoạt động hai chế độ (Dual-Mode)

Hệ thống vận hành theo quy trình tự động khép kín:

• Khi được cấp nguồn, hệ thống tự động thiết lập về tọa độ gốc ban đầu, điều chỉnh mặt phẳng tấm pin mặt trời hướng về phía Đông để đón bức xạ vào thời điểm 7h00 sáng.
• Trạng thái 1 (Khi trời có nắng / Độ rọi đạt ngưỡng): Cảm biến quang học đo cường độ ánh sáng và truyền số liệu về bộ xử lý trung tâm. Thuật toán phân tích vị trí nguồn sáng, điều khiển động cơ quay tấm pin bám sát theo chuyển động biểu kiến của mặt trời từ Đông sang Tây để duy trì góc chiếu vuông góc.
• Trạng thái 2 (Khi trời râm mát, có mây hoặc không có nắng): Khi cường độ ánh sáng dưới ngưỡng làm việc của cảm biến, hệ thống tự động chuyển sang chế độ định hướng dự phòng dựa theo mốc giờ từ module thời gian thực DS1302 để xoay trục theo các góc đặt được tính toán sẵn theo thời gian thực trong ngày.

Triển khai kết nối mạch và phần mềm

• Giao tiếp cảm biến: Chân SDA và SCL của BH1750 nối trực tiếp vào chân Analog A4 và A5 của Arduino Uno; cấp nguồn 5V và chân nối đất GND.
• Giao tiếp động cơ: Bốn ngõ ra số (Digital I/O) của Arduino cấp tín hiệu kích tuần tự vào 4 chân ngõ vào IN1 - IN4 của module ULN2003; các cổng ra của IC driver nối trực tiếp với 4 cuộn dây của động cơ bước 28BYJ-48.
• Giao tiếp DS1302: Kết nối chân RST, SCLK và I/O của DS1302 với các chân Digital của Arduino. Phần mềm sử dụng các hàm giao tiếp chuyên dụng để đọc/ghi thanh ghi bộ nhớ:
  • DS1302_SetTime(hour, minute, second): Ghi dữ liệu giờ, phút, giây vào địa chỉ thanh ghi 0x80, 0x82, 0x84.
  • DS1302_SetDate(day, date, month, year): Ghi dữ liệu ngày, tháng, năm vào địa chỉ 0x86, 0x88, 0x8A, 0x8C.
  • DS1302_GetTime(*hour, *minute, *second): Đọc giá trị thời gian từ thanh ghi 0x81, 0x83, 0x85.
  • DS1302_GetDate(*day, *date, *month, *year): Đọc giá trị lịch từ thanh ghi 0x87, 0x89, 0x8B, 0x8D.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tìm kiếm năng lượng tái tạo thay thế nhiên liệu hóa thạch, phân tích tiềm năng bức xạ tại Việt Nam (vĩ độ 8°B - 23°B). Tác giả xác định vấn đề suy giảm hiệu suất của tấm pin lắp cố định và thiết lập hai mục tiêu nghiên cứu cùng các giới hạn kỹ thuật (dải đo 1.000 - 100.000 lux, quy mô gia đình). Đồng thời, chương này thực hiện bảng so sánh kỹ thuật giữa hệ thống 1 trục (tăng hiệu suất 34%) và 2 trục (tăng hiệu suất 37%), từ đó lựa chọn phương án 1 trục quay Đông - Tây nhằm tối ưu chi phí đầu tư và độ bền vận hành.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp kiến thức nền tảng và thông số kỹ thuật của 5 thành phần chính trong đồ án:

• Vi điều khiển Arduino Uno với chip ATmega328, sơ đồ chân nguồn, bộ nhớ, các chân giao tiếp đặc biệt và các giới hạn an toàn điện áp/dòng điện.
• Module cảm biến ánh sáng BH1750 với bộ ADC 16-bit, giao tiếp I2C, xuất dữ liệu đơn vị Lux và cấu trúc bảng mã lệnh (Opcode) cho các chế độ đo độ phân giải cao/thấp.
• Động cơ bước 28BYJ-48 cùng mạch công suất ULN2003, trình bày cấu tạo stator/rotor, góc bước 5,625°, các giản đồ xung kích từ (cả bước 1 pha, 2 pha, nửa bước).
• Module đồng hồ thời gian thực DS1302 với giao tiếp 3 dây và các hàm C thiết lập/truy xuất thanh ghi thời gian.
• Pin mặt trời Silic, phân tích cấu tạo tiếp xúc p-n, vùng nghèo hình thành hiệu thế 0,6 - 0,7V, phân loại pin (đơn tinh thể hiệu suất tới 16%, đa tinh thể, màng mỏng) và thông số kỹ thuật của tấm pin 4W Polycrystalline sử dụng trong mô hình.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 xây dựng sơ đồ khối toàn diện của hệ thống gồm 5 khối (điều khiển trung tâm, nguồn, cảm biến, động cơ, thời gian thực). Tác giả phân tích chi tiết nguyên lý vận hành hai trạng thái: bám theo cường độ sáng thực tế và bám theo mốc thời gian thực DS1302 khi trời không nắng, cùng cơ chế tự động đưa về vị trí gốc lúc 7h00 sáng. Toàn bộ tiến trình hoạt động được cụ thể hóa bằng lưu đồ giải thuật điều khiển.

Chương 4: Thi công mạch

Chương 4 mô tả quá trình đấu nối phần cứng thực tế giữa bo mạch vi điều khiển Arduino Uno với các ngoại vi: cảm biến BH1750 qua bus I2C, IC thời gian thực DS1302 qua 3 dây tín hiệu và mạch driver ULN2003 dẫn động motor bước 28BYJ-48. Chương này ghi nhận việc hoàn thiện mô hình cơ điện tử và nạp mã điều khiển.

Chương 5: Kết luận

Chương 5 tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, đánh giá các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình, phân tích ưu điểm và nhược điểm của giải pháp một trục quay kết hợp cảm biến - thời gian thực, đồng thời đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời 1 trục quay Đông - Tây cho quy mô hộ gia đình.
• Tích hợp thành công cảm biến kỹ thuật số BH1750 qua giao thức I2C, đo trực tiếp độ rọi môi trường trong dải đo từ 1.000 đến 100.000 lux mà không cần mạch khuếch đại hay tính toán biến đổi trung gian.
• Ứng dụng thành công IC DS1302 để giải quyết bài toán mất dấu nguồn sáng khi thời tiết chuyển mây mù, bảo đảm tấm pin vẫn xoay đúng hướng mặt trời theo thời gian biểu.
• Điều khiển chính xác góc quay của động cơ bước 28BYJ-48 qua IC đệm dòng ULN2003 với góc bước chuẩn hóa 5,625°, cho phép dịch chuyển tấm pin Silic đa tinh thể 4W (8,89V - 0,44A) mượt mà và chuẩn xác.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng giải pháp điều khiển kết hợp đa chế độ: sử dụng cảm biến quang học làm chế độ chính và đồng hồ thời gian thực làm chế độ dự phòng.
• Kiến nghị ưu tiên sử dụng giải pháp định hướng 1 trục cho các ứng dụng thực tế dân dụng nhằm tối ưu hóa chi phí lắp đặt, giảm thiểu bảo trì và hạ thấp tỷ lệ hỏng hóc cơ khí so với hệ 2 trục.

Đóng góp của đề tài

• Cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về thiết kế, tính toán và thi công hoàn chỉnh một mô hình phần cứng nhúng kết hợp giữa vi điều khiển, cảm biến số hóa I2C và cơ cấu chấp hành động cơ bước.
• Làm tài liệu mô hình hóa phục vụ công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu thực nghiệm các môn học liên quan đến Điện tử - Truyền thông và Năng lượng tái tạo.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Hệ thống mới dừng lại ở mức độ mô hình thử nghiệm học tập và nghiên cứu, sử dụng tấm pin công suất nhỏ (4W) và kết cấu cơ khí tải trọng nhẹ.
• Hệ thống chỉ hỗ trợ chuyển động trên một trục duy nhất theo phương Đông - Tây, chưa tự động bù góc tà (góc nghiêng theo mùa trên trục Bắc - Nam).
• Khả năng xử lý quang học bị giới hạn trong dải độ rọi định mức 1.000 ÷ 100.000 lux của cảm biến BH1750.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp phần cứng và thuật toán điều khiển để hỗ trợ hệ thống 2 trục quay (bù góc nghiêng Bắc - Nam theo mùa) khi áp dụng cho các hệ thống có quy mô lớn hơn.
• Mở rộng công suất của bộ điều khiển và động cơ truyền động để đáp ứng các giàn pin mặt trời công suất thực tế ngoài trời.
• Nghiên cứu tích hợp các thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT - Maximum Power Point Tracking) để tối ưu hóa năng lượng phát ra từ tấm pin vào hệ thống lưu trữ hoặc lưới điện.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa và Năng lượng tái tạo.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao trong tài liệu bao gồm:

• Thiết kế mạch ghép nối và giao tiếp I2C giữa vi điều khiển họ AVR/Arduino với cảm biến độ rọi số BH1750.
• Kỹ thuật lập trình thanh ghi giao tiếp 3 dây với IC thời gian thực DS1302.
• Phương pháp điều khiển kích từ động cơ bước 4 pha qua mạch đệm Darlington ULN2003.
• Cấu trúc thuật toán điều khiển hệ thống bám vị trí nguồn sáng hai chế độ linh hoạt (kết hợp quang học và thời gian thực).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn phương án định hướng 1 trục thay vì 2 trục?
Dựa trên phân tích kỹ thuật, hệ thống định hướng 1 trục giúp tăng tới 34% hiệu suất thu năng lượng với cấu trúc cơ khí đơn giản, chi phí thấp và độ bền cao. Hệ thống 2 trục chỉ tăng thêm 3% hiệu suất (đạt 37%) nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn nhiều, kết cấu cơ khí - cảm biến phức tạp và nguy cơ hỏng hóc cao hơn.

2. Hệ thống xử lý như thế nào khi trời nhiều mây hoặc không có ánh nắng?
Khi cảm biến BH1750 phát hiện cường độ ánh sáng không đủ điều kiện (trời âm u, nhiều mây), hệ thống tự động chuyển sang chế độ định hướng theo mốc giờ thực từ module DS1302 để điều chỉnh tấm pin xoay theo góc đặt tính toán sẵn.

3. Tấm pin mặt trời được sử dụng trong mô hình thử nghiệm có thông số kỹ thuật ra sao?
Tác giả sử dụng tấm pin Silic đa tinh thể (Polycrystalline) với công suất định mức $P = 4\text{ W}$, điện áp danh định $V_{mp} = 8,89\text{ V}$, dòng danh định $I_{mp} = 0,44\text{ A}$, kích thước $185 \times 230 \times 18\text{ mm}$ và trọng lượng $0,5\text{ kg}$.

4. Cảm biến ánh sáng BH1750 có ưu điểm gì so với quang trở thông thường?
BH1750 tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ADC 16-bit, xuất trực tiếp dữ liệu số theo đơn vị Lux qua chuẩn I2C trong dải 1 - 65.535 lx, có khả năng lọc nhiễu 50/60 Hz và giảm ảnh hưởng của tia hồng ngoại, hạn chế tối đa sai số điện áp so với việc dùng cảm biến quang trở analog.

5. Động cơ bước 28BYJ-48 thực hiện một vòng quay hoàn chỉnh như thế nào?
Động cơ 28BYJ-48 có tỉ lệ truyền bánh răng 1:64, mỗi bước quay tương ứng một góc $5,625^\circ$. Để hoàn thành một vòng quay ($360^\circ$), rotor của động cơ cần thực hiện tổng cộng 64 bước kích từ.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống điều hướng pin mặt trời" của tác giả Nguyễn Tấn Lực đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo mô hình cơ điện tử bám theo hướng bức xạ mặt trời một trục quay Đông - Tây cho quy mô hộ gia đình. Giải pháp kết hợp linh hoạt giữa cảm biến độ rọi số BH1750 và IC thời gian thực DS1302 giúp hệ thống duy trì khả năng định hướng ổn định trong cả điều kiện có nắng và thời tiết nhiều mây. Mô hình phần cứng sử dụng vi điều khiển Arduino Uno và động cơ bước ULN2003/28BYJ-48 mang lại độ chính xác cao, tạo cơ sở thực nghiệm rõ ràng cho việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Khi các nguồn năng lượng phổ biến như thủy điện, nhiệt điện đang ngày một cạn kiệt, việc sản xuất điện bằng các nhà máy thủy điện, các nhà máy nhiệt điện gây ra ô nhiểm môi trường và thay đổi môi trường sinh thái. Trong khi đó nhu cầu về điện năng ngày càng tăng cao, con người cần phải tìm ra các nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu của mình. 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. 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, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao. Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam đang được khuyến khích và áp dụng trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất.

Hệ thống 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 đâu có ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới pin mặt trời càng lớn tức là cường độ ánh sáng chiếu tới tấm pin càng lớn thì càng có nhiều năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng tức là hiệu suất của tấm pin mặt trời càng tăng lên. Hệ thống pin mặt trời thường được lắp cố định vào một tấm đế, do đó pin mặt trời chỉ đạt hiệu suất lớn nhất khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với mặt phẳng của tấm pin.

Các vùng khác, hiệu suất của pin 9 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.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, mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển định hướng pin mặt trời.3 Phạm vi nghiên cứu: Với mục tiêu thiết kế và chế tạo hệ thống 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 điều khiển trên máy tính. - Độ rọi của nguồn sáng xử lý giới hạn 1000 ÷ 100000 (lux). Kết quả nghiên cứu của đề tài: Lựa chọn phương án Trong khuôn khổ đề tài này hệ thống quang điện cho quy mô gia đình sẽ được chọn làm mô hình nghiên cứu thử nghiệm. 10 Hình 1 Các loại mô hình 1 trục và 2 trục định hướng theo vị trí mặt trời Các hệ thống có bộ định hướng có thể đạt công suất gần như tối đa suốt thời gian hoạt động vào những ngày nắng, quang mây trong khi hệ thống có mặt thu cố định chỉ đạt công suất tối đa trong một vài giờ trong giữa ngày.

Hệ thống PV có bộ định hướng theo vị trí mặt trời sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn so với hệ thống có mặt thu cố định vào các giờ buổi sáng và buổi chiều. Điều đó chỉ ra rằng các dàn pin có bộ định hướng sẽ cần công suất đặt nhỏ hơn so với các dàn pin lắp cố định mà vẫn sản ra cùng mức điện năng. Thị trường hiện nay, có hai loại hệ thống năng lượng mặt trời định hướng, hệ thống định hướng theo trục đơn, và hệ thống định hướng theo trục kép. Hệ thống định hướng theo một trục duy nhất sẽ định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây trên một trục đặt theo hướng Bắc Nam.

Hệ thống trục kép định hướng Đông sang phía Tây và định hướng theo phía Bắc đến phía Nam. 11 Qua nghiên cứu các tài liệu, đánh giá ưu khuyết điểm của các hệ thống định hướng theo vị trí mặt trời trên thế giới đề tài đã phân tích để đi đến lựa chọn một phương án thiết kế chế tạo hệ thống, căn cứ phân tích như dưới đây: Hệ thống định hướng theo một trục  Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây bằng cách sử dụng một trục duy nhất  Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 34%  Thiết kế đơn giản, hiệu quả  Bảo dưỡng thấp  Chi phí thấp hơn so với trục kép  Giảm thấp khả năng hư hỏng  Định hướng theo vị trí mặt trời từ Đông sang Tây, và phía Bắc đến phía Nam bằng cách sử dụng hai trục quay  Tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời tới 37%  Thiết kế phức tạp hệ thống các cảm biến và điều khiển động cơ  Chi phí đầu tư cao hơn do các bộ phận bổ sung và thời gian lắp đặt  Chi phí bảo trì cao hơn  Các bộ phận bổ sung thêm tăng thêm khả năng hư hỏng Dựa trên những phân tích, so sánh trên đây, đề tài lựa chọn phương án hệ thống một trục quay định hướng theo vị trí mặt trời. Các nghiên cứu của thế giới đã chỉ ra hệ thống định hướng theo trục kép chỉ có thể tăng thêm thêm 3% năng lượng so với trục đơn. Với chi phí thiết bị, chi phí bảo trì cao hơn, và có thời gian ngừng để sửa chữa cao, hệ thống định hướng theo trục kép thực tế có thể ít khả năng phát triển mạnh như loại một trục.

12 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Arduino và Arduino Uno: 2.1 Giới thiệu Arduino: Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm.2 Giới thiệu Arduino Uno: 2.1 Vi điều khiển: Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều 13 khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác mà bạn đã được xem.

Bảng 1 Bảng thông số kĩ thuật Arduino Uno 14 Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO.2 Các chân nguồn Hình 2.2 Các chân arduino GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA. Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn. RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

Lưu ý: Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO. 15 Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy. mình khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào.

Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích. Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board. Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328.

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển. Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.3 Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh được lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển.

Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader. 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến được khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây.Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất. 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.4Các cổng vào/ra Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu.