Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời

Đồ án tốt nghiệp chi tiết về hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời. Bao gồm thiết kế, sơ đồ, tính toán và lưu đồ giải thuật.

• Tác giả: Lê Hoàng Nghĩa
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Hệ Thống Điều Khiển Đèn Giao Thông Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Đèn Giao Thông Năng Lượng Mặt Trời

Hệ thống đèn giao thông năng lượng mặt trời là một giải pháp tiên tiến kết hợp công nghệ điều khiển tự động với năng lượng tái tạo. Đề án này được phát triển tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM nhằm tạo ra một hệ thống bền vững và hiệu quả năng lượng cho các giao lộ đô thị. Hệ thống sử dụng pin mặt trời làm nguồn năng lượng chính, kết hợp với vi điều khiển thông minh để tối ưu hóa hoạt động của đèn tín hiệu. Công nghệ này không chỉ giúp giảm chi phí điện năng mà còn đóng góp tích cực vào bảo vệ môi trường. Đồ án bao gồm nhiều thành phần: hệ thống quản lý năng lượng, điều khiển đèn giao thông, điều hướng pin mặt trời, và cấp điện. Mỗi thành phần được thiết kế chi tiết với các lưu đồ giải thuật và phần mềm điều khiển chuyên nghiệp.

1.1. Tầm quan trọng của Năng lượng Mặt trời trong Giao thông

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô hạn, đặc biệt phù hợp với khí hậu của Việt Nam. Việc ứng dụng công nghệ này vào hệ thống đèn giao thông giúp giảm phụ thuộc vào điện lưới công cộng. Đèn giao thông chạy bằng năng lượng mặt trời có thể hoạt động 24/7 nhờ hệ thống lưu trữ năng lượng bằng ắc quy. Điều này đặc biệt quan trọng ở các khu vực xa, nơi không có điện lưới. Công nghệ này giúp tiết kiệm chi phí vận hành lâu dài và giảm tác động môi trường.

1.2. Mục tiêu và Phạm vi Nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề án là phát triển một hệ thống đèn giao thông tự động hoạt động 100% bằng năng lượng mặt trời. Hệ thống được thiết kế để quản lý năng lượng hiệu quả, điều khiển các đèn tín hiệu theo tiêu chuẩn giao thông, và điều hướng pin mặt trời theo hướng mặt trời. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế phần cứng, lập phần mềm điều khiển, và tính toán năng lượng chi tiết cho từng thành phần.

II. Cơ sở Lý thuyết và Các Thành phần Chính

Hệ thống đèn giao thông năng lượng mặt trời được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết vững chắc về điều khiển tự động, điện tử học, và năng lượng tái tạo. Các vi điều khiển như PIC 16F887, Arduino UNO R3, và NodeMCU ESP8266 được sử dụng để xử lý logic điều khiển. Hệ thống kết hợp nhiều module cảm biến và thiết bị hiển thị để theo dõi và quản lý năng lượng hiệu quả. Cảm biến dòng điện ACS712 giúp đo lượng năng lượng tiêu thụ, trong khi module thời gian thực DS1307 đảm bảo hoạt động chính xác theo giờ. Các LED 7 đoạn và LCD 20x4 cung cấp giao diện hiển thị thân thiện cho người dùng.

2.1. Vi điều khiển và Module Xử lý

PIC 16F887 là vi điều khiển 8-bit được lựa chọn chính với 40 chân I/O, hỗ trợ giao tiếp I2C và UART. Arduino UNO R3 cung cấp lập trình dễ dàng với ngôn ngữ C++. NodeMCU ESP8266 tích hợp Wi-Fi cho khả năng kết nối từ xa. Mỗi vi điều khiển được lựa chọn dựa trên yêu cầu xử lý của từng subsystem. Chúng hoạt động với tần số xung nhịp cao để xử lý dữ liệu nhanh chóng.

2.2. Cảm biến và Thiết bị Hiển thị

Cảm biến ACS712 sử dụng hiệu ứng Hall để đo dòng điện chính xác. Màn hình LCD 20x4 hiển thị thông tin năng lượng, thời gian, và trạng thái hệ thống. LED 7 đoạn được điều khiển qua IC 74HC595 để hiển thị đếm ngược thời gian cho đèn giao thông. Module thời gian thực DS1307 dùng giao tiếp I2C với độ chính xác cao. Các thiết bị này được tích hợp chặt chẽ để tạo ra giao diện hoàn chỉnh.

III. Thiết kế Hệ thống và Tính toán Năng lượng

Thiết kế hệ thống đèn giao thông năng lượng mặt trời tuân theo quy trình kỹ thuật nghiêm ngặt với nhiều phân hệ độc lập. Hệ thống quản lý năng lượng theo dõi mức sạc pin, công suất tiêu thụ, và kiểm soát đèn chiếu sáng dựa vào thời gian và quang cảm biến. Hệ thống điều khiển đèn giao thông thực hiện chu kỳ tín hiệu chuẩn (xanh, vàng, đỏ) với thời gian có thể lập trình. Hệ thống điều hướng pin mặt trời sử dụng hai servo motor để theo dõi vị trí mặt trời tối đa hóa thu năng lượng. Hệ thống cấp điện bao gồm pin mặt trời 50W, ắc quy 12V 100Ah, và mạch điều chỉnh điện áp ổn định. Tính toán năng lượng chi tiết cho thấy hệ thống có tỷ lệ hiệu suất cao.

3.1. Sơ đồ Khối Hệ thống và Nguyên lý Hoạt động

Sơ đồ khối hệ thống thống biểu diễn các subsystem liên kết với vi điều khiển trung tâm. Khối cảm biến thu thập dữ liệu quang, dòng điện, và dữ liệu thời gian. Khối xử lý phân tích thông tin để quyết định hành động. Khối hiển thị cung cấp phản hồi trực quan. Khối đèn thực hiện tín hiệu giao thông. Nguyên lý hoạt động dựa trên lập trình logic để đảm bảo an toàn giao thông và hiệu quả năng lượng.

3.2. Tính toán và Bảng Tiêu thụ Năng lượng

Tính toán năng lượng được thực hiện chi tiết cho mỗi thành phần: đèn LED (3-5W), vi điều khiển (1W), cảm biến (0.5W), và motor (5W). Tổng công suất tiêu thụ dự kiến khoảng 15-20W trong chế độ hoạt động bình thường. Pin mặt trời 50W có thể sạc đầy ắc quy 100Ah trong khoảng 5-6 giờ nắng. Bảng tiêu thụ chi tiết cho thấy hệ thống có khả năng tự cấp điện 24/7 ngay cả trong điều kiện thời tiết xấu.

IV. Lưu đồ Giải thuật và Phần mềm Điều khiển

Phần mềm điều khiển được lập trình dựa trên lưu đồ giải thuật chi tiết, đảm bảo logic hoạt động chính xác cho mỗi subsystem. Hệ thống quản lý năng lượng có lưu đồ khởi tạo LCD, ghi/đọc dữ liệu, tính toán công suất, và điều khiển đèn theo giờ. Hệ thống điều khiển đèn giao thông bao gồm xử lý nút nhấn, quản lý chu kỳ tín hiệu, và hiển thị LED 7 đoạn thông qua IC 74HC595. Hệ thống điều hướng pin sử dụng cảm biến quang để điều khiển servo motor theo vị trí mặt trời. Mã nguồn được viết bằng ngôn ngữ C/C++ với cấu trúc module hóa dễ bảo trì. Các lưu đồ được vẽ chi tiết theo tiêu chuẩn kỹ thuật đảm bảo dễ hiểu và triển khai.

4.1. Lưu đồ Giải thuật Quản lý Năng lượng

Lưu đồ khối chính của hệ thống quản lý năng lượng bắt đầu bằng khởi tạo LCD và cảm biến ADC. Vòng lặp chính đọc giá trị ADC từ cảm biến dòng điện, tính toán công suất theo công thức P = U × I. Dung lượng ắc quy được cập nhật liên tục dựa vào công suất tiêu thụ. Quyết định điều khiển đèn dựa vào thời gian hôm nay và mức sạc pin. Nếu pin dưới 30%, hệ thống tắt đèn chiếu sáng. Mỗi bước được hiển thị trên LCD cho người quản lý.

4.2. Lưu đồ Giải thuật Điều khiển Đèn Giao thông

Lưu đồ điều khiển đèn giao thông quản lý ba tín hiệu: xanh-vàng-đỏ. Nút nhấn SWITCH được xử lý khử rung để chọn chế độ (tự động/thủ công). Nút nhấn MODE cho phép thay đổi thời gian sáng của mỗi màu. Dữ liệu LED 7 đoạn được dịch chuyển vào IC 74HC595 theo giao thức SPI. Chu kỳ tín hiệu tuân theo tiêu chuẩn giao thông với thời gian lập trình tối ưu dựa vào khối lượng giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Với tình hình cơ sở hạ tầng nước ta hiện nay, tình trạng giao thông là một vấn đề cần được giải quyết cũng như cải tiến hệ thống để có thể cải thiện tình trạng ùn tắc giao thông ở các nút giao quan trọng. Thế giới hiện nay đang ngày càng hiện đại với những công nghệ tiên tiến giúp cho cuộc sống thuận tiện hơn cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử thông minh đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi nhằm mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội. Không những thế hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật kéo theo đó là nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao. Chính vì thế mà vấn đề về năng lượng cũng rất được quan tâm.

Hiện nay nguồn năng lượng sử dụng chủ yếu từ than đá, dầu khí,… còn năng lượng tái tạo chỉ chiếm khoảng 20%. Dù chỉ chiếm tỉ trọng nhỏ nhưng năng lượng tái tạo vẫn đang trên đà phát triển và trong số đó tăng nhanh nhất phải kể đến là năng lượng tái tạo từ mặt trời. Năng lượng từ mặt trời được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt hoặc điện, được biết đến là nguồn năng lượng tái tạo sạch nhất và dồi dào nhất hiện có và nước ta có tài nguyên năng lượng mặt trời phong phú. Các công nghệ năng lượng mặt trời có thể khai thác cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, bao gồm tạo ra điện, cung cấp ánh sáng và nước nóng để sử dụng trong gia đình, thương mại hoặc công nghiệp.

Năng lượng mặt trời được biết là có tác động thuận lợi và nhiều lợi ích đến môi trường. Năng lượng mặt trời là miễn phí và sẵn có dồi dào – nếu chúng ta có thể nắm bắt toàn bộ nguồn năng lượng này chỉ trong một giờ, chúng ta có thể cung cấp điện cho toàn thế giới trong một năm. Chính vì những vấn đề trên nên nhóm đã quyết định chọn đề tài “Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời” nhằm giải quyết vấn đề giao thông nước ta cũng như sử dụng nguồn năng lượng sạch để cung cấp cho hệ thống.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1.1 Hệ thống điều khiển các thiết bị trong nhà Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hệ thống được nghiên cứu và áp dụng công nghệ 4.0 nhằm giám sát và điều chỉnh theo các thông số cho phù hợp.0 tập trung vào công nghệ kỹ thuật số từ những thập kỷ gần đây lên một cấp độ hoàn toàn mới với sự trợ giúp của kết nối thông qua IoTs, truy cập dữ liệu thời gian 2 thực và giới thiệu các hệ thống vật lý không gian mạng.0 cho phép các nhà máy thông minh, sản phẩm thông minh, chuỗi cung ứng cũng thông minh, làm cho các hệ thống sản xuất, dịch vụ trở nên linh hoạt và đáp ứng khách hàng hơn. Trong tương lai, công nghiệp 4.0 dự kiến sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn nữa.

Do đó, các doanh nghiệp cần sẵn sàng để chuẩn bị cho một sự đổi mình liên tục thể cập nhật các xu hướng hiện đại sắp tới. Với sự phát triển đó các hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà ngày càng phát triển mạnh mẽ. Người dùng có thể điều khiển thiết bị điện bất cứ nơi nào có thể truy cập Internet. Ngoài ra còn có thể giám sát và cập nhật các giá trị nhiệt độ, độ ẩm trên một giao diện hoặc ứng dụng do người lập trình viết.

Không những thế hệ thống còn được tích hợp việc cảnh báo qua tin nhắn hoặc qua chuông báo động mỗi khi có sự cố như: có cháy, lượng khí độc vượt quá ngưỡng, có trộm đột nhập,. Hệ thống này hoạt động 24/24 kể cả khi có sự cố mất điện hệ thống vẫn có thể hoạt động nhờ vào việc tự động chuyển sang nguồn năng lượng được lấy từ lưới điện. Đối với các hệ thống như vậy thường sử dụng vi điều khiển trung tâm là Arduino, PIC, STM32,… kết hợp với module ESP 8266 có nhiệm vụ thu phát wifi và truyền dữ liệu lên database hoặc websever. Người dùng có thể điều khiển thiết bị điện bằng smartphone chạy hệ điều hành Android, iOS hay truy cập vào trang web điều khiển[1].

- Ưu điểm:  Lập trình cho hệ thống hoạt động ổn định qua nhiều lần kiểm tra.  Xử lý triệt để các tình huống mạch hoạt động sai so với yêu cầu.  Chi phí cho vi điều khiển thấp.  Có phần mềm hỗ trợ lập trình miễn phí của hãng.

- Khuyết điểm:  Khả năng chống nhiễu không tốt.  Một số vi điều khiển phải thiết kế phần cứng.2 Hệ thống đèn giao thông nước ta Hiện nay hệ thống đèn giao thông nước ta chủ yếu sử dụng PLC để điều khiển các tín hiệu đèn giao thông. - Ưu điểm:  Thực hiện các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.  Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản và sửa chữa.

3  Cấu trúc PLC dạng module có thể dễ dàng thay thế đồng thời có thể mở rộng các ngõ vào/ra dữ liệu cho phép thực hiện các chức năng khác.  Giao tiếp được với các thiết bị khác như máy tính,… - Khuyết điểm  Giá thành cao, chi phí bảo dưỡng và sửa chữa cao.  Một số hãng cần phải mua thêm phần mểm để hỗ trợ lập trình.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Thiết kế và thi công hệ thống đèn giao thông thông minh. Hệ thống được cung cấp năng lượng bằng năng lượng lấy từ pin mặt trời được giám sát điện áp và dòng điện có thể tự động chuyển đổi nguồn năng lượng sang 220V AC khi có sự cố hoặc không đủ năng lượng.

Đồng thời có thể điều khiển đèn tín hiệu theo chế độ bằng tay, chế độ tự động hoặc điều khiển thông qua kết nối không dây và tự động bật tắt hệ thống đèn đường.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: - Về phần mềm đó là các giải thuật để nâng cao hiệu suất sử dụng pin năng lượng mặt trời và các phương pháp để giám sát và điều khiển hệ thống thông qua mạng không dây. - Về phần cứng: tìm hiểu về các linh kiện điện tử, các module, pin năng lượng mặt trời, bộ sạc, các mạch cơ bản như mạch cầu H, mạch sạc để thiết kế hệ thống và vi điều khiển. Phạm vi nghiên cứu: trong phạm vi mô hình nhỏ sử dụng năng lượng và công suất thấp có thể ứng dụng vào thực tế hoặc các mô hình lớn hơn. Khả năng đáp ứng giới hạn trong phạm vi mô hình 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tìm hiểu các lý thuyết về giải thuật điều khiển hệ thống đèn tin hiệu giao thông, các cách truyền dữ liệu.

Mô phỏng hoạt động của hệ thống sử dụng phần mềm proteus. Thiết kế và xây dựng hệ thống.6 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 4 Mặc dù hiện nay tài liệu về đề tài của nhóm khá nhiều nhưng đa phần tài liệu từ nước ngoài, do đó việc dịch thuật còn khó khăn, cộng thêm đề tài của nhóm là các thiết bị sử dụng trong thực nghiệm nên vẫn có khả năng dễ hư hỏng khi đưa ra thực tế. Ngoài ra sản phẩm của nhóm là mô hình nên khoảng cách các trụ đèn so với thực tế còn chênh lệch lớn nên việc giao tiếp không dây so với thực tế còn khó khăn. 5 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887 2.1 Giới thiệu Vi điều khiển 16F887 là một con chip tích hợp các module như RAM, ROM, CPU, TIMER, bộ đếm COUNTER, bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC).

Ngoài ra, nó còn hỗ trợ các giao thức như CAN, SPI, UART để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi bổ sung.1 Vi điều khiển PIC 16F887 2.2 Sơ đồ cấu trúc PIC 16F887 6 Các khối bên trong vi điều khiển PIC 16F887 [2]: - Khối CPU: nơi xử lý các lệnh, thông tin đưa vào từ ngoại vi và là nơi đặt WDT, các biến báo ngắt và cũng là khối quan trọng nhất trong vi điều khiển PIC 16F887. - Khối cổng chân I/O: là cầu nối giữa vi xử lý và các ngoại vi bên ngoài đưa tín hiệu vào cho vi xử lý như các cảm biến, các công tắc, nút nhấn. Hoặc đưa tín hiệu ra để điều khiển các ngoại vi như LED 7 đoạn hoặc LCD - Khối bộ nhớ: là nơi lưu trữ các lệnh chương trình để vi xử lý thực hiện và cũng là nơi lưu trữ các dữ liệu trước và sau khi xử lý. - Khối Timer: là một bộ đếm xung nhịp (xung clock), có chứa các thanh ghi chứa giá trị đếm được và dùng dữ liệu đó để quét led, tạo xung PWM, ….

- Khối ADC: chuyển đổi tín hiệu tương tự nhận được từ các cảm biến thông qua các chân I/O thành tính hiệu số để vi xử lý có thể xử lý được. - Khối CCP/PWM: điều chế độ rộng xung nhằm làm thay đổi giá trị trung bình của điện áp hoặc dòng điện, từ đó có thể dùng để điều khiển tốc độ động cơ DC. - Khối tạo xung dao động: dùng để tạo xung cấp cho các hoạt động của vi xử lý và các ngoại vi bên trong con vi điều khiển. - Khối truyền dữ liệu nối tiếp: dùng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị với vi điều khiển mà không tiêu tốn quá nhiều cổng I/O trên vi điều khiển.

- Khối nguồn: cung cấp nguồn nuôi cho vi xử lý và các ngoại vi liên quan có trong vi điều khiển đó.3 Thông số kỹ thuật - Bộ dao động nội chính xác: sai số ± 1% và có thể lựa chọn tần số dao động nội từ 31 kHz đến 8 Mhz bằng phần mềm. - Chế độ bắt đầu 2 cấp tốc độ. - Mạch phát hiện hỏng dao động thạch anh cho các ứng dụng quan trọng. - Có chuyển mạch nguồn xung clock trong quá trình hoạt động để tiết kiệm công suất.

- Có chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng. - Dãy điện áp hoạt động rộng từ 2V đến 5. - Tầm nhiệt độ làm việc theo chuẩn công nghiệp. - Có mạch reset khi có điện (POR).

- Có bộ định thời chờ ổn định điện áp khi mới có điện (PWRT) và bộ định thời chờ dao động hoạt động ổn định khi mới cấp điện (OST). 7 - Có mạch tự động reset khi phát hiện nguồn điện cấp bị sụt giảm, cho phép lựa chọn bằng phần mềm (BOR). - Có bộ định thời giám sát WDT dùng dao động trong chip cho phép bằng phần mềm (có thể định thời lên đến 268 giây). - Đa hợp ngõ vào reset với ngõ vào có điện trở kéo lên.

- Có bảo vệ code đã lập trình.