Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Hệ thống giao thông đường bộ tại Việt Nam đang đối mặt với tình trạng gia tăng nhanh chóng về mật độ phương tiện, dẫn đến hiện tượng ùn tắc nghiêm trọng tại các nút giao thông trọng điểm trong các đô thị. Phần lớn hệ thống đèn tín hiệu giao thông hiện hữu sử dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) hoặc vận hành theo các chu kỳ cố định; khi xảy ra ùn tắc đột xuất, việc can thiệp phụ thuộc hoàn toàn vào lực lượng điều tiết trực tiếp tại hiện trường, làm giảm tính kịp thời và hiệu quả xử lý. Song song đó, nguồn năng lượng truyền thống từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt) đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, trong khi tỷ trọng năng lượng tái tạo tại Việt Nam chỉ chiếm khoảng 20%. Nguồn năng lượng mặt trời dồi dào chưa được khai thác triệt để cho các hệ thống hạ tầng giao thông công cộng độc lập.
Đề tài "Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời" do sinh viên Lê Hoàng Nghĩa và Bành Bá Cẩn thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Ngô Lâm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Viễn thông, hoàn thành tháng 08/2020) được xây dựng nhằm giải quyết các vấn đề trên.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông hoạt động bằng nguồn năng lượng mặt trời độc lập.
- Thiết kế mạch đo đạc, giám sát điện áp và dòng điện của tấm pin quang điện và ắc quy lưu trữ, có cơ chế tự động chuyển đổi sang nguồn điện lưới 220V AC dự phòng khi hệ thống gặp sự cố hoặc năng lượng lưu trữ không đủ.
- Thiết kế hệ thống điều hướng tấm pin mặt trời (solar tracking) tự động xoay theo hướng ánh sáng để nâng cao hiệu suất hấp thụ năng lượng.
- Xây dựng các chế độ điều khiển linh hoạt cho hệ thống đèn tín hiệu: chế độ tự động, chế độ điều khiển bằng tay thông qua nút bấm và chế độ điều khiển không dây từ xa thông qua giao diện máy chủ web (Web Server).
- Tích hợp chức năng tự động bật/tắt hệ thống đèn chiếu sáng đường phố theo thời gian thực.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu:
- Về phần cứng: Nghiên cứu nguyên lý và tích hợp các vi điều khiển (PIC 16F887, Arduino Uno R3, ESP8266 NodeMCU), cảm biến dòng điện Hall ACS712, cảm biến quang trở (LDR), mạch cầu H L298, IC ghi dịch 74HC595, module thời gian thực DS1307, mạch sạc điều chế độ rộng xung (PWM) và các khối hiển thị (LCD 20x4, LED 7 đoạn).
- Về phần mềm: Nghiên cứu giải thuật điều hướng pin mặt trời, giải thuật đếm lùi thời gian đèn tín hiệu giao thông, giải thuật giao tiếp truyền dữ liệu UART, I2C và giải thuật điều khiển máy chủ mạng không dây thông qua vi điều khiển ESP8266.
- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài thực hiện trong phạm vi mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ, công suất thấp tại phòng thí nghiệm; khoảng cách truyền nhận và kích thước cơ khí được thu nhỏ so với thực địa.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận dựa trên các cơ sở lý thuyết phần cứng điện tử, nguyên lý chuyển đổi quang điện và các giao thức truyền thông công nghiệp. Hệ thống phần cứng bao gồm các linh kiện và chuẩn giao tiếp chính sau:
| Thiết bị / Module |
Thông số kỹ thuật & Đặc tính chính |
Vai trò trong hệ thống |
| PIC 16F887 |
Vi điều khiển 8-bit, tần số dao động nội lên đến 8 MHz, 14 kênh ADC 10-bit, hỗ trợ UART, SPI, I2C, CCP/PWM. |
Xử lý trung tâm cho khối quản lý năng lượng và khối điều khiển đèn giao thông. |
| Arduino Uno R3 |
Vi điều khiển ATmega328 (16 MHz), 32 KB Flash, 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM, 14 chân Digital I/O, 6 chân Analog. |
Xử lý trung tâm cho khối điều hướng pin mặt trời theo tín hiệu quang trở. |
| ESP8266 NodeMCU |
Vi điều khiển SoC tích hợp Wi-Fi 2.4 GHz (chuẩn 802.11 b/g/n), bộ nhớ Flash 4 MB, hỗ trợ chế độ Access Point (AP) và Web Server. |
Nhận lệnh điều khiển không dây từ người dùng và truyền nối tiếp sang vi điều khiển trung tâm qua UART. |
| Cảm biến dòng ACS712 |
Dựa trên hiệu ứng Hall (Edwin Herbert Hall, 1879), dải đo dòng điện ±20A, ngõ ra analog 0–5V tuyến tính, độ nhạy trung bình 100 mV/A. |
Đo đạc dòng điện sạc từ pin mặt trời và dòng tiêu thụ của hệ thống. |
| Module RTC DS1307 |
IC thời gian thực kết nối I2C, thạch anh 32.768 kHz, tích hợp EEPROM AT24C32 và pin dự phòng CMOS 3V. |
Cung cấp thông tin ngày, giờ, phút, giây chính xác để bật/tắt đèn chiếu sáng. |
| IC ghi dịch 74HC595 |
IC thanh ghi dịch 8-bit ngõ vào nối tiếp, ngõ ra song song có chốt dữ liệu (Latch), 3 trạng thái ngõ ra. |
Mở rộng cổng điều khiển vi điều khiển, quét hiển thị cho module 2 LED 7 đoạn đếm lùi. |
| Màn hình LCD 20x4 |
Bộ điều khiển HD44780, hiển thị 4 dòng x 20 ký tự, bộ nhớ DDRAM, CGROM, CGRAM. |
Hiển thị thông số điện áp, dòng điện, dung lượng ắc quy và thời gian thực. |
| Module cầu H L298 |
Dải điện áp hoạt động $V_S$ từ 2.5V đến 46V, dòng tải tối đa 2A mỗi kênh, điều khiển đảo chiều và điều tốc PWM. |
Điều khiển động cơ DC xoay giá đỡ tấm pin mặt trời theo góc chiếu sáng. |
| Bộ sạc PWM & Ắc quy |
Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) kết hợp transistor công suất TIP2955 và relay chuyển mạch. |
Ổn định điện áp nạp, bảo vệ ắc quy và đóng ngắt chuyển đổi nguồn lưới tự động. |
Phương pháp nghiên cứu được áp dụng gồm:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu cấu trúc các thanh ghi vi điều khiển, lý thuyết sạc năng lượng mặt trời (so sánh giữa sạc PWM và MPPT), lý thuyết giao tiếp I2C và UART.
- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm Proteus để kiểm tra, mô phỏng sơ đồ mạch nguyên lý và lưu đồ giải thuật trước khi thi công phần cứng.
- Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Thi công mạch in, lắp ráp mô hình cơ khí điều hướng, kết nối cảm biến và lập trình nạp code kiểm thử hoạt động từng khối chức năng độc lập và toàn hệ thống.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được tổ chức thành 4 khối chức năng phối hợp hoạt động thông qua liên kết phần cứng và truyền thông dữ liệu:
+-------------------------------------------------------------------------+
| HỆ THỐNG CẤP ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI |
| [Tấm pin NLMT] --> [Bộ sạc PWM] --> [Ắc quy] <==> [Relay chuyển nguồn] |
| | | |
| v v |
| [Mạch ổn áp DC: 5V, 12V] [Điện lưới 220VAC]|
+-------------------------------------------------------------------------+
| | |
v v v
+------------------------+ +------------------------+ +-----------------+
| HỆ THỐNG ĐIỀU HƯỚNG | | HỆ THỐNG QUẢN LÝ | | HỆ THỐNG ĐIỀU |
| PIN MẶT TRỜI | | NĂNG LƯỢNG | | KHIỂN ĐÈN |
| - Arduino Uno R3 | | - PIC 16F887 | | GIAO THÔNG |
| - Cảm biến LDR1, LDR2 | | - RTC DS1307 (I2C) | | - PIC 16F887 |
| - Module cầu H L298 | | - Cảm biến ACS712 (ADC)| | - ESP8266 (UART)|
| - Động cơ DC định hướng| | - Màn hình LCD 20x4 | | - 74HC595 + LED |
| | | - Mạch Relay đèn đường | | - Đèn tín hiệu |
+------------------------+ +------------------------+ +-----------------+
1. Hệ thống quản lý năng lượng
- Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển PIC 16F887 tiếp nhận tín hiệu tương tự từ cảm biến ACS712 qua bộ ADC nội và đọc dữ liệu ngày/giờ từ RTC DS1307 qua giao thức I2C (chân SDA, SCL kết nối điện trở kéo lên).
- Khối hiển thị và cảnh báo: Màn hình LCD 20x4 giao tiếp qua các đường dữ liệu DB4–DB7 và các chân điều khiển RS, R/W, E để hiển thị thông số điện áp, dòng điện tức thời, công suất tiêu thụ và tỷ lệ dung lượng ắc quy.
- Khối điều khiển đèn đường: Dựa vào dữ liệu thời gian thực từ DS1307, vi điều khiển kích hoạt transistor điều khiển Relay để đóng/ngắt tự động hệ thống đèn chiếu sáng theo giờ định sẵn.
2. Hệ thống điều hướng pin mặt trời (Solar Tracker)
- Khối cảm biến: Sử dụng 2 cảm biến quang trở (LDR1, LDR2) đặt ở hai phía của tấm pin mặt trời để so sánh cường độ sáng.
- Khối xử lý và truyền động: Arduino Uno R3 đọc giá trị điện áp từ 2 LDR thông qua các chân ngõ vào Analog. Khi giá trị quang sai lệch vượt ngưỡng, vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển logic và xung PWM đến module cầu H L298 để đảo chiều quay của động cơ DC, định vị tấm pin hướng thẳng về phía nguồn sáng cực đại.
3. Hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông
- Xử lý đèn và đếm lùi: Vi điều khiển PIC 16F887 điều khiển trực tiếp hệ thống đèn tín hiệu (Xanh, Vàng, Đỏ) tại các nhánh giao lộ. Đồng thời, dữ liệu đếm lùi thời gian được truyền nối tiếp qua chân DS, SH_CP (Shift Clock) và ST_CP (Latch Clock) vào các IC ghi dịch 74HC595 để xuất song song ra các module 2 LED 7 đoạn.
- Chế độ vận hành:
- Chế độ tự động: Chuyển đổi trạng thái đèn và đếm lùi theo chu kỳ lập trình sẵn.
- Chế độ bằng tay: Thay đổi trạng thái đèn hoặc điều chỉnh thời gian sáng của các đèn thông qua các nút nhấn chuyển chế độ (
SWITCH, MODE).
- Chế độ không dây: Module ESP8266 NodeMCU đóng vai trò trạm phát Access Point và Web Server, nhận lệnh thao tác từ giao diện trình duyệt của người quản lý, sau đó truyền chuỗi lệnh qua chuẩn UART (chân TX, RX) sang vi điều khiển PIC 16F887 để thay đổi trạng thái hoạt động tức thì.
4. Hệ thống cấp điện bằng năng lượng mặt trời
- Năng lượng điện từ tấm pin mặt trời đi qua bộ điều khiển sạc PWM (sử dụng mạch điều khiển công suất với transistor TIP2955) để nạp vào bình ắc quy.
- Nguồn điện từ ắc quy đi qua mạch nguồn ổn áp tạo ra các mức điện áp chuẩn 5V DC và 12V DC cung cấp cho toàn bộ vi điều khiển, cảm biến, module truyền thông và đèn tải.
- Một mạch relay chuyển mạch tự động giám sát điện áp nguồn: khi điện áp ắc quy xuống thấp dưới ngưỡng vận hành an toàn hoặc xảy ra sự cố nguồn pin, relay lập tức đóng tiếp điểm chuyển sang sử dụng điện lưới 220V AC nhằm đảm bảo hệ thống đèn giao thông duy trì hoạt động liên tục 24/24.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 phân tích tính cấp thiết của việc hiện đại hóa hệ thống đèn tín hiệu giao thông tại Việt Nam và vai trò của năng lượng tái tạo trong việc giải quyết bài toán thiếu hụt năng lượng và bảo vệ môi trường. Tác giả khảo sát các công trình điều khiển thiết bị điện thông minh dựa trên IoT (ESP8266, database, web server) và thực trạng các hệ thống đèn giao thông hiện hữu sử dụng PLC (nêu rõ ưu điểm về tính ổn định nhưng chỉ ra nhược điểm về giá thành cao và khó can thiệp linh hoạt từ xa). Từ đó, chương xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu thực nghiệm và các giới hạn về mô hình.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết phần cứng và chuẩn giao tiếp:
- Giới thiệu cấu trúc bên trong, sơ đồ chân và thông số kỹ thuật của vi điều khiển PIC 16F887, kit phát triển ESP8266 NodeMCU và Arduino Uno R3.
- Trình bày nguyên lý hiệu ứng Hall và cấu trúc module cảm biến dòng điện ACS712-20A (ngõ ra 0–5V, độ nhạy trung bình 100 mV/A).
- Trình bày cấu tạo màn hình LCD 20x4, bộ nhớ DDRAM, CGROM, CGRAM và giản đồ thời gian hoạt động đọc/ghi của bộ điều khiển HD44780.
- Giới thiệu cấu trúc thanh ghi của IC thời gian thực RTC DS1307 qua chuẩn giao tiếp I2C.
- Phân tích nguyên lý ghi dịch dữ liệu nối tiếp sang song song của IC 74HC595 kết hợp hiển thị LED 7 đoạn Anode chung và Cathode chung.
- Nguyên lý điều khiển cầu H của IC L298 trong việc đảo chiều và băm xung động cơ DC.
- Nguyên lý quang điện của tấm pin mặt trời và đánh giá các phương pháp điều khiển sạc năng lượng mặt trời (so sánh phương pháp sạc PWM và MPPT).
- Tổng quan các chuẩn truyền thông nối tiếp nối mạch: I2C (SDA, SCL) và UART (TX, RX).
Chương 3: Thiết kế và tính toán hệ thống
Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối tổng thể và sơ đồ nguyên lý của 4 hệ thống con:
- Thiết kế hệ thống quản lý năng lượng: Sơ đồ kết nối giữa PIC 16F887 với DS1307, cảm biến ACS712, màn hình LCD 20x4, mạch relay đóng ngắt LED chiếu sáng; bảng tính toán công suất tiêu thụ của các linh kiện trong khối.
- Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông: Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển trung tâm với dàn đèn tín hiệu giao thông, IC ghi dịch 74HC595 điều khiển module LED đếm lùi, module ESP8266 NodeMCU và các phím bấm chức năng; bảng tiêu thụ năng lượng của khối đèn tín hiệu.
- Thiết kế hệ thống điều hướng pin mặt trời: Mạch phân áp cảm biến quang trở LDR, sơ đồ nối dây IC công suất L298 với động cơ DC và vi điều khiển Arduino Uno; lập bảng cân bằng tiêu thụ năng lượng của khối điều hướng.
- Thiết kế hệ thống cấp điện năng lượng mặt trời: Sơ đồ mạch sạc PWM (sử dụng TIP2955), mạch ổn áp nguồn (Voltage Regulator Circuit), tính toán lựa chọn dung lượng bình ắc quy và công suất tấm pin; thiết kế mạch đóng cắt relay tự động chuyển nguồn lưới 220V AC.
Chương 4: Lưu đồ giải thuật và phần mềm
Chương 4 xây dựng toàn bộ thuật toán điều khiển cho hệ thống:
- Khối quản lý năng lượng: Lưu đồ khởi tạo LCD, lưu đồ hàm ghi lệnh (
LCD_SendCommand), ghi dữ liệu (LCD_SendData), giải mã và hiển thị dữ liệu LCD; lưu đồ đọc giá trị ADC từ ACS712; thuật toán tính toán công suất và dung lượng bình ắc quy; lưu đồ điều khiển đóng ngắt đèn đường theo thời gian thực DS1307.
- Khối điều khiển đèn giao thông: Lưu đồ quét và xử lý chống rung nút nhấn
SWITCH, MODE; thuật toán điều chỉnh thời gian sáng của các đèn Xanh/Vàng/Đỏ; lưu đồ dịch và chốt dữ liệu 8-bit cho IC 74HC595; lưu đồ xử lý hàm ngắt thời gian phục vụ đếm lùi; lưu đồ kiểm tra và xử lý dữ liệu truyền nhận bất đồng bộ UART từ ESP8266.
- Khối điều hướng pin mặt trời: Lưu đồ so sánh điện áp giữa LDR1 và LDR2 để quyết định quay thuận, quay nghịch hoặc dừng động cơ DC.
- Khối máy chủ Web Server: Lưu đồ cấu hình ESP8266 ở chế độ Access Point, khởi tạo máy chủ HTTP, tiếp nhận yêu cầu từ client và gửi mã lệnh điều khiển tương ứng xuống vi điều khiển qua cổng nối tiếp.
Chương 5: Kết quả thực hiện
Chương 5 minh chứng kết quả chế tạo thực tế của đề tài qua các hình ảnh và số liệu đo đạc:
- Hoàn thiện mô hình cơ khí và mạch điều khiển hệ thống điều hướng pin mặt trời; ghi nhận góc quay của động cơ đáp ứng chính xác khi điều kiện chiếu sáng thay đổi ($LDR_1 > LDR_2$ và $LDR_1 < LDR_2$).
- Kết nối thành công bộ sạc PWM với tấm pin và ắc quy; đo đạc và ghi nhận dạng sóng, điện áp nạp của pin mặt trời và điện áp ắc quy trong suốt quá trình nạp.
- Thi công hoàn thiện bảng điều khiển và trụ đèn giao thông mô hình với đầy đủ cụm đèn Xanh - Vàng - Đỏ và LED 7 đoạn hiển thị số đếm lùi.
- Vận hành ổn định các chế độ: tự động đếm lùi, điều khiển bằng nút nhấn cơ học và điều khiển chuyển trạng thái từ xa thông qua giao diện Web Server trên nền tảng ESP8266.
- Tự động bật/tắt đèn đường theo mốc thời gian thực và chuyển mạch nguồn tự động sang lưới điện khi điện áp cấp bị sụt giảm.
- Tổng kết các ưu điểm và hạn chế kỹ thuật của mô hình chế tạo.
Chương 6: Kết luận & Hướng phát triển
Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành theo mục tiêu đề ra và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai nhằm đưa hệ thống ứng dụng vào thực tế hạ tầng giao thông đô thị.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả kỹ thuật đạt được
- Về phần cứng:
- Chế tạo thành công mô hình vật lý tích hợp hoàn chỉnh 4 phân hệ: Quản lý năng lượng, Điều hướng tấm pin quang điện, Điều khiển đèn tín hiệu giao thông và Cấp nguồn tự động.
- Mạch đo lường và cảm biến hoạt động chính xác: ACS712 đo dòng điện tuyến tính với độ nhạy trung bình ~100 mV/A; RTC DS1307 duy trì đếm thời gian thực ổn định nhờ nguồn pin backup; màn hình LCD 20x4 hiển thị đầy đủ các thông số điện năng và trạng thái hệ thống.
- Hệ thống cơ cấu điều hướng pin mặt trời sử dụng cầu H L298 và 2 cảm biến quang trở phản ứng nhạy với góc chiếu sáng, tự động xoay động cơ DC theo vùng có cường độ sáng cao hơn.
- Mạch sạc PWM hoạt động ổn định, bảo vệ quá trình nạp bình ắc quy và cơ cấu relay chuyển đổi nguồn tự động kích hoạt khi có sự cố sụt áp.
- Về phần mềm và điều khiển:
- Lập trình thành công thuật toán điều khiển đèn giao thông theo chu kỳ thời gian thực, quét hiển thị chính xác thời gian đếm lùi trên module 2 LED 7 đoạn thông qua giao tiếp 3 dây với IC 74HC595.
- Thiết lập thành công máy chủ web trên ESP8266 NodeMCU ở chế độ Access Point (AP), cho phép người quản lý kết nối không dây từ điện thoại hoặc máy tính để điều khiển chuyển trạng thái đèn tín hiệu thông qua giao tiếp nối tiếp UART với PIC 16F887.
- Tự động hóa hoàn toàn chức năng bật/tắt đèn đường theo lịch trình cài đặt trước từ chip thời gian thực.
2. Đóng góp của đề tài
- Hiện thực hóa mô hình đèn giao thông tự chủ năng lượng, kết hợp giữa việc khai thác nguồn năng lượng sạch tại chỗ với giải thuật bám nguồn sáng (solar tracking) nhằm nâng cao hiệu suất thu năng lượng so với các tấm pin đặt cố định.
- Tích hợp đa dạng phương thức điều khiển (tự động, phím bấm cục bộ, giao diện mạng không dây Web Server), khắc phục nhược điểm cứng nhắc của các hệ thống đèn điều khiển cố định truyền thống.
- Cung cấp giải pháp an toàn năng lượng cho hạ tầng giao thông bằng cơ chế tự động chuyển mạch nguồn kép (ắc quy năng lượng mặt trời $\leftrightarrow$ điện lưới 220V AC).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
1. Hạn chế
- Đề tài chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm; công suất nguồn pin và tải tiêu thụ được thiết kế ở mức nhỏ.
- Khoảng cách giữa các trụ đèn và khối điều khiển còn ngắn; khả năng phủ sóng và tính ổn định của giao tiếp không dây qua Wi-Fi cục bộ (Access Point của ESP8266) chưa được kiểm nghiệm ở khoảng cách địa lý xa và trong môi trường nhiều nguồn gây nhiễu công nghiệp.
- Mạch sạc năng lượng mặt trời mới áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM); hiệu suất chuyển đổi năng lượng chưa tối ưu bằng phương pháp dò điểm công suất cực đại (MPPT).
- Các linh kiện điện tử và kết cấu cơ khí thực nghiệm chưa được đóng gói bảo vệ theo chuẩn công nghiệp để hoạt động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt ngoài trời (mưa, nắng, độ ẩm cao).
2. Hướng nghiên cứu tiếp
- Nâng cấp mạch sạc sử dụng thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) để khai thác tối đa công suất phát của tấm pin mặt trời trong mọi điều kiện thời tiết.
- Ứng dụng các chuẩn truyền thông không dây tầm xa (như Lora, mạng truyền thông diện rộng CAN hoặc kết nối Internet vạn vật qua giao thức MQTT) để liên kết nhiều nút giao thông về trung tâm điều hành tập trung.
- Tích hợp thêm camera hoặc cảm biến mật độ lưu lượng xe để phát triển thuật toán điều khiển đèn giao thông thích nghi (tự động tăng/giảm thời gian đèn xanh dựa trên lưu lượng phương tiện thực tế theo thời gian thực thay vì thời gian cố định).
Giá trị tham khảo
Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật đối với:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Máy tính: Nguồn tài liệu học tập toàn diện về thiết kế hệ thống nhúng phối hợp đa vi điều khiển (PIC 16F887, Arduino Uno, ESP8266).
- Người nghiên cứu các hệ thống IoT và Năng lượng tái tạo:
- Phần thiết kế mạch nguyên lý và lưu đồ giải thuật cho giao thức I2C (với DS1307), giao thức UART (giữa ESP8266 và PIC) và điều khiển IC ghi dịch 74HC595 là các mẫu thiết kế tiêu chuẩn có thể tái sử dụng trực tiếp.
- Phương pháp xây dựng Web Server trên ESP8266 để điều khiển phần cứng qua trình duyệt web.
- Phương pháp đo lường dòng điện bằng cảm biến Hall ACS712 và tính toán thiết kế mạch sạc PWM cho ắc quy.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống sử dụng những loại vi điều khiển nào và phân chia nhiệm vụ ra sao?
Hệ thống sử dụng 3 vi điều khiển chuyên biệt cho từng nhiệm vụ:
- PIC 16F887: Xử lý trung tâm cho khối quản lý năng lượng (đọc ADC cảm biến ACS712, giao tiếp I2C với RTC DS1307, điều khiển LCD 20x4, điều khiển relay đèn đường) và khối điều khiển đèn giao thông (điều khiển trạng thái đèn, quét LED 7 đoạn qua IC 74HC595).
- Arduino Uno R3: Xử lý tín hiệu analog từ 2 cảm biến quang trở (LDR) và xuất xung PWM điều khiển module cầu H L298 để xoay động cơ định hướng tấm pin mặt trời.
- ESP8266 NodeMCU: Đóng vai trò máy chủ Web Server tạo mạng Wi-Fi cục bộ để nhận lệnh điều khiển không dây từ người dùng và gửi dữ liệu về PIC 16F887 qua giao tiếp UART.
2. Giải thuật điều hướng tấm pin mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng 2 cảm biến quang trở ($LDR_1$ và $LDR_2$) đặt ở hai vị trí đối xứng trên giàn pin. Tín hiệu điện áp tương tự từ hai quang trở được đưa về các chân ngõ vào Analog của Arduino Uno R3. Vi điều khiển so sánh giá trị giữa hai cảm biến: nếu $LDR_1 > LDR_2$ hoặc ngược lại vượt quá ngưỡng sai lệch cho phép, Arduino sẽ điều khiển module cầu H L298 cấp điện đảo chiều cho động cơ DC quay giá đỡ tấm pin về phía có cường độ ánh sáng mạnh hơn cho đến khi độ chênh lệch triệt tiêu.
3. Khối hiển thị số đếm lùi thời gian của đèn giao thông sử dụng linh kiện gì để tiết kiệm chân vi điều khiển?
Hệ thống sử dụng IC ghi dịch 8-bit 74HC595. Vi điều khiển PIC 16F887 chỉ cần sử dụng 3 chân ngõ ra (chân dữ liệu nối tiếp DS, chân xung dịch clock SH_CP và chân xung chốt ST_CP) để dịch nối tiếp dữ liệu và xuất song song điều khiển trực tiếp module 2 LED 7 đoạn hiển thị số giây đếm lùi.
4. Cơ chế cấp nguồn và chuyển đổi nguồn dự phòng của hệ thống hoạt động như thế nào?
Hệ thống được cấp nguồn chính từ tấm pin năng lượng mặt trời thông qua bộ điều khiển sạc PWM (dùng transistor công suất TIP2955) nạp vào ắc quy, sau đó qua các mạch ổn áp hạ áp xuống 12V và 5V cung cấp cho toàn bộ thiết bị. Một cảm biến dòng ACS712 và bộ phân áp đo đạc liên tục tình trạng năng lượng. Khi năng lượng ắc quy bị cạn kiệt hoặc hệ thống sạc gặp sự cố, vi điều khiển kích hoạt relay chuyển mạch tự động kết nối sang nguồn điện lưới 220V AC để hệ thống đèn giao thông không bị gián đoạn.
5. Chức năng tự động bật/tắt đèn đường được thực hiện bằng cách nào?
Hệ thống tích hợp module thời gian thực RTC DS1307 kết nối với PIC 16F887 qua giao tiếp I2C. Vi điều khiển liên tục đọc các giá trị giờ và phút thực; khi thời gian đạt đến mốc quy định (ví dụ thời điểm bắt đầu buổi tối), PIC 16F887 sẽ xuất mức logic kích hoạt mạch Relay đóng nguồn cấp cho hệ thống đèn chiếu sáng đường phố và tự động ngắt khi đến mốc thời gian buổi sáng.
Kết luận
Đồ án "Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng năng lượng mặt trời" của nhóm tác giả Lê Hoàng Nghĩa và Bành Bá Cẩn đã thiết kế và chế tạo thành công một mô hình phần cứng nhúng tích hợp hoàn chỉnh. Đề tài kết hợp hiệu quả giữa vi điều khiển PIC 16F887, Arduino Uno R3 và ESP8266 để vận hành hệ thống đèn giao thông đa chế độ (tự động, bằng tay, không dây qua Web Server), tích hợp cơ cấu xoay pin mặt trời tự động và tự động chuyển nguồn lưới dự phòng. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của giải pháp ứng dụng năng lượng tái tạo và công nghệ kết nối không dây vào hạ tầng quản lý giao thông đô thị.
