Đồ án tốt nghiệp ngành điện tự động công nghiệp thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mạch nạp acquy tự động sử dụng vi điều khiển avr đi sâu thiết kế phần mềm

Tổng hợp kiến thức Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát nạp acquy tự ..., tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả trong chuyên

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Hùng
• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Trọng Thắng
• Trường học: Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Nạp Acquy Tự Động Bằng Vi Điều Khiển AVR
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển và giám sát nạp acquy tự động bằng vi điều khiển AVR là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm tự động hóa quá trình nạp acquy. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu suất và độ bền của acquy. Việc áp dụng vi điều khiển AVR trong thiết kế cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh các thông số nạp như điện áp và dòng điện, từ đó đảm bảo an toàn cho quá trình nạp. Hệ thống này có khả năng tự động ngắt mạch khi acquy đã được nạp đầy, giúp ngăn ngừa tình trạng quá tải và kéo dài tuổi thọ của acquy.

1.1. Tầm quan trọng của việc giám sát nạp acquy

Giám sát nạp acquy là một yếu tố quan trọng trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của hệ thống điện. Việc giám sát này giúp phát hiện kịp thời các vấn đề như quá tải hoặc hư hỏng của acquy. Hệ thống giám sát nạp acquy tự động không chỉ giúp người dùng theo dõi tình trạng của acquy mà còn cung cấp các thông tin cần thiết để điều chỉnh quá trình nạp một cách hiệu quả. Điều này không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tối ưu hóa quá trình sử dụng năng lượng.

II. Thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển cho mạch nạp acquy tự động sử dụng vi điều khiển AVR là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều bước từ việc lựa chọn linh kiện đến lập trình phần mềm. Hệ thống điều khiển này cần phải đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy cao trong việc điều chỉnh các thông số nạp. Việc sử dụng vi điều khiển cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp, từ đó nâng cao khả năng tự động hóa của hệ thống. Hệ thống cũng cần được thiết kế sao cho dễ dàng bảo trì và nâng cấp trong tương lai.

2.1. Các thành phần của hệ thống

Hệ thống điều khiển bao gồm các thành phần chính như vi điều khiển AVR, mạch nạp, cảm biến điện áp và dòng điện. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống. Vi điều khiển AVR sẽ nhận tín hiệu từ các cảm biến và điều chỉnh dòng điện nạp theo yêu cầu. Mạch nạp được thiết kế để cung cấp dòng điện ổn định và an toàn cho acquy. Các cảm biến sẽ theo dõi tình trạng của acquy và gửi thông tin về vi điều khiển để thực hiện các điều chỉnh cần thiết.

III. Giám sát quá trình nạp acquy

Giám sát quá trình nạp acquy là một phần không thể thiếu trong hệ thống điều khiển tự động. Hệ thống giám sát sẽ theo dõi các thông số như điện áp, dòng điện và nhiệt độ của acquy trong suốt quá trình nạp. Việc giám sát này giúp phát hiện sớm các vấn đề có thể xảy ra, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Hệ thống cũng có khả năng ghi lại dữ liệu để phân tích và tối ưu hóa quá trình nạp trong tương lai. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

3.1. Phân tích dữ liệu giám sát

Phân tích dữ liệu giám sát là một bước quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình nạp acquy. Dữ liệu thu thập được từ các cảm biến sẽ được xử lý để đưa ra các thông số tối ưu cho quá trình nạp. Việc phân tích này giúp xác định các xu hướng và vấn đề tiềm ẩn, từ đó có thể điều chỉnh các thông số nạp cho phù hợp. Hệ thống cũng có thể được lập trình để tự động điều chỉnh các thông số dựa trên dữ liệu thu thập được, giúp nâng cao tính tự động hóa và hiệu quả của quá trình nạp.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống

Hệ thống điều khiển và giám sát nạp acquy tự động bằng vi điều khiển AVR có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Trong công nghiệp, hệ thống này có thể được sử dụng để nạp acquy cho các thiết bị điện, máy móc, hoặc phương tiện giao thông. Việc tự động hóa quá trình nạp không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu rủi ro do con người gây ra. Ngoài ra, hệ thống cũng có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như năng lượng tái tạo, nơi mà việc quản lý và tối ưu hóa nguồn năng lượng là rất quan trọng.

4.1. Lợi ích kinh tế

Việc áp dụng hệ thống điều khiển và giám sát nạp acquy tự động mang lại nhiều lợi ích kinh tế. Đầu tiên, hệ thống giúp giảm thiểu chi phí vận hành nhờ vào việc tự động hóa quá trình nạp. Thứ hai, việc tối ưu hóa quá trình nạp giúp kéo dài tuổi thọ của acquy, từ đó giảm chi phí thay thế và bảo trì. Cuối cùng, hệ thống cũng giúp nâng cao hiệu suất làm việc của các thiết bị sử dụng acquy, góp phần tăng năng suất và hiệu quả kinh doanh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.Giới thiệu về công nghệ nạp Ắc quy Chương 2. Tính toán thiết kế mạch công suất Chương 3: Xây dựng và thiết kế bộ điều khiển 1 CHƢƠNG 1.GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ẮC QUY 1. CẤU TRÖC CỦA MỘT BÌNH ẮC QUY Ắc quy là nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân. Với ắc quy chì axít sức điện động của một ắc quy đơn là 2,1V.

Muốn tăng khả năng dự trữ năng lượng của ắc quy người ta phải tăng số lượng các cặp bản cực dương và âm trong mỗi ắc quy đơn. Để tăng giá trị sức điện động của nguồn người ta ghép nối nhiều ắc quy đơn thành một bình ắc quy. Bình ắc quy được làm từ số những tế bào (cell) đặt trong một vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng. Những đơn vị cơ bản của mỗi tế bào là những bản cực dương và bản cực âm.

Những bản cực này có những vật liệu hoạt hoá nằm trong các tấm lưới phẳng. Bản cực âm là chì xốp sau khi nạp có mầu xám. Bản cực dương sau khi nạp là PbO2 có màu nâu. Cấu trúc của một ắc quy đơn gồm có: phân khối bản cực dương, phân khối bản cực âm, các tấm ngăn.

Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau. Cấu tạo của một bản cực trong ắc quy gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó. Khung xương của bản cực dương và âm có cấu tạo giống nhau. Chúng được đúc từ chì có pha thêm (5 ÷ 8% ) Sb và tạo hình dạng mặt lưới.

Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng thêm độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong thành phần của chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hữu cơ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp, dung dịch điện phân dễ thấm sâu vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm. Phần đầu mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc quy đơn được hàn với nhau tạo thành phân khối bản cực dương.

Các bản cực âm hànvới nhau tạo thành phân khối bản cực âm. Số lượng các cặp bản cực trong mỗi ắc quy đơn thường từ 5 đến 8 cặp. Bề dầy tấm bản cực dương của các ắc quy trước đây thường khoảng 2mm. Ngày nay với các công nghệ tiên tiến đã giảm xuống còn ( 1,3 ÷ 1,5 ) mm.

Bản cực âm thường mỏng hơn ( 0,2 ÷ 0,3 ) mm. Số bản cực âm trong ắc quy đơn nhiều hơn số bản cực dương một bản nhằm tận dụng 2 triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực dương, do đó bản cực âm nằm ra bên ngoài nhóm bản cực. Tấm ngăn được bố trí giữa bản cực âm và bản cực dương là một tấm ngăn xốp có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Những tấm ngăn xốp cho phép dung dịch chất điện phân đi quanh các bản cực vì trên bề mặt của nó có lỗ.

Tấm ngăn làm bằng vật liệu pôliclovinyl có bề dầy ( 0,8 ÷ 1,2 ) mm và có dạng lượn sóng. Một bộ những sắp xếp như vậy gọi là một phần tử. Sau khi đã sắp xếp một bộ phận như trên, nó được đặt vào một ngăn trong vỏ bình ắc quy. Ở bình ắc quy có nắp đậy mềm, các nắp đậy tế bào được đặt lên sau đó những phiến nối được hàn vào để nối các cực liên tiếp của tế bào.

Trong cách nối này các tế bào được nối liên tiếp. Cuối cùng nắp đậy bình ắc quy được hàn vào. Bình ắc quy có nắp đậy cứng , có một nắp đậy chung làm giảm được sự ăn mòn trên vỏ bình. Những bình ắc quy này có bản nối cực đi xuyên qua tấm ngăn cách từng tế bào.

Tấm ngăn cách không cho dung dịch điện phân qua lại các tế bào. Điều này làm bình ắc quy vận hành tốt hơn vì bàn nối ngắn và được đậy kín. Đầu nối chính của ắc quy là cọc dương và cọc âm. Cọc dương lớn hơn cọc âm để tránh nhầm điện cực.

Người ta thường nối dây mầu đỏ với cực dương và dây màu đen với cực âm. Dây cực âm được nối với lốc máy hay bộ phận kim loại. Dây cực dương được nối với bộ phận khởi động. Nắp thông hơi được đặt trên nắp mỗi tế bào.

Những nắp này có hai mục đích: Để đậy kín tế bào ắc quy, khi cần kiểm tra nước hay cho thêm nước thì ta sẽ mở nắp đậy này. Khi nạp bình người ta cũng mở nắp đậy để chất khí hình thành có lối thoát ra. Mỗi tế bào ắc quy có điện thế khoảng 2 vôn. Ắc quy 6V có 3 tế bào mắc nối tiếp.

Ắc quy 12V có 6 tế bào mắc nối tiếp. Muốn có điện thế cao hơn người ta mắcnối tiếp các bình ắc quy với nhau. Hai ắc quy 12V mắc nối tiếp sẽ tạo ra một hệ thống 24V. Nồng độ dung dịch điện phân H2SO4 là γ = 1,1÷ 1,3 g/cm3.

Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của ắc quy. Cấu trúc bình ắc quy Hình 1. Bình ắc quy trong thực tế 1. QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG Bình ắc quy là bình chứa năng lượng cho hệ thống điện.

Khi cần bình ắc quy sẽ tạo ra dòng điện một chiều đi qua các thiết bị nối với các cực của nó. Dòng điện trong bình ắcquy tạo ra do phản ứng hoá học hoặc giữa những vật liệu trên bản cực và axit H2SO4 trong bình hay còn gọi là chất điện giải. Sau một thời gian sử dụng bình ắc quy bị hết điện. Tuy nhiên nó có thể được nạp lại bằng cách cho một dòng điện bên ngoài đi qua nó theo chiều ngược với chiều phát điện của bình.

4 Trong điều kiện bình thường ắc quy được nạp do dòng điện từ máyphát điện. Để hoạt động tốt bình phải làm ba việc: Cung cấp dòng điện khởi động động cơ. Cung cấp điện khi hệ thống cần có mức điện lớn hơn hệ thống sạc có thể cung cấp. Ổn định điện thế trong khi máy đang hoạt động.

Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc quy cung cấp điện cho mạch ngoài gọi là quá trình phóng điện. Quá trình ắc quy đuợc dự trữ năng lượng gọi là quá trình nạp điện.

Quá trình biến đổi trên các điện cực Trạng thái ắc quy Bản cực dương Dung dịch điện phân Bản cực âm Nạp đầy PbO2 H2SO4 Pb ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ phóng điện hết PbSO4 H2O PbSO4 Trong quá trình phóng nạp, nồng độ dung dịch điện phân của ắc quy thay đổi. Khi ắc quy phóng điện, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi được nạp điện, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy.

Tỷ trọng chất điện phân của bình ắc quy Loại bình ắc quy Tỷ trọng chất điện phân Bình ắc quy làm việc ở chế độ tải nặng ví dụ các xe 1.275 tải điện công nghiệp lớn. Bình ắc quy dùng cho xe ôtô, phi cơ.260 Bình ắc quy dùng cho tải không nặng lắm: ví dụ chiếu 1.245 sáng tàu điện, khởi động các động cơ. Bình ắc quy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự 1. PHÂN LOẠI ẮC QUY Cho đến nay có rất nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vào những điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm việc.

Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của ắc quy có thể liệt kê một số loại sau: - Ắc quy chì (ắc quy axit) - Ắc quy kiềm - Ắc quy không lamen và ắc quy kiềm - Ắc quy kẽm-bạc Tuy nhiên trên thực tế ắc quy axít và ắc quy kiềm được sử dụng nhiều hơn. So sánh ắc quy kiềm và ắc quy axit Ắc quy axit Ắc quy kiềm - Khả năng quá tải không cao, dòng nạp - Khả năng quá tải rất lớn, dòng điện lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax = áp nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới 20%Q10 50%Q10 - Hiện tượng tự phóng lớn,ắc quy nhanh - Hiện tượng tự phóng nhỏ hết điện ngay cả khi không sử dụng. - Với khả năng trên thì ắc quy kiềm - Sự dụng rộng rãi trong đời sống công thường được sử dụng ở những nơi nghiệp,ở những nơi có nhiệt độ cao va yêu cầu công suất cao và quá tải đập lớn nhưng đòi hỏi công suất và quá thường xuyên. tải vừa phải.

- Dùng trong công nghiệp hàng - Dùng trong xe máy, ôtô, các động cơ không, hàng hải và quốc phòng. máy nổ công suất vừa và nhỏ. - Giá thành cao. - Giá thành thấp.

- Tuổi thọ cao. - Tuổi thọ thấp. Nhưng thông dụng nhất từ trước đến nay vẫn là ắc quy axít. Vì so với ắc quy kiềm nó có một vài tính năng tốt hơn như: sức điện động của mỗi bản ”cặp bản” cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ.Vì vậy, trong đồ án này ta chọn loại ắc quy axít để nghiên cứu và thiết kế.

CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ẮC QUY 1. Sức điện động của ắc quy Sức điện động của ắc quy chì axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân: E0 = 0,85 +γ (V) Trong đó: E0 là sức điện động tĩnh của ắc quy đơn, tính bằng V, γ là nồng độ dung dịch điện phân ở nhiệt độ 150oC tính bằng g/cm3. Trong quá trình phóng điện, sức điện động của ắc quy được tính bằng công thức: EP = UP +IP.raq Trong đó: EP : là sức điện động của ắc quy phóng điện, UP : là điện áp đo trên các cực của ắc quy khi phóng điện,IP : là dòng điện phóng, raq : là điện trở trong của ắc quy khi phóng điện. Sức điện động En của ắc quy được tính như sau: En = Un – In.

raq Trong đó: En: sức điện động của ắc quy nạp điện, In: dòng điện nạp, Un: điện áp đo trên các cực của ắc quy khi nạp điện, raq: điện trở trong của ắc quy khi nạp điện. Dung lƣợng phóng của ắc quy Dung lượng phóng của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ắc quy cho phụ tải, được tính theo công thức: CP = IP.