Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình điều khiển pin mặt trời dùng vi điều khiển AT89C51" được thực hiện bởi sinh viên Phạm Huy Thắng và Trần Văn Dư dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Thanh Hải tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 03/2003).

Bối cảnh thực tiễn được nhóm tác giả đặt ra xuất phát từ vai trò của nguồn năng lượng tự nhiên đối với đời sống và sản xuất. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và không bị cạn kiệt. Tại các khu vực vùng sâu, vùng xa, vùng núi và hải đảo - nơi lưới điện quốc gia chưa thể tiếp cận, pin mặt trời là giải pháp khả thi nhất để cung cấp nguồn điện liên tục cho sinh hoạt và hoạt động của con người. Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ thống thường chỉ lắp đặt cố định các tấm pin quang điện tại một góc nhất định. Do vị trí tương đối giữa mặt trời và trái đất liên tục thay đổi theo thời gian trong ngày, việc lắp đặt cố định khiến pin chỉ thu được năng lượng bức xạ tối đa tại một thời điểm duy nhất, làm giảm đáng kể hiệu suất tổng thể. Mặt khác, phương án bố trí nhiều tấm pin theo các góc khác nhau lại đòi hỏi chi phí đầu tư lớn, không đạt hiệu quả kinh tế.

Nhằm giải quyết bài toán trên, mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng một hệ thống cơ điện tử tự động điều khiển tấm pin xoay theo hành trình di chuyển biểu kiến của mặt trời dựa trên mốc thời gian thực trong ngày, đảm bảo bề mặt pin luôn đón được mật độ bức xạ quang học lớn nhất.

Văn bản xác định 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Tạo ra một đồng hồ thời gian thực.
  2. Cài đặt thời gian thực để điều khiển động cơ.
  3. Cài thời gian cho từng nơi, từng vùng khác nhau.
  4. Ngưng động cơ trong khoảng thời gian không hoạt động của pin.
  5. Có điều chỉnh tức thời nếu có sự sai lệch.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cơ cấu chấp hành xoay góc pin mặt trời và hệ thống mạch điện tử điều khiển sử dụng vi điều khiển 8-bit AT89C51. Phạm vi thực nghiệm của mô hình tập trung vào trục quay một bậc tự do theo phương Đông - Tây với góc quét 180°, vận hành theo chu trình định thời 10 giờ chiếu sáng ban ngày.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết về vật lý bán dẫn quang điện, lý thuyết điều khiển tự động và kiến trúc hệ thống vi tính nhúng.

Về mặt lý thuyết chuyển đổi năng lượng, tác giả trình bày bản chất tấm pin mặt trời là một tiếp giáp P-N biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng thông qua hiệu ứng nội quang điện, hoạt động tương đương một nguồn dòng điện. Các mô-đun pin được ghép nối tiếp và song song để đạt điện áp và công suất định mức yêu cầu. Hệ thống pin mặt trời tổng quát bao gồm: dàn pin thu năng lượng, bộ tích trữ điện (ắc quy hoặc hòa lưới), thiết bị biến đổi điện tạo cân bằng và tải tiêu thụ. Do chu trình quay của trái đất quanh mặt trời diễn ra có quy luật, cường độ bức xạ cực đại thu được khi phương tia sáng vuông góc với bề mặt pin.

Về nền tảng phần cứng điều khiển, tác giả khai thác họ vi điều khiển MCS-51 (tiêu biểu là chip AT89C51 do Atmel sản xuất). Hệ thống dựa trên kiến trúc Harvard với không gian bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu độc lập:

  • Bộ nhớ trong gồm 4 Kbyte Flash ROM và 128 byte RAM nội (bao gồm 4 bank thanh ghi R0–R7 từ 00H đến 1FH, vùng RAM định địa chỉ bit từ 20H đến 2FH, vùng RAM đa dụng từ 30H đến 7FH, cùng 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR từ 80H đến FFH).
  • Khả năng mở rộng không gian nhớ ngoài lên đến 64 Kbyte ROM và 64 Kbyte RAM thông qua việc giải đa hợp bus địa chỉ/dữ liệu bằng chốt 74HC373 và tín hiệu điều khiển ALE, PSEN, RD, WR.
  • Hai bộ định thời/bộ đếm 16-bit (Timer 0, Timer 1) vận hành qua các thanh ghi TMOD, TCON và hệ thống ngắt gồm 5 nguồn ngắt (2 ngắt ngoài INT0, INT1; 2 ngắt timer; 1 ngắt cổng nối tiếp) hỗ trợ 2 mức ưu tiên.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai là phương pháp thiết kế và thi công hệ thống kỹ thuật kết hợp giữa phần cứng và phần mềm (hardware-software co-design):

  • Thiết kế mạch số và mạch tương tự rời: Phối hợp vi điều khiển AT89C51 với các vi mạch logic chuẩn TTL (74LS series) và CMOS (4000 series) cùng mạch định thời chuẩn LM7555 để phân chia tải xử lý.
  • Phương pháp lập trình vi mã: Sử dụng hợp ngữ (Assembly MCS-51) để tối ưu hóa thời gian thực thi, trực tiếp cấu hình các thanh ghi SFR, lập trình quét LED và xử lý ngắt thời gian.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, ăn mòn bo mạch in (PCB), lắp ráp phần cứng cơ khí truyền động và tiến hành kiểm tra tính đáp ứng tại phòng thí nghiệm.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được trích xuất từ tài liệu tra cứu linh kiện của Texas Instruments (The TTL Data Book For Design Engineers), các sổ tay tra cứu IC số TTL/CMOS và giáo trình họ vi điều khiển 8051.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều khiển được phân tách rõ ràng giữa cấu trúc phần cứng mạch điện tử và kiến trúc phần mềm vi mã, giải quyết bài toán đồng bộ thời gian mà không gây trễ nhịp đồng hồ hệ thống.

Phân tích và thiết kế phần cứng

Hệ thống phần cứng bao gồm các khối chức năng chính sau:

  • Khối vi điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển AT89C51 với nguồn dao động thạch anh ngoài 12 MHz (mỗi chu kỳ máy kéo dài 1 µs). Chân EA được nối lên mức cao (+5V) để xác lập chế độ thực thi từ bộ nhớ Flash ROM 4 KB nội. Chân reset (chân 9) tích hợp mạch tích phân RC (R1 = 10 kΩ, C1 = 10 µF) tạo độ trễ nạp t ≈ 0,5 s kết hợp nút bấm thủ công và điện trở xả R2.
  • Khối hiển thị: Sử dụng 6 LED 7 đoạn Anode chung hiển thị thông số thời gian Giờ - Phút - Giây. Mạch hoạt động theo phương pháp quét (multiplexing) để tiết kiệm chân xuất và giảm công suất tiêu thụ: Port 0 xuất mã 7 đoạn mức thấp qua IC đệm 74LS245; Port 2 xuất mã quét transistor qua IC đệm 74LS245 kích cực B của 6 transistor PNP A1015 (thông số Ic = 150 mA, β = 50, dòng cấp định mức 15 mA/đoạn, tương đương 105 mA khi sáng toàn bộ 7 đoạn; điện trở cực B được tính toán là Rb1 = 1,8 kΩ).
  • Khối chống dội phím ngắt: Tác giả sử dụng IC định thời LM7555 mắc theo cấu hình mạch đơn ổn (monostable) để triệt tiêu hiện tượng dội phím cơ khí (> 10 ms). Với giá trị R = 39 kΩ và C = 10 µF, chu kỳ xung trễ xác lập theo công thức $t = 1,1 \times R \times C$ đạt khoảng 429 ms (~500 ms), đảm bảo tạo một cạnh xuống duy nhất kích hoạt các ngắt ngoài INT0 và INT1 của AT89C51.
  • Khối tạo xung đếm điều khiển động cơ: Do vi điều khiển phải duy trì tính toán thời gian thực liên tục, nhóm tác giả tách rời việc tạo xung điều khiển động cơ bằng mạch dao động bất ổn (astable) sử dụng IC LM7555. Mạch sử dụng tụ C = 100 µF, điện trở Rb = 220 Ω và biến trở Ra = 10 kΩ. Tần số ngõ ra cho phép hiệu chỉnh linh hoạt trong dải từ $f_{min} = 0,379 \text{ Hz}$ đến $f_{max} = 1,72 \text{ Hz}$, giúp điều chỉnh tốc độ đáp ứng cơ khí của hệ thống giảm tốc.
  • Khối chốt và khống chế: Vi điều khiển chỉ xuất xung kích mức cao tại chân Port 3.6 (chạy thuận) hoặc Port 3.7 (chạy nghịch) qua IC đệm 74LS245. Xung kích này đưa vào bộ chốt flip-flop D (IC 74LS74) kết hợp các IC đếm ngoại vi: IC đếm nhị phân 12-bit HFE 4040B, IC đếm BCD HFE 4518B, các cổng logic HFE 4012B (2 cổng NAND 4 ngõ vào), 74LS00 (NAND 2 ngõ vào) và 74LS32 (OR 2 ngõ vào). Khi có xung kích, flip-flop mở cổng cho IC đếm ghi nhận số xung từ LM7555; khi đủ số xung định trước, mạch logic tự động phát tín hiệu xóa bộ chốt và dừng động cơ.
  • Khối công suất: Tín hiệu sau cổng OR 74LS32 được đưa vào cực B của transistor NPN C1815 (thông số $I_{c,max} = 150 \text{ mA}$, $\beta = 80$, điện trở định thiên cực B là $R_b = 10 \text{ kΩ}$) để đóng ngắt relay 6V (dòng tiêu thụ cuộn dây 20 mA), cấp nguồn đảo chiều cho động cơ DC.
  • Khối nguồn ổn áp: Mạch cấp nguồn ổn áp +5VDC sử dụng biến áp hạ áp 3A, bộ chỉnh lưu cầu RS507L (chịu dòng 5A), hai tụ lọc nguồn lớn 4700 µF/25V. Mạch kết hợp IC ổn áp tuyến tính 78M05 với một transistor công suất NPN D613 ($I_c$ cho phép 5A) mắc gánh dòng, kèm một diode nối chân mass của 78M05 để nâng điện áp ngõ ra thêm 0,7V nhằm bù sụt áp tiếp giáp $V_{BE}$ của D613. Dòng ngõ ra tối đa đạt 2,5A, đáp ứng mức tiêu thụ dòng toàn mạch tính toán xấp xỉ 1A.
Khối chức năng Linh kiện bán dẫn / IC chính Thông số kỹ thuật / Giá trị tính toán
Xử lý trung tâm AT89C51 Thạch anh 12 MHz; ROM nội 4 KB; RAM nội 128 Byte
Hiển thị quét 6 LED 7 đoạn Anode chung, 74LS245, A1015 Dòng LED 105 mA; $\beta = 50$; $R_b = 1,8 \text{ kΩ}$
Chống dội ngắt LM7555 (chế độ đơn ổn) $R = 39 \text{ kΩ}$, $C = 10 \text{ µF}$, trễ đơn ổn $t \approx 500 \text{ ms}$
Xung nhịp khống chế LM7555 (chế độ bất ổn) $C = 100 \text{ µF}$, $R_b = 220 \text{ Ω}$, $R_a = 10 \text{ kΩ}$; $f = 0,379 - 1,72 \text{ Hz}$
Chốt & Khống chế logic 74LS74, 4040B, 4518B, 4012B, 74LS00, 74LS32 Mạch đếm nhị phân/BCD ngắt tự động bằng phần cứng
Giao tiếp công suất C1815, Relay 6V, Diodes $I_c = 20 \text{ mA}$, $\beta = 80$, $R_b = 10 \text{ kΩ}$
Khối nguồn nuôi RS507L, 78M05, D613, Tụ 4700 µF Biến áp 3A; Áp ra 5VDC; Dòng tải tối đa 2,5A

Cấu trúc phần mềm điều khiển

Chương trình điều khiển được viết bằng hợp ngữ Assembly MCS-51, tổ chức thành các mô-đun chức năng:

  • Bộ định thời hệ thống: Cấu hình Timer 0 ở chế độ 1 (16-bit) để tạo ngắt định kỳ định thời 1 giây, cập nhật các biến lưu trữ Giờ - Phút - Giây tại các ô nhớ nội từ 12H đến 17H.
  • Xử lý ngắt ngoài: Ngắt INT0 (ngat0) dùng chọn 6 chế độ chỉnh (Mode 0: đơn vị giây, chục giây, đơn vị phút, chục phút, đơn vị giờ, chục giờ). Ngắt INT1 (ngat1) dùng tăng giá trị tương ứng của chế độ đã chọn với lệnh hiệu chỉnh thập phân DA A.
  • Giao diện bàn phím cài đặt: 4 phím nhập nối vào Port 1 (P1.0: phím IN vào cài đặt; P1.1: phím TĂNG; P1.2: phím GIẢM; P1.3: phím OUT lưu và bắt đầu chạy).
  • Mô-đun so sánh và điều khiển động cơ: Chương trình liên tục so sánh thời gian thực với mốc cài đặt. Cứ mỗi 10 phút, vi điều khiển phát xung kích hoạt động cơ chạy thuận qua bit P3.6; sau 60 lần kích thuận (10 giờ), phát xung kích chạy nghịch qua bit P3.7.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu

Chương này phân tích bối cảnh cạn kiệt năng lượng hóa thạch và ưu thế của năng lượng mặt trời tại các khu vực chưa có lưới điện. Tác giả chỉ ra nhược điểm của các tấm pin đặt cố định và đề xuất mô hình bám nhật động dựa trên cơ sở thời gian thực. Nội dung xác lập phương hướng giải quyết gồm 5 nhiệm vụ hệ thống, chia tách rõ giải pháp phần cứng (hiển thị, giao tiếp công suất, mạch chốt khống chế) và giải pháp phần mềm (đồng hồ thực, cài đặt mốc giờ, so sánh thời gian và phát xung điều khiển).

Chương II: Họ vi điều khiển MCS51

Nội dung chương đóng vai trò cơ sở lý thuyết phần cứng, mô tả chi tiết vi mạch AT89C51: cấu trúc sơ đồ 40 chân; chức năng xuất nhập và dồn kênh của các cổng Port 0 đến Port 3; sơ đồ tổ chức bộ nhớ trong và ngoài theo kiến trúc Harvard; chức năng các thanh ghi điều khiển đặc biệt SFR (PSW, ACC, B, SP, DPTR, PCON). Chương cũng hệ thống hóa toàn bộ 255 lệnh trong tập lệnh MCS-51 chia làm 4 nhóm (xử lý số học, luận lý, chuyển dữ liệu, chuyển điều khiển), các chế độ định vị địa chỉ, cùng cơ chế hoạt động chi tiết của 2 bộ định thời 16-bit (Timer 0, Timer 1) và cơ chế xử lý 5 nguồn ngắt.

Chương III: Một số linh kiện có trong mạch

Chương này khảo sát các thông số kỹ thuật và chức năng logic của các vi mạch hỗ trợ trong sơ đồ nguyên lý: IC đệm 8 đường 74LS245N; IC đếm nhị phân 12 tầng HFE 4040B; IC đếm thập phân kép HFE 4518B; các cổng logic CMOS và TTL gồm cổng NAND 4 ngõ vào HFE 4012B, cổng NAND 2 ngõ vào 74LS00, cổng OR 2 ngõ vào 74LS32N; và IC định thời LM7555.

Chương IV: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển pin mặt trời

Đây là chương nội dung kỹ thuật trọng tâm của đồ án. Tác giả xây dựng sơ đồ khối tổng quát và tiến hành tính toán thiết kế chi tiết từng mạch thành phần:

  • Xác lập kết nối vi điều khiển AT89C51.
  • Tính chọn dòng quét cho mạch hiển thị 6 LED 7 đoạn qua transistor A1015 và IC đệm 74LS245.
  • Thiết kế mạch tạo xung đơn ổn bằng IC 555 chống dội phím ngắt với thời gian trễ xấp xỉ 500 ms.
  • Thiết kế mạch tạo xung đếm bất ổn bằng IC 555 tạo dải tần 0,379 – 1,72 Hz.
  • Thiết kế mạch giao tiếp công suất điều khiển relay qua transistor C1815.
  • Tính toán mạch nạp - xả RC cho chân Reset AT89C51.
  • Thiết kế mạch chốt 74LS74 phối hợp mạch đếm 4040B/4518B để tự ngắt động cơ sau đúng 8 nhịp xung ở chiều thuận và 480 nhịp xung ở chiều nghịch.
  • Thiết kế bộ nguồn ổn áp DC 5V/2,5A dùng 78M05 kết hợp transistor đệm D613.

Chương V: Giải thuật và hướng dẫn sử dụng

Chương V cung cấp hệ thống lưu đồ giải thuật cho toàn bộ chương trình vi điều khiển: lưu đồ chương trình hệ thống, đồng hồ thời gian thực, chương trình ngắt INT0 và INT1 chọn mode và chỉnh thời gian, lưu đồ bàn phím cài đặt (tăng, giảm, thoát), lưu đồ giải thuật so sánh phát xung điều khiển động cơ, lưu đồ xử lý giờ - phút - giây, giải mã nhị phân sang mã 7 đoạn và lưu đồ quét LED. Phần sau của chương trích dẫn các đoạn mã nguồn hợp ngữ minh họa và hướng dẫn quy trình vận hành bàn phím vật lý của hệ thống.

Chương VI: Vẽ mạch in và làm mô hình

Nội dung chương trình bày kết quả thiết kế và gia công các bo mạch in (PCB) rời cho từng khối: khối vi điều khiển, khối hiển thị (bản vẽ mặt trên và mặt dưới), khối giao tiếp công suất, khối cài đặt và chỉnh giờ, khối chốt và khống chế động cơ. Chương cũng mô tả quá trình gia công, lắp ráp khung đỡ cơ khí và cơ cấu truyền động gắn tấm pin quang điện.

Chương VII: Kết luận và đề nghị

Tác giả tổng kết quá trình thực hiện đồ án trong thời gian 6 tuần; đánh giá các mục tiêu kỹ thuật đã hoàn thành về phần cứng, phần mềm và mô hình truyền động thực nghiệm. Đồng thời, chương chỉ rõ các nhược điểm còn tồn tại của hệ thống điều khiển theo thời gian thực cố định và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai bằng cảm biến môi trường.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả cụ thể về mặt chế tạo và thông số vận hành kỹ thuật:

  • Thi công hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm: Hệ thống phần cứng hoạt động ổn định bao gồm 5 bo mạch in chức năng kết nối ăn khớp với bộ khung cơ khí xoay tấm pin một trục.
  • Xác lập chu trình điều khiển chia nhỏ hành trình: Nhóm tác giả giải quyết bài toán bám nhật động bằng phương pháp định thời gián đoạn. Trong khung thời gian chiếu sáng 10 giờ mỗi ngày, hệ thống chia thành 60 chu kỳ xuất xung:
    • Cứ mỗi 10 phút, vi điều khiển xuất một xung kích tại chân P3.6 kích hoạt động cơ quay thuận.
    • Mỗi lần xuất xung, mạch khống chế phần cứng đếm đúng 8 nhịp xung từ LM7555, điều khiển động cơ quay tấm pin một góc chính xác là 3°.
    • Sau 60 lần xuất xung, tấm pin hoàn thành hành trình quét 180° theo hướng từ Đông sang Tây ($60 \times 3^\circ = 180^\circ$).
  • Cơ chế hồi vị tự động: Sau chu kỳ chạy thuận thứ 60 thêm 10 phút, chân Port 3.7 xuất xung kích chạy nghịch. Động cơ quay liên tục trong thời gian tương ứng với 480 nhịp xung đếm ($60 \times 8 = 480$ xung, được giải mã bằng tổ hợp trạng thái $Q_6, Q_7, Q_8, Q_9 = 111100000_2$ của IC đếm 4040B đưa qua cổng NAND 4012B để ngắt mạch) nhằm đưa tấm pin quay nhanh về lại hướng Đông ban đầu và dừng chờ chu kỳ của ngày kế tiếp.
  • Đóng góp kỹ thuật tự nêu: Đề tài đề xuất giải pháp kết hợp linh hoạt giữa vi điều khiển và mạch logic rời: giao toàn bộ tác vụ đếm nhịp và khống chế hành trình động cơ cho mạch chốt và mạch đếm phần cứng ngoại vi. Giải pháp này giúp giải phóng tài nguyên xử lý của vi điều khiển AT89C51, loại bỏ nguy cơ trễ pha hoặc treo đồng hồ thời gian thực trong thời gian động cơ chấp hành vận hành. Đồng thời, hệ thống cung cấp giao diện phím bấm can thiệp thuận/nghịch tức thời mà không cần can thiệp vào chương trình phần mềm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá trung thực của nhóm tác giả trong văn bản, đồ án còn một số hạn chế kỹ thuật:

  • Chu trình điều khiển dựa trên khung thời gian cố định (hằng số 10 giờ/ngày) chưa tối ưu trong thực tế, do độ dài ngày đêm thay đổi theo mùa trong năm (mùa hè ngày dài đêm ngắn, mùa đông ngày ngắn đêm dài).
  • Vào mùa mưa hoặc những ngày nhiều mây, hệ thống vẫn chấp hành xoay động cơ theo chu trình định sẵn dù bức xạ mặt trời không đảm bảo, dẫn đến hao phí năng lượng điện tích trữ.
  • Cơ cấu chuyển động còn gián đoạn (xoay từng bước 3° sau mỗi 10 phút), chưa đạt đến trạng thái quay liên tục bám sát vận tốc góc thực tế của trái đất ($1200 \text{ phút/vòng}$ trong 10 giờ) do giới hạn độ phức tạp của hộp số cơ khí giảm tốc.
  • Phần cứng còn cồng kềnh, sử dụng nhiều vi mạch logic rời khiến mạch in phức tạp, giá thành chế tạo còn cao và dữ liệu cài đặt tạm thời trong RAM sẽ bị mất khi mất nguồn cung cấp.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả đề xuất:

  • Nâng cấp hệ thống xoay tự động theo không gian 3 chiều (2 bậc tự do).
  • Thay thế phương pháp điều khiển theo thời gian cố định bằng hệ thống bám quang học tự động: bố trí các cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến nhiệt độ và cảm biến tia cực tím phân bố đều trên bề mặt tấm pin. Tín hiệu từ các cảm biến được đưa qua mạch khuếch đại riêng, so sánh và chuyển đổi qua bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D Converter) đưa vào vi điều khiển để bám chính xác điểm có bức xạ cực đại trong mọi điều kiện thời tiết.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Năng lượng tái tạo.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Phương pháp phối ghép vi điều khiển họ MCS-51 (8051/89C51) với các vi mạch logic số kinh điển (họ TTL 74LS và CMOS 4000) nhằm phân chia tác vụ xử lý trong các bài toán điều khiển công nghiệp.
  • Mạch nguyên lý quét hiển thị LED 7 đoạn Anode chung có tầng đệm dòng và mạch ổn áp nguồn DC công suất lớn phối hợp transistor gánh dòng cho IC 7805.
  • Kỹ thuật lập trình hợp ngữ xử lý đồng hồ thời gian thực, quản lý các ngắt ngoài và ngắt bộ định thời trong các hệ thống vi điều khiển tài nguyên thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lại chia 10 giờ thành 60 lần xuất xung với góc quay mỗi lần là 3°?
Góc quét từ hướng Đông sang hướng Tây của mặt trời tương ứng với góc 180°. Do việc chế tạo cơ cấu giảm tốc cơ khí quay liên tục với tốc độ cực chậm ($1200 \text{ phút/vòng}$) rất khó khăn và tốn kém, tác giả chọn phương án quay gián đoạn: lấy 10 giờ làm việc chia thành 60 khoảng thời gian (mỗi khoảng 10 phút). Trong 180° tổng hành trình, mỗi 10 phút động cơ sẽ kích hoạt xoay tấm pin một góc đúng $180^\circ / 60 = 3^\circ$.

2. Vai trò của IC định thời LM7555 trong mạch điều khiển là gì?
Hệ thống sử dụng hai mạch chức năng riêng biệt dùng IC LM7555:

  • Một mạch mắc theo dạng đơn ổn (monostable) phối hợp điện trở 39 kΩ và tụ điện 10 µF tạo xung trễ xấp xỉ 500 ms nhằm chống hiện tượng dội phím cơ khí cho các ngõ vào ngắt ngoài INT0/INT1.
  • Một mạch mắc theo dạng dao động bất ổn (astable) tạo chuỗi xung vuông có tần số điều chỉnh từ 0,379 Hz đến 1,72 Hz, cung cấp xung nhịp đếm độc lập cho mạch chốt khống chế thời gian quay của động cơ.

3. Cơ chế điều khiển hành trình quay ngược đưa tấm pin về vị trí ban đầu diễn ra như thế nào?
Sau khi hoàn thành 60 lần quay thuận, sau 10 phút tiếp theo, chân Port 3.7 của vi điều khiển xuất xung kích chạy nghịch. Mạch chốt flip-flop kích hoạt cho động cơ quay ngược liên tục và mở cổng cho IC đếm 4040B đếm xung từ LM7555. Thời gian chạy nghịch tương đương tổng 60 lần chạy thuận, tương ứng với $60 \times 8 = 480$ nhịp xung. Khi các ngõ ra $Q_6, Q_7, Q_8, Q_9$ của 4040B đồng thời lên mức 1 ($111100000_2 = 480$), cổng logic NAND 4012B sẽ phát tín hiệu xóa chốt, lập tức ngắt động cơ để tấm pin dừng lại ở vị trí xuất phát hướng Đông.

4. Khối nguồn nuôi của hệ thống được tính toán như thế nào để tránh quá tải cho IC 7805?
Dòng tiêu thụ tổng cộng của toàn bộ linh kiện trong mạch (gồm 6 LED 7 đoạn, các IC số, relay và động cơ) tính toán tối đa xấp xỉ 1A. Do IC ổn áp 78M05 thông dụng trên thị trường khó đáp ứng bền vững mức dòng này và sinh nhiệt lớn, tác giả sử dụng máy biến áp 3A, nắn dòng qua cầu diode RS507L (5A) và phối hợp 78M05 với một transistor công suất NPN D613 ($I_c$ định mức 5A) để gánh dòng. Một diode được mắc nối tiếp tại chân mass của 78M05 để nâng điện áp chuẩn lên thêm 0,7V, bù trừ cho sụt áp $V_{BE}$ của transistor D613, giúp ngõ ra duy trì ổn định ở mức +5V với khả năng cấp dòng lên tới 2,5A.

5. Người dùng thao tác cài đặt thời gian và can thiệp vận hành hệ thống như thế nào?
Khi cấp nguồn hoặc reset, hệ thống dừng tại giao diện bàn phím 4 nút nối vào Port 1: người dùng nhấn phím IN (P1.0) để vào chế độ cài đặt, dùng phím TĂNG (P1.1) hoặc GIẢM (P1.2) để đặt mốc giờ xuất phát, sau đó nhấn phím OUT (P1.3) để lưu và kích hoạt đồng hồ thực chạy từ 00:00:00. Để chỉnh giờ thực tế, người dùng sử dụng hai phím ngắt: phím ngắt INT0 để chuyển đổi tuần tự qua 6 chế độ chọn (từ đơn vị giây đến chục giờ) và phím ngắt INT1 để tăng giá trị tương ứng. Ngoài ra, trên mạch còn bố trí 2 nút bấm cưỡng bức để quay thuận/nghịch tức thời thông qua cổng OR mà không cần thông qua chương trình vi điều khiển.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Phạm Huy Thắng và Trần Văn Dư đã thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng điều khiển pin mặt trời xoay theo thời gian thực sử dụng vi điều khiển AT89C51. Điểm nổi bật của đề tài nằm ở giải pháp kết hợp hiệu quả giữa vi mã hợp ngữ và các khối logic đếm - chốt phần cứng ngoại vi, cho phép hệ thống chấp hành quét góc 180° theo 60 phân đoạn gián đoạn mà không làm sai lệch đồng hồ thời gian thực. Mặc dù chu trình định thời cố định còn bộc lộ hạn chế trước biến động thời tiết và chu kỳ mùa, đồ án đã giải quyết tốt bài toán tự động hóa cơ điện tử cơ bản và đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho các hướng phát triển bám bức xạ bằng cảm biến quang học sau này.