Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và thủy điện đang dần cạn kiệt, năng lượng tái tạo—đặc biệt là năng lượng mặt trời—trở thành nguồn năng lượng thay thế quan trọng nhờ tính sẵn có, dồi dào và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, các hệ thống quang điện (photovoltaic - PV) lắp đặt cố định hiện nay chỉ đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng tối đa khi ánh sáng mặt trời chiếu vuông góc với bề mặt tấm pin. Khi góc chiếu thay đổi trong ngày hoặc theo mùa, hiệu suất thu nhận bức xạ sẽ sụt giảm đáng kể.

Để giải quyết nhược điểm trên, đề tài khóa luận tốt nghiệp "Ứng dụng xử lý ảnh định hướng pin mặt trời" do sinh viên Phạm Hoàng Nam và Phan Trường Thành thực hiện tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Minh Huân, năm 2014) đã tập trung nghiên cứu giải pháp tự động điều khiển tấm pin bám theo vị trí mặt trời.

Các vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được tác giả xác định bao gồm:

  1. Phân tích các hạn chế của các đề tài khóa trước: Hệ thống điều khiển 1 trục chưa định hướng chính xác toàn diện; hệ thống sử dụng cảm biến quang trở (LDR) có thời gian đáp ứng chậm, dễ bị nhiễu bởi nhiệt độ môi trường và độ chính xác điều khiển chưa cao.
  2. Xây dựng mô hình định hướng pin mặt trời 2 trục (quay quanh trục ngang và trục đứng) để tối ưu hóa góc đón nắng theo 4 hướng Đông, Tây, Nam, Bắc.
  3. Ứng dụng xử lý ảnh trên nền tảng phần mềm MATLAB thông qua hình ảnh thu nhận từ Webcam gắn trực tiếp trên tấm pin để xác định chính xác tọa độ tâm nguồn sáng mặt trời.
  4. Thiết kế, gia công kết cấu cơ khí và mạch điều khiển nhúng sử dụng vi điều khiển PIC16F887 kết hợp mạch công suất MOSFET để điều khiển các động cơ bước.
  5. Xây dựng giao diện điều khiển, giám sát và truyền dữ liệu thời gian thực giữa máy tính và khối vi điều khiển qua chuẩn giao tiếp nối tiếp UART/RS232.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử định hướng pin mặt trời 2 trục tích hợp thị giác máy tính và vi điều khiển.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Mô hình thực nghiệm phục vụ học tập và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
    • Sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời công suất 10W (điện áp danh định 18V, dòng điện 0.55A).
    • Thuật toán xử lý ảnh trên MATLAB với độ phân giải hình ảnh giới hạn ở mức 160x120 pixel.
    • Cơ cấu dẫn động sử dụng động cơ bước đơn cực kết hợp truyền động bánh răng và đai răng.
    • Thời gian vận hành tự động được thiết lập trong khung giờ ban ngày từ 8 giờ sáng đến 18 giờ chiều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên các cơ sở lý thuyết kỹ thuật điện - điện tử và xử lý ảnh số:

  • Nguyên lý pin quang điện: Cơ chế giải phóng cặp electron - lỗ trống tại lớp tiếp giáp P-N dưới tác dụng của photon ánh sáng; phương trình dòng - điện áp ($I-V$) của pin mặt trời: $$I = I_{sc} - I_0 \left[ \exp\left(\frac{q(V + I R_s)}{n k T}\right) - 1 \right] - \frac{V + I R_s}{R_{sh}}$$ và phương pháp xác định điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP), đặc tính phụ thuộc của dòng ngắn mạch $I_{sc}$ và điện áp hở mạch $V_{oc}$ vào cường độ bức xạ và nhiệt độ.
  • Nguyên lý động cơ bước đơn cực: Cấu tạo stator, rotor nam châm vĩnh cửu 6 cực, phương pháp điều khiển kích từ các cuộn dây ở chế độ bước đủ (Full-step 1 bit, Full-step 2 bit) và chế độ nửa bước (Half-step) với góc bước cơ bản $1.8^\circ$, chia nhỏ thành $0.9^\circ$.
  • Cấu trúc vi điều khiển PIC16F887: Kiến trúc 8-bit RISC của Microchip, cấu hình các thanh ghi ngoại vi gồm bộ biến đổi tương tự - số (ADC 10-bit trên kênh AN13), bộ truyền thông nối tiếp bất đồng bộ (EUSART), hệ thống ngắt (ngắt Timer0, ngắt ngoài INT) và điều khiển hiển thị LCD ký tự chuẩn HD44780.
  • Xử lý ảnh số trên MATLAB: Khái niệm điểm ảnh (pixel), ma trận ảnh, mức xám, không gian màu RGB, kỹ thuật phân ngưỡng nhị phân hóa ảnh (im2bw) và trích xuất đặc trưng hình học qua hàm regionprops để tìm tọa độ trọng tâm (Centroid) của vùng sáng mặt trời.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp các phương pháp:

  1. Phương pháp phân tích - tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán tỷ số truyền động cơ khí, tính toán mạch giải mã công suất đóng cắt MOSFET, phân tích thời gian và góc dịch chuyển mặt trời ($360^\circ / 24\text{h} = 15^\circ/\text{h}$, tương đương $7.5^\circ / 30\text{ phút}$).
  2. Phương pháp thực nghiệm và chế tạo mẫu: Gia công trục, tiện bánh răng, hàn khung đỡ cơ khí, lắp ráp mạch in điện tử, lập trình nhúng trên trình biên dịch MikroC PRO for PIC và lập trình thuật toán xử lý ảnh trên MATLAB GUI.
  3. Phương pháp thu thập và kiểm chứng dữ liệu: Đo đạc điện áp ngõ ra của pin mặt trời qua bộ chuyển đổi ADC và truyền thông RS232, giám sát sự thay đổi tọa độ tâm điểm ảnh trên giao diện đồ họa.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc cơ khí và hệ thống truyền động

Hệ thống sử dụng hệ tọa độ Descartes không gian gắn liền với tấm pin để điều khiển quay quanh hai trục độc lập:

  • Trục quay thẳng đứng (trục Oz): Sử dụng bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng nhằm đảm bảo tỷ số truyền ổn định và khả năng chịu tải. Bánh răng chủ động có đường kính $d_1 = 14\text{ mm}$, bánh răng bị động có đường kính $d_2 = 42\text{ mm}$, tạo ra tỷ số truyền: $$u = \frac{d_2}{d_1} = \frac{42}{14} = 3$$
  • Trục quay nằm ngang (trục Ox): Sử dụng bộ truyền đai răng giúp truyền chuyển động êm, không gây ồn và giảm khối lượng kết cấu trên cao.
  • Gối đỡ và trục: Hệ thống sử dụng ổ bi đỡ một dãy kết hợp trục bậc để định vị chính xác vị trí lắp ghép các bánh răng và puly đai.
  • Độ phân giải góc quay: Động cơ bước có góc bước $1.8^\circ$, khi điều khiển ở chế độ nửa bước ($0.9^\circ$) qua bộ truyền giảm tốc tỷ số $1:3$, góc quay của tấm pin đạt $0.3^\circ$ cho mỗi bước xung điều khiển.
Thông số thiết kế cơ khí - truyền động Giá trị thực tế
Số trục điều khiển 2 trục (Trục đứng $Oz$, Trục ngang $Ox$)
Bộ truyền trục đứng Bánh răng trụ răng thẳng ($d_1=14\text{ mm}, d_2=42\text{ mm}$)
Tỷ số truyền trục đứng ($u$) $3:1$
Bộ truyền trục ngang Bộ truyền đai răng
Loại ổ đỡ Ổ bi đỡ một dãy
Góc bước động cơ $1.8^\circ$ (Nửa bước: $0.9^\circ$)
Độ dịch chuyển góc tấm pin mỗi bước xung $0.3^\circ$

Thiết kế phần cứng điện tử và công suất

Hệ thống phần cứng bao gồm ba khối chính:

  1. Khối xử lý trung tâm (Kit điều khiển): Vi điều khiển PIC16F887 hoạt động với thạch anh tần số $8\text{ MHz}$. Khối này tích hợp IC MAX232 chuyển đổi mức điện áp giữa chuẩn RS232 của máy tính và mức logic TTL của vi điều khiển, cổng kết nối LCD 16x2 hiển thị thông số điện áp và trạng thái, cùng hệ thống nút nhấn điều khiển thủ công.
  2. Khối công suất: Gồm 8 transistor công suất MOSFET IRF540 (khả năng chịu dòng danh định lên đến 30A) được chia đều để điều khiển 2 động cơ bước đơn cực 6 dây (dòng định mức $1.5\text{A}$, điện áp $5\text{V}$). Các cực Gate (G) của MOSFET kết nối với các chân xuất tín hiệu của PIC16F887, cực Drain (D) nối với các đầu cuộn dây pha của động cơ, cực Source (S) nối đất chung.
  3. Khối nguồn: Sử dụng bộ nguồn máy tính (ATX) nhằm cung cấp các mức điện áp chuẩn ổn định ($+5\text{V}$, $+12\text{V}$, GND) cho mạch logic và khối công suất.
Thành phần linh kiện Thông số / Mã hiệu kỹ thuật Chức năng trong hệ thống
Vi điều khiển PIC16F887 (8-bit, 40 chân, $8\text{ MHz}$) Nhận lệnh UART, xuất xung động cơ, đọc ADC
IC giao tiếp MAX232 Chuyển đổi mức logic TTL $\leftrightarrow$ RS232
Khóa chuyển mạch công suất MOSFET IRF540 ($I_{max} = 30\text{A}$) Đóng ngắt cuộn dây pha động cơ bước
Động cơ chấp hành Động cơ bước đơn cực 2 pha, 6 dây ($5\text{V}, 1.5\text{A}$) Kéo khung xoay 2 trục
Màn hình hiển thị LCD 16x2 (Chip điều khiển HD44780) Hiển thị điện áp pin đo được
Tấm pin quang điện Pin mặt trời đơn tinh thể 10W ($18\text{V}, 0.55\text{A}$) Thu thập năng lượng mặt trời
Cảm biến hình ảnh Webcam kết nối USB máy tính Thu nhận khung hình mặt trời

Thuật toán điều khiển và phần mềm

Hệ thống hoạt động dựa trên sự phối hợp giữa phần mềm xử lý ảnh trên máy tính (MATLAB) và chương trình điều khiển nhúng trên vi điều khiển (MikroC):

  1. Thuật toán xử lý ảnh trên MATLAB:

    • Thu nhận luồng video từ Webcam thông qua đối tượng videoinput('winvideo', 1) với kích thước khung hình $160 \times 120\text{ pixel}$. Tọa độ tâm khung hình lý thuyết là $(X_0, Y_0) = (80, 60)$.
    • Chuyển đổi ảnh màu sang ảnh xám và nhị phân hóa để tách vùng điểm sáng cực đại (vùng mặt trời nhận giá trị logic 1, nền trời nhận giá trị 0).
    • Sử dụng hàm regionprops xác định tọa độ trọng tâm $(X_c, Y_c)$ của mặt trời.
    • Thiết lập dải biên chết (deadband) để chống hiện tượng dao động vọt lố và giảm tần suất quay của động cơ:
      • Trục $OX$: Vùng cân bằng nằm trong khoảng $75 \le X_c \le 85$. Nếu $X_c < 75$, gửi mã '1' (động cơ 1 quay thuận); nếu $X_c > 85$, gửi mã '2' (động cơ 1 quay nghịch).
      • Trục $OY$: Vùng cân bằng nằm trong khoảng $55 \le Y_c \le 65$. Nếu $Y_c < 55$, gửi mã '3' (động cơ 2 quay thuận); nếu $Y_c > 65$, gửi mã '4' (động cơ 2 quay nghịch).
    • Xử lý trường hợp khuất nắng (mây mù, mưa): Khi biến nhận dạng mattroi == 0 kéo dài, hệ thống chuyển sang chế độ nội suy góc quay định kỳ: sau mỗi khoảng thời gian 30 phút, MATLAB tự động kích hoạt động cơ 1 quay theo hướng Đông - Tây một góc cố định $7.5^\circ$ (tương đương 24 bước nửa bước).

  2. Chương trình điều khiển trên PIC16F887:

    • Khởi tạo cổng truyền thông UART với tốc độ 9600 bps, cấu hình Timer0 và bộ ADC 10-bit.
    • Sử dụng mảng dữ liệu 8 trạng thái a[8] = {0x0e, 0x06, 0x02, 0x03, 0x01, 0x09, 0x08} để kích lần lượt các cuộn dây động cơ bước theo chế độ nửa bước tại PORTD (động cơ 1) và PORTB (động cơ 2).
    • Nhận tín hiệu điều khiển từ MATLAB qua ngắt UART và thực hiện bước quay tương ứng.
    • Định kỳ đọc điện áp ngõ vào tại kênh analog AN13: $$\text{Voltage (mV)} = \frac{\text{ADC_Value} \times 20000}{1023}$$ chuyển đổi thành chuỗi ký tự hiển thị lên LCD 16x2 và truyền ngược lên máy tính qua UART để vẽ đồ thị.
    • Tích hợp công tắc hành trình hướng Tây (HT1) và chế độ quay về vị trí ban đầu (hướng Đông) khi kết thúc chu kỳ ngày hoặc khi nhận lệnh '5'.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc khai thác năng lượng tái tạo, phân tích nhu cầu cấp bách về năng lượng sạch trong bối cảnh cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch. Tác giả nêu rõ lý do chọn đề tài xuất phát từ hạn chế của các hệ thống pin mặt trời cố định và các hạn chế của hệ thống bám nhật quang sử dụng quang trở LDR ở các khóa trước. Chương này xác định mục tiêu thiết kế hệ thống định hướng 2 trục ứng dụng xử lý ảnh, giới hạn phạm vi mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, đồng thời tổng hợp các số liệu thực tiễn cho thấy việc định hướng 2 trục bám theo 4 hướng Đông - Tây - Nam - Bắc có thể nâng cao hiệu suất thu nhận bức xạ quang điện lên tới 37% so với hệ thống đặt cố định.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng phục vụ cho việc thiết kế mô hình:

  • Trình bày chi tiết cấu tạo vật lý của pin mặt trời (lớp bảo vệ, lớp chống phản xạ, bán dẫn loại N, bán dẫn loại P, lớp đế), nguyên lý dịch chuyển hạt dẫn dưới tác dụng của photon ánh sáng có mức năng lượng $E_2 > E_1$.
  • Phân tích đồ thị đặc tuyến $I-V$, điểm làm việc công suất cực đại (MPP), sơ đồ mạch điện tương đương của tế bào quang điện, các ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ ($25^\circ\text{C}$ và $50^\circ\text{C}$), cùng phương pháp ghép nối tiếp và song song các tấm pin.
  • Giới thiệu cấu tạo và phương pháp kích từ động cơ bước đơn cực 6 dây ở các chế độ Full-step (bảng trạng thái 1-bit và 2-bit) và Half-step (bảng trạng thái 8 bước).
  • Khảo sát vi điều khiển PIC16F887: sơ đồ chân, cấu hình cổng I/O, hoạt động của bộ biến đổi ADC 10-bit (thanh ghi ADCON0, ADCON1, ADRESH, ADRESL), khối giao tiếp nối tiếp EUSART (thanh ghi TXSTA, RCSTA, SPBRG), cơ chế ngắt và cấu trúc giao tiếp màn hình LCD ký tự HD44780 ở chế độ 4-bit.

Chương 3: Nguyên lý hoạt động và xây dựng mô hình

Chương 3 đi sâu vào quá trình hiện thực hóa phần cứng cơ khí và điện tử:

  • Xây dựng sơ đồ khối hoạt động toàn hệ thống gồm máy tính (xử lý MATLAB), vi điều khiển PIC16F887, mạch công suất và cơ cấu chấp hành 2 trục.
  • Trình bày nhiệm vụ thiết kế cơ khí trong hệ không gian Descartes: trục đứng quay góc $\beta$, trục ngang quay góc $\alpha$.
  • Phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng ($u=3$) cho trục đứng và bộ truyền đai răng cho trục ngang, sử dụng gối đỡ ổ bi đỡ một dãy và kết cấu trục bậc.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý và thi công bo mạch điều khiển trung tâm (PIC16F887, MAX232, LCD, nút nhấn) và bo mạch công suất sử dụng 8 MOSFET IRF540 điều khiển 2 động cơ bước, cấp nguồn qua bộ nguồn máy tính.

Chương 4: Thuật toán điều khiển

Chương 4 tập trung vào giải thuật phần mềm và giao diện điều khiển:

  • Trình bày lý thuyết cơ bản về ảnh số (điểm ảnh, mức xám 0–255, độ phân giải, hệ màu RGB/CMY) và các hàm xử lý ảnh cơ bản trong thư viện Image Processing Toolbox của MATLAB (imread, im2bw, regionprops, imshow).
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán xử lý ảnh trên MATLAB: thu ảnh $160\times 120$ từ Webcam, tìm tâm sáng $(X_c, Y_c)$, phân loại vùng điều khiển theo ngưỡng $X \in [75, 85]$ và $Y \in [55, 65]$, xuất chuỗi mã điều khiển qua cổng COM nối tiếp.
  • Xây dựng thuật toán nội suy góc quay khi trời tắt nắng/mây mù (quay $7.5^\circ$ sau mỗi 30 phút).
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển PIC16F887: nhận mã lệnh UART, quét bảng kích từ nửa bước ra PORTD và PORTB, đọc điện áp ADC ngõ vào AN13 và truyền dữ liệu.
  • Thiết kế giao diện đồ họa người dùng (MATLAB GUI) với các khối hiển thị hình ảnh (DISPLAY), tọa độ (COORDINATE), chọn cổng truyền thông và hiển thị điện áp (COMPORT AND VOLTAGE), điều khiển tự động (MAIN CONTROL) và điều khiển bằng tay (MANUAL).

Chương 5: Kết quả nghiên cứu, kết luận và hướng phát triển

Chương 5 đánh giá toàn diện kết quả thực nghiệm:

  • Mô hình cơ khí - điện tử đã được chế tạo hoàn chỉnh, vận hành ổn định, tự động bám sát nguồn sáng mặt trời theo thời gian thực và tự động quay về vị trí ban đầu theo thời gian cài đặt hoặc khi chạm công tắc hành trình.
  • Phân tích một số sai số còn tồn tại trong khâu đo lường điện áp ngõ vào ADC.
  • Kết luận về việc làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo hệ thống bám nhật quang chi phí thấp bằng linh kiện phổ biến.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo về tích hợp bộ nghịch lưu hòa lưới điện quốc gia và mở rộng quy mô công suất hệ thống pin mặt trời.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo thành công mô hình phần cứng: Hệ thống cơ khí 2 trục hoạt động chắc chắn; mạch điều khiển PIC16F887 và mạch công suất MOSFET IRF540 đáp ứng tốt việc cấp dòng $1.5\text{A}$ cho các động cơ bước vận hành êm, không bị quá nhiệt.
  2. Hiện thực hóa thuật toán thị giác máy tính: Thuật toán xử lý ảnh trên MATLAB bóc tách chính xác vị trí tâm mặt trời từ Webcam độ phân giải $160 \times 120$, đưa tọa độ điểm sáng về dải trung tâm ổn định ($75 \le X \le 85, 55 \le Y \le 65$).
  3. Tự động hóa chu trình bám nhật quang: Hệ thống tự động hoạt động từ 8 giờ sáng, tự điều chỉnh bám theo mặt trời trong ngày, tự động dịch chuyển góc theo thời gian khi gặp mây mù và tự động quay về hướng Đông khi hết thời gian làm việc trong ngày (18 giờ) hoặc chạm công tắc hành trình hướng Tây (HT1).
  4. Phát triển giao diện giám sát: Xây dựng thành công giao diện MATLAB GUI trực quan cho phép quan sát ảnh nhị phân, tọa độ điểm sáng, lựa chọn cổng COM kết nối, hiển thị điện áp tấm pin thời gian thực và chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ tự động và thủ công.

Bảng so sánh các giải pháp định hướng pin mặt trời

Tiêu chí kỹ thuật Giải pháp cố định Giải pháp dùng quang trở (LDR) (Khóa trước) Giải pháp xử lý ảnh MATLAB & PIC16F887 (Đồ án)
Số trục điều khiển Không có ($0$ trục) Thường là $1$ trục $2$ trục độc lập ($Oz$ bánh răng, $Ox$ đai răng)
Độ chính xác định hướng Thấp (chỉ tối ưu tại một thời điểm) Kém chính xác (dễ lệch hướng) Cao (dựa trên tọa độ trọng tâm điểm ảnh)
Thời gian đáp ứng Không có Chậm Nhanh, cập nhật liên tục qua luồng video
Độ nhạy với nhiệt độ Bị suy giảm hiệu suất khi nhiệt độ cao Dễ bị nhiễu và trôi tín hiệu bởi nhiệt độ Hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường
Cơ chế khi mây mù Không có Dễ bị mất phương hướng Tự động chuyển chế độ quay định kỳ $7.5^\circ / 30\text{ phút}$
Giao diện giám sát Không có Hạn chế hoặc chỉ hiển thị qua LCD đơn giản Giao diện đồ họa MATLAB GUI đầy đủ, thân thiện

Đóng góp của đề tài

  • Khắc phục triệt để các nhược điểm của phương pháp dùng cảm biến quang trở (LDR) về độ trễ, nhiễu nhiệt và sai số góc nhìn.
  • Kết hợp liên ngành Cơ khí chính xác - Điện tử công suất - Vi điều khiển nhúng - Xử lý ảnh máy tính để tạo ra một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh với chi phí linh kiện thấp, dễ tiếp cận.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Khâu đo đạc điện áp từ tấm pin mặt trời thông qua bộ chuyển đổi ADC của PIC16F887 vẫn còn tồn tại sai số nhất định và chưa đạt độ ổn định tuyệt đối trong quá trình đo đạc thời gian thực.
  • Thuật toán xử lý ảnh giới hạn theo ngưỡng sáng cố định trong dải độ rọi của nguồn sáng thí nghiệm; khi điều kiện thời tiết thay đổi cực đoan (độ tương phản quá thấp), khả năng bắt trúng tâm sáng có thể bị ảnh hưởng.
  • Mô hình mới dừng lại ở quy mô công suất nhỏ ($10\text{W}$) phục vụ thử nghiệm và nghiên cứu, chưa tích hợp phần lưu trữ năng lượng ắc quy dung lượng lớn hay mạch nghịch lưu hòa lưới.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu thiết kế và tích hợp bộ biến đổi DC/AC (nghịch lưu) đồng bộ pha và tần số để hòa điện năng từ hệ thống pin mặt trời vào mạng lưới điện quốc gia.
  • Mở rộng quy mô công suất bằng cách ghép nối tiếp và song song nhiều tấm pin quang điện lớn hơn trên giàn khung cơ khí chịu tải cao.
  • Nâng cấp giải thuật đo lường điện áp và dòng điện, tích hợp thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT) kết hợp cùng thuật toán định hướng cơ khí 2 trục để tối đa hóa hiệu suất toàn hệ thống.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Tham khảo toàn bộ quy trình thiết kế từ tính toán tỷ số truyền cơ khí, thiết kế mạch công suất MOSFET, lập trình nhúng vi điều khiển PIC bằng ngôn ngữ C (MikroC) đến lập trình giao tiếp nối tiếp máy tính.
  • Người nghiên cứu về năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về đặc tính $I-V$, $P-V$, các công thức tương đương của tế bào quang điện và giải pháp nâng cao hiệu suất thu năng lượng bằng hệ bám nhật quang 2 trục.
  • Người phát triển ứng dụng thị giác máy tính ứng dụng: Cung cấp mã nguồn mẫu chi tiết về việc xây dựng giao diện MATLAB GUI, cấu hình thiết bị video webcam, các bước tiền xử lý lọc ảnh nhị phân và trích xuất tọa độ trọng tâm vật thể phục vụ điều khiển phản hồi kín.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương pháp xử lý ảnh thay vì sử dụng cảm biến quang trở (LDR) truyền thống?

Theo khảo sát của nhóm tác giả từ các đề tài khóa trước, phương pháp dùng quang trở (LDR) bộc lộ ba nhược điểm lớn: thời gian đáp ứng chậm, quang trở rất dễ bị nhiễu do nhiệt độ môi trường làm thay đổi giá trị điện trở, và độ chính xác điều khiển không cao. Phương pháp xử lý ảnh qua Webcam và MATLAB giải quyết triệt để các vấn đề này nhờ độ chính xác cao, thời gian đáp ứng nhanh, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và có thể giám sát trực quan qua giao diện máy tính.

2. Tỷ số truyền và độ dịch chuyển góc quay của tấm pin mặt trời được tính toán như thế nào?

Trục quay đứng của hệ thống sử dụng bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng với bánh chủ động $d_1 = 14\text{ mm}$ và bánh bị động $d_2 = 42\text{ mm}$, cho tỷ số truyền $u = 42 / 14 = 3$. Động cơ bước có góc bước cơ bản $1.8^\circ$, khi được điều khiển ở chế độ nửa bước ($0.9^\circ$/bước), góc quay thực tế của trục tấm pin sau khi qua bộ giảm tốc sẽ là $0.9^\circ / 3 = 0.3^\circ$ cho mỗi bước xung điều khiển.

3. Vùng biên chết (deadband) trong thuật toán xử lý ảnh MATLAB được quy định là bao nhiêu và nhằm mục đích gì?

Ảnh chụp từ Webcam có độ phân giải $160 \times 120\text{ pixel}$, tâm ảnh chuẩn là $(80, 60)$. Nhóm tác giả thiết lập vùng tâm chấp nhận được là $X \in [75, 85]$ và $Y \in [55, 65]$. Vùng dung sai này giúp tránh hiện tượng vọt lố (tâm mặt trời dao động liên tục qua lại điểm chuẩn khiến động cơ đảo chiều liên tục) và tiết kiệm công suất tiêu thụ của các động cơ bước.

4. Hệ thống xử lý như thế nào khi trời nhiều mây, mưa hoặc không có ánh sáng mặt trời trực tiếp?

Khi Webcam không nhận dạng được điểm sáng mặt trời (mattroi == 0 kéo dài do mây mù hoặc mưa), MATLAB kích hoạt thuật toán ước lượng theo thời gian: vì mặt trời di chuyển $360^\circ$ trong 24 giờ ($15^\circ/\text{h}$), nên cứ sau mỗi khoảng thời gian 30 phút, hệ thống tự động xuất lệnh điều khiển động cơ 1 quay theo hướng Đông - Tây một góc cố định $7.5^\circ$ (tương đương 24 bước quay nửa bước).

5. Khối công suất điều khiển động cơ bước được thiết kế bằng những linh kiện nào?

Do động cơ bước đơn cực yêu cầu dòng điện cuộn dây lên tới $1.5\text{A}$ tại điện áp $5\text{V}$, vượt quá khả năng của các transistor thông thường hay IC đệm chuyên dụng, nhóm tác giả đã thiết kế khối công suất gồm 8 transistor hiệu ứng trường MOSFET IRF540 (chịu dòng tối đa 30A). Cực Gate của mỗi MOSFET được kích trực tiếp từ các chân xuất tín hiệu của PIC16F887 để đóng ngắt các cuộn pha của động cơ bước xuống mass.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng xử lý ảnh định hướng pin mặt trời" của sinh viên Phạm Hoàng Nam và Phan Trường Thành đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình bám nhật quang 2 trục hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa cơ khí truyền động, vi điều khiển PIC16F887 và thị giác máy tính trên MATLAB. Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp định hướng bằng xử lý ảnh trong việc nâng cao độ chính xác, tốc độ đáp ứng và khả năng tự động hóa chu trình thu nhận năng lượng mặt trời. Mặc dù còn một số hạn chế nhỏ về độ chính xác đo lường điện áp và phạm vi công suất thử nghiệm, kết quả của đề tài là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và các kỹ sư nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động và năng lượng tái tạo.