Giám sát bảng điều khiển năng lượng mặt trời sử dụng hạt photon: 7 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Mục tiêu của dự án là nâng cao hiệu quả của các tấm pin mặt trời. Dự án được thiết kế để giám sát việc phát điện quang điện mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất, giám sát và bảo trì của nhà máy năng lượng mặt trời.

Trong dự án này, hạt photon được giao tiếp với chân đầu ra điện áp của tấm pin mặt trời, cảm biến nhiệt độ LM-35 và cảm biến LDR để theo dõi công suất phát, nhiệt độ và cường độ ánh sáng tới tương ứng. Một màn hình LCD ký tự cũng được giao tiếp với photon hạt để hiển thị thời gian thực các thông số đo được. Photon không chỉ hiển thị các thông số đo được trên màn hình LCD mà còn gửi các giá trị đo được đến máy chủ đám mây để xem dữ liệu thời gian thực.

Bước 1: Yêu cầu thành phần

• Photon hạt $ 20
• LCD 16x2 $ 3
• Tấm năng lượng mặt trời $ 4
• Cảm biến nhiệt độ LM-35 $ 2
• LDR $ 1
• Breadboard $ 4
• Dây nhảy $ 3

Chi phí tổng thể của phần cứng là khoảng $ 40 đô la.

Bước 2: Phần cứng

1. Photon hạt

Photon là một bảng IoT phổ biến có sẵn từ nền tảng Particle. Bo mạch chủ sở hữu vi điều khiển ARM Cortex M3 STM32F205 120Mhz và có bộ nhớ flash 1 MB, RAM 128 Kb và 18 chân đầu ra tín hiệu hỗn hợp cho mục đích chung (GPIO) với các thiết bị ngoại vi tiên tiến. Mô-đun có chip Wi-Fi Cypress BCM43362 trên bo mạch để kết nối Wi-Fi và băng tần đơn 2.4GHz IEEE 802.11b / g / n cho Bluetooth. Bo mạch được trang bị 2 SPI, một I2S, một I2C, một CAN và một giao diện USB.

Cần lưu ý rằng 3V3 là một đầu ra được lọc được sử dụng cho các cảm biến tương tự. Chân này là đầu ra của bộ điều chỉnh trên bo mạch và được kết nối nội bộ với VDD của mô-đun Wi-Fi. Khi cấp nguồn cho Photon qua VIN hoặc cổng USB, chân này sẽ xuất ra điện áp 3.3VDC. Chân này cũng có thể được sử dụng để cấp nguồn trực tiếp cho Photon (đầu vào tối đa 3.3VDC). Khi được sử dụng như một đầu ra, tải tối đa trên 3V3 là 100mA. Tín hiệu PWM có độ phân giải 8-bit và chạy trên tần số 500 Hz.

2. Màn hình LCD ký tự 16X2

Màn hình LCD 16X2 dùng để hiển thị giá trị của các thông số đo được. Nó được kết nối với Photon hạt bằng cách kết nối các chân dữ liệu của nó từ D4 đến D7 với các chân D0 đến D3 của bảng Hạt. Các chân E và RS của màn hình LCD được kết nối tương ứng với các chân D5 và D6 của bảng Hạt. Chân R / W của màn hình LCD được nối đất.

3. Cảm biến LDR (Điện trở quang)

LDR hay điện trở phụ thuộc ánh sáng còn được gọi là quang điện trở, tế bào quang điện, chất quang dẫn, là một loại điện trở có điện trở thay đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu xuống bề mặt của nó. Khi ánh sáng rơi vào điện trở thì điện trở thay đổi. Những điện trở này thường được sử dụng trong nhiều mạch, nơi cần phải cảm nhận sự hiện diện của ánh sáng. Các điện trở này có nhiều chức năng và điện trở. Ví dụ: khi LDR ở trong bóng tối, thì nó có thể được sử dụng để BẬT đèn hoặc TẮT đèn khi ở trong ánh sáng. Một điện trở phụ thuộc ánh sáng điển hình có điện trở trong bóng tối là 1MOhm và trong độ sáng có điện trở một vài KOhm.

Nguyên tắc làm việc của LDR

Điện trở này hoạt động dựa trên nguyên lý quang dẫn. Nó không là gì ngoài, khi ánh sáng rơi trên bề mặt của nó, thì độ dẫn điện của vật liệu giảm đi và các điện tử trong vùng hóa trị của thiết bị cũng bị kích thích lên vùng dẫn. Các photon này trong ánh sáng tới phải có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn, điều này làm cho các electron nhảy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Các thiết bị này phụ thuộc vào ánh sáng, khi ánh sáng chiếu vào LDR thì điện trở giảm, và tăng lên trong bóng tối. Khi LDR được giữ trong bóng tối, sức đề kháng của nó sẽ cao và khi LDR được giữ trong ánh sáng thì sức đề kháng của nó sẽ giảm. Cảm biến LDR được sử dụng để đo cường độ ánh sáng tới. Cường độ ánh sáng được biểu thị bằng Lux. Cảm biến được kết nối với chân A2 của Photon hạt. Cảm biến được kết nối trong một mạch phân chia tiềm năng. LDR cung cấp một điện áp tương tự được chuyển đổi sang đọc kỹ thuật số bởi bộ ADC tích hợp.

4. LM-35 Cảm biến nhiệt độ

LM35 là một cảm biến nhiệt độ IC chính xác với đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ (tính bằng oC). Phạm vi nhiệt độ hoạt động là từ -55 ° C đến 150 ° C. Điện áp đầu ra thay đổi 10mV theo mỗi lần tăng / giảm oC trong nhiệt độ môi trường xung quanh, tức là hệ số thang đo của nó là 0,01V / oC. Cảm biến có ba chân - VCC, Analogout và Ground. Chân Aout của LM35 được kết nối với chân đầu vào Analog A0 của photon hạt. VCC và nối đất được kết nối với VCC và nối đất chung.

Đặc trưng

Được hiệu chuẩn trực tiếp bằng độ C (độ C)

Tuyến tính ở 10,0 mV / ° C hệ số thang đo

• Có thể đảm bảo độ chính xác 0,5 ° C (ở 25 ° C)
• Được đánh giá ở mức đầy đủ -55 ° C đến dải 150 ° C
• Hoạt động từ 4 đến 30 vôn
• Cống hiện tại ít hơn 60 mA
• Tự sưởi ấm thấp, 0,08 ° C truyền không khí
• Không tuyến tính chỉ 0,25 ° C điển hình
• Đầu ra trở kháng thấp, 0,1Ω cho tải 1 mA

5. bảng điều khiển cực

Tấm pin mặt trời là thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Họ lấy tên các tấm pin mặt trời từ từ 'Sol' được các nhà thiên văn học sử dụng để chỉ mặt trời và ánh sáng mặt trời. Chúng còn được gọi là tấm quang điện trong đó Photovoltaic có nghĩa là "điện ánh sáng". Hiện tượng biến đổi quang năng thành điện năng gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng này tạo ra điện áp và dòng điện ở đầu ra khi tiếp xúc với năng lượng mặt trời. Một bảng điều khiển năng lượng mặt trời 3 Volts được sử dụng trong dự án. Một bảng điều khiển năng lượng mặt trời bao gồm một số pin mặt trời hoặc điốt quang điện. Các tế bào năng lượng mặt trời này là diode tiếp giáp P-N và chúng có thể tạo ra tín hiệu điện khi có ánh sáng mặt trời. Khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, bảng điều khiển năng lượng mặt trời này tạo ra điện áp một chiều đầu ra là 3,3 V tại các thiết bị đầu cuối của nó. Bảng điều khiển này có thể có công suất đầu ra tối đa là 0,72 Watt và công suất đầu ra tối thiểu là 0,6 Watt. Dòng sạc tối đa của nó là 220 mA và dòng sạc tối thiểu là 200 mA. Bảng điều khiển có hai thiết bị đầu cuối - VCC và Ground. Đầu ra điện áp được vẽ từ chân VCC. Chân đầu ra điện áp được kết nối với chân đầu vào tương tự A1 của Photon hạt để đo công suất đầu ra từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời.

Bước 3: Phần mềm

IDE web dạng hạt

Để viết mã chương trình cho bất kỳ Photon nào, nhà phát triển cần tạo một tài khoản trên trang web Particle và đăng ký bảng Photon bằng tài khoản người dùng của mình. Mã chương trình sau đó có thể được viết trên Web IDE tại trang web của Particle và được chuyển đến một photon đã đăng ký qua internet. Nếu bảng Hạt được chọn, Photon ở đây, được bật và kết nối với dịch vụ đám mây của Hạt, mã sẽ được ghi vào bảng đã chọn qua kết nối internet và bảng bắt đầu hoạt động theo mã đã chuyển. Đối với bảng điều khiển qua internet, một trang web được thiết kế sử dụng Ajax và Jquery để gửi dữ liệu đến bảng bằng phương thức HTTP POST. Trang web xác định bảng bằng ID thiết bị và kết nối với Dịch vụ đám mây của Hạt thông qua mã thông báo truy cập.

Cách kết nối photon với Internet

1. Cấp nguồn cho thiết bị của bạn

• Cắm cáp USB vào nguồn điện của bạn.
• Ngay sau khi được cắm vào, đèn LED RGB trên thiết bị của bạn sẽ bắt đầu nhấp nháy màu xanh lam. Nếu thiết bị của bạn không nhấp nháy màu xanh lam, hãy giữ nút SETUP. Nếu thiết bị của bạn hoàn toàn không nhấp nháy hoặc nếu đèn LED bị cháy mờ màu cam, nó có thể không nhận đủ điện. Thử thay đổi nguồn điện hoặc cáp USB của bạn.

2. Kết nối Photon của bạn với Internet Có hai cách bạn sử dụng ứng dụng web hoặc ứng dụng di động

Một. Sử dụng ứng dụng web

• Bước 1 Truy cập setup.particle.io
• Bước 2 Nhấp vào thiết lập một Photon
• Bước 3 Sau khi nhấp vào TIẾP THEO, bạn sẽ thấy một tệp (photonsetup.html)
• Bước 4 Mở tệp.
• Bước 5 Sau khi mở tệp, hãy kết nối PC của bạn với Photon, bằng cách kết nối với mạng có tên PHOTON.
• Bước 6 Định cấu hình thông tin đăng nhập Wi-Fi của bạn. Lưu ý: Nếu bạn nhập sai thông tin đăng nhập của mình, Photon sẽ nhấp nháy màu xanh lam đậm hoặc xanh lục. Bạn phải thực hiện lại quy trình (bằng cách làm mới trang hoặc nhấp vào phần quy trình thử lại)
• Bước 7 Đổi tên thiết bị của bạn. Bạn cũng sẽ thấy xác nhận xem thiết bị đã được xác nhận quyền sở hữu hay chưa.

NS. Sử dụng điện thoại thông minh

• Mở ứng dụng trên điện thoại của bạn. Đăng nhập hoặc đăng ký tài khoản với Particle nếu bạn chưa có.
• Sau khi đăng nhập, hãy nhấn vào biểu tượng dấu cộng và chọn thiết bị bạn muốn thêm. Sau đó, làm theo hướng dẫn trên màn hình để kết nối thiết bị của bạn với Wi-Fi.

Nếu đây là lần đầu tiên Photon của bạn kết nối, nó sẽ nhấp nháy màu tím trong vài phút khi tải xuống các bản cập nhật. Có thể mất 6-12 phút để cập nhật hoàn tất, tùy thuộc vào kết nối internet của bạn, với việc Photon sẽ khởi động lại một vài lần trong quá trình này. Không khởi động lại hoặc rút phích cắm Photon của bạn trong thời gian này. Nếu bạn làm vậy, bạn có thể cần làm theo hướng dẫn này để sửa thiết bị của mình.

Khi bạn đã kết nối thiết bị của mình, thiết bị đã biết được mạng đó. Thiết bị của bạn có thể lưu trữ tối đa năm mạng. Để thêm mạng mới sau khi thiết lập ban đầu, bạn phải đặt lại thiết bị của mình vào Chế độ nghe và tiếp tục như trên. Nếu bạn cảm thấy như thiết bị của mình có quá nhiều mạng, bạn có thể xóa bộ nhớ của thiết bị khỏi bất kỳ mạng Wi-Fi nào mà nó đã học được. Bạn có thể làm như vậy bằng cách tiếp tục giữ nút thiết lập trong 10 giây cho đến khi đèn LED RGB nhanh chóng nhấp nháy màu xanh lam, báo hiệu rằng tất cả các cấu hình đã bị xóa.

Các chế độ

• Cyan, Photon của bạn được kết nối với Internet.
• Màu đỏ tươi, nó hiện đang tải một ứng dụng hoặc cập nhật chương trình cơ sở của nó. Trạng thái này được kích hoạt bởi bản cập nhật chương trình cơ sở hoặc bằng cách nhấp nháy mã từ IDE Web hoặc IDE Máy tính để bàn. Bạn có thể thấy chế độ này khi bạn kết nối Photon của mình với đám mây lần đầu tiên.
• Màu xanh lá cây, nó đang cố gắng kết nối với internet.
• Màu trắng, mô-đun Wi-Fi đang tắt.

Web IDEParticle Build là Môi trường phát triển tích hợp, hoặc IDE có nghĩa là bạn có thể thực hiện phát triển phần mềm trong một ứng dụng dễ sử dụng, điều này sẽ xảy ra khi chạy trong trình duyệt web của bạn.

1. Để mở bản dựng, hãy đăng nhập vào tài khoản hạt của bạn và sau đó nhấp vào bản dựng như thể hiện trong hình ảnh.
2. Sau khi bạn nhấp vào, bạn sẽ thấy bảng điều khiển như thế này.
3. Để tạo một ứng dụng tạo mới, hãy nhấp vào tạo ứng dụng mới.
4. Để đưa thư viện vào chương trình, hãy vào phần thư viện, tìm kiếm liquidcrystal, sau đó chọn một ứng dụng mà bạn muốn thêm thư viện. Trong trường hợp của tôi, đó là Solarpanelmonitoring.
5. Để xác minh chương trình. Bấm vào xác minh.
6. Để tải mã lên, hãy nhấp vào flash nhưng trước khi thực hiện việc đó, hãy chọn một thiết bị. Nếu bạn có nhiều thiết bị, bạn phải đảm bảo rằng bạn đã chọn thiết bị nào của mình để flash mã. Nhấp vào biểu tượng "Thiết bị" ở dưới cùng bên trái của ngăn điều hướng, sau đó khi bạn di chuột qua tên thiết bị, ngôi sao sẽ xuất hiện ở bên trái. Nhấp vào nó để đặt thiết bị bạn muốn cập nhật (nó sẽ không hiển thị nếu bạn chỉ có một thiết bị). Khi bạn đã chọn một thiết bị, ngôi sao được liên kết với thiết bị đó sẽ chuyển sang màu vàng. (Nếu bạn chỉ có một thiết bị, không cần phải chọn nó, bạn có thể tiếp tục.

Bước 4: Cách hoạt động của mạch

Trong mạch, 6 chân GPIO của mô-đun được sử dụng để giao tiếp với màn hình LCD ký tự và ba chân đầu vào tương tự được sử dụng để giao tiếp với cảm biến nhiệt độ LM-35, Bảng điều khiển năng lượng mặt trời và cảm biến LDR.

Khi mạch được lắp ráp, nó đã sẵn sàng để triển khai cùng với bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Trong khi bảng điều khiển năng lượng mặt trời tiếp tục tạo ra điện, phần gắn vào thiết bị. Thiết bị được cấp nguồn từ nguồn điện lưới cũng đang quản lý thiết bị nâng cao hiệu suất khác. Sau khi thiết bị được bật nguồn, một số thông báo ban đầu sẽ hiển thị trên màn hình LCD cho biết mục đích của ứng dụng. Công suất đầu ra của bảng điều khiển, nhiệt độ và cường độ ánh sáng tới được đo lần lượt bằng chân Điện áp đầu ra của bảng điều khiển năng lượng mặt trời, cảm biến nhiệt độ LM-35 và cảm biến LDR. Chân đầu ra điện áp của bảng điều khiển năng lượng mặt trời, cảm biến nhiệt độ LM-35 và cảm biến LDR được kết nối với các chân đầu vào tương tự A1, A0 và A2 của Photon hạt.

Các thông số tương ứng được đo bằng cách cảm nhận điện áp tương tự tại các chân tương ứng. Điện áp tương tự cảm nhận được tại các chân tương ứng được chuyển đổi thành các giá trị kỹ thuật số bằng cách sử dụng các kênh ADC tích hợp. Photon hạt có các kênh ADC 12 bit. Vì vậy, các giá trị số hóa có thể nằm trong khoảng từ 0 đến 4095. Ở đây, giả định rằng cảm biến LDR giao tiếp mạng điện trở với chân điều khiển được hiệu chỉnh để chỉ ra cường độ ánh sáng theo tỷ lệ thuận.

IC LM-35 không yêu cầu bất kỳ hiệu chuẩn hoặc cắt tỉa bên ngoài nào để cung cấp độ chính xác điển hình là ± 0,25 ° C ở nhiệt độ phòng và ± 0,75 ° C trong phạm vi nhiệt độ từ -55 ° C đến 150 ° C. Trong điều kiện bình thường, nhiệt độ do cảm biến đo được sẽ không vượt quá hoặc giảm phạm vi hoạt động của cảm biến. Bằng cách cắt tỉa và hiệu chuẩn ở cấp wafer, do đó, việc sử dụng cảm biến với chi phí thấp hơn được đảm bảo. Do trở kháng đầu ra thấp, đầu ra tuyến tính và hiệu chuẩn chính xác vốn có của LM-35, giao tiếp của cảm biến với mạch điều khiển rất dễ dàng. Vì thiết bị LM-35 chỉ lấy 60 uA từ nguồn cung cấp, nên nó có khả năng tự làm nóng rất thấp dưới 0,1 ° C trong không khí tĩnh. Thông thường trong phạm vi nhiệt độ từ -55 ° C đến 150 ° C, đầu ra điện áp của cảm biến tăng 10 mV mỗi độ C. Đầu ra điện áp của cảm biến được cho theo công thức sau

Vout = 10 mV / ° C * T

trong đó, Vout = Điện áp đầu ra của cảm biến

T = Nhiệt độ tính bằng độ C Vì vậy, T (tính bằng ° C) = Vout / 10 mV

T (tính bằng ° C) = Vout (tính bằng V) * 100

Nếu VDD được giả định là 3,3 V, thì việc đọc tương tự có liên quan đến điện áp cảm nhận trên phạm vi 12 bit theo công thức sau

Vout = (3.3 / 4095) * Đọc tương tự

Vì vậy, nhiệt độ tính bằng độ C có thể được tính theo công thức sau

T (tính bằng ° C) = Vout (tính bằng V) * 100

T (tính bằng ° C) = (3,3 / 4095) * Đọc tương tự * 100

Vì vậy, nhiệt độ có thể được đo trực tiếp bằng cách cảm nhận đầu ra điện áp tương tự từ cảm biến. Hàm analogRead () được sử dụng để đọc điện áp tương tự tại chân bộ điều khiển. Đầu ra điện áp của bảng điều khiển năng lượng mặt trời thường phải là 3 V, có thể được cảm nhận trực tiếp bởi Photon hạt. Hạt photon có thể trực tiếp cảm nhận điện áp lên đến 3,3 V. Để số hóa điện áp tương tự cảm nhận, nó một lần nữa được tham chiếu nội bộ đến VDD. Việc đọc điện áp số hóa được chia tỷ lệ trên phạm vi 12 bit, tức là 0 đến 4095. Vì vậy

Vout = (3.3 / 4095) * Đọc tương tự

Dữ liệu cảm biến đọc lần đầu tiên được hiển thị trên màn hình LCD và sau đó được chuyển đến Đám mây hạt thông qua kết nối Wi-Fi. Người dùng cần đăng nhập vào tài khoản đã đăng ký của Particle để xem các giá trị cảm biến đã đọc. Nền tảng cho phép kết nối với một bảng từ tài khoản đã đăng ký. Người dùng có thể theo dõi dữ liệu cảm biến nhận được trong thời gian thực và cũng có thể ghi dữ liệu.

Bước 5: Kết nối và sơ đồ mạch

Photon ==> LCD

D6 ==> RS

D5 ==> Bật

D3 ==> DB4

D2 ==> DB5

D1 ==> DB6

D0 ==> DB7

Photon ==> LM-35

A0 ==> Aout

Photon ==> LDR

A2 ==> Vcc

Photon ==> Tấm năng lượng mặt trời

A1 ==> Vcc

Bước 6: Kết quả