Thiết bị chiếu xạ mặt trời (SID): Cảm biến năng lượng mặt trời dựa trên Arduino: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Thiết bị Chiếu xạ Mặt trời (SID) đo độ sáng của mặt trời và được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong lớp học. Chúng được xây dựng bằng Arduinos, cho phép tất cả mọi người từ học sinh trung học cơ sở đến người lớn tạo ra chúng. Tài liệu hướng dẫn này được sản xuất bởi các giáo viên năm 2017-2018 trong chương trình QESST tại ASU.

Bước 1: Thu thập nguồn cung cấp

Phân tích chi phí SIDCost

1. Một Arduino (nano được sử dụng cho dự án này) $ 19,99 / 5 = $ 4,00

2. Một breadboard $ 3,99 / 6 = $ 0,66

3. Một điện trở 4,7K ohm $ 6,50 / 100 = $ 0,07

4. Một điện trở 2,2 ohm $ 4/100 = $ 0,04

5. 1 cáp RCA hai đầu $ 6/3 = $ 2,00

6. Đầu dò nhiệt độ $ 19,99 / 10 = $ 2,00

7. Một cảm biến năng lượng mặt trời $ 1,40 / 1 = $ 1,40

8. Bốn (4) cáp jumper $ 6,99 / 130 = $ 0,22 (không có sẵn ngay bây giờ, nhưng có sẵn các tùy chọn khác)

9. Hàn sắt và thuốc hàn

10. Máy cắt dây

Tổng $ 6,39

Để tạo hộp của riêng bạn (thay vì in 3D), bạn cũng sẽ cần:

1. Hộp đen $ 9,08 / 10 = $ 0,91

2. Hai (2) đầu vào RCA nữ $ 8,99 / 30 = $ 0,30

3. Mũi khoan, kích thước 6 bit, và mũi khoan bước

Tổng $ 1,21

Tổng tích lũy $ 7,60

Bước 2: Xây dựng trường hợp của bạn

Bởi vì học sinh K-12 được mong đợi sẽ sử dụng các cảm biến này, nên sẽ rất hữu ích khi tất cả hệ thống dây điện được đựng trong hộp. Một bên của hộp có một lỗ lớn hơn để cấp nguồn cho máy tính và bên kia có hai lỗ cho các đầu vào RCA cái. Sử dụng mũi khoan cỡ 6 để khoan lỗ cho đầu vào RCA và một mũi khoan bước để khoan lỗ cho nguồn cấp máy tính. Breadboard và Arduino của bạn cần được cắm thoải mái, vì vậy, có lẽ sẽ là khôn ngoan khi đo vị trí của các lỗ trước khi bạn khoan chúng. Khi điều này được hoàn thành, bạn có thể vặn các đầu vào RCA của mình. Nếu bạn chọn không bao gồm cảm biến nhiệt độ trong dự án này, bạn sẽ chỉ cần một đầu vào RCA và có thể khoan tương ứng.

Arduino của bạn cần được nhấn vào breadboard, như trong hình. Các breadboard được sử dụng trong dự án này có đáy dính, vì vậy sau khi hộp đã được khoan, có thể hữu ích để dán breadboard vào hộp để giúp tổ chức.

Nếu bạn có quyền truy cập vào máy in 3D, bạn có thể in một hộp cho SID.

Bước 3: Kết nối Khách hàng tiềm năng của bạn với Đầu vào RCA

Kết nối hai cáp jumper với mỗi đầu vào RCA. Mặc dù các dây dẫn này có thể được hàn vào các đầu vào, nhưng việc uốn dây xung quanh đầu vào sẽ nhanh hơn và dễ dàng hơn. Đảm bảo rằng không có dây không được che phủ nào chạm vào nhau, nếu không mạch của bạn có thể bị đoản mạch. Trong trường hợp này, dây màu vàng và xanh dương được nối với đất, trong khi dây màu đỏ và xanh lá cây được nối với dây dẫn. Những màu này không cần thiết cho cấu tạo thiết bị, nhưng giúp bạn dễ dàng nhìn thấy cách các dây được kết nối với Arduino.

Bước 4: Chuẩn bị cáp RCA của bạn

Cắt đôi cáp RCA hai mặt (đực sang đực) và dải ra khoảng một inch ở mỗi bên của cáp. Xoắn các dây bên ngoài đóng vai trò như dây dẫn lại với nhau, sau đó dải và xoắn lại với nhau các dây bên trong là mặt đất (trong hình này, dây nối đất ban đầu được bao quanh bởi dây màu trắng, mặc dù màu của lớp phủ thường phụ thuộc vào màu của cáp RCA). Làm điều này cho cả hai dây. Chúng sẽ kết nối đầu vào RCA của bạn với các cảm biến nhiệt độ và năng lượng mặt trời của bạn.

Bước 5: Xây dựng cảm biến năng lượng mặt trời của bạn

Các tấm được sử dụng trong quá trình này không tốn kém, nhưng thường có dây dẫn dễ rơi ra. Bạn nên cố định dây dẫn bằng một miếng băng dính điện để khắc phục sự cố này.

Dải một inch dây ra khỏi dây dẫn từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời, trong trường hợp này là màu vàng (dương) và nâu (âm). Vặn đầu cuối của điện trở 2,2 ohm, dây dẫn từ cáp RCA và đầu dương của bảng điều khiển (ở đây có màu vàng) lại với nhau. Xoắn đầu âm của bảng điều khiển năng lượng mặt trời (ở đây là màu nâu), tiếp đất của cáp RCA (ở đây là màu trắng) và mặt còn lại của điện trở lại với nhau. Lưu ý rằng điện trở là song song ở đây.

Hàn các dây từ bảng điều khiển và cáp RCA với nhau. Thiết bị sẽ không hoạt động chính xác nếu dây dẫn và dây nối đất giao nhau, vì vậy hãy sử dụng băng dính điện hoặc co nhiệt để bọc dây.

Bước 6: Nối dây cảm biến năng lượng mặt trời của bạn

Trên mô hình này, cảm biến năng lượng mặt trời được nối dây cho đầu vào RCA nữ bên phải, có cáp màu xanh lá cây (dây dẫn) và màu xanh lam (đất). Mặc dù bạn có thể sử dụng một trong hai đầu vào RCA, nhưng điều này sẽ giúp bạn không cần phải đấu chéo dây sang phía đối diện của Arduino.

Cắm cáp dẫn (ở đây có màu xanh lá cây) vào chân Arduino A5. Kết nối dây nối đất của bạn (ở đây màu xanh lam) với chân nối đất (GND) ở phía tương tự (tất cả các chân ở phía này của Arduino đều bắt đầu bằng A).

Nếu bạn hoàn thành dự án này và cảm biến năng lượng mặt trời đang đọc 0 volt, hãy thử chuyển đổi dây nối đất và dây dẫn của bạn. Nếu cảm biến được hàn không chính xác, chúng có thể cần được chuyển đổi.

Mặc dù có một điện trở trong những hình ảnh này, bạn không cần phải bao gồm một điện trở nếu bạn chọn không bao gồm cảm biến nhiệt độ.

Bước 7: Xây dựng cảm biến nhiệt độ của bạn

Vì điện áp đầu ra của pin mặt trời dao động rất lớn với nhiệt, nên cảm biến nhiệt độ rất hữu ích trong việc xác định mức độ hoạt động của cảm biến năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, bạn có thể chọn chế tạo thiết bị này mà không có đầu dò nhiệt độ và nó vẫn hoạt động khá tốt như một cảm biến năng lượng mặt trời.

Hướng dẫn Nhiệt kế Tùy chọn:

Dải một inch dây cho mỗi dây trong số ba dây ra khỏi đầu dò nhiệt độ. Xoắn dây màu vàng và màu đỏ lại với nhau. Vặn riêng các dây đen (nối đất) lên. Sử dụng cáp RCA thứ hai của bạn, xoắn các dây màu đen (đất) từ cảm biến nhiệt độ cùng với các dây trắng (đất) từ cáp RCA. Hàn lại với nhau và quấn bằng băng dính điện hoặc co nhiệt. Vặn dây màu đỏ và màu vàng (dây dẫn) từ đầu dò nhiệt độ đến dây dẫn trên cáp RCA. Hàn và quấn bằng băng dính điện hoặc co nhiệt.

Bước 8: Nối dây cảm biến nhiệt độ của bạn

Hướng dẫn Nhiệt kế Tùy chọn:

Trên mô hình này, cảm biến nhiệt độ nằm trong đầu vào RCA bên trái, có các dây dẫn màu đỏ (dây dẫn) và màu vàng (mặt đất).

Uốn cong các cạnh của và kết nối một điện trở 4,7k ohm từ chân 5V đến chân D2 trên bảng mạch (bạn sẽ thấy nhãn cho những thứ này trên Arduino, nhưng thực tế bạn sẽ cắm điện trở vào bảng mạch).

Kết nối cáp nối đất (màu vàng) của bạn vào chân nối đất (gnd) bên cạnh D2.

Trên cột thứ hai của chân D2, cắm cáp chì (ở đây là màu đỏ). Thiết lập này cho phép dòng điện chạy qua điện trở trước khi được đọc bởi Arduino.

Bước 9: Lập trình Arduino của bạn

Đây là mã được sử dụng trong dự án này. Nó xuất ra điện áp tính bằng vôn và nhiệt độ tính bằng C khi sử dụng màn hình nối tiếp. Nếu mã này không hoạt động ngay lập tức, hãy thử chuyển dây dẫn và nối đất cho cảm biến năng lượng mặt trời của bạn.

Bạn sẽ cần tải xuống thư viện Nhiệt độ Dallas (https://github.com/milesburton/Arduino-Tempe Heat-Control-Library) và One Wire (https://github.com/PaulStoffregen/OneWire) và đưa chúng vào chương trình arduino của bạn.

const int sunPin = A5; // đầu nối để sử dụng trên bảng Arduino

float sunValue = 0; // khai báo biến

float avgMeasure (int pin, float scale, int num) {analogRead (pin); // loại bỏ giá trị đầu tiên delay (2); float x = 0; for (int count = 0; count <num; count ++) {x = x + analogRead (pin); // delay (5); } x = x / num; return (tỷ lệ x *); }

#include #include // Dây dữ liệu được cắm vào chân 2 trên Arduino #define ONE_WIRE_BUS 2 // Thiết lập phiên bản oneWire để giao tiếp với bất kỳ thiết bị OneWire nào // (không chỉ IC nhiệt độ Maxim / Dallas) OneWire oneWire (ONE_WIRE_BUS); // Chuyển tham chiếu oneWire của chúng tôi đến Nhiệt độ Dallas. Cảm biến nhiệt độ Dallas (& oneWire); void setup () {analogReference (INTERNAL); // sử dụng tham chiếu 1.1 V Serial.begin (115200); // giao tiếp với tốc độ 115200. Nhanh hơn so với tiêu chuẩn của 9600 Serial.print ("Voltage"); // Tiêu đề cho điện áp Serial.print (""); // spacer Serial.print ("Nhiệt độ"); // Tiêu đề cho cảm biến nhiệt độ

// Khởi động thư viện sensor.begin ();}

void loop () {sunValue = avgMeasure (sunPin, 1.0, 100); // gọi chương trình con thực hiện 100 phép đo trung bình sunValue = sunValue * 1.07422; // Chuyển đổi số đếm của Arduino thành điện áp, vì có 1024 số đếm và 1.1V. cảm biến.requestTempe Nhiệt độ (); // Gửi lệnh lấy nhiệt độ Serial.println (""); // bắt đầu dòng mới Serial.print (sunValue); // xuất ra điện áp Serial.print (""); // spacer Serial.print (sensor.getTempCByIndex (0)); // xuất ra độ trễ nhiệt độ (1000); // đọc dữ liệu một lần mỗi giây.

}