Monitorizarea Si Controlul Unui Panou Solar Prin Gsm

Cuprins

Prezentarea temei…………………………………………………………………….

Sinteza literaturii de specialitate……………………………………………………..

2.1. Microcontrollere.……………………………………………….

2.1.1. Generalități…………………………………………………………………….

2.1.2. ATmega328p………………………………………………………………………

Mediul de programare Arduino 1.0.5-r2……………………………………….

GSM GPRS Shield………………………………………………………………..

Motorul pas cu pas (stepper)

2.4.1. Generalități și tipuri de motoare pas cu pas……………………………..

2.4.2. Motorul pas cu pas Nema 17…………………………………………………………

2.4.3. Driver motor pas cu pas………………………………………………………

Senzori. Generalități……………………………………………………………

2.5.1.Senzori analogici de temperatura……………………………………………………

2.5.2.Senzori optici………………………………………………………………………………

Comunicare Serială………………………………………………………………….

2.6.1. Principi comunicare USART………………………………………………………….

2.6.2. Principi comunicare SPI…………………………………………………………………

Convertor BACK…………………………………………………………………………………………..

LCD 2×16………………………………………………………………………………….

Panouri solare…………………………………………………………………..

2.9.1 Genaralități și tipuri de panouri solare…………………………………………………

2.9.2 Panouri solare cu celule policristaline…………………………………………………….

3. Partea tehnică………………………………………………………………………

3.1. Prezentare generală…………………………………………………………….

3.2. Proiectare PCB……………..…………………………………………………

3.2.1. Schema electrică…………………………………………………….

3.2.2. Layout……………………………………………………………..

3.3. Implementare Hardware…………………………………………………………

3.3.1 Realizare conexiuni…………………………………………………….

3.3.2 ……………………………………………………

3.4. …………………………………………

4. Concluzii……………………………………………………………………………..

5. Bibliografia……………………………………………………………………………

6. Anexe………………………………………………………………………………….

Prezentarea temei

Realizarea acestei lucrări urmărește posibilitatea și eficiența de a implementa un sistem de monitorizare și comandă de la distanță pentru poziționarea panourilor solare de uz casnic cu rolul de a îmbunătăți și menține stabil aportul de energie captat de acestea pe întreag zi.

În componența acestei lucrări am implementat comanda unui panou solar pe baza a doi senzori de lumină a unui modul GSM și a unui display montat la baza circuitului de control. Mișcarea de rotație a panoului este realizată de un motor stepper bipolar pe care se află montat panoul solar. Totodata modulul GSM va avea și funcția de “selftest” care se va realiza la fiecare dereglare a panoului sau la apariția Soarele, pe baza unui mesaj codat trimis de către utilizator care determină și a poziția panoului; aceste comenzi putând fi realizate și prin intermediul display-ul și a butoanelor de comanda a acestuia.

Microcontrollerul utilizat este produs de firma ATmega,care este utilizat și foarte cunoscut pe placuțele de dezvoltare Arduino. Programarea acestuia este foarte ușoara și se poate face în programul dezvoltatorului ATmel studio sau cu platforma de programare arduino 10.5.

Modulul GSM din acestă lucrare de diplomă este componenta principală care comandă și care face obiectul acestei lucrări. Cu ajutorul acestuia pot comanda poziționarea panoului oriunde aș fi și plecând de la această idee se poate ajunge la comanda mai multor panouri sau monitorizare și controlul orcărui motor și componentă electronică de confort și mai mult de atât se poate ajunge la integrarea acestui mod de comanda în conceptul “smart hause”.

Panoul solar comandat este foarte simplu și are conectat un cablu USB female pentru încarcarea unui telefon mobil sau tabletă.

Senzorii de lumină folosiți lucrează la o tensiune de 5V, transmit un semnal analogic pe care îl preia ADC-ul microcontroller-ului, îl convertește în semnal numeric după care este transmis mai departe către microcontroller care la rândul lui va decide direcția de rotație a motorului!

Așa cum am spus mai sus, domeniul de aplicabilitate al acestei teme de licență poate fi foarte vast datorita modului de comanda ales. În momentul în care panoul solar sa dereglat sau sa produs o cadere de tensiune și panoul nu mai este în poziția optimă, de la distanță cu ajutorul unui mesaj codat eu pot repoziționa panoul fară a fi nevoia să ma deplasez pe teren.

Se poate ajunge la nivelul în care cu un mesaj poți lumina toată casa, sau poți porni centrala electrică înainte de a ajunge acasă pentru a avea o temperatură constantă sau opri centrala electrică atunci cand pleci de acasă sau când nu ști care este statusul centralei.

Pot spune că această temă aleasă nu are o limită în a fi dezvoltată deoarece oricând și oricine deține cel puțin un telefon mobil cu care poate comanda aceste modul printr-un simplu mesaj. Limitele mele au fost bugetul, timpul scurt de cercetare în acest domeniu. Cu această aplicație mi-am propus să realizez și să demonstrez că viitorul apropiat al controlului si monitorizarea panourilor solare, smart house sau a altor aplicații este de la distanță fară a fi nevoie de prezența fizica a omului în primă fază.

Sinteza literaturii de specialitate

Acest capitol este dedicat pentru trecerea în revistă a părților componente a acestui proiect de diplomă. Se va trata la nivel teoretic partea hardware si software. Se va pune în evidență componentele care duc la realizarea acestei teme și vor fi expuse imagini de prezentare cu acestea. Pentru fiecare parte compnentă se va discuta în primul rând la modul general despre caracteristicile de baza ale sale urmând să se trateze câteva aspecte teoretice strict pe componența temei.

2.1. Microcontrollere

2.1.1 Generalități

Microcontroller la modul general spus – este un microcircuit care încorporează o unitate central (CPU), o memorie și periferice de intrare/ieșire care împreună permit interacțiunea cu mediul exterior. Sunt dezvoltate pe 2 tipuri de arhitectură și anume Von Neumann și Harvard. Diferența dintre cele 2 arhitecturi este dată de faptul că la ceea Harvard exista spatii de memorie separate pentru program și date, pe când ceea Von Neumann are doar un singur spațiu de memorie. CPU este realizat pe cele 2 concepte CISC (Complex Instruction Set Computer) sau RISC (Reduced Instruction Set Computer), iar în prezent toate microcontrollerele produse sunt RISC, din motive economice, spațiu și viteză de calcul.

2.1.2. ATmega 328P

Cel pe care îl folosesc la această aplicație face parte din familia High Performance Low Power Atmel AVR 8-Bit Microcontroller. Mai exact este ATmega 328P. Construit în arhitectură RISC, cu 32*8 registre generale de lucru, tensiunea de alimentare este de 5V, are ADC pe 10 biți, frecvența oșcilatorului extern este de 16MHz iar la o frecvență de 20MHz poate realiza 20 MIPSI. Dispune de o memorie Flash de 32KB, EEPROM de 1KB și RAM de 2KB.

Acest microcontroller are ca package TQFP, dispune de 32 pinii și anume:

Pin digital de alimentare VCC, pin pentru GND.

Port B (PB7:0) XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2, este uu port de intrare/ieșire bi-direcțional pe 8 biți cu rezistori interni de pull-up. Pini portului B devin tri-state atunci cand avem o condiție de reset activă, PB6 este folosit pentru intrarea oscilatorului estern iar PB7 este folosit pentru ieșirea lui.

Port C (PC5:0), este un port de intrare/ieșire bi-direcțional pe 7 biți cu rezistori interni de pull-up. Pini portului C devin tri-state atunci când avem o condiție de reset activă.

PC6/¯RESET¯ , daca RSTDISBL Fuse este programat, PC6 este folosit ca pin de intrare/ieșire. Acest pin are caracteristici electrice diferite de ceilalți pini ai portului C. Daca RSTDISBL Fuse nu este programat PC6 este folosit ca intrare de Reset.

Portul D (PD7:0), este un port de intrare/ieșire bi-direcțional pe 8 biți cu rezistori interni de pull-up, iar atunci când avem o condiție de reset activă pini portului devin tri-state.

AVcc, este alimentarea convertorului ADC, PC3:0 și ADC7:6. Trebuie conectat extern la Vcc, indiferent că folosim sau nu convertorul.

AREF, este pinul analogic de referință pentru convertorul ADC.

ADC7:6, sunt pini analogici de intrare a convertorului. Aceștia sunt alimentați de de sursa de alimentare analogică și servesc cei 10 biți ai ADC-ului.

2.2 Mediul de programare Arduino 1.0.5-r2

Mediul de programare este Arduino 1.0.5 open source, cu multe biblioteci, limbajul folosit este C low level, usor de instalat și ocupă foarte puțin spațiu, totodată pentru a instala platforma în sine nu este nevoie de drepturi de administrator. Acest mediu este folosit și de plăcile de dezvoltare Arduino.

2.3 GSM GPRS Shield

GSM/GPRS Shield este un modul bazat pe comunicație GSM. Cu acest modul se poate trimite și primi mesaje. În aplicația mea am să folosesc pentru a controla și monitoriza panoul solar de la distanță. Acesta este compatibil cu plăcile de dezvoltare Arduino. GSM Shield este configurat și controlat prin UART folosind comenzi simple AT. Este bazat pe SIM900 produs de SIMCOM. Modulul are 12 pini GPIO, 2 pini PWM și un convertor ADC.

GSM Shield este Quad-Band 850/900/1800/1900 și este compatibil cu orice rețea din întreaga lume.

Acest GSM/GPRS Shield nu a fost singurul pe care l-am găsit în căutarea mea. Am găsit mult mai multe modele de acest fel dar acesta sa dovedit a fi cel mai optim și bun pentru aplicația mea. Pe lângă faptul că prețul acestuia a fost acceptabil acesta este și cel mai ușor de folosit doar plug and play, deoarece configurația pinilor îmi permite conectarea 1 la 1 cu microcontrollerul și nu mai imi rămâne decât să scriu programul.

2.4 Motorul pas cu pas (stepper)

2.4.1. Generalități și tipuri de motoare pas cu pas

Pentru mișcarea panoului solar am am ales să folosesc un motor pas cu pas bipolar.

Ca și definiție motorul pas cu pas este este un motor de curent continuu fară perii (brushless DC) care divide o rotație întreagă într-un număr egal de pașii . Dacă motorul brushless se rotește continuu atunci când este alimentat, motorul pas cu pas are porpirietatea de a converti un tren de impulsuri într-un număr de pași incrementali, astfel fiecare puls rotește motorul cu 1 pas. Precizia pașilor este dată de numărul de magneți pe care îi are motorul.

Acest tip de motoare are o serie de avantaje față de motoarele clasice cum ar fi:

– cuplu mare la pornire și viteză mică;

– poziționare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas;

– mai multe viteze de rotație;

– fiabilitate foarte bună deoarece nu exista perii de contact la motor;

– simplitate în constrirea lui;

– costuri de mentenanță mici;

– poate opera într-un sistem de tip buclă deschisă;

Un pas al acestui motor este definit ca ca fiind rotația unghiulară a axului motorului la aplicarea unui impuls de comandă.

Există 3 tipuri de motoare pas cu pas din punct de vedere al configurației electrice:

– cu magnet permanent;

– cu reluctanță variabilă ;

– hibride;

Motoarele cu magnet pernanent au un magnet permanent în rotor și care funcționează pe baza atracției dintre magnetul permanent și stator. Cele cu reluctantă variabilă au un rotor de fier și funcționează pe principiul că o reluctanță minimă apare cu o distanță minimă și prin urmare punctele rotorul sunt atrase de poli magneților de pe stator. Motorul pas cu pas hibrid este și cel pe care il folosesc la aplicația mea. Aceste tipuri de motoare sunt cele mai utilizate. Sunt o combinație între un motor cu magnet permanent și reluctanță variabilă pentru a obține o putere mai mare și pași mai preciși. O alta caracteristică a motoarelor pas cu pas este numarul de poli. Din punctul acestei caracteristici exista 2 tipuri:

1. Motoare pas cu pas unipolare – aceste motoare au legaturii centrale la bobine și au în general 5 sau 6 fire.

2. Motoare pas cu pas bipolare – nu au legatură centrala la bobine și din acest motiv sunt mai simple din punct de vedere constructiv.

Comenzile motoarelor stepper se realizează în 3 moduri și anume:

– secvență simplă (wave drive) – in care este alimentată pe rând o singura fază statorică iar cuplul motorului este aproximativ 30% din valoarea nominală.

– secvență dublă (full step) – în care alimentăm simultan câte 2 faze și cuplul și frecvența de pășire au valori maxime.

– secvența mixtă (half drive) – care presupune alimentarea sccesivă a unei faze, urmate de alimentarea a 2 faze și tot așa. În acest caz unghiul de rotație este jumătate din pasul nominal al motorului.

2.4.2. Motorul pas cu pas Nema 17

Motorul se numește Nema 17, este precis, simplu, dar puternic. Este bipolar de tip hibrid. Unghiul pasului este de 0.9 grade, are 2 faze, consumă un curent de 1.7A pe fază, lucrează la o tensiune de 3V și are un cuplu de 4.8KG*cm.

Așa cum am descris în subcapitolul anterior, modul de comandă pe care îl folosesc este în secvență dublă, deoarece cuplul dezvoltat de motor și frecvența de pășire au valori maxime.

Comanda în secvență dublă este realizată de catre un driver dedicat pentru motoare pas cu pas și despre care voi vorbi in subcapitolul următor.

2.4.3. Driver motor pas cu pas

Partea tehnică

Concluzii

Bibliografie

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Microcontroller

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Stepper_motor

[3] http://www.robofun.ro/

[4]

Anexe