Rezumat în limba engleză [302382]

[anonimizat], representing a substantial factor in evolution of mankind and everything that surrounds it.

[anonimizat], providing a better and safety living.

The importance of technology is widely recognized for its impact on economic success and its progress in creating a higher standard of living.

Figure 1. 3D [anonimizat] a [anonimizat], and also transmitting to a [anonimizat] 2 [anonimizat].

Figure 2. The block scheme

In the middle of the diagram is placed the ATmega1284P-[anonimizat], [anonimizat].

The ATmega1284P-[anonimizat], as well as the transmission of signals to the engines’ drivers, LCD and ESP8266.

Communication between the microcontroller and the smartphone is realised via wireless connection.

Atmega328P-Pu (figure 3) is a high-[anonimizat] a 128 [anonimizat]-time writing and reading using an EEPROM of 4 KB and SRAM of 16 KB memory.

Atmega 328p-pu is a microcontroller that can be supplied to a 5V voltage, and it requires two 22pF capacitors and a 16Mhz quart cristal to function in real time. The microcontroller has a [anonimizat] 40mA.

Figure 3. Atmega328P-[anonimizat] 17 is a [anonimizat] (figure 4).

Figure 4. [anonimizat] A4988 (Figure 4) drivers that receive the command from the microcontroller. The drivers’ connecting is done as in figure 5.

Figure 5. Connecting the drivers

LCD (Liquid Crystal Display) (Figure 6) is an electronic display module found in a wide range of applications. An 16×2 LCD is a very simple module. It can be connected through I2C [anonimizat] (data line), these being often analogue pins and SCL (clock line).

Figure 6. Data from LCD

A solar cell or a [anonimizat]. It is a [anonimizat] a [anonimizat], voltage or resistance vary when they are exposed to light.

[anonimizat] a [anonimizat] a 17-20V voltage and also when it’s [anonimizat] a 2-3V voltage. The maximum of current supplied may be 0.57A, meaning a maximum power of 10W.

For the charging of battery it is necessary a voltage of 13.8-14.2V, and the current must be limited to 10% [anonimizat] 7Ah battery the current is limited to 700mA.

Figure 7. Solar panel

MUX is connected via 5 pins, 4 of them S0-S3 to select the desired channel, and one pin SIG provides information of selected channel to the microcontroller.

There have been used 4 photoresist sensors and one temperature sensor. They are connected to MUX to reduce the number of pins used by the microcontroller.

The MUX reads each sensor and transmits analog information to the microcontroller. The microcontroller receives these information and it converts them using the 12-bit internal DC, so the voltage is converted binary, 0V=0 binary, 5V=1024 binary.

The 10k NTC thermistor is a resistive sensor, changing its value depending on the temperature that it is subjected to. It is connected to MUX through a voltage divider that is formed by adding a serial resistance to GND.

In order to be able to track the sun, there have been used 4 photoresists placed next to each other which are separated by an element created by a 3D printer.

Figure 8. Photoresists placed on 3D printed support

The voltage from the panel and battery is acchieved with one resistor of 1MΩ and the other of 100k, placed in a voltage divider that transforms the voltage from the brone to a lower voltage in order to be read by the microcontroller.

ACS712 current sensor is a device that consists of a precisely Hall sensor, with a copper pipe located near the terminal block surface. It is connected to microcontroller at analogue A3 pin. The sensor returns a value directly propotional to the current. (66mV/A).

The functioning of ACS712 integrated circuit is based on Hall effect. The sensor can measure up to 30A, AC or DC current.

Figure 9. The current sensor

The relay has been used in project to stop charging the battery when it’s fully charged, monitoring the current passing through the sensor, and if it is below 0.02A, the relay stops.

Plugging the relay takes place when the battery voltage is less than 13.5V and the panel voltage is higher than 14.5V, otherwise the relay remains unplugged. A BC337 bipolat transistor was used to control the relay by the microcontroller.

D1 Mini (ESP8266) was used for taking over information regarding the power supplied by the solar panel and total charging capacity of battery. The module can be connected to RX/TX pins of the microcontroller.

After making the electrical scheme in Altium, this will be exported to the PCB project. Each component has a footprint with its dimensions. The arrangement of the components is made according to some pre-defined rules. Altium designer can provide the function of arranging and creating 3D components (Figure 10 and Figure 11), being hepful in reducing the design dimensions.

Figure 10. 3D Projection motherboard

Figure 11. Motherboard

To receive information, there have been used Thinger.io mobile application, allowing the control from the distance via Wi-fi. D1 Mini ESP8266 automatically connects to the Internet via the Thinger.io platform.

Figure 12. Android App

Figure 13. Flowchart diagram

After completing the code, a flowchart diagram was designed to facilitate the understanding of the circuit and also the code functionality.

Planificarea activității

Stadiul actual

Modulele fotovoltaice folosesc energia luminoasă (fotoni) de la soare pentru a genera electricitate prin efectul fotovoltaic. Majoritatea modulelor utilizează celule de siliciu cristalin pe bază de wafer sau celule subțiri. Elementul structural (purtător de sarcină) al unui modul poate fi fie stratul superior, fie stratul din spate. Celulele trebuie, de asemenea, protejate împotriva deteriorării mecanice și a umidității. Celulele trebuie să fie conectate electric în serie, unele în altele. În exterior, majoritatea modulelor fotovoltaice folosesc conectorii tip MC4 pentru a facilita conexiunile ușor rezistente la intemperii la restul sistemului.

Figura 1.1 Panou solar

Conexiunile electrice ale modulului sunt realizate în serie pentru a atinge o tensiune de ieșire dorită sau în paralel pentru a asigura o capacitate curentă dorită. Conductoarele care conduc curentul de pe module pot conține metale de tranziție conducătoare de argint, cupru sau alte metale de tranziție conducătoare nemagnetice. Diodele de bypass pot fi încorporate sau utilizate în exterior, în cazul umbririi parțiale a modulelor, pentru a maximiza ieșirea secțiunilor modulelor care sunt încă iluminate.

În funcție de construcție, modulele fotovoltaice pot produce energie electrică dintr-o gamă largă de frecvențe de lumină, dar de obicei nu pot acoperi toate razele soarelui (în mod special ultraviolete, infraroșii și lumină scăzută sau difuză).

Prin urmare, o mare parte din energia incidentă a soarelui este risipită de modulele solare și ele pot da eficiență mult mai mare dacă sunt iluminate cu lumină monocromatică. Prin urmare, un alt concept de proiectare este de a împărți lumina în șase până la opt intervale de lungimi de undă diferite, care vor produce o culoare diferită a luminii și direcționează fasciculele pe diferite celule reglate la aceste intervale. Acest lucru a fost proiectat pentru a putea crește eficiența cu 50%.

Oamenii de știință de la Spectrolab, o filială a companiei Boeing, au raportat dezvoltarea celulelor solare cu mai multe joncțiuni, cu o eficiență mai mare de 40%, un nou record mondial

pentru celulele solare fotovoltaice. Oamenii de știință Spectrolab prevăd, de asemenea, că celulele solare concentratoare ar putea obține eficiență mai mare de 45% sau chiar 50% în viitor, eficiențele teoretice fiind de aproximativ 58% în celulele cu mai mult de trei intersecții.

În prezent, cea mai bună rată de conversie a soarelui (eficiența modulului solar) este de aproximativ 21,5% în noile produse comerciale în mod obișnuit mai mici decât eficiența celulelor izolate. Modulele solare cele mai eficiente în masă au valori ale densității de putere de până la 175 W / m2 (16,22 W / ft2).

Eficiențele panoului solar pot fi calculate prin valoarea MPP (valoarea maximă a puterii) a panourilor solare. Invertoarele solare convertesc puterea de curent continuu la curent alternativ prin efectuarea procesului MPPT: invertorul solar eșapă puterea de ieșire (curba I-V) din celula solară și aplică rezistența (sarcina) la celulele solare pentru a obține o putere maximă.

MPP (Punctul maxim de putere) al panoului solar constă din tensiunea MPP (V mpp) și curentul MPP (I mpp): este o capacitate a panoului solar, iar valoarea mai mare poate avea un nivel mai ridicat de MPP.

Panourile solare microinvertite sunt conectate în paralel, care produc mai mult decât panourile normale care sunt conectate în serie cu ieșirea din seria determinată de panoul cu performanțe mai scăzute. Micro-invertoarele funcționează independent, astfel încât fiecare panou să contribuie la o producție maximă posibilă, ținând cont de lumina soarelui disponibilă.

Cele mai multe module solare sunt în prezent produse din celule solare cristaline (c-Si), realizate din siliciu multicristalin și monocristalin. În 2013, siliciul cristalin a reprezentat mai mult de 90% din producția mondială de PV, în timp ce restul pieței globale este alcătuit din tehnologii de film subțire care utilizează telură de cadmiu, CIGS și siliciu amorf.

Tehnologiile solare din a treia generație, care se dezvoltă, utilizează celule avansate din peliculă subțire. Acestea produc o conversie relativ ridicată a eficienței pentru costul redus comparativ cu alte tehnologii solare. De asemenea, celulele multi-joncțiune dreptunghiulare (MJ), cu costuri ridicate, cu eficiență ridicată și cu pereți apropiați, sunt de preferință utilizate în panouri solare pe nave spațiale, deoarece oferă cel mai mare raport de putere generată pe kilogram ridicat în spațiu.

Celulele MJ sunt semiconductoare compuse și sunt fabricate din arsenid de galiu (GaAs) și alte materiale semiconductoare. O altă tehnologie fotovoltaică emergentă care utilizează celule MJ este fotovoltaica concentrator (CPV).

Figura 1.2 Schema fotovoltaicii concentrator

Mai multe companii au început să încorporeze electronice în module PV. Aceasta permite realizarea individuală a urmăririi punctelor maxime de putere (MPPT) pentru fiecare modul și măsurarea datelor de performanță pentru monitorizarea și detectarea erorilor la nivel de modul. Unele dintre aceste soluții utilizează optimizatorii de putere, o tehnologie de conversie DC-to-DC dezvoltată pentru a maximiza recoltarea energiei din sistemele solare fotovoltaice.

Există multe aplicații practice pentru utilizarea panourilor solare sau a fotovoltaicelor.

Acesta poate fi utilizat mai întâi în agricultură ca sursă de energie pentru irigare. Poate fi folosit și pentru infrastructură. Modulele PV sunt utilizate în sistemele fotovoltaice și includ o mare varietate de dispozitive electrice:

Centrale electrice fotovoltaice;

Sisteme solare pe acoperiș;

Sisteme fotovoltaice independente;

Sisteme de alimentare hibridă solare;

Fotovoltaice concentrate;

Avioane solare;

Lămpi cu pompă solară;

Vehicule solare;

Panouri solare pe nave spațiale și stații spațiale. [1]

1.1 Tipuri de panouri fotovoltaice

În prezent panourile solare sunt utilizate tot mai des pentru eficiența lor de producere a energiei electrice și pentru că se pot amplasa în diferite locuri și nu necesită un mediu special, costurile fiind diferite de producție si achiziție ceea ce permite să fie accesibil pentru oricine în orice domeniu, soarele fiind cea mai eficientă resursă regenerabilă pentru producerea energiei electrice, ea fiind o resursă necostisitoare și infinită.

1.1.1 Panourile fotovoltaice monocristaline

Panourile fotovoltaice ce conțin celule monocristaline sunt cele mai eficiente în prezent având un randament de 20% pe celulă. Celulele fiind alcătuite din plăci de siliciu formate dintr-un material cristalin, aceste cristale reprezintă materia de bază pentru construirea celulelor fotovoltaice monoctristaline, fiind foarte costisitor procesul de producție. În prezent aceest tip de panou este foarte costisitor.

1.1.2 Panouri fotovoltaice policristaline

Panourile fotovoltaice cu celulele policristaline, conțin zone cu cristale diferite. Randamentul celulelor policristaline este de 13%, iar avantajul acestor panouri este cel de producție având în vedere calitatea bună a lor și prețul foarte scăzut. De aceea aceste panouri sunt cele mai utilizate în industria panourilor fotovoltaice.

Panourile solare sunt alcătuite din celule fotovoltaice, datorită faprului că o celulă fotovoltaică nu poate produce suficient curent electric, atunci celulele sunt legate în serie-paralel formând un panou fotovoltaic.

Panourile fotovoltaice sunt produse în diferite dimensiuni având prețuri variate și depinzând și de locul unde va urma montarea panoului fotovoltaic. Cele mai folosite panouri fotovoltaice în gama rezidențială sunt cele cu o putere de 50 și 75W, iar pentru centralele fotoelectrice se folosesc panorui solare de puteri mari de circa 220W până la 300W.

Un prim exemplu un panou fotovoltaic de 50W este de aproximativ 0,5 m2. Panourile

fotovoltaice pot fi conectate la rândul lor în serie sau paralel ce permite să creăm sisteme mai mari de producere a curentului electric de ordinul MW.

1.1.3 Panouri fotovoltaice amorfe

Panourile nu conțin cristal, sunt construite pe baza siliciului amorf, din această cauză panourile fiind foarte subțiri. Au un randament de 10%, consturile de producție sunt mici, dar în cazul unei iluminări prea puternice a acestuia se pot degrada într-un foarte scurt interval de timp. De acceea cel mai des se utilizează în calculatoare de buzunar sau ceasuri.

1.1.4 Panouri fotovoltaice microcristaline

Aceste panouri sunt alcătuite din celule cu un strat subțire cu structură microcristalină, au un randament mai bun decât celulele amorfe, stratul lor nu este atât de gros ca și panourile policristaline, se utilizează parțial în industria panourilor fotovoltaice dar nu sunt atât de răspândite.

Figura 1.3 Panouri fotovoltaice (monocristalin, policristalin și amorf) [2]

1.1.5 Panoruile fotovoltaice cu celule tandem

Panourile fotovoltaice cu celule tandem sunt celule fotovoltaice suprapuse, în mare parte fiind celule policristaline si amorfe. Această tehnologie presupune captarea razelor solare pe un spectru mai larg din lumina solară, costurile producției fiind mai mari.

1.2 Sisteme panouri fotovoltaice

1.2.1 Sisteme panouri fotovoltaice OnGrid

Sistemul OnGrid sunt panouri fotovoltaice conectate la rețea ce au în construcția lor panouri fotovoltaice cu invertoare OnGrid si grup de măsurare.

1.2.2 Sisteme panouri fotovoltaice OffGrid

Sunt sisteme de panouri fotovoltaice autonome ce au în componență panouri fotovoltaice, controler de încărcare, baterii și invertor.

Invesția intr-un sistem fotovoltaic, fie el conectat la rețea OnGrid, fie el autonom OffGrid devine din ce în ce mai rentabilă, deoarece în ultimii trei ani evoluția Euro/Watt a panourilor fotovoltaice a fost una ascendentă.[3]

Ca soluție pentru iluminare stradală, utilitații casnice cât și pentru camping, case de vacanță, ferme moderne și regiune neaccesibile transportului de energie electrică de la rețeaua natională, panourile fotovoltaice au devenit cele mai eficiente cât și cele mai accesibile. Pentru sistemele conectate la rețea, panourile fotovoltaice au devenit cele mai accesibile deoarece se pot achiziționa cu ajutorul fondurilor europene cât și datorită faptului că sunt eco, nepoluante.

Fundamentare teoretică

2.1 Schema bloc a sistemului

Figura 2.1 Panoul solar 10W

În figura de mai sus este reprezentată schema bloc a întregului sistem. Ca și element de comandă și control s-a folosit microcontrollerul Atmega328p-pu. Microcontrollerul transmite comenzi și date către driverul A4988, Releu și LCD. În același timp primește informații referitoare la tensiunea bateriei și a panoului solar, curentului de încărcare cu ajutorul senzorului Hall(ACS712), de la cele patru fotorezistențe și a temperaturii ambientale. Pentru a monitoriza puterea de încarcare în timp, microcontrollerul transmite date către o bază de date online cu ajutorul modulului ESP8266.

Cu ajutorul celor două convertoare buck se poate asigura o tensiune optimă pentru încărcarea bateriei (14.2V) și pentru alimentarea tuturor componentelor din sistem la o tensiune de 5V.

2.2 Panoul fotovoltaic 10W,12V

Modulul este foarte bun pentru orice aplicație de celule fotovoltaice de dimensiuni mici. Modulul poate fi folosit cu succes pentru sisteme de alarmă sau avertizare, la sisteme de iluminat și încărcat telefoanele, în camping sau la sistemele în zonele fără energie electrică. Instalațiile fotovoltaice de mici dimensiuni pot fi puse în aplicare rapid și fără probleme datorita dimensiunilor mici pe care acest panou le are. Modulele sunt fabricate pe mașini automate de mare precizie. Rama panoului fotovoltaic este confecționată din aluminiu eloxat, iar sticla de protecție este rezistentă la grindină. Pe partea din spate a panoului există cutia de joncțiune rezistentă la apă, (IP65 rezistent la intemperii) unde se pot fixa (lipi) cablurile de legătură.

Figura 2.2 Panoul solar 10W

Caracteristici tehnice:

Putere maximă Pmax: 10W;

Tensiune la Pmax: 18,1 V;

Curent la Pmax: 0,57 A;

Curent de scurtcircuit: 0,60 A

Numărul de celule: 36 buc.

L x L x H dimensiuni ramă 310 x 280 x 17mm

Temperatura de funcționare: de la -40 grade C la +80 grade C;

Greutate: 1,1 kg. [4]

2.3 Microcontrolerul ATmega328p

Figura 2.3 Circuit pentru funcționare optimă

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 1.8V – 5.5V;

Frecvență de funcționare: până la 20MHz;

Flash: 32kB;

23 pini I/O;

1 UART, 2 SPI și 1 I2C;

6 canale de PWM;

8 x 10 bit ADC-uri.

Microcontrolerele sunt dispozitive ce conțin o unitate de procesare și alte periferice ce au rolul de a controla circuite electronice. Microcontroler-ul ATmega328p-PU este unul dintre cele mai folosite microcontrollere, dovadă și faptul că este folosit pentru plăcuța de dezvoltare Arduino Uno. Acesta poate înlocui microcontrolerul de pe placa de dezvoltare, în cazul în care acesta s-a defectat.

ATmega328p-PU se programează în mod inițial cu ajutorul unor dispozitive hardware adiționale, numite programatoare prin pinii ICSP (In-Circuit Serial Programming).

Figura 2.4 Hartă pini Atmega328p [5]

2.4 Driver A4988

Modelul A4988 este un driver complet cu microstepping, cu traductor încorporat, pentru o operare ușoară. Acesta este proiectat pentru a acționa motoarele pas cu pas bipolare în moduri full-, half-, quarter-, eighth-, and sixteenth- cu o tensiune de ieșire de până la 35 V și ± 2 A.

A4988 are un regulator de curent care are capacitatea de a funcționa într-un mod de operare lent sau mixt.

Figura 2.5 Harta pinilor Driver A4988

Traductorul reprezintă cheia implementării ușoare a modelului A4988. Introducerea unui impuls pe intrarea STEP va conduce motorul cu un micro pas. Nu există tabele de secvențe de faze, linii de control de înaltă frecvență sau interfețe complexe pentru programare. Interfața A4988 este potrivită pentru aplicații în care un microprocesor complex nu este disponibil sau este supraîncărcat.

În timpul funcționării, comanda de tăiere din A4988 selectează automat modul de operare actual, Slow sau Mixed. Controlul combinat al curentului de operare are ca rezultat reducerea zgomotului sonor al motorului, precizia pasului sporită și disiparea redusă a puterii.

Sistemele de control intern de rectificare sincronă sunt furnizate pentru a îmbunătăți disiparea de putere în timpul funcționării PWM. Protecția circuitului intern include: întreruperea termică cu histereză, blocarea subtensiunii (UVLO) și protecția curentului încrucișat. Nu este necesară o secvențiere specială de pornire. [6]

Figura 2.6 Diagrama bloc a driver-ului A4988 [6]

Caracteristici tehnice:

Tensiune motor: 8V – 35V;

Tensiune circuite logice: 3V – 5.5V;

Curent: 2A (MAX);

5 moduri pentru pași: full, 1/2, 1/4, 1/8 și 1/16;

Protecție la: subtensiune, supracurent și supratemperatură;

Rs = 0.1 Ω.

Figura 2.7 Schemă pentru conectarea unui microcontroler la driverul A4988.

Driver-ul necesită o tensiune de alimentare logică (3-5,5V) care să fie conectată între pinii VDD și GND și o tensiune de alimentare de 8-35V care să fie conectată între VMOT și GND.

Aceste surse ar trebui să aibă condensatori corespunzători de decuplare în apropierea plăcii și ar trebui să fie capabili să livreze curenții preconizați (vârfuri de până la 4 A pentru alimentarea cu motoare).

Motoarele stepper au în mod tipic o specificație a dimensiunii pasului (de exemplu 1,8 ° sau 200 de pași pe revoluție), care se aplică etapelor complete. Un driver microstepping, cum ar fi A4988, permite rezoluții mai mari, permițând locații în trepte intermediare, care se realizează prin activarea bobinelor cu niveluri de curent intermediare.

Tabel 1. Selectarea modurilor microstepping

Intrările selectorului de rezoluție (mărimea treptei) (MS1, MS2, MS3) permit selectarea din cele cinci rezoluții în conformitate cu tabelul de mai jos. MS1 și MS3 au rezistențe interne de 100kΩ și MS2 are o rezistență internă de 50kΩ, lăsând astfel acești trei pini de selectare microstep deconectați în modul full-step. Pentru ca modurile microstep să funcționeze corect, limita actuală trebuie să fie suficient de mică, astfel încât limitarea curentului să fie activată. În caz contrar, nivelurile intermediare de curent nu vor fi întreținute corect, iar motorul va funcționa efectiv într-un mod cu pas în întregime.

Fiecare impuls la intrarea STEP corespunde unui microstep al motorului pas cu pas în direcția selectată de pinul DIR. Pentru a atinge rate înalte de trepte, alimentarea cu motor este de obicei mult mai mare decât ar fi permisă fără limitarea activă a curentului. De exemplu, un motor tipic pas cu pas poate avea o valoare maximă de curent de 1 A cu o rezistență la bobină de 5Ω, ceea ce ar indica o alimentare maximă a motorului de 5 V.

Utilizarea unui astfel de motor cu 12 V ar permite rate mai mari de pas, să fie limitat în mod activ la sub 1 A pentru a preveni deteriorarea motorului.

Modelul A4988 suportă o astfel de limitare a curentului activ, iar potențiometrul trimmer-ului pe placă poate fi folosit pentru a seta limita curentului.

O modalitate de a seta limita curentă este de a pune driverul în modul full-step și de a măsura curentul care rulează printr-o singură bobină motrică fără a intra în treapta de intrare STEP. Curentul măsurat va fi de 0,7 ori limita curentă (deoarece ambele bobine sunt mereu pornite și limitate la 70% în modul full-step).

Un alt mod de a seta limita curentului este de a măsura tensiunea pe pinul "ref" și de a calcula limita de curent rezultată (rezistorii sensului curent sunt 0.05Ω). Tensiunea de refulare este accesibilă pe o interfață care este circulară pe silk screen-ul inferior al plăcii de circuite.

Placa de circuite imprimate a transportatorului este concepută pentru a extrage căldura din IC, dar pentru a furniza mai mult de aproximativ 1 A pe bobină, este necesar un radiator sau altă metodă de răcire.

Măsurarea tragerii curentului de la sursa de alimentare nu oferă neapărat o măsurătoare precisă a curentului bobinei. Deoarece tensiunea de intrare la șofer poate fi semnificativ mai mare decât tensiunea bobinei, curentul măsurat de la sursa de alimentare poate fi cu mult mai mic decât curentul bobinei (driver-ul și bobina funcționează practic ca o sursă de alimentare cu trepte de comutare).

De asemenea, dacă tensiunea de alimentare este foarte mare în comparație cu ceea ce motorul trebuie să atingă curentul setat, ciclul de funcționare va fi foarte scăzut, ceea ce conduce, de asemenea, la diferențe semnificative între curenții medii și RMS. [7]

2.5 Motorul pas cu pas Nema 17

Nema 17 este cel mai popular din familia de motoare pas cu pas hibride. Pe piață se găsesc 27 de modele cu diferite dimensiuni, cuplul motoarelor fiind de la 11Ncm la 65Ncm.

De asemenea, acestea mai pot fi deosebite prin gradele realizate într-un pas: 0,9 grade (400 pași/ revoluție) și 1,8 grade (200 pași / rotație). Motoarele furnizează curent pentru două bobine care vor da astfel o creștere de temperatură de 80 ° C.

Nema 17 este un motor stepper bipolar, foarte ușor de folosit în diverse aplicații, fiind de asemenea și foarte precis. [8]

Figura 2.8 Secțiune motor pas cu pas

Caracteristici tehnice:

Acuratețea pasului: ±5%;

Temperatură: 80 °C maxim;

Unghi pas: 1.8°;

Tensiune: 2.55V;

Curent: 1.7A;

Rezistență: 1.5Ω pe bobină;

Inductanță: 2.8mH.

Un motor pas cu pas este un motor electric DC fără perii care împarte o rotație completă într-un număr de pași egali. Poziția motorului poate fi comandată să se deplaseze și să se mențină la unul dintre acești pași fără nici un senzor de poziție pentru feedback (un controler cu buclă deschisă), atâta timp cât motorul este dimensionat cu grijă în funcție de cuplu și viteză.

Motoarele reluctante comutate sunt motoare pas cu pas foarte mari, cu un număr redus de poluri și, în general, sunt comutate cu buclă închisă.

Motoarele DC cristalizate se rotesc continuu când tensiunea DC este aplicată la terminalele lor. Motorul pas cu pas este cunoscut prin proprietatea sa pentru a transforma un tren de impulsuri de intrare (de obicei, impulsuri de unde pătrate) într-o incrementare precis definită în poziția arborelui. Fiecare puls mișcă arborele printr-un unghi fix.

Motoarele stepper au efectiv mai mulți electromagneți "înțepați" în jurul unei bucăți centrale de fier în formă de unelte. Electromagneții sunt alimentați de un circuit extern de driver sau de un microcontroller. Atunci când dinții angrenajului sunt aliniați la primul electromagnet, ele sunt ușor decalate de electromagnetul următor. Aceasta înseamnă că atunci când electromagnetul următor este pornit și primul este oprit, roata se rotește ușor pentru alinierea la următoarea. De acolo procesul se repetă. Fiecare dintre aceste rotații este numită "pas", cu un număr întreg de pași care fac o rotație completă. În acest fel, motorul poate fi rotit cu un unghi precis.

Figura 2.9 Arbore intern motor pas cu pas

Aranjamentul circular al electromagneților este împărțit în grupuri, fiecare grup numit o fază și există un număr egal de electromagneți pe grup. Numărul de grupuri este ales de proiectantul motorului pas cu pas. Electromagnetele fiecărui grup sunt intercalate cu electromagneții altor grupuri pentru a forma un model uniform de aranjament. De exemplu, dacă motorul pas cu pas are două grupuri identificate ca A sau B și zece electromagneți în total, modelul de grupare ar fi ABABABABAB.

Electromagneții din cadrul aceluiași grup sunt energizați împreună. Din acest motiv, motoarele pas cu pas cu mai multe faze au de obicei mai multe fire (sau cabluri) pentru a controla motorul.

Motoarele bipolare au o singură înfășurare pe fază. Curentul într-o bobină trebuie inversat pentru a inversa un pol magnetic, deci circuitul de acționare trebuie să fie mai complicat, de obicei cu un aranjament H-bridge (totuși există mai multe cipuri disponibile pentru a face acest lucru simplă afacere). Efectele statice de frecare utilizând o punte H au fost observate cu anumite topologii de antrenare.

Un pas cu pas de 8 conductori este înfășurat ca un pas cu pas unipolar, dar conductorii nu sunt uniți cu curentul intern al motorului. Acest tip de motor poate fi cablat în mai multe configurații:

Unipolar;

Bipolar cu înfășurări în serie. Acest lucru dă o inductanță mai mare, dar un curent mai mic per înfășurare;

Bipolar cu înfășurări paralele. Acest lucru necesită un curent mai mare, dar poate funcționa mai bine atunci când inductanța de înfășurare este redusă;

Bipolar cu o singură înfășurare pe fază. Această metodă va executa motorul numai pe jumătate din înfășurările disponibile, ceea ce va reduce cuplul disponibil la viteză mică dar va necesita mai puțin curent.

Motoarele stepper controlate de calculator sunt un tip de sistem de poziționare a mișcării. Acestea sunt în mod tipic controlate digital ca parte a unui sistem cu buclă deschisă pentru utilizare în aplicații de menținere sau de poziționare.

În domeniul laserului și al opțiunii, ele sunt frecvent utilizate în echipamente de poziționare precisă, cum ar fi dispozitivele de acționare liniare, etajele liniare, etapele de rotație, goniometrele și suporturile pentru oglinzi. Alte utilizări sunt în echipamentele de ambalare și poziționarea treptelor pilot de supape pentru sistemele de control al fluidelor

Motoarele comercializate pas cu pas sunt utilizate în scanere plate, imprimante de computere, plottere, mașini de joc, scanere de imagine, unități de disc compact, iluminare inteligentă, lentile de cameră, mașini CNC și, mai recent, în imprimante 3D. [9]

2.6 Fotorezistența

Un fotorezistor (sau rezistor dependent de lumină, LDR sau celulă foto-conductoare) este un rezistor variabil controlat de lumină. Rezistența unui fotoreceptor scade cu creșterea intensității luminii incidente; cu alte cuvinte, prezintă fotoconductivitate. Un fotorezistor poate fi aplicat în circuitele de detecție sensibile la lumină și în circuite de comutare activate cu lumină și întunecate.

Figura 2.10 Fotorezistența

Un fotorezistor este realizat dintr-un semiconductor cu rezistență ridicată. În întuneric, un fotorezistor poate avea o rezistență la fel de mare ca mai multe megohme (MΩ), în timp ce în lumină, un fotorezistor poate avea o rezistență la fel de mică precum câteva sute de ohmi.

Dacă lumina incidentă pe un fotorezistor depășește o anumită frecvență, fotonii absorbiți de semiconductor dau energiei legate de electroni suficientă energie pentru a sări în banda de conducție. Electronii liberi care rezultă conduc energia electrică, reducând astfel rezistența. Mai

mult, fotorezistoarele unice pot reacționa substanțial diferit față de fotoni în anumite benzi de lungime de undă. [10]

Fotorezistorul este format dintr-o peliculă din material semiconductor, depusă prin evaporare în vid pe un grătar metalic care este fixat pe o placă izolatoare. Pelicula este prevăzută la capete cu contacte ohmmice care reprezintă terminalele și este protejată prin acoperire cu lac sau prin încapsulare în material plastic.

Figura 2.11 Funcționarea fotorezistenței

În general, conductanta fotorezistenței este proporțională cu fluxul luminos. Materialele din care se realizează fotorezistențele sunt sulfurile, seleniurile, precum și compuși de tipul A3B5. Mai utilizate sunt PbS, PbTe, PbSe, InSb, Ge pentru infraroșu, iar pentru vizibil și ultraviolet apropiat: CdS, CdSe și TI2S.

Intensitatea curentului crește proporțional cu creșterea intensității fluxului luminos. În circuitele electronice, în funcție de modul de conectare, fotorezistorul poate fi activat de lumină sau poate fi activat de întuneric .

Fotorezistențele se utilizează cel mai adesea ca detectoare de radiații în gama de frecvențe vizibil-infraroșu îndepărtat. [11]

Circuitul are 2 borne de intrare, între care se aplică o sursă de tensiune, notată vI, care reprezintă tensiunea de intrare a circuitului.

Circuitul are 2 borne de ieșire, între care se furnizează tensiunea de ieșire, notată vO, a circuitului.

Tensiunea de intrare se divizează pe cele două rezistoare, R1 respectiv R2, iar tensiunea de ieșire în funcție de componentele circuitului și de tensiunea de intrare se determină cu relația generală:

Din rezultatul de mai sus, se constată că tensiunea de ieșire a circuitului reprezintă o fracțiune din tensiunea aplicată pe intrare. Fracțiunea respectivă este reprezentată de către raportul rezistiv în care numitorul este format din suma componentelor divizorului, iar numărătorul este format din componenta conectată la ieșirea circuitului.

Regula divizorului de tensiune se poate aplica pentru a determina tensiunea de la ieșirea unui circuit ca cel prezentat mai jos, fãrã sarcinã la ieșire. În acest caz ambele rezistoare sunt parcurse de același curent I, determinat cu legea lui Ohm:

Figura 2.12 Regula divizorului de tensiune [12]

2.7 Buck Converter

Un Buck Converter (convertor step-down) este un convertor de putere DC-to-DC care scade tensiunea (în timp ce amplifică curentul) de la input (alimentare) la output (sarcina). Este o clasă de alimentare cu alimentare în comutație (SMPS) care conține în mod obișnuit cel puțin doi semiconductori (o diodă și un tranzistor, deși convertoarele moderne de buck înlocuiesc frecvent dioda cu un al doilea tranzistor utilizat pentru rectificarea sincronă) și cel puțin un element de stocare a energiei , un condensator, un inductor sau cele două în combinație. Pentru a reduce torsiunea de tensiune, filtrele fabricate din condensatoare (uneori în combinație cu inductoare) sunt adăugate în mod normal la output-ul unui convertor (filtrul de încărcare) și la input (filtrul de alimentare).

În partea ON, întrerupătorul este închis, așa cum se poate vedea în figura următoare, unde dioda este deschisă, deoarece tensiunea catodului este mai mare decât anodul. Când comutatorul este închis pentru prima oară (curent), curentul va începe să crească, iar inductorul va produce o tensiune opusă între bornele sale ca răspuns la curentul în schimbare. Această cădere de tensiune contracarează tensiunea sursei și, prin urmare, reduce tensiunea netă pe sarcină.

De-a lungul timpului, rata de schimbare a curentului scade, iar tensiunea pe inductor scade apoi, crescând tensiunea la sarcină. În acest timp, inductorul stochează energia sub forma unui câmp magnetic. Dacă întrerupătorul este deschis în timp ce curentul continuă să se schimbe, atunci va exista întotdeauna o cădere de tensiune pe inductor, astfel încât tensiunea netă la sarcină va fi întotdeauna mai mică decât sursa de tensiune de intrare.

Când comutatorul este pornit, inductorul se va încărca și tensiunea pe inductor va fi diferența dintre ieșire și intrare. Tensiunea inductorului este inductanța L înmulțită cu derivatul curent al inductorului. Astfel se obține curentul ON prin inductor.

Figura 2.13 Comutație neîntreruptă Buck Converter

Comutație neintreruptă (1):

(1)

(2)

Când întrerupătorul este deschis din nou (starea de dezactivare), sursa de tensiune va fi scoasă din circuit, iar curentul va scădea. Curentul descrescător va produce o scădere de tensiune pe inductor (opusă drop-ului la starea de funcționare), iar acum inductorul devine o sursă de curent. Energia stocată în câmpul magnetic al inductorului susține fluxul curent prin sarcină. Acest curent, care curge în timp ce sursa de tensiune de intrare este deconectată, atunci când este concatenată cu curentul care curge în timpul funcționării, ajunge la un curent mai mare decât curentul de intrare mediu (fiind zero în timpul opririi).

"Creșterea" curentului mediu reprezintă o reducere a tensiunii și, în mod ideal, menține puterea furnizată încărcăturii. În timpul staționării, inductorul își descarcă energia stocată în restul circuitului. Dacă întrerupătorul este închis din nou înainte ca inductorul să se descarce complet (starea de funcționare), tensiunea la sarcină va fi întotdeauna mai mare decât zero.

În acest caz, tensiunea pe inductor este tensiunea de ieșire. Deci, folosind din nou formulele următoare, se obține curentul părții OFF.

Figura 2.14 Comutație întreruptă Buck Converter [13]

Comutație întreruptă (8):

(5)

– (6)

(7)

(8)

2.8 Senzor de curent ACS712

Fluxul de curent sensibil și controlat este o cerință fundamentală într-o gamă largă de aplicații, incluzând circuite de protecție împotriva curentului, încărcătoare de baterii, surse de alimentare cu comutare, contoare digitale, surse programabile de curent etc. Acest modul curent ACS721 se bazează pe senzorul ACS712 , care poate detecta cu acuratețe curentul AC sau DC.

Valorile maxime AC sau DC care pot fi detectate pot ajunge la 5A, iar semnalul curent curent poate fi citit prin portul analogic I / O al Arduino.

Figura 2.15 Senzor de curent

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 4.5V ~ 5.5V DC;

Măsurare interval de curent: -5A ~ 5A;

Sensibilitate: 180mV / A ~ 190mV / A, tipic: 185mV / A [14].

Dispozitivul este alcătuit dintr-un circuit senzor de Hall, precis, cu decalaj scăzut, cu o conductă de cupru amplasată în apropierea suprafeței matriței. Curentul aplicat care curge prin această conductă de cupru generează un câmp magnetic care este detectat de Hall IC integrat și transformat într-o tensiune proporțională.

Precizia dispozitivului este optimizată prin apropierea apropiată de semnalul magnetic de traductorul Hall. O tensiune precisă, proporțională, este asigurată de BiCMOS Hall IC stabilizată la mică distanță, care este programată pentru precizie după ambalare.

Ieșirea dispozitivului are o pantă pozitivă atunci când un curent crescător curge prin calea principală de conducere a cuprului (de la pinii 1 și 2 la pinii 3 și 4), care este calea utilizată pentru detectarea curentului. Rezistența internă a acestei căi conductive este de 1,2 mΩ tipică, oferind pierderi de putere reduse.

Grosimea conductorului de cupru permite supraviețuirea dispozitivului cu până la 5 x condiții de supracurent. Terminalele trasei conductive sunt izolate electric de la cablurile senzorilor (bolțurile 5 până la 8). Acest lucru permite ca senzorul de curent ACS712 să fie utilizat în aplicații care necesită izolare electrică fără utilizarea optoizolatoarelor sau a altor tehnici de izolare costisitoare.

Figura 2.16 Circuitul senzorului de curent [15]

Multiplexor

Multiplexor-ul sau MUX este un switch digital, denumit și selector de date. Acesta constă într-un circuit combinațional cu mai mult de o linie de intrare, o linie de ieșire și mai multe linii de selectare, permițând totodată informațiilor binare din mai multe linii sau surse de intrare să funcționeze la setul de linii selectate, linia de intrare fiind direcționată către o singură linie de ieșire.

Figura 2.17 Modul mux cu CD74HC4067

Un multiplexor de la 16 la 2 are în componeța sa 16 intrări de date D0 până la D16, patru linii de selectare a intrărilor S3 până la S0 și o linie de ieșire. În funcție de combinațiile de linii selectate, multiplexorul decodează intrările.

Dispozitivele CD74HC4067 (Figura 2.17) sunt comutatoare analogice controlate digital care utilizează tehnologia cu un consum redus de energie.

Aceste multiplexoare / demultiplexoare analogice controlează tensiunile analogice care pot varia în intervalul de alimentare. Acestea sunt bidirecționale, iar pentru activarea ieșirilor se folosește tabelul de adevăr (Tabel 2).

Tabel 2. Selectare canal din MUX [16]

2.10 Releul

Releul este util pentru controlul a mai multe aparate ce funcționează la tensiune înaltă cu ajutorul plăcuțelor de dezvoltare.

Figura 2.18 Principiul de funcționare al releului

Caracteristici tehnice:

Tensiune: 250 V AC sau 30 V DC;

Curent: 10 A (MAX);

Fiecare releu este comandat separat de câte un tranzistor;

Tensiune de alimentare necesară funcționării optocuploarelor este de 5 V;

Curent necesar pentru control: 5 mA. [17]

Releele sunt utilizate ori de câte ori este necesar să se controleze un circuit de mare putere sau de înaltă tensiune cu un circuit de putere redusă, mai ales atunci când este de dorit izolarea galvanică.

Prima aplicare a releelor ​​a fost pe liniile telegrafice lungi, unde semnalul slab primit la o stație intermediară putea controla un contact, regenerând semnalul pentru o transmitere ulterioară. Dispozitivele de înaltă tensiune sau de curent înalt pot fi controlate cu întrerupătoare mici, cu tensiune scăzută și cabluri de comandă. Operatorii pot fi izolați de circuitul de înaltă tensiune.

Dispozitivele cu putere mică, cum ar fi microprocesoarele, pot acționa releele pentru a controla sarcinile electrice dincolo de capacitatea lor directă de a conduce vehicule. Într-un automobil, un releu de pornire permite ca curentul înalt al motorului de cranking să fie controlat cu cabluri mici și contacte în cheia de contact.

Sistemele de comutare electromecanice, inclusiv centralele telefonice Strowger și Crossbar, au utilizat în mare măsură releele din circuitele de comandă auxiliare. Compania de telefonie automată Relay a fabricat, de asemenea, centrale telefonice bazate exclusiv pe tehnici de comutarea releelor ​​proiectate de Gotthilf Ansgarius Betulander. Primul schimb public telefonic din Marea Britanie a fost instalat în Fleetwood la 15 iulie 1922 și a rămas în serviciu până în 1959.

Utilizarea releelor ​​pentru controlul logic al unor sisteme complexe de comutare precum centralele telefonice a fost studiată de Claude Shannon, care a formalizat aplicarea algebrei booleene la proiectarea circuitului releului în analiza simbolică a releelor ​​și a circuitelor de comutare. Releele pot efectua operațiile de bază ale logicii combinatoriale booleene. De exemplu,

funcția boolean AND este realizată prin conectarea în serie a contactelor de releu normal deschise, funcția OR prin conectarea paralel a contactelor normal deschise. Inversiunea unei intrări logice se poate face cu un contact normal închis. Releele au fost utilizate pentru controlul sistemelor automate pentru mașini-unelte și linii de producție. Limba de programare Ladder este adesea folosită pentru proiectarea rețelelor logice releu.

Computerele electro-mecanice anterioare, cum ar fi ARRA, Harvard Mark II, Zuse Z2 și Zuse Z3, utilizează relee pentru logica și registrele de lucru. Cu toate acestea, dispozitivele electronice s-au dovedit mai rapide și mai ușor de utilizat.

Deoarece releele sunt mult mai rezistente decât semiconductorii la radiațiile nucleare, ele sunt utilizate pe scară largă în logica critică a siguranței, cum ar fi panourile de comandă ale mașinilor de manipulare a deșeurilor radioactive. Releele electromecanice de protecție sunt utilizate pentru detectarea suprasarcinilor și a altor defecțiuni ale liniilor electrice prin deschiderea și închiderea întrerupătoarelor de circuit.

Figura 2.19 Releu solid-state [18]

2.10 Termistorul

Un termistor este un rezistor sensibil la temperatură, adesea folosit ca senzor de temperatură. Termenul de termistor este o contracție a cuvintelor "termic" și "rezistor". Toate rezistoarele au o anumită dependență de temperatură, care este descrisă de coeficientul de temperatură. În majoritatea cazurilor pentru rezistoarele (fixe sau variabile), coeficientul de temperatură este minimizat, dar în cazul termistorilor se obține un coeficient ridicat.

Figura 2.20 Termistor

Spre deosebire de majoritatea celorlalte rezistoare, termistorii au de obicei coeficienți de temperatură negativi (NTC), ceea ce înseamnă că rezistența scade odată cu creșterea temperaturii. Aceste tipuri sunt numite termistoare NTC. Rezistențele termice cu un coeficient de temperatură pozitiv sunt numite termistoare PTC (coeficient de temperatură pozitivă). [19]

Termistorii sunt de două tipuri fundamental opuse:

Cu termistorii NTC, rezistența scade odată cu creșterea temperaturii. Un NTC este utilizat în mod obișnuit ca senzor de temperatură sau în serie cu un circuit ca limitator de curent de intrare.

Cu termistori PTC, rezistența crește odată cu creșterea temperaturii. Termistorii PTC sunt în mod obișnuit instalați în serie cu un circuit și folosiți pentru a proteja împotriva condițiilor de supracurent, ca siguranțe resetabile. [20]

Figura 2.21 Termistor NTC și PTC

Tipul NTC este utilizat atunci când este necesară o schimbare a rezistenței pe o gamă largă de temperaturi. Ele sunt adesea folosite ca senzori de temperatură în intervalul -55°C până la 200°C, deși pot fi produse pentru a măsura o temperatură mult mai scăzută. Popularitatea acestora poate fi explicată prin răspunsul rapid, fiabilitatea, robustețea și prețul scăzut.

Tipul PTC este utilizat când este necesară o schimbare bruscă a rezistenței la o anumită temperatură. Acestea manifestă o creștere bruscă a rezistenței peste o temperatură definită, numită întrerupător. Cele mai frecvente temperaturi de comutare se regăsesc în intervalul cuprins între 60°C și 120°C. Acestea sunt adesea folosite pentru elementele de încălzire autoreglabile și pentru protecția împotriva supraîncălzirii prin auto-resetare. [19]

Ecranul LCD

Ecranul LCD (Ecran cu cristale lichide) este un modul electronic de afișare ce se găsește într-o gamă largă de aplicații. Un afișaj LCD 16×2 este un modul foarte simplu. Un ecran LCD de 16×2 (Figura 2.22) indică faptul că poate afișa 16 caractere pe 2 linii. În acest LCD fiecare caracter este afișat în matrice de 5×7 pixeli, având două registre: Command și Data. Registrul de comandă stochează instrucțiunile de comandă date pe ecranul LCD.

O comandă constituie o instrucțiune dată LCD-ului pentru a face o sarcină predefinită, cum ar fi: inițializarea acesteia, ștergerea ecranului, setarea poziției cursorului, controlul afișajului etc.

Registrul de date stochează datele care urmează a fi afișate pe ecranul LCD. Datele sunt afișate în codul ASCII al caracterului ce trebuie afișat pe ecranul LCD. De asemenea, sunt utilizați 8 biți pentru citirea și scrierea comenzilor și a datelor. Pinul R/W în starea 'High' asigură comanda de citire, iar în starea 'Low' pe cea de scriere.

Mai mult decât atât, LCD-ul dispune de un un modul I2C  (PCF8574A), permițând conectarea serial la microcontroller, doar prin utilizarea a două fire, SDA (data line) și SCL (clock line). Ca urmare, acest lucru permite folosirea eficientă a pinilor din microcontroler.

Figura 2.22 Harta pinilor pentru ecranul LCD

Caracteristici tehnice:

Număr de caractere: 16 caractere 2 linii;

Dimensiunea modului: 80 36 13,2 ;

Aria de vizibilitate: 66 16 ;

Aria activă: 56,2 11,5 ;

Tensiunea de alimentare: 4,5 – 5,5. [21]

2.12 Placă de dezvoltare WeMos D1 Mini ESP8266

WeMos D1 Mini PRO este o placă de dezvoltare a microcontrolerului wireless 802.11 (Wifi), modulul foarte mic de microcontroler ESP8266 transformându-se într-o placă de dezvoltare, de dimensiuni reduse, având un circuit integrat care conține porturi GPIO, PWM, I2C,

1-Wire și ADC, toate pe o singura placă și compatibilă Arduino. Adaptorul serial/USB este CH340G. [22]

Alimentarea se face de pe portul USB la 5V, însă modulul ESP8266 funcționează la 3.3V. Așadar, după ce s-a programat, modulul se poate alimenta și separat la 3.3V la ieșirea stabilizatorului de tensiune încorporat pe placă.

ESP8266 a venit în primul rând în atenția producătorilor occidentali în august 2014, cu modulul ESP-01, realizat de un producător terț, Ai-Thinker. Acest modul mic permite ca microcontrolerele să se conecteze la o rețea Wi-Fi și să facă simple conexiuni TCP / IP utilizând comenzi în stil Hayes.

Figura 2.23 Wemos D1 Mini ESP8266

Caracteristici tehnice:

Bazat pe ESP-8266EX;

Compatibil cu Arduino IDE;

11 pini GPIO;

1 pin ADC (0 – 3.3V);

Conține regulator în comutație cu tensiune maximă de intrare de 24V;

Frecvență de operare microcontroller: 80 / 160MHz;

Memorie Flash: 4MB;

Interfață I2C;

Pini ce pot genera semnal PWM;

Pini ce suportă întreruperi externe.

ESP8285 este un ESP8266 cu 1 MiB de bliț încorporat, permițând dispozitive cu un singur chip capabile să se conecteze la Wi-Fi. Succesorul acestor cipuri de microcontroler este ESP32.

Figura 2.24 ESP8266

Programarea D1 Mini Pro este la fel de simplă ca și programarea oricăror altor microcontrolere bazate pe Arduino, deoarece modulul include o interfață microUSB încorporată care permite programarea directă a modulului de la Arduino IDE (necesită adăugarea suportului ESP8266 prin intermediul managerului de bord) hardware.

D1 Mini Pro este de asemenea proiectat pentru a permite ecranelor compatibile Wemos să fie conectate la placă într-un mod similar platformei de dezvoltare a platformei Arduino, care își extinde foarte mult capacitățile.

Modulul include un set de anteturi care permit ca shield-ul să fie ușor adăugat sau eliminat de la D1 mini PRO.

Alte caracteristici ale D1 Mini Pro includ 11 pini de intrare / ieșire digitală, 1 pin de intrare analogic (3.2V Max), 16MB (128M bit) Flash, un conector de antenă externă, construit în antenă ceramică și găzduiește noul CP2104 US la UART IC .

Microcontrolerul ESP8266EX integrează un procesor RISC Tensilica L106 pe 32 de biți, care realizează un consum redus de energie și atinge o viteză maximă de ceas de 160 MHz. Sistemul

de operare în timp real (RTOS) și stack-ul Wi-Fi permit ca aproximativ 80% din puterea de procesare să fie disponibilă pentru programarea și dezvoltarea aplicațiilor utilizatorilor.

Proiectat pentru dispozitive mobile, electronice portabile și aplicații IoT, ESP8266EX realizează un consum redus de energie, combinând mai multe tehnologii brevetate. Arhitectura de economisire a energiei dispune de trei moduri de funcționare: modul activ, modul sleep și modul de adormire profundă. Acest lucru permite modelelor alimentate de baterii să funcționeze mai mult.

ESP8266EX este integrat cu un procesor Tensilica pe 32 de biți, interfețe digitale periferice standard, întrerupătoare de antenă, balun RF, amplificator zgomot redus, filtre și module de gestionare a alimentării. Toate acestea sunt incluse într-un pachet mic, ESP8266EX.

ESP8266EX este capabil să funcționeze consecvent în medii industriale, datorită intervalului larg de temperatură de funcționare. Cu ajutorul funcțiilor integrate pe chip și a numărului minim de componente discrete externe, cipul oferă fiabilitate, compactitate și robustețe. [23]

Implementarea soluției adoptate

Schema electrică

În figura 3.1 de mai jos este reprezentată schema electrică proiectată în programul Altium Designer, cunoscut anterior sub numele de Protel până în 2001 fiind o companie americană, cu sediul în Australia, care furnizează software pentru proiectarea electronică bazate pe PC pentru inginerii care proiectează plăci de circuite imprimate.

Figura 3.1 Schema electrică

Panoul solar și bateria staționară de 12V 7Ah

O celulă solară sau o celulă fotovoltaică este un dispozitiv electric care convertește direct energia luminii în energie electrică prin efectul fotovoltaic, fenomen fizic și chimic. Este o formă de celulă fotoelectrică, definită ca un dispozitiv ale cărui caracteristici electrice, cum ar fi curentul, tensiunea sau rezistența, variază atunci când sunt expuse la lumină.

Figura 3.2 Panou fotovoltaic

La soare puternic panoul are o tensiune de 17-20V iar la întuneric panoul are o tensiune cuprinsă de 2-3V. Maximul de curent furnizat poate fi de 0.57A adică o putere maxim de 10W.

Pentru a proteja panoul solar de un eventual scurt circuit sau o inversare de polaritate s-a pus o diodă simplă 1n4007.

Încărcarea bateriei de la panoul solar se face cu ajutorul unui convertor buck care este descris mai jos în amanunt.

Este nevoie de o tensiune cuprinsă între 13.8V și 14.2V pentru a încărca bateria iar curentul trebuie limitat la 10% din capacitatea bateriei, asta înseamnă că pentru bateria de 7Ah, curentul trebuie limitat la 700mA.

Convertorul buck pentru încărcarea bateriei și alimentarea circuitului

Alimentarea microcontroller-ului și celorlalte componente are loc cu ajutorul unui Buck convertor. Acesta (convertor step-down) este un convertor de putere DC-to-DC care scade tensiunea de la intrarea din 12V, la ieșirea în 5V. Este o sursă în comutație (SMPS), conținând în mod obișnuit cel puțin doi semiconductori (o diodă și un tranzistor, deși convertoarele moderne de buck înlocuiesc frecvent dioda cu un al doilea tranzistor) și cel puțin un element de stocare al energiei, un condensator, un inductor sau cele două în combinație.

Panoul solar furnizeză o tensiune cuprinsă între 17 și 20V iar folosind convertorul tensiunea pentru încărcare scade la 14.76V iar datorită unei diode plasată înainte de baterie tensiunea este 14.06V, această tensiune facilitând încărcarea bateriei în condiții optime.

Schema convertorului a fost creată prin intermediul circuitului integrat LM2576HVT-ADJ capabil să conducă în sarcină până la 3A cu o stabilitate excelentă. Aceste dispozitive sunt disponibile în tensiuni de ieșire fixe de 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V sau o versiune cu ieșire reglabilă.

Seria LM2576 oferă un înlocuitor de înaltă eficiență pentru regulatoarele liniare cu trei terminale, reducând în mod substanțial dimensiunea radiatorului și, în unele cazuri, nefiind necesar un astfel de radiator.

Figura 3.3 Schema pentru Buck Convertor

LM2576HVT-ADJ este un circuit integrat la care se poate modifica tensiunea de ieșire cu ajutorul unui potențiometru sau din calcul cu ajutorul a două rezistențe pentru primul buck s-au folosit următoarele valori (12):

(9)

, unde Vref =1.23V iar R1 și R2 trebuie sa fie între 1k si 5K (10)

(11)

(12)

Iar pentru alimentarea circuitului valorile rezistențelor sunt următoarele (14):

(13)

(14)

Pentru crearea circuitului s-au folosit, de asemenea, următoarele: condensatoare electrolitice C1= 100uF, C2 = 1000uF, o diodă redresoare 1N5408 care rezistă până la 3A și o bobină de 100uH.

Microcontroller Atmega328p

Atmega 328p-pu este un microcontroller care se alimentează la o tensiune de 5V iar ca să funcționeze în timp real s-au folosit 2 condensatoare de 22pF și un cristal de quart de 16Mhz, acesta are un consum redus de curent în jur de 40mA.

Figura 3.4 Atmega328p-pu împreună cu cristalul de quartz

Pentru filtrarea tensiunii, condensatoarele ceramice de 0,1uF sunt ideale nu numai pentru microcontroller cât și pentru celălalte componente care au comandă digitală. Programarea microcontroller-ului are loc prin intermediul unui adaptor extern numit TTL, adică se folosesc pinii de transmise RX/TX și pinul de reset.

Mux CD74HC4067

MUX-ul este conectat prin 5 pini, 4 pini S0-S3 de selectare al canalului dorit și un pin SIG care oferă informații microcontroler-ului despre canalul selectat.

Pinul Enable este conectat la GND pentru a activa modul de intrare. Fiecare canal este atribuit unui senzor datorită limitării de pini din microcontroller.

Prin selectarea unui canal pinul devine activ, iar prin intermediul pinului SIG are loc citirea senzorului, acest lucru realizeazându-se foarte repede.

Figura 3.5 Mux-ul împreună cu senzorul de temperatură și fotorezistențe

În partea practică au fost utilizați 4 senzori fotorezistivi, și un senzor de temperatură. Aceștia sunt conectați la MUX pentru a reduce numărul de pini utilizați de microcontroller.

MUX-ul citește astfel fiecare senzor în parte și transmite microcontroller-ului informații analogice. Microcontroler-ul primește aceste informații și le convertește cu ajutorul ADC-ului intern pe 12biți, astfel tensiunea este convertită binar, 0V=0 binar, 5V=1024 binar.

3.1.5 Senzorul de temperatură

Termistorul NTC de 10k este un senzor rezistiv, acesta schimbându-și valoarea în funcție de temperatură la care este supus. Acesta este legat la Mux printr-un divizor de tensiune care se formează adăugând o rezistență în serie la GND. Microcontrollerul neputând citi valori ale rezistenței se poate aplică regula divizorului iar la ieșire o sa fie o tensiune de o anumită, aceasta se modifică în funcție de valoarea rezistenței din NTC.

Tabel 3. Variația rezistenței în funcție de temperatură

Fotorezistențele

Pentru a putea urmări soarele s-au folosit 4 fotorezistețe puse una lângă cealaltă separate de de un element în forma de plus realizat la imprimantă 3D.

Figura 3.6 Fotorezistențele pe suportul imprimat 3D

Dacă pe o fotorezisteță lumina solară este mai mare decât pe cealaltă motorul pas cu pas se rotește în direcția luminii, învârtind panoul mereu spre soare.

3.1.7 Citirea tensiunilor

Ca și în cazul senzorului de temperatură și a fotorezistentelor se formează un divizor de tensiune pentru a citi tensiunea de la ieșire.

Figura 3.7 Divizoarele de tensiune

Tensiunea de pe panou și de la baterie se face cu ajutorul a două rezistențe de 1MΩ și 100k puse într-un divizor care transformă tensiuna de la brone într-o tensiune mai mică pentru a putea fi citită de către microcontroller.

Formula divizorului de tensiune după care funcționează senzorii de mai sus este urmatoarea(15):

(15)

3.1.8 Senzorul de curent ACS712

Dispozitivul este alcătuit dintr-un circuit senzor de Hall, precis, cu decalaj scăzut, cu o conductă de cupru amplasată în apropierea suprafeței matriței. Este conectat la microcontroller la pinul analogic A3. Senzorul returnează o valoare direct proporțională cu curentul ( 66 mV / A ).

Funcționarea circuitului integrat ACS712 se bazează pe efectul Hall. Senzorul poate măsura până la 30A, curent continuu sau alternativ.

Figura 3.8 Senzorul de current

3.1.9 Releul

Releul este un dispozitiv electromecanic care transformă un semnal electric într-o mișcare mecanică.

Figura 3.9 Releu

În proiect s-a folosit pentru a opri încărcarea bateriei atunci când bateria este încarcată complet, monitorizând curentul care trece prin senzor, acestea fiind sub 0.02A releul decuplează.

Cuplarea releului se realizează atunci când tensiunea de pe baterie este mai mică decât 13.5 și tensiunea de pe panou mai mare de 14.5V, altfel releul rămane decuplat. Pentru a putea fi controlat de către microcontroller s-a folosit un tranzistor bipolar BC337

Driver A4988

Motorul stepper nema17 pentru sistemul de urmărire al soarelui este controlat de driverul A4988, care primește comandă din microcontroller. Conectarea driverului se realizează astfel:

Figura 3.10 Conectare A4988 la motorul pas cu pas

Pinul VMOT și GND se conectează la o sursă în comutație de 12V din baterie, iar pentru a funcționa corect, se plasează un condesator electrolitc între GND și VCC de 100uF. Pentru partea de alimentare a modulului, pinii VDD și GND sunt conectați la partea de alimentare a microcontroller-ului, adică la 5V.

Nema 17 este un motor pas cu pas bipolar, ce conține 2 bobine interne, fiecare bobină fiind conectată la driver. Bobina 1 este conectată la un capăt în pinul 1A, iar celălalt capăt la 1B, iar bobina 2 la pinii 2A și 2B.

Comanda driver-ului este dată de pinii STEP, DIRECTION și ENABLE care sunt conectați prin microcontroller la 7, 6 și 5. Dacă pe pinul ENABLE se aplică 1 logic, motoarele sunt pornite. Pinul DIR primește informații referitoare la direcția de rotire, iar pinul STEP primește informații referitoare la numărul de pași pe care motorul trebuie să-i execute.

Figura 3.11 Motoarele pas cu pas

Sunt amplasate două moatoare pas cu pas, unu pentru a putea roti panoul pe verticală iar celălalt pe orizontală.

Comanda driver-ului este dată de pinii STEP, DIRECTION și ENABLE care sunt conectați prin microcontroller la 12, 11 și 13 respectiv 9, 8 și 10. Dacă pe pinul ENABLE se aplică 1 logic,

motoarele sunt pornite. Pinul DIR primește informații referitoare la direcția de rotire, iar pinul STEP primește informații referitoare la numărul de pași pe care motorul trebuie să-i execute.

LCD-ul

LCD-ul se conectează prin comunicare serială I2C, pentru a putea economisi din pinii microcontrollerului.

Figura 3.12 LCD-ul împreună cu modulul I2C

Această comunicare seriale folosește doar doi pini de comunicare SDA(date) SCL(clock) la care se poate lega un număr mare dar limitat de dispozitive cu comunicare serială deoarece comunică prin adrese. Spre exemplu adresa acestui LCD este de 0x3F.

Figura 3.13 Afișarea informaților pe ecranul LCD

Pe LCD apar informații tensiunea de pe baterie, tensiunea de pe panoul solar, curentul de încărcare și puterea când releul este deschis, dacă releul este orpit atunci pe lcd o să apară informații referitoare la temperatură. Pentru crearea caracterelor s-a folosit un tool online care converteste desenul în cod pentru a putea fi folosit în microcontroller.

D1mini (ESP8266)

NodeMCU este modulul ideal pentru Internet of Things (IoT). Combină conectivitatea WiFi cu versatilitatea unui microcontroller. Are 9 pini digitali (IO), din care 8 suportă PWM și unul analogic (doar intrare). La baza acestei plăci stă chipul ESP8266 care rulează la 26 Mhz, are 4 MB flash și are 160 KB RAM. Placa Wemos D1Mini rulează la o tensiune de 5V.

În proiect am folosit modului ESP8266 pentru a prelua informații referitoare puterea produsă de panoul solar și capacitatea totală de încărcare. Modulul se contectează la pinii RX/TX ai microcontroller-ului.

Implementarea PCB-ului

Schema electrică cât și PCB-ul au fost realizate în programul Altium. După crearea schemeielectrice s-a trecut la implementarea pcb-ului. Fiecare componentă a fost așezată manual iar traseele la fel au fost trasate manual.

S-au folosit două straturi pentru a putea uni toate componetele între ele, pe ambele straturi TOP și BOTTOM s-a folosit plan de masă.

Figura 3.14 Proiectare 2D PCB

Pentru fiecare componentă în parte s-au creat footprinturi 3D pentru a putea știi cu exactitate cum o să arate plăcuța printată la final și pentru a putea fi optimizată cât mai bine în vederea economisirii spațiului.

Figura 3.15 Proiectare 3D placă de baza

Figura 3.16 Realizarea practică a plăcii de bază

După finalizarea proiectului aceasta a fost trimis unui specialist pentru a putea fi printate iar apoi fiecare componetă a fost lipită pe placa creata la o temperatură de 300 de grade ale pistolului de lipit majoritatea componetelor fiind THT și componetele SMD au fost lipite cu pistol cu aer cald.

Construcția Platformei

Modelarea 3D s-a realizat în programul Fusion360. Fusion 360 ofera un set complet de instrumente. Pe lângă modelarea parametrizată standard, Fusion 360 include și module pentru crearea suprafețelor (Patch) și a pieselor din tabla îndoită (Sheet Metal). Există module de simulare pentru analiza liniară și neliniară statică de eforturi

3.3.1 Modelarea 3D a platformei

Figura 3.17 Platforma privită din față

Figura 3.14 ilustrează platforma privită din unghiul frontal, de unde reiese poziționarea panoului. În partea practică a fost utilizate plăci de lemn cu grosimea de 1 cm, tăiat în formă dreptughiulară.

Figura 3.18 Sistemul de ridicare pe axa verticală

Pentru susținerea plăcilor de lemn etajate s-au folosit bări filetante cu diametrul de 5.5 mm care sunt prinse cu piulițe de tip hexagon.

Figura 3.15 ilustrează ansamblul de ridicare al panoului pe axa vertical iar pentru aceasta

s-a folosit curea cu zimti și fulie prinse pe o bara de 8mm (Figura 3.16), iar pentru prinderea și învârtirea bării s-au folosit prinderi cu rulmenți (Figura 3.17).

În partea inferioară a platformei se poziționează motoarul stepper, care fac posibilă învârtirea bării, de care se fixează partea superioară.

Figura 3.19 Rotițe zimțate și cureaua de legătură Figura 3.20 Prindere cu rulment

În figura de mai jos este reprezentat sistemul de rotire al ansmblului superior care rotește panoul solar pe axa orizontală. De bara de aluminiu de 12mm de data aceasta s-a prins același sistem ca și în partea superioară.

Figura 3.21 Sistemul de rotire

Implementarea softului și a bazei de date

Pentru a primi informații, am utilizat aplicația mobilă Thinger.io, aceasta permițând controlul de la distanță prin intermediul Wi-fi-ului. D1 mini ESP8266 se conectează automat la Internet prin platforma Thinger.io.

Figura 3.22 Platfoma online

Pentru a putea folosi aplicația s-a creat un cont pe platfoma online thinger.io în care o sa găsim informații referitoare la numărul device-urilor (în aplicația gratis sunt permise doar 2 dispozitive conectate în același timp) date transmise în timp real, baze de date pentru a putea ulterior folosi acele date pentru a creea grafice. Tot odată se poate observa locația dispozitivului pe glob.

Figura 3.23 Dispozitivul conectat pe platfoma online

În poza de mai sus sunt afișate tabele cu ip-ul dispozitivului, datele transmise și datele recepționate, timpul de când dispozitivul este conectat, un grafic cu datele transmise in timp real, și un buton în care se poate genera un cod QR. Pentru a putea conecta dispozitivul mobil la platforma online se descarcă aplicația Thinger.io, de specificat este că doar telefoanele cu sistem de operare Android pot accesa aplicația.

Figura 3.24 Descărcare aplicație

Versiunea curentă a aplicației Android nu necesită nici un fel de conectare pentru a interacționa cu dispozitivul D1 mini . Pur și simplu se scaneaza codul QR și telefonul va putea să interacționeze cu platforma online pentru a deschide releul și implicit pentru a acționa motorul.

Diagramă flowchart pe baza codului

Figura 3.25 Diagrama flowchart

După finalizarea codului s-a realizat diagrama flowchart care are rolul de a ușura înțelegerea funcționalității circuitului și al codului.

Rezultate experimentale

Atât testarea sistemului, cât și funcționarea acestuia sunt evidențiate prin rezultate practice. Majoritatea rezultatelor se observă de către utilizator direct pe LCD, precum și pe aplicația mobilă și baza de date creată.

Figura 4.1 Afișarea rezultatelor pe LCD

În partea din stânga sus este afișată tensiunea de pe baterie în timp real, în partea din dreapta sus reprezentat de simbolul cu soare se află afișată tensiunea de pe panoul solar în sarcină, deasemenea este afișată și valoarea curentul de încărcare și după un calcul simplu, puterea sistemului. (Figura 4.1)

Figura 4.2 Afișarea rezultatelor pe LCD

Figura 4.2 vine cu o mică schimbare în ceea ce se afișează pe LCD, în loc de putere este reprezentată temperatura, acest lucru se întâmplă doar în momenul când sistemul de încărcare este oprit.

Fiecare componentă de pe placa de bază este alimentată la o tensiune măsurată de 5.26V (Figura 4.10), aproximativ tensiunea calculată din formula convertorului buck: (6)

(6)

, unde Vref =1.23V iar R1 și R2 trebuie sa fie între 1k si 5K

Figura 4.3 Tensiunea de alimentare pentru fiecare componentă de pe placa de bază

Panoul solar furnizează o tensiune cuprinsă între 17-20V la soare puternic, având în vedere că bateria are nevoie de o tensiune de 13.8V-14.2V s-a folosit un al 2-lea buck care reduce tensiunea la 14.76 (Figura 4.4) , iar folosindu-se o diodă tensiunea a scăzut la 13,97. (Figura 4.5)

(7)

, unde Vref =1.23V iar R1 și R2 trebuie sa fie între 1k si 5K

Figura 4.4 Tensiunea după buck convertor al panoului solar

Figura 4.5 Tensiunea de încărcare

Testarea tensiunii s-a realizat cu ajutorul unei surse de laborator, curentul a fost limitat conform specificaților panoului solar și anume 560mA (Figura 4.6) iar tensiunea a fost setată la 18.4V, măsurătorile de pe LCD sunt aproximativ exacte. (Figura 4.7).

Figura 4.6 Sursa care simulează panoul solar

Figura 4.7 Măsurărtorile afișate pe LCD

Senzorul de curent ACS712 fiind un senzor hall poate fi ușor influențabil de un câmp magnetic pus în apropierea lui, iar acesta va afișa valori eronate. Pentru a evita această situație se recomandă plasarea lui la o distanță suficient de mare de un releu.

Calculul pentru consumul plăcii de bază se găsește în tabelul 4. Nu toate componetele din tabelul de mai jos funcționează simultan, așadar totalul afișat nu se aplică în permanență.

Tabel 4. Consumul plăcii de bază

Motoarele pas cu pas consumă fiecare 250mA dar acest consum se realizează de 2-3 ori pentru mai puțin de 2 secunde, pe oră deoarece soarele are o deplasare lentă ceea ce face ca și panoul solar să se deplasese lent. În figura de mai jos se pot vedea cele 2 drivere poziționate pe placa de bază.

Figura 4.8 Poziționare drivere pe placa de bază

Cele două motoare pas cu pas au mișcări line ajutând partea mecanică a sistemului să ghideze panoul solar mereu către soare. Alimentând cei trei pini MS1, MS2, MS3 s-a activat micropășirea motoarelor la 16 micropași. Știind că motorul parcurge normal 200 de pași pe o revoluție completă se poate calcula câți micropași se realizează într-o rotație.

În tabelele 5 și 6 sunt afișate date cu privire la numărul de pași parcurși de fiecare motor în parte pentru a ajunge dintr-un capăt în celălalt.

Tabel 5. Numărul de pași pentru motorul 1

Tabel 6. Numărul de pași pentru motorul 2

Pentru poziția de pornire adică axa orizontală a sistemului panoul trebuie poziționat centrat cu baza machetei ca în poza de mai jos, la pornire variabila primului motor va fi de 2500 de pași. Cu deplasarea panolui în stânga sau în dreapta această variabilă se incremetează sau se decremetează. Când variabila ajunge la 0 sau la 5000 motorul se dezactivează, însemnând că panoul se află în poziția maximă de deplasare.

Figura 4.9 Panoul orientat pe mijloc

Figura 4.10 Panoul orientat stânga respectiv dreapta

La fel se procedează și pe axa verticală, poziția de început fiind 0 iar în funcție de intensitatea luminii care cade pe cele 4 fotorezistențe o altă variabilă incrementează sau decremetează.

Figura 4.11 Panoul orientat pe axa verticală

Pentru a reveni la poziția de unde soarele trebuie să răsară, după căderea nopții una dintre cele 4 fotorezistențe a fost folosită pentru a detecta intensitatea scăzută a luminii iar motoarele duc panoul în partea opusă.

În figura 4.12 se află placa de bază unde se conectează fiecare senzor, motor și circuit de comandă.

Figura 4.12 Placa de bază

Cele 4 fotorezistențe sunt plasate într-o piesă realizată la imprimantă 3D, forma fiind aleasă pentru a face umbră pe zonele opuse deplasării panoului. (Figura 4.14)

Ele sunt numerotate de la stânga la dreapta fiind grupate două câte două pe diagonlă, astfel:1 cu 4 sunt pentru a deplasa panoul sus, jos iar 2 cu 3 sunt pentru a deplasa panoului de la stânga la dreapta. (Figura 4.13)

Figura 4.13 Amplasarea fotorezistențelor

Figura 4.14 Umbra produsă pe fotorezistențe

Fotorezistența cu valoare mai mare dictează direcția de deplasare a panoului, când pe cele 4 fotorezistențe valoarea este aceași atunci motoarele se dezactivează.

Figura 4.15 Direcția de deplasare în funcție de valorilie fotorezistențelor

Pe aplicația creată se transmit informații de la microcontroller către ESP8266 iar pe baza acestora s-a reușit realizarea graficelor pe o perioadă de timp.

Figura 4.16 Transmitere date în timp real

În figura 4.16 sunt reprezentate două grafice care ne arată puterea citită odată la 10 secunde, doar că intervalul de afișare este diferit, pe graficul de jos intervalul este de 30 de secunde, iar cel de sus intervalul este de 1 oră. Mai avem afișată puterea transmisă în timp real pe un wattmetru și totalul de putere transmisă de la începerea procesului.

Figura 4.17 Efectele sistemului de urmărire solară

În acest punct este clar că prin mișcarea panoului după soare se mărește considerabil cantitatea de radiație primită și în consecință, energia produsă. În Figura 4.17 putem vedea mai bine.

În aceast grafic se poate vedea energia produsă într-o zi cu o dezactivarea motoarelor precum și una cu sistemul de rotire activat. Curba portocalie prezintă energia obținută cu instalarea statică, în timp ce curba albastră arată rezultatul de urmărire cu două axe.

După cum se poate vedea, sistemul a primit mai multă radiație solară deci produs mai multă energie pe parcursul zilei. Performanța a crescut cu aproximativ 35% în comparație cu un sistem fix.

Concluzii

În concluzie, tehnologia sistemelor fotovoltaice evoluează constant, îndreptându-se recent către conceptul de locuință inteligentă capabilă să își gestioneze cosumul de energie, făcând astfel economii la factura de electricitate.

Scumpirea continuă a energiei electrice din ultimii ani a dus la creșterea facturilor pentru cea mai mare parte a populației, astfel că energiile regenerabile devin o alternativă eficientă pentru reducerea facturilor. Opțiunea pentru a reduce costurile la energia electrică o constituie panourile fotovoltaice.

Panourile fotovoltaice sau cele solare transformă energia solară în electricitate. Acest lucru este posibil cu noua generație de sisteme fotovoltaice inteligente ce conțin invertoare hibride, care, împreună cu panourile fotovoltaice și un banc de acumulatori, pot acoperi o parte sau complet nevoile de consum ale unei locuințe sau poate folosi ca sistem de back-up în caz de urgență.

Odată cu creșterea eficienței echipamentelor a crescut si garanția acestora. În prezent, producătorii oferă garanții cuprinse între 10 și 30 de ani.

Un sistem fotovoltaic aranjează panouri solare fotovoltaice individuale, iar panourile sunt grupate împreună într-o matrice. Unele dintre sistemele fotovoltaice au instalate dispozitive speciale de urmărire a luminii solare pe tot parcursul zilei, care ajută la îmbunătățirea eficienței sistemului.

Printre beneficiile și avantajele sistemelor de panouri fotovoltaice se numără:

Energia solară gratuită, putând fi folosită oriunde;

Reprezintă o asigurare împotriva creșterilor prețurilor la energia electrică;

Timp scurt de recuperare a investiției;

Garanții ale echipamentelor între 10 și 30 ani;

Scăderea facturilor la energie electrică pentru gospodării sau afaceri;

Costurile de întreținere ale sistemelor fotovoltaice sunt minime. [24]

Aceste beneficii au contribuit la formarea ideii și în cele din urmă la concretizarea acesteia în practică de a realiza un panou fotovoltaic care este eficient și economic pentru orice locuință, acesta fiind realizat cu ajutorul componentelor descrise în capitolul prezentării studiului teoretic, care se continuă mai apoi cu rezultatele și intepretarea lor în partea finală.

Bibliografie

[1]  "How Solar Cells Work". HowStuffWorks. Retrieved 9 December 2015. https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/solar-cell2.htm

[2] “Panouri solare fotovoltaice” http://www.sistemepanourisolare.ro/panouri-fotovoltaice

[3] “da Silva, Wilson (17 May 2016). "Milestone in solar cell efficiency achieved" https://www.sciencedaily.com/releases/2016/05/160517121811.htm

[4] “Panouri solare” https://www.fotovoltaic-shop.ro/produse/panouri-fotovoltaice/panou-solar-fotovoltaic-monocristalin-10w-pret-oferta_148.html

[5] “Atmega 328p -pu” https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328p

[6] “Driver A4988” https://www.pololu.com/a4988_DMOS_microstepping

[7] “Driver A4988” https://www.robotshop.com/media/files/PDF/datasheet-1182.pdf

[8] “Motor pas cu pas” http://reprap.org/wiki/NEMA_17_Stepper_motor

[9] “Tarun, Agarwal. Stepper Motor – Types, Advantages & Applications" https://www.elprocus.com/stepper-motor-types-advantages-applications/

[10]  “Photo resistor – Light Dependent Resistor (LDR) » Resistor Guide” http://www.resistorguide.com/photoresistor/

[11] “Fotorezistență” http://cursuri.flexform.ro/courses/L2/document/Cluj-Napoca/grupa1/Aranyi_Iulia/site/fotorezistenta.html

[12] “Divizor de tensiune” http://www.bel.utcluj.ro/dce/didactic/de/down/Fundamente.pdf

[13] “Convertor buck” http://www.electronoobs.com/eng_circuitos_tut10.php

[14] “Current Sensor” https://www.elecrow.com/acs712-current-sensor-5a-p-707.html

[15] “ACS712” https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/0712.pdf

[16] “CD74HC4067 February 1998 – Revised July 2003” http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd74hc4067.pdf

[17]  "The electromechanical relay of Joseph Henry" https://history-computer.com/ModernComputer/Basis/relay.html

[18] “Releu” https://mysite.du.edu/~jcalvert/tel/morse/morse.htm#H1

[19] „How do thermistors work?" EI Sensor Technologies. Retrieved 2019-05-13 http://www.resistorguide.com/thermistor/

[20] „Micro-chip Technologies. 2010. Termistor 10k” http://www.microchiptechno.com/ntc_thermistors.php

[21] „LCD 16×2”: http://wiki.sunfounder.cc/index.php?title=LCD1602_Module

[22] “Wemos D1 mini” https://www.optimusdigital.ro/ro/placi-esp8266/2416-placa-de-dezvoltare-wemos-d1-mini esp8266.html

[23] “ESP8266” https://www.espressif.com/en/products/hardware/esp8266ex/overview

[24] “Concluzii” http://greatnews.ro/instalare-panouri-fotovoltaice-avantaje/

Anexe

#include <Wire.h> // includere librarii

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);

int s0 = 7; //intializare pini pentru mux

int s1 = 6;

int s2 = 5;

int s3 = 4;

const int stepPin1 = 12; // pini stepper

const int dirPin1 = 11;

const int ena1 = 13;

int state,state1,state2,state3; // variabile

int v1,v2,v3,v4,i,e;

int z=2500;

int y=0;

const int stepPin2 = 9;

const int dirPin2 = 8;

const int ena2 = 10;

int pho1,pho2,pho3,pho4;// variabile fotorezist

int analogInput = A2;

float vout = 0.0;

float vin = 0.0;

float R1 = 10000.0; //rezistente divizor de tensiune

float R2 = 1000.0; //

int value=0;

int analogInput1 = A3; //pinul senzorului de curent

float vout1 = 0.0;

float vin1 = 0.0;

float R11 = 10000.0; //

float R21 = 1000.0; //

int value1=0;

int SIG_pin = A0;

int ThermistorPin;

int Vo;

float Rt1 = 10000;

float logR2, Rt2, T, Tc;

float c1 = 1.009249522e-03, c2 = 2.378405444e-04, c3 = 2.019202697e-07;

unsigned long previousMillis = 0;

float p=0;

float curent=0;

const long interval = 1000;

int incarcare=0;

int energy=0;

byte customChar[] = { // simbolurile create de pe LCD

B01110,

B11111,

B10001,

B10001,

B10001,

B10001,

B10001,

B11111

};

byte sorel[] = {

B00000,

B00100,

B10101,

B01110,

B11111,

B01110,

B10101,

B00100

};

byte s[] = {

B10001,

B10001,

B11111,

B11111,

B11111,

B01110,

B00100,

B00100

};

byte temp[] = {

B00100,

B01110,

B01010,

B01010,

B01110,

B11111,

B11111,

B01110

};

byte power[] = {

B00010,

B00100,

B01000,

B11111,

B00010,

B00100,

B01000,

B10000

};

void setup(){

pinMode(stepPin1,OUTPUT); // pinul devine output

pinMode(dirPin1,OUTPUT);

pinMode(stepPin2,OUTPUT);

pinMode(dirPin2,OUTPUT);

pinMode(ena1,OUTPUT);

pinMode(ena2,OUTPUT);

lcd.init(); // initializare LCD

lcd.backlight(); // pornire led LCD

lcd.createChar(0, customChar);

lcd.createChar(1,sorel);

lcd.createChar(2,s);

lcd.createChar(3,temp);

lcd.createChar(4,power);

lcd.home();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Solar Tracking");

lcd.setCursor(5,1);

lcd.print("System");

delay(3000);

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print(" ");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print(" ");

lcd.setCursor(3,0);

lcd.print("Budiu Alin");

delay(2000);

lcd.init();

pinMode(s0, OUTPUT);

pinMode(s1, OUTPUT);

pinMode(s2, OUTPUT);

pinMode(s3, OUTPUT);

digitalWrite(s0, LOW);

digitalWrite(s1, LOW);

digitalWrite(s2, LOW);

digitalWrite(s3, LOW);

pinMode(3, OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop(){

pho1=(readMux(3)); // citirea fotorezis. de la mux

pho2=(readMux(2));

pho3=(readMux(0));

pho4=(readMux(1));

Vo = (readMux(4)); // citirea senzorului de temp

v1=map(pho1, 600,1024,0,5); //mapare valori pt fotor

v2=map(pho2, 600,1024,0,5);

v3=map(pho3, 600,1024,0,5);

v4=map(pho4, 600,1024,0,5);

if (v1<v4) // daca fotorez 1 este mai mica decat 4

{

if (state==0) //daca variabila este 0

{

state1=0; //variabila 2 ia valoarea 0

digitalWrite(dirPin1,LOW); //directia motorului1

for(int x = 0; x < 100; x++) { //se executa 100 pasi

digitalWrite(stepPin1,HIGH);

delayMicroseconds(4000);

digitalWrite(stepPin1,LOW);

delayMicroseconds(4000);

y–; //variabila y decrementeaza

}

if (y<0) // daca y ajunge la 0

{

y=0;

state=1; //se dezactiveaza bucla anterioara

}

}

}

else if (v1>v4)

{

if (state1==0)

{

state=0;

digitalWrite(dirPin1,HIGH);

for(int x = 0; x < 100; x++) {

digitalWrite(stepPin1,HIGH);

delayMicroseconds(4000);

digitalWrite(stepPin1,LOW);

delayMicroseconds(4000);

y++;

}

if (y>900)

{

y=900;

state1=1;

}

if (y<50)

{

digitalWrite(ena1,HIGH);

}

else

{

digitalWrite(ena1,LOW);

}

}

}

if (v1==v4)

{

}

if (v2>v3)

{

if (state2==0)

{

state3=0;

digitalWrite(dirPin2,LOW);

digitalWrite(ena2,LOW);

for(int x = 0; x < 100; x++) {

digitalWrite(stepPin2,HIGH);

delayMicroseconds(4000);

digitalWrite(stepPin2,LOW);

delayMicroseconds(4000);

z–;

}

digitalWrite(ena2,HIGH);

if (z<0)

{

z=0;

state2=1;

}

}

}

else if (v2<v3)

{

if (state3==0)

{

state2=0;

digitalWrite(dirPin2,HIGH);

digitalWrite(ena2,LOW);

for(int x = 0; x < 100; x++) {

digitalWrite(stepPin2,HIGH);

delayMicroseconds(4000);

digitalWrite(stepPin2,LOW);

delayMicroseconds(4000);

z++;

}

digitalWrite(ena2,HIGH);

if (z>5000)

{

z=5000;

state3=1;

}

}

}

if (v1==v4)

{

digitalWrite(ena2,HIGH);

}

value = analogRead(analogInput);

vout = (value * 5.25) / 1024.0;

vin = vout / (R2/(R1+R2));

value1 = analogRead(analogInput1);

vout1 = (value1 * 5.32) / 1024.0;

vin1 = vout1 / (R21/(R11+R21));

float average = 0;

for(int i = 0; i < 1000; i++) {

average = average + (.0264 * analogRead(A1) -13.405); //calibrare senzor curent

}

curent=(average/1000)*2;

if (curent<0) curent=0;

p=vin1*curent; //calcul putere

if (incarcare==1)

{

energy=p*100;

Serial.println(energy); // transmitere date wifi

}

else

{

energy=0;

Serial.println(energy);

}

unsigned long currentMillis = millis();

if (currentMillis – previousMillis >= interval) {

previousMillis = currentMillis;

Vo = (readMux(4));

Rt2 = Rt1 * (1023.0 / (float)Vo – 1.0);

logR2 = log(Rt2);

T = (1.0 / (c1 + c2*logR2 + c3*logR2*logR2*logR2));

Tc = T – 273.15;

lcd.setCursor(0,0);

lcd.write((uint8_t)0);

lcd.setCursor(2,0);

lcd.print(vin);

lcd.setCursor(9,0);

lcd.write((uint8_t)1);

lcd.setCursor(11,0);

lcd.print(vin1);

if (incarcare==1)

{

digitalWrite(3,HIGH) ;// releu incarcare oprit

lcd.setCursor(0,1);

lcd.write((uint8_t)2);

lcd.setCursor(2,1);

lcd.print(curent);

lcd.setCursor(6,1);

lcd.print("A");

lcd.setCursor(9,1);

lcd.write((uint8_t)4);

lcd.setCursor(11,1);

lcd.print(p);

lcd.print("W");

}

if (incarcare==0) //

{

digitalWrite(3,LOW);// releu incarcare oprit

lcd.setCursor(9,1); // afisare pe lcd

lcd.write((uint8_t)3);

lcd.setCursor(11,1);

lcd.print(Tc);

lcd.setCursor(0,1);

lcd.write((uint8_t)2);

lcd.setCursor(2,1);

lcd.print("0.00");

lcd.setCursor(6,1);

lcd.print("A");

}

}

if (vin1<(13.8)) // daca teniunea este sub 13.8

{

incarcare=0; //variabila este 0

}

else

{

incarcare=1; //varaiabila este 1

}

}

int readMux(int channel){

int controlPin[] = {s0, s1, s2, s3};

int muxChannel[16][4]={

{0,0,0,0}, //channel 0

{1,0,0,0}, //channel 1

{0,1,0,0}, //channel 2

{1,1,0,0}, //channel 3

{0,0,1,0}, //channel 4

};

for(int i = 0; i < 4; i ++){

digitalWrite(controlPin[i], muxChannel[channel][i]);

}

int val = analogRead(SIG_pin);

return val;

}