Monitorovanie solárneho panelu pomocou fotónu častíc: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Cieľom projektu je zvýšiť účinnosť solárnych panelov. Projekt je navrhnutý tak, aby dohliadal na výrobu solárnej fotovoltaickej energie s cieľom zvýšiť výkon, monitorovanie a údržbu solárnej elektrárne.

V tomto projekte je fotón častíc prepojený s kolíkom výstupného napätia solárneho panelu, snímačom teploty LM-35 a snímačom LDR na monitorovanie výkonu, teploty a intenzity dopadajúceho svetla. Znakový LCD je tiež prepojený s časticovým fotónom pre zobrazenie meraných parametrov v reálnom čase. Photon nielenže zobrazuje namerané parametre na LCD obrazovke, ale tiež odosiela namerané hodnoty na cloudový server na zobrazenie údajov v reálnom čase.

Krok 1: Vyžadovaný komponent

• Fotón častíc 20 dolárov
• 16 x 2 LCD, 3 doláre
• Solárny tanier 4 doláre
• Snímač teploty LM-35 za 2 doláre
• LDR 1 dolár
• Breadboard 4 doláre
• Prepojovacie vodiče 3 doláre

Celkové náklady na hardvér sa pohybujú okolo 40 dolárov.

Krok 2: Hardvér

1. Fotón častíc

Photon je populárna doska IoT dostupná z platformy Particle. Doska obsahuje mikrokontrolér STM32F205 120Mhz ARM Cortex M3 s 1 MB pamäte flash, 128 kB RAM a 18 pinov zmiešaného signálu na univerzálny vstupný výstup (GPIO) s pokročilými perifériami. Modul má vstavaný Wi-Fi čip Cypress BCM43362 pre pripojenie Wi-Fi a jednopásmový 2,4 GHz IEEE 802.11b/g/n pre Bluetooth. Doska je vybavená 2 rozhraniami SPI, jedným I2S, jedným I2C, jedným CAN a jedným rozhraním USB.

Je potrebné poznamenať, že 3V3 je filtrovaný výstup používaný pre analógové snímače. Tento kolík je výstupom palubného regulátora a je vnútorne pripojený k VDD modulu Wi-Fi. Pri napájaní fotónu cez VIN alebo USB port bude z tohto kolíka vychádzať napätie 3,3 VDC. Tento pin je možné použiť aj na priame napájanie fotónu (max. Vstup 3,3 VDC). Pri použití ako výstup je maximálne zaťaženie 3V3 100mA. Signály PWM majú rozlíšenie 8 bitov a bežia na frekvencii 500 Hz.

2. 16X2 znakový LCD

Na zobrazenie hodnôt nameraných parametrov slúži LCD displej 16X2. Je spojený s fotónom častíc prepojením jeho dátových pinov D4 až D7 s kolíkmi D0 až D3 dosky s časticami. Kolíky E a RS na displeji LCD sú spojené s kolíkmi D5 a D6 na časticovej doske. Kolík R/W LCD je uzemnený.

3. Senzor LDR (fotorezistor)

LDR alebo svetlo závislý odpor je známy aj ako fotoodpor, fotobunka, fotovodič. Je to jeden typ rezistora, ktorého odpor sa líši v závislosti od množstva svetla dopadajúceho na jeho povrch. Keď svetlo dopadne na odpor, odpor sa zmení. Tieto odpory sa často používajú v mnohých obvodoch, kde je potrebné cítiť prítomnosť svetla. Tieto odpory majú množstvo funkcií a odporov. Napríklad, keď je LDR v tme, môže sa použiť na zapnutie svetla alebo vypnutie svetla, keď je na svetle. Typický svetlo závislý odpor má odpor v tme 1 MOhm a v svetle odpor niekoľko KOhm.

Pracovný princíp LDR

Tento odpor funguje na princípe vodivosti fotografií. Nie je to nič iné, ako keď svetlo dopadne na jeho povrch, potom sa vodivosť materiálu zníži a tiež elektróny vo valenčnom pásme zariadenia sú excitované do vodivého pásma. Tieto fotóny v dopadajúcom svetle musia mať energiu väčšiu ako je medzera v pásme polovodičového materiálu. Vďaka tomu elektróny preskočia z valenčného pásma do vedenia. Tieto zariadenia závisia od svetla, keď svetlo dopadne na LDR, odpor sa potom zníži, a zvyšuje sa v tme. Keď je LDR držaný na tmavom mieste, jeho odpor je vysoký a keď je LDR držaný na svetle, jeho odpor sa zníži. Senzor LDR sa používa na meranie intenzity dopadajúceho svetla. Intenzita svetla je vyjadrená v Luxoch. Senzor je pripojený k pinu A2 časticového fotónu. Senzor je zapojený do obvodu rozdeľovača potenciálov. LDR poskytuje analógové napätie, ktoré je vstavaným ADC konvertované na digitálne čítanie.

4. Snímač teploty LM-35

LM35 je presný teplotný senzor IC s výstupom úmerným teplote (v oC). Rozsah prevádzkových teplôt je od -55 ° C do 150 ° C. Výstupné napätie sa líši o 10 mV v reakcii na každé zvýšenie alebo zníženie teploty okolia oC, to znamená, že jeho faktor mierky je 0,01 V/ oC. Senzor má tri piny - VCC, analógový a uzemňovací. Kolík Aout LM35 je pripojený k analógovému vstupnému kolíku A0 fotónu častíc. VCC a uzemnenie sú pripojené k spoločnému VCC a uzemneniu.

Vlastnosti

Kalibrované priamo v stupňoch Celzia (Celzia)

Lineárne pri faktore stupnice 10,0 mV/° C

• Zaručená presnosť 0,5 ° C (pri a25 ° C)
• Určené pre plný rozsah -55 ° C až 150 ° C
• Funguje od 4 do 30 voltov
• Odber prúdu menej ako 60 mA
• Nízke samozohrievanie, 0,08 ° C vháňa vzduch
• Nelinearita typická iba 0,25 ° C
• Výstup s nízkou impedanciou, 0,1Ω pre záťaž 1 mA

5. Solárny panel

Solárne panely sú zariadenia, ktoré premieňajú svetlo na elektrickú energiu. Názov „solárne“panely dostali od slova „Sol“, ktoré astronómovia používali na označenie slnka a slnečného svetla. Hovorí sa im tiež fotovoltaické panely, kde fotovoltaika znamená „ľahká elektrina“. Fenomén premeny slnečnej energie na elektrickú energiu sa nazýva fotovoltaický efekt. Tento efekt generuje napätie a prúd na výstupe pri vystavení slnečnej energii. V projekte je použitý 3 voltový solárny panel. Solárny panel sa skladá z niekoľkých solárnych článkov alebo fotovoltaických diód. Tieto solárne články sú prechodovou diódou P-N a môžu za prítomnosti slnečného svetla generovať elektrický signál. Pri vystavení slnečnému žiareniu generuje tento solárny panel na svojich svorkách výstup jednosmerného napätia 3,3 V. Tento panel môže mať maximálny výstupný výkon 0,72 W a minimálny výstupný výkon 0,6 W. Jeho maximálny nabíjací prúd je 220 mA a minimálny nabíjací prúd je 200 mA. Panel má dva terminály - VCC a Ground. Výstup napätia je odoberaný z kolíka VCC. Napäťový výstupný kolík je pripojený k analógovému vstupnému kolíku A1 fotónu častíc na meranie výstupného výkonu zo solárneho panelu.

Krok 3: Softvér

Časticový web IDE

Na napísanie kódu programu pre akýkoľvek Photon musí vývojár vytvoriť účet na webovej stránke Particle a zaregistrovať dosku Photon pomocou svojho používateľského účtu. Programový kód potom možno zapísať do Web IDE na webovú stránku Particle a preniesť do registrovaného fotónu cez internet. Ak je vybraná časticová doska, tu Photon, zapnutá a pripojená k cloudovej službe častíc, kód sa na zvolenú dosku vypáli vzduchom prostredníctvom internetového pripojenia a doska začne pracovať podľa preneseného kódu. Na ovládanie tabule cez internet je navrhnutá webová stránka, ktorá používa Ajax a Jquery na odosielanie údajov na tabuľu pomocou metódy HTTP POST. Webová stránka identifikuje dosku podľa ID zariadenia a pripája sa k cloudovej službe Particle prostredníctvom prístupového tokenu.

Ako pripojiť fotón k internetu

1. Zapnite zariadenie

• Pripojte kábel USB k zdroju napájania.
• Hneď ako je zapojený, LED dióda RGB na vašom zariadení by mala začať blikať namodro. Ak vaše zariadenie nebliká na modro, podržte tlačidlo SETUP. Ak vaše zariadenie vôbec nebliká alebo LED dióda svieti tupo oranžová farba, nemusí mať dostatočný výkon. Skúste zmeniť zdroj napájania alebo kábel USB.

2. Pripojte svoj fotón k internetu Existujú dve možnosti použitia webovej aplikácie alebo mobilnej aplikácie

a. Použitie webovej aplikácie

• Krok 1 Prejdite na stránku setup.particle.io
• Krok 2 Kliknite na nastavenie fotónu
• Krok 3 Po kliknutí na ĎALŠÍ by vám mal byť predložený súbor (photonsetup.html)
• Krok 4 Otvorte súbor.
• Krok 5 Po otvorení súboru pripojte počítač k Photonu pripojením k sieti s názvom PHOTON.
• Krok 6 Nakonfigurujte svoje poverenia Wi-Fi. Poznámka: Ak ste nesprávne zadali svoje poverenia, fotón bude blikať tmavo modrou alebo zelenou farbou. Musíte prejsť týmto procesom znova (obnovením stránky alebo kliknutím na časť procesu zopakovať)
• Krok 7 Premenujte svoje zariadenie. Zobrazí sa tiež potvrdenie, či bolo zariadenie nárokované alebo nie.

b. Používanie smartfónu

• Otvorte aplikáciu v telefóne. Prihláste sa alebo si vytvorte účet u Particle, ak ho nemáte.
• Po prihlásení stlačte ikonu plus a vyberte zariadenie, ktoré chcete pridať. Potom postupujte podľa pokynov na obrazovke a pripojte svoje zariadenie k sieti Wi-Fi.

Ak sa jedná o prvé pripojenie fotónu, počas sťahovania aktualizácií bude niekoľko minút blikať purpurovo. Dokončenie aktualizácií môže trvať 6-12 minút, v závislosti od vášho internetového pripojenia, pričom sa fotón niekoľkokrát reštartuje. Počas tejto doby nereštartujte ani neodpájajte svoj fotón. Ak tak urobíte, pri opravovaní zariadenia bude možno potrebné postupovať podľa tohto sprievodcu.

Keď sa zariadenie pripojí, naučí sa túto sieť. Vaše zariadenie môže uložiť až päť sietí. Ak chcete po počiatočnom nastavení pridať novú sieť, prepnite zariadenie znova do režimu počúvania a postupujte podľa vyššie uvedeného postupu. Ak máte pocit, že je na vašom zariadení príliš veľa sietí, môžete vymazať pamäť svojho zariadenia zo všetkých sietí Wi-Fi, ktoré sa naučil. Môžete to urobiť tak, že podržíte tlačidlo nastavenia 10 sekúnd, kým LED dióda RGB rýchlo nezačne blikať namodro, čím signalizuje, že všetky profily boli odstránené.

Režimy

• Azúrová, tvoj fotón je pripojený k internetu.
• Magenta, v súčasnosti načítava aplikáciu alebo aktualizuje jej firmvér. Tento stav je vyvolaný aktualizáciou firmvéru alebo blikajúcim kódom z Web IDE alebo Desktop IDE. Tento režim sa vám môže zobraziť pri prvom pripojení fotónu k cloudu.
• Green, pokúša sa pripojiť k internetu.
• Biela, modul Wi-Fi je vypnutý.

Web IDEParticle Build je integrované vývojové prostredie alebo IDE, čo znamená, že vývoj softvéru môžete vykonávať v ľahko použiteľnej aplikácii, ktorá sa spustí vo vašom webovom prehliadači.

1. Ak chcete otvoriť zostavu, prihláste sa do svojho časticového účtu a potom kliknite na zostavu, ako je znázornené na obrázku.
2. Po kliknutí sa vám konzola zobrazí takto.
3. Ak chcete vytvoriť novú aplikáciu na vytváranie, kliknite na položku Vytvoriť novú aplikáciu.
4. Ak chcete zahrnúť knižnicu do programu, prejdite do sekcie knižnice a vyhľadajte položku liquidcrystal. Potom vyberte aplikáciu, do ktorej chcete pridať knižnicu. V mojom prípade je to monitorovanie slnečného panelu.
5. Na overenie programu. Kliknite na overiť.
6. Ak chcete nahrať kód, kliknite na flash, ale predtým vyberte zariadenie. Ak máte viac ako jedno zariadenie, musíte sa uistiť, že ste vybrali, na ktoré zo svojich zariadení chcete kód flashovať. Kliknite na ikonu „Zariadenia“v ľavej dolnej časti navigačného panela a potom, keď umiestnite kurzor myši na názov zariadenia, vľavo sa zobrazí hviezda. Kliknutím naň nastavíte zariadenie, ktoré chcete aktualizovať (nebude viditeľné, ak máte iba jedno zariadenie). Hneď ako vyberiete zariadenie, hviezdička s ním spojená zožltne. (Ak máte iba jedno zariadenie, nemusíte ho vyberať, môžete pokračovať.

Krok 4: Ako funguje obvod

V obvode je použitých 6 GPIO pinov modulu na prepojenie znakového LCD a tri analógové vstupné piny slúžia na prepojenie snímača teploty LM-35, solárneho panelu a snímača LDR.

Akonáhle je obvod zostavený, je pripravený na nasadenie spolu so solárnym panelom. Zatiaľ čo solárny panel stále generuje elektrickú energiu, je pripevnený k zariadeniu. Zariadenie je napájané zo siete, ktorá spravuje aj ďalšie zariadenia zvyšujúce výkon. Akonáhle je zariadenie zapnuté, na jeho LCD displeji blikajú niektoré počiatočné správy, ktoré indikujú zámer aplikácie. Výkon panelu, teplota a intenzita dopadajúceho svetla sa merajú pomocou kolíka výstupného napätia solárneho panelu, snímača teploty LM-35 a snímača LDR. Kolík výstupného napätia solárneho panelu, snímač teploty LM-35 a snímač LDR sú pripojené k analógovým vstupným kolíkom A1, A0 a A2 fotónu častíc.

Príslušné parametre sa merajú snímaním analógového napätia na príslušných kolíkoch. Analógové napätie snímané na príslušných kolíkoch sa prevádza na digitálne hodnoty pomocou vstavaných kanálov ADC. Fotón častíc má 12-bitové kanály ADC. Digitalizované hodnoty sa teda môžu pohybovať od 0 do 4095. Tu sa predpokladá, že odporový snímač LDR na prepojenie siete s kolíkom ovládača je kalibrovaný tak, aby indikoval intenzitu svetla priamou úmernosťou.

LM-35 IC nevyžaduje žiadnu externú kalibráciu alebo orezávanie, aby poskytoval typické presnosti ± 0,25 ° C pri izbovej teplote a ± 0,75 ° C v teplotnom rozsahu od –55 ° C do 150 ° C. Za normálnych podmienok teplota nameraná senzorom neprekročí alebo neklesne z prevádzkového rozsahu senzora. Orezaním a kalibráciou na úrovni oblátky je tým zaistené použitie snímača za nižšie náklady. Vďaka nízkej výstupnej impedancii, lineárnemu výstupu a presnej inherentnej kalibrácii LM-35 je prepojenie senzora s riadiacim obvodom jednoduché. Pretože zariadenie LM-35 odoberá zo zdroja iba 60 uA, má veľmi nízke samovoľné zahrievanie v nehybnom vzduchu pod 0,1 ° C. Typicky v teplotnom rozsahu od -55 ° C do 150 ° C sa napäťový výstup senzora zvyšuje o 10 mV na stupeň Celzia. Napäťový výstup senzora je daný nasledujúcimi vzorcami

Vout = 10 mV/° C*T

kde Vout = napäťový výstup snímača

T = teplota v stupňoch Celzia Takže, T (v ° C) = Vout/10 mV

T (v ° C) = Vout (vo V)*100

Ak sa predpokladá, že VDD je 3,3 V, analógový údaj sa vzťahuje na snímané napätie v 12-bitovom rozsahu podľa nasledujúceho vzorca

Vout = (3,3/4095)*Analógové čítanie

Teplota v stupňoch Celzia môže byť daná nasledujúcimi vzorcami

T (v ° C) = Vout (vo V)*100

T (v ° C) = (3,3/4095) *Analógové čítanie *100

Teplotu je teda možné merať priamo snímaním analógového napäťového výstupu zo snímača. Funkcia analogRead () sa používa na čítanie analógového napätia na pine regulátora. Napätie na solárnom paneli by malo byť typicky 3 V, ktoré môže priamo snímať fotón častíc. Fotón častíc môže priamo snímať napätie až 3,3 V. Na digitalizáciu snímaného analógového napätia je opäť vnútorne odkazovaný na VDD. Digitalizované čítanie napätia je škálované v 12-bitovom rozsahu, t.j. 0 až 4095. Takže

Vout = (3,3/4095)*Analógové čítanie

Načítané údaje zo senzora sa najskôr zobrazia na LCD displeji a potom sa cez Wi-Fi pripojenie prenesú do Particle Cloud. Aby sa užívateľ mohol pozrieť na hodnoty prečítaného senzora, musí sa prihlásiť do registrovaného účtu Particle. Platforma umožňuje pripojenie k doske z registrovaného účtu. Užívateľ môže monitorovať prijaté údaje senzora v reálnom čase a taktiež si môže dáta zapisovať.

Krok 5: Pripojenia a schéma zapojenia

Fotón ==> LCD

D6 ==> RS

D5 ==> Povoliť

D3 ==> DB4

D2 ==> DB5

D1 ==> DB6

D0 ==> DB7

Fotón ==> LM-35

A0 ==> Aout

Fotón ==> LDR

A2 ==> Vcc

Fotón ==> Solárna doska

A1 ==> Vcc

Krok 6: Výsledok