مراقبة الألواح الشمسية باستخدام الفوتون الجزيئي: 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

الهدف من المشروع هو تحسين كفاءة الألواح الشمسية. تم تصميم المشروع للإشراف على توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية لتحسين أداء ومراقبة وصيانة محطة الطاقة الشمسية.

في هذا المشروع ، يتم ربط فوتون الجسيم بدبوس خرج الجهد للوحة الشمسية ، ومستشعر درجة الحرارة LM-35 ومستشعر LDR لمراقبة خرج الطاقة ودرجة الحرارة وشدة الضوء الساقط على التوالي. يتم أيضًا توصيل شاشة LCD ذات طابع خاص بفوتون الجسيمات لعرض المعلمات المقاسة في الوقت الفعلي. لا يعرض الفوتون المعلمات المقاسة على شاشة LCD فحسب ، بل يرسل أيضًا القيم المقاسة إلى خادم السحابة لعرض البيانات في الوقت الفعلي.

الخطوة 1: المكون مطلوب

• الفوتون الجسيم 20 دولارًا
• 16x2 LCD 3 دولارات
• لوحة شمسية 4 دولارات
• مستشعر درجة الحرارة LM-35 دولار 2
• 1 دولار إل دي آر
• اللوح 4 دولارات
• أسلاك توصيل 3 دولارات

تبلغ التكلفة الإجمالية للأجهزة حوالي 40 دولارًا.

الخطوة 2: الأجهزة

1. جسيم الفوتون

الفوتون هو لوحة إنترنت الأشياء الشائعة المتاحة من منصة الجسيمات. تضم اللوحة متحكمًا دقيقًا STM32F205120 ميجا هرتز ARM Cortex M3 ويحتوي على ذاكرة فلاش 1 ميجا بايت وذاكرة وصول عشوائي 128 كيلو بايت و 18 منفذ إدخال للإشارة المختلطة للأغراض العامة (GPIO) مع أجهزة طرفية متقدمة. تحتوي الوحدة على شريحة Cypress BCM43362 Wi-Fi مدمجة للاتصال بشبكة Wi-Fi ونطاق أحادي 2.4 جيجا هرتز IEEE 802.11b / g / n للبلوتوث. تأتي اللوحة مزودة بـ 2 SPI وواحد I2S وواحد I2C وواحد CAN وواجهة USB.

وتجدر الإشارة إلى أن 3V3 عبارة عن خرج مصفى يستخدم لأجهزة الاستشعار التناظرية. هذا الدبوس هو خرج المنظم الموجود على اللوحة وهو متصل داخليًا بـ VDD لوحدة Wi-Fi. عند تشغيل الفوتون عبر VIN أو منفذ USB ، سيخرج هذا الدبوس جهدًا قدره 3.3VDC. يمكن أيضًا استخدام هذا الدبوس لتشغيل الفوتون مباشرةً (الحد الأقصى للإدخال 3.3VDC). عند استخدامه كمخرج ، يكون الحد الأقصى للحمل على 3V3 هو 100 مللي أمبير. تبلغ دقة إشارات PWM 8 بت وتعمل بتردد 500 هرتز.

2. شاشة LCD مقاس 16 × 2 شخصية

تُستخدم شاشة 16X2 LCD لعرض قيم المعلمات المقاسة. وهو متصل بفوتون الجسيمات عن طريق توصيل دبابيس البيانات الخاصة به من D4 إلى D7 بالدبابيس D0 إلى D3 من لوحة الجسيمات. يتم توصيل دبابيس E و RS في شاشة LCD بالدبابيس D5 و D6 من لوحة الجسيمات على التوالي. تم تأريض طرف R / W لشاشة LCD.

3. مستشعر LDR (مقاوم ضوئي)

يُعرف LDR أو المقاوم المعتمد على الضوء أيضًا باسم المقاوم الضوئي ، والخلايا الكهروضوئية ، والموصل الضوئي ، وهو نوع واحد من المقاوم تختلف مقاومته اعتمادًا على كمية الضوء الساقط على سطحه. عندما يسقط الضوء على المقاوم ، تتغير المقاومة. غالبًا ما تستخدم هذه المقاومات في العديد من الدوائر حيث يكون من الضروري الشعور بوجود الضوء. هذه المقاومات لها وظائف ومقاومة متنوعة. على سبيل المثال ، عندما يكون LDR في الظلام ، يمكن استخدامه لتشغيل الضوء أو إيقاف تشغيل الضوء عندما يكون في الضوء. المقاوم المعتمد على الضوء النموذجي له مقاومة في ظلام 1MOhm ، وفي السطوع مقاومة زوج من KOhm.

مبدأ عمل LDR

يعمل هذا المقاوم على مبدأ التوصيل الضوئي. إنه ليس شيئًا ولكن عندما يسقط الضوء على سطحه ، تنخفض موصلية المادة وأيضًا تتأثر الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ بالجهاز إلى نطاق التوصيل. يجب أن تحتوي هذه الفوتونات في الضوء الساقط على طاقة أكبر من فجوة النطاق في مادة أشباه الموصلات ، وهذا يجعل الإلكترونات تقفز من نطاق التكافؤ إلى التوصيل ، وتعتمد هذه الأجهزة على الضوء ، عندما يسقط الضوء على LDR تنخفض المقاومة ، ويزداد في الظلام. عندما يتم الاحتفاظ بـ LDR في مكان مظلم ، تكون مقاومته عالية ، وعندما يتم الاحتفاظ بـ LDR في الضوء ، ستنخفض مقاومته. يستخدم مستشعر LDR لقياس شدة الضوء الساقط. يتم التعبير عن شدة الضوء في لوكس. المستشعر متصل بالدبوس A2 لفوتون الجسيمات. المستشعر متصل بدائرة مقسم محتملة. يوفر LDR جهدًا تناظريًا يتم تحويله إلى قراءة رقمية بواسطة ADC المدمج.

4. LM-35 استشعار درجة الحرارة

LM35 عبارة عن مستشعر درجة حرارة IC دقيق بإخراج يتناسب مع درجة الحرارة (في درجة مئوية). نطاق درجة حرارة التشغيل من -55 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية. يختلف جهد الخرج بمقدار 10 مللي فولت استجابةً لكل ارتفاع / انخفاض في درجة الحرارة المحيطة ، أي أن عامل المقياس هو 0.01 فولت / درجة مئوية. يحتوي المستشعر على ثلاثة دبابيس - VCC و Analogout و Ground. يتم توصيل دبوس Aout الخاص بـ LM35 بدبوس الإدخال التناظري A0 لفوتون الجسيم. يتم توصيل VCC والأرضي بـ VCC المشترك والأرضي.

سمات

معايرة مباشرة بالدرجة المئوية (مئوية)

خطي عند 10.0 mV / ° C عامل مقياس

• ضمان دقة 0.5 درجة مئوية (عند 25 درجة مئوية)
• مصنفة من -55 درجة مئوية إلى نطاق 150 درجة مئوية
• تعمل من 4 إلى 30 فولت
• استنزاف تيار أقل من 60 مللي أمبير
• منخفضة التسخين الذاتي ، 0.08 درجة مئوية تغرس الهواء
• غير الخطية فقط 0.25 درجة مئوية نموذجية
• ناتج مقاومة منخفض ، 0.1Ω لحمل 1 مللي أمبير

5. لوحة للطاقة الشمسية

الألواح الشمسية هي أجهزة تحول الضوء إلى كهرباء. حصلوا على اسم "الألواح الشمسية" من كلمة "سول" التي استخدمها علماء الفلك للإشارة إلى الشمس وضوء الشمس. وتسمى هذه أيضًا الألواح الكهروضوئية حيث تعني الخلايا الكهروضوئية "الكهرباء الخفيفة". تسمى ظاهرة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية التأثير الكهروضوئي. يولد هذا التأثير الجهد والتيار عند الخرج عند التعرض للطاقة الشمسية. تم استخدام لوحة شمسية 3 فولت في المشروع. تتكون اللوحة الشمسية من عدة خلايا شمسية أو ثنائيات ضوئية. هذه الخلايا الشمسية عبارة عن صمام ثنائي تقاطع PN ويمكنها توليد إشارة كهربائية في وجود ضوء الشمس. عند التعرض لأشعة الشمس ، تولد هذه اللوحة الشمسية ناتج جهد مستمر يبلغ 3.3 فولت في أطرافها. يمكن أن تتمتع هذه اللوحة بقدرة خرج قصوى تبلغ 0.72 وات والحد الأدنى لطاقة الإخراج 0.6 وات. يبلغ الحد الأقصى لتيار الشحن 220 مللي أمبير والحد الأدنى لتيار الشحن 200 مللي أمبير. تحتوي اللوحة على محطتين - VCC والأرضي. يتم سحب خرج الجهد من دبوس VCC. يتم توصيل دبوس خرج الجهد بدبوس الإدخال التناظري A1 لفوتون الجسيمات لقياس طاقة الخرج من اللوحة الشمسية.

الخطوة الثالثة: البرمجيات

IDE ويب الجسيمات

لكتابة رمز البرنامج لأي فوتون ، يحتاج المطور إلى إنشاء حساب على موقع Particle الإلكتروني وتسجيل لوحة الفوتون بحساب المستخدم الخاص به. يمكن بعد ذلك كتابة رمز البرنامج على Web IDE على موقع Particle الإلكتروني ونقله إلى فوتون مسجل عبر الإنترنت. إذا تم تشغيل لوحة الجسيمات المحددة ، الفوتون هنا ، وتوصيلها بالخدمة السحابية للجسيم ، فسيتم حرق الكود على اللوحة المحددة عبر الهواء عبر اتصال الإنترنت وتبدأ اللوحة في العمل وفقًا للرمز المنقول. للتحكم في اللوحة عبر الإنترنت ، تم تصميم صفحة ويب تستخدم Ajax و Jquery لإرسال البيانات إلى اللوحة باستخدام طريقة HTTP POST. تحدد صفحة الويب اللوحة من خلال معرف الجهاز وتتصل بخدمة الجسيمات السحابية من خلال رمز وصول.

كيفية توصيل الفوتون بالإنترنت

1. قم بتشغيل جهازك

• قم بتوصيل كبل USB بمصدر الطاقة الخاص بك.
• بمجرد توصيله ، يجب أن يبدأ مؤشر RGB LED على جهازك في الوميض باللون الأزرق ، وإذا لم يكن جهازك يومض باللون الأزرق ، فاضغط مع الاستمرار على زر الإعداد ، إذا كان جهازك لا يومض على الإطلاق ، أو إذا كان مؤشر LED باهتًا. اللون البرتقالي ، قد لا تحصل على طاقة كافية. حاول تغيير مصدر الطاقة أو كابل USB.

2. قم بتوصيل الفوتون الخاص بك بالإنترنت: هناك طريقتان إما لاستخدام تطبيق الويب أو تطبيق الهاتف المحمول

أ. باستخدام تطبيق الويب

• الخطوة 1: اذهب إلى setup.particle.io
• الخطوة 2 انقر فوق إعداد فوتون
• الخطوة 3 بعد النقر على NEXT ، يجب أن يظهر لك ملف (photonsetup.html)
• الخطوة 4 افتح الملف.
• الخطوة 5 بعد فتح الملف ، قم بتوصيل جهاز الكمبيوتر الخاص بك بالفوتون ، عن طريق الاتصال بالشبكة المسماة PHOTON.
• الخطوة 6 قم بتكوين بيانات اعتماد Wi-Fi الخاصة بك. ملاحظة: إذا أخطأت في كتابة بيانات الاعتماد الخاصة بك ، فسيومض الفوتون باللون الأزرق الداكن أو الأخضر. يجب عليك متابعة العملية مرة أخرى (عن طريق تحديث الصفحة أو النقر فوق جزء عملية إعادة المحاولة)
• الخطوة 7 أعد تسمية جهازك. سترى أيضًا تأكيدًا إذا تمت المطالبة بالجهاز أم لا.

ب. باستخدام الهاتف الذكي

• افتح التطبيق على هاتفك. سجّل الدخول أو اشترك للحصول على حساب مع Particle إذا لم يكن لديك حساب.
• بعد تسجيل الدخول ، اضغط على أيقونة الجمع وحدد الجهاز الذي ترغب في إضافته. ثم اتبع التعليمات التي تظهر على الشاشة لتوصيل جهازك بشبكة Wi-Fi.

إذا كانت هذه هي المرة الأولى التي يقوم فيها فوتون بالاتصال ، فسيومض باللون الأرجواني لبضع دقائق أثناء تنزيل التحديثات. قد يستغرق اكتمال التحديثات من 6 إلى 12 دقيقة ، اعتمادًا على اتصالك بالإنترنت ، مع إعادة تشغيل الفوتون عدة مرات في هذه العملية. لا تقم بإعادة تشغيل أو فصل الفوتون الخاص بك خلال هذا الوقت. إذا قمت بذلك ، فقد تحتاج إلى اتباع هذا الدليل لإصلاح جهازك.

بمجرد توصيل جهازك ، يكون قد تعلم تلك الشبكة. يمكن لجهازك تخزين ما يصل إلى خمس شبكات. لإضافة شبكة جديدة بعد الإعداد الأولي ، يجب أن تضع جهازك في وضع الاستماع مرة أخرى والمتابعة على النحو الوارد أعلاه. إذا كنت تشعر أن جهازك يحتوي على عدد كبير جدًا من الشبكات ، فيمكنك مسح ذاكرة جهازك من أي شبكات Wi-Fi تم التعرف عليها. يمكنك القيام بذلك من خلال الاستمرار في الضغط على زر الإعداد لمدة 10 ثوانٍ حتى يومض RGB LED باللون الأزرق بسرعة ، مما يشير إلى أنه تم حذف جميع ملفات التعريف.

أساليب

• سماوي ، الفوتون الخاص بك متصل بالإنترنت.
• Magenta ، يقوم حاليًا بتحميل تطبيق أو تحديث برنامجه الثابت. يتم تشغيل هذه الحالة من خلال تحديث البرنامج الثابت أو عن طريق وميض رمز من Web IDE أو Desktop IDE. قد ترى هذا الوضع عند توصيل الفوتون بالسحابة لأول مرة.
• أخضر ، تحاول الاتصال بالإنترنت.
• أبيض ، وحدة Wi-Fi متوقفة.

Web IDEParticle Build عبارة عن بيئة تطوير متكاملة ، أو IDE مما يعني أنه يمكنك القيام بتطوير البرامج في تطبيق سهل الاستخدام ، والذي يحدث فقط لتشغيله في متصفح الويب الخاص بك.

1. لفتح الإصدار ، قم بتسجيل الدخول إلى حساب الجسيمات الخاص بك ، ثم انقر فوق إنشاء كما هو موضح في الصورة.
2. بمجرد النقر سترى وحدة التحكم مثل هذا.
3. لإنشاء تطبيق إنشاء جديد ، انقر فوق إنشاء تطبيق جديد.
4. لتضمين مكتبة في البرنامج ، انتقل إلى قسم المكتبات ، وابحث عن Liquidcrystal ، ثم حدد التطبيق الذي تريد إضافة مكتبة فيه. في حالتي هو رصد الألواح الشمسية.
5. للتحقق من البرنامج. انقر فوق التحقق.
6. لتحميل الكود ، انقر فوق فلاش ولكن قبل القيام بذلك ، حدد جهازًا. إذا كان لديك أكثر من جهاز ، فيجب عليك التأكد من أنك حددت أيًا من أجهزتك تريد فلاش الكود. انقر فوق رمز "الأجهزة" في الجانب الأيسر السفلي من جزء التنقل ، ثم عندما تحوم فوق اسم الجهاز ، ستظهر النجمة على اليسار. انقر فوقه لتعيين الجهاز الذي ترغب في تحديثه (لن يكون مرئيًا إذا كان لديك جهاز واحد فقط). بمجرد تحديد الجهاز ، سيتحول لون النجمة المرتبطة به إلى اللون الأصفر. (إذا كان لديك جهاز واحد فقط ، فلا داعي لتحديده ، يمكنك المتابعة.

الخطوة 4: كيف تعمل الدائرة

في الدائرة ، يتم استخدام 6 دبابيس GPIO للوحدة لربط شاشة LCD الشخصية وثلاثة دبابيس إدخال تناظرية لتوصيل مستشعر درجة الحرارة LM-35 واللوحة الشمسية ومستشعر LDR.

بمجرد تجميع الدائرة ، تصبح جاهزة للنشر جنبًا إلى جنب مع الألواح الشمسية. بينما تحافظ اللوحة الشمسية على توليد الكهرباء ، يتم توصيلها بالجهاز. يتم تشغيل الجهاز من مصدر التيار الكهربائي الذي يدير الأداء الآخر لتحسين المعدات أيضًا. بمجرد تشغيل الجهاز ، تومض بعض الرسائل الأولية على شاشة LCD الخاصة به للإشارة إلى الغرض من التطبيق. يتم قياس خرج الطاقة للوحة ودرجة الحرارة وشدة الضوء الساقط بواسطة دبوس خرج الجهد للوحة الشمسية ومستشعر درجة الحرارة LM-35 ومستشعر LDR على التوالي. يتم توصيل دبوس خرج الجهد للوحة الشمسية ومستشعر درجة الحرارة LM-35 ومستشعر LDR بدبابيس الإدخال التناظرية A1 و A0 و A2 لفوتون الجسيمات.

يتم قياس المعلمات ذات الصلة عن طريق استشعار الجهد التناظري عند المسامير المعنية. يتم تحويل الجهد التناظري المستشعر عند المسامير المعنية إلى قيم رقمية باستخدام قنوات ADC المدمجة. يحتوي Particle Photon على قنوات ADC 12 بت. لذلك يمكن أن تتراوح القيم الرقمية من 0 إلى 4095. هنا ، من المفترض أن يتم معايرة الشبكة المقاومة التي تربط مستشعر LDR مع دبوس وحدة التحكم للإشارة إلى كثافة الضوء من خلال التناسب المباشر.

لا يتطلب LM-35 IC أي معايرة خارجية أو تشذيب لتوفير دقة نموذجية تبلغ ± 0.25 درجة مئوية في درجة حرارة الغرفة و ± 0.75 درجة مئوية فوق نطاق درجة الحرارة من -55 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية. في ظل الظروف العادية ، لن تتجاوز درجة الحرارة التي يقاسها المستشعر أو تتراجع عن النطاق التشغيلي لجهاز الاستشعار. من خلال التشذيب والمعايرة على مستوى الرقاقة ، يتم ضمان استخدام المستشعر بتكلفة أقل. نظرًا لمقاومة الخرج المنخفض ، والإخراج الخطي ، والمعايرة المتأصلة الدقيقة لـ LM-35 ، فإن توصيل المستشعر بدائرة التحكم أمر سهل. نظرًا لأن جهاز LM-35 لا يسحب سوى 60 uA من الإمداد ، فإن لديه تسخينًا ذاتيًا منخفضًا جدًا أقل من 0.1 درجة مئوية في الهواء الساكن. عادةً في نطاق درجة الحرارة من -55 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية ، يزداد خرج الجهد للمستشعر بمقدار 10 مللي فولت لكل درجة مئوية. يتم الحصول على خرج الجهد من المستشعر من خلال الصيغ التالية

Vout = 10 مللي فولت / درجة مئوية * T.

حيث Vout = جهد خرج المستشعر

T = درجة الحرارة بالدرجة المئوية لذلك ،

T (in ° C) = Vout / 10 mV

T (in ° C) = Vout (in V) * 100

إذا افترض أن VDD هو 3.3 فولت ، فإن القراءة التناظرية تتعلق بالجهد المحسوس على مدى 12 بت بالصيغة التالية

Vout = (3.3 / 4095) * قراءة تناظرية

لذلك ، يمكن الحصول على درجة الحرارة بالدرجة المئوية بالصيغ التالية

T (in ° C) = Vout (in V) * 100

T (في درجة مئوية) = (3.3 / 4095) * قراءة تناظرية * 100

لذلك ، يمكن قياس درجة الحرارة مباشرة عن طريق استشعار خرج الجهد التناظري من المستشعر. يتم استخدام الوظيفة analogRead () لقراءة الجهد التمثيلي عند دبوس وحدة التحكم. يجب أن يكون ناتج الجهد للوحة الشمسية عادةً 3 فولت والذي يمكن استشعاره مباشرة بواسطة فوتون الجسيم. يمكن لفوتون الجسيمات أن يشعر مباشرة بالجهد حتى 3.3 فولت. ولرقمنة الجهد التناظري المحسوس ، تتم الإشارة إليه داخليًا مرة أخرى إلى VDD. يتم قياس قراءة الفولتية الرقمية على مدى 12 بت أي من 0 إلى 4095. لذلك

Vout = (3.3 / 4095) * قراءة تناظرية

يتم عرض بيانات مستشعر القراءة أولاً على شاشة LCD ثم يتم تمريرها إلى Particle Cloud عبر اتصال Wi-Fi. يحتاج المستخدم إلى تسجيل الدخول إلى حساب Particle المسجل لعرض قيم مستشعر القراءة. تسمح المنصة بالاتصال بلوحة من الحساب المسجل. يمكن للمستخدم مراقبة بيانات المستشعر المستلمة في الوقت الفعلي ويمكنه أيضًا تسجيل البيانات.

الخطوة 5: التوصيلات ومخطط الدائرة

الفوتون ==> LCD

D6 ==> RS

D5 ==> تمكين

D3 ==> DB4

D2 ==> DB5

D1 ==> DB6

D0 ==> DB7

الفوتون ==> LM-35

A0 ==> Aout

الفوتون ==> LDR

A2 ==> Vcc

الفوتون ==> اللوح الشمسي

A1 ==> Vcc

الخطوة 6: النتيجة