TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN ĐÈN ĐƯỜNG BẰNG CẢM BIẾN ĐO CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG Giáo viên hướng dẫn ThS Nhữ Quý Thơ Nhóm sinh viên thực hi.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐÈN ĐƯỜNG BẰNG CẢM BIẾN ĐO CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG Giáo viên hướng dẫn: ThS.Nhữ Quý Thơ Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Anh 2019605462 Bùi Quốc Anh 2019602988 Nguyễn Quang An 2019601145 Hà Nội - Năm 2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ Điện Tử Khóa: K14 Tên nhóm: Nhóm Họ tên thành viên: Nguyễn Tiến Anh 2019605462 Bùi Quốc Anh 2019602988 Nguyễn Quang An 2019601145 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống điều khiển đèn đường dùng cảm biến đo cường độ ánh sáng Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mơ hình sản phẩm (Nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 07/09/2021 đến ngày 20/12/2021) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ts Nguyễn Anh Tú ThS Nhữ Q Thơ MƠ TẢ KỸ THUẬT Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ Hệ thống có khả năng: - Đo cường độ ánh sáng - Hiển thị giá trị cường độ ánh sáng tức thời - Có chức điều khiển ánh sáng vượt ngưỡng cho phép Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến Quang trở Bộ điều khiển Vi điều khiển Hiện thị tốc độ LCD Chức điều khiển Đèn báo Tín hiệu cảnh báo Đèn Đặc tính kỹ thuật Thông số Giới hạn đo Sai số đo Thiết bị chấp hành Giá trị 0-100% 5% Đèn LED Nội dung báo cáo - Bản vẽ TT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Bản vẽ sơ đồ hệ thống A3 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống A3 - Báo cáo Chương Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chương Xây dựng mơ hình hệ thống 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu Chương 3: Mơ hình hóa mơ hệ thống 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Kết Luận MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH ẢNH III DANH MỤC BẢNG BIỂU IV LỜI NÓI ĐẦU V CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu 1.3.2 Phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.1.1 Mơ hình tổng quan hệ thống 2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống 2.1.3 Chức khối 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Đặc điểm thống số kĩ thuật 2.2.2 Cấu tạo cảm biến 2.2.3 Nguyên lý hoạt động 10 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 11 2.3.1 Ưu điểm điều khiển Arduino R3 11 2.3.2 Cấu tạo 12 I 2.4 Thiết kế mạch xử lý tín hiệu 16 2.4.1 Thiết kế mạch 16 2.4.2 Xử lý tín hiệu 16 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 19 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ thống khí 19 3.1.1 Mô 3D hệ thống 19 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 21 3.2 Mơ hình hóa mô hệ điều khiển 23 3.2.1 Phần mềm mơ hình hóa mô 23 3.2.2 Xây dựng hệ thống phần mềm mô 24 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 26 3.3.1 Phần mềm xây dựng chương trình điều khiển 26 3.3.2 Quá trình điều khiển 27 3.3.3 Lưu đồ thuật toán 28 KẾT LUẬN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 PHỤ LỤC 32 II DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình - : Model 3D tổng quát hệ thống đèn đường Hình - : Sơ đồ khối hệ thống Hình - : Cảm biến ánh sáng LM393 Hình - : Sơ đồ chân cảm biến Hình - : Các thành phần cảm biến Hình - : Sơ đồ mạch cảm biến 10 Hình - : Các mẫu code có sẵn Arduino 12 Hình - : Bộ điều khiển Arduino UNO R3 13 Hình - : Mô mạch Proteus Professional 16 Hình - 10 : Sự phụ thuộc điện trở theo độ rọi mặt trời 17 Hình - 11 : Giá trị điện áp đầu độ rọi = 10 lux 18 Hình - : Sa bàn đèn đường 19 Hình - : Mô hệ thống điều khiển 24 III DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng - : Mô tả chân cảm biến Bảng - : Thông số Arduino UNO R3 13 Bảng - : Độ rọi ánh sáng mặt trời ngày 17 Bảng - : Thông số kĩ thuật đèn led chấp hành 26 IV LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ giới mặt, khoa học cơng nghệ nói chung lĩnh vực điện tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho giới ngày đại văn minh Sự phát triển Khoa học Công nghệ thiết bị, linh kiện điện tử, chi tiết khí với đặc điểm độ xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ hoạt động ổn định Và từ lâu, cảm biến sử dụng thiết bị cảm nhận phát Nhưng vài năm gần đây, chúng thể vai trò quan trọng kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực đo lường, kiểm tra điều khiển tự động Với ứng dụng quan trọng vậy, nhóm chọn đề tài ĐIỀU KHIỂN ĐÈN ĐƯỜNG BẰNG CẢM BIẾN ĐO CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG nhằm mục đích tìm hiểu, nghiên cứu ngun lý làm việc cảm biến ánh sáng nói chung thiết bị quang điện trở LDR nói riêng Song song với tìm hiểu trình hoạt động điều khiển, truy xuất liệu hình LCD, Arduino mơ thực tế Dù cố gắng để thực mơ hình hóa Song q trình làm việc khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong thầy đưa ý kiến nhận xét để sản phẩm nhóm hồn thiện Qua nhóm bọn em xin cảm ơn thầy Nhữ Quý Thơ – giảng viên Cơ Điện Tử - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội phụ trách môn “Đồ án Đo lường Điều khiển” tận tâm hướng dẫn nhóm thực đồ án Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè hỗ trợ chia kinh nghiệm cho nhóm thời gian qua Cuối nhóm em xin chúc thầy tồn thể bạn lớp nhiều sức khỏe thành công công việc Xin chân thành cảm ơn! V CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung - Trong sống ngày nay, điện phần thiếu Hầu hết tất đồ dùng gia đình, thiết bị chiếu sáng, điện thoại máy móc cơng nghiệp sử dụng điện Nhưng điện nguồn lượng vô hạn, chúng cạn dần theo thời gian Chính điện cần dụng cách thích hợp tiết kiệm Đèn cảm biến ánh sáng đời dựa nhu cầu tiết kiệm điện không tốn công sức việc điều khiển hệ thống chiếu sáng - Cảm biến ánh sáng thiết bị quang điện chuyển đổi ánh sáng (bao gồm ánh sáng nhìn thấy ánh sáng dạng tia hồng ngoại) thành tín hiệu điện Nó dạng thiết bị cảm biến thơng minh nhận biết biến đổi môi trường thông qua mắt cảm biến Từ đó, điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp Cảm biến ánh sáng có nhiều loại cảm biến quang (cảm biến ứng dụng nhiều đời sống ngày), hỏa kế quang (thường dùng để đo xạ mặt trời), cảm biến PAR (đo xạ quang hợp), … - Trên thị trường có nhiều sản phẩm sử dụng mạch nguyên lý cảm biến ánh sáng để phục vụ cho mục đích chiếu sáng, sau số sản phẩm điển hình: Đèn vườn tự động Đèn sử dụng lượng mặt trời, tự động sạc bật sáng vào ban đêm, đèn cảm ứng Đèn LED cảm ứng tự động phát sáng trời tối, tự động tắt bật thiết bị chiếu sáng khác, cắm cầu thang, phòng ngủ, nhà vệ sinh để tránh vấp ngã trời tối Các sản phẩm điều sử dụng nguồn điện pin sạc hay lượng mặt trời nên tuổi thọ không cao, tốn thời gian sạc, nên việc chế tạo mạch cảm biến ánh sáng sử dụng nguồn trực tiếp mạng điện tiện lợi tuổi thọ tốt, giúp tiếp kiệm thời gian, không cần sạc, … - Đèn đường ứng dụng phố biến sử dụng cảm biến ánh sáng Việc đèn đường dùng mạch cảm biến ánh sáng mang lại cho sống thông minh đại Chúng ta không cần phải dành thời gian cho việc bật CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ thống khí 3.1.1 Mơ 3D hệ thống Nhắm mục đích đẩy mạch phần mơ hệ thống, hệ thống khí xây dựng phần mềm Inventor với tiêu chuẩn sa bàn học cụ nhằm mô hoạt động cảm biến đo cường độ ánh sáng đèn đường: Hình - : Sa bàn đèn đường Hệ thống sa bàn gồm chi tiết khí trọng tâm sau: - Đèn đường: 19 - Hộp hệ thống cảm biến ánh sáng: - Cảm biến ánh sáng: - Bảng LCD hiển thị trạng thái đèn: 20 3.1.2 Nguyên lý hoạt động - Đèn xanh hộp cảm biến biểu thị cho dòng điện cung cấp cho cảm biến hoạt động Khi trời sáng, cảm biến nhận tín hiệu ánh sáng mạnh từ mơi trường bên ngồi, điều khiển làm cho đèn đường tắt, với bảng LCD báo hiệu “Den tat” 21 - Đèn đỏ hộp cảm biến biểu thị cho dòng điện cung cấp cho đèn đường Khi trời tối, cảm biến nhận tín hiệu ánh sáng yếu từ mơi trường bên ngoài, điều khiển làm cho đèn đường sáng, đồng thời bảng LCD hiển thị thông báo “Den sang” Link mô hoạt động hệ thống: https://youtu.be/A05RNgYY2pM 22 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 3.2.1 Phần mềm mơ hình hóa mơ Proteus Professional nhóm sử dụng để tiến hành mơ hệ thống cảm biến đo cường độ ánh sáng Proteus sử dụng để mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, … Phần mềm mô hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS (Intelligent Schematic Input System) cho phép mơ mạch ARES (Advanced Routing and Editing Software) dùng để vẽ mạch in Ưu điểm Proteus: - Dễ dạng tạo sơ đồ nguyên lý từ đơn giản đến phức tạp - Dễ dàng chỉnh sữa đặc tính linh kiện sơ đồ nguyên lý - Hỗ trợ kiểm tra lỗi thiết kế sơ đồ nguyên lý Có thể xem lưu lại phần báo lỗi - Phần mềm chạy mô phân tích tính chất mạch điện cách xác - Proteus cung cấp cho người sử dụng công cụ biên dịch cho họ vi xử lý MSC51, AVR, HC11, …qua tạo tập tin.hex dùng để nạp cho vi xử lý tập tin dsi dùng để xem chạy kiểm tra bước q trình mơ - Phần mềm cung cấp nhiều mơ hình linh kiện có chức mô phỏng, từ vi điều khiển thông dụng đến link kiện ngoại vi LED, LCD, Keypad, cổng RS232… cho phép người sử dụng mô từ hệ vi điều khiển hoàn chỉnh đến việc xây dựng phần mềm cho hệ thống đáp ứng giao thức vật lý Ngồi ra, 23 Proteus cịn cho phép tự tạo linh kiện tương tác động bạn thực mơ có tương tác giống hoạt động mạch thật 3.2.2 Xây dựng hệ thống phần mềm mơ Hình - : Mơ hệ thống điều khiển Ngồi cảm biến ánh sáng vi điều khiển Arduino Uno có linh kiện khác hệ thống mơ mạch Proteus: PCF 8574 Bộ mở rộng đầu vào đầu kỹ thuật số bus I2C (I / O) PCF8574 sử dụng để tối ưu hóa khả điều khiển tín hiệu Arduino tới LED 16x2 LCD có nhiều nhiều chân gây khó khăn trình đấu nối chiếm dụng nhiều chân vi điều khiển Module I2C LCD đời giải vấn để Thay phảii chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 D4) module IC2 cần tốn chân (SCL, SDA) để kết nối 24 LCD 16 x LCD 16x2 LM016L kết nối Arduino UNO thông qua PCF8574 để thị thông báo trạng thái sáng/tắt đèn chấp hành Relay Relay sử dụng với mục đích đóng cắt dịng điện xoay chiều bên ngồi tới đèn chấp hành tín hiệu điều khiển tới từ vi điều khiển arduino Ở nhóm dùng relay điện từ đóng cắt chân JQC-3FF với điện áp điều khiển cuộn dây (coil) 5v, nhiệt độ hoạt động: - 45 °C to 75 °C điều khiển đòng điện tối đa 250 VAC/10A Đèn chấp hành 25 Đèn chấp hành Đèn chấp hành thiết kế để mô hoạt động đèn đường điều kiện ánh sáng mặt trời khác cấp từ nguồn điện dân dụng xoay chiều qua role Nhóm dùng đèn led HLS11-40 Bảng - : Thông số kĩ thuật đèn led chấp hành 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 3.3.1 Phần mềm xây dựng chương trình điều khiển Arduino IDE nhóm sử dụng để tiến hành thiết kế Code, phục vụ đưa vào Proteus để chạy mô Arduino IDE phần mềm mã nguồn mở chủ yếu sử dụng để viết biên dịch mã vào module Arduino Đây phần mềm Arduino thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà người bình thường khơng có kiến thức kỹ thuật làm 26 Đặc điểm Arduino IDE: - Arduino IDE có phiên cho hệ điều hành MAC, Windows, Linux chạy tảng Java kèm với chức lệnh có sẵn đóng vai trị quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa biên dịch mã mơi trường - Có nhiều module Arduino Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro nhiều module khác - Mỗi module chứa vi điều khiển bo mạch lập trình chấp nhận thông tin dạng mã - Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần bản: Trình chỉnh sửa Trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã yêu cầu phần sau sử dụng để biên dịch tải mã lên module Arduino - Môi trường hỗ trợ ngôn ngữ C C ++ 3.3.2 Quá trình điều khiển Sau hoàn thành chạy sửa lỗi Arduino IDE, file “.hex” trích để đưa vào Proteus để tiến hành mô - Link mô mạch Proteus: https://youtu.be/rxYZFj0uADk - Khi khởi động, đèn LCD thông báo tóm tắt chủ đề nhóm: 27 - Sau 2s Delay, hệ thống bắt đầu hoạt động, tín hiệu cường độ ánh sáng lớn 10 lux, đèn hiệu (LAMP) đèn LED tắt, đồng thời LCD hiển thị trạng thái “DEN TAT”: - Khi điều chỉnh tín hiệu cường độ ánh sáng nhỏ 10lux , đèn hiệu ( LAMP) đèn LED sáng, với LCD hiển thị trạng thái “DEN SANG”: 3.3.3 Lưu đồ thuật toán 28 29 KẾT LUẬN Trong suốt q trình đồ án, nhóm gặp nhiều khó khăn kiến thức, trình độ chuyên môn dịch bệnh làm trở ngại đến khả học tập làm việc tiếp Song, nhóm thực thành cơng đồ án với tiêu chí: Đẩy mạnh mảng mơ Cơng việc xây dựng, thiết kế mô thành công tốt đẹp Sau điều nhóm đúc kết được: - Khả sử dụng thành thạo Proteus, Arduino biết thêm Inventor, Solid work - Các model 3D, mạch mơ chưa có tính thẩm mỹ cao thể hết đề tài nhóm, qua tạo tiền đề để nhóm tiếp tục phấn đấu với dự án lần sau - Khả trình bày văn nhóm cải thiện đáng kể Đồ án môn củng cố cho nhóm thêm kiến thức mơn điện tử nói chung hệ thống đo lường điều khiển nói chung Đồng thời hành trang vững bước cho thành viên nhóm nhằm phục vụ cho học phần liên quan, cho đồ án tốt nghiệp công việc sau trường Báo cáo đề tài kết cố gắng tất thành viên nhóm, khơng thể thiếu hướng dẫn tận tâm thầy Nhữ Quý Thơ Nhằm giúp cho nhóm nâng cao kĩ mềm kĩ chuyên ngành, đồng thời tảng để nhóm phát triển thêm mảng cảm biến nói chung cảm biến đo cường độ ánh sáng nói riêng Chúng em chân thành cảm ơn! 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Ngọc Duy, Nhữ Quý Thơ, Bùi Thanh Lâm (2019), Giáo trình Cảm biến hệ thống đo, NXB Khoa học kĩ thuật, Hà Nội [2] Vũ Trung Kiên, Phạm Văn Chiến, Nguyễn Văn Tùng (2014), Giáo trình vi điều khiển PIG, NXB Khoa học kĩ thuật, Hà Nội [3] Cộng đồng Arduino Việt Nam Arduino.vn [4] Trang web tài liệu: Givasolar.com [5] Youtuber Thành Lộc : https://www.youtube.com/channel/UCg6kPonpRciZUr4nrKoRnOg [6] https://store.arduino.cc/products/arduino-uno-rev3/ [7] https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/236863/ETC2/JQC3FF.html [8] https://datasheetspdf.com/pdf/36942/NXP/PCF8574/1 [9] https://datasheetspdf.com/pdf-file/1462370/Hitachi/LM016L/1 [10] https://datasheetspdf.com/pdf/1005049/NationalSemiconductor/LM39 3/1 [11] https://www.electroduino.com/ldr-sensor-module-how-ldr-sensorworks 31 PHỤ LỤC Code chương trình cho vi điều khiển: 32 33 ... dụng cảm biến đo cường độ ánh sáng để điều khiển đèn đường Trong đề tài này, cảm biến đo cường độ ánh sáng sử dụng để đo cường độ ánh sáng tự nhiên, từ hiển thị lên hình LCD, cường độ ánh sáng. .. biến ánh sáng LM393 Cảm biến ánh sáng LM393 nhạy cảm với cường độ ánh sáng môi trường thường sử dụng để phát độ sáng môi trường xung quanh cường độ ánh sáng Khi cường độ ánh sáng môi trường xung... chỉnh nguồn ánh sáng để cảm biến nhận diện, chuyển tín hiệu vào khối xử lý trung tâm 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến Cảm biến cường độ ánh sáng hay ngắn gọn thường gọi cảm biến ánh sáng, chuyển