Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
ĐỒ ÁN I
Đề tài: Điều khiển độ sáng đèn dựa vào cảm biến ánh sáng
Giảng viên hướng dẫn: Lê Công CườngSinh viên: Trần Phúc Hân 20202368
Trang 2CHƯƠNG II: CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 4
2.1 Quang trở (LDR) là gì ? 4
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của quang trở 4
2.2.1 Cấu tạo quang trở 4
2.2.2 Nguyên lý hoạt động 5
Ưu nhược điểm và một số mạch ứng dụng quang trở đơn giản 5
2.3 Mạch cảm biển ánh sáng dùng quang trở có ưu điểm gì? 5
2.3.1: Những lợi ích của cảm biến ánh sáng trong thực tế: 6
2.4 Sơ đồ khối của mạch 7
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH 8
3.1 Sơ đồ nguyên lý 8
3.1.1 Khối mạch nguồn: 9
3.1.2: Mạch ổn áp : 10
3.1.3: Khối mạch cảm biến 11
2.2: Tính toán giá trị linh kiện trong mạch 12
2.2.1 Khối hạ áp, chỉnh lưu 12
3.2:Sản phẩm hoàn chỉnh và mạch in 13
CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT 15
4.1 Kết luận 15
Trang 3Figure 1 Cường độ ánh sáng (lux) 4
Figure 2 đèn led cảm ứng trong tủ quần áo tiện lợi 7
Figure 3: Sơ đồ khối mạch 8
Figure 4:Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến 9
Figure 5: Khối mạch nguồn 10
Figure 6: Khối mạch ổn áp 11
Figure 7: Khối mạch cảm biến 12
Figure 8 PCB layout 15
Figure 9 Sản phẩm hoàn chỉnh 16
Trang 4CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHIẾU SÁNG
1.1 Đèn sợi đốt
Đèn sợi đốt còn gọi là đèn dây tóc, cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt và sử dụng Trong bài toán này, đèn sợi đốt được sử dụng là nguồn sáng (để đọc sách).
Cấu tạo của đèn sợi đốt gồm dây tóc (vonfram), lớp vỏ thủy tinh, được rút hết không khí và được bơm vào khí trơ.
Bóng đèn sợi đốt có công suất 25W, điện áp hiệu dụng 220V.
1.2 Cường độ sáng lux (độ rọi)
Là đơn vị biểu thị độ sáng tại một điểm, hay còn gọi là quang thông trên diện tích bề mặt mà con người cảm nhận được mạnh hay yếu, có đơn vị đo là lux.
Figure 1 Cường độ ánh sáng (lux)
1.3 Các trường hợp chiếu sáng
Khi không có người, trong phòng đèn tắt Khi có người trong phòng:
- Trời sáng, độ rọi trên160 lux đèn tắt.
Trang 5- Trời râm độ rọi 56-160 lux đèn sáng mờ.
- Trời tối độ rọi dưới 56 lux đèn sáng bình thường.
CHƯƠNG II: CẢM BIẾN ÁNH SÁNG
2.1 Quang trở (LDR) là gì ?
Quang trở còn được gọi là điện trở quang, photoresistor, photocell là một trong những linh kiện được tạo bằng một chất đặc biệt có thể thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào Về cơ bản, bạn có thể hiểu nó là một tế bào quang điện được hoạt động dựa theo nguyên lý quang dẫn Hay có thể hiểu nó là một điện trở có thể thay đổi được giá trị theo cường độ ánh sáng
Quang trở được sử dụng nhiều trong các mạch cảm biến ánh sáng, đèn đường, báo động ánh sáng, đồng hồ ngoài trời,…
2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của quang trở 2.2.1 Cấu tạo quang trở
Trang 6Cấu tạo của quang trở gồm 2 phần là phần trên và phần dưới là các màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực Linh kiện này được thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa nhất với 2 màng kim loại và được đặt trong một hộp nhựa có thể giúp tiếp xúc được với ánh sáng và có thể cảm nhận được sự thay đổi của cường độ ánh sáng
Thành phần chính để tạo nên quang trở đó chính là Cadmium Sulphide (CdS) được sử dụng là chất quang dẫn, thường không chứa hoặc có rất ít các hạt electron khi không được ánh sáng chiếu vào
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Quang trở được là bằng chất bán dẫn có trở kháng rất cao và không có một tiếp giáp nào Trong bóng tối, quang trở thường có điện trở lên vài MΩ Còn khi có ánh sáng chiếu vào thì giá trị điện trở có thể giảm xuống mức một cho đến vài trăm Ω
Nguyên lý hoạt động của quang trở dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện trong một khối vật chất Khi mà các photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ khiến cho các electron bật ra khỏi các phân tử và trở thành các electron tự do trong khối chất và từ chất bán dẫn chuyển thành dẫn điện Mức độ dẫn điện của quang trở tùy thuộc vào phần lớn các photon được hấp thụ
Khi ánh sáng lọt vào quang trở, các electron sẽ được giải phóng và độ dẫn điện sẽ được tăng lên Tùy thuốc vào chất bán dẫn mà các quang trở sẽ có những phản ứng khác nhau với các loại sóng photon khác nhau
Ưu nhược điểm và một số mạch ứng dụng quang trở đơn giản
Ưu điểm: Quang trở với một số ưu điểm như giá thành rẻ, đa dạng về kích cỡ có thể áp dụng với nhiều các bo mạch khác nhau, kích thước phổ biến có đường kính mặt là 10mm Cùng với đó là năng lượng tiêu thụ và điện áp hoạt động nhỏ
Nhược điểm: Thời gian phản hồi chậm nên độ chính xác sẽ không cao Thời gian phản hồi của quang trở nằm trong khoảng từ hàng chục cho đến hàng trăm mili giây
2.3 Mạch cảm biển ánh sáng dùng quang trở có ưu điểm gì?
Trang 7Mạch cảm biến ánh sáng dùng quang trở với nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao, các chi tiết phụ của mạch thường được gắn đầy đủ và dễ dàng thay thế nếu xảy ra hư hỏng Mạch có thể tăng độ nhạy hoặc giảm độ nhạy với ánh sáng bằng cách điều chỉnh điện trở, chỉ cần xuất hiện ánh sáng có cường độ nhỏ thì đã ngắt mạch.
Do mạch cảm biến ánh sáng được ứng dụng với tính năng tự động bật/ tắt nên sẽ giúp tiết kiệm điện và kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị điện một cách hiệu quả Hạn chế vấn đề quên tắt điện khi không có người sử dụng.
2.3.1: Những lợi ích của cảm biến ánh sáng trong thực tế:
Mạch cảm biến được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị chiếu sáng Thiết bị hoạt động hiệu quả cho các khu vực thiếu sáng và mang lại nhiều tiện lợi cũng như an toàn khi sử dụng về đêm, đặc biệt với những gia đình có người cao tuổi và trẻ nhỏ.
Figure 2 đèn led cảm ứng trong tủ quần áo tiện lợi
Cảm biến thay đổi ánh sáng màn hình tự động trong các thiết bị như điện thoại thông minh và máy tính bảng.
Lắp đặt cảm biến trên ô tô để thay đổi ánh sáng đèn chiếu sáng tùy theo độ sáng của môi trường.
Cùng nhiều ứng dụng trong nhận diện và điều chỉnh ánh sáng khác.
Trang 82.4 S đ kh i c a m chơ đồ khối của mạch ồ khối của mạch ối của mạch ủa mạch ạch
Figure 3: Sơ đồ khối mạch
- Khối chỉnh lưu : sử dụng nguồn 220V qua cầu diode chỉnh lưu trở thành 12V cung cấp cho mạch
- Khối cảm biến : Có chức năng biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, ở đây ta dùng quang trở.Như ta đã biết khi có ánh sáng chiếu vào,điện trở của quang trở giảm đi đáng kể so với khi không được chiếu sáng.
- Khối hiển thị : Hiển thị ánh sáng,ở đây là bóng đèn dây tóc.
- Tác nhân: ánh sáng tự nhiên ( ánh sáng mặt trời ), ánh sáng nhân tạo ( đèn pin).
Trang 9CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH
3.1 S đ nguyên lý.ơ đồ khối của mạch ồ khối của mạch
Figure 4:Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến
Trang 103.1.1 Khối mạch nguồn:
Figure 5: Khối mạch nguồn
Khối nguồn ta sử dụng nguồn tụ 684/630V Cấp nguồn 220V vào chân J2 ở hình 2.1 Nguồn điện sẽ được giảm áp khi đi qua tụ điện, được nắn thành điện 1 chiều qua cầu diode thành 12V sau đó đi vào mạch.Ta gắn thêm 1 con Zener 1N4742 sử dụng như một mạch xén bảo vệ mạch khi điện áp lớn hơn 12V.
Tụ C4 470uF được sử dụng để lọc nguồn
Tụ C5 100nF là tụ sử dụng để chống nhiễu Điện trở 100Ohm 2W là linh kiện điện tử thụ động đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện có công suất 2W.
Từ mạch trên ta có thể tạo ra được mạch nguồn 12V( chú ý: Nguồn không cách li nên có thể giật )
Trang 113.1.2: Mạch ổn áp :
Figure 6: Khối mạch ổn áp
Điện áp 12V sẽ được đưa vào khối mạch ổn áp và qua IC78L05 ổn áp thành nguồn 5V ổn định và cung cấp cho khối cảm biến hình 2.1 Việc sử dụng nguồn ổn áp để điện áp có thay đổi thì chúng vẫn hoạt động đúng với mức ánh sáng mình đã chỉnh cho quang trở qua biến trở
Mạch gắn thêm một con led để báo nguồn, khi ta cấp điện vào khối nguồn thì led sẽ sáng NGoài ra còn có tụ C1 để chống nhiễu và tụ C2 để lọc nguồn.
Trang 123.1.3: Khối mạch cảm biến
Figure 7: Khối mạch cảm biến
Khối mạch cảm biến sử dụng nguồn 5V được ổn áp nhờ IC 78L05 để có thể hoạt động Khối mạch này gồm 1 còn IC LM385 Đây là 1 con IC được tích hợp 2 Op-amp chức năng so sánh điện áp chân 5,6 và chân 2,3 của LM385.Hai con biến trở để điều chỉnh ngưỡng ánh sáng mà đèn sẽ tắt (RV1) và ngưỡng ánh sáng mà đèn sẽ bật(RV2)
Chìa khóa quyết định hành động đóng mở relay của mạch nằm ở 2 con Op-Amp với chức năng so sánh.Khi điện áp thay đổi trên các đầu vào chân (2) và (3),(5) và (6) Opamp nhận biết các tín hiệu này và thực hiện phép so sánh.
V1,V2,V3,V4,V5 V6 và V7 là điện thế các chân của IC LM358:
Nếu V5>V6 thì Vout( V7) = V8(tại chân 8) sẽ bằng Vcc = 5V làm Q1 dẫn,cuộn dây của rowle có điện, Q2 dẫn và đèn sáng
Ngược lại : Nếu V5< V6 => Vout = V4 ( tại chân 4).
Lúc này, tín hiệu đưa ra Transistor chắc chắn là 1 trong 2 giá trị: V8 hoặc V4
Vout = V4 =0 , mặc dù điện áp đã bằng 0 nhưng đèn vẫn không tắt vì nó vẫn được duy trì bởi con Q2 ( A1015), khi trời đủ sáng thì V2< V3 thfi V7 sẽ bằng Vcc = 5V Kích Q3
Trang 13dẫn và làm ngưng dẫn Q1 và ngắt rowle đồng thời ngắt nguồn làm ngưng dẫn Q2 và đèn tắt.
Khi trời trở lại tối V2 < V3, V1 đã trở về 0 nhưng đèn vẫn chưa bật bởi vì ngưỡng bật chưa được đảo lại V5> V6, khi V5> V6 thì đèn sẽ sáng.
Như vậy,việc thay đổi điện trở thụ động của quang trở phụ thuộc vào ánh sáng chiếu vào nó.Quang trở thay đổi điện trở phụ thuộc vào ánh sáng chiếu vào nó.Quang trở thay đổi điện trở làm điện áp tại quang trở thay đổi liên tục và Op-amp sử dụng các tín hiệu điện áp này để điều khiển điện áp ra…
Từ đó quyết định việc đóng mở của Transistor và relay…
Việc gắn relay phải gắn thêm diot (D1) để bảo vệ relay,xả điện áp ngược cuộn dây của rowle , bảo vệ Q2 Do trong relay có cuộn dây nên khi tắt nguồn sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại đánh trở lại relay nên phải có diot để chặn lại dòng này.
2.2: Tính toán giá trị linh kiện trong mạch 2.2.1 Khối hạ áp, chỉnh lưu
Đối với mạch này khá đơn giản.tải thấp P=0,5 W, nên ta dùng 3 Diode tạo thành một cầu để chỉnh lưu áp xoay chiều AC thành DC.
Để lấy ra điện áp một chiều cần sử dụng cầu Diode chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều, nhưng điện áp này có giá trị thấp hơn điện áp trước khi qua nó một lượng UD (V) và không bằng phẳng ( Diode bán dẫn Si có UD = 0,6 V; Diode bán dẫn Ge có UD = 0,2 V) Ta sẽ sử dụng chỉnh lưu cầu để điện áp sau khi qua chỉnh lưu ít nhấp nhô hơn.
Đối với mạch như trên, ta cần lấy ra điện áp 1 chiều 12V bằng chỉnh lưu cầu,sử dụng Diode bán dẫn Si Theo đó, điện áp qua được chỉnh lưu cầu phải có giá tri thấp nhất bằng 12+ 2*0,6 = 13,2 V
Mà ở đây ta sử dụng trực tiếp điện áp xoay chiều 220V,nên trước khi cho áp qua cầu diode ta dùng tụ gốm có điện áp lớn để không bị đánh thủng có công dụng nạp,xả áp và không cho áp 1 chiều đi qua.Theo nguyên tắc chọn tụ an toàn thì chọn tụ có :
Utụ = U nguồn*1,6 = 220*1,6 = 352 V
Vậy ứng với tải P= 0,5W, Umax = 352 V ta chọn tụ 474j-400V.
Trang 14Và chọn điện trở mắc song song với tụ để làm tải cho tụ xả điện,đồng thời cũng đóng vai trò là cầu chì khi có sự cố xảy ra Vậy ta chọn R > 496 (Kohm) là hợp lý và an toàn nhất 2.2.2 Gía trị điện trở
Led hoạt động ở mức điện áp từ 1,8 V đến 3V và dòng điện khoảng 10mA đến 20mA Nếu bạn lấy led ( loại thường 3V ) cắm vào nguồn 5V thì led sẽ bị hỏng.
Vì thế nếu muốn tính điện trở hạn dòng cho led tránh bị hỏng và hoạt động bình thường ở mức điện áp 5V thì :
Gía trị điện trở nhỏ nhất:
Vậy nên ta chọn điện trở có giá trị từ 100 ohm – 320 ohm Trong mạch chọn điện trở 220-ohm để bảo vệ led.
3.2:S n ph m hoàn ch nh và m ch in ản phẩm hoàn chỉnh và mạch in ẩm hoàn chỉnh và mạch in ỉnh và mạch in ạch
Trang 15Figure 8 PCB layout
Trang 16Figure 9 Sản phẩm hoàn chỉnh
CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT
4.1 K t lu nết luận ận
Sau khi hoàn thành đồ án thiết kế và lắp đặt mạch tự động bật/tắt đèn dùng cảm biến ánh sáng thành công , em cảm thấy sản phẩm của mình cũng khá hoàn thiện.
Mạch tự động bật/tắt theo ánh sáng là một mạch tuy đơn giản nhưng có ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực.Với giá thành rẻ và mạch hoạt động ổn định thì em nghĩ đây là một sản phẩm tốt trong ứng dụng thực tế.
Việc hoàn thành đồ án là bước tiến đầu tiên cho việc tìm hiểu về hệ thốngchiếu sáng thông minh cũng như đóng góp cho việc hoàn thành các hệ thống kháctrong tương lai em đã học được nhiều điều: Từ tác phòng nghiên cứu khoa học,
Trang 17cách tìm hiểu một đề tài khoa học, tìm lỗi sai và sửa trong mạch thiết kế, cách dùngcác phần mềm hỗ trợ,