Đồ Án cảm biến Đèn phòng học

MỞ ĐẦU Chiếu sáng hiện nay đang là một mối quan tâm chung của rất nhiều các kỹ sư điện, các nhà vậy lý nghiên cứu quang và các phổ quang học, các kỹ thuật viên của các công ty công trình công cộng và các nhà quản lý đô thị, các nhà kiến trúc, xây dựng và mỹ thuật …. Trong thời gian gần đây, với sự ra đời của các nguồn sáng hiệu suất cao, kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng tiện ích. Chiếu sáng tiện ích là chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng. Đây là một giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng bằng việc sử dụng nguồn sáng có hiệu suất cao. Các loại đèn sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp được thay thế bằng đèn compact, các đèn huỳnh quang thế hệ mới cùng với chấn lưu sắt từ tổn hao thấp và chấn lưu điện từ. Hiệu quả của ánh sáng tự nhiên được sử dụng tối đa. Kết quả của chiếu sáng tiện ích là ánh sáng được điều chỉnh theo mục đích và yêu cầu sử dụng nhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi nhìn, hạn chế các loại khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường.. Nội dung đề tài được chia làm IV chương: Chương 1: Phân tích yêu cầu công nghệ Chương 2: Thiết kế mạch lực Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển Chương 4: Lập trình và mô phỏng hệ thống

MỞ ĐẦU

Chiếu sáng hiện nay đang là một mối quan tâm chung của rất nhiều các kỹ sưđiện, các nhà vậy lý nghiên cứu quang và các phổ quang học, các kỹ thuật viên của cáccông ty công trình công cộng và các nhà quản lý đô thị, các nhà kiến trúc, xây dựng và

mỹ thuật … Trong thời gian gần đây, với sự ra đời của các nguồn sáng hiệu suất cao,

kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng tiệních

Chiếu sáng tiện ích là chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng Đây là mộtgiải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng bằng việc sử dụngnguồn sáng có hiệu suất cao Các loại đèn sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp đượcthay thế bằng đèn compact, các đèn huỳnh quang thế hệ mới cùng với chấn lưu sắt từtổn hao thấp và chấn lưu điện từ Hiệu quả của ánh sáng tự nhiên được sử dụng tối đa.Kết quả của chiếu sáng tiện ích là ánh sáng được điều chỉnh theo mục đích và yêu cầu

sử dụng nhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi nhìn, hạn chế các loạikhí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường

Nội dung đề tài được chia làm IV chương:

Chương 1: Phân tích yêu cầu công nghệ

Chương 2: Thiết kế mạch lực

Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

Chương 4: Lập trình và mô phỏng hệ thống

Trong quá trình làm đề tài em luôn nhận dược sự quan tâm hướng dẫn chỉ bảo tận

tình của giảng viên Th.S Bùi Thanh Hòa, em xin chân thành cảm ơn thầy Tuy nhiên

do thời gian, giới hạn đề tài, với phạm vi nghiên cứu tài liệu,với kinh nghiệm và kiếnthức còn hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhậnđược sự đóng góp ý kiến từ thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn Em xin chân thànhcảm ơn !

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thế Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU YÊU CẦU CÔNG NGHỆ 7

1.1 Khái quát chung 7

1.2 Khái niệm cơ bản về chiếu sáng 8

1.2.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng 8

1.2.2 Bản chất của ánh sáng 9

1.2.3 Các đại lượng đo sáng 10

1.2.4 Các loại nguồn sáng 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC 12

2.1 Sơ đồ cấu trúc 12

2.2 Bộ điều khiển 12

2.2.1 Giới thiệu tổng quan về PLC 12

2.2.2.Các đại lượng đo sáng 18

2.2.3 Các loại đèn chiếu sáng 22

2.3 Một số loại cảm biến 26

2.3.1.Cảm biến chuyển động 26

2.3.2 Các loại cảm biến chuyển động 26

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến chuyển động 27

2.3.4 Lợi ích của cảm biến chuyển động 27

2.3.5 Giúp tiết kiệm điện năng cho hệ thống ánh sáng trong nhà 27

2.3.6 Ứng dụng của cảm biến chuyển động 27

2.3.7 Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 28

2.4 Cảm biến tự điều chỉnh ánh sáng theo môi trường 30

2.4.1 Cảm biến ánh sáng LDR-TH078 33

2

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 34

3.1 Tập lệnh cơ bản S7 1200 34

3.1.1 Bit logic 34

3.1.2 Các bộ định thì (Timer) 34

3.2.3 Các bộ đếm (Counter) 37

3.2.4 Lệnh so sánh 39

3.2.5 Tập lệnh thời gian thực 39

3.2.6 Tín hiệu analog 42

3.3 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1214C AC/DC/RLY 45

3.4 Lưu đồ thuật toán 46

3.5 Chương trình điều khiển Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Error! Bookmark not defined 4.1 Sơ lược về phần mềm mô phỏng PLC SIM Error! Bookmark not defined 4.2 Mô phỏng hệ thống Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 PLC: Programmable Logic Controller

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Giới hạn phổ màu của ánh nhìn thấy ta nhận thấy 9

Hình 2.1: Cấu trúc mạch lực 12

Hình 2.2: Phần cứng PLC 12

Hình 2.3: Bề mặt chiếu sáng vuông góc 20

Hình 2.4: Đèn huỳnh quang đôi 25

Hình 2.5: Cảm biến chuyển động 26

Hình 2.6: Cảm biến hồng ngoại 29

Hình 2.7: Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501 30

Hình 2.8: Cảm biến ánh sáng 31

Hình 2.9: Cảm biến ánh sáng Photodiodes 32

Hình 2.10: Cảm biến ánh sáng LDR-TH078 33

Hình 3.1: Analog trong PLC 42

Hình 3.2 Sơ đồ đấu dây PLC 45

Hình 3.3: Lưu đồ thuật toán Error! Bookmark not defined Hình 4.1: PLC sim Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng 19

Bảng 2.2: cường độ sáng của một số nguồn sáng thông dụng 19

Bảng 2.3: Độ rọi trên một số bề mặt thường gặp 20

Bảng 2.4: Dải nhiệt độ màu với ánh sáng trắng 22

Bảng 2.5: Đặc tính của đèn nung sáng 23

Bảng 3.1: bit logic 34

Bảng 3.2: Thông số time 36

Bảng 3.3: Bộ định thị (time) 36

Bảng 3.4: Kiểu dữ liệu time 37

Bảng 3.5: Thông số bộ đếm 38

Bảng 3.6: Lệnh so sánh 39

Bảng 3.7: Cấu trúc lệnh thời gian thực 40

Bảng 3.8: Dữ liệu thời gian thực 41

6

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU YÊU CẦU CÔNG NGHỆ

1.1 Khái quát chung

Chiếu sáng hiện nay đang là một mối quan tâm chung của rất nhiều các kỹ sưđiện, các nhà vậy lý nghiên cứu quang và các phổ quang học, các kỹ thuật viên của cáccông ty công trình công cộng và các nhà quản lý đô thị, các nhà kiến trúc, xây dựng và

mỹ thuật … Trong thời gian gần đây, với sự ra đời của các nguồn sáng hiệu suất cao,

kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng tiệních

Chiếu sáng tiện ích là chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng Đây là một giảipháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng bằng việc sử dụng nguồnsáng có hiệu suất cao Các loại đèn sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp được thay thếbằng đèn compact, các đèn huỳnh quang thế hệ mới cùng với chấn lưu sắt từ tổn haothấp và chấn lưu điện từ Hiệu quả của ánh sáng tự nhiên được sử dụng tối đa Kết quảcủa chiếu sáng tiện ích là ánh sáng được điều chỉnh theo mục đích và yêu cầu sử dụngnhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi nhìn, hạn chế các loại khí nhàkính, góp phần bảo vệ môi trường

Điều khiển hệ thống chiếu sáng là một trong những tính năng quan trọng và nổitrội của một ngôi nhà thông minh Việc điều khiển thông minh tạo cho các công trình

sự khác biệt và làm cho ngôi nhà rực rỡ và đa giạng hơn bằng cách tạo ra các bối cảnhánh sáng khác nhau Đồng thời, ánh sáng tự động góp phần tiết kiệm điện năng chochủ nhân ngôi nhà Trên thế giới, rất nhiều hãng đã tập trung nghiên cứu, thiết kế hệthống điều khiển ánh sáng trong ngôi nhà thông minh như Siemens, …

Là hãng sản suất hàng đầu thế giới về các sản phẩm điều khiển công nghệ caoSiemens tiên phong trong việc điều khiển logic lập trình ứng dụng rộng rãi trong côngnghiệp và cả trong điều khiển chiếu sáng Bên cạnh đó, Siemens còn cung cấp khảnăng giám sát, quản lý và điều khiển từ xa toàn bộ hệ thống chiếu sáng từ xa, thôngqua mạng IP

Trong giai đoạn hiện nay, nước ta có nhu cầu rất lớn về năng lượng để thúc đẩy

sự phát triển kinh tế, xã hội Nguồn năng lượng có sẵn hiện nay không phải là vô tận,hơn thế nữa Việt Nam lại còn nhiều hạn chế trong việc khai thác, chế biến và pháttriển các nguồn năng lượng mới thay cho nguồn năng lượng truyền thống Chúng ta

đã, đang và sẽ tiếp tục phải bỏ ra một khoản chi phí lớn để nhập khẩu năng lượng Bêncạnh đó, sử dụng năng lượng trong quá trình sản xuất của nước ta còn rất cao so vớinhiều nước khác do công nghệ và thiết bị lạc hậu, quản lý chưa chặt chẽ dẫn tới lãngphí,…

Những năm gần đây, chúng ta đã có nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các

thiết bị, hệ thống tự động chiếu sáng được ứng dụng, Trong đó, một vấn đề rất đượcquan tâm là làm sao để sử dụng hợp lý công suất chiếu sáng phù hợp với từng nhu cầuchiếu sáng Đặc biệt đối với chiếu sáng ở các phòng học, phòng họp, nhà hàng, kháchsạn v.v thường sử dụng khoảng không thoáng, sáng sủa xung quanh phòng Nhưngnhững ánh sáng đó còn chưa được sử dụng hiệu quả, thậm chí còn phải sử dụng rèm đểche chắn lại, v.v bên cạnh đó tại Việt Nam, đã có rất nhiều công ty về tự động hóa đãcoi phần tự động hóa cho nhà thông minh là một trong những hướng đi chiến lược củamình Tuy nhiên, các công ty đó vẫn mang nặng tính chuyển giao công nghệ tronghướng phát triển này Có không nhiều công ty, tổ chức đầu tư vào nghiên cứu, xâydựng hẳn một hệ thống điều khiển nhà thông minh nói chung, điều khiển chiếu sángtrong nhà nói riêng, do họ chế tạo ra để tung ra thị trường như: hệ thống điều khiển

chiếu sáng linh động mềm dẻo (Solutions Lighting Control (SLC)), hệ thống này có thể

hoạt động độc lập hoặc tích hợp với bộ điều khiển trung tâm Một bộ điều khiển trungtâm có thể điều khiển hệ thống chiếu sáng bằng lập lịch hoạt động, thời gian mặt trờimọc - mặt trời lặn, điều khiển theo ngày - ngày trong tuần Người dùng có thể điềukhiển hệ thống chiếu sáng, rèm và phụ tải khác bằng màn hình cảm ứng, smartphone,máy tính kết nối Internet v.v mặc dù hệ thống linh động và thông minh như vậy,nhưng cũng như các hệ thống khác nó không được ứng dụng rộng rãi do nhiều nguyênnhân, như: giá thành, độ tin cậy, khả năng cung cấp sửa chữa và bảo trì

Từ những phân tích trên cho chúng ta thấy việc nghiên cứu tiếp cận, làm chủđược công nghệ trong điều khiển tự động chiếu sáng, sử dụng hiệu quả đưa ánh sángbên ngoài vào phòng để giảm năng lượng điện cho chiếu sáng mà vẫn không làm ảnhhưởng đến môi trường xung quanh là rất cần thiết

1.2 Khái niệm cơ bản về chiếu sáng

1.2.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng

Có thể coi việc phát hiện và chế ngự ngọn lửa là bước khởi đầu cho Kỹ thuậtchiếu sáng của nhân loại Ngọn lửa không chỉ giúp nấu chín thức ăn, sưởi ấm nơi ở,

mà còn giúp con người kéo dài hoạt động vật chất và tinh thần khi màn đêm buôngxuống

Nguồn sáng nhân tạo đầu tiên là ngọn nến đã được sử dụng 5000 năm về trước.Theo chiều dài lịch sử, ngành Kỹ thuật chiếu sáng có bước phát triển rực rỡ khởi đầu

từ thời đại ánh sáng điện

Bắt đầu từ thế kỷ XIX, các định luật cơ bản về điện từ được công bố Năm 1873.nhà khoa học Scotland J>C Maxwell (1831-1889) đã đề xuất lý thuyết trường đện từthống nhất và tiên đoán sự tồn tại của sóng điện từ Năm 1888 nhà khoa học ĐứcHeinrich Hertz (1857-1894) lần đầu tiên đã thí nghiệm thành công thu và phát sóngđiện từ công cụ phân tích phổ được các nhà khoa học Đức Robert Bunsen (1811-1899) và G Kirchhoff (1824-1887) phát triển và ứng dụng trong việc nghiên cứu ánh

8

sáng, nhờ đó bức màn bí mật của ánh sáng được phát hiện.

Trong thời gian gần đây, với sự ra đời và hoàn thiện của các nguồn sáng hiệusuất cao, các phương pháp tính toán và công cụ phần mềm chiếu sáng mới, kỹ thuậtchiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng hiệu quả và tiếtkiệm điện năng gọi tắt là chiếu sáng tiện ích

Theo các số liệu thống kê, năm 2005 điện năng sử dụng cho chiếu sáng trên toànthế giới là 2650 tỷ kWh, chiếm 19% sản lượng điện hoạt động chiếu sáng xảy ra đồngthời vào giờ cao điểm buổi tối đã khiến cho đồ thị phụ tải của lưới điện tăng vọt, gâykhông ít khó khăn cho việc truyền tải và phân phối điện Chiếu sáng tiện ích là mộtgiải pháp tổng thể nhằm tối ưu hoá toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng từ việc sử dụng nguồnsáng có hiệu suất sáng cao, thay thế các đèn sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp bằngđèn compact, sử dụng rộng rãi các đèn huỳnh quang thế hệ mới, sử dụng chấn lưu sắt

từ tổn hao thấp và chấn lưu điện tử, sử dụng tối đa và hiệu quảánh sáng tự nhiên, điềuchỉnh ánh sáng theo mục đích và yêu cầu sử dụng, nhằm giảm điện năng tiêu thụ màvẫn đảm bảo tiện nghi nhìn Kết quả của chiếu sáng tiện ích phải đạt tiện nghi nhìn tốtnhất, tiết kiệm năng lượng, hạn chế các loại khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường

1.2.2 Bản chất của ánh sáng

Tìm hiểu bản chất của ánh sáng là một trong những mối quan tâm hàng đầu củacác nhà khoa học như quan niệm của Newton về thuyết ánh sáng thế kỷ 17, tuy nhiênthuyết hạt ánh sáng của Newton không giải thích được sự phân cực và giao thoa ánhsáng Cho tới giữa thế kỷ 18 đa số các nhà khoa học thừa nhận thuyết sóng ánh sáng,

vì thuyết này đã giải thích được các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và phân cựcánh sáng

Mắt người là bộ cảm biến quang sinh học vô cùng tinh tế và linh hoạt, cảm nhậnđược ánh sáng trong dải bước sóng từ 380 đến 780µm sự cảm nhận ánh sáng của mỗingười cũng khác nhau Ủy ban Chiếu sáng quốc tế CIE đưa ra các giới hạn phổ màucủa ánh sáng nhìn thấy, được cho trên hình sau:

Hình 1.1: Giới hạn phổ màu của ánh nhìn thấy ta nhận thấy

- Trong miền ánh sáng nhìn thấy, mỗi bước sóng đơn sắc λ được mắt người cảmnhận bằng một màu riêng Nhiều ánh sáng đơn sắc tổ hợp lại thành ánh sáng phức hợp

- Ánh sáng nhìn thấy chỉ chiếm một dải rất hẹp trong phổ bức xạ điện từ có bướcsóng liên tục từ 380 đến 780µm, ứng với các màu tím, chàm, lam, lục, vàng da cam,

đỏ của 7 sắc cầu vồng Đây chỉ là các màu chính của phổ ánh sáng trắng, thực ra trongphổ của ánh sáng trông thấy có vô số màu biến thiên liên tục mà mắt chúng ta khôngthể phân biệt được

- Tính chất và màu của ánh sáng phức hợp được quyết định bởi cường độ quangphổ của các thành phần ánh sáng đơn sắc có trong phổ của nó

1.2.3 Các đại lượng đo sáng

Ta biết ánh sáng là bức xạ điện từ mang năng lượng và được đặc trưng bằng cácđại lượng đo năng lượng Tất cả nguồn sáng đều biến đổi năng lượng mà nó tiêu thụthành một hoặc nhiều hiệu ứng trong ba hiệu ứng hoá, nhiệt hoặc điện từ Tia sáng chỉ

là phần nhỏ của bức xạ điện từ do vậy chúng chỉ mang theo một phần công suất củanguồn

1.2.4 Các loại nguồn sáng

1.2.4.1.Nguồn sáng điểm

Khi khoảng cách từ nguồn đến mặt làm việc lớn hơn nhiều so với kích thướcnguồn sáng thì có thể coi đó là nguồn điểm Nói chung với mọi ngồn sáng có kíchthước nhỏ hơn 0,2 khoảng cách chiếu sáng đều có thể coi gần đúng là nguồn sángđiểm

1.2.4.2 Nguồn sáng đường

Một nguồn sáng được coi là nguồn sáng đường khi chiều dài của nó đáng kể sovới khoảng cách chiếu sáng Ta có thể coi đèn ống là nguồn sáng đường Các băngsáng được bố trí thành các dải sáng là nguồn sáng đường

Yêu cầu công nghệ hệ thống chiếu sáng phòng học

- Phòng học nhà A3 có diện tích 60 m2

- Mỗi phòng trang bị 4 dãy đèn

- Điều khiển độ sáng đèn theo độ sáng môi trường trong phòng học Các dãy đèn

tự động tắt khi không có người trong phòng

Phân tích yêu cầu công nghệ:

Bộ điều khiển chiếu sáng theo môi trường phòng học: Nếu bật hết đèn đóng cửa

sổ lại (che ánh sáng mặt trời) thì thiết bị đo PCE- 172 đo giữa phòng cho kết quả450lux,

Nếu mở hết cửa, đèn tắt hết, trời nắng PCE cho giá trị 550lux

Nếu mở hết cửa, đèn tắt hết, trời không nắng PCE cho giá trị 350lux

10

Nếu mở hết cửa, đèn bật hết, trời nắng PCE cho giá trị 600lux

Nếu mở hết cửa, đèn bật hết, trời không nắng PCE cho giá trị 500lux

Như thế thì ta cần phải điều khiển hệ thống chiếu sáng trong phòng học sao chođảm bảo độ rọi trong phòng từ 400 đến 500 lux và đồng thời sử dụng tối đa lượngchiếu sáng tự nhiên

Chế độ tự động: Tự động tắt đèn khi không có người trong phòng học

Chế độ thủ công: Có thể tắt đèn bằng nút ấn trong phòng học

2.2.1.1 Sơ đồ mạch kết nối

12

2.2.1.2 Lựa chọn bộ biến tần

- Ta lựa chọn bộ biến tần Siemens Sinamics G120C với các lựa chọn thông số dưới đây

Bộ biến tần Siemens Sinamics G120C

5.5kW –7.5kW(7.5 –10HP)

11kW –18.5kW(15 –25HP)

22kW –45kW(30 –60HP

55 kW(75HP) 75kW –132kW

(100 –150HP)

Lý do em chọn Bộ biến tần Siemens Sinamics G120C

công cụ tiêu chuẩn

Tích hợp hoàn hảo trong

môi trường tự động hóa

Công nghệ ký thuật tiên

tiến mang lại hiệu quả sử

dụng năng lượng cao hơn

và an toàn hơn

Truyền thông đáng tin

cậy có thể kết nối với tất

cả các loại truyền thông

thông (SLVC)

Truyền trông PROFINET, Ethernet/IP,

PROFISUSS,USS/Modbus

RTU

2.2.2.Các đại lượng đo sáng

Ta biết ánh sáng là bức xạ điện từ mang năng lượng và được đặc trưng bằng cácđại lượng đo năng lượng Tất cả nguồn sáng đều biến đổi năng lượng mà nó tiêu thụthành một hoặc nhiều hiệu ứng trong ba hiệu ứng hoá, nhiệt hoặc điện từ Tia sáng chỉ

là phần nhỏ của bức xạ điện từ do vậy chúng chỉ mang theo một phần công suất củanguồn

2.2.2.1.Quang thông Φlumen (lm)lumen (lm)

Trong kỹ thuật chiếu sáng, cùng một năng lượng bức xạ nhưng lại gây ra hiệuquả cảm nhận ánh sáng khác nhau đối với mắt tuỳ theo bước sóng của nó Đường conghiệu quả ánh sáng V() đánh giá ảnh hưởng này Về phương diện sinh lý, các đạilượng tương quan bức xạ được dánh giá theo tác động của chúng đến thị giác, do đó tađịnh nghĩa quang thông Φ là phần năng lượng của sóng điện từ được đánh giá bằngmắt người theo tác động của nó

Trong phổ ánh sáng nhìn thấy quang thông bằng

760 380W

K V D

  

Trong đó:

- V là hàm độ nhạy tương đối của mắt theo bước sóng

- K= 683 lm/W là hệ số chuyển đổi đơn vị năng lượng sang đơn vị cảm nhận thịgiác

Đơn vị quang thông là lumen (lm)

Quang thông là đại lượng đặc trưng cho khả năng của nguồn bức xạ ánh sángtrong không gian

Bảng 2.1: Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng

Đèn huỳnh quang 40W 2700Đèn Na cao áp 400W 47000Đèn Halogen kim loại 2KW 180000

2.2.2.2 Cường độ sáng I, candela (cd)

Cường độ sáng là mật độ không gian của quang thông do nguồn bức xạ

Cường độ sáng kí hiệu là I, đơn vị là candela (cd)

Một số cường độ sáng của các nguồn sáng được trình bày trong bảng 2.2

Bảng 2.2: cường độ sáng của một số nguồn sáng thông dụng

Ngọn nến 0,8cd (theo mọi hướng không gian)Đèn nung sáng 40W/220V 35cd (theo mọi hướng )

Đèn nung sáng 300W/220V 400cd (theo mọi hướng)

Đèn nung sáng 300W/220V (có chao đèn) 1500cd (hướng trung tâm)

2.2.2.3 Độ rọi (độ chiếu sáng) E, lux (lx)

Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho bề mặt được chiếu sáng, là mật độ quang thông

Φ trên bề mặt có diện tích S, khi quang thông vuông góc với bề mặt chiếu sáng độ rọiđược tính theo công thức:

E=❑S

Đơn vị độ rọi là lux, là mật độ quang thông của một nguồn sáng 1 lumen trêndiện tích 1m2 Khi mặt được chiếu sáng không đều độ rọi được tính bằng trung bìnhđại số của độ rọi các điểm

Khái niệm về độ rọi, ngoài nguồn còn liên quan đến vị trí bề mặt được chiếu

sáng

16

Hình 2.3: Bề mặt chiếu sáng vuông góc

Ta xét nguồn sáng điểm S, bức xạ tới một mặt nguyên tố dS ở cách S một khoảng D,một cường độ sáng 1 Hình 2.3: Quan hệ độ rọi, cường độ sáng và khoảng cách góc 

là góc hợp bởi pháp tuyến n của dS với phương của tia sáng Góc khối dω chắn trên

hình cầu bán kính D, một diện tích bằng dS.cosθ

Biểu thức này ứng với các nguyên tố bề mặt, chứng tỏ bề mặt thay đổi với độnghiêng tương đối của bề mặt theo tỷ lệ cosin và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảngcách D Bảng 2.3 cho trị số độ rọi thường gặp

Bảng 2.3: Độ rọi trên một số bề mặt thường gặp

Địa điểm được chiếu sáng Độ rọi (lux)

Ngoài trời giữa trưa nắng 100.000Ngoài trời giữa trưa đầy mây 10.000

L α = I α

DS COSα (cd/m2)với: dS - diện tích bề mặt được chiếu sáng;

I - cường độ sáng theo hướng khảo sát

Nhận xét:

-Độ chói của một bề mặt bức xạ phụ thuộc hướng quan sát bề mặt đó

- Độ chói của một bề mặt bức xạ phụ thuộc vào khoảng cách từ bề mặt đó đếnđiểm quan sát

2.2.2.5 Độ trưng (M)

Độ trưng là mật độ phân bố quang thông  trên bề mặt do một mặt khác phát ra.Đơn vị đo độ trưng là: lm/m2 là độ trưng của một nguồn hình cầu có diện tích mặtngoài 1m phát ra một quang thông cầu 1lumen phân bố đều theo mọi phương Đối vớimặt được chiếu sáng, độ chói và độ trưng phụ thuộc vào hệ số phản xạ (p)

M=❑s

2.2.2.6 Độ rọi yêu cầu E yc

Độ rọi yêu cầu là độ rọi trung bình trên mặt phẳng làm việc (thường nằm ngang)cần thiết để tiến hành tốt nhất công việc

Độ rọi yêu cầu thường xác định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào góc phân biệtcác chi tiết tương ứng với mỗi loại công việc, hoặc theo công thức kinh nghiệm sauđây (công thức Weston)

E yc 1.94 103

ρ σ−1,5 lx)trong đó:  - Hệ số phản xạ khuyếch tán của nền

 - Góc phân biệt các chi tiết đặc trưng (phút)

2.2.2.7 Hiệu suất sáng (Luminous efficacy)

Hiệu suất sáng có đơn vị là lumen/watt (lm/W), là tỷ số giữa quang thông củanguồn phát ra và công suất mà nguồn sáng tiêu thụ

2.2.2.8 Nhiệt độ màu (Color temperature)

Nhiệt độ màu Tm(Ko) dùng để đánh giá chính xác hơn các loại ánh sáng trắng.Nhiệt độ màu của các loại nguồn sáng được trình bày bảng 2.4

18

Bảng 2.4: Dải nhiệt độ màu với ánh sáng trắng

Mặt trời lặn,đèn nung sáng, ánh sáng nóng (giàu bức xạ đỏ) 2500  3000Ánh sáng ban ngày khi trời sáng 4500  5000Ánh sáng ngày nhiều mây, ánh sánglạnh (giàu bức xạ xanh da trời)6000  8000

2.2.2.9 Chỉ số hoàn màu IRC (Color Rendering Index)

Chỉ số hoàn màu IRC cho biết chất lượng ánh sáng, đánh giá theo sự cảm thụchính xác của màu sắc Chỉ số hoàn màu IRC thay đổi từ 0 (đối với ánh sáng đơn sắc)đến 100 (đối với ánh sáng trắng) Chỉ số IRC càng cao thì chất lượng ánh sáng càngtốt Trong kỹ thuật chiếu sáng thường chia chất lượng chiếu sáng làm ba mức độ

– IRC = 95: Chất lượng cao, dùng cho các công việc đặc biệt đòi hỏi chất

lượng cao và các công việc đòi cần phân biệt màu sắc

Hiệu suất sáng của đèn nung sáng khá nhỏ Hiệu suất đèn càng cao khi công suấtđèn càng lớn và điện áp làm việc càng nhỏ

– Công suất danh định: (40  1000) W

– Nhiệt độ màu (Tm): 2500oK  3000 Ko

– Chỉ số hoàn màu IRC: 100

Đặc tính của đèn nung sáng trình bày bảng 2.5.

Ưu điểm của đèn nung sáng:

– Nhiều chủng loại theo kích thước, cấp điện áp và công suất

– Quang thông giảm không đáng kể khi xuất hiện chênh lệch điện áp

– Sơ đồ nối dây đơn giản, không cần các bộ phận phụ

– Hoạt động ít phụ thuộc vào điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm,…)

– Gọn nhẹ thích hợp với mọi điều kiện sử dụng

Có loại bóng đèn áp suất thấp và loại áp suất cao

Đèn hơi Natri áp suất thấp: ánh sáng đơn sắc màu vàng - cam Đặc điểm:

– Hiệu suất sáng cao: (100  200)lm/W

– Anh sáng: đơn sắc màu vàng-cam, IRC=0

– Công suất nhỏ: (18  180)W

– Tuổi thọ: Dài (khoảng 8000 giờ)

Thường dùng trong chiếu sáng bảo vệ, lối đi, bãi xe

Đèn hơi Natri áp suất cao

Đặc điểm:

20

Đèn hơi thủy ngân

Đèn cao áp thủy ngân có hai loại Loại dùng thêm chấn lưu, khi lắp đặt phải cóchấn lưu riêng tùy theo điện thế và công suất của mỗi loại bóng Loại này bắt sáng rấtchậm nhưng rất ổn định Loại không cần chỉnh lưu vì bên trong bóng được mắc nốitiếp ống phóng điện với một tim sợi đốt Wolfram phát ra khi đốt nóng Loại này bắtsáng nhanh nhưng khi nóng lên, bóng hay bị tắt, nguội bóng mới bật sáng lên lại Bóngđược nối trực tiếp vào lưới điện

Đặc điểm:

– Hiệu suất sáng: (40  95) lm/W

– Nhiệt độ màu: (3000  4500) Ko

– Chỉ số hoàn màu IRC: (40 60)

Áp dụng giống như với bóng đèn hơi Natri cao áp

2.2.3.3 Những loại bóng đèn mới

Đèn Halogen

Đây là bóng đèn nung sáng chứa hơi Halogen, cho phép nâng cao nhiệt độ nungsáng của dây tóc, nâng cao chất lượng ánh sáng, làm giảm sự bốc hơi của dây tócTungstene làm đen dần bóng đèn Bóng đèn Halogen có những ưu điểm so với đènnung sáng bình thường là:

– Công suất như nhau nhưng hiệu suất sáng cao hơn

– Anh sáng trắng hơn, nhiệt độ màu đạt 2900K0, chỉ số IRC cao, đạt đến 100

– Tuổi thọ tăng lên hai lần, đạt được 2000 – 2500 giờ

– Kích thước nhỏ hơn

Bóng đèn compacte

Là một dạng mới của bóng đèn huỳnh quang, có các đặc điểm sau:

– Chất lượng ánh sáng: nhiệt độ màu đạt từ 2700K0 đến 4000K0 Chỉ số hoànmàu IRC = 85

– Công suất tiêu thụ thấp hơn đèn nung sáng bốn đến năm lần và nhỏ hơn so vớiđèn huỳnh quang thường.

– Hiệu suất 85 lm/W

– Tuổi thọ khoảng 8000 giờ

– Khả năng sinh nhiệt thấp

– Kích thước bóng đèn nhỏ, hình dáng đẹp

Bóng đèn cảm ứng điện từ

Đây là loại bóng đèn thế hệ mới nhất, dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, không

có điện cực, không có dây tóc, với ưu điểm nổi bật về tuổi thọ (lên khoảng 60000 giờ).Đặc điểm của bóng đèn:

cần phải nhập từ nước ngoài với chi phí rất đắt Đèn điều khiển on/off thì ta dùng đèn huỳnh quang do những đèn này có những ưu điểm như đã trình bày ở trên so với các

loại đèn khác và luôn sẵn sàng có trên thị trường

Hình 2.4: Đèn huỳnh quang đôi

Đèn huỳnh quang có các thông số 40W-220VAC nên dòng điện qua 1 đèn là:

Iđ = Ucosθ Pđ = 220.0,540 =0,36 (A)

22

2.3 Một số loại cảm biến

2.3.1.Cảm biến chuyển động

Cảm biến chuyển động được định nghĩa là thiết bị điện được trang bị một loại

cảm biến đặc biệt nhằm phát hiện ra các chuyển động vật lý trên một thiết bị hoặctrong môi trường thật Ngoài ra, thiết bị này cũng có khả năng phát hiện và nắm bắtcác chuyển động vật lý hoạt động học trong thời gian thực

Hình 2.5: Cảm biến chuyển động

2.3.2 Các loại cảm biến chuyển động

Tùy vào công nghệ hỗ trợ và mục đích sử dụng, cảm biến chuyển động đượcphân thành 4 loại chủ yếu sau đây:

- Loại hồng ngoại (Pir): Đây là loại cảm biến được sử dụng phổ biến nhất vàđược ứng dụng để phát hiện nhiệt độ cơ thể, từ đó cảnh báo về sự xuất hiện của ngườihay động vật

Cảm biến hồng ngoại còn được gọi với tên gọi khác là Pir vì hầu hết động vậtmáu nóng đều sản sinh ra bức xạ IR - đây là căn cứ để loại cảm biến này có thể pháthiện ra những biến đổi bất thường trong môi trường để đưa ra những cảnh báo kịpthời

- Loại vi sóng: Cảm biến vi sóng là loại cảm biến hoạt động thông qua việcgửi xung vi sóng ra môi trường trong một phạm vi nhất định để giám sát sự chuyểnđộng của những vật thể trong phạm vi ấy

Tùy theo độ rộng - hẹp của phạm vi phủ sóng mà độ nhạy cũng như chi phí củaloại cảm biến này cũng sẽ được thay đổi theo Cụ thể là nếu bạn lựa chọn phạm vi phủsóng rộng thì độ nhạy của cảm biến sẽ mạnh hơn và chi phí cũng sẽ cao hơn

- Loại siêu âm: Đây là loại cảm biến sử dụng sóng siêu âm được phát ra trongmột phạm vi không gian nhất định để giám sát và theo dõi sự chuyển động của bất kìvật thể nào trong phạm vi ấy

Thông qua phản xạ của sóng âm, cảm biến này sẽ phát hiện và tính toán sựchuyển động của vật thể trong môi trường ấy một cách chính xác nhất.

- Loại công nghệ kép: Đây là loại cảm biến được đánh giá là hiện đại và đem lạikết quả chính xác nhất Được tích hợp nhiều công nghệ cảm biến khác nhau, cảmbiến công nghệ kép có độ nhạy chính xác hơn và đem đến hiệu quả tốt hơn trong quátrình hoạt động

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến chuyển động

Nguyên lý hoạt động của thiết bị cảm biến chuyển động được hiểu đơn giản nhưsau:

Khi có vật thể (con người, con vật, đồ vật, ) xuất hiện trong phạm vi không gianhoạt động của các loại cảm biến như: Tia hồng ngoại, vi sóng, sóng âm, thì các tia/sóng này ngay lập tức sẽ bị tán xạ khiến cho cảm biến bị ngắt và tín hiệu sẽ được gửitrực tiếp đến các trung tâm điều khiển được cài đặt sẵn từ trước như: Điện thoại thôngminh, laptop,

Ví dụ: Cảm biến chuyển động có thể phát hiện và gửi báo động đến thiết bị điệnthoại của chủ nhà khi có sự đột nhập của người lạ

2.3.4 Lợi ích của cảm biến chuyển động

Nhờ vào những lợi ích to lớn của cảm biến chuyển động đem lại mà nó đangđược vận dụng ngày càng phổ biến trong đời sống hàng ngày của chúng ta Một vài lợiích của thiết bị này mà ta có thể kể đến đó là:

Phát hiện sự xâm nhập trái phép

Người dùng có thể lắp đặt thiết bị này tại nhà ở để đảm bảo an toàn cho bản thân

và gia đình trước những sự cố như trộm cắp, đột nhập trái phép, dựa vào những pháthiện về chuyển động bất thường, thiết bị sẽ mau chóng gửi tín hiệu đến người dùng để

có những biện pháp đối phó phù hợp, bảo vệ cho tính mạng và tài sản

Ngoài ra, cảm biến chuyển động còn có thể nhận biết và phân biệt được sự xuấthiện nào là của con người hoặc vật nuôi trong nhà để tránh những báo động nhầm lẫnđến người dùng

2.3.5 Giúp tiết kiệm điện năng cho hệ thống ánh sáng trong nhà

Nhờ vào cảm biến nhiệt độ trên cơ thể người mà hệ thống đèn điện sẽ tự độngchiếu sáng một cách dễ dàng và thuận tiện hơn Từ đó giúp tiết kiệm điện năng vàtránh lãng phí khi không sử dụng

2.3.6 Ứng dụng của cảm biến chuyển động

Cảm biến chuyển động được ứng dụng ngày càng phổ biến nhờ vào tính tự độngcũng như độ chính xác và an toàn của thiết bị:

24

- Việc lắp đặt cảm biến chuyển động kết hợp với hệ thống ánh sáng sẽ giúp đèn

tự động được bật lên một cách vô cùng tiện lợi

- Ngoài ra, khi lắp đặt ở bên ngoài có kết hợp với camera sẽ giúp hệ thống đèn tựđộng chiếu sáng và hình ảnh sẽ được ghi lại vào camera và gửi trực tiếp đến trung tâmđiều khiển

2.3.7 Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501

* Giới thiệu về HC – SR501

HC-SR501 Cảm Biến Chuyển Động cho phép bạn cảm nhận chuyển động, hầunhư luôn được sử dụng để phát hiện chuyển động của cơ thể người trong phạm vi củacảm biến Cảm biến thường được gọi là cảm biến “PIR”, “Pyro điện”, “Hồng ngoại thụđộng” hoặc “Chuyển động IR”

Trên mạch có cảm biến nhiệt điện tích hợp, mạch điều hòa và thấu kính Fresnelhình vòm Nó có một biến trở điều chỉnh thời gian trễ và biến trở điều chỉnh độ nhạy.Tương thích với ARDUINO, RASPBERRY PI, AVR, PIC, 8051,

Thời gian trễ: 5 – 200s có thể điều chỉnh từ 0,xx đến hàng chục giây

Thời gian khóa: 2.5s (mặc định)

Hình 2.6: Cảm biến hồng ngoại

Các cảm biến PIR luôn có sensor (mắt cảm biến) với 2 đơn vị (element) Chắntrước mắt sensor là một lăng kính (thường làm bằng plastic), chế tạo theo kiểu lăngkính fresnel Lăng kính fresnel này có tác dụng chặn lại và phân thành nhiều vùng(zone) cho phép tia hồng ngoại đi vào mắt sensor 2 đơn vị của mắt sensor có tác dụngphân thành 2 điện cực Một cái là điện cực dương (+) và cái kia là âm (-) Khi 2 đơn vịnày được tuần tự kích hoạt (cái này xong rồi mới đến cái kia) thì sẽ sinh ra một xungđiện, xung điện này kích hoạt sensor

Kiểm soát ánh sáng (tùy chọn): Bạn có thể lắp thêm quang trở, khi có quang trở,

sẽ thiết lặp module hoạt động ban ngày hoặc ban đêm

Chân VCC: nguồn hoạt động của cảm biến cấpvào từ 4.5V đến 20V

Chân OUT: Output kết nối với chân I/O của vi điều khiển hoặc relay Khi chotín hiệu:

+ 3,3V có vật thể chuyển động qua

+ 0V không có vật thể qua

Chân GND: chân đất nối GND

Chế độ H: Điện áp ra V_out tự động giữ nguyên 3.3V cho đến khi không cònchuyển động

Chế độ L: Điện áp ra V_out tự động chuyển về 0 khi hết thời gian trễ

26

Hình 2.7: Cảm biến chuyển động PIR HC-SR501

Ví dụ kết nối với Arduino

Lưu ý sử dụng

Cài đặt: Khi khởi tạo, module cần thời gian khởi tạo khoảng 1 phút Trong thờigian này, moudle tạo ra điện áp cao từ 1-3 lần sau đó vào chế độ chờ

Điện áp ra 1.5-3.3V, nếu sử dụng I/O 4.5-5.5V bạn nên lắp thêm tran

Nên cố gắng tránh ánh sáng trực tiếp và nguồn nhiễu gần với bề mặt lăng kínhcủa các module, để tránh đưa ra tín hiệu nhiễu, tránh sử dụng môi trường nhiều gió

2.4 Cảm biến tự điều chỉnh ánh sáng theo môi trường

* Cảm biến ánh sáng: Thiết bị cảm biến ánh sáng là một thiết bị cảm biến quangđiện thông minh Chúng có thể chuyển đổi ánh sáng trở thành dạng tín hiệu điện nhờvào thiết kế mắt cảm biến được gắn trên thiết bị này Qua đó sẽ dễ dàng nhận biếtđược những biến đổi trong môi trường và từ đó điều chỉnh ánh sáng phát ra

Ngoài tên gọi là cảm biến ánh sáng thì không ít kỹ sư, người trong ngành cũnggọi thiết bị này là thiết bị quang điện hay cảm biến ảnh Nguyên nhân là do chúng sẽchuyển năng lượng từ ánh sáng (photon) trở thành các năng lượng điện (electron)

- Nguyên lý hoạt động: Cảm biến ánh sáng hoạt động dựa trên nguyên lýcủa hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là hiện tượng một số chất đặc biệt saukhi hấp thụ ánh sáng sẽ chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện

* Hiệu ứng quang điện gồm có:

Hiệu ứng quang điện trong: Hiện tượng quang điện trong thường diễn ra với chấtbán dẫn Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu, năng lượng này sẽ làm thay đổi điện trởsuất bên trong vật liệu gây ra suất điện động làm thay đổi tính chất điện của vật liệu.Hiệu ứng quang điện ngoài: Khi bề mặt của vật liệu được chiếu bởi ánh sáng,các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng để tạo ra điện Khi các điện tử từ bên trong vật liệubật ra ngoài bề mặt của vật liệu sẽ tạo ra hiệu ứng quang điện ngoài

Hình 2.8: Cảm biến ánh sáng

* Cách thức hoạt động:

– Các bộ phát quang hoạt động như điện trở thông thường Tuy nhiên, sự thayđổi điện trở sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào ánh sáng môi trường Nếu cường độ ánh sángcao sẽ làm giảm điện trở và ngược lại

– Nguyên lý này sẽ làm đèn sáng khi trời tối và tắt khi trời sáng

* Ưu và nhược điểm của thiết bị cảm biến ánh sáng

- Ưu điểm:

+ Là thiết bị có thiết kế nhỏ gọn, thông minh, hiện đại

+ Cảm biến ánh sáng có chức năng bật/ tắt đèn tự động nhờ vào khả năng nhậnbiết các tín hiệu thay đổi của môi trường

+ Có khả năng tiết kiệm điện tối ưu

+ Tiện ích cho các môi trường nhà ở, công ty, doanh nghiệp,

+ Dùng được trong nhiều nơi mà không cần lo lắng phải bật/ tắt công tắc điệnnhư các thiết bị thông thường

- Nhược điểm: Vì tính nhạy của cảm biến ánh sáng khó dùng được ở nơi xuấthiện quá nhiều nguồn sáng hay thường xuyên có vật thể chuyển động Đây là nhượcđiểm nhỏ của thiết bị tiện ích này

* Công dụng

- Những thiết bị này có thể nhận biết, cảm nhận rất nhạy các thay đổi từ môitrường xung quanh (ánh sáng) để từ đó thay thế được sức người trong việc hỗ trợ phátsáng tự động mà không cần điều chỉnh hay thiết lập thời gian

- Cảm biến tự động bật/ tắt đèn cực kỳ thân thiện với người dùng Ngày trước chỉđược ứng dụng nhiều cho các thiết bị điện công cộng như đèn đường thì bây giờ đãđược mở rộng sang sử dụng cho cá nhân, hộ gia đình

28