Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Thiết kế mạch chiếu sáng tự động

Qua quá trình hướng dẫn và giúp đỡ của thầy giáo “T.S LÊ LĂNG VÂN” đãgiúp em tìm hiểu và hoàn thành việc “Thiết kế và chế tạo mạch chiếu sáng tự động”phục vụ nhu cầu chiếu sáng của con n

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển hơn, hiện đại hơn, con người đòi hỏi những nhucầu đáp ứng sự tiện nghi, thoải mái trong công việc và đời sống xã hội Việc ứng

dụng các công nghệ điều khiển tự động trên hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sốngnhằm đáp ứng các nhu cầu cần thiết của con người Đó là một tiêu chuẩn đánh giá

sự phát triển của từng vùng miền, từng khu vực, trong quá trình hiện đại hóa củađất nước, bên cạnh đó giảm được sự tác động trực tiếp của con người, tiết kiệm thờigian, năng lượng, công sức và tiền bạc

Qua quá trình hướng dẫn và giúp đỡ của thầy giáo “T.S LÊ LĂNG VÂN” đãgiúp em tìm hiểu và hoàn thành việc “Thiết kế và chế tạo mạch chiếu sáng tự động”phục vụ nhu cầu chiếu sáng của con người, tiết kiệm điện năng, sử dụng được rộngrãi trong các căn nhà Trong quá trình làm việc có những sai sót, rất mong nhậnđược những góp ý của các thầy giáo và cô giáo

Sinh viện thực hiệnNguyễn Văn Hoàng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH CHIẾU SÁNG TỰ ĐỘNG 1.1 Mạch chiếu sáng tự động và ứng dụng

Với vài trò chiếu sáng không thể thiếu giúp con người có thể di chuyển, hoạtđộng làm việc thì việc sử dụng ánh sáng là cần thiết Tuy nhiên việc sử dụng ánhsáng sao cho hiệu quả với từng hoạt động, từng thời điểm là không dễ dàng Vào

ban ngày ánh sáng nhận được từ bức xạ mặt trời cung cấp tự nhiên được sự dụngkhông hạn chế Tuy nhiên khi thời điểm trong ngày kết thúc, thì nhu cầu ánh sángvẫn phải đảm bảo phục vụ cho các hoạt động của con người Con người đã tạo raánh sáng nhân tạo từ các bóng đèn chiếu sáng dựa trên các nguồn năng lượng khác,chủ yếu là điện năng Điện năng sử dụng cho hệ thống chiếu sáng ảnh hưởng tớinhu cầu sử dụng điện lên ngành điện lực, làm tăng chi phí kinh thế phải chi trả Bàitoán tiết kiệm năng lượng đang được con người chú trọng và quan tâm, vì vậy tacần sử dụng điện năng hiệu quả tối đa, tránh lãng phí.

Với dân số Việt Nam đang tăng lên và sự phát triển của xã hội thì nhu cầu sửdụng điện năng không ngừng tăng cao

Bảng 1-1: Nhu cầu sử dụng điện năng ở các lĩnh vực

Ở Việt Nam, mức điện năng tiêu thụ đang ở mức báo động, nguyên nhân là

do công nghệ tổ chức sản xuất lạc hậu và sử dụng điện năng lãng phí không đúngmục đích

Theo số liệu thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), lượng điệntiêu thụ của hệ thống chiếu sáng trên toàn quốc chiếm khoảng 25(%) tổng lượngđiện tiêu thụ Có nghĩa là lượng điện năng cấp cho hệ thống chiếu sáng chiếm tỷtrọng lớn trong tổng lượng điện tiêu thụ Tiết kiệm điện năng trong hệ thống chiếusáng, trong hệ thống điện, là một yêu cầu cấp bách được đặt ra cần phải được thựchiện Nếu tiết kiệm triệt để trong hệ thống chiếu sáng sẽ giúp tiết kiệm năng lượngđến 40 (%) Hiện nay có ba giải pháp tiết kiệm điện năng được áp dụng cho lĩnhvực chiếu sáng:

• Sử dụng tối đa nguồn ánh sáng tự nhiên

• Thay thế các bóng đèn sợ đốt bằng các bóng đèn chiếu sáng tiết kiệm điện

• Thiết kế hệ thống chiếu sáng phù hợp với không gian và tính chất mục đích

sử dụng

1.2 Thế nào là một mạch chiếu sáng tự động:

Mạch chiếu sáng tự động là mạch điện gồm các phần tử liên kết lại với nhau

có nhiệm vụ cung cấp hoặc ngắt dòng điện đến thiết bị chiếu sáng Quá trình cungcấp hoặc ngắt dòng này được thực hiện một cách tự động và được quyết định vàocác đại lượng tín hiệu mà người chế tạo đã cài đặt ban đầu Ngoài ra còn có một sốmạch có khả năng tự điều chỉnh cường độ sáng, màu sắc, vv… sao cho phù hợpvới không gian và yêu cầu sử dụng

Các tín hiệu thường được dùng để điều khiển:

• Cường độ sáng: ánh sáng tại mỗi thời điểm trong ngày là khác nhau Sự thayđổi đó đặc trưng bởi cường độ sáng và được nhận biết bằng các quang trở,điện trở của quang trở sẽ thay đổi khi ánh sáng thay đổi

• Thời gian chiếu sáng: việc chiếu sáng được thực hiên nhờ các mạch hẹn giờ,thông qua bộ đếm dao động để điều chỉnh quá trình đóng ngắt mạch

• Các chuyển động: được xác định bằng các cảm biến hồng ngoại, khi conngười chuyển động hướng vuông góc với các trùm tia chiếu, thân nhiệt ngườiphát ra các bức xạ hồng ngoại và kích hoạt vào mắt cảm biết, dựa vào sựthay đổi đó để bộ điều khiển có thể đóng ngắt mạch điện

Ngoài ra các tín hiệu từ cảm biến siêu âm được sử dụng để phát hiện âm thanhcủa con người, làm tín hiệu điều khiển cho việc đóng ngắt mạch

1.2.1 Ứng dụng của mạch chiếu sáng tự động

Mạch chiếu sáng tự động được sử dụng rỗng rãi trong đời sống tại mỗi hộ gia đình, trong sản xuất và kinh doanh tại các nhà máy, xí nghiêp, hệ thống chiếu sáng

ở đường phố, công viên khu vực công cộng v.v…

a) Chiếu sáng tự động ở đường phố, công viên, khu công cộng

Ánh sáng giúp con người quan sát các phương tiện khác cùng di chuyển, nhậnbiết các tín hiệu giao thông để điều khiển phương tiện an toàn với người và phươngtiện, tránh những va chạm, tai nạn xảy ra Các loại mạch chiếu sáng tự động được

sử dụng và được lắp đặt chiếu sáng khi trời về tối, thời gian chiếu sáng được điềuchỉnh theo thời gian chiếu sáng của mặt trời trong ngày và các ngày trong một mùa

Hình 1.1 Mô hình mạch chiếu sáng cho hệ thống đèn chiếu đường

b) Phục vụ các hoạt động sinh hoạt trong hộ gia đình:

Mạch chiếu sáng tự động có thể sử dụng cảm biến quang hay cảm biến chuyểnđộng Các cảm biến có thể nhận biết sự thay đổi cường độ sáng và sự xuất hiện củacon người Khi có các tín hiệu nhận được thì lập tức các mạch chiếu sáng hoạtđộng, như vậy con người sẽ có được sự chiếu sáng khi cần thiết Các khu vực cần

được lắp đặt trong căn nhà như: tại cửa ra vào, hành lang đi lại, vị trí cầu thang, bốtrí tại hầm để xe, khu vực vệ sinh, hay những nơi mà ánh sáng ban ngày không thểchiếu sáng tới đó.

Hiện nay tại công ty Bkav Smart Home đã sản xuất thành công một số thiết bịchiếu sáng tự động và được sử dụng tại các khu vực khác nhau trong những cănnhà tiện nghi

Hình 1-2: Thiết bị bật tắt đèn tự động gắn trần, gắn tường

c) Ứng dụng trong hệ thống bảo vệ, tránh kẻ gian đột nhập vào ban đêm.

Thiết bị cảm biến được lắp đặt xung quanh ngôi nhà, khi kẻ gian đột nhập và

di chuyển ngang qua vùng cảm biến nhận biết, đèn được bật sáng khiến kẻ giangiật mình, đồng thời báo hiệu cho người chủ của ngôi nhà biết được mối nguyhiểm và có phương án dự phòng

d) Ứng dụng mạch chiếu sáng tự động trong việc điều khiển tín hiệu đèn giao thông

Tại các ngã rẽ, khuc vực giao nhau giữa các tuyến đường, tránh hiện tượng vachạm, người ta dùng các đèn giao thông để chỉ thị khoảng thời gian cho phépngười điều khiển phương tiện đi tiếp, khoảng thời gian dừng phương tiện lại Cáckhoảng thời gian tương ứng vào khoảng thời gian đèn sáng và được thay đổi luân

phiên, qua đó người tham gia giao thông có thể nhận biết và thực hiện đúng cácchỉ dẫn giao thông.

Hình 1-3: Đèn điều khiển tín hiệu giao thông

1.2.2 Ưu nhược điểm của mạch chiếu sáng tự động

a) Ưu điểm:

Giải phóng hoạt động của con người: công việc bật tắt đèn được diễn ra mộtcách tự động, không phải cần sự tác động trực tiếp từ con người, ta cũng không cònphải suy nghĩ rằng mình đã quên tắt đèn hay chưa

Tạo cảm giác thoải mái, tiện nghi: con người không phải nhớ rõ vị trí công tắcđèn nữa, nhất là đối với những người tuổi cao hay những vị khách đến chơi nhàkhông phải khó khăn để bật được đèn sáng, mọi thứ trở nên đơn giản, dễ dàng hơnNâng cao tính an toàn cho tài sản và cuộc sống: chiếu sáng báo hiệu khi có kẻgian đột nhập

Tiết kiệm điện năng và tiền bạc: khi hệ thống chiếu sáng được sử dụng vàođúng thời điểm, đúng nhu cầu sử dụng thì việc tiết kiệm điện năng được cải thiện rõrệt, giảm chi phí kinh tế cho nhu cầu sử dụng điện của mỗi gia đình

Dễ dàng lắp đặt và sử dụng: thiết bị không quá phức tạp, hầu hết mọi ngườiđều có thể sử dụng.Với giải pháp lắp đặt hệ thống chiếu sáng tự động, chúng ta cóthể áp dụng trên phạm vi từ các hộ gia đình đến phạm vi toàn bộ nhu cầu chiếusáng của các nhà máy, xí nghiêp, trường học và toàn thể quốc gia.

b) Nhược điểm

Chưa thống nhất một quy chuẩn trên thị trường: Ngày càng có nhiều công nghệ

do các nhà cung cấp đưa ra, vì vậy để ứng dụng rộng rãi và hiệu quả thì việc cáccông ty gia nhập các hiệp hội tiêu chuẩn là rất cần thiết

Nhận xét: Qua những hiệu quả và những ý nghĩa to lớn mà mạch chiếu sáng tự

động mang lại cho con người và xã hội Em thấy việc tìm hiểu và nghiên cứu mạchchiếu sáng tự động là cần thiết, góp phần nhỏ trong công cuộc ứng dụng công nghệvào đời sống xã hội, đưa mức tiện nghi lên cao, tiết kiệm nguồn năng lượng điệncho quốc gia

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Linh kiện bán dẫn transistor

a) Cấu tạo của Transistor

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp N), nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN

(P-ta được Transistor ngược

Hình 2-1 Cấu tạo transistor

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực

• Cực gốc B (Base): nằm ở giữa và khácloại bán dẫn với hai lớp bán dẫn

còn lại: lớp bán dẫn này rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp

• Cực phát E (Emitter) và cực góp C (Collector): nằm phía ngoài và cùng

là loại bán dẫn với nhau, nhưng nồng độ tạp chất trong 2 lớp bán dẫn làkhác nhau nên không để hoán đổi vị trí cho nhau được

b) Nguyên tắc hoạt động của Transistor

Xét hoạt động của Transistor NPN

Hình 2-2: Nguyên lý hoạt động của transistor NPN

Ta cấp một nguồn một chiều Uce vào hai chân C và chân E, chân C nguồn (+)

và chân E nguồn (-) Cấp nguồn một chiều Ube đi qua công tắc và qua điện trởgiảm dòng vào hai chân B và E, chân B là nguồn (+) và chân E là nguồn (-)

Khi công tắc mở, ta thấy rằng mặc dù hai chân C và E đã được cấp điện nhưngvẫn không có dòng điện chạy qua mối CE (lúc này dòng Ic = 0)

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điệnchạy từ nguồn (+) qua công tắc, qua điện trở giảm dòng, qua mối BE về nguồn (-)tạo thành dòng Ib Ngay khi dòng Ib xuất hiện thì lập tức cũng có dòng Ic chạy quamối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng Ic mạnh gấp nhiều lần dòng Ib, như vậy

rõ ràng dòng Ic hoàn toàn phụ thuộc vào dòng Ib và phụ thuộc theo một công thức:

Trong đó

Ic: dòng chạy qua mối ghép CE Ib: dòng chạy qua mối ghép BE β: hệ số khuyếch đại của Transistor

c) Cách xác định chân E, B, C và thông số của Transistor

Để xác định chân cực của transistor ta dựa vào tên của linh kiện, sau đó tra

“datasheet” theo tên linh kiện để biết được thứ tự các chân cũng như các thông số

kỹ thuật của linh kiện

Các thông số kỹ thuật của Transistor

• Dòng điện cực đại: Là dòng điện giới hạn của transistor, vượt qua dòng giới

hạn này transistor sẽ bị hỏng

• Điện áp cực đại: Là điện áp giới hạn của transistor đặt vào mối ghép CE,

vượt qua điện áp giới hạn này Transistor sẽ bị đánh thủng

• Tấn số cắt: Là tần số giới hạn mà transistor làm việc bình thường, vượt quátần số này thì độ khuyếch đại của transistor bị giảm

• Hệ số khuyếch đại: Là tỷ lệ biến đổi của dòng Ic lớn gấp bao nhiêu lần dòng

Ib

• Công suất cực đại: Khi hoạt động transistor tiêu tán một công suất

P=Uce.Ice nếu công suất này vượt quá công suất cực đại của Transistor thìtransistor sẽ bị hỏng

d) Các kiểu mắc của transistor và những ứng dụng

Mắc theo kiểu E chung

Có tín hiệu đưa vào chân B và lấy tính hiệu ra trên chân C, mạch điện có sơ đồnhư: Hình 2-3

Rpa

Rc VCC

GND Rdt

Hình 2-3: Sơ đồ mắc E chungĐặc điểm của mạch khuếch đại E chung:

Mạch làm việc theo chế độ khuếch đại, tín hiệu ra có cùng với dạng tín hiệuvào Biên độ tín hiệu ra thu được lớn hơn biên độ tín hiệu vào nhiều lần, như vậymạch khuếch đại về điện áp Dòng tín hiệu đầu ra lớn hơn dòng tín hiệu đầu vàonhưng không nhiều

Tín hiệu đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào: vì khi điện áp tín hiệu vào

tăng cũng dẫn tới dòng Ibe tăng và dòng Ice tăng gấp β lần Hiệu điện thế hai đầu

Rc tăng và kết quả làm cho điện áp của chân C giảm Và ngược lại điện áp đầu vàogiảm thì điện áp tại chân C lại tăng, như vậy ta có điện áp ra ngược pha với điện ápvào

Mắc theo kiểu E chung được ứng dụng trong nhiều mạch điển tử Khi ta điềukhiển điện áp tại chân B lúc này transistor hoạt động như một công tắc điện tử chophép phụ tải mắc ra tại chân C có hoạt động hay không hoạt động

Transistor mắc theo kiểu C chung

Mắc theo kiểu C chung có tín hiệu được đưa vào chân B và lấy tín hiệu ra ởchân E, mạch có sơ đồ như Hình 2-4:

Hình 2-4: Sơ Đồ Mắc C chung

Đặc điểm của mạch khuếch đại C chung

Mạch khuếch đại có tín hiệu ra giống với tín hiệu vào Biên độ tín hiệu rabằng biên độ tín hiệu vào Do hiệu điện thế UBE là 0.6 V không thay đổi, cho nênkhi tăng điện áp chân B bao nhiêu thì điện áp chân E cũng tăng lên bấy nhiêu Vìvậy tín hiệu ra có biên đô cùng pha với tín hiệu vào

Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào nhiều lần : vìkhi tín hiệu vào có biên độ tăng dẫn tới dòng Ibe sẽ tăng, dòng Ice cũng tăng gấp(β) lần dòng Ibe

Sơ đồ được ứng dụng nhiều trong các mạch khuếch đại đệm Damper, trướckhi chia tín hiệu làm nhiều nhánh , người ta thường dùng mạch Damper để khuếchđại cho tín hiệu khoẻ hơn Ngoài ra mạch còn được ứng dụng rất nhiều trong cácmạch ổn áp nguồn

Ngoài ra transistor còn được lắp theo sơ đồ mạch B chung, nhưng ít được sửdụng trên các mạch điện tử trong thực tế

2.2 Vi xử lý, vi điều khiển

Là những thiết bị ứng dụng đến công nghệ vi điện tử, công nghệ tích hợp và khả năng xử lý theo chương trình vào các lĩnh vực khác nhau Vi xử lý sử dụng trong các công việc tính toán, còn vi điều khiển được ứng dụng trong các hệ thống điện tử hiện đại với mục đích nhỏ gắn liền với thực tế

a) Cấu trúc của một vi điều khiển

Hình 2-5 Cấu trúc vi điều khiển

Read Only Memory (ROM)

Read Only Memory (ROM) là một loại bộ nhớ được sử dụng để lưu vĩnh viễncác chương trình được thực thi Kích cỡ của chương trình có thể được viết phụthuộc vào kích cỡ của bộ nhớ này ROM có thể được tích hợp bên trong vi điềukhiển hay thêm vào như là một chip gắn bên ngoài, tùy thuộc vào loại vi điềukhiển Cả hai đều có một số ưu nhược điểm Nếu ROM được thêm vào như là mộtchip bên ngoài, các vi điều khiển là rẻ hơn và các chương trình có thể tồn tại lâu

khiển sử dụng với mục đích khác ROM nội thường là nhỏ hơn và đắt tiền hơn,nhưng lại có thêm những lá ghim để kết nối với môi trường ngoại vi Kích thướccủa dãy ROM từ 512B đến 64KB.

Random Access Memory (RAM)

Random Access Memory (RAM) là một loại bộ nhớ sử dụng cho các dữ liệulưu trữ tạm thời và kết quả trung gian được tạo ra và được sử dụng trong quá trìnhhoạt động của bộ vi điều khiển Nội dung của bộ nhớ này bị xóa một khi nguồncung cấp bị tắt

Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM)

EEPROM là một kiểu đặc biệt của bộ nhớ chỉ có ở một số loại vi điều khiển.Nội dung của nó có thể được thay đổi trong quá trình thực hiện chương trình (tương

tự như RAM), nhưng vẫn còn lưu giữ vĩnh viễn, ngay cả sau khi mất nguồn (tương

tự như ROM) Nó thường được dùng để lưu trữ các giá trị được tạo ra và được sửdụng trong quá trình hoạt động (như các giá trị hiệu chuẩn, mã, các giá trị để đếm,v.v ), mà cần phải được lưu sau khi nguồn cung cấp ngắt Một bất lợi của bộ nhớnày là quá trình ghi vào là tương đối chậm

Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR)

Thanh ghi chức năng đặc biệt (Special Function Registers) là một phần của bộnhớ RAM, mục đích của chúng được quy định trước bởi nhà sản xuất và không thểthay đổi được Các thanh ghi dùng có chức năng truy nhập đến ô nhớ dữ liệu, ghi

dữ liệu từ ô nhớ, có một số thanh ghi điều khiển quá trình hoạt động của vi điềukhiển Các bit của chúng được liên kết vật lý tới các mạch trong vi điều khiển như

bộ chuyển đổi A/D, modul truyền thông nối tiếp,… Mỗi sự thay đổi trạng thái củacác bit sẽ tác động tới hoạt động của vi điều khiển hoặc các vi mạch

Bộ đếm chương trình (PC: Program Counter)

Bộ đếm chương trình chứa địa chỉ chỉ đến ô nhớ chứa câu lệnh tiếp theo sẽđược kích hoạt Sau mỗi khi thực hiện lệnh, giá trị của bộ đếm được tăng lên một,

do đó nên chương trình chỉ thực hiện được được từng lệnh trong một thời điểm

Central Processor Unit (CPU)

Đây là một đơn vị có nhiệm vụ điều khiển và giám sát tất cả các hoạt độngbên trong vi điều khiển và người sử dụng không thể tác động vào hoạt động của nó,bao gồm một số đơn vị nhỏ hơn, trong đó quan trọng nhất là:

• Bộ giải mã lệnh có nhiệm vụ nhận dạng câu lệnh và điều khiển các mạchkhác theo lệnh đã giải mã Việc giải mã đươc thực hiện nhờ có tập lệnh

“instruction set” Mỗi họ vi điều khiển thường có các tập lệnh khác nhau.Arithmetical Logical Unit (ALU) thực thi tất cả các thao tác tính toán số học

Bộ dao động (Oscillator)

Hình 2-6 Bộ dao động thạch anh

Bộ dao động đóng vai trò làm nhiệm vụ đồng bộ hóa hoạt động của tất cả cácmạch bên trong vi điều khiển Nó thường được tạo bởi thạch anh hoặc gốm để ổnđịnh tần số, các lệnh không được thực thi theo tốc độ của bộ dao động mà thườngchậm hơn, bởi vì mỗi câu lệnh được thực hiện qua nhiều bước Mỗi loại vi điềukhiển cần số chu kỳ khác nhau để thực hiện lệnh

Các cổng vào/ra (I/O Ports)

Để vi điều khiển có thể hoạt động hữu ích, nó cần có sự kết nối với các thiết bịngoại vi Mỗi vi điều khiển sẽ có một hoặc một số thanh ghi (được gọi là cổng)được kết nối với các chân của vi điều khiển

Hình 2-7: Cổng vào ra I/O

Truyền thông nối tiếp

Hình 2-8: Truyền thông nối tiếpKết nối song song giữa vi điều khiển và thiết bị ngoại vi được thực hiện quacác cổng vào/ra là giải pháp lý tưởng với khoảng cách ngắn trong vài mét Tuynhiên khi cần truyền thông giữa các thiết bị ở khoảng cách xa thì không thể dùngkết nối song song, vì vậy truyền thông nối tiếp là giải pháp tốt nhất

Ngày nay, hầu hết các vi điều khiển có một số bộ điều khiển truyền thông nốitiếp như một trang bị tiêu chuẩn Chúng được sử dụng phụ thuộc vào nhiều yếu tốkhác nhau như:

• Bao nhiêu thiết bị vi điều khiển muốn trao đổi dữ liệu

• Tốc độ trao đổi dữ liệu

Xung nhịp bên trong vi điều khiển : là xung nhịp được tao ra nhờ kết hợp mạch dao động bên trong vi điều khiển, trong trường hợp này người ta gọi chúng làcác bộ định thời (Timers) Xung nhịp được tạo ra một cách đề đặn nên có thể dùng làm đếm thòi gian một cách chính xác.

Xung nhịp bên ngoài vi điều khiển: đó là tín hiệu thay đổi liên tục giữa hai mức logic và chúng không nhất thiết phải đều đặn, trong trường hợp này người ta gọi chúng là các bộ đếm (Counters), ứng dụng là sử dụng đếm các sản phẩm bằng chuyền, người ra vào qua cửa…

b) Hoạt động của vi điều khiển

Mặc dù đã có rất nhiều họ vi điều khiển được phát triển cũng như nhiềuchương trình điều khiển tạo ra cho chúng, nhưng tất cả chúng vẫn có một số điểmchung cơ bản

• Điện áp nguồn nuôi đạt đến giá trị tối đa của nó và tần số giao động trở nên

ổn định Các bit của các thanh ghi SFR cho biết trạng thái của tất cả cácmạch trong vi điều khiển Toàn bộ vi điều khiển hoạt động theo chu kỳ củachuỗi xung chính

• Thanh ghi bộ đếm chương trình (Program Counter) được xóa về 0 Câu lệnh

từ địa chỉ này được gửi tới bộ giải mã lệnh sau đó được thực thi ngay lập tức

• Giá trị trong thanh ghi PC được tăng lên một và toàn bộ quá trình được lặplại vài … triệu lần trong một giây

Ngăn xếp: là một đoạn bộ nhớ (thường đặt trong RAM) dùng để chứa dịa chỉtrở về trong các trường hợp phục vụ chương trình con hoặc ngắt khi được gọi.Ngăn xếp cũng dùng để lưu các dữ liệu tạm thời., tham gia vào các hoạt động rẽnhánh của chương trình Thanh ghi con trỏ ngăn xếp (SP-Stack pointer) là thanhghi có nội dung là địa chỉ của ô nhớ trên cùng của ngăn xếp Ngăn xếp hoạt độngtheo cơ chế “ vào sau ra trước” ( LIFO-Last In First Out) nên người lập trình cầnphải cẩn thận để tránh xảy ra hiện tượng tràn ngăn xếp, các nội dụng địa chỉ xếptrùng lên nhau, khi CPU thực hiên sẽ gây ra hậu quả nghiêm trọng với hệ thống

Hoạt động ngắt

Ngắt là những yêu cầu đột xuất, do các phần cứng tích hơp trên IC hoặc nhữngtác động từ bên ngoài gửi tới CPU nhằm đòi hỏi những đáp ứng nhất định, khi đápứng xong chương trình chính tiếp tục được thực thi nhờ hoạt động của ngăn xếp

c) Viết Chương trình cho vi điều khiển

Để vi điều khiển hoạt động theo đúng mong muốn sử dụng, vi điều khiển cầnphải lập trình trước Để viết một chương trình cho vi điều khiển, có một vài ngôn

ngữ lập trình bậc thấp có thể sử dụng như Assembly, ngôn ngữ bậc cao C hayBasic Viết một chương trình bao gồm việc viết các câu lệnh đơn giản theo một thứ

tự để chúng có thể thực thi Có rất nhiều phần mềm chạy trên môi trường Windowscho phép xây dựng các chương trình hoàn chỉnh cho các họ vi điều khiển

d) Ứng dụng của vi điều khiển

Vi điều khiển được ướng dụng rộng dãi trong nhiều hệ thống điện tử như: Hệthống điều khiển động cơ trong các phương tiện giao thông, các thiết bị đo điện tử,các thiết bị nghe nhìn Tivi, CD/ DVD , radio Ngoài ra còn được sử dụng trong các

hệ thống cảnh báo nguy hiểm, hệ thống báo cháy và các hệ thống sử dụng cảmbiến

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH CHIẾU SÁNG TỰ ĐỘNG

3.1 Mạch chiếu sáng khi trời tối

Yêu cầu đặt ra: mạch làm việc khi cường đồ sáng trong phòng giảm, không đủđáp ứng cho ánh sáng cho người làm việc

3.1.1 Sơ đồ thiết kế:

Khối đầu vào: là khối chức năng cung cấp tín hiệu cho khối so sánh, tín hiệu

của khối đầu vào bị thay đổi bởi các yếu tố bên ngoài tác động Khối đầu vào cầnphải thể hiện rõ sự khác biệt khi trời sáng và khi trời tối

Khối điểu chỉnh: là khối chức năng cung cấp tín hiệu vào khối so sánh, tín

hiệu của khối điều chỉnh sẽ không bị thay đổi trong quá trình mạch điều khiển làmviệc Người sử dụng có thể thiết lập giá trị cho tín hiệu của khối điều chỉnh và chọn

đó làm tín hiệu chuẩn, để so sánh với tín hiệu thay đổi của khối đầu vào

Khối so sánh: là khối chức năng nhận tín hiệu thay đổi từ khối đầu vào, kết

hợp với những tín hiệu không đổi của khối điều chỉnh Khối sẽ tiến hành so sánh vàđưa thông tin điều khiển phù hợp với sự thay đổi của khối đầu vào

Khối chấp hành: nhận tín hiệu từ khối so sánh, sau đó thực hiện các đáp ứng

các yêu cầu mà người sử dụng mong muốn

Hình 3-1: Sơ đồ các khối chức năng Khối đầu vào Khối so sánh Khối chấp hành

Khối điều chỉnh

Q1 C1815

1 2 3 4

2

8 IC?A

LM358

Hình 3-2 Nguyên lý làm việc của mạch chiếu sáng khi trời tối

a) Khối đầu vào

+ Quang trở LRD: thay đổi giá trị điện trở của quang trở theo cường độ sáng chiếu

vào, giá trị điện trở từ 20 (Ω) đến hàng MeGA (Ω)

+ Điện trở R1: kết hợp với quang trở LRD tạo thành một mạch phân áp, được đặt

vào chân (3) của IC LM358

b) Khối điều chỉnh

Được điều chỉnh bởi biến trở RV có giá trị điện trở điều chỉnh là 500(kΩ), điềuchỉnh tỷ số điện trở giữa các cặp chân với nhau, ta được một điện áp đặt vào chân(2) của LM358

c) Khối so sánh

Sử dụng IC LM358, chức năng của linh kiện này là so sánh điện áp tại chân(3) và chân (2) trong cùng một thời điểm Việc so sánh được thực hiện và đưa rađiện áp ra tại chân (1) Điện áp được đưa ra có hai mức, mức điện áp cao và mứcđiện áp thấp.

Hình 3-3: Ví trị các chân của LM358Thông số kỹ thuật: (tra theo datasheet)

Điện áp nguồn sử dụng: Vcc 16 (V) hoặc 32(V)

Loại DIP 8 chân công suất P = 500(mW)

Điện áp ra: Vcc=30(V), RL= 10(kΩ) thường cho VoH min= 27(V)

Với Vcc = 5(V), RL 10 (kΩ) cho VoL min = 20 (mV)Dòng ra: với nguồn Vcc = 15(V) thì Io min = 10 (mA)

d) Khối chấp hành :

Nhận tín hiệu từ khối xử lý và thực hiện công việc điều khiển đóng cắt mạch, gồm các linh kiện sau:

+ Rơle12V: thực hiện công việc đóng mạch điện xoay chiều khi có dòng một chiều

đi qua cuộn dây, và ngắt mạch khi không có dòng đi qua cuộn dây

Hình 3-4: Sơ đồ chân của rơle Thông số của rơle :

Coil resistanceat (20°C, 68°F) : 400Ω) (±10%)

Nominal operating current (at 20°C, 68°F) : 30 (mA) (±10%)

+ transistor C1815: điều khiển và dẫn dòng đi qua khi điện áp cấp ở chân B ở mức

cao, và không có dòng đi qua khi điện áp ở chân B ở mức thấp

Tra thông số của transistor:

Hình 3-5 : Vị trí chân của transistor C1815Transistor C1815 là transistor thuộc loại transistor NPN

C1815 có Vcmax = 50(V) dòng Icmax = 150 (mA)

Hệ số khuếch đại hFE của C1815 trong khoảng 25 đến 100

Thứ tự các chân từ trái qua phải: E C B

Với Ic=100 (mA), Ib=1 (mA), thì hiệu điện thế Ucemax 0,25 (V) và hiệu điện thế Ubemax là 1(V).

+ Điện trở R3: giảm dòng đi vào cực B transistor, để transistor không bị cháy.

+ Diode D1: bảo vể dòng ngược sinh ra từ cuộn dây của rơle sinh ra làm hỏng

transistor

Ngoài ra ta cần thêm một đèn led báo và điện trở R4 để tránh cháy led ở điện áp ởmức cao

3.1.3 Nguyên lý hoạt động của mạch:

Khi trời sáng, cường độ sáng chiếu vào quang trở lớn, giá trị điện trở củaquang trở nhỏ, điện áp đặt vào chân (3) của LM358 thấp, giá trị điện áp tại chân (3)nhỏ hơn mức điện áp được điểu chỉnh tại chân (2) của LM358 Kết quả là điện ápđưa ra tại chân (1) ở mức thấp, transistor bị khóa, không có dòng qua cuộn dây củarơle, tiếp điểm thường mở không đóng, bóng đèn không sáng

Khi trời tối, cường độ sáng chiếu vào quang trở nhỏ, điện trở của quang trởtăng cao, điện áp đặt vào chân (3) của LM358 cao, giá trị điện áp tại chân (3) lớnhơn mức điện áp đặt tại chân (2) của LM358 Kết quả là điện áp được đưa ra tạichân (1) ở mức cao, transistor được dẫn, xuất hiện dòng ic qua cuộn dây của rơle,lõi thép của rơle trở thành một nam châm điện đóng hút cặp tiếp điểm thường mở,

do đó bóng đèn phát sáng Điện áp đưa ra tại chân (1) của LM358 cũng làm sángđèn led báo hiệu cùng với thời điểm rơle đóng

3.1.4 Tính toán các thông số của mạch

Ta gọi:

Điện áp đặt vào chân (3) của LM358 là V3

Điện áp đặt vào chân (2) của LM358 là V2

Điện áp ra tại chân (1) của LM358 là V1

Điện trở của quang trở thay đổi là R2

Ta tính được trị số điện áp tại chân (3) và chân (2) của khối so sánh:

2 3

Vcc R V

Vcc VR V

VR2: điện trở giữa chân (2) và chân (3) của biến trở 500 (kΩ)

VR1: điện trở giữa chân (1) và chân (2) của biến trở 500 (kΩ)

Xét điều kiện để điện áp ra tại chân (1) ở mức cao:

Chọn: R1 = 100(kΩ)

Rơle được mắc trên chân C của transistor, để rơle có thể đóng cắt cần cungcấp dòng đi qua cuộn dây 30(mA) ta có thể chọn dòng ic qua rơ le, dòng ic= 0.03(A)

Theo công thức ta có:

Giả sử điện áp ra tại chân (1) tại LM358 ở mức cao có điện áp 12 (V),

transistor làm việc hệ số khuếch đại βmax = 100, Ube=0,7 (V) Ta tính được dòngđược dẫn qua cực B là:

0,03

0,0003 (A) 100

ic ib

β

Với Ube = 0,7 V ; Ue =0 (V) nên ta có Ub = 0,7 (V)

Theo định luật ôm, giá trị điện trở R3 cần mắc vào cực B của transistor là:

3

12 0,7

37666, 666 ( ) 0,0003

Ta có thể lựa chọn giá trị R3 < 37,666 (Ω) để transistor có thể làm việc trongkhoảng không vượt quá hệ số khuếch đại cho phép mà transistor C1815 có thể đápứng

Ta có thể chọn điện trở là R4= 680 (Ω)

3.1.5 Chế tạo mạch in, lắp rắp linh kiện

Sử dụng phần mềm thiết kế mạch in Altium design

Gồm các bước sau:

+Vẽ sơ đồ nguyên lý cho mạch tự động

+Sắp xếp linh kiện và nối dây từ mạch nguyên lý

+Xuất ra file.pdf để có thể in ra giấy, làm mạch in thủ công

+Lắp ráp và cố định linh kiện

a) Khởi động chương trình

Mở chương trình khởi động phần mềm “altium design” thông qua biểu

tượng trên desktop của máy tính hoặc vào biểu tượng trong thư mục đã chọn càiđặt chương trình trên máy tính, giao diện được hiển thị như sau:

Hình 3.6: Giao diện khởi động Altium design

b) Tạo một file mới

Để vẽ một mạch in ta cần tạo một file mới, file mới này sẽ cho phép truy cậpcác linh kiện sử dụng trong mạch nguyên lý sang sơ đồ mạch in, các bước thực hiệnnhư sau:

File / new / project / PCB project

Hình 3.7: Khởi tạo file “Project”

File mới có dạng (… PrjPcb), để chuẩn bị cho việc thiêt kế, ta cần lưu file

vừa tạo, đặt tên file và chọn vị trí lưu của file mới lên máy tính

Trong hộp thoại Projects ,chuột phải vào file mới (… PrjPcb), đưa vị trí

chuột tới “save Project”.Sau đó thực hiện đặt tên và lưu file lên máy tính.

Hình 3-8: Đặt tên và lưu File “Project”

Vẽ sơ đồ mạch nguyên lý và sơ đồ mạch in trong file “Project” vừa tạo, để hai

sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in có thể liên kết và truy nhập được với nhau

c) Vẽ mạch nguyên lý

Cần thực hiện vẽ sơ đồ nguyên lý của mạch chiếu sáng tự động trong phần file

“Project” vừa khởi tạo để việc vẽ sơ đồ mạch in tự động trở nên dễ dàng hơn, cácthao tác tiến hành :

Kích chuột phải vào file “Project” (…….PrjPcb ) /add new to project / chọn

Schematic

Hình 3-9: Khởi tạo file “Schemactic”

Giao diện màn hình vẽ mạch sơ đồ nguyên lý cung cấp cho một khung bản vẽ

để có thể đặt các linh kiện trong khung bản vẽ , tên file “Schematic” vừa tạo được

có dạng (……SchDoc)

Vẽ các linh kiện cần sử dụng trong mạch như: điện trở , transistor, quang trở,

rơ le….Trong thư viện của Altium Design cung cấp các lịnh kiện chuẩn, để chongười sử dụng có thể thao tác và thiết kế mạch trở nên đơn giản hơn

Kích chuột và mục “System” phía góc phải bên dưới màn hình, chọn

“libraries” để mở hộp thoại Libraries

Hình 3-11: Hộp thoại Libraries

• Di chuyển chuột để có thể chọn linh kiện mà ta cần sử dụng:

• Ví dụ : muốn lấy điện trở, ta gõ từ khóa “res” vào ô tìm kiếm trong thư viện

• Chọn lấy linh kiện và sơ đồ chân ta cần sử dụng, kích chuột vào “ place …” ở

góc phải phía trên của hộp thoại “libraries”, sau đó di chuyển về khung bản vẽ

Hình 3-12: Thao tác linh kiện trong thư viện LibrariesThực hiện các thao tác tương tự cho đến khi ta lấy đủ các linh kiện cần phải sửdụng trong mạch nguyên lý

Hình 3-13: Linh kiện sử dụng trong mạch chiếu sáng khi trởi tối

Sau khi đã có đầy đủ các linh kiện cần sử dụng, cần thực hiện thao tác nối dây liên kết các linh kiện lại với nhau

Hình 3-1: Mạch liên kết các linh kiệnNhư vậy ta đã vẽ xong mạch nguyên lý, tiến hành đặt tên cho mạch nguyên lý vừa tạo được và lưu mạch nguyên lý lên máy tính, các thao tác tiến hành lưu file

“Schematic” (….SchDoc) thực hiện tương tự như với cách đặt tên và lưu file

“Project”.(…….PrjPcb )

d) Vẽ mạch in từ mạch nguyên lý

Sau khi vẽ xong sơ đồ mạch nguyên lý, cần vẽ sơ đồ mạch in trong cùng một file “Project” để có thể liêt kết giữa hai sơ đồ mạch với nhau, các thao tác tiến hành :

Chuột phải vào file “Project” (….PrjPcb) / add new to Project / PCB

Giao diện vẽ mạch in sau khi tạo mới, và được định dạng dưới dạng file

“PCB” (… Pcb.Doc)

Hình 3-2: Giao diện sử dụng mạch inTiến hành đặt tên mới cho file “PCB”(…PcbDoc) và lưu trên máy tính, cách

làm giống với khi ta lưu file “Schematic” (…SchDoc).

Như vậy ta đã tiến hành xong bước khởi tạo mạch in, giờ cần chuyển sơ đồ mạch nguyên lý sang mạch in Quay trở lại giao diện của mạch nguyên lý, sau đó

Chọn “ Design” / Up date PCB Document…….PcbDoc

Hộp thoại Engineering Change Order được mở ra, làm theo các bước

Hình 3-3: Hộp thoại Engineering Change Order

+ kích chuột vào “validate change”

+kích chuột vào “execute change”

Sau đó đóng hộp thoại Engineering Change Order sẽ được giao diện mới: