Thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thống cửa. Hệ thống chiếu sáng và cung cấp điện từ nguồn dự phòng một chiều cho ngôi nhà thông minh

Vận dụng các lý thuyết đã học, tìm hiểu các linh kiện điện tử có trong thực tế và sử dụng phần mềm chuyên dụng để thiết kế và thi công các mạch điện như sau: o Bộ nguồn tự động chuyển đổ

Trang 1

MỘT CHIỀU CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Cán bộ hướng dẫn: ThS NHỮ KHẢI HOÀN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN HUY

Khóa 51

Khánh Hòa, 2013

Trang 2

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

MỘT CHIỀU CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Cán bộ hướng dẫn: ThS NHỮ KHẢI HOÀN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN HUY

Khóa 51 (2009 – 2013)

Khánh Hòa, 2013

Trang 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên người nhận xét:

Tên đồ án: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG CỬA HỆ

THỐNG CHIẾU SÁNG VÀ CUNG CẤP ĐIỆN TỪ NGUỒN DỰ PHÒNG MỘT CHIỀU CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Hệ: Chính quy

Khóa: 51 (2009 - 2013)

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Chất lượng hình thức

2 Chất lượng nội dung

Khánh Hòa, ngày tháng năm 2013

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

Bằng số Bằng chữ

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Lịch sử nhân loại đã chứng kiến những cuộc cách mạng về khoa học kĩ thuật và gần đây nhất là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin Các sản phẩm của công nghệ điện tử đã đi sâu vào đời sống của mỗi quốc gia, vùng lãnh thổ và cuộc sống của mỗi con người chúng ta Nhờ đó con người đã nâng cao năng suất và ứng dụng các sản phẩm tự động hóa ngày một hiệu quả hơn đem lại cuộc sống tốt đẹp hơn

Cuộc sống của con người ngày một phát triển đồng nghĩa với việc nhu cầu về vật chất cũng như tinh thần càng được nâng cao Vì vậy việc chế tạo và sản xuất các sản phẩm tự động hóa, thông minh và tiện lợi là rất cần thiết Các sản phẩm đó thường trực ngay trong mỗi gia đình sẽ tạo cho người sử dụng những tiện nghi nhất định, và trên hết là đảm bảo an toàn cho người sử dụng

Với mục đích bổ sung kiến thức và kỹ năng nghề nghiệp làm tiền đề cho quá trình công tác sau này cũng như có thể đáp ứng yêu cầu của xã hội em chọn đề tài

“Thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thống cửa Hệ thống chiếu sáng và cung

cấp điện từ nguồn dự phòng một chiều cho ngôi nhà thông minh ” Trong quá trình

thực hiện đề tài, em đã thiết kế và tính toán sao cho quá trình làm việc của mạch điện

là tốt nhất và ổn định nhất Tuy nhiên do kinh nghiệm còn ít nên còn gặp những thiếu sót Kính mong quý thầy cô, anh chị, cùng các bạn đóng góp ý kiến để em có thêm kinh nghiệm và hoàn thành nhiệm vụ tốt nhất

Qua đây, em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Th.S NHỮ KHẢI HOÀN đã tận tình giúp đỡ, định hướng cho em trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài tốt nghiệp

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử Trường Đại Học Nha Trang, các bạn sinh viên trong tập thể lớp 51DDT, các anh chị đi trước cũng như các em khóa sau đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án, đóng góp những ý kiến bổ ích và giá trị khi thực hiện đề tài này

Nha Trang, tháng 06 năm 2013

Sinh viên Nguyễn Văn Huy

Trang 5

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công thực tế các mạch điện tử mang tính tự động hóa Vận dụng các lý thuyết đã học, tìm hiểu các linh kiện điện tử có trong thực tế và sử dụng phần mềm chuyên dụng để thiết kế và thi công các mạch điện như sau:

o Bộ nguồn tự động chuyển đổi và hòa đồng bộ giữa nguồn điện lưới và nguồn dự phòng Nguồn dự phòng ở đây là Ắc quy 12V một chiều được nghịch lưu thành 220V xoay chiều tần số 50Hz với công suất là 500W

o Mạch bơm nước tự động có khả năng bơm theo các mức tùy người sử dụng đặt sẵn(8 mức) Hiển thị mức nước trong bồn chứa một cách rõ ràng Có bảo

vệ bơm không tải tức là ngừng hoạt động khi máy bơm hoạt động mà không

có nước Cảnh bảo sự cố bằng đèn hoặc còi

o Mạch đèn tự động bật tắt khi có người hoặc không có người sử dụng cảm biến thân nhiệt kết hợp với cảm biến ánh sáng

o Mạch cửa tự động đóng mở sử dụng cảm biến thân nhiệt

o Mạch bồn rửa tay tự động sử dụng cảm biến hồng ngoại

Phương án điều khiển các thiết bị trong đồ án là sử dụng các loại cảm biến như: Cảm biến hồng ngoại, cảm biến ánh sáng, cảm biến thân nhiệt, cảm biến mực nước…Sau đó, lấy tín hiệu từ cảm biến đưa vào vi điều khiển họ 8051 để xử lý theo chương trình đã lập trình sẵn để điều khiển thông qua TRIAC kết hợp với Opto cách ly điện áp thay cho Rơ le vì tuổi thọ của Rơ le không cao khi đóng cắt nhiều lần và đảm bảo an toàn cho vi điều khiển và thiết bị

Phần mềm được sử dụng để vẽ mạch trong đồ án là phần mềm vẽ mạch chuyên dụng Orcad 9.2; phần mềm dùng để lập trình là Keil-C 3.0

Trang 6

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii

DANH SÁCH HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU x

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

1.3.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.4.NỘI DUNG THỰC HIỆN 2

1.5 GIỚI THIỆU VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC LINH KIỆN CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH 5

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1.1 Cấu trúc và tham số của nguồn một chiều 5

2.1.2 Chỉnh lưu cầu một pha 6

2.1.3 Nghịch lưu một pha 7

2.2 THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH 9

2.2.1 Vi điều khiển 8051 9

2.2.2 IC tạo xung NE555 12

2.2.3 Transistor 14

2.2.4 Diode, Led 17

2.2.5 Rơ-le 20

2.2.6 Cảm biến LDR và PIR 22

2.2.7 Op-amp so sánh 25

2.2.8 IC tạo xung CD4047B 27

2.2.9 Triac BT136 28

Trang 7

CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHUYỂN ĐIỆN MỘT CHIỀU TỪ NGUỒN DỰ PHÒNG THÀNH ĐIỆN XOAY CHIỀU CUNG CẤP CHO CÁC

THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH (UPS) 30

3.1 TỔNG QUAN VỀ BỘ LƯU ĐIỆN UPS 30

3.1.1 Giới thiệu về bộ lưu điện UPS 30

3.1.2 Phân loại bộ lưu điện UPS 32

3.1.3 Ưu điểm của bộ lưu điện UPS 35

3.2 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 35 3.2.1 Yêu cầu của mạch điện 35

3.2.2 Sơ đồ khối của mạch thiết kế 35

3.2.3 Chức năng và nhiệm vụ của từng khối trong mạch 36

3.2.4 Tính toán và lựa chọn linh kiện 36

3.3 THI CÔNG THỰC TẾ 45

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể 45

3.3.2 Mạch điện đã làm thực tế 47

3.4 ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỆN 50

3.4.1 Đánh giá 50

3.4.2 Ứng dụng của mạch điện trong thực tế 50

CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỬA TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN THÂN NHIỆT PIR 51

4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 51

4.1.1 Vấn đề đặt ra 51

4.1.2 Đề xuất giải pháp 51

4.2.2 Xây dựng sơ đồ khối chung 52

4.2.3 Thiết kế và tính toán mạch điện 52

4.2.4 Lưu đồ thuật toán và viết chương trình 56

Trang 8

CHƯƠNG 5: MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC TỰ ĐỘNG CÓ BẢO VỆ BƠM KHÔNG TẢI 60

CHƯƠNG 6: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN THÂN NHIỆT PIR KẾT HỢP VỚI QUANG TRỞ LDR 70

Trang 9

CHƯƠNG 7: MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỒN RỬA TAY TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 78

7.4.2 Ứng dụng của mạch trong thực tế 83

KẾT LUẬN 84

PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC : CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH CHO CÁC MẠCH ĐÃ THỰC HIỆN 87

Trang 10

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch nguồn một chiều 5

Hình 2.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha 7

Hình 2.3 Nguyên lý và đồ thị dạng áp ra của chỉnh lưu cầu 1 pha 7

Hình 2.4 Sơ đồ mạch nghịch lưu phụ thuộc 8

Hình 2.5 Sơ đồ nghịch lưu áp độc lập 1 pha 9

Hình 2.6 Sơ đồ chân của Vi điều khiển 8051 loại 20 và 40 chân 10

Hình 2.7 Sơ đồ khối và chân của IC555 13

Hình 2.8 Sơ đồ chân của Transistor 14

Hình 2.9 Hình ảnh thực tế của Transistor 2SD718 16

Hình 2.10 Đồ thị mối quan hệ giữa Ic và Vce 16

Hình 2.11 Ký hiệu và đường cong đặc tính của diode 17

Hình 2.12 Cấu tạo và hình ảnh thực tế của Led 19

Hình 2.13 Cấu tạo của Relay 20

Hình 2.14 Hình ảnh thực tế của Relay 20

Hình 2.15 Trạng thái hoạt động của Relay 21

Hình 2.16 Cách mắc diode và trở để triệt tiêu dòng tự cảm 21

Hình 2.17 Ký hiệu của quang trở 22

Hình 2.18 Hình ảnh thực tế của cảm biến thân nhiệt PIR 23

Hình 2.19 Hình dáng và kích thước của PIR 23

Hình 2.20 Vật liệu pyroelectric dùng làm cảm biến PIR 24

Hình 2.21 Đầu vào ra của bộ khuếch đại thuật toán 25

Hình 2.22 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của Lm324 26

Hình 2.23 Sơ đồ chân của IC CD4047 27

Hình 2.24 Các lớp bán dẫn và ký hiệu Triac 28

Hình 2.25 Đặc tính Volt- Ampere của Triac 29

Hình 2.26 Triac BT136 29

Đối với mạch cần dòng lớn và công suất lớn hơn thì ta có thể thay đổi các TRIAC có công suất và dòng điện phù hợp với mục đích sử dụng 29

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc UPS online 32

Trang 11

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc UPS offline 33

Hình 3.3 Sơ đồ khối UPS theo thiết kế 36

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi chế độ hoạt động theo thiết kế 37

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy theo thiết kế 39

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất theo thiết kế 44

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch UPS 46

Hình 3.8 Mạch chuyển đổi đã làm thực tế 47

Hình 3.9 Mạch nạp ắc quy đã làm thực tế 47

Hình 3.10 Mạch tạo dao động và khuếch đại công suất thực tế 48

Hình 3.11 Biến áp nghịch lưu đã quấn 48

Hình 3.12 Mô hình UPS thực tế đã làm 49

Hình 4.1 Sơ đồ khối thuật toán chung cửa tự động 52

Hình 4.2 Mạch nguồn cung cấp cho cửa tự động 52

Hình 4.3 Mạch cầu H thay đổi chiều động cơ 53

Hình 4.4 Mạch lấy tín hiệu từ cảm biến cho cửa tự động 54

Hình 4.5 Mạch điều khiển cửa tự động 54

Hình 4.6 Công tắc hành trình 55

Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán của mạch cửa tự động 56

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch cửa tự động 57

Hình 4.9 Mô hình cửa tự động thực tế đã làm 58

Hình 5.1 Sơ đồ khối của mạch bơm nước tự động 61

Hình 5.2 Mạch nguồn cung cấp cho mạch điều khiển bơm nước 61

Hình 5.3 Mạch cảm biến mức nước 62

Hình 5.4 Mạch điều khiển máy bơm 63

Hình 5.5 Mạch hiển thị mức nước và cài đặt 64

Hình 5.6 Mạch công suất cấp nguồn cho máy bơm 64

Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán của mạch bơm nước tự động 66

Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch bơm nước 67

Hình 5.9 Mạch bơm nước đã làm thực tế 68

Hình 6.1 Sơ đồ khối mạch đèn tự động 71

Trang 12

Hình 6.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đèn tự động 71

Hình 6.3 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến PIR và LDR 72

Hình 6.4 Khối điều khiển đèn tự động 73

Hình 6.5 Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt đèn sử dụng Rơ le 73

Hình 6.6 Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt đèn sử dụng Triac 74

Hình 6.7 Lưu đồ thuật toán của mạch đèn tự động 75

Hình 6.8 Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch đèn tự động 76

Hình 6.9 Mạch đèn tự động làm thực tế 77

Hình 7.1 Sơ đồ khối mạch bồn rửa tay tự động 78

Hình 7.2 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hồng ngoại 79

Hình 7.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bồn rửa tay 80

Hình 7.4 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất bồn rửa tay 80

Hình 7.5 Lưu đồ thuật toán mạch bồn rửa tay tự động 81

Hình 7.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể bồn rửa tay tự động 82

Hình 7.7 Mạch bồn rửa tay tự động làm thực tế 83

Trang 13

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Chức năng các bit của Port P3 89c52 12

Bảng 2.2 Thông số làm việc của IC555 13

Bảng 2.3 Dòng tối đa và điện áp nghịch của 1 số diode 18

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa dung lượng ắc quy với dòng điện phóng 41

Bảng 3.2 So sánh ắc quy loại hở và loại kín 42

Trang 14

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

UPS Uninterruptible Power Supply Hệ thống nguồn cung cấp

dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại

trở)

Led)

Trang 15

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Nhà thông minh đang là một xu hướng đang phát triển trong việc xây dựng các công trình nhà ở, các căn hộ, hay các trung tâm thương mại Từ lâu, nó đã là một đề tài thu hút được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như cộng đồng

Mặt khác, đời sống về vật chất cũng như tinh thần của xã hội ngày càng được nâng lên một cách rõ rệt thì nhu cầu của xã hội cũng sẽ tăng lên, xã hội sẽ hướng đến những thiết bị vừa gần gũi vừa hoạt động tiện ích tạo cho họ cảm giác thoải mái và thuận lợi hơn, giải quyết công việc một cách khoa học hơn

Các mạch điện hay các sản phẩm thông minh, tự động hóa đang ngày càng đi vào đời sống người dân và mang tính thực tiễn rất cao

Được sự chỉ dạy tận tình của các thầy cô có chuyên môn trong khoa Điện- Điện

Tử Trường Đại Học Nha Trang và xuất phát từ nhu cầu thực tế trong xã hội, em chọn

đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thống cửa Hệ thống chiếu

sáng và cung cấp điện từ nguồn dự phòng một chiều cho ngôi nhà thông minh ”

để phần nào ứng dụng những thiết bị thông minh tự động vào trong cuộc sống hàng ngày, giải quyết công việc một cách tiện lợi và tốt nhất

Với tiêu chí đó, đồ án này sẽ trình bày và thiết kế một số mạch điện tự động hóa thông minh trong một ngôi nhà “Smart House” Đây là một đề tài bao gồm cả cơ khí, điện tử và lập trình điều khiển, đòi hỏi sự chính xác cao và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mang lại hiệu quả cao

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Từ các cơ sở lý thuyết, tạo ra được các sản phẩm mang tính thực tiễn và tiện dụng trong ngôi nhà thông minh và có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác trong xã hội

Nghiên cứu các loại cảm biến, IC, và các loại linh kiện điện tử để thiết kế mạch

và tối ưu hóa mạch điện nhằm tăng sự tiện dụng và nhỏ gọn cho sản phẩm tạo ra phù hợp với nhu cầu của xã hội

Trang 16

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

số lượng thiết bị trong một ngôi nhà tương đối nhiều nên không thể thi công được toàn bộ các thiết bị đó mà chỉ tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công một số sản phẩm mang tính chất thực tiễn và quan trọng trong ngôi nhà như bộ nguồn UPS, đèn, bơm nước, cửa và bồn rửa tay bằng các linh kiện điện tử

o Nơi thực hiện: Phòng thí nghiệm Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Nha Trang

1.4 NỘI DUNG THỰC HIỆN

Nội dung chính được chia thành 8 chương với nội dung từng chương như sau:

Chương này nói về lý do chọn đề tài, mục đích và phạm vi, cách thức thực hiện

đề tài cũng như trình bày sơ qua về ngôi nhà thông minh, tự động hóa

o Chương 4: Mạch điều khiển cửa tự động dùng cảm biến thân nhiệt PIR

Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch cửa tự động dùng cảm biến thân nhiệt PIR

Trang 17

Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch bơm nước tự động với 8 mức cài đặt và có bảo vệ bơm không tải khi bơm hoạt động mà không có nước

o Chương 6: Mạch điều khiển đèn tự động dùng cảm biến thân nhiệt PIR kết hợp với quang trở LDR

Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch đèn tự động bật khi có người với điều kiện ánh sáng không đủ Cảm biến dùng là kết hợp giữa cảm biến ánh sáng LDR với cảm biến thân nhiệt PIR

o Chương 7: Mạch điều khiển bồn rửa tay tự động dùng cảm biến hồng ngoại Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch bồn rửa tự động dùng cảm biến hồng ngoại

o Đánh giá kết quả nghiên cứu và phương hướng phát triển của đề tài

Phần này đánh giá kết quả nghiên cứu được, đồng thời nêu phương hướng để nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện thêm cho đề tài

1.5 GIỚI THIỆU VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Bạn đã từng nghe hoặc từng được bước chân vào một ngôi nhà thông minh nào

đó chưa? Chắc chắn đó sẽ là những trải nghiệm hết sức thú vị về sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ hiện đại mang lại cho cuộc sống của con người khi bạn đặt chân tới ngôi nhà thông minh tiện dụng

Nhà thông minh (Smart home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết

bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con người trong việc thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển

Nhà thông minh đã được ứng dụng rất nhiều trên thế giới và trong những năm gần đây đã xuất hiện nhiều ở Việt Nam Ví dụ như trong Triển lãm thành tựu kinh tế - xã hội Việt Nam và Thăng Long - Hà Nội 2010, Bkav đã giới thiệu Hệ thống nhà thông minh SmartHome Đây là một trong những công trình công nghệ cao hoàn toàn do các

kỹ sư và chuyên gia của Công ty đầu tư phát triển công nghệ ngôi nhà thông minh Bkav SmartHome (công ty thành viên của Bkav) nghiên cứu và sản xuất; Trường ĐH Công nghệ (ĐHQG Hà Nội) cũng đã thành công với đề tài nghiên cứu về nhà thông minh thuộc KC.03/06-10; Hay như Cisco Systems Việt Nam đã đưa ra thị trường giải

Trang 18

pháp tòa nhà thông minh CCRE (Cisco Connected Real Estate); và gần đây nhất là hội thảo về Giải pháp nhà thông minh do Công ty Cổ phần Biển Bạc phối hợp với các đối tác tổ chức vào ngày 23/02/2011 tại Hà Nội đã thu hút được đông đảo khách quan tâm tham dự…v…v

Với việc sử dụng công nghệ nhà thông minh, chủ nhà có thể dễ dàng quản lý các thiết bị điện, điện tử trong nhà ( điều hòa, đèn, rèm, ) thông qua iphone, ipad, PC và

o Mạch bơm nước tự động có bảo vệ bơm không tải

o Rèm cửa tự động

o Mái hiên thông minh tự động che khi có trời mưa

o Hệ thống điều khiển từ xa và điều khiển bằng màn hình cảm ứng

smart phone…

Trang 19

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC LINH KIỆN

CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.1 Cấu trúc và tham số của nguồn một chiều

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch nguồn một chiều a) Chức năng các khối:

- Máy biến áp có nhiệm vụ chuyển từ điện áp qui chuẩn của lưới điện sang điện áp phù hợp với tải Máy biến áp còn có nhiệm vụ biến từ số pha qui chuẩn của lưới điện sang

số pha phù hợp với mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu: Ở đây các van bán dẫn được đấu với nhau thành mạch sao cho tiến hành được quá trình chỉnh lưu

Chú ý: Mạch van là mạch bắt buộc phải có trong thiết bị chỉnh lưu Trong khi đó MBA

có thể có hoặc không

- Lọc: Có nhiệm vụ làm bằng phẳng điện áp hoặc dòng điện ra tải theo yêu cầu của tải b) Phân loại:

Mạch chỉnh lưu được phân loại theo các dấu hiệu sau:

- Theo sơ đồ đấu mạch van : hình tia hoặc hình cầu

- Theo loại van được sử dụng

Chỉnh lưu không điều khiển: Van là điôt

Chỉnh lưu điều khiển: Van là Thyristo

Chỉnh lưu bán điều khiển: Van là Thyristo + Điôt

c) Các tham số của mạch chỉnh lưu:

 Nhóm tham số tải:

Trang 20

Ud: giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu

0

12

11

d a t

d t a dt

t a T A

T tb

Pd = Ud Id; Pd: công suất một chiều đưa ra tải

 Nhóm tham số van:

Dòng trung bình qua van: Itbv

Điện áp ngược cực đại: Ungược van

S1: Công suất phía sơ cấp MBA → S1 = U1I1

m

i I

1 2

U

K  1

- Hệ số san bằng: Dùng để đánh giá hiệu quả của bộ lọc, do đó nó được tính như sau:

dmra

dmvao sb

K

Chú ý: Nếu Ksb càng lớn càng tốt thì Kđm càng nhỏ càng tốt

2.1.2 Chỉnh lưu cầu một pha

Mạch chỉnh lưu cầu biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều Do đó nó có hiệu suất cao hơn Tuy nhiên trong mạch điện không có điểm giữa của biến áp người ta sẽ cần đến 4 điốt thay vì một như trong mạch chỉnh lưu nửa sóng Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2 điốt để chỉnh lưu, thí dụ như 1 cho trường hợp điểm X dương, và 1 cho trường hợp điểm X âm Đầu ra

Trang 21

còn lại cũng cần chính xác như thế, kết quả là phải cần đến 4 điốt Các điốt dùng cho kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lưu

Hình 2.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha

Bộ chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả 2 nửa chu kỳ thành một điện áp đầu ra có một chiều duy nhất: Dương (hoặc Âm) vì nó chuyển hướng đi của dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều

Hình 2.3 Nguyên lý và đồ thị dạng áp ra của chỉnh lưu cầu 1 pha

Mạch chỉnh lưu gồm 4 van đấu thành 2 nhóm: Đ1Đ3 nhóm catot chung; Đ2Đ4 nhóm anot chung

U U

d d

R

U

I 

2.1.3 Nghịch lưu một pha

Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều với điện áp và tần số ngõ ra có thể thay đổi cung cấp cho tải xoay chiều

Trang 22

 Nghịch lưu phụ thuộc:

Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều được đổi dấu so với chỉnh lưu và góc mở α của các tiristo thỏa mãn điều kiện (π/2<α<π) lúc đó công suất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay Tần số và điện áp nghịch lưu này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều Sơ đồ như sau :

Hình 2.4 Sơ đồ mạch nghịch lưu phụ thuộc

Ta có thể coi Udα như nguồn một chiều thay thế tương đương cho mạch van và nguồn xoay chiều phía trước

Một nguồn suất điện động nào đó có thể là phát năng lượng hay nhận năng lượng tuỳ theo chiều dòng điện và chiều suất điện động nào đó

- Nếu chiều dòng điện ie

trùng chiều suất điện động E 

- Nếu chiều dòng điện ie

ngược chiều suất điện động E 

: Nguồn E nhận năng lượng

Pn

Từ nguyên tắc này ta thấy rằng muốn có nghịch lưu cần có hai điều kiện:

và id

trùng nhau

- Để phía xoay chiều nhận năng lượng, tức nguồn Ud nhận năng lượng thì chiều dòng id phải ngược chiều nguồn Ud

- Thực hiện điều kiện 2 bằng cách đảo chiều Udα, tức Udα < 0 Mà: Udα = Udocosα => cần điều chỉnh để α > 90o

chỉnh lưu I

- Điều kiện 2 đảm bảo khi α > 900

Với điều kiện α > 900 thì chỉ có các mạch có quy luật U d  U 0cos mới cho phép chạy ở chế độ nghịch lưu

Trang 23

- Nghịch lưu song song và nối tiếp

- Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp

Cụ thể với nghịch lưu áp 1 pha như sau:

Hình 2.5 Sơ đồ nghịch lưu áp độc lập 1 pha

0 ÷ θ2 , T1, T2 khóa, T3,T4 mở ra Tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại,

vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm), T1 , T2 đã bị khóa, nên dòng phải khép

thông qua D3, D4 về tụ C (đường nét đứt )

Tương tự như vậy khi khóa cặp T3 vàT4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1 và D2 Đồ thị điện áp Ut, dòng tải it, dòng qua điôt iD và dòng qua tiristo được biểu diễn trên hình

2.2 THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH

2.2.1 Vi điều khiển 8051

 Họ vi điều khiển MCS-51 do Intel sản xuất đầu tiên vào năm 1980 là các IC thiết

kế cho các ứng dụng hướng điều khiển Các IC này chính là hệ thống vi xử lý hoàn

Trang 24

chỉnh bao gồm các thành phần của hệ vi xử lý : CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, điều khiển ngắt

 MCS-51 là họ vi điều khiển sử dụng cơ chế CISC (Complex Instruction Set Computer), có độ dài và thời gian thực thi của các tập lệnh khác nhau Tập lệnh cung cấp cho MCS-51 có các lệnh dùng cho vi điều khiển xuất/nhập tác động đến từng bit

 Đối với loại 89C52

8KB PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xóa

Tần số hoạt động từ : 0Hz đến 24 MHz

- 256 Byte RAM nội

- 4 Port xuất/nhập I/O 8 bit

Hình 2.6 Sơ đồ chân của Vi điều khiển 8051 loại 20 và 40 chân

 PORT 0: Là port có 2 chức năng ở các chân 32-39 của AT89C52:

Trang 25

Chức năng IO (xuất/nhập): Dùng cho các thiết kế nhỏ Tuy nhiên, khi dùng chức năng này thì Port 0 phải dùng thêm các điện trở kéo lên (pull-up), giá trị của điện trở phụ thuộc vào thành phần kết nối với Port

o Khi dùng làm ngõ ra, Port 0 có thể kéo được 8 ngõ TTL

Chức năng địa chỉ/dữ liệu đa hợp:khi dùng các thiết kế lớn, đòi hỏi phải sử dụng

bộ nhớ ngoài thì Port 0 vừa là bus dữ liệu (8 bit), vừa là bus địa chỉ (8 bit thấp) Ngoài ra khi lập trình cho AT89C52, Port 0 còn dùng để nhận mã khi lập trình và xuất mã khi kiểm tra (quá trình kiểm tra đòi hỏi phải có điện trở kéo lên)

 Port 1: (chân 1-8) Ngoài chức năng là IO, chân P1.0 và chân P1.1 dùng cho bộ định thời thứ 3

Tại Port 1 đã có điện trở kéo lêm nên không cần thêm điện trở ngoài Port 1 có khả năng kéo được 4 ngõ TTL và còn dùng làm 8 bit địa chỉ thấp trong quá trình lập trình hay kiểm tra

Khi dùng làm ngõ vào, Port 1 phải được set mức logic 1 trước đó

 Port 2: (chân 21-28) Là Port có 2 chức năng:

Chức năng IO (xuất/nhập) : có khả năng kéo được 4 ngõ TTL Khi dùng làm ngõ vào, Port 2 phải được set mức logic 1 trước đó

Chức năng địa chỉ: dùng làm 8 bit địa chỉ cao khi cần bộ nhớ ngoài có địa chỉ 16 bit Khi đó, Port2 không được dùng cho mục đích IO

Khi lập trình, Port 2 dùng làm 8 bit địa chỉ cao hay một số tín hiệu điều khiển

 Port 3: (chân 10-17) Là Port có 2 chức năng:

Chức năng IO: có khả năng kéo được 4 ngõ TTL Khi dùng làm ngõ vào, Port 3 phải được set mức logic 1 trước đó

Đặc biệt các chân trong port P3 có thể được dùng để ghép nối với máy tính để điều khiển thông qua Visua Basic thông qua giao diện được lập trình trên máy tính Tên và chức năng của các bit trong Port P3 được trình bày trong bảng sau:

Trang 26

Bảng 2.1 Chức năng các bit của Port P3 89c52

ALE/PROG (Address Latch Enable/Program): (chân 30) Cho phép tách các đường địa chỉ và dữ liệu tại Port 0 khi truy xuất bộ nhớ ngoài ALE thường nối với chân Clock của IC chốt (74373, 74573)

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống Xung này có thể cấm bằng cách set bit 0 của SFR tại địa chỉ 8Eh lên 1 Khi đó, ALE chỉ có tác dụng khi dùng lệnh MOVX hay lệnh MOVC Ngoài ra, chân này còn được dùng làm ngõ vào xung lập trình cho ROM nội (PROG)

EA/VPP (External Access): (chân 31) Dùng để cho phép thực thi chương trình

từ ROM ngoài Khi nối chân 31 với VCC, AT89C52 sẽ thực thi chương trình từ ROM nội (tối đa 8KB) , ngược lại thì thực thi từ ROM ngoài (tối đa 64 KB)

Ngoài ra, chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho ROM RST (Reset): (chân 9 ) Cho phép reset AT89C52 khi ngõ vào tín hiệu đưa lên mức 1 trong ít nhất là 2 chu kỳ máy

2.2.2 IC tạo xung NE555

LM555 là một thiết bị hết sức ổn định cho sự dao động và tạo ra độ chính xác định thời Lần đầu tiên được giới thiệu bởi tập đoàn Segnetics gồm 2 loại là SE555 và NE555 vào năm 1971 Sơ đồ chân như sau :

Trang 27

Hình 2.7 Sơ đồ khối và chân của IC555

IC NE555 dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích với sơ đồ ghép nối đơn giản Điện áp làm việc của NE555 :

Bảng 2.2 Thông số làm việc của IC555

Chức năng của các chân:

- Chân số 1(GND) : Được nối với mass lấy dòng cung cấp cho IC hay còn gọi là chân chung

- Chân số 2(Trigger) : Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như một chân chốt hay ngõ vào của một tần so áp Mạch so sánh ở đây dùng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 điện áp Vcc

- Chân số 3 : Là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic trạng thái của tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 Mức 1 ở đây là mức cao tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM = 100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này không bằng 0V mà nó nằm trong khoảng từ 0,35V tới 0,75V

Trang 28

- Chân số 4 (Reset): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mass thì ngõ

ra ở mức thấp Còn khi chân số 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức

áp trên chân 2 và 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc

- Chân số 5 (Control Voltage) : Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC NE555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0,01µF đến 0,1µF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

- Chân số 6 (Threshold): Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như một chân chốt

- Chân số 7 (Dischager): Có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng Logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì khóa này mở ra Chân 7 tự xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC NE555 dùng như một tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): Là chân cung cấp áp và dòng cho IC NE555 hoạt động Không có chân này coi như IC không hoạt động Nó được cấp điện áp từ 4,5V đến 15V

2.2.3 Transistor

 Cấu tạo :

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược Về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau

Hình 2.8 Sơ đồ chân của Transistor

Trang 29

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter ) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E

Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy

từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng Ib

Ngay khi dòng Ib xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối 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:

Ic = β.Ib Trong đó Ic là dòng chạy qua mối CE

Ib là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

 Ký hiệu :

Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor của nhiều nước sản xuất nhưng thông dụng nhất vẫn là các transistor do Nhật bản, Mỹ và Trung Quốc sản xuất Transistor Nhật bản : Thường ký hiệu là A , B , C , D Ví dụ A564, B633, C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là Transistor thuận PNP còn ký hiệu

là C và D là Transistor ngược NPN

Các Transistor A và C thường có công xuất nhỏ và tần số làm việc cao còn các Transistor B và D thường có công suất lớn và tần số làm việc thấp hơn

Trang 30

Transistor do Mỹ sản xuất thường ký hiệu là 2N ví dụ 2N3055, 2N4073 vv Transistor do Trung quốc sản xuất : Bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chũ cái Chữ cái thức nhất cho biết loại Transistor: Chữ A và B là Transistor thuận, chữ C và D là Transistor ngược, chữ thứ hai cho biết đặc điểm: X và P là Transistor âm tần, A và G

là Transistor cao tần Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm Thí dụ: 3CP25 , 3AP20 vv…

 Transistor sử dụng trong đồ án bao gồm C1815,C828, D882, A1015, H1061, B613, 2SB688 và 2SD718 Cụ thể như Transistor 2SD718 :

Hình 2.9 Hình ảnh thực tế của Transistor 2SD718

Mối quan hệ giữa Ic và Vce được minh họa bởi đồ thị sau:

Hình 2.10 Đồ thị mối quan hệ giữa Ic và Vce Transistor này là loại Transistor NPN có khả năng chịu được dòng lớn lên tới 8A thường sử dụng trong các mạch công suất lớn như amply, máy giật cá, ổn áp và các mạch công suất khác

Trang 31

2.2.4 Diode, Led

 Diode:

Diode vốn là van điện, dòng điện mắc theo chiều thuận thì mở cho dòng chảy qua, dòng điện mắc theo chiều ngược thì đóng, ngăn không cho dòng chảy qua Vậy dùng diode có thể nắn dòng điện chảy theo hai chiều, quen gọi là dòng xoay chiều, thành dòng điện chảy theo một chiều Do điện nhà vốn là dòng xoay chiều, trong khi hầu hết các dạng thiết bị điện tử đều dùng nguồn một chiều, nên trong thiết

bị người ta thường dùng diode để nắn dòng Muốn có mạch nắn dòng toàn kỳ, người ta dùng cầu 4 diode Hiện nay trên thị trường có bán rất nhiều dạng cầu diode, nó có 4 chân, trên đó ghi 2 chân là xoay chiều và chân (+) cho ra volt dương và chân (-) cho ra

volt âm

Hình 2.11 Ký hiệu và đường cong đặc tính của diode Khi cầm trên tay một diode, chúng ta phải biết dòng làm việc của nó và phải biết mức áp nghịch của diode Một diode khi dẫn điện thường ghim lại mức áp khoảng 0.6V đến 0.7V, và khi nghịch ngăn dòng không cho qua, thì trên diode sẽ chịu một điện áp nghịch rất lớn

Diode zener có tính ổn áp Trong mạch diode zener luôn ở trạng thái phân cực nghịch và làm việc ở trạng thái bị đánh thủng Khi diode zener bị đánh thủng, nó sẽ có

Trang 32

tính ghim áp, lúc này mức áp đưa vào có thay đổi nhưng mức áp lấy ra trên diode zener là không đổi

Trong nhiều mạch điện người ta dùng diode zener không có điện trở hạn dòng

Một số loại diode :

Bảng 2.3 Dòng tối đa và điện áp nghịch của 1 số diode

Thông thường có 2 loại :

- Mini Power Led : Công suất nhỏ hơn 0.5W

- High Power Led : Công suất lớn hơn 0.5 W (0.5W, 1W, 2W )

Nếu dùng Mini Power Led cho các bộ đèn có kích thước nhỏ, có thể ứng dụng trong các khe hoặc không gian nhỏ hẹp, không phải lo về vấn đề nhiệt độ làm nóng xung quanh

High Power Led được sử dụng cho các bộ đèn có công suất lớn Các bộ đèn này cần có kết cấu tản nhiệt tốt (thường bằng nhôm đúc ép) vì bóng High Power Led rất nóng Bộ đèn không tỏa được nhiệt sẽ dẫn đến làm giảm quang thông (độ sáng) của bóng Led và làm nhanh hư mạch điều khiển của bóng Led

Đây là điều cần đặc biệt lưu ý đến khi mua các bộ đèn led Do tính chất phổ biến và tiên lợi của đèn Led, càng ngày, nhiều loại đèn Led mới ra đời, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người tiêu dùng Nhờ đó, người sử dụng cũng có nhiều sự lựa chọn hơn

Trang 33

Hình 2.12 Cấu tạo và hình ảnh thực tế của Led

Ưu điểm của Led :

- Hiệu quả Led có hiệu suất phát sáng cao hơn bóng sợi đốt

- Màu sắc : Led có thể phát ra màu sắc như ý muốn mà không cần bộ lọc màu theo phương pháp truyền thống

dàng trên mạch in

- Thời gian bật tắt nhanh: Led có thời gian bật tắt rất nhanh kể từ lúc có tác động (micro giây) Điều này rất quan trọng trong thông tin liên lạc, lĩnh vực yêu cầu có thời gian đáp ứng nhanh

- Độ sáng tối : Led có thể dễ dàng điều khiển độ sáng tối bằng phương pháp điều chế độ rộng xung hoặc tăng giảm dòng điện tác động

- Tuổi thọ đèn cao: Đây là ưu điểm lớn nhất của đèn led, tuổi thọ của đèn led vào khoảng 35000 đến 100000 giờ, lớn hơn nhiều lần so với bóng huỳnh quang và sợi đốt

- Độ bền cao : Led được làm từ vật liệu bán dẫn nên rất khó bị phá hủy bởi sự va đập

- An toàn : Led không gây độc hại, thân thiện với môi trường

Chiếu sáng bằng đèn Led là một công nghệ xanh và tiết kiệm

Ðèn Led có những ưu điểm như tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 70%-80% so với loại đèn thông thường Một bóng đèn Led công suất 5W có thể cho ánh sáng tương đương với một bóng đèn thông thường công suất 20W Thời gian chiếu sáng của đèn Led trắng trung bình 100.000 giờ (tương đương 35 năm, mỗi ngày hoạt động 8 giờ)

Theo tính toán của Viện Hàn lâm Khoa học Mỹ, nếu sử dụng đèn Led cho 50% nhu cầu chiếu sáng hiện nay ở nước này, thì mỗi năm sẽ tiết kiệm được 17 GigaWatt điện, tương đương công suất của 17 cụm nhà máy điện hạt nhân

Trang 34

Với lĩnh vực chiếu sáng công cộng, đèn Led trắng đã bắt đầu tham gia vào các công trình kiến trúc mới

2.2.5 Rơ-le

Rơ- le là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để điều khiển một dòng lớn vì vậy nó được dùng để bảo vệ công tắc nên cũng được xem là một thiết bị bảo vệ Một rơ-le điển hình bao gồm mạch điều khiển và phần nguồn

Hình 2.13 Cấu tạo của Relay

Hình dáng thực tế như sau:

Hình 2.14 Hình ảnh thực tế của Relay Tất cả rơ-le đều hoạt động cùng một nguyên lý cơ bản Chúng ta sẽ dùng 4 chân của Rơ- le làm ví dụ Rơ-le có 2 mạch : Mạch điều khiển (màu xanh) và mạch tải (màu đỏ) Mạch điều khiển có một cuộn dây nhỏ còn mạch tải có một tiếp điểm là các lá thép hoặc đồng

Trang 35

Hình 2.15 Trạng thái hoạt động của Relay

Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây mạch điều khiển (chân số 1 và số 3) tạo ra một từ trường làm đóng tiếp điểm (chân số 2 và chân số 4) Tiếp điểm, là một phần của mạch tải, được dùng để điều khiển mạch điện nối với nó Dòng chạy qua chân số 2

và số 4 và rơ le được kích hoạt (trạng thái mở)

Khi dòng ngừng chạy qua mạch điều khiển (chân số 1 và số 3) thì không còn từ trường, do đó tiếp điểm hở ra và dòng bị ngăn không cho chạy qua chân số 2 và số 4 Rơle bây giờ ở trạng thái ngắt

Tuy nhiên, khi tiếp điểm hở ra tức là từ trường mất đi thì trong cuộn dây nó sẽ cảm ứng một điện áp lên chính nó và có thể làm hỏng rơ le Vì vậy cần phải triệt tiêu điện áp tự cảm này bằng điện trở hoặc diode

Hình 2.16 Cách mắc diode và trở để triệt tiêu dòng tự cảm

Một diode ngăn dòng tự cảm được nối song song với cuộn dây rơ-le Nó mắc theo chiều nghịch nên khi tiếp điểm mở thì không có dòng chạy qua diode Khi mạch điều khiển rơ-le ngắt (tiếp điểm hở) dòng sẽ ngừng chạy qua cuộn dây, gây ra sự giảm của từ trường Các đường sức từ xuyên qua cuộn dây và sinh ra điện áp ngược trong cuộn dây Điện áp ngược này bắt đầu tăng lên Khi điện áp ngượcphía dưới diode tăng

Rơ-le ngắt Rơ-le mở

Cấu tạo

Trang 36

cao hơn điện áp dương nguồn phía trên diode 0.7V thì diode sẽ dẫn cho dòng phía điện

áp cao đi qua Kết quả là triệt tiêu điện áp tự cảm

2.2.6 Cảm biến LDR và PIR

 LDR:

Quang trở là một miếng bán dẫn ở điều kiện bình thường thì không dẫn điện do các điện tử được liên kết với hạt nhân nên không di chuyển được Khi chiếu ánh sáng vào, điện tử nhận được năng lượng nên sẽ thoát khỏi sức hút hạt nhân trở thành điện tử

tự do nên quang trở có khả năng dẫn điện

Khả năng dẫn điện của LDR phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó, khi ánh sáng chiếu vào càng mạnh thì điện trở của nó càng giảm và ngược lại, khi ánh sáng chiếu vào càng yếu thì điện trở càng tăng và khi trời tối thì điện trở gần như là vô

Hình 2.17 Ký hiệu của quang trở

 PIR:

PIR là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng

Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37

độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động

Hình dáng của PIR trong thực tế:

Trang 37

Hình 2.18 Hình ảnh thực tế của cảm biến thân nhiệt PIR

Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn thân nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người, con vật

Hình 2.19 Hình dáng và kích thước của PIR

Trên đây là đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, gồm có 3 chân

ra, một chân nối masse, một chân nối với nguồn Vcc, và 1 chân tín hiệu Mức điện áp làm việc có thể từ 3 đến 15V Góc dò lớn Để tăng độ nhạy cho đầu dò ta dùng kính Fresnel, nó được thiết kế cho loại đầu có 2 cảm biến, góc dò lớn, nó còn có tác dụng ngăn tia tử ngoại làm hỏng PIR

Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET

Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu

và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động

Trang 38

Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các phân tử nhỏ li ti, nhiệt là một dạng năng lượng tạo ra từ các dao động của các phân tử , đó là các chuyển động hỗn loạn, không trật tự Từ các dao động này, nó phát ra các tia nhiệt, bằng cảm giác thông thường của giác quan, con người chúng ta nói đó là sức nóng

Ở mỗi người nguồn thân nhiệt thường được điều ổn ở mức 37 độ C, đó là nguồn nhiệt mà ai cũng có và nếu dùng linh kiện cảm ứng thân nhiệt, chúng ta sẽ có thiết bị phát hiện ra người, đó chính là ý tưởng mà người ta chế ra thiết bị motion detector, điều khiển theo nguồn thân nhiệt chuyển động Hình vẽ sau đây cho thấy vật liệu nhóm pyroelectric được dùng làm cảm biến dò tia nhiệt:

Hình 2.20 Vật liệu pyroelectric dùng làm cảm biến PIR

Người ta kẹp vật liệu pyroelectric giữa 2 bản cực, khi có tác kích của các tia nhiệt, trên hai 2 bản cực sẽ xuất hiệu tín hiệu điện, do tín hiệu yếu nên cần mạch khuếch đại

Trong bộ đầu dò PIR, người ta gắn 2 cảm ứng PIR nằm ngang, và cho nối vào cực Gate (chân Cổng) của một transistor FET có tính khuếch đại Khi cảm biến pyroelectric thứ nhất nhận được tia nhiệt, nó sẽ phát ra tín hiệu và khi nguồn nóng di chuyển ngang, sẽ đến cảm biến pyroelectric thứ hai nhận được tia nhiệt và nó lại phát

ra tín hiệu điện

Sự xuất hiện của 2 tín hiệu này cho nhận biết là đã có một nguồn nhiệt di động ngang và mạch điện tử sẽ phát ra tín hiệu điều khiển Tín hiệu này có thể dùng tắt mở đèn hay dùng để báo động

Trang 39

2.2.7 Op-amp so sánh

Mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), thường được gọi tắt là amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp

op-âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng

Một mạch khuếch đại thuật toán thông dụng có 2 đầu vào và 1 đầu ra Điện áp đầu ra bằng bội số của sai biệt điện áp hai đầu vào:

Vout = G(V+ − V−)

G là độ lợi vòng hở của mạch khuếch đại thuật toán Đầu vào được giả định có tổng trở rất cao; Dòng điện đi vào hoặc ra ở đầu vào sẽ không đáng kể Đầu ra được giả định có tổng trở rất thấp

Nếu đầu ra được đưa trở về đầu vào đảo sau khi được chia bằng một bộ phân

áp: K = R1 / (R1 + R2), thì ta có cách mắc mạch như sau:

Hình 2.21 Đầu vào ra của bộ khuếch đại thuật toán

Kết cấu của một mạch khuếch đại thuật toán ráp thành mạch khuếch đại không đảo

cơ bản:

V+ = Vin

V− = K Vout

Trang 40

Vout = G(Vin − K Vout)

là:

Vout/Vin = G /(1 + G K)' Nếu G rất lớn, Vout/Vin sẽ gần bằng 1/K, bằng 1 + (R 2 /R 1 )

Kiểu nối hồi tiếp âm như thế này được sử dụng rất thường xuyên nhưng có thể có nhiều biến thể khác nhau, làm cho nó trở nên một trong những khối linh hoạt nhất trong tất cả các khối lắp đặt điện tử

Các op-amp so sánh (hay còn gọi là IC thuật toán) dùng trong đồ án là LM311, LM324

Ví dụ cụ thể : LM324

LM324 là IC khuếch đại thuật toán

Nếu ta cung cấp một đầu vào dao động với chênh lệch nhỏ cho LM324N thì tùy vào cách mắc: Hồi tiếp âm, hồi tiếp dương, thì ta sẽ có được những dao động với biên độ lớn hơn

Ngoài ra LM324 cũng có thể sử dụng như một IC so sánh điện áp vào

Các đặc điểm chính của LM324:

+ Độ khuếch đại: 10dB

+ Dòng điện hoạt động thấp: 375uA/kênh

+ 4 kênh khuếch đại

+ Dải điện thế hoạt động rộng: 3-30V (nguồn đơn) và ±1.5 V - ±15 V (nguồn đôi)

Hình 2.22 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của Lm324

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	2,5 MB