Thiết kế mạch tự động bật đèn tắt đèn sử dụng cảm biến hồng ngoại

Mục đích đề tài Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển đèn bằng cảm biến hồng ngoại dựa trên nhu cầu tiết kiệm điện, thuận tiện, hạn chế điều khiển thủ công.. I.2 Cả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

***************

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ

Đề tài: Thiết kế mạch tự động bật tắt đèn sử dụng cảm biến hồng ngoại

Nhóm sinh viên thực hiện:

Vũ Đăng Thủy – KSTN ĐKTĐ K58

Nguyễn Tuấn Anh – KSTN ĐKTĐ K58

Lê Hùng Đông – KSTN ĐKTĐ K58

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Cảnh Quang

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

MỤC LỤC

Chương I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 2

I Lý do chọn đề tài 2

II Mục đích đề tài 2

III Đối tượng nghiên cứu 2

Chương II: PHƯƠNG PHÁP, CÁCH TIẾP CẬN ĐỀ TÀI 2

I Giới thiệu về hồng ngoại và cảm biến hồng ngoại 2

1.1 Hồng ngoại 2

1.2 Cảm biến hồng ngoại 2

II Mô tả về thiết kế hệ thống 2

2.1 Sơ đồ khối 2

2.2 Hệ thống các thành phần 2

2.3 Nguyên lý hoạt động 2

Chương III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2

I Thiết kế khối nguồn: 2

II Thiết kế khối cảm biến 2

III Thiết kế khối điều khiển 2

IV Thiết kế khối hiển thị 2

Chương IV: KẾT QUẢ THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN 2

I Sơ đồ nguyên lý 2

II Test mạch 2

Chương V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 2

I Kết luận 2

II Kiến nghị 2

Chương I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

I Lý do chọn đề tài

Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, nhu cầu của con người ngày càng cao Việc nghiên cứu khoa học ngày càng đươc đầu tư nhiều để đáp ứng nhu cầu của con người Một trong những vấn đề đang được nghiên cứu nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người và tiết kiệm chi phí trong thời buổi tài nguyên ngày càng khan hiếm hiện nay là việc điều khiển đèn trong sinh hoạt, cũng như lao động của con người Việc giám sát và điều khiển ánh sáng trong nhà, công ty, nhà máy xí nghiệp… đang là vấn đề vô cùng quan trọng đối với xã hội hiện nay Bởi vì, việc điều khiển đèn thủ công bằng công tắc không còn thuận tiện và tiết kiệm nữa, do nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan Khách quan có thể do trời tối khó khăn cho việc bật công tắc, đi lại khó khăn… chủ quan có thể do quên hay tâm lý con người là đèn của công

ty, trường học nên họ không quan tâm…điều này gây lãng phí điện rất lớn, đặc biệt trong hoàn cảnh nước ta đang thiếu điện trầm trọng như hiện nay

II Mục đích đề tài

Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển đèn bằng cảm biến hồng ngoại dựa trên nhu cầu tiết kiệm điện, thuận tiện, hạn chế điều khiển thủ công

III Đối tượng nghiên cứu

- Mạch so sánh sử dụng khuyếch đại thuật toán Op-Amp ua741

- Nguyên lý làm việc của cảm biến hồng ngoại RPR-220

- Phần mềm mô phỏng Proteus 8.0

Chương II: PHƯƠNG PHÁP, CÁCH TIẾP CẬN ĐỀ TÀI

I Giới thiệu về hồng ngoại và cảm biến hồng ngoại

I.1 Hồng ngoại

Hồng ngoại là sự bức xạ năng lượng với tần số thấp hơn tần số mà mắt nhìn thấy, vì vậy chúng ta không thể nhìn thấy được Bước sóng hồng ngoại vào khoảng 0,8µm - 0,9µm và có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng Hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi trong đo nhiệt độ, phát nhiệt và đăc biệt là trong lĩnh vực truyền thông

Công nghệ hồng ngoại được tìm thấy trong nhiều sản phẩm trong công nghiệp

và đời sống Ví dụ, truyền hình có một máy dò hồng ngoại để phân tích các tín hiệu từ điều khiển từ xa, Dùng trong an ninh, giám sát vật chuyển động Những lợi ích chính của cảm biến hồng ngoại bao gồm các yêu cầu điện năng thấp, mạch đơn giản, và tính năng di động

Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0K đều phát ra tia hồng ngoại.Trong kĩ thuật, nguồn phát sóng hồng ngoại rất nhiều như: Led hồng ngoại, lazer bán dẫn… Tuy nhiên, hiện nay led hồng ngoại đang được sử dụng rộng rãi nhất vì nó có hiệu suất

lượng tử cao Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị

thu sóng hồng ngoại như: Photo diode, cds,

I.2 Cảm biến hồng ngoại

Trong bộ cảm biến hồng ngoại có hai bộ phận đặt

ngang dùng ghi nhận sự biến đổi của các tia sáng hồng

ngoại, khi bị kích thích bởi tia hồng ngoại, nó sẽ phát

ra tín hiệu điện, tín hiệu này qua một transistor FET và

được khuếch đại cho xuất ra tín hiệu trên chân Out Do

trong bộ cảm biến hồng ngoại có dùng linh kiện

khuếch đại FET nên trong hoạt động, nó phải được cấp

nguồn nuôi Một chân cho nối masse, một chân cho nối

vào đường nguồn DC và một chân cho ra tín hiệu

Nguyên lý làm việc của cảm biến hồng ngoại như

sau: 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

II Mô tả về thiết kế hệ thống

II.1Sơ đồ khối

II.2Hệ thống các thành phần

a Khối nguồn:

Tạo điện áp 12V một chiều ổn định từ nguồn điện xoay chiều 220V

b Khối cảm biến:

Sử dụng cảm biến hồng ngoại RPR-220

c Khối điểu khiển:

Mạch so sánh sử dụng khuyếch đại thuật toán Op-Amp ua741, kết hợp với role đóng ngắt

d Khối hiển thị

Bóng đèn có thể là đèn xoay chiều 220V hoặc đèn LED tùy yêu cầu

II.3Nguyên lý hoạt động

Khi có người trong vùng hoạt động của cảm biến hồng ngoại nó sẽ đưa ra điện

áp sấp xỉ 4V đến đầu dương của ua741 Khi đó ở đầu âm ta điều chỉnh cho áp vào lớn hơn 4V để điện áp ra ở chân 6 sấp xỉ 0, khi đó đèn sẽ sáng

Khi không có người trong vùng hoạt động của cảm biến rpr220 nó sẽ đưa ra điện áp sấp xỉ 12V tại đầu dương của op-amp ua741 Khi đó ở đầu âm ta có điện áp thuộc khoảng từ 4V đến 11V, khi đó đèn tắt

Chương III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

I Thiết kế khối nguồn:

Khối nguồn có chức năng cung cấp nguồn 1 chiều 12V để mạch hoạt động.Có

3 phương án đề ra:

 Phương án 1: Dùng biến áp, chỉnh lưu cầu và tụ lọc biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 12V

 Phương án 2: Dùng biến áp, chỉnh lưu cầu và tụ lọc biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều 15V Sử dụng IC LM7812 để tạo điện áp một chiều 12V ổn định

 Phương án 3: Sử dụng trực tiếp pin 12V cho mạch rơle , nguồn 220VAC cho đèn

Lựa chọn phương án 2 vì tương đối ổn định, tuổi thọ dài, không cần phải bảo dưỡng thường xuyên dù có chi phí ban đầu cao

II Thiết kế khối cảm biến

Khối cảm biến bao gồm cảm biến hồng ngoại, và điện trở để bảo vệ

Điện trở là một linh kiện có tính cản trở dòng điện và làm một số chức năng khác tùy vào vị trí của điện trở trong mạch

Cấu tạo: điện trở được cấu tạo từ những vật liệu có điện trở suất cao như làm bằng than, magie kim loại Ni-O2, oxit kim loại, dây quấn Để biểu thị giá trị điện trở, người ta dung các vòng màu khác nhau để biểu thị giá trị điện trở

Cảm biến hồng ngoại rpr220 là thiết bị điện tử được sử dụng để cảm nhận được một số đặc điểm của môi trường xung quanh bằng cách phát ra và phát hiện các bức xạ hồng ngoại và truyền về đèn thu để đưa ra tín hiệu Cấu tạo: bao gồm hai đèn led, một đèn mảu trắng dùng để phát tia hồng ngoại và một led đen để thu tia hồng ngoại

Trong khối cảm biến chúng ta sử dụng điện trở để bảo vệ đèn led trong cảm biến hồng ngoại Trong cảm biến hồng ngoại đèn phát tia hồng ngoại có áp vào nhỏ hơn 5V và có dòng vào nhỏ hơn 50mA Với nguồn cung cấp cho cảm biến là 12V, khi đó chúng ta chọn điện trở đi vào cảm biến sao cho led phát hoạt động bình thường, ta chọn điện trở phải lớn hơn 140 ôm Đèn led thu của cảm biến hồng ngoại sẽ đưa ra áp nhỏ hơn 4.5V và đưa ra dòng nhỏ hơn 30mA Với nguồn cung cấp 12V, ta chọn điện trở tương tự led phát, khi

đó điện trở phải có giá trị lớn hơn 250 ôm

III Thiết kế khối điều khiển

Khối điều khiển bao gồm điện trở, biến trở, op-amp và relay

Biến trở là các thiết bị có điện trở có thể biến đổi được theo ý muốn Chúng

có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện

Op-Amp ua741 là một mạch điện tử có chức năng khuếch đại tín hiệu Nếu U+>U- thì điện áp ra là +Vcc, nếu U+<U- thì điện áp ra là –Vcc

Cấu tạo: gồm có 8 chân Chân 2 mắc với U-, chân 3 mắc với U+, chân 4 mắc với –Vcc, chân 7 mắc với +Vcc

Relay là một công tắc chạy bằng điện

Relay được sử dụng khi cần kiểm soát một mạch điện bằng một tín hiệu công suất thấp( với đầy đủ cách điện giữa kiểm soát và mạch điều khiển), hoặc trong trường hợp một số mạch phải được kiểm soát bởi một tín hiệu

Khi khối cảm biến hoạt động thì có áp vào U+ là 4V và U- có giá trị nhỏ hơn 4V nên Vout=12V Khi đó relay sẽ bật làm đèn sáng Chọn điện trở sao cho U-<4V, ở đây ta sử dụng mạch phân áp U-=Vcc.R2/(R1+R2), ta chọn R1,R2 sao cho U-<4V Ở đây ta chọn R1=8k ôm,R2=2k ôm

IV Thiết kế khối hiển thị

Khối hiển thị chỉ có đèn ( Nếu ta sử dụng đèn có công suất nhỏ hơn nguồn cung cấp ta phải sử dụng thêm trở để đưa về đúng công suất định mức) Khi cảm biến hồng ngoại thu được tín hiệu thì relay bật làm đèn sáng

Chương IV: KẾT QUẢ THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN

I Sơ đồ nguyên lý

II Test mạch

Chương V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I Kết luận

Mạch đã hoạt động tuy nhiên độ chính xác còn chưa cao Mặt khác vì chỉ dừng

ở bước test mạch trên board nên khi áp dụng cho đèn xoay chiều 220V cần chỉnh sửa lại

II Kiến nghị

Mạch có tính ứng dụng cao.Ngoài việc sử dụng để bật tắt đèn tự động, mạch còn có thể sử dụng trong nhà vệ sinh, hệ thống báo động,…

Để tăng độ nhạy của mạch, nên thiết kế thêm bộ phận khuyếch đại

Để tiết kiệm điện năng hơn có thể kết hợp với việc sử dụng cảm biến quang, tránh hiện tượng đèn bật sáng trong điều kiện đủ ánh sáng