Nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh

30 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT CỦA MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH... Công nghệ đèn chiếu sáng đã có những bước tiến đáng kể trong việc tiế

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất

ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo ở khoa Điện – Điện tử tàu biển, trường đại học Hàng Hải Việt Nam, đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô giáo của khoa đào tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện và khích lệ để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS LƯU KIM THÀNH

của khoa Điện – Điện tử trường đại học Hàng Hải đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin cảm ơn các Thầy giáo, các anh chị em phòng thí nghiệm, trường đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tác giả thực hiện thành công bản luận văn

Những lời cảm ơn chân thành tiếp theo xin được đến tới gia đình và bạn

bè, những người đã luôn động viên, khuyến khích và chia sẻ khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học của mình

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Nguồn sáng 9

1.3 Bộ đèn 10

1.3.1 Khái niệm 10

1.3.2 Cấu tạo bộ đèn 10

Đèn huỳnh quang 12

1.4 Thiết kế chiếu sáng(TKCS) 14

1.4.1 TKCS nội thất 14

1.4.2 TKCS bên ngoài 14

CHƯƠNG 2: XÂY DƯNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH 15

2.1 Cấu trúc chung của mô hình mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh 15

2.2 Thiết kế, lựa chọn các thiết bị sử dụng trong mô hình mô phỏng hệ thống chiếu sáng thông minh 16

2.2.1 Các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình 16

2.3.1 Xây dựng mạch in 30

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT CỦA MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH 33

iv

3.1 Xây dựng chương trình điều khiển 33

3.1.1 Đề xuất lưu đồ thuật toán thực hiện mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh 33

3.1.2 Viết chương trình cho vi điều khiển 36

3.2 Viết chương trình giám sát trên máy tính 37

3.2.1 Lưu đồ thuật toán truyền/ nhận dữ liệu trên máy tính 37

3.2.2 Xây dựng giao diện giám sát trên máy tính 39

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

thống chiếu sáng thông minh

15

2.12 Nguyên lý hoạt động của PIR phát hiện chuyển động 23 2.13 Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của cảm biến PIR 24

2.17 Cảm biến tiệm cận có đầu ra Transistor kiểu DC – 3 dây 26

vii

2.18 Cảm biến tiệm cận có đầu ra Transistor kiểu DC – 2 dây 26 2.19 Khoảng cách phát hiện của cảm biến tiệm cận 26 2.20 Ảnh hưởng của kích thước vật đến cảm biến tiệm cận 27 2.21 Khoảng cách phát hiện – độ trễ của cảm biến tiệm cận 27

2.24 Sơ đồ chân và hình ảnh của vi mạch MAX485 29 2.25 Sơ đồ kết nối các điểm đầu cuối sử dụng mạng RS485 30 2.26 Sơ đồ nguyên lý của Module xây dựng trên phần mềm

Orcad

31

2.27 Hình ảnh mạch on của module khi chưa hàn linh kiện 32

sáng thông minh

33

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Để phục vụ các hoạt động về ban đêm, con người sử dụng các loại ánh sáng nhân tạo Với các hệ thống ánh sáng nhân tạo để đảm bảo mạng lưới đó luôn được duy trì và hoạt động hiệu quả cần lặp đặt một hệ thống chiếu sáng thông minh vì nó không những đảm bảo sự an toàn mà còn đem đến nhiều tiện ích mà con người hằng ao ước

Công nghệ đèn chiếu sáng đã có những bước tiến đáng kể trong việc tiết kiệm điện năng, vấn đề còn lại là việc điều khiển hệ thống chiếu sáng sẽ được thực hiện sao cho mang lại hiệu quả cao nhất về mặt tiết kiệm năng lượng cũng như các tiện tích giúp cho cuộc sống của con người được tiện nghi thoải mái hơn

Cùng với sự phát triển của vi xử lý và công nghệ chế tạo các cảm biến chúng ta có thể xây dựng được các hệ thống chiếu sáng mang tính “thông minh” cao Đề tài luận văn cao học: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông

minh” sẽ đề cập giải quyết vấn đề nêu trên

2 Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh, ứng dụng xây dựng mô hình mô phỏng một số chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu là cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động, các loại nguồn sáng, hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh …

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh, xây dựng mô hình mô phỏng một số chức năng của hệ thống điều khiển giám sát chiếu sáng thông minh sử dụng vi điều khiển AVR Atmega 8

2

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tìm hiểu hệ thống chiếu sáng thông minh, hoạt động của các cảm biến và vi điều khiển AVR Atmega 8, tác giả đã kế thừa và phát triển kinh nghiệm của mình cho việc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài được ứng dụng dùng trong các ngôi nhà, các garage hoặc có thể được áp dụng trong lĩnh vực chiếu sáng đường hầm

Nó cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh, các thành phần, thiết bị được dùng trong hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG

1.1 Giới thiệu

Chiếu sáng là mối quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, các kỹ sư điện,

cán bộ kỹ thuật của công ty chiếu sáng đô thị.…

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các loại đèn có hiệu suất cao, sự phát triển của phương pháp tính toán, phần mềm thiết kế chiếu sáng, chiếu sáng hiệu quả gọi tắt là chiếu sáng thông minh (CSTM)

Theo thống kê năm 2005 điện năng chiếu sáng trên phạm vi toàn cầu là

2650 tỷ kWh điện, chiếm 19% trong tổng công suất Chiếu sáng được thực hiện vào giờ cao điểm khiến cho phụ tải tăng vọt, gây rất nhiều khó khăn cho phân phối và truyền tải điện CSTM thực hiện chiếu sáng (KTCS),

từ sử dụng đ è n , sử dụng tự nhiên, điều theo từng khu vực, từng hệ thống cụ thể, nhằm làm giảm mức tiêu thụ điện năng nhưng vẫn đảm bảo đủ độ sáng CSTM được thiết kế tiết kiệm năng lượng nhất, có tầm nhìn tốt nhất

Ánh sáng

Ánh sáng nằm trong dải mà mắt cảm nhận được

Hình 1.1 Dải sóng quang học của ánh sáng

Hình 1.1 thể hiện dải sóng quang học của ánh sáng, ta thấy ánh sáng nhìn thấy ánh sáng của UV (tia cực tím) và nhiệt Sóng kích thích mắt, tạo nên cảm giác thị giác

Các đại lượng dùng để đo ánh sáng

Quang thông là sự phân bố ánh sáng trong các miền khác nhau của không gian, hơn nữa nó không thể đo được

4

Từ những điều đó đã thúc đẩy nhà vật lý Lambert ở thế kỷ 18 tiến hành nghiên cứu và đƣa ra các cơ sở của phép đo ánh sáng dựa trên cơ sở quang học, sinh lý học và hình học

Quang thông F (ф), lumem (lm)

Quang thông là khả năng của nguồn sáng, sự cảm thụ của mắt [6]

Hình 1.3 Nguồn sáng chiếu với một góc  = 0

Trong trường hợp chiếu xuống với góc  bất kì như hình 1.4 ta sẽ tính được độ rọi theo biểu thức (1.4) [6]:

2 3 2

h

I r

I d

6

Để đặc trưng cho các quan hệ của nguồn sáng, cả nguồn sáng sơ cấp lẫn nguồn sáng thứ cấp, để mắt người có thể nhìn được cần phải thêm vào các cường độ sáng, cách xuất hiện ánh sáng

Độ chói nhìn nguồn sáng là tỉ số giữa cường độ sáng của ánh sáng với diện tích biểu diễn của nguồn sáng [6]:

bK m

cd

S

I m

dS

cd dI

)(

2 )

Đối với con mắt quan sát một vật có độ chói Lo trên một nền có độ chói Lf chỉ

có thể phân biệt được ở mức độ chiếu sáng vừa đủ nếu [6]:

(1.7)

Trong đó : Lo Là độ chói khi nhìn đối tượng

Lf Là độ chói khi nhìn nền

Để phân biệt đối tượng nhìn C ≥ 0,01

Trong thực tế kích thước và mầu sắc cũng tác động đến khả năng phân biệt của mắt, điều đó kéo theo là mức độ chiếu sáng phù hợp với công trình chiếu sáng

Tiện nghi nhìn và sự loá mắt

Sự loá mắt là sự suy giảm hoặc tức thời mắt bị mất đi cảm giác nhìn do sự tương phản quá lớn Khái niệm này có liên quan đến các khái niệm đã được trình bày ở trên Nói chung người ta qui định độ chói nhỏ nhất để mắt nhìn thấy là:

Đối với một độ chói của nền và kích thước của vật đã cho ta có thể xác định ngưỡng tương phản Cs ứng với giá trị cực tiểu của C cho phép phân biệt được vật Blackwell đã đưa ra quan niệm nhìn rõ như tỷ số C/Cs cho phép đánh giá tính năng nhìn

Ta cũng nhận thấy rằng dưới vài phần trăm cd/m2 là thị giác đêm và trên vài cd/m2 trở lên là thị giác ngày

Định luật Lambert

Dù ánh sáng đi qua bề mặt trong suốt hay được phản xạ trên bề mặt mờ hay ánh sáng đồng thời chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt trong mờ, thì một phần ánh sáng được mặt này phản xạ lại theo hai cách sau:

Sự phản xạ hay khúc xạ ánh sáng phải tuân theo định luật của quang hình học hay định luật Descartes

Sự phản xạ truyền khuếch tán theo định luật Lambert:

Đo cường độ sáng: Nếu tế bào chỉ được chiếu sáng trực tiếp bằng một nguồn đặt ở khoảng cách r và toả tia có cường độ sáng I theo phương pháp tuyến với tế bào, biểu thức:

I = E.r2 cho giá trị của cường độ sáng

Sử dụng phương pháp này rõ ràng bao hàm một điều là không có bất cứ nguồn thứ cấp nào khác chiếu sáng tế bào như các vật hay các thành phần phản xạ đã làm, vì thế người ta sơn mặt đen ( = 0,05) chỗ tiến hành đo cường độ sáng

Đo độ chói: Trong trường hợp sự khuyếch tán của tường là thẳng, biết độ rọi của tường là E ta xác định được ngay độ chói L nhờ định luật Lambert

Độ tương phản C

Độ tương phản là chênh giữa hai nhau mà mắt người

Độ tương phản được tính theo biểu thức (1.9)

C = Lo-Lf

Lf =

Lo

9

Với C ≥ 0,01 thì khi đó biệt hai vật đặt gần nhau

Hiệu suất phát quang H (lm/w)

hiệu suất là tỷ số giữa quang thông phát ra với công suất tiêu thụ điện năng (P)

Phân loại nguồn sáng

Trong thực tế nguồn sáng đƣợc phân loại nhƣ hình 1.5

10

Hình 1.5 Phân loại nguồn sáng

1.3 Bộ đèn

1.3.1 Khái niệm

Bộ đèn bao gồm: điện, cơ khí để thực hiện chức năng phân phối ánh

sáng, cố định, nối nguồn điện

Chóa đèn bao gồm các bộ phận dùng thực hiện chức năng cố định, bảo

vệ, đặt dây nối và chấn lưu với nguồn Là bộ phận của bộ đèn

1.3.2 Cấu tạo bộ đèn

1.3.2.1 Cấu tạo bộ đèn

Phần thân đèn để lắp các bộ phận, bảo vệ đèn Một thân đèn phải tuân thủ :

Thuận tiện trong lắp, bảo dưỡng đèn

Chịu được ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, độ bền cơ học cao Đảm bảo thẩm mỹ

Phần kính đèn dùng tạo màu, bảo vệ đèn Góp phần phân bố ánh sáng của

đèn Yêu cầu đối với phần kính đèn:

Có hình dạng phù hợp với bóng đèn Phù hợp với bóng đèn

Có khả năng chống ăn mòn, chịu được điều kiện thời tiết, nhiệt độ cao, chịu được ảnh hưởng của tia hồng ngoại, tia cực tím

Phần đui đèn dùng cấp điện vào, giữ cho đèn cố định, đui đèn phải tuân thủ:

Các tiếp điểm có độ bền cơ khí cao Chịu được nhiệt độ cao

12

khí trơ vào bên trong để tránh cho dây tóc không bị oxi hóa Kích cỡ bóng đèn sợi đốt phải được thiết kế đủ lớn để chịu được nhiệt độ cao phát ra từ dây tóc, các đèn này đều được lắp vào bên trong đui của đèn

Khi có dòng điện sẽ đi qua phần đui đèn vào đến dây tóc làm dây tóc được nung đến mức phát sáng Loại đèn này ít được dùng vì công suất của đèn thường lớn (nhỏ nhất cũng cỡ vài chục oát), hiệu suất của đèn sợi đốt là rất thấp (5% điện năng được biến thành ánh sáng, còn lại 95% biến thành nhiệt năng ) Đèn sợi đốt được nhà sản xuất đưa ra thường có các thông số sau:

Đèn huỳnh quang

Đèn huỳnh quang hay thường gọi là đèn túyp gồm: điện cực (vonfam), lớp bột huỳnh quang và vỏ đèn Ngoài ra, các nhà sản xuất còn bơm vào trong đèn một hỗn hợp hơi thủy ngân và khí trơ (neon, argon ) để bảo vệ điện cực

Dùng đèn huỳnh quang giúp tiết kiệm được năng lượng Bình quân, khi sử dụng đèn huỳnh quang sẽ tiết kiệm năng lượng được hơn rất nhiều so với đèn sợi đốt 8 đến 10 lần Hiện nay, trên thị trường xuất hiện một loại đèn huỳnh quang thu nhỏ (còn gọi là compact) Nó cũng giống với đèn huỳnh quang nhưng có ưu điểm vượt trội là hiệu suất phát quang cao hơn và tiết kiệm điện năng hữu hiệu hơn

Đèn compact

Đèn compact cũng hoạt động trên nguyên tắc đèn ống (đèn tuýp), có nghĩa là cũng phải đầy đủ chấn lưu, dây tóc v.v Nhưng trong đèn compact thì tất cả nhét gọn vào đuôi đèn Chính vì vậy mà được gọi là compact Trong đèn compact thì thường người ta dùng chấn lưu điện tử nên nhỏ gọn nên lắp trực tiếp vào đui bóng (hình như có loại đui rời)

Đèn compact cũng như đèn ống tiết kiệm điện vì năng lượng để phát sáng

là chủ yếu chứ không phát nhiệt như trong bóng đèn giây tóc Sự phát sáng là do tia cực tím kích thích vào lớp huỳnh quang được sơn bên trong vỏ đèn

Các yêu cầu với TKCS

Đảm bảo độ sáng theo từng công việc Tạo được được nguồn sáng có độ

sáng như ánh sáng tự nhiên vào ban ngày

Đặt yêu cầu tiết kiệm năng lượng lên hàng đầu

1.4.2 TKCS bên ngoài

Chiếu sáng ngoại thất như: chiếu sáng đô thị, chiếu sáng trên các trục

đường giao thông, chiếu sáng tại các khu vực làm việc, chiếu sáng trang trí Nhằm bảo đảm an toàn cho xe cộ và người tham gia giao thông, làm tăng thêm

vẻ đẹp cho các công trình kiến trúc của thành phố

Thiết kế chiếu sáng ngoại thất phải đáp ứng các yêu cầu :

Đảm bảo an toàn cho xe cộ và người tham gia giao thông Đáp ứng các yêu cầu theo quy định khi thiết kế chiếu sáng ngoại thất

Hiệu suất làm việc cao, tiêu thụ điện năng thấp, tuổi thọ cao

Dễ dàng trong vận hành, khai thác, duy trì, bảo dưỡng

15

CHƯƠNG 2: XÂY DƯNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG MÔ PHỎNG CHỨC

NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH

2.1 Cấu trúc chung của mô hình mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh

Cấu trúc chung của hệ thống mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh được biểu diễn như hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển và giám sát của hệ thống

chiếu sáng thông minh

Trong cấu trúc hình 2.1 vi điều khiển thực hiện chức năng lưu trữ chương trình điều khiển và giao tiếp trực tiếp với các modul mở rộng và với máy tính, hoặc gián tiếp qua mạng với các modul mở rộng để giảm các dây đấu nội bộ Máy tính trong hệ thống đóng vai trò thu thập dữ liệu để thực hiện giám sát các trạng thái của hệ thống chiếu sáng

Hệ thống chiếu sáng thông minh là hệ thống có khả năng tự động bật đèn khi phát hiện chuyển động, tự động điều chỉnh độ sáng của đèn cho phù hợp với ánh sáng tự nhiên

Một hệ thống chiếu sáng thông minh có thể thực hiện điều khiển các loại đèn trong nhà theo kịch bản, có thể thực hiện điều khiển, giám sát được hệ thống

DC IN

1 2 3

VCC 5VDC

+ C9 1000uF -

+

C10 104

Hình 2.2 Nguồn cấp cho mạch điều khiển

Mạch điều khiển sử dụng nguồn nuôi có điện áp 5VDC Các tụ C9 và C10

là các tụ lọc nhằm ổn định điện áp một chiều

Khối điều khiển trung tâm

Để thực hiện chức năng lưu trữ chương trình điều khiển và giao tiếp trực tiếp với các modul mở rộng, với máy tính, với “thế giới thực”, hoặc gián tiếp qua mạng với các modul mở rộng, đồng thời cho phép lưu trữ trạng thái hoạt động của các động cơ thực hiện khi nguồn động lực bị mất Ở hệ thống này vi

điều khiển AVR Atmega 8 là trung tâm điều khiển, nó thu thập dữ liệu nhận

được từ các đối tượng, xử lý tín hiệu theo chương trình đã được lập trình, và xuất tín hiệu ra điều khiển đối tượng và hiển thị các trạng thái của đối tượng Do

đó thuật toán thực hiện và điều khiển đối tượng có thể được thay đổi một cách mềm dẻo bằng phần mềm Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm như hình

vẽ 2.3

17

J10

AUX

1 2 3 4 5

PWM1 PWM2

+ C1

10uF R15 10

(XTAL1/TOSC1) PB6 7(XTAL2/TOSC2) PB7 8

RES

MISO MOSI SCK

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm

Trong khối xử lý trung tâm đƣợc thực hiện hiện để xây dựng mô hình vật lý mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh tác giả sử dụng vi điều khiển AVR Atmega 8

Giới thiệu về vi điều khiển AVR Atmega 8 [7],[8]

Cấu trúc của vi điều khiển AVR đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.4

Hình 2.4 Cấu trúc của vi điều khiển AVR

18

AVR sử dụng cấu trúc Harvard [7],[8], tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và dữ liệu Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash

AVR có 01 bộ nhớ dữ liệu, 01 bộ nhớ chương trình Ngoài ra Atmega8 còn có bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu:

Bộ nhớ Flash (Bộ nhớ chương trình)

Bộ nhớ Flash 8KB của Atmega8 dùng để lưu trữ chương trình Do các lệnh của AVR có độ dài 16 hoặc 32 bit nên bộ nhớ Flash được sắp xếp theo kiểu 4KX16 Bộ nhớ Flash được chia làm 2 phần, phần dành cho chương trình boot và phần dành cho chương trình ứng dụng

Bộ nhớ dữ liệu SRAM: 1120 ô nhớ của bộ nhớ dữ liệu định địa chỉ cho file thanh ghi, bộ nhớ I/O và bộ nhớ dữ liệu SRAM nội Trong đó 96 ô nhớ đầu tiên định địa chỉ cho file thanh ghi và bộ nhớ I/O, và 1024 ô nhớ tiếp theo định địa chỉ cho bộ nhớ SRAM nội

Bộ nhớ EEPROM: dung lượng 512 byte được thao tác đọc/ghi từng byte

Các cổng vào/ra (I/O) của Atmega 8

Vi điều khiển ATmega8 có 23 đường vào ra Nếu các cổng là cổng vào ra hai chiều Bao gồm chứa cả điện trở pullup Mỗi port là đầu vào ra số thì điều khiển, dữ liệu vào/ra là như nhau Có thanh hanh ghi dữ liệu của các cổng: (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD), (DDRA, DDRB, DDRC, DDRD) và của cổng đầu vào (PINA, PINB, PINC, PIND)

Bộ định thời của vi điều khiển Atmega 8

Bộ định thời (timer/counter0) có các đặc điểm sau: