Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thơng minh LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ giới mặt, khoa học cơng nghệ nói chung ngành cơng nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng góp phần làm cho sống ngày đại văn minh Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ, hoạt động ổn định yếu tố cần thiết làm cho hoạt động người đạt hiệu cao Từ lâu cảm biến sử dụng ngành công nghiệp dân dụng thiết bị để cảm nhận phát đối tượng, đối tượng quan tâm ánh sáng Cùng với phát triển xã hội, sở hạ tầng bao gồm hệ thống chiếu sáng xây dựng tiêu thụ lượng lớn điện toàn cầu Do tiết kiệm lượng chương trình hành động liệt nhiều quốc gia giới nói chung Việt Nam nói riêng Lĩnh vực chiếu sáng chiếm khoảng 15-20% điện toàn cầu, yêu cầu chiếu sáng có hiệu quả, tiết kiệm lượng yêu cầu vừa cấp bách vừa lâu dài Để thực triệt để việc tiết kiệm điện chiếu sáng, cần thiết phải thực đồng ba yếu tố: Sử dụng loại nguồn sáng có hiệu suất cao chiếu sáng, xây dựng hệ thống tự động điều khiển chiếu sáng sử dụng cảm biến đảm bảo môi trường hoạt động tiện ích nguồn sáng bóng đèn cần sử dụng mục đích, thời điểm, nhu cầu đáp ứng tiết kiệm điện tối đa Với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh” giải đáp vấn đề chiếu sáng, áp dụng tính chất cảm biến ánh sáng xây dựng lên hệ thống chiếu sáng giải mục tiêu tiết kiệm điện đảm bảo tối đa tiện nghi chiếu sáng sống Đây đề tài mang tính khởi đầu đặt móng cho nghiên cứu phát triển tối ưu hệ thống chiếu sáng thơng minh sau Dưới hướng dẫn tận tình PGS.TS Phạm Văn Bình – người có nhiều năm kinh nghiệm nghiên cứu, em cung cấp điều kiện sở Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh định, để tự tin bước vào thực luận văn Mặc dù tính ln vấn đề ưu tiên nhắc tới khoa học kỹ thuật, nhiên nhìn chung luận văn dừng lại tìm tòi, tổng hợp nghiên cứu lý thuyết, ứng dụng thực tế, tìm hiểu cơng nghệ đại giới, sau tóm lược lại đưa dẫn xây dựng mơ hình mô đơn giản Em xin cảm ơn công lao dạy, hướng dẫn PGS.TS Phạm Văn Bình, qua thầy em biết cách tìm hiểu sở lý thuyết, tiếp cận vấn đề, xác định ý tưởng thực ý tưởng Em biết ơn công lao dạy tất thầy q trình tham gia học tập chương trình Thạc sỹ Viện Điện tử Viễn thông- trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy cô tạo điều kiện giúp đỡ tối đa suốt thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên: Nguyễn Tuấn Cảnh Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 10 h ề tài 10 M h ghi u ề t i 10 Đ it gv h vi ghi u ề t i 10 Ph g h ghi u 11 gh h h v th ti 11 Nội dung c a luậ vă 11 Ch g : Tổng quan kỹ thuật chiếu sáng 12 1.1 Lịch sử kỹ thuật chiếu sáng 12 Điện cho chiếu sáng: 13 1.3 Tính chất c a ánh sáng 14 C il g h s g 15 C ịnh luật c a quang hình h c 18 1.6 Một s t h ă g thị giác 19 T h ă g hì rõ a mắt 19 Độ t g hản 19 1.6.3 Hiệ t ng chói lóa 20 1.7 Màu c a nguồn sáng 20 1.7.1 Màu sắc 20 1.7.2 Nhiệt ộ màu tiệ 1.7.3 Chỉ s truyề ghi ôi tr ờng sáng 20 t màu 21 1.8 Thiết bị v h g h t h hất ánh sáng 21 Đ ộ r i 21 Đ g ộ sáng 22 Đ qu g thô g 22 1.9 Các lo i nguồn sáng 23 1.9.1 Nguồn sáng truyền th ng 23 1.9.2 Các nguồn sáng 25 Đè Sulfur 25 Đè ser 25 Đè ED 26 Kết luậ h g : 40 Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh Ch g : Cảm biến ánh sáng ng d ng 41 2.1 Phân lo i cảm biế h s g 41 2.1 S hấp th quang chất bán dẫn 45 2.1.1 Hệ s hấp th 45 2.1.2 Hiệu suất l ng tử 48 2.2 Một s ặ tr g a cảm biến quang 52 2.2.1 Tỉ s tín hiệu nhi u v ộ phân giải 52 2.2.2 Thời gi ng 53 Độ nh y c a cảm biến 54 Độ tuyến tính 56 2.2.5 Sai s v ộ xác 58 2.2.6 Vùng phổ làm việc 59 2.3 Một s lo i cảm biến quang 60 2.3.1 Quang trở 60 2.3.2 Photodiode 65 2.3.3 Phototranzito 74 2.3.4 Photo IC 78 Kết luậ h g 86 Ch g : Ứng d ng cảm biến ánh sáng hệ th ng chiếu sáng thông minh 87 3.1 Hệ th ng chiếu sáng thông minh 87 3.1.1 Khái niệm hệ th ng chiếu sáng thông minh 87 3.1.1.1 Hệ th ng chiếu sáng 87 3.1.1.2 Hệ th ng chiếu sáng thông minh 87 Kỹ thuật thiết ế hệ th g hiếu s g thô g i h 89 Nguồ s g thô g i h 89 Điều hiể S g ả hiếu s biế tr g thô g i h 90 g hệ th Kỹ thuật truyề thô g tr g hiếu sáng thông minh 93 g hệ th g hiếu s g thô g i h 97 3.2 Demo ng d g iều khiể g ộ chiếu sáng Led sử d ng Kit Adruino Uno 100 3.2.1 Sử d ng tế bào quang dẫn 100 3.2.1 M h iều khiể g ộ chiếu s g è ed 102 3.2.3 Ch g trì h v ết 108 3.3 H ớng phát triể h t g l i 111 Kết luậ h g : 112 KẾT LUẬN 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực tham khảo có dẫn chứng cụ thể Những đánh giá, nhận xét cá nhân đưa từ nghiên cứu lý thuyết thực hành nghiêm túc Học viên: Nguyễn Tuấn Cảnh Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ g Dị h gh FL Fluorescent Lamp Đèn huỳnh quang HID High-Intensity Discharge Đèn phóng điện cường độ cao CRI Colour Rendering Index Chỉ số truyền đạt màu GLS General Lamp Shape Đèn sợi đốt LED Light-Emitting-Diode Đi ốt phát quang PCB printed circuit board Mạch in PCB CFL Compact Fluorescent Lamp Đèn huỳnh quang compact LDR Light Dependent Resistor Quang trở CCD Charge Coupled Device Linh kiện tích điện kép - Cảm biến chuyển đổi tín hiệu hình ảnh sang tín hiệu điện PAR Photosynthetically Active Cảm biến đo xạ Radiation NEP Noise Equivalent Power Công suất nhiễu tương đương RMS Root mean square Giá trị bình phương trung bình POF Optical Communication Giao tiếp quang GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu MCU MicroController Unit Bộ vi điều khiển PIR Passive InfraRed Cảm biến hồng ngoại EPA United States Environmental Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ Protection Agency EPRI Viện nghiên cứu điện Hoa Kỳ Electric Power Research Institute ALS Ambient Light Sensors Cảm biến môi trường xung quanh PWM Pulse-Width Modulation Điều chế độ rộng xung Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tương quan nhiệt độ màu ánh sáng 20 Bảng Công suất tiêu thụ đèn Led 34 Bảng Phân tích so sánh loại bóng đèn thơng dụng 38 Bảng Chỉ dẫn lựa chọn sử dụng cảm biến quang 44 Bảng Ứng dụng với loại Photo IC 82 Bảng Thông số Photo IC Hamamatsu S9648-200SB 85 Bảng Ước lượng tỉ lệ lượng tiết kiệm dùng cảm biến phát người 96 Bảng Bảng dẫn lựa chọn thiết bị điều khiển 97 Bảng Tương quan độ rọi ánh sáng môi trường 102 Bảng 10 Thông số Adruino Uno 103 Bảng 11 Điện áp tương tự gần dựa cảm biến ánh sáng 107 Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thơng minh DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 01 Chiếu sáng thơ sơ sử dụng đèn nến 12 Hình 02 Lịch sử phát triển loại đèn 13 Hình 03 Ánh sáng nhìn thấy tồn dải quang phổ sóng điện từ 14 Hình 04 Cường độ ánh sáng 16 Hình 05 Góc khối 16 Hình 06 Đèn sợi đốt 23 Hình 07 Đèn Halogen-Vonfam 23 Hình 08 Đèn huỳnh quang Philips 24 Hình 09 Đèn LED (Light-Emitting-Diode) 26 Hình 010 Ứng dụng Led hình trình chiếu, TV điện thoại di động sử dụng công nghệ Led 27 Hình 11 Cấu tạo Led 28 Hình 12 Cấu tạo Chip Led 28 Hình 13 Kết cấu tản nhiệt 29 Hình 14 Thấu kính Led 97mm Street Light Glass Lens 30 Hình 15 Nguyên lý hoạt động Led 30 Hình 16 Phân cực thuận (phát sáng) 31 Hình 17 Phân cực ngược (khơng phát sáng) 31 Hình 18 Đặc trưng điện 32 Hình 19 Đặc trưng điện 32 Hình 20 Hiệu suất phát quang đèn Led 34 Hình 21 Cơng suất tiêu thụ thay cuả đèn LED 35 Hình 22 Cấu tạo hình Led 39 Hình 23 Điểm ảnh cấu tạo từ ba LED: xanh, xanh lá, đỏ 39 Hình 24 Hỏa kế quang Omron 50~700C Degree /-58~1292F 42 Hình 25 Cảm biến Par 43 Hình 26 Sự hấp thụ photon bán dẫn 46 Hình 27 Hệ số hấp thụ số bán dẫn quan trọng 47 Hình 28 Độ xuyên sâu photon vật liệu bán dẫn Si dùng thiết kế detector 48 Hình 29 Hiệu suất lượng tử tương đối độ nhạy phổ số vật liệu 51 Hình 30 Một số vật liệu dùng chế tạo Photodiode vùng nhậy quang chúng biểu thị theo độ lớn độ nhạy 52 Hình 31 Vùng phổ làm việc số vật liệu quan trọng 60 Hình 32 Một số loại quang trở 60 Hình 33 Cấu tạo quang trở 61 Hình 34 Độ nhạy chất khác với phổ ánh sáng 61 Hình 35 Sự phụ thuộc điện trở vào rọi sáng 62 Hình 36 Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơ le 65 Hình 37 Một số Photodiode hãng Hamamatsu 65 Hình 38 Sơ đồ chuyển tiếp P – N hiệu ứng quang điện vùng nghèo 66 Hình 39 Cấu trúc photođiot PIN 67 Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thơng minh Hình 40 Sơ đồ ngun lý chế độ làm việc photodiode chế độ quang dẫn 69 Hình 41 Sơ đồ dịng ngược chế độ quang dẫn 70 Hình 42 Sự phụ thuộc mạch hở vào thơng lượng 71 Hình 43 Sự phụ thuộc dịng ngắn mạch vào thơng lượng ánh sáng 72 Hình 44 Sơ đồ đo chế độ quang áp 72 Hình 45 Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng sử dụng khuếch đại thuật toán tốc độ cao 74 Hình 46 Nguyên lý hoạt động Phototranzito 75 Hình 47 Phototranzito chế độ chuyển mạch 76 Hình 48 Mạch dùng phototranzito để đo thơng lượng ánh sáng 77 Hình 49 Mạch đóng tắt Rơ le dùng phototranzito 77 Hình 50 Photo IC Hamamatsu 79 Hình 51 Cấu trúc Photo IC đơn lai Hamamatsu 79 Hình 52 Ứng dụng Photo IC cơng nghiệp sản xuất 80 Hình 53 Ứng dụng Photo IC dân dụng, giao thông, smart home 81 Hình 54 Ứng dụng Photo IC cơng nghiệp auto 82 Hình 55 Photo IC diode 83 Hình 56 Sơ đồ khối Photo IC diode nhạy với ánh sáng nhìn thấy 84 Hình 57 Phổ ánh sáng độ nhạy Photo IC Diode 84 Hình 58 Đặc trưng tuyến tính dòng cường đồ sáng 85 Hình 59 Đặc tính Vơn - Ampe LED 90 Hình 60 Ma trận LED 8x8 90 Hình 61 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chiếu sáng 91 Hình 62 Điều khiển ma trận LED 92 Hình 63 Mã màu RGB 92 Hình 64 Street Light Controller sử dụng IC 555 93 Hình 65 Cảm biến siêu âm Omron E4PA-LS50-M1-N 94 Hình 66 Nguyên lý cảm biến siêu âm 94 Hình 67 Cảm biến nhiệt hồng ngoại Omron ES1B 115-165 95 Hình 68 Vật liệu nhóm pyroelectric dùng làm cảm biến dị tia nhiệt 95 Hình 69 Một vài cảm biến ALS 96 Hình 70 Kết nối trực tiếp thiết bị chiếu sáng LED vi xử lý 97 Hình 71 Điều khiển thiết bị chiếu sáng qua mạng 98 Hình 72 Hệ thống chiếu sáng cầu Rồng - Đà Nẵng 99 Hình 73 Mơ hình hệ thống chiếu sáng thơng minh đường phố 99 Hình 74 Đặc tính điện trở cường độ ánh sáng 101 Hình 75 Kiểm tra khả hoạt động CdS 102 Hình 76 Arduino Uno R3 104 Hình 77 Mạch đọc tín hiệu từ quang trở 106 Hình 78 Mạch điều khiển cường độ chiếu sáng đèn Led sử dụng CdS 108 Hình 79 Kết đo giá trị quang trở 110 Hình 80 Kết điều khiển độ sáng Led 111 Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh MỞ ĐẦU Với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh” tác giả trình bày khái quát sở lý thuyết ánh sáng, nguồn sáng mới, nghiên cứu loại cảm biến ánh sáng, hệ thống điều khiển chiếu sáng qua đưa dẫn mô thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh đảm bảo yếu tố chiếu sáng hiệu tiết kiệm ch n đề tài Tiết kiệm lượng chương trình hành động liệt nhiều quốc gia giới nói chung Việt Nam nói riêng Lĩnh vực chiếu sáng chiếm khoảng 19% tổng điện tiêu thụ toàn cầu (trong Việt Nam : 25,3%), yêu cầu chiếu sáng có hiệu quả, tiết kiệm yêu cầu vừa cấp bách vừa lâu dài Với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh” đáp ứng yêu cầu hiệu tiết kiệm lượng thông qua việc nghiên cứu sử dụng linh kiện quang điện tử linh hoạt với việc xây dựng hệ thống điều khiển đáp ứng tối đa yêu cầu ục đ ch nghiên cứu c đề t i Cảm biến ánh sáng có nhiệm vụ phát có mặt ánh sáng với bước sóng khác Với bước sóng, loại cảm biến sử dụng ứng dụng khác Việc nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng ứng dụng kết hợp với công nghệ chế tạo nguồn sáng mới, áp dụng linh hoạt linh kiện quang điện tử, linh kiện điều khiển nhằm xây dựng lên hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh giải tồn tiết kiệm điện chiếu sáng tiện ích ối t ng v ph m vi nghiên cứu c đề t i Đối tượng nghiên cứu luận văn ứng dụng loại cảm biến ánh sáng mà cụ thể tập trung vào Quang trở, Photodiode, Phototransistor, Photo IC, với thành phần cấu tạo lên hệ thống chiếu sáng thông minh đảm bảo hai hai mục tiêu: Nâng cao chất lượng chiếu sáng, làm thay đổi tiêu ánh Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 10 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh 32,000 - 130,000 lux Ánh sáng với ánh nắng chiếu trực tiếp Bảng Tương quan độ rọi ánh sáng môi trường Cần kiểm tra tế bào quang CdS trước thiết kế Demo hệ thống Đơn giản để kiểm tra tế bào quang CdS hoạt động cách kết nối với đồng hồ vạn chế độ đo điện trở Bằng cách che tay vào bề mặt tế bào quang, thay đổi điện trở kiểm tra hoạt động CdS Hình 75 Kiểm tra khả hoạt động CdS Về CdS điện trở không phân cực, đảo chân cắm kết nối mạch 3.2.1 Mạch điều khiển cường độ chiếu sáng đèn Led sử dụng CdS Kit Arduino Uno a) Arduino Uno Arduino Uno dòng mạch Arduino thiết kế dựa vi điều khiển ATmega328 họ 8bit có thơng số sau Vi điều khiển Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 ATmega328 họ 8bit 102 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh Điện áp hoạt động 5V DC (cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ ~ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) Bảng 10 Thông số Adruino Uno Nă g l ng Arduino UNO cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V C hâ ă gl ng  GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với  5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA  3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 103 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh  Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND  IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Mặc dù không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn  RESET: Nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:  32KB nhớ Flash: đoạn lệnh lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển  2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị biến khai báo lập trình lưu SRAM  1Kb EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory) Các cổng vào/ra Hình 76 Arduino Uno R3 Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 104 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thơng minh chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở khơng kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau:  chân Serial: (RX) (TX): Dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thơng qua chân  Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Có thể điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác  Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngồi chức thơng thường, chân dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác  LED 13: Trên Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng  Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Nếu cấp điện áp 2.5V vào chân dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác Lập trình cho Arduino Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngơn riêng dựa tảng ngơn ngữ lập trình C/C++ Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 105 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh b) Mạch phương pháp đọc tín hiệu từ quang trở Sử dụng phương pháp đọc hiệu điện từ cầu phân áp Mắc quang trở theo sơ đồ cầu phân áp Phía trước chân Analog có điện trở R=10KΩ Cấp nguồn 5V, nhiên sử dụng với nguồn 3.3 V Đọc hiệu điện khoảng 0V đến 5V Hình 77 Mạch đọc tín hiệu từ quang trở Ánh sáng môi trường thay đổi, trở kháng tế bào quang điện giảm, tổng kháng tế bào quang điện điện trở giảm xuống từ 600KΩ đến 10KΩ Đo thông số theo ánh sáng môi trường khác thu bảng sau: Môi tr ờng ánh sáng Độ r i (lux) Ánh sáng trời tối 0.1 lux Ánh sáng có ánh trăng lux Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 Photocell resist LDR e (Ω) + R (Ω) 600KΩ 70 KΩ 106 610 KΩ 80 KΩ Current thru Voltage LDR+R across R 0.008 mA 0.1 V 0.07 mA 0.6 V 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh 10 lux 10 KΩ 20 KΩ 0.25 mA 2.5 V Ánh sáng phòng ban ngày 100 lux 1.5 KΩ 11.5 KΩ 0.43 mA 4.3 V Ánh sáng ngày u ám 1000 lux 300 Ω 10.03 KΩ 0.5 mA 5V Ánh sáng phòng tối Bảng 11 Điện áp tương tự gần dựa cảm biến ánh sáng / trở kháng với nguồn 5V điện trở 10 KΩ c) Mạch điều khiển độ sáng đèn Led Thông thường, với loại đèn LED siêu sáng hiệu điện hoạt động phổ biến chúng nằm dải từ 1.7V đến 3.3V Theo lý thuyết mạch Arduino cấp nguồn mức hiệu điện 5V Do phải mắc thêm điện trở để giảm hiệu điện xuống nhắm tránh gây hư hỏng linh kiện Trong mạch sử dụng điện trở có giá trị khoảng 220-1K Ω Để điều khiển đèn LED sáng với nhiều mức độ khác nhau, giải pháp thay sử dụng tín hiệu số (digital) để điều khiển LED, ta chuyển sang tín hiệu tương tự (analog) Khi đó, hiệu điện tinh chỉnh theo thời gian, đèn LED sáng theo yêu cầu Sử dụng kĩ thuật điều chế độ rộng xung PWM để giải vấn đề Với kĩ thuật PWM, nhờ vào tần số dao động tín hiệu điện mạch mà ta có kết việc sử dụng tín hiệu tương tự tín hiệu số Tín hiệu số tạo xung vng, dạng tín hiệu bật / tắt, tín hiệu bật / tắt tương ứng với mức 5V 0V Bằng việc thay đổi khoảng thời gian bật tắt chu kì ngắn, ta điều khiển mức độ chiếu sáng đèn LED Khoảng thời gian bật / tắt chu kì gọi biên độ xung - pulse width Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 107 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thơng minh Hình 78 Mạch điều khiển cường độ chiếu sáng đèn Led sử dụng CdS 3.2.3 Chương trình kết a) Đo giá trị quang trở /* Photocell simple testing sketch Connect one end of the photocell to 5V, the other end to Analog 0.Then connect one end of a 10K resistor from Analog to ground*/ int photocellPin = 0; int photocellReading; // the cell and 10K pulldown are connected to a0 // the analog reading from the analog resistor divider void setup(void) { // We'll send debugging information via the Serial monitor Serial.begin(9600); } void loop(void) { photocellReading = analogRead(photocellPin); Serial.print("Analog reading = "); Serial.print(photocellReading); // the raw analog reading // We'll have a few threshholds, qualitatively determined Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 108 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh if (photocellReading < 10) { Serial.println(" - Dark"); } else if (photocellReading < 200) { Serial.println(" - Dim"); } else if (photocellReading < 500) { Serial.println(" - Light"); } else if (photocellReading < 800) { Serial.println(" - Bright"); } else { Serial.println(" - Very bright"); } delay(1000); } Upload code vào chương trinh Arduino IDE đồng thời thay đổi cường độ ánh sáng môi trường cách che quang trở theo mức độ khác thu kết Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 109 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thơng minh Hình 79 Kết đo giá trị quang trở b) Điều khiển độ sáng Led /* Photocell simple testing sketch Connect one end of the photocell to 5V, the other end to Analog 0.Then connect one end of a 10K resistor from Analog to ground Connect LED from pin 11 through a resistor to ground */ int photocellPin = 0; int photocellReading; // the cell and 10K pulldown are connected to a0 // the analog reading from the sensor divider int LEDpin = 11; // connect Red LED to pin 11 (PWM pin) int LEDbrightness; // void setup(void) { // We'll send debugging information via the Serial monitor Serial.begin(9600); } void loop(void) { photocellReading = analogRead(photocellPin); Serial.print("Analog reading = "); Serial.println(photocellReading); Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 // the raw analog reading 110 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh // LED gets brighter the darker it is at the sensor // that means we have to -invert- the reading from 0-1023 back to 1023-0 photocellReading = 1023 - photocellReading; //now we have to map 0-1023 to 0-255 since thats the range analogWrite uses LEDbrightness = map(photocellReading, 0, 1023, 0, 255); analogWrite(LEDpin, LEDbrightness); delay(100); } Upload code vào chương trình Arduino IDE đồng thời thay đổi giá trị quang trở cách che quang trở theo mức độ khác ta thu kết cường độ chiếu sáng đèn Led thay đổi tỷ lệ nghịch với cường độ ánh sáng mơi trường Hình 80 Kết điều khiển độ sáng Led 3.3 H ớng phát triể h t gl i Tiết kiệm điện năng, đặc biệt điện chiếu sáng vấn đề toàn cầu quan tâm Việc tiết kiệm điện tập trung chủ yếu mức thiết bị mức hệ thống Các giải pháp điều khiển chiếu sáng tích cực nghiên cứu phát triển bao gồm hoàn thiện công nghệ đèn chiếu sáng, công Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 111 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh nghệ cảm biến, chấn lưu điện tử mạng điều khiển chiếu sáng Các mạng điều khiển chiếu sáng sử dụng bus truyền thông riêng GE, Honeywell, Lutron,… truyền đường dây điện hay truyền thông không dây (3G, 4G, LTE) Nghiên hệ thống điều khiển chiếu sáng bao gồm phần tử chấp hành (đèn, rơle, chấn lưu,) kết nối thành mạng, cảm biến, điều khiển, phần mềm quản lý giám sát Do việc nghiên cứu thành phần hệ thống chiếu sáng đưa số hướng phát triển sau:  Nghiên cứu thiết kế chế tạo nút cảm biến không dây cho hệ thống quản lý điều khiển chiếu sáng  Xây dựng firmware mạng cảm biến không dây cho hệ thống quản lý điều khiển chiếu sáng  Nghiên cứu xây dựng giải pháp điều khiển chiếu sáng sử dụng cảm biến quang ứng dụng cho môi trường chiếu sáng khác nhà xướng, trường học, smart home Hệ thống chiếu sáng thơng minh điều khiển giám sát từ Trung tâm có đầy đủ tính năng: Có khả điều khiển bật, tắt đèn chiếu sáng theo thời gian; điều khiển tiết giảm điện tiêu thụ với nhiều mức theo thời gian, điều khiển tắt xen kẽ pha theo thời gian; có khả lưu trữ liệu hệ thống chiếu sáng điện tiêu thụ máy tính  Kết hợp cơng nghệ vi điện tử, công nghệ nano, công nghệ MEMS, xây dựng chương trình nghiên cứu chế tạo cảm biến Photo IC đáp ứng yêu cầu môi trường chiếu sáng đặc biệt Ngoài hướng nghiên cứu phát triển đề cập trên, có hướng nghiên cứu phát triển khác mà nhiều lý em chưa tiếp cận Đây mục tiêu tương lai, mà có điều kiện em tiếp tục nghiên cứu để đề tài ngày hoàn thiện Kết luậ h g : Từ tiêu để đánh giá chất lượng hệ thống chiếu sáng tác giả đưa khái niệm hệ thống chiếu sáng thông minh với kỹ thuật để xây Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 112 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh dựng lên hệ thống tối ưu yêu cầu tiết kiệm lượng chiếu sáng tiện ích hiệu Kết hợp kiến thức lý thuyết cảm biến ánh sáng kết hợp sử dụng ngơn ngữ lập trình Kit Adruino Uno, nội dung chương trình bày thiết kế demo hệ thống chiếu sáng thông minh điều khiển cường độ chiếu sáng đèn Led theo thay đổi ánh sáng mơi trường xung quanh Đó tiền đề để xây dựng hệ thống chiếu sáng thông minh lớn ứng dụng thực tế Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 113 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh KẾT LUẬN Ánh sáng dạng vật chất đặc biệt, dạng lượng, vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt Vì mà thơng số đặc trưng ánh sáng tốc độ, tần số bước sóng hồn tồn đo Các cảm biến đo ánh sáng đa dạng, nhiên ứng dụng dân dụng công nghiệp cảm biến quang (quang trở, Photodiode, Phototransistor Photo IC) dùng phổ biến Kết hợp với công nghệ điện tử bán dẫn, công nghệ vi điều khiển, ngày cho phép thiết kế mạch điều khiển tích hợp cảm biến ánh sáng phục vụ hữu ích cho ứng dụng đa dạng hệ thống chiếu chiếu sáng Những hệ thống chiếu sáng thông minh tiết kiệm tối đa điện tiêu thụ mà đạt tới việc chiếu sáng tiện ích hiệu cho người Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thơng minh” đề tài có tính lý thuyết thực tiễn cao Đây đề tài có tính khái qt bao hàm nhiều lĩnh vực, từ chiếu sáng, kỹ thuật điện, điện tử, linh kiện bán dẫn hệ thống tự động điều khiển, nội dung có tính thực tiễn cao việc nghiên cứu quang điện tử ứng dụng Em hy vọng tảng, sở cho đề tài ứng dụng quang điện tử có tính thực tiễn cao thời gian tới Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 114 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh – Đặng Văn Đào, Kỹ thuật chiếu sáng tiện nghi hiệu lượng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2008 [2] Phạm Đức Nguyên, Chiếu sáng kiến trúc, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] GS.TS Phạm Hồng Khôi, TS Nguyễn Thị Bắc Kinh, Bài giảng “Đèn LED ứng dụng chiếu sáng chung”; Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 6/2010 [4] Đào Khắc An, “Vật liệu linh kiện quang điện tử thông tin quang”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003 [5] Hồ Văn Sung, “Linh kiện bán dẫn vi mạch”, Nhà xuất Giáo dục, 1999 [6] Nguyễn Văn Hịa, “Giáo trình Đo lường điện Cảm biến đo lường”, Nhà xuất Giáo dục, 2006 [7] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam, “Chiếu sáng nhân tạo bên ngồi cơng trình cơng cộng kỹ thuật hạ tầng đô thị- Tiêu chuẩn thiết kế -Artificial outdoor lighting for public buildings and urban infrastructure - Design standard”, TCXDVN 333, 2005 [8] Trịnh Lương Miên, Đại học Giao thông Vận tải, “Cảm biến chiếu sáng ứng dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng tiết kiệm lượng điện”, Tạp chí tự động hóa ngày nay, Automation To day, Số 153, 2013 [9] TS Nguyễn Thị Bắc Kinh, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam “Bài giảngĐèn Led ứng dụng chiếu sáng chung”, 2010 [10] LIU CHEE WEI, “Modular Intelligent Control System (MICS) for smart lighting system”, Faculty of Engineering and Science, Universiti Tunku Abdul Rahman, 2011 [11] HAMAMATSU PHOTONICS, Solid State Division, “Photo IC handbook” http://hamamatsu.com, 2016 [12] VISHAY SEMICONDUCTORS “Ambient Light Sensors - Circuit and Window Design” www.vishay.com, 2016 Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 115 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh [13] ROHM Semiconductor, “Ambient Light Sensor (ALS) Applications in Portable Electronics”, www.rohm.com, 2011 [14] Jacob Fraden, “Handbook of Modern Sensors- Chapter 37 MOLECULAR RELAXATION RATE SPECTROMETER Physics, Designs, and Applications”, DETECTION THEORY, 2010 [15] Adruino “Adruino Uno OSH: Schematics, Reference Design, Board size” https://www.arduino.cc [16] Wen-Tsai Sung, National Chin-Yi University of Technology, Taiwan, “Design and Implementation of a Smart LED Lighting System Using a Self Adaptive Weighted Data Fusion Algorithm”, www.mdpi.com/journal/sensors, 2013 Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 116 2014B-KTĐT ... thuật chiếu sáng Ch g : Cảm biến ánh sáng ứng dụng Ch g : Ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 11 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ. .. 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thông minh CHƯƠNG : CẢM BIẾN ÁNH SÁNG VÀ ỨNG DỤNG 2.1 Phân lo i cảm biế hs g Cảm biến đo ánh sáng phận quan trọng hệ thống điều... ánh sáng triển khai hệ thống chiếu sáng Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205 42 2014B-KTĐT Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng hệ thống chiếu sáng thơng minh Hình 25 Cảm biến Par Cảm biến quang: Cảm biến