Thiết kế mạch chiếu sáng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO ĐỒ ÁN Đề tài Mạch điều khiển kỹ thuật chiếu sáng tự động tiết kiệm lượng Mục lục LỜI MỞ ĐẦU Xã hội ngày phát triển hơn, đại hơn, người đòi hỏi nhu cầu đáp ứng tiện nghi, thoải mái công việc đời sống xã hội Việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động hầu hết lĩnh vực sống nhằm đáp ứng nhu cầu cần thiết người Đó tiêu chuẩn đánh giá phát triển vùng miền, khu vực, q trình đại hóa đất nước, bên cạnh giảm tác động trực tiếp người, tiết kiệm thời gian, lượng, cơng sức tiền bạc Qua q trình hướng dẫn giúp đỡ thầy giáo “T.S Đặng Chí Dũng” giúp em tìm hiểu hồn thành việc “Thiết kế chế tạo mạch chiếu sáng tự động” phục vụ nhu cầu chiếu sáng người, tiết kiệm điện năng, sử dụng rộng rãi nhà Trong q trình làm việc có sai sót, mong nhận góp ý thầy giáo cô giáo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH CHIẾU SÁNG TỰ ĐỘNG 1.1 Mạch chiếu sáng tự đợng và ứng dụng Với vài trị chiếu sáng khơng thể thiếu giúp người di chuyển, hoạt động làm việc việc sử dụng ánh sáng cần thiết Tuy nhiên việc sử dụng ánh sáng cho hiệu với hoạt động, thời điểm không dễ dàng Vào ban ngày ánh sáng nhận từ xạ mặt trời cung cấp tự nhiên dụng không hạn chế Tuy nhiên thời điểm ngày kết thúc, nhu cầu ánh sáng phải đảm bảo phục vụ cho hoạt động người Con người tạo ánh sáng nhân tạo từ bóng đèn chiếu sáng dựa nguồn lượng khác, chủ yếu điện Điện sử dụng cho hệ thống chiếu sáng ảnh hưởng tới nhu cầu sử dụng điện lên ngành điện lực, làm tăng chi phí kinh trả Bài toán tiết kiệm lượng người trọng quan tâm, ta cần sử dụng điện hiệu tối đa, tránh lãng phí Với dân số Việt Nam tăng lên phát triển xã hội nhu cầu sử dụng điện không ngừng tăng cao Bảng 1-1: Nhu cầu sử dụng điện lĩnh vực Ở Việt Nam, mức điện tiêu thụ mức báo động, nguyên nhân công nghệ tổ chức sản xuất lạc hậu sử dụng điện lãng phí khơng mục đích Theo số liệu thống kê Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), lượng điện tiêu thụ hệ thống chiếu sáng toàn quốc chiếm khoảng 25(%) tổng lượng điện tiêu thụ Có nghĩa lượng điện cấp cho hệ thống chiếu sáng chiếm tỷ trọng lớn tổng lượng điện tiêu thụ Tiết kiệm điện hệ thống chiếu sáng, hệ thống điện, yêu cầu cấp bách đặt cần phải thực Nếu tiết kiệm triệt để hệ thống chiếu sáng giúp tiết kiệm lượng đến 40 (%) Hiện có ba giải pháp tiết kiệm điện áp dụng cho lĩnh vực chiếu sáng: • Sử dụng tối đa nguồn ánh sáng tự nhiên • Thay bóng đèn sợ đốt bóng đèn chiếu sáng tiết kiệm điện • Thiết kế hệ thống chiếu sáng phù hợp với khơng gian tính chất mục đích sử dụng 1.2 Thế nào là một mạch chiếu sáng tự động: Mạch chiếu sáng tự động mạch điện gồm phần tử liên kết lại với có nhiệm vụ cung cấp ngắt dòng điện đến thiết bị chiếu sáng Q trình cung cấp ngắt dịng thực cách tự động định vào đại lượng tín hiệu mà người chế tạo cài đặt ban đầu Ngồi cịn có số mạch có khả tự điều chỉnh cường độ sáng, màu sắc, vv… cho phù hợp với khơng gian u cầu sử dụng Các tín hiệu thường dùng để điều khiển: • Cường độ sáng: ánh sáng thời điểm ngày khác Sự thay đổi đặc trưng cường độ sáng nhận biết quang trở, điện trở quang trở thay đổi ánh sáng thay đổi • Thời gian chiếu sáng: việc chiếu sáng thực hiên nhờ mạch hẹn giờ, thông qua đếm dao động để điều chỉnh trình đóng ngắt mạch • Các chuyển động: xác định cảm biến hồng ngoại, người chuyển động hướng vng góc với trùm tia chiếu, thân nhiệt người phát xạ hồng ngoại kích hoạt vào mắt cảm biết, dựa vào thay đổi để điều khiển đóng ngắt mạch điện Ngồi tín hiệu từ cảm biến siêu âm sử dụng để phát âm người, làm tín hiệu điều khiển cho việc đóng ngắt mạch 1.2.1 Ứng dụng của mạch chiếu sáng tự động Mạch chiếu sáng tự động sử dụng rỗng rãi đời sống hộ gia đình, sản xuất kinh doanh nhà máy, xí nghiêp, hệ thống chiếu sáng đường phố, cơng viên khu vực công cộng v.v… a) Chiếu sáng tự động ở đường phố, công viên, khu công cộng Ánh sáng giúp người quan sát phương tiện khác di chuyển, nhận biết tín hiệu giao thơng để điều khiển phương tiện an tồn với người phương tiện, tránh va chạm, tai nạn xảy Các loại mạch chiếu sáng tự động sử dụng lắp đặt chiếu sáng trời tối, thời gian chiếu sáng điều chỉnh theo thời gian chiếu sáng mặt trời ngày ngày mùa Hình 1.1 Mơ hình mạch chiếu sáng cho hệ thống đèn chiếu đường b) Phục vụ các hoạt động sinh hoạt hộ gia đình: Mạch chiếu sáng tự động sử dụng cảm biến quang hay cảm biến chuyển động Các cảm biến nhận biết thay đổi cường độ sáng xuất người Khi có tín hiệu nhận mạch chiếu sáng hoạt động, người có chiếu sáng cần thiết Các khu vực cần lắp đặt nhà như: cửa vào, hành lang lại, vị trí cầu thang, bố trí hầm để xe, khu vực vệ sinh, hay nơi mà ánh sáng ban ngày chiếu sáng tới Hiện cơng ty Bkav Smart Home sản xuất thành công số thiết bị chiếu sáng tự động sử dụng khu vực khác nhà tiện nghi Hình 1-2: Thiết bị bật tắt đèn tự động gắn trần, gắn tường c) Ứng dụng hệ thống bảo vệ, tránh kẻ gian đột nhập vào ban đêm Thiết bị cảm biến lắp đặt xung quanh nhà, kẻ gian đột nhập di chuyển ngang qua vùng cảm biến nhận biết, đèn bật sáng khiến kẻ gian giật mình, đồng thời báo hiệu cho người chủ nhà biết mối nguy hiểm có phương án dự phịng d) Ứng dụng mạch chiếu sáng tự đợng việc điều khiển tín hiệu đèn giao thông Tại ngã rẽ, khuc vực giao tuyến đường, tránh tượng va chạm, người ta dùng đèn giao thông để thị khoảng thời gian cho phép người điều khiển phương tiện tiếp, khoảng thời gian dừng phương tiện lại Các khoảng thời gian tương ứng vào khoảng thời gian đèn sáng thay đổi luân phiên, qua người tham gia giao thơng nhận biết thực dẫn giao thơng Hình 1-3: Đèn điều khiển tín hiệu giao thơng 1.2.2 Ưu nhược điểm của mạch chiếu sáng tự động a) Ưu điểm: Giải phóng hoạt động người: cơng việc bật tắt đèn diễn cách tự động, cần tác động trực tiếp từ người, ta khơng cịn phải suy nghĩ qn tắt đèn hay chưa Tạo cảm giác thoải mái, tiện nghi: người khơng phải nhớ rõ vị trí cơng tắc đèn nữa, người tuổi cao hay vị khách đến chơi nhà khó khăn để bật đèn sáng, thứ trở nên đơn giản, dễ dàng Nâng cao tính an toàn cho tài sản sống: chiếu sáng báo hiệu có kẻ gian đột nhập Tiết kiệm điện tiền bạc: hệ thống chiếu sáng sử dụng vào thời điểm, nhu cầu sử dụng việc tiết kiệm điện cải thiện rõ rệt, giảm chi phí kinh tế cho nhu cầu sử dụng điện gia đình Dễ dàng lắp đặt sử dụng: thiết bị không phức tạp, hầu hết người sử dụng.Với giải pháp lắp đặt hệ thống chiếu sáng tự động, áp dụng phạm vi từ hộ gia đình đến phạm vi tồn nhu cầu chiếu sáng nhà máy, xí nghiêp, trường học toàn thể quốc gia b) Nhược điểm Chưa thống quy chuẩn thị trường: Ngày có nhiều công nghệ nhà cung cấp đưa ra, để ứng dụng rộng rãi hiệu việc cơng ty gia nhập hiệp hội tiêu chuẩn cần thiết Nhận xét: Qua hiệu ý nghĩa to lớn mà mạch chiếu sáng tự động mang lại cho người xã hội Em thấy việc tìm hiểu nghiên cứu mạch chiếu sáng tự động cần thiết, góp phần nhỏ công ứng dụng công nghệ vào đời sống xã hội, đưa mức tiện nghi lên cao, tiết kiệm nguồn lượng điện cho quốc gia CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH CHIẾU SÁNG TỰ ĐỘNG 2.1 Mạch chiếu sáng trời tối Yêu cầu đặt ra: mạch làm việc cường đồ sáng phịng giảm, khơng đủ đáp ứng ánh sáng cho người làm việc làm việc trời tối đèn đường tự động phát sáng 2.1.1 Sơ đồ thiết kế Khối điều chỉnh Nguồn Khối đầu vào Khối so sánh Khối chấp hành Hình 3-1: Sơ đồ khối chức Nguồn: chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) sang dòng chiều (DC) để giúp điều chỉnh đầu vào AC thành đầu DC cung cấp điện áp cần thiết cho linh kiện điện tử Khối đầu vào: khối chức cung cấp tín hiệu cho khối so sánh, tín hiệu khối đầu vào bị thay đổi yếu tố bên tác động Khối đầu vào cần phải thể rõ khác biệt trời sáng trời tối Khối điểu chỉnh: khối chức cung cấp tín hiệu vào khối so sánh, tín hiệu khối điều chỉnh khơng bị thay đổi q trình mạch điều khiển làm việc Người sử dụng thiết lập giá trị cho tín hiệu khối điều chỉnh chọn làm tín hiệu chuẩn, để so sánh với tín hiệu thay đổi khối đầu vào Khối so sánh: khối chức nhận tín hiệu thay đổi từ khối đầu vào, kết hợp với tín hiệu khơng đổi khối điều chỉnh Khối tiến hành so sánh đưa thông tin điều khiển phù hợp với thay đổi khối đầu vào Khối chấp hành: nhận tín hiệu từ khối so sánh, sau thực đáp ứng yêu cầu mà người sử dụng mong muốn 10 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý a) Nguồn Từ nguồn xoay chiều đồi thành chiều thông qua diode cầu biên độ không ổn định Để ổn định nguồn ta dung IC ổn định nguồn 78L12 Các tụ có điện dung lớn xuống mass co tác dụng giữ mức điện áp ổn định b) Khối đầu vào + Quang trở LRD: thay đổi giá trị điện trở quang trở theo cường độ sáng chiếu vào, giá trị điện trở từ 20 (Ω) đến hàng MeGA (Ω) + Điện trở R1: kết hợp với quang trở LRD tạo thành mạch phân áp, đặt vào chân (3) IC LM358 c) Khối điều chỉnh 11 Được điều chỉnh biến trở RV có giá trị điện trở điều chỉnh 500(kΩ), điều chỉnh tỷ số điện trở cặp chân với nhau, ta điện áp đặt vào chân (2) LM358 d) Khối so sánh Sử dụng IC LM358, chức linh kiện so sánh điện áp chân (3) chân (2) thời điểm Việc so sánh thực đưa điện áp chân (1) Điện áp đưa có hai mức, mức điện áp cao mức điện áp thấp Hình 3-3: Ví trị chân LM358 Thông số kỹ thuật: (tra theo datasheet) Điện áp nguồn sử dụng: Vcc 16 (V) 32(V) Loại DIP chân công suất P = 500(mW) Điện áp ra: Vcc=30(V), RL= 10(kΩ) thường cho VoH min= 27(V) Với Vcc = 5(V), RL 10 (kΩ) cho VoL = 20 (mV) Dịng ra: với nguồn Vcc = 15(V) Io = 10 (mA) e) Khối chấp hành : Nhận tín hiệu từ khối xử lý thực cơng việc điều khiển đóng cắt mạch, gồm linh kiện sau: 12 + Rơle12V: thực cơng việc đóng mạch điện xoay chiều có dịng chiều qua cuộn dây, ngắt mạch khơng có dịng qua cuộn dây Hình 3-4: Sơ đồ chân rơle Thông số rơle : Coil resistanceat (20°C, 68°F) : 400Ω) (±10%) Nominal operating current (at 20°C, 68°F) : 30 (mA) (±10%) + transistor C1815: điều khiển dẫn dòng qua điện áp cấp chân B mức cao, khơng có dịng qua điện áp chân B mức thấp Tra thông số transistor: Hình 3-5 : Vị trí chân transistor C1815 Transistor C1815 transistor thuộc loại transistor NPN C1815 có Vcmax = 50(V) dịng Icmax = 150 (mA) Hệ số khuếch đại hFE C1815 khoảng 25 đến 100 Thứ tự chân từ trái qua phải: E C B Với Ic=100 (mA), Ib=1 (mA), hiệu điện Ucemax 0,25 (V) hiệu điện Ubemax 1(V) 13 + Điện trở R3: giảm dòng vào cực B transistor, để transistor không bị cháy + Diode D1: bảo vể dòng ngược sinh từ cuộn dây rơle sinh làm hỏng transistor “ Ngoài ta cần thêm đèn led báo điện trở R4 để tránh cháy led điện áp mức cao ” 2.1.3 Nguyên lý hoạt động của mạch: Khi trời sáng, cường độ sáng chiếu vào quang trở lớn, giá trị điện trở quang trở nhỏ, điện áp đặt vào chân (3) LM358 thấp, giá trị điện áp chân (3) nhỏ mức điện áp điểu chỉnh chân (2) LM358 Kết điện áp đưa chân (1) mức thấp, transistor bị khóa, khơng có dịng qua cuộn dây rơle, tiếp điểm thường mở khơng đóng, bóng đèn không sáng Khi trời tối, cường độ sáng chiếu vào quang trở nhỏ, điện trở quang trở tăng cao, điện áp đặt vào chân (3) LM358 cao, giá trị điện áp chân (3) lớn mức điện áp đặt chân (2) LM358 Kết điện áp đưa chân (1) mức cao, transistor dẫn, xuất dòng ic qua cuộn dây rơle, lõi thép rơle trở thành nam châm điện đóng hút cặp tiếp điểm thường mở, bóng đèn phát sáng Điện áp đưa chân (1) LM358 làm sáng đèn led báo hiệu với thời điểm rơle đóng 2.1.4 Tính toán các thông số của mạch Ta gọi: Điện áp đặt vào chân (3) LM358 V3 Điện áp đặt vào chân (2) LM358 V2 Điện áp chân (1) LM358 V1 Điện trở quang trở thay đổi R2 Ta tính trị số điện áp chân (3) chân (2) khối so sánh: 14 V3 = V2 = Vcc × R2 R2 + R1 (3.1) Vcc × VR2 VR2 + VR1 (3.2) Trong đó: VR2: điện trở chân (2) chân (3) biến trở 500 (kΩ) VR1: điện trở chân (1) chân (2) biến trở 500 (kΩ) Xét điều kiện để điện áp chân (1) mức cao: V3 > V2 Vcc × R2 Vcc × VR2 = R2 + R1 500 Qua biểu thức trên, ta thấy R2 tăng cao lúc giá trị V3 tăng cao, giá trị V2 điều chỉnh ta điều chỉnh biến trở Chỉ có giá trị R1 ln không thay đổi, với R2 thay đổi lớn, ta chọn giá trị R1 cho phù hợp Chọn: R1 = 100(kΩ) Rơle mắc chân C transistor, để rơle đóng cắt cần cung cấp dịng qua cuộn dây 30(mA) ta chọn dòng ic qua rơ le, dòng ic= 0.03 (A) Theo cơng thức ta có: ic = β × ib Giả sử điện áp chân (1) LM358 mức cao có điện áp 12 (V), transistor làm việc hệ số khuếch đại βmax = 100, Ube=0,7 (V) Ta tính dịng dẫn qua cực B là: 15 ib = ic 0, 03 = = 0, 0003 (A) β 100 Với Ube = 0,7 V ; Ue =0 (V) nên ta có Ub = 0,7 (V) Theo định luật ôm, giá trị điện trở R3 cần mắc vào cực B transistor là: R3 = 12 − 0, = 37666, 666 (Ω) 0, 0003 Ta lựa chọn giá trị R < 37,666 (Ω) để transistor làm việc khoảng khơng vượt hệ số khuếch đại cho phép mà transistor C1815 đáp ứng Sử dụng điện trở R3 = 10 (kΩ) Để an toàn cho đèn bao led, ta cho dòng từ 0,01đến 0.015 (A) qua đèn Hiệu điện hai đầu đèn led 2(V) đến 3(V) Vậy cần giá trị điện trở R4 giảm dòng cho led là: R4 = 12 − = 900 (Ω) 0, 01 Ta chọn điện trở R4= 680 (Ω) 2.1.5 Mơ (được trình bày slide ,buổi báo cáo ) 2.2 Mạch chiếu sáng tự đợng có người u cầu đặt ra: mạch tự động chiếu sáng có người xuất hiện, tự động ngắt người rời khỏi khu vực sau khoảng thời gian 2.2.1 Sơ đồ thiết kế Nguồn Khối đầu vào 16 Khối chấp hành Hình 2-7: Sơ đồ khối chức 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 2-6: Nguyên lý mạch chiếu sáng dùng cảm biến PIR a) Nguồn Từ nguồn xoay chiều đồi thành chiều thông qua diode cầu biên độ không ổn định Để ổn định nguồn ta dung IC ổn định nguồn 7809 Các tụ có điện dung lớn xuống mass có tác dụng giữ mức điện áp ổn định b) Khối đầu vào : + Modul cảm biến chuyển động HC-SR501 thiết kế thị trường với thơng số kỹ thuật sau: 17 Hình 2-7: Cảm biến chuyển động HC-SR501 Thông Số Kỹ Thuật Sử dụng điện áp: 4.5-20 (V) Đầu ra: 0-3.3 (V) Có ba chân nối bên ngồi: chân (Vcc) chân (OUT) chân (GND) Kích thước PCB: 32mmx24mm Góc quét