CAM BIEN ANH SANG
Chương 3: Chương 3: Cảm biến ánh sáng tự động bật tắt đèn khi trời
3.1 Mô hình lý thuyết và thực nghiệm
3.1.1 Tính toán lý thuyết cho mô hình để lựa chọn cảm biến a,Yêu cầu của mạch:
Trong thực tê, đề ứng dụng được mạch này vào điều khiến bật tắt thiết bị điện thị mạch cũng còn nhiêu bat 6n nhu gia thành, lĩnh kiện và điều kiện khí hậu thời tiết. Nên yêu cầu
đặt ra là phải chế tạo được một mạch không chỉ tốt về giá thành, mà còn phải hoạt động
ôn định ở mọi điều kiện thời tiết.
- Sản phẩm làm ra phái áp đụng vào thực tiễn tốt. Ngoài ra còn phải đảm bảo về mặt thâm mỹ của sản phẩm.
- Hoạt động ồn định khi nguồn biến đối.
-Đèn phải tắt khi trời sáng và tự bật khi cường độ ánh sáng giảm đến một mức độ nhất định. Độ nhạy cao và ôn định. Mạch đơn giản và dễ tùy biến.
- Tín hiệu đầu vào là tín hiệu ảnh sáng, cụ thé là ánh sáng chiếu vào quang trở. Tĩn hiệu này có thê thay từ từ theo thời gian (nêu là ánh sáng mặt trời) hoặc đột ngột (nếu là ánh sáng nhân tạo).
Tĩn hiệu đầu ra là tín hiệu quang, cụ thê là ánh sáng của đèn LED. Các yêu cầu phí chức năng Nhỏ gọn, tuôi thọ 1,5-2 năm. Giá thành rẻ (khoảng 40.0004).
b.Tìm hiểu về mạch cảm biến ánh sang
Viéc ché tao mach cam bién anh sang dựa trên nhu cầu tiết kiệm điện nhưng vẫn không tốn công sức trong việc điều khiển hệ thong chiéu sang. Mach cam bién duoc str dung rộng rãi trong rất nhiều thiết bị chiều sáng quan thuộc như đèn đường, đèn công viên, đèn cầu thang... nhằm mục đích đảm bảo được nhu cầu chiếu sáng đồng thời với việc tiết kiệm điện năng và công sức con người.
Các sản phẩm đã có trên thị trường:
Trên thị trường hiện có rất nhiều sản phâm sử dụng mạch nguyên lý cảm biến ánh sang dé phuc vu cho muc dich chiéu sang, sau day là một số sản phâm điển hình: Đèn vườn tự động Đèn sử dụng năng lượng mặt trời, tự động sạc và bật sáng vào ban đêm, đèn cảm ứng Đèn LED cảm ứng tự động phát sáng khi trời tối, tự động tắt khi bật các thiết bị chiều sáng khác, có thể căm ở cầu thang, phòng ngủ, nhà vệ sinh đề tránh vấp ngã do trời tối.
Các sản phẩm trên hầu như điều sử đụng nguồn điện là pin sạc hay năng lượng mặt trời nên tuôi thọ không cao, và tôn thời gian sạc, nên việc chế tạo một mạch cảm biến ánh sáng sử dụng nguồn trực tiếp trên mạng điện khá tiện lợi và tuôi thọ cũng tot, giúp tiếp kiệm thời gian, không cần sạc.
c,Sơ đồ khối của mạch
Khối chỉnh lưu Khối cảm biến Khối hiển thị
Tac nhan
sơ đồ : 3.1
-Khối chỉnh lưu : sử dụng nguồn 220V qua cầu diode trở thành 12V cung cấp cho mạch.
-Khối cảm biến: Có chức năng biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, ở đây ta dùng quang trở. Như ta đã biết khi có ánh sáng chiếu vào, điện trở của quang trở giảm đi đáng kể so với khi không được chiếu sáng. Khối khối hiển thị: hiển thị ánh sáng, ở đây là đèn dây tóc.
-Tác nhân: ánh sáng tự nhiên( ánh sáng mặt trời ), ánh sáng nhân tạo ( đèn pin).
d,cách loại cảm biến phù hợp
1,Cảm biến ánh sáng Photodiode là một module rất nhạy với cường độ ánh sáng môi trường xung quanh, thường được sử dụng đề phát hiện độ sáng môi trường xung quanh và cường độ ánh sáng, định hướng, gây ra chỉ có ánh sáng trực tiếp ở phía trước của bộ cảm biến, tìm kiếm cho các hiệu ứng ánh sáng tốt hơn, chính xác hơn.
Module có thể phát hiện ánh sáng từ l nguồn phát analog và từ l hướng cô định, ứng dụng làm hệ thống phát hiện vật di động, hệ thống tự động điều khiên thiết bị theo ánh
sáng, điều khiển đèn chiếu sáng tự động, hệ thông cảnh báo trộm...
Đặc điểm:
‹ô _ Điều chỉnh độ nhạy (màu xanh trong điều chớnh chiết ap kỹ thuật số FIG)
¢ Dién ap: 3.3-5V
¢ Output hinh thirc: DO dau ra chuyén mach ky¥ thuật sô (0 và 1) va dau ra analog AO
¢ Kich thudc: 3.2cm x 1.4cm 2,cam bién anh sang transistor.
Nguyên Ly Hoạt Động : Dựa trên sự thay đôi của điện trở dẫn của vật liệu bán dẫn khi phơi bức xạ ánh sáng.
Ưu Điểm :
ô - Giỏ rẻ và dễ sử dụng.
‹ - Tương đối nhạy cảm với thay đôi cường độ ánh sáng.
Nhược Điểm :
ô - Độ chớnh xỏc thấp so với một số cảm biến khỏc.
* D6 én định kém theo thời gian.
3, Cảm biến tế bào quang trở(quang trở)
Tế bảo quang dẫn được ứng dụng nhiều bởi chúng có tỉ lệ chuyên đôi tĩnh và độ nhạy cao cho phép đơn giản hóa trong việc ứng dụng Nhược điểm chính của tế bào quang dẫn là:
+Hồi đáp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào thông lượng.
+Thời gian hồi đáp lớn.
+Các đặc trưng không ổn định (già hóa).
+Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệ độ.
+Một số loại đòi hỏi phải làm nguội.
Người ta không dùng tế bào quang dẫn đề xác định chính xác thông lượng. Thông thường chúng được sử dụng đề phân biệt mức sáng khác nhau (trạng thái tối- sáng hoặc xung ánh sáng). Thực tế thì tế bào quang dẫn thường ứng dụng trong hai trường hợp:
+Đề điều khiến role thi khi có thông lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm đáng kề đủ đề cho dòng điện I chạy qua tế bào. Dòng điện này được sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuếch đại để đóng mở role.
+Thu tín hiệu quang dùng đề biến đối xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bảo quang dẫn sẽ được phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, ứng dẫn đề đo tốc độ quay của đĩa hoặc đếm vật.
f ,cách tính công thức
đối với mô hình nhà kính,ví dụ như cảm biến tế bào quang dẫn „công thức dựa trên sự thay đôi điện trở theo tín hiệu quang
+ Điện trở khi được chiếu sáng:
— Reo: Re _Reo- a. @
R CN eRa Rok Rco+Rcp
CO+ba ot
Trong đó:
R.„ =a.2* là điện trở mắc song song với R,„
a: là hệ số phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ và phổ bức xạ.
y =0.5 ~1 (hệ số). Thông thường R¿; << R¿o
3.1.2 Ứng dụng và cách đo đạc, đấu nối với một mô hình cụ thể a,xây dựng mô hình nhà kính
*Giả sử chúng ta xây dựng một mô hình nhà kính trông rau trên sân thượng Ưu điểm của mô hình :
-Nhà kính mini và trồng rau trong nhà kính trên sân thượng sẽ không mắt nhiều thời gian chăm sóc mà chi phí vừa phải, dé dàng thiết kê, tuôi thọ cao và tạo nên không gian mới lạ.
- Tận dụng được tối đa diện tích: ứng dụng trồng rau bên dưới và giàn hoa treo ở phía trên tạo ra một môi trường xanh mát cho ngôi nhà thêm thoáng mát và gân gũi với thiên nhiên.
-Thiết kế thêm giàn leo dé tận dụng chăm sóc thêm các loại rau củ dạng thân leo như dưa chuột, bầu, bí...
- Tạo một không gian học hỏi vui chơi cho các bạn nhỏ, cũng như gắn kết giữa các thành viên trong gia đình.
-Chủ động trong việc chăm sóc vườn: hệ thông tưới thông mính, vật liệu che phủ giúp cung câp độ sáng phù hợp và hạn chê được tình hình sâu bệnh, cũng như ảnh hưởng của thời tiết lên cây trông.
Cách làm nhà kính mini trồng rau trên sân thượng
Thường thì sân thượng mỗi gia đình hiện đại ngày nay sẽ có điện tích không mấy rộng rai, chỉ năm trong khoảng từ L0 — 15m2. Sau đây là mô hình nhà kính cực đơn giản bạn có thê tham khảo:
¢ - Kích thước nhà kính: Rộng 3,2m x Dài 6,0m x Cao 3,2m (chiều cao tối đa của nhà kính là 3,5m).
¢ Két cau: Khung bang thép ma kém nhúng nóng sẽ làm cho công đoạn lắp ráp trở nên đê dàng hơn. Cùng với trụ sắt VŠ hoặc trụ thép hộp mạ kẽm 30x60x1,4li và thanh ngang sử dụng thép V4 hoặc thanh thép 30x30x1,2l1.
‹ _ Hệ thống giá và kệ trồng rau khoảng tầm 2 dãy giá kệ và 3 tang | day ban trồng chính. .. sử dụng khung thép mạ kẽm nhúng nóng theo tường đứng giúp cay hap thụ được lượng ánh sáng và không khí giúp cây phát triên một cách tot nhat, lai tạo điều kiện cho chủ vườn đê dàng chăm sóc va thu hoạch sản phâm hơn.
‹ _ Hệ thống tưới phun sương, hệ thống tưới nước nhỏ giọt tự động
‹ - Màng phủ nông nghiệp dé chăn bức xạ mặt trời, lưới chắn côn trùng 2 bên hoặc có thê linh động lựa chọn phương an lưới che năng 70%.
ô Hệ thụng van, ụng dẫn nước đề cung cấp nước tưới và cỏc chất đinh đưỡng cho cây trong.
‹ _ Cửa trước một lớp khung thép trượt đóng mở dễ dàng.
ô___ Phối hợp cỏc loại thộp hỡnh U, V hộp linh động dộ đảm bao độ chịu lực cần thiết.
b. Lựa chọn cảm biến: -
Dựa trên tính toán lý thuyết, chúng ta chọn cảm biên tê bào quang dân (quang trở) cho độ chính xác cao ,tôc độ phản hôi lớn trong mạch tự động bật tắt đèn trong mô hình nhà kính trên sân thượng
c, thiết kế và thi công mạch:
1,Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của mạch
Rui
les Dt uv
ues Rs Ne
iy 1
ene C3
e() Lom? e Soa
ft LOR ce
i 4 o
= - ca
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Khối mạch nguồn:
Khối nguồn ta xử dụng nguồn tụ 684/630V, Cấp nguồn 220V vào chân J2 ở hình 3. 1.
nguồn điện sẽ được giảm áp khi qua tụ điện, được nắn thành điện I chiều qua cầu điode thành 12v sau đó đi vào mạch. Ta gan thêm I con zener IN4742 sử dụng như một mạch xén bảo vệ mạch khi điện áp lớn hơn 12V.
Tụ C4 470uF được sử dụng để lọc nguồn.
Tụ C5 100nF là tụ sử dụng dé loc chống nhiễu.
Điện trở 100 Ohm 2W là linh kiện điện tử thụ động đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện có công suât 2W
Từ mạch trên ta có thé tạo ra được nguồn 12V(chú ý: nguồn này là nguồn không cách l¡
nên khi chạm vào có thê giật ).
Mach 6n ap:
Điện áp 12V sẽ được đưa vào khối mạch ôn áp và qua IC78L05 ôn áp thành nguồn 5V 6n định và cung cấp cho khối cảm biến trong hình 3.1. Việc sử đụng nguồn ổn áp đề khi điện áp có thay đôi thì nó vẫn hoạt động đúng với mức ánh sáng mình đã chỉnh cho quang trở qua biến trở.
Mạch gắn thêm một con led để báo nguồn, khi ta cấp điện vào khối nguồn thì led sẽ sáng.
Ngoài ra còn có tụ Cl dé chống nhiều và tụ C2 để lọc nguồn. Khối mạch cảm biến Khối mạch cảm biến sử dụng nguồn 5V được ôn áp nhờ IC 78L05 đề có thê hoạt động. Khôi mạch này gồm Icon IC LM358, đây là l con IC được tích hợp 2 con Op-amp chức năng so sánh điện áp chân 5,6 và chân 2,3 của IC LM358. Hai con biến trở để điều chỉnh ngưỡng sáng mà đèn sẽ tắt (R VI) và ngưỡng ánh sáng mà đèn sẽ bật( RV2)
Chìa khóa quyết định hành động đóng mở relay của mạch nằm ở 2 con Op- Amp với chức năng so sánh. Khi điện áp thay đổi trên các đầu vào chân (2) và (3),(5)và(6), Opamp nhận biết các tín hiệu này và thực hiện phép so sánh.
VI, V2, V3, V4, V5, Vó và V7 là điện thế của các chân I, 2, 3, 4, 5, 6 và 7 của IC LM358:
Néu V5 > V6 thi Vout(V7) = V8( tai chan 8) sé bang Vec=5V làm QI dẫn, cuộn đây của
rơle có điện, Q2 đẫn và đèn sáng.
-Ngược lại: Nếu V5 < V6 => Vout = V4 (tai chân 4).
- Luc nay, tin hiéu dura ra Transistor chắc chắn là 1 trong 2 giá tri: V8 hoac V4 -Vout = V4 = 0, mặc dù điện áp đã bằng 0 nhưng đèn vẫn không tắt vì nó vẫn được duy trì bởi con Q2 (A1015), khi trời đủ sáng thi V2<V3 thi V7 sé bang Vee
= §v kích Q3 dẫn và làm ngưng dẫn con QI và ngắt rơle đồng thời ngắt nguồn làm ngưng
dẫn Q2 và đèn sẽ tắt.
-Khi trời trở lại tối V2<V3, VI đã trở về 0 nhưng đèn vẫn chưa bật bởi vì ngưỡng bật chưa được đảo lại V5>Vó, khi V5>Vó6 thì đèn sẽ sang.
Như vậy, việc thay đôi điện trở thụ động của quang trở phụ thuộc vào ánh sáng chiều vào nó. Quang trở thay đối điện trở làm điện áp tại quang trở thay đối liên tục và Op-Amp sử
dụng các tin hiéu dién ap nay dé diéu khién điện áp ra... Từ đó quyết định việc đóng mở cua Transistor va relay...
Viéc gan relay phai gan thém diot (D1) dé bảo vệ relay, xả điện áp ngược cuộn dây của role, bảo vệ Q2. Do trong relay có cuộn đây nên khi tắt nguồn sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại đánh trở lại relay nên phải có điot dé chan lại dòng này.
2 TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ THÍCH HỢP CỦA CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH.
2.1 Khối hạ áp, chỉnh lưu:
Đôi với mạch này khá đơn giản, tải thấp P= 0,5 (W), nên ta dùng 4 Diode tạo thành một cầu đề chỉnh lưu áp xoay chiều (AC) thành áp một chiều (DC).
Dé lay ra điện áp một chiều cần sử dụng cầu Diode chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, nhưng điện á áp này có giá trị thấp hơn điện áp trước khi qua nó một lượng UD (V) và không bằng phăng (Diode bán dẫn S¡ co UD= 0,6 V; Diode ban dan Ge có UD= 0,2 V). Ta sẽ sử dụng chỉnh lưu cầu đề điện áp sau khi qua chỉnh lưu ít nhấp nhô hơn.
Đối với mạch như trên, ta can lấy ra điện áp một chiều 12V bằng chỉnh lưu cầu, sử dụng Diode ban dan S1. Theo đó, điện áp qua được chỉnh lưu câu phải có giá trị thâp nhât
bằng: 12+2x0,6 = 13.2 (V).
Mà ở đây ta sử dụng trực tiếp áp xoay chiều 220V, nên trước khi cho áp qua cầu diode ta dùng tụ gôm có điện áp lớn đê không bị đánh thủng có công dụng nạp, xả áp và không cho áp một chiêu đi qua. Theo nguyên tắc chọn tụ an toan thì chọn tụ có:
Utụ=Unguôn x 1,4 = 220 x 1,6 =352V.
Vậy ứng với tải P=0.5W, Umax = 352V tra bản ta chọn tụ 474j - 400V.
Và chọn điện trở mắc Song song với tụ dé lam tai cho tụ xả điện, dong thời cũng đóng vai trò là câu chỉ khi có sự cô xảy ra.
Ta có:
_-P_ 05_
= T= zoạ = 0.00125(A) Umax=220+400=620(V)
Umax_ 620 I 0.00125
R= =496(Kohm)
Vay ta chon R >496 (Kohm) la hop ly va an toan nhat.
2.2 Giả trị điện trở.
Led hoạt động ở mức điện áp từ I,8V đến 3V và dòng điện nằm khoảng 10mA đến 20mA.
-Néu ban lay led ( loại thường là 3V) cắm vào nguồn 5V thì led sẽ bị hỏng.
- Vithé néu muốn tính điện trở hạn đòng cho led tránh bị hỏng và hoạt động bình thường ở mức điện áp 5V thì:
+ Giá trị điện trở nhỏ nhất:
5V -3V x0 mA > 100 omh.
+ Giá trị điện trở lớn nhất:
5V-18V_
I0 mA > 320 omh.
-Vậy nên chọn điện trở có giá trỊ nằm trong khoảng ttr 100 omh dén 320 omh. Trong mạch trên chọn điện trở có giá trị 220omh đề bảo vệ led
3 Sản phâm hoàn chính và mạch in
Hinh 3.3: sản phẩm hoàn chỉnh 4.Hình ảnh thực tế khi chạy thử :
Hình 3.4: hình ảnh khi cảm biến khi có ánh sáng và đèn tắt
Hinh 3.5: Hinh anh khi cam bién bj khuat toi va đền sáng
3.2. Ưu nhược điểm khi sử dụng loại cảm biến này
3.2.1Uu diém:
-Tiết kiệm năng lượng: Cảm biến quang tự động tắt bóng đèn khi không cân thiết, giúp giảm tiêu thụ điện năng và tiệt kiệm chỉ phí điện.
-Tiện lợi: Người dùng không cần phải tự tay bật/tắt đèn, giúp tiết kiệm thời gian và công sức, đặc biệt là trong những không gian lớn hoặc khó tiếp cận.
-Tăng tuổi thọ bóng đèn: Việc bật/tắt đèn chỉ khi cần thiết giúp kéo đài tuôi thọ của bóng
đèn do giảm sô lân bật/tắt.
-An toàn: Cảm biến có thê giúp phát hiện chuyên động hoặc ánh sáng yếu đề tự động bật đèn, tăng cường an ninh và an toàn, đặc biệt là trong các khu vực tôi hoặc nguy hiểm.
-Thân thiện với môi trường: Giảm thiêu lượng điện năng tiêu thụ góp phần báo vệ môi trường và giảm phát thải khí nhà kính.
3.2.2 Nhược điểm:
-Chỉ phí ban đầu cao: Cảm biên quang và các thiết bị liên quan thường có giá thành cao hơn
§O VỚI các công tac truyền thông.