Tài liệu đồ án mạch cảm biến ánh sáng

ĐỒ ÁN 1 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG MẠCH 1.1. GIỚI THIỆU VỀ MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 1.1.1 Phân tích nhu cầu và sự cần thiết của mạch. Điện năng là một nguồn năng lượng rất quan trọng trong cuộc sống hiện đại, chính vì vậy mà điện phải được sử dụng một cách thích hợp. Việc chế tạo mạch cảm biến ánh sáng dựa trên nhu cầu tiết kiệm điện nhưng vẫn không tốn công sức trong việc điều khiển hệ thống chiếu sáng. Mạch cảm biến được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều thiết bị chiếu 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. 1.1.2 Các sản phẩm đã có trên thị trường. Trên thị trường hiện có rất nhiều sản phẩm sử dụng mạch nguyên lý cảm biến ánh sáng để phục vụ cho mục đích chiếu sáng, sau đây là một số sản phẩm 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 chiếu sáng khác, có thể cắm ở cầu thang, phòng ngủ, nhà vệ sinh để tránh vấp ngã do trời tối. Các sản phẩm trên hầu như điều sử dụng nguồn điện là pin sạc hay năng lượng mặt trời nên tuổi thọ không cao, và tốn 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 tuổi thọ cũng tốt, giúp tiếp kiệm thời gian, không cần sạc. 1.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH Khối chỉnh lưu Khối cảm biến KhốI hiển thị Tác nhân Sơ đồ 1.1: Sơ đồ khối của mạch - Khối chỉnh lưu : sử dụng nguồn 220V qua cầu điode trở thành 12V cung cấp cho mạch. 1 ĐỒ ÁN 1 1.3 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). Yêu cầu của mạch. - Trong thực tế, để ứng dụng được mạch này vào điều khiển bật tắt thiết bị điện thì mạch cũng còn nhiều bất ổn như giá thành, linh 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 ổn định ở mọi điều kiện thời tiết. - Sản phẩm làm ra phải áp dụng vào thực tiễn tốt. Ngoài ra còn phải đảm bảo về mặt thẩm mỹ của sản phẩm. -Hoạt động ổn định khi nguồn biến đổi. -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 ổn định. Mạch đơn giản và dễ tùy biến. -Tín hiệu đầu vào là tín hiệu ánh sáng, cụ thể là ánh sáng chiếu vào quang trở. Tín hiệu này có thể thay từ từ theo thời gian (nếu là ánh sáng mặt trời) hoặc đột ngột (nếu là ánh sáng nhân tạo). Tín hiệu đầu ra là tín hiệu quang, cụ thể là ánh sáng của đèn LED. Các yêu cầu phi chức năng Nhỏ gọn, tuổi thọ 1,5-2 năm. Giá thành rẻ (khoảng 40.000đ ). 2 ĐỒ ÁN 1 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 3 ĐỒ ÁN 1 Khối mạch nguồn: Khối nguồn ta xử dụng nguồn tụ 684/630V, Cấp nguồn 220V vào chân J2 ở hình 2.1. nguồn điện sẽ được giảm áp khi qua tụ điện, được nắn thành điện 1 chiều qua cầu điode thành 12v sau đó đi vào mạch. Ta gắn thêm 1 con zener 1N4742 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 để lọc 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 suất 2W Từ mạch trên ta có thể tạo ra được nguồn 12V(chú ý: nguồn này là nguồn không cách li nên khi chạm vào có thể giật ). Mạch ổn áp: Điện áp 12V sẽ được đưa vào khối mạch ổn áp và qua IC78L05 ổn áp thành nguồn 5V ổn định và cung cấp cho khối cảm biến trong hình 2.1 . Việc sử dụng nguồn ổn áp để khi điện áp có thay đổi 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 C1 để chống nhiễu và tụ C2 để lọc nguồn. Khối mạch cảm biến Khối mạch cảm biến sử dụng nguồn 5V được ổn áp nhờ IC 78L05 để có thể hoạt động. Khối mạch này gồm 1con IC LM358, đây là 1 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 (RV1) và ngưỡng ánh sáng mà đèn sẽ bật( RV2) Chìa khóa quyết định hành động đóng mở relay của mạch nằm ở 2 con OpAmp 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. V1, V2, V3, V4, V5, V6 và V7 là điện thế của các chân 1, 2, 3, 4, 5, 6 và 7 của IC LM358: Nếu V5 > V6 thì Vout(V7) = V8( tại chân 8) sẽ bằng Vcc=5V làm Q1 dẫn, cuộn dây của rơle có điện, Q2 đẫn và đèn sáng. -Ngược lại: Nếu V5 < V6 => Vout = V4(tại chân 4). -Lúc này, tín hiệu đưa ra Transistor chắc chắn là 1 trong 2 giá trị: V8 hoặc 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 thì V2V6, khi V5>V6 thì đèn sẽ sáng. Như vậy, việc thay đổi điện trở thụ động của quang trở phụ thuộc vào ánh sáng chiếu vào nó. Quang trở thay đổi điện trở làm điện áp tại quang trở thay đổi liên tục và Op-Amp sử dụng các tín hiệu điện áp này để điều khiển điện áp ra… Từ đó quyết định việc đóng mở của Transistor và relay… Việc gắn relay phải gắn thêm diot (D1) để bảo vệ relay, xả điện áp ngược cuộn dây của role, bảo vệ Q2. Do trong relay có cuộn dây nên khi tắt nguồn sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại đánh trở lại relay nên phải có diot để chặn lại dòng này. 2.2 TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ THÍCH HỢP CỦA CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH. 2.2.1 Khối hạ áp, chỉnh lưu: Đối với mạch này khá đơn giản, tải thấp P= 0,5 (W), nên ta dùng 4 Diode tạo thành một cầu để chỉnh lưu áp xoay chiều (AC) thành áp một chiều (DC). Để lấy 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 áp này có giá trị thấp hơn điện áp trước khi qua nó một lượng UD (V) và không bằng phẳng (Diode bán dẫn Si có UD= 0,6 V; Diode bán dẫn Ge có UD= 0,2 V). Ta sẽ sử dụng chỉnh lưu cầu để điện áp sau khi qua chỉnh lưu ít nhấp nhô hơn. Đối với mạch như trên, ta cần lấy ra điện áp một chiều 12V bằng chỉnh lưu cầu, sử dụng Diode bán dẫn Si. Theo đó, điện áp qua được chỉnh lưu cầu phải có giá trị thấp nhất bằng: 12 + 2 x 0,6 = 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 gốm có điện áp lớn để không bị đánh thủng có công dụng nạp, xả áp và không cho áp một chiều đi qua. Theo nguyên tăc chọn tụ an toan thì chọn tụ có: Utụ=Unguồn 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 để làm tải cho tụ xả điện, đồng thời cũng đóng vai trò là cầu chì khi có sự cố xảy ra. Ta có: I= P 0, 5 = = 0,00125 (A). Utụ 400 5 ĐỒ ÁN 1 Umax = 220 + 400 = 620 (V). R= Umax 620 = = 496 (Kohm). I 0, 00125 Vậy ta chọn R >496 (Kohm) là hợp lý và an toàn nhất. 2.2.2Giá trị điện trở. Led hoạt động ở mức điện áp từ 1,8V đến 3V và dòng điện nằm khoảng 10mA đến 20mA. -Nếu bạn lấy led ( loại thường là 3V) cắm vào nguồn 5V thì led sẽ bị hỏng. - Vì thế nếu muốn tính điện trở hạn dòng cho led tránh bị hỏng và hoạt động bình thường ở mức điện áp 5V thì: - + Giá trị điện trở nhỏ nhất: - 5V −3 V =100 omh . 20 mA + Giá trị điện trở lớn nhất: 5V −1,8 V =320 omh. 10 mA -Vậy nên chọn điện trở có giá trị nằm trong khoảng từ 100 omh đến 320 omh. Trong mạch trên chọn điện trở có giá trị 220omh để bảo vệ led. 2.3 SẢN PHẨM HOÀN CHỈNH VÀ MẠCH IN 6 ĐỒ ÁN 1 Hình 2.2: Mạch in Hình 2.3: Sản phẩm CHƯƠNG 3. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7 ĐỒ ÁN 1 3.1 Kết luận. Sau khi hoàn thành đồ án thiết kế và lắp đặt mạch tự động bật/tắt đèn dùng cảm biến ánh sáng thành công , em thấy sản phẩm của em cũng khá hoàn thiện. Mạch tự động bật / tắt đèn theo ánh sáng là một mạch tuy đơn giản nhưng đã được ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực nhất là đèn đường . Với giá thành để tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh khá rẻ và mạch hoạt động cũng khá ổn định thì em nghĩ đây là một ứng dụng của công nghệ tự động rất là thành công trong nghành công nghiệp điều khiển tự động. Do sự hiểu biết thực tế và thời gian có hạn nên quá trình thực hiện đề tài không thể tránh những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến của các thầy và các bạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế do việc sử đụng điện 220V là nguồn xoay chiều nên vấn đề an toàn cần được đặt trên hết, nên việc chế tạo và test cũng có nhiều rủi ro. Nên khi thi công mạch cần cẩn trọng không cham vào bất cứ linh kiên nào khi đã cấp nguồn. 3.2 Hướng phát triển của đề tài: Ứng dụng vào các máy móc, thiết bị điện chiếu sáng hằng ngày như đèn đường, đèn ngủ, để việc điều khiển bật tắt tự động tiếp kiệm thời gian cho con người. Rộng hơn là ứng dụng được vào sản xuất, nhà máy, xí nghiệp, nông trại,.... TÀI LIỆU THAM KHẢO 8 ĐỒ ÁN 1 [1] Hồ Văn Cừu, Lê Quốc Đán, Nguyễn Hữu Phúc(2012),Giáo trình cấu kiện điện tử, Đại học Sài Gòn. [2] Lê Quốc Đán, giáo trình điện tử tương tự, Đại học Sài Gòn. [3] www.robocon.vn [4] https://vi.wikipedia.org/wiki [5]http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/3067/MOTOROLA/LM358.ht ml 9