Đề tài Thiết kế và lắp đặt mạch điều khiển độ sáng của đèn chiếu sáng công cộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

--------

ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘ

SÁNG CỦA ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG

Chủ nhiệm đề tài: Huỳnh Thanh Nam

Phạm Quốc Thái

Hướng dẫn khoa học: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh

Bà Rịa - Vũng Tàu 6/2015

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

------o0o-----

TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Họ và tên sinh viên: Huỳnh Thanh Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1993

Họ và tên sinh viên: Phạm Quốc Thái

Ngày, tháng, năm sinh: 06/03/1993

Chuyên Ngành: Kỹ thuật điện

MSSV: 1151010015

Nơi sinh: Long An

MSSV: 1151010021

Nơi sinh: Bà Rịa Vũng Tàu

I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế và lắp đặt mạch điều khiển độ sáng của đèn chiếu

sáng công cộng

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đèn chiếu sáng công cộng (ở đây nhóm em

dùng đèn natri cao áp), từ đó tìm hiểu nguyên tắc điều khiển đèn cũng như mạch

điều khiển.

- Mục tiêu là điều khiển độ sáng của đèn thông qua 2 cấp công suất và điều

khiển tự động (bật, tắt) đèn qua cảm biến ánh sáng (quang trở).

- Qua tìm hiểu, sinh viên có thể vẽ toàn bộ sơ đồ mạch điều khiển, tiếp theo là

mô phỏng mạch cảm biến án sáng trên phần mềm proteus, từ đó tiến hành mua

linh kiện cần thiết và khâu còn lại là đấu dây và chạy thử.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 04/04/2015

IV. NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN:

V. HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh

Bà Rịa - Vũng Tàu, Ngày…... tháng ..…năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Huỳnh Thanh Nam

Phạm Quốc Thái

ThS. Phan Thanh Hoàng Anh

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

PHÒNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG KHOA

(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Vũ Văn Đông

TS. Nguyễn Phan Cường

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

MỞ ĐẦU

Trong công cuộc đổi mới đất nước, song song với quá trình công nghiệp

hóa-hiện đại hóa thì việc xây dựng cơ sở hạ tầng cũng được tiến hành. Quá trình

nâng cấp, xây dựng hệ thống chiếu sáng ở các khu đô thị cũng không nằm ngoài

kế hoạch. Hiện nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân

dân cũng được nâng cao một cách nhanh chóng. Yêu cầu của họ trong các lĩnh

vực: công nghiệp dịch vụ, du lịch và sinh hoạt tăng trưởng không ngừng. Chính

do những yêu cầu này, đòi hỏi các nhà kĩ thuật, mỹ thuật, nhà khoa học phải

nghiên cứu, tìm hiểu để tạo ra các sản phẩm nhằm đáp ứng các nhu cầu của họ.

Thiết kế hệ thống điện chiếu sáng là một công việc làm khó. Nó không

chỉ đòi hỏi chiếu sáng đơn thuần mà còn phải đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật mức

độ tiện nghi, đảm bảo không bị chói lóa…. Ngoài ra nó còn phải đảm bảo các

yêu cầu về thẩm mỹ và có tính kinh tế cao như: tiết kiệm được điện năng, chi

phí đầu tư nhỏ, cho ánh sáng đẹp, dẩm bảo mỹ quan…. Để có được một bản

thiết kế trên đòi hỏi người thiết kế ngoài kiến thức chuyên môn còn phải có sự

hiểu biết nhất định về xã hội, về môi trường và về các đối tượng thiết kế. Tránh

thiết kế sai gây dư thừa lãng phí nguyên vật liệu và làm mất tính thẩm mỹ….

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án này, chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô

trong khoa điện-điện tử trường đại học Bà Rịa–Vũng Tàu đã tận tình giúp đỡ

chúng em. Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy ThS. Phan Thanh

Hoàng Anh đã không tiếc thời gian và công sức tận tình hướng dẫn, thảo luận và

dẫn dắt chúng em hoàn thành đề tài này. Chính những chỉ dẫn quý báu của thầy

Hoàng Anh và các thầy cô trong khoa đã giúp chúng em từng bước giải quyết

các vấn đề trong quá trình thực hiện đề tài, giúp chúng em có thể kết quả như

hôm nay.

Do kiến thức và kinh nghiệm có hạn, đồng thời thời gian thực hiện còn hạn

chế, nên đề tài này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Do vậy, chúng em rất

mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để đề tài này được hoàn

chỉnh hơn.

Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người

luôn luôn ở bên và động viên tinh thần, tiếp thêm động lực để chúng em vượt

qua những khó khăn trong học tập và trong cuộc sống.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Vũng tàu, ngày …..tháng..…. năm 2015

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Huỳnh Thanh Nam

Phạm Quốc Thái

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nguồn năng lượng thực tế

Việt Nam đang có thứ hạng cao trên thế giới về chỉ số tăng trưởng bất chấp

tình trạng suy thoái kinh tế toàn cầu. Tuy nhiên thách thức đặt ra là mức độ tăng

trưởng nền kinh tế diễn ra mạnh mẽ đồng nghĩa với việc nhu cầu sử dụng năng

lượng tăng nhanh. Trung bình mỗi năm nhu cầu sử dụng năng lượng của đất nước

tăng gấp hai nhưng ngành năng lượng tăng trưởng chỉ đáp ứng khoảng 60% yêu

cầu. Tiết kiệm năng lượng trở thành nhu cầu cấp thiết. Nhucầu tiêu thụ năng lượng

ở nước ta đang gia tăng mạnh mẽ, trong bối cảnh đang phải phấn đấu vượt qua

những thách thức to lớn về nguy cơ hủy hoại môi trường, nguồn tài nguyên năng

lượng truyền thống (than, dầu khí, thủy điện) ngày càng khan hiếm, thì chủ đề “tiết

kiệm năng lượng” có ý nghĩa vô cùng quan trọng.

Nhận thấy tầm quang trọng của việc tiết kiệm năng lượng nói chung và tiết

kiệm điện nói riêng, chúng em được sự hướng dẫn của thầy ThS. Phan Thanh

Hoàng Anh, chúng em thiết kế ra mạch điều khiển độ sáng của đèn chiếu sáng

công cộng. Mạch điều khiển có thể điều khiển tự động dựa trên ánh sáng từ môi

trường bên ngoài (trời tối đèn tự bật và trời sáng đèn tự tắt) và có thể đặt giờ để

đèn thay đổi sang cấp công suất khác (từ 18h đến 23h đèn sáng 250w, từ 23h đến

6h sáng hôm sau đèn sáng 150w). Tính ưu việt của đề tài này là tính tự động hóa

cao, hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện trong việc lắp đặt cũng như vận hành.

1.2 Mục tiêu và hướng giải quyết đề tài

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đèn chiếu sáng công cộng (ở đây nhóm em

dùng đèn natri cao áp), từ đó tìm hiểu nguyên tắc điều khiển đèn cũng như mạch

điều khiển.

- Mục tiêu là điều khiển độ sáng của đèn thông qua 2 cấp công suất và điều khiển

tự động (bật, tắt) đèn qua cảm biến ánh sáng (quang trở).

- Qua tìm hiểu, sinh viên có thể vẽ toàn bộ sơ đồ mạch điều khiển, tiếp theo là mô

phỏng mạch cảm biến án sáng trên phần mềm proteus, từ đó tiến hành mua linh

kiện cần thiết và khâu còn lại là đấu dây và chạy thử.

1.3 Tính tối ưu của đề tài

- Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 1

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

- Tạo tính linh động và mở rộng cho sinh viên khi thiết kế mạch điều khiển đèn

chiếu sáng công cộng dựa trên cơ sở thực tế trong quá trình tìm hiểu.

- Mạch điều khiển đơn giản, nhưng tiết kiệm điện năng.

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 2

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

CHƯƠNG 2 : MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH

2.1 Giới thiệu về phần mềm protues

Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch

điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi

điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, … Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS

cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in. Khởi động chương trình -

Start > All Program > Proteus 6 Professional > ISIS 6 Professional

Cửa sổ chương trình sau khi khởi động:

Hình 2.1: Giao diện phần mềm proteus

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 3

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

Các thao tác cơ bản

* Sử dụng thanh công cụ chuẩn:

Hình 2.2: Thanh công cụ phần mềm proteus

Các thao tác trên thanh công cụ chuẩn cũng có thể thực hiện thông qua menu

File và menu Edit.

* Sử dụng thanh linh kiện

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 4

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

Để đưa linh kiện vào vùng thiết kế, ta thực hiên chọn linh kiện rồi nhấn

chuột trái trên vùng làm việc. Để thực hiện chọn linh kiện, ta thực hiện nhấn chuột

phải trên linh kiện, nó sẽ chuyển sang màu đỏ cho biết trạng thái đang chọn. Sau

khi đã chọn linh kiện, ta có thể di chuyển linh kiện bằng cách thực hiện thao tác

drag-and-drop (nhấn chuột trái và giữ rồi di chuyển chuột đến vị trí kế).

Để xoá linh kiện, ta chọn linh kiện rồi nhấn chuột phải làn nữa để xoá.

Thêm linh kiện mới: Nếu linh kiện không tồn tại trong thanh linh kiện, ta phải thực

hiện thêm mới từ các thư viện có sẵn bằng cách chọn menu Library > Pick hay

nhấn P

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 5

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

Cửa sổ lấy linh kiện:

Hình 2.3: Giao diện cửa sổ phần mềm proteus

Ví dụ như để tìm linh kiện điện trở:

- Gõ Resistor trong vùng Keywords. - Chọn Category là Resistors. - Chọn Sub-

category là Generic.

Một số linh kiện thường dùng trong proteus:

Điện trở: res

Biến trở: pot-hg

Quang trở: ldr

Tụ phân cực: radial

Tụ không phân cực: cap

Đi-ốt: diode

Cầu đi-ốt: bridge

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 6

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

Thạch anh: crystal

Nút nhấn: button

Nguồn AC: vsin

Nguồn DC: battery

Rơ le : animated relay model

Led 7 đoạn : 7SEG

Bóng đèn: lamp

Ic ổn áp: 78XX (XX là số)

cuộn cảm : inductor

* Nối dây:

- Chuyển con trỏ chuột đến vị trí cần nối dây, trên con trỏ chuột sẽ xuất hiện dấu

X

- Di chuyển chuột và nhấn chuột trái khi cần thiết xác định vị trí dây dẫn

Khi kéo dây đến vị trí cần thiết thì nhấn chuột trái để nối dây.

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 7

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

2.2 Mạch nguyên lý

- Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở để nhận biết ánh sáng từ môi trường

bên ngoài (ánh sáng mặt trời). Khi trời sáng điện trở trong quang trở vô cùng lớn,

không có dòng điện đi qua opamp, ngược lại khi trời tối điện trở trong quang trở

nhỏ và cho dòng điện qua opamp.

Hình 2.4: Mạch mô phỏng khi trời tối, đèn sẽ sáng

Khi trời tối, quang trở không nhận được ánh sáng, điện trở trong quang trở

vô cùng lớn nên dòng điện qua chân V(+) mà không qua quang trở, điện áp V(+) >

V(-) nên ngõ ra chân 7 bằng 1 (24V), đèn led mô phỏng sáng.

Mô phỏng được tiến hành bằng cách giảm dần cường độ ánh sáng chiếu vào

quang trở, vì trời tối nên giảm cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở, khi đó đèn

led mô phỏng sáng lên.

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 8

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

Hình 2.5: Mạch mô phỏng khi trời sáng, đèn tắt

Khi trời sáng, quang trở nhận được ánh sáng bên ngoài, điện trở trong quang

trở càng nhỏ, dòng điện qua quang trở mà không qua chân V(+), điện áp tại chân

V(+) < V(-) nên ngõ ra bằng 0 (0V), đèn led mô phỏng tắt.

Mô phỏng bằng cách tăng dần cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở, vì là

trời sáng nên khi chiếu vào quang trở, đèn led mô phỏng sẽ tắt.

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 9

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

Hình 2.6: Mạch thiết kế thực tế bằng phần mềm proteus

Để thi công thiết kế mạch cảm biến ánh sáng, vẽ bằng phần mềm proteus

như hình trên với các khối J1 là khối relay, J2 là khối quang trở, J3 là khối nguồn

24V

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 10

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

2.3 Mạch Layout

Hình 2.7: Mạch layout cảm biến ánh sáng

Mạch in layout giúp vẽ được sơ đồ đi dây để làm mạch in. Mạch layout này của

hình 2.6.

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 11

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1 Mạch toàn bộ hệ thống điều khiển

- Mạch sử dụng quang trở để cảm biến ánh sáng để bật tắt đèn một cách tự động

dựa trên ánh sáng từ môi trường bên ngoài, qua relay đóng điện cho đèn sáng và

timer đặt giờ (từ 18h đến 23h đèn sáng 250w, từ 23h đến 6h sáng hôm sau đèn

sáng 150w), ở đây là mô hình nghiên cứu nên nhóm em chỉ đặt giờ trong vòng 3

phút tượng trưng.

Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây của toàn bộ hệ thống điều khiển đèn.

* Nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống điều khiển:

- Biến áp hạ áp từ 220VAC xuống 12VD, qua khối nguồn 24V nâng lên thành

24VDC cung cấp cho mạch cảm biến ánh sáng. Tại đây quang trở của mạch cảm

biến ánh sáng sẽ nhận ánh sáng từ môi trường bên ngoài, khi ánh sáng không đủ

sáng quan trở sẽ cho dòng điện đi tới con relay 24VDC/220VAC. Relay có điện sẽ

đóng tiếp điểm thường hở và cho dòng điện đi tới ballast, relay được cấp nguồn từ

mạch cảm biến, nghĩa là trời tối thì quang trở không cho dòng điện đi qua và

không có dòng để cấp nguồn cho relay 24VDC/220VAC và đèn sẽ không sáng.

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 12

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

- Việc chuyển cấp của ballast là nhờ vào relay 220VAC/220VAC, relay này được

điều khiển bằng timer (từ chân số 6 timer điều khiển qua chân 13 của relay). Timer

được cấp nguồn từ chân số 8 của relay 24VAC. Khi timer đếm đủ thời gian định

trước thì relay 220VAC/220VAC sẽ đóng tiếp điểm còn lại để ballast chuyển cấp

công suất khác.

- Tụ kích có nhiệm vụ kích sáng (làm mồi) cho đèn sáng, vì đèn sử dụng là đèn

natri cao áp (sodium cao áp).

Ưu điểm của mạch điều khiển trên là:

- Tính tự động hóa cao: khả năng bật tắt đèn hoàn toàn tự động dựa trên ánh sáng

từ môi trường bên ngoài, phù hợp với thực tế yêu cầu đặt ra của một hệ thống

chiếu sáng thông minh và tiết kiệm điện năng.

- Hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện trong việc lắp đặt, vận hành cũng như

bảo trì sửa chữa.

- Chi phí đầu tư nhỏ nhưng vẫn đảm bảo các tiêu chí về chiếu sáng cũng như yếu tố

kỹ thuật, và tiết kiệm một khoảng tiền lớn cho ngân sách Nhà nước.

- Tăng tuổi thọ cho các thiết bị chiếu sáng (bóng đèn, ballast,…)

- Giảm ô nhiễm môi trường: không chỉ tăng tuổi thọ cho đèn và các thiết bị liên

quan mà còn góp phần giảm lượng lớn các bóng đèn, thiết bị đèn được sản xuất ra,

bảo vệ môi trường, giảm lượng khí CO₂thải ra hằng năm.

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 13

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

Hình ảnh chụp thực tế đấu nối dây của phần cứng

Hình 3.2: Sơ đồ đấu dây mặt bên trong của hộp

Hình 3.3: Sơ đồ đấu dây mặt ngoài của hộp

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 14

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Trường ĐHBRVT

Hình 3.4: Hình ảnh khi chạy thử mạch

SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái

Trang 15