ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề Tài THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG BẬT TẮT ĐÈN TỰ ĐỘNG

Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày.. Mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề Tài : THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN ÁNH

SÁNG BẬT TẮT ĐÈN TỰ ĐỘNG

Giảng viên hướng dẫn : Đỗ Công Thắng Nhóm thực hiện : Hoàng Huy Huynh – Vũ Thành Huy Lớp : 122201.5

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ Đó là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động sản xuất, sinh hoạt của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày

Ngày nay nhu cầu của con người ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho nghành điện tử phát triển ra các sản phẩm mới có tính ứng dụng cao trong cuộc sống Xuất phát từ những nhu cầu ứng dụng, chúng em đã thiết kế một mạch

điều khiển, đó là “MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG BẬT TẮT ĐÈN TỰ ĐỘNG ” Nội dung báo cáo này gồm 4 Chương:

Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Tính toán và thiết kế thi công mạch Chương 4: Kết luận

Mặc dù rất cố gắng và nỗ lực hoàn thành bài báo cáo này nhưng có thể vẫn mắc một vài thiếu sót mong thầy và các bạn đóng góp ý kiến để nhóm có thể hoàn thiện hơn.Chúng em xin chân thành cảm ơn

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

Mục Lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 5

1.1 Lí do chọn đề tài 5

1.2Mục tiêu của đề tài 5

1.3Kế hoạch thực hiện 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Điện trở 6

2.2 Tụ điện 6

2.2.1 Cấu tạo 6

2.2.2 Phân loại 7

2.2.3 Ký hiệu và hình dạng thực tế 7

2.2.4 Điện dung và đơn vị 8

2.2.5 Sự phóng, nạp của tụ điện 8

2.3 Diode 9

2.3.1 Cấu tạo của Diode bán dẫn 9

2.3.2 Phân cực thuận cho Diode 9

2.3.3 Phân cực ngược cho Diode 10

2.3.4 Ứng dụng của Diode bán dẫn 11

2.4 NE555 11

2.4.1 Nguồn gốc của NE555 11

2.4.2 Thông số 11

2.4.3 Chức năng của NE555 11

2.4.4 Bố trí chân và chức năng của từng chân 12

2.4.5 Nguyên lý hoạt động 12

2.4.6 Tính tần số điều chế độ rộng xung 13

2.4.7 Ứng dụng 14

2.5 ROLE 14

2.5.1 Cách xác định trạng thái và phân loại 14

2.5.2 Thông số kỹ thuật 15

2.5.3 Ứng dụng 15

2.6 QUANG TRỞ 15

2.6.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 15

2.6.2 Ưu điểm và nhược điểm 16

2.7 DOMINO 2 16

2.7.1 Thông số kỹ thuật 16

2.7.2 Tính năng chính 16

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 28

3.1.Thiết kế sơ đồ khối 28

3.2 Thiết kế mạch nguyên lý 28

3.2.1 Mạch nguồn 28

3.2.2 Mạch đèn sáng tự động khi trời tối 30

3.2.3 Thiết bị chiếu sáng 30

3.3 THI CÔNG 32

3.3.1 Sơ đồ mạch in 32

3.3.2 Thi công mạch in 33

3.3.3 Mô hình sản phẩm 34

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 35

4.1 Kết quả 35

4.2 Kết luận 35

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Lí do chọn đề tài.

Ngành điện tử hiện nay là một trong những ngành đi đầu và rất quan trọng trong việc góp phần vào sự phát triển của đất nước Sự phát triển nhanh chóng của thời đại khoa học – công nghệ và đặc biệt là nhu cầu của con người ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho ngành điện tử đi lên và yêu cầu phải không ngừng phát minh ra các sản phẩm mới có tính ứng dụng cao, các sản phẩm có tính năng, có độ bền và độ ổn định ngày càng cao

Mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn tự động là một trong số đó, sơ đồ mạch khá

là đơn giản, những phần tử trong mạch được bán rất nhiều trên thị trường, giá thành rẻ và đặc biệt ứng dụng của mạch là rất cao

1.2Mục tiêu của đề tài.

- Tìm hiểu nguyên lý, chức năng và tác dụng của mạch đèn

- Tìm hiểu được các chức năng, tác dụng của các linh kiện thiết bị điện tử

- Hoàn thành sản phẩm là mạch cảm biến ánh sáng tự động bật tắt đèn

- Rèn luyện cho sinh viên cách tự học, đi đôi với thực hành và khả năng làm việc theo nhóm

1.3Kế hoạch thực hiện

- Bước 1: Tìm hiểu lý thuyết chung của mạch điều khiển động cơ bước.

Bao gồm nguyên tắc hoạt động của mạch và một số mạch để đưa ra lựa chọn tốt cho đề tài làm đồ án

- Bước 2: Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện tử sử dụng trong mạch

trên, từ đó tính toán lựa chọn các linh kiện, thiết bị đạt yêu cầu sử dụng trong mạch

- Bước 3: Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm vẽ mạch Tina , Proteus từ đó đưa ra cách vẽ mạch điều khiển động cơ bước và hoàn thành bản mạch in của mạch

- Bước 4: Sau đã có bản mạch in tiến hành thi công hoàn thành sản phẩm

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1: ĐIỆN TRỞ .

a)Khái niệm:

Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động trong mạch điện, hiệu điện thế giữa hai đầu của nó tỉ lệ với cường độ dòng điện qua nó theo định luật ohm: V=IR

b) Ký hiệu: theo hai tiêu chuẩn US và EU.

c) Hình dạng thực tế

2.2 Tụ điện

2.2.1 Cấu tạo.

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi

Hình ảnh cấu tạo:

Hình ảnh cấu tạo

2.2.2 Phân loại.

Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi

và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như: Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá

2.2.3 Ký hiệu và hình dạng thực tế.

a) Ký hiệu :

Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor).

b) Hình dạng thực tế:

Hình dạng của tụ gốm.

Hình dạng của tụ hoá

2.2.4 Điện dung và đơn vị.

a)Khái niệm về điện dung.

Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ

điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức

C = ξ S / d

Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F)

 ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện

 d : là chiều dày của lớp cách điện

 S : là diện tích bản cực của tụ điện

b) Đơn vị.

Đơn vị điện dung của tụ : Đơn vị là Fara (F) , 1Fara là rất lớn do đó trong

thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (µF), NanoFara (nF), PicoFara (pF)

 1 Fara = 1.000.000 µ Fara = 1.000.000.000 n F = 1.000.000.000.000 p F

 1 µ Fara = 1.000 n Fara

 1 n Fara = 1.000 p Fara

2.2.5 Sự phóng, nạp của tụ điện

Một tính chất quan trọng của tụ điện là tính chất phóng nạp của tụ , nhờ tính chất này mà tụ có khả năng dẫn điện xoay chiều

Sự nạp và phóng điện của tụ.

a)Tụ nạp điện.

Như hình ảnh trên ta thấy rằng , khi công tắc K1 đóng, dòng điện từ nguồn U

đi qua bóng đèn để nạp vào tụ, dòng nạp này làm bóng đèn loé sáng, khi tụ nạp đầy thì dòng nạp giảm bằng 0 vì vậy bóng đèn tắt

b) Tụ phóng điện.

Khi tụ đã nạp đầy, nếu công tắc K1 mở, công tắc K2 đóng thì dòng điện từ cực dương (+) của tụ phóng qua bóng đền về cực âm (-) làm bóng đèn loé sáng, khi tụ phóng hết điện thì bóng đèn tắt

=> Nếu điện dung tụ càng lớn thì bóng đèn loé sáng càng lâu hay thời gian phóng nạp càng lâu

2.3 DIODE 2.3.1 Cấu tạo của Diode bán dẫn.

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm:Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tánsang vùng bán dẫn P

để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Iontrung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữahai chất bán dẫn.

Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode

Ở hình trên là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn

Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.

2.3.2 Phân cực thuận cho Diode.

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-) vào Katôt (vùng bán dẫn N) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si) hoặc 0,2V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V)

Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V

Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode

Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận

< 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V

2.3.3 Phân cực ngược cho Diode.

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bándẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược,

miềncách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode

có thể chịu được điện áp ngược rất lớnkhoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng ≥ 1000V.

2.3.4 Ứng dụng của Diode bán dẫn

Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động trong mạch chỉnh lưu Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu có dạng

2.4 :NE555 2.4.1 Nguồn gốc của NE555.

  IC thời gian 555 được du nhập vào những năm 1971 bằng công ty Signetics Corporation bằng 2 dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là máy thời gian

và cũng là loại có đầu tiên Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn ổn và không ổn định

Từ đó thiết bị này được làm ra với tính thương mại hóa 10 năm qua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi vì sự cạnh tranh và những lý do khác

Tuy thế những công ty khác lại sản suất ra những dòng này IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạo xung, đóng cắt hay là những mạch dao động khác

2.4.2 Thông số.

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 )

+ Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA + Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V + Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V + Công suất tiêu thụ (max) 600mW

2.4.3 Chức năng của NE555.

+ Tạo xung + Điều chế được độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

2.4.4 Bố trí chân và chức năng của từng chân

a) Bố trí chân

IC NE555 N gồm có 8 chân b) Chức năng của từng chân.

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng

mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V) + Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong

IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND

Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân số 6(THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC

555 dùng như 1 tầng dao động + Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho

IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V

>18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE7555)

2.4.5 Nguyên lý hoạt động.

Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện trở

chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S

= [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

 Giải thích sự dao động:

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC Mạch FF là loại

RS Flip-flop Khi S = [1] thì Q = [1] và = [ 0]

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0]

Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0]

 Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì = [1], transisitor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện

áp ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset

a) Giai đoạn ngõ ra ở mức 1.

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0

Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S

= [1], Q = [1] và = [0] Ngõ ra của IC ở mức 1

Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng Khi nhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó

b) Giai đoạn ngõ ra ở mức 0.

Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q = [0]

và = [1] Ngõ ra của IC ở mức 0

Vì = [1], transistor mở dẫn, amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0 Vì vậy Q và không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor

Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định

2.4.6 Tính tần số điều chế độ rộng xung.

Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung

+Tần số của tín hiệu đầu ra là

f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) + Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f

+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì

t1 = ln2 (R1 + R2).C + Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì

t2 = ln2.R2.C Như vậy trên là công thức tổng quát của 555 Tôi lấy 1 ví dụ nhỏ là : để tạo được xung dao động là f = 1.5Hz Đầu tiên tôi cứ chọn hai giá trị đặc trưng là

R1 và C2 sau đó ta tính được R1 Theo cách tính toán trên thì ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 = 33k (Tính toán theo công thức)

2.4.7 Ứng dụng.

a ) Mạch báo động dùng SCR.

b) Trigger

2.5 RƠLE TRUNG GIAN 2.5.1 Nguyên lý hoạt động

+ Để tạo ra được từ trường hút, thì dòng điện cần chạy qua rơ le trung gian, sau

đó dòng điện chạy qua cuộn dây tạo thành từ trường hút Giúp tạo đòn bẩy làm đóng hoặc mở tiếp điểm điện và làm thay đổi trạng thái của rơ le trung gian

Tùy vào thiết kế mà số tiếp điểm điện sẽ thay đổi khác nhau

+ Rơ le trung gian có 2 mạch hoạt động là: mạch điều khiển cuộn dây cho dòng chạy qua hay không và mạch điều khiển dòng điện có qua rơ le hay không