Thiết kế mạch tự động đóng tắt đèn đường công cộng và mạch đèn giao thông

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 6 Thiết nghĩ việc thiết kế ra các mạch điện tử tự động đóng tắt đèn chiếu sáng công cộng sẽ tiết kiệm được nhiều chi phi, thời gian cũng như giải phóng sức la

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 2

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang Người đã hướng dẫn tận tình và hiệu quả trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu

Tôi xin được cảm ơn tới thầy giáo T.S Nguyễn Thế Lâm đã tạo điều kiện giúp đỡ, đưa ra những ý kiến đóng góp giúp tôi hoàn thành bài khóa luận này Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Vật Lí Trường ĐHSP

Hà Nội 2 đã nhiệt tình giảng dạy trong những năm học đại học, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành khoá luận

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình bạn bè và các sinh viên lớp K31C Khoa Vật lí đã luôn luôn ở bên tôi động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện và hoàn thiện khoá luận tốt nghiệp

Hà Nội, tháng 5 năm 2009

Sinh viên

Nguyễn Thị Hảo

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi Trong khi nghiên cứu tôi

đã kế thừa thành quả khoa học của các nhà khoa học, nhà nghiên cứu và đồng nghiệp với sự trân trọng và biết ơn

Các kết quả nêu trong khoá luận này là trung thực và chƣa đƣợc ai công

bố trong bất kỳ nghiên cứu nào

Hà Nội, tháng 5 năm 2009

Sinh viên

Nguyễn Thị Hảo

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 4

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 3

Chương 1: Các hàm logic cơ bản 3

1.1 Hàm YES 3

1.2 Hàn NOT 3

1.3 Hàm AND 4

1.4 Hàm OR 4

1.5 Hàm NAND 5

1.6 Hàm NOR 5

1.7 Hàm khác dấu 6

1.8 Hàm đồng dấu 6

Chương 2: Các mạch chuyển mã 8

2.1 Khái niệm mạch chuyển mã 8

2.1 Thiết kế mạch chuyển mã 8

2.3 Sơ đồ cấu tạo và ý nghĩa các chân của một số vi mạch đã sử dụng 14

Chương 3: Thiết kế mạch tự động đóng tắt đèn đường công cộng và mạch đèn giao thông 18

3.1 Yêu cầu việc đóng tắt tự động 18

3.2 Thiết kế mạch tự động đóng tắt đèn đường công cộng 19

3.3 Thiết kế mạch đèn giao thông 29

3.4 Thiết kế mạch in cho chế tạo 34

3.5 Các bước lắp ráp mô hình 38

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

Ứng dụng của kĩ thuật tự động hoá là có thể dùng máy tính trực tiếp điều khiển đến từng thiết bị, từng dây chuyền sản xuất cũng như toàn bộ hệ thống sản xuất Từ việc điều khiển số NC (Numerical Control), điều khiển bằng máy tính CNC (Computer Numerical Control) cho đến việc ứng dụng các “máy tính nhúng” trong các bộ điều khiển các thiết bị, là một bước đường dài của sự phát triển làm tăng sự ổn định và hiệu quả sử dụng lên rõ rệt

Một trong những đặc trưng của trình độ tự động hoá hiện đại là mức độ xử

lí thông minh trong các tình huống xẩy ra ở quá trình công nghệ Vì vậy, cần có những sensor tinh xảo để nhận biết về các tình huống đó Ngày nay, trên cơ sở những thành tựu của hệ thống tích hợp khoa học Micro và Nano (Micro Nanoscience Integrated Systems) nhiều tổ hợp các sensors tạo ra các cụm cảm biến đa năng, cho phép nhanh chóng nhận thức môi trường và tình huống từ nhiều thông tin cùng một lúc

Những khả năng kì diệu mà tự động hoá đem lại cũng đòi hỏi khi đem vào ứng dụng cho hệ thống thiết bị hay cho dây chuyền sản xuất nào đó, những kĩ thuật viên phải am hiểu quy trình công nghệ cụ thể Phải nhận biết được các thông số của quá trình để đặt đúng chỗ, đúng lúc các loại sensors hợp lý Phải điều khiển được từng thiết bị và cả hệ thống, không những là hệ thống quản lý công nghệ, mà cả hệ thống quản lý sản xuất.

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 6

Thiết nghĩ việc thiết kế ra các mạch điện tử tự động đóng tắt đèn chiếu sáng công cộng sẽ tiết kiệm được nhiều chi phi, thời gian cũng như giải phóng sức lao động của người công nhân.Và cả mạch đèn giao thông nữa, đồng thời đây cũng là lĩnh vực mà các SV SPKT rất hứng thú tìm hiểu

Vì những lí do trên tôi quyết định chọn đề tài:

“ THIẾT KẾ MẠCH TỰ ĐỘNG ĐÓNG TẮT ĐÈN ĐƯỜNG CÔNG CỘNG VÀ MẠCH ĐÈN GIAO THÔNG ’’

II: MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu những yêu cầu tự động hoá của mạch đóng tắt đèn chiếu sáng công cộng và mạch đèn giao thông

- Thiết kế chế tạo mạch đèn tự động đóng tắt đèn chiếu sáng công cộng và mạch đèn giao thông

III: NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu thiết kế được mạch điều khiển ứng dụng

- Chế tạo được mạch điện tử đóng tắt đèn chiếu sáng công cộng và mạch đèn giao thông

IV: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Các mạch điện tử điều khiển dùng các linh kiện điện tử

V: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thiết kế, chế tạo mạch tự động đóng tắt đèn chiếu sáng công cộng và mạch đèn giao thông

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 9

1.5 Hàm NAND (nhân đảo)

- Là hàm được mô tả bởi phương trình:

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 12

CHƯƠNG 2: CÁC MẠCH CHUYỂN MÃ

2.1 Khái niệm mạch chuyển mã

Trong các hệ thống điện tử dùng mạch số, dữ liệu được truyền đi hay xử lí

ở dạng từ nhị phân gồm các bít 0 và 1 Một từ n bít có thể biểu diễn cho 2n

phần

tử tin khác nhau với giá trị thập phân từ 0 đến 2n-1

Từ nhị phân n bít đó gọi là mã của phần tử tin tức

Có rất nhiều loại mã Các loại mã thường dùng để mã hoá các con số: Mã nhị phân, mã grây dư 3, mã grây, mã BCD, mã dư 3, mã bảy vạch…

Nếu ta chuyển từ một mã thông dụng về một mã ít thông dụng hơn ta gọi là

mã hoá và ngược lại ta gọi là giải mã

- Xây dựng sơ đồ logic

- Xây dựng sơ đồ mạch thực hiện

B1

B2

B0

B3

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 13 + Bảng trạng thái:

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 14

Sau khi tối thiểu ta đƣợc G3 = B3

Ví dụ 2: Mạch chuyển mã (giải mã) grây sang nhị phân

mã

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 16

Sau khi tối thiểu ta đƣợc B3 = G3

Ví dụ 3: Mạch giải mã nhị phân ra bảy thanh

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 18

2.3.1 IC 74LS138

Bảng trạng thái hoạt động của IC 74LS138

Chân cho phép Đầu vào

15 14 13 12 11 10 9 7

6 4 5

A B C

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 19

A

LSB

1 2

Y 7

1 2

4

1 2

4

Y 4

1 2

4

Y 5

1 2

4

Y 2

1 2

4

Y 0

1 2

4

B

1 2

Y 6

1 2

4

C MSB

1 2

Y 1

Y 3

1 2

- Chân 7,9,10,11,12,13,14,15 là các chân đầu ra Ứng với một tổ hợp tín hiệu đầu vào từ 0 đến 8 thì chỉ có 1 đầu ra ở mức thấp còn lại ở mức cao

VD: Tổ hợp đầu vào là 101 thì tín hiệu đầu ra y0=1, y1=1, y2=1, y3=1,

y4=1, y5=0, y6=1, y7=1

- Chân 8 cấp mass

2.3.2 IC 89C52

Hình vẽ cho ta sơ đồ chân của 89C52 bao gồm tổng số 40 chân 32 trong

số 40 chân hình thành 4 port 8 bit Với các thiết kế yêu cầu một mức tối thiểu bộ nhớ ngoài hoặc các thành phần bên ngoài khác, ta có thể sử dụng các port này làm nhiệm vụ xuất/nhập 8 đường cho mỗi port có thể được xử lí như một đơn vị giao tiếp với các thiết bị ngoại vi Hoặc mỗi đường có thể hoạt động độc lập giao tiếp với một thiết bị đơn bit như chuyển mạch LED, BJT, FET…

Port 0 (các chân từ 32 đến 39) có 2 công dụng Trong các thiết kế có tối thiểu thành phần, port 0 được sử dụng làm nhiệm vụ xuất/nhập Trong các thiết

kế lớn hơn có bộ nhớ ngoài, port 0 trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp

Port 1 (các chân từ 1 đến 8) chỉ có một công dụng là xuất/nhập Các chân của port 1được kí hiệu là P1.0, P1.1, … P1.7 và được dùng để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài khi có yêu cầu

Port 2 (các chân từ 21 đến 28) có 2 công dụng hoặc làm nhiệm vụ xuất/nhập hoặc là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bit cho các thiết kế có bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 byte bộ nhớ dữ liệu ngoài

Port 3 (các chân từ 10 đến 17) có 2 công dụng Khi không hoạt động xuất/nhập các chân của port 3 có nhiều chức năng riêng

Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN: Tín hiệu cho phép bộ nhớ chương trình PSEN là tín hiệu xuất trên chân 29 Đây là tín hiệu điều khiển cho phép ta truy xuất chương trình ngoài

tự động hoá các quá trình và thiết bị sản xuất Việc tự động hoá có thể nhằm tăng

năng xuất sản lượng hoặc cải thiện chất lượng và độ chính xác của sản phẩm

Cụ thể đối với mạch tự động đóng tắt đèn đường công cộng thì mạch sẽ thực hiện việc đóng tắt tự động theo thời gian Thời gian giữa mùa đông và mùa

hè có sự chênh lệch Nếu ta giữ nguyên thời gian đóng tắt đèn của mùa đông cho mùa hè như vậy là không cần thiết mà còn tốn tiền vô ích Mặt khác nếu mùa đông mà ta mở đèn muộn như mùa hè thì công dụng của việc thắp sáng không được tân dụng triệt để

Việc đóng tắt đèn này không chỉ theo thời gian mà còn phải tự động theo nguồn sáng Nghĩa là tuỳ thuộc vào cường độ sáng mà đèn phải được đóng tắt cho phù hợp Bỗng nhiên có những hôm trời u ám thì mạch điện phải có những phần tử có thể cảm nhận được sự thay đổi này để điều chỉnh việc đóng tắt đúng lúc

Vậy để đáp ứng những yêu cầu trên ta chỉ cần thiết kế ra một mạch điện tử

tự động đóng tắt đèn thay vì những người công nhân hàng ngày phải đi đóng tắt đèn toàn thành phố vừa tốn thời gian, tốn công sức và còn không kịp thời

Khi mạch hoạt động sẽ không cần có sự tham gia điều khiển của con người Trong mạch sẽ sử dụng một linh kiện có thể cảm nhận được những sự thay đổi như đã nêu trên để đáp ứng được những yêu cầu của mạch đã đề ra đó là dùng quang trở

Mạch này sẽ có thể áp dụng nhiều trong thực tế như lắp đặt hệ thống đèn

vườn, trong bể cá cảnh, hệ thống điện nhà kho phân xưởng

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 23

3.2 Thiết kế mạch tự động đóng tắt đèn đường công cộng

3.2.1 Mạch điện

Den duong LED Q2

2N1069

Re2 10

Re1 10

Quang trë

R

Q3 C828

0V

1k Rc

D 1N4007

RL1

RELAY SPST

4 3 1

Hình 3.2

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 24

Một đầu của quang trở được nối với cực bazơ của transistor (Q1), một đầu nối với VCC Quang trở có nhiệm vụ phân áp định thiên cho Q1 Đây là linh kiện quan trọng nhất trong mạch điện có thể cảm nhận được sự thay đổi của các điều kiện ngoại cảnh tác động để tự động điều khiển thay đổi việc đóng tắt đèn đúng

lúc và chính xác

*Các đặc tính quan trọng của một quang trở

1) Độ dẫn xuất σphot: Là hàm số của mật độ năng lượng U với độ dài sóng không đổi của ánh sáng

σ phot (u); λ= const

2) Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ: Đó chính là độ dẫn xuất

σphot hàm số của λ khi mật độ năng lượng không thay đổi

Thời gian trễ được xác định là thời gian cần thiết để một quang trở thay đổi còn 35% giá trị của nó (so với trị số lúc được chiếu sáng – khoảng 10 lux trong 1s) khi không còn được chiếu sáng

Với cường độ ánh sáng mạnh quang trở làm việc nhanh hơn Quang trở làm việc chậm hơn nếu được cất giữ trong bóng tối và làm việc nhanh hơn nếu được cất giữ ngoài ánh sáng

4) Tiếng ồn NEP:

Đơn vị của NEP là w/√Hz

Khả năng dò tìm của một detector gọi là Detectivity D Với A là diện tích tích cực của một detector

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 25

√A

cm NEP

5) Hệ số nhiệt độ của quang trở:

Mỗi loại quang trở có một hệ số nhiệt khác nhau Hệ số nhiệt độ của quang trở tỉ lệ nghịch với cường độ chiếu sáng Do đó để giảm bớt sự thay đổi trị

số của quang trở theo nhiệt độ quang trở cần được cho hoạt động với mức chiếu sáng tối đa Ở mức chiếu sáng thấp và trị số quang trở cao cho ta sự sai biệt khá lớn so với trị số chuẩn

6) Điện trở tối (dark resistance ):

Trị số của quang trở trong bóng tối với nhiều trường hợp ứng dụng cần phải biết Nó cho ta dòng điện dò lớn nhất với một điện thế trên quang trở Dòng

dò lớn quá sẽ dẫn đến sự sai lệch khi thiết kế mạch điện

7) Đặc tính độ dốc:

Trong nhiều trường hợp không chỉ trị số tuyệt đối của quang trở với mức chiếu sáng nhất định cần biết được người ta còn cần biết sự thay đổi trị số quang trở khi cường độ chiếu sáng thay đổi Một cách để cho ta sự liên hệ này là thông

số  Thông số này ta định nghĩa như một đường thẳng nối liền 2 điểm phân biệt trên 1 đường cong quang trở với mức chiếu sáng là 10 lux và 100 lux

8) Điện thế hoạt động:

Tùy theo cấu trúc mặt nạ của quang trở ta có các điện thế hoạt động khác nhau Điện thế này có thể lên tới 0,5 kv/mm Trị số công suất tiêu tán cao nhất hạn chế trị số dòng và điện thế Điện thế hoạt động cao nhất được đo khi quang trở hoạt động trong bóng tối

9) Công xuất tiêu tán:

Khi hoạt động nhiệt độ bên trong quang trở cần giữ thấp hơn nhiệt độ cho phép ví dụ 75 Nếu trong các trường hợp ứng dụng với điện thế thấp cho ta công xuất tiêu tán bé, cấu trúc của quang trở có thể nhỏ Trong trường hợp điện thế và

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 26

dòng điện cao hơn cấu trúc vật lí của quang trở phải rộng lớn hơn để màng bán dẫn có thể tỏa nhiệt tốt.Với tính chất hóa học của vật liệu quang trở cho phép quang trở làm việc và được cất giữ trong một giải nhiệt độ giới hạn

10) Độ nhạy R [VW-1

]

S

R = S là tín hiệu hồi tiếp

P P công suất bức xạ chiếu trên điện trở quang

b) Biến trở VR:

- Biến trở cũng tương tự như một điện trở cố định, ngoại trừ ta có thể điều chỉnh trị số của chúng bằng con chạy hoặc xoay

Trong mạch điện một đầu của biến trở cũng được nối với cực bazơ của Q1

để phân áp định thiên cho Q1 Đầu kia của biến trở được nối với mass Ta điều chỉnh để giá trị điện trở của biến trở ở tầm khoảng 50K Nó kết hợp với quang trở để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều phân cực cho transistor theo CT:

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 27

c) Điện trở Re:

Là linh kiện rất phổ biến được chế tạo với nhiều kích cỡ khác nhau, thể loại khác nhau tương ứng với công xuất mà điện trở có thể chịu đựng được, công dụng của nó là hạn chế dòng hoặc điều chỉnh dòng điện và phân chia điện áp trong mạch điện

Trong mạch nguyên lí điện trở Re1 được dùng làm điện trở hồi tiếp âm ổn định nhiệt cho Q1 Re2 được dùng làm điện trở hồi tiếp âm ổn định nhiệt cho Q3 Một đầu của Re1 được nối vào cực C của Q1, đầu còn lại nối mass Lấy giá trị của Re1 khoảng 10 Một đầu Re2 nối vào cực E của Q3, một đầu nối mass d) Các transistor Q1, Q2, Q3: Được dùng trong mạch lần lượt là A564 (thuận cao tần) và C828 (nghịch cao tần) có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điện để điều khiển relây Vì tín hiệu nhỏ nên dùng nguyên Q1 khuếch đại tín hiệu vẫn chưa đủ lớn nên ta mắc thêm Q2 nối vào cực E của Q1 Các Q1,Q2 được mắc theo tổ hợp Darlington Mạch Darlington cở bản có sơ đồ như sau:

3.5 Điện trở

3.6 Kí hiệu

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 28

Vì cực E1 nối trực tiếp vào cực B2 nên IE1 = IB2

Transistor Q1 có: IE1 ≈ IC1 = β1IB1 (1) Transistor Q2 có: IE2 ≈ IC2 = β2IB2 (2) Nên khi thay (1) vào (2) ta có:

IE2 = β2IB2 = β2IE1 = = β2β1IB1 Nếu gọi dòng điện ngõ vào (đầu vào) của mạch là IV=IB1 Dòng điện ngõ ra

là IR=IE2. β là độ khuếch đại dòng điện của toàn mạch thì:

Các transistor ngoài thực tế có rất nhiều hình dáng với đủ mọi kích cỡ:

Q2 Q1

Hình 3.7: Transistor

Nguyễn Thị Hảo - K31C SPKT 29

e) RELAY từ trường:

Là một cuận dây có một giá trị cảm ứng đặc biệt (Lc tính theo henries) để tạo thành một công tắc đóng/ tắt Khi được nạp một giá trị cường độ dòng ổn định Trong mạch điện khi có dòng điện chạy qua cuận dây của relay sinh ra từ trường hút tiếp điểm của relay đóng lại cấp nguồn cho đèn sáng Một đầu tiếp điểm của relay được nối với AC = 220V

Q2 C828

Hình 3.8: Kí hiệu (A564 và TC828)