Nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh, ứng dụng xây dựng mô hình mô phỏng một số chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh

Công nghệ đèn chiếu sáng đã có những bước tiến đáng kể trong việc tiết kiệmđiện năng, vấn đề còn lại là việc điều khiển hệ thống chiếu sáng sẽ được thực hiệnsao cho mang lại hiệu quả cao

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ

rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Đoàn Chiến Thắng

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo ở khoa Điện –Điện tử tàu biển, trường đại học Hàng Hải Việt Nam, đã đóng góp nhiều ý kiếnquan trọng để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô giáo của khoa đào tạo Sau ĐạiHọc đã tạo điều kiện và khích lệ để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS LƯU KIM THÀNH của

khoa Điện – Điện tử trường đại học Hàng Hải đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tácgiả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin cảm ơn các Thầy giáo, các anh chị em phòng thí nghiệm, trườngđại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tác giả thực hiệnthành công bản luận văn

Những lời cảm ơn chân thành tiếp theo xin được đến tới gia đình và bạn bè,những người đã luôn động viên, khuyến khích và chia sẻ khó khăn trong suốt quátrình học tập và nghiên cứu khoa học của mình

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Chữ viết tắt Giải thích

LED Light Emitting Diode

ADC Analog Digital Converter

PWM Pulse Width Modulation

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

hướng nhất định.

5

thống chiếu sáng thông minh.

17

sáng thông minh

39

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ iv

MỤC LỤC vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài 1

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Nguồn sáng 10

1.3 Bộ đèn 11

1.3.1 Khái niệm 11

1.3.2 Cấu tạo một số bộ đèn thông dụng 11

Đèn huỳnh quang 14

1.4 Thiết kế chiếu sáng 16

1.4.1 Thiết kế chiếu sáng nội thất 16

1.4.2 Thiết kế chiếu sáng bên ngoài 16

CHƯƠNG 2: XÂY DƯNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH 17

2.1 Cấu trúc chung của mô hình mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh 17

2.2 Thiết kế, lựa chọn các thiết bị sử dụng trong mô hình mô phỏng hệ thống chiếu sáng thông minh 18

2.2.1 Các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình 18

2.3 Xây dựng module 36

2.3.1 Xây dựng mạch in 36

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT CỦA MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG 39

CHIẾU SÁNG THÔNG MINH 39

3.1 Xây dựng chương trình điều khiển 39

3.1.1 Đề xuất lưu đồ thuật toán thực hiện mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh 39

3.1.2 Viết chương trình cho vi điều khiển 42

3.2 Viết chương trình giám sát trên máy tính 43

3.2.1 Lưu đồ thuật toán truyền/ nhận dữ liệu trên máy tính 43

3.2.2 Xây dựng giao diện giám sát trên máy tính 45

3.3 Các thành phần cơ bản trong C# 49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Để phục vụ các hoạt động về ban đêm, con người sử dụng các loại ánh sángnhân tạo Với các hệ thống ánh sáng nhân tạo để đảm bảo mạng lưới đó luôn đượcduy trì và hoạt động hiệu quả cần lặp đặt một hệ thống chiếu sáng thông minh vì

nó không những đảm bảo sự an toàn mà còn đem đến nhiều tiện ích mà con ngườihằng ao ước

Công nghệ đèn chiếu sáng đã có những bước tiến đáng kể trong việc tiết kiệmđiện năng, vấn đề còn lại là việc điều khiển hệ thống chiếu sáng sẽ được thực hiệnsao cho mang lại hiệu quả cao nhất về mặt tiết kiệm năng lượng cũng như các tiệntích giúp cho cuộc sống của con người được tiện nghi thoải mái hơn

Cùng với sự phát triển của vi xử lý và công nghệ chế tạo các cảm biến chúng

ta có thể xây dựng được các hệ thống chiếu sáng mang tính “thông minh” cao

2 Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh, ứng dụng xây dựng

mô hình mô phỏng một số chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu là cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động, các loạinguồn sáng, bóng đèn thông minh …

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung nghiên cứu hệ thống điều khiểnchiếu sáng thông minh, xây dựng mô hình mô phỏng một số chức năng của hệthống chiếu sáng thông minh

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tìm hiểu hệ thống chiếu sáng thông minh, hoạt động của các cảmbiến và bóng đèn thông minh Tác giả đã kế thừa và phát triển kinh nghiệm củamình cho việc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho hệ thống cụ thể

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài được ứng dụng dùng trong các ngôi nhà, các garage hoặc có thể được

áp dụng trong lĩnh vực chiếu sáng đường hầm

Nó cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến hệ thống điềukhiển chiếu sáng thông minh, các thành phần, thiết bị được dùng trong hệ thốngđiều khiển chiếu sáng thông minh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG.

1.1 Giới thiệu

Chiếu sáng là một kỹ thuật đa ngành, trước hết đó là mối quan tâm của các kỹ

sư điện, các nhà nghiên cứu quang và quang phổ học, các cán bộ kỹ thuật củacông ty công trình công cộng và các nhà quản lý đô thị Chiếu sáng cũng là mốiquan tâm của các nhà kiến trúc, xây dựng và giới mỹ thuật Nghiên cứu

về chiếu sáng cũng là một công việc của các bác sỹ nhãn khoa,các nhà tâm

lý học, giáo dục thể chất học đường…

Trong thời gian gần đây, với sự ra đời và hoàn thiện của các nguồn sáng hiệusuất cao, các phương pháp tính toán và công cụ phần mềm chiếu sáng mới, kỹthuật chiếu chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sáng chiếusáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng gọi tắt là chiếu sáng tiện ích

Theo số liệu thống kê, năm 2005 điện năng sử dụng cho chiếu sáng trên toànthế giới là 2650 tỷ kWh, chiếm 19% sản lượng điện Hoạt động chiếu sáng xảy

ra đồng thời vào giờ cao điểm buổi tối đã khiến cho đồ thị phụ tải của lưới điệntăng vọt, gây không ít khó khăn cho việc truyền tải và phân phối điện Chiếusáng tiện ích là một giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuậtchiếu sáng từ việc sử dụng nguồn sáng có hiệu suất cao, thay thế các loại đènsợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp bằng đèn compact, sử dụng rộng rãi các loạiđèn huỳnh quang thế hệ mới, sử dụng chấn lưu sắt từ tổn hao thấp và chấn lưuđiện tử, sử dụng tối đa và hiệu quả ánh sáng tự nhiên, điều chỉnh ánh sáng theomục đích và yêu cầu sử dụng, nhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảotiện nghi nhìn Kết quả chiếu sáng tiện ích phải đạt tiện nghi nhìn tốt nhất, tiếtkiệm năng lượng, hạn chế các loại khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường

Ánh sáng

Ánh sáng là một bức xạ ( sóng) điện từ nằm trong dải sóng quang học màmắt người có thể cảm nhận được

Hình 1.1 Dải sóng quang học của ánh sáng

Như có thể quan sát trên dải quang phổ điện từ ở hình 1.1, ánh sáng nhìnthấy được thể hiện là một dải băng từ tần hẹp nằm giữa ánh sáng của tia cực tím(UV) và năng lượng hồng ngoại (nhiệt) Những sóng ánh sáng này có khả năngkích thích võng mạc của mắt, giúp tạo nên cảm giác về thị giác, gọi là khả năngnhìn.Vì vậy để quan sát được cần có mắt hoạt động bình thường và ánh sáng nhìnthấy được

Các đại lượng đo ánh sáng

Khái niệm quang thông là quan niệm đầu tiên của con người có quan hệ vớicác nguồn sáng, đó là ngọn nến, là đèn măng sông không cho cùng một lượng ánhsáng, nhưng khái niệm này không nêu lên bất kỳ sự phân bố ánh sáng trong cácmiền khác nhau của không gian, hơn nữa nó không thể đo được

Điều đó đã thúc đẩy các nhà vật lý Lambert ở thế kỷ 18 đưa ra các cơ sở củaphép đo ánh sáng dựa trên cơ sở quang học, hình học và sinh lý học

Quang thông F (ф), lumem (lm)ф), lumem (lm)), lumem (ф), lumem (lm)lm)

Quang thông là đại luợng đặc trưng cho khả năng phát sáng của một nguồn sáng,

có xét đến sự cảm thụ ánh sáng của mắt nguời hay gọi lâ công suất phát sángcủa mộ nguồn sáng [6]

F =k.W V.d (1.1)Trong đó:

k = 683lm/w: là hệ số chuyển đổi đơn vị năng luợng sang đơn vị cảm nhậnánh sáng

W: là năng luợng bức x

V: là độ nhạy tuơng đối của mắt nguời

Cường độ ánh sáng I candela (cd)

Cường độ ánh sáng là đại luợng biểu thị mật độ phân bố quang thông

của một nguồn sáng theo một hướng nhất định [6],[7]

Mật độ phân bố quang thông của một nguồn sáng theo một hướng nhất định(hình 1.2) được tính theo biều thức:

Trong đó :

F là quang thông (lm)

Ω là góc khối , giá trị cực đại là 4

Hình 1.2 Mật độ phân bố quang thông của một nguồn sáng theo

Hình 1.3 Nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc  = 0

Nếu nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc  hình 1.4 ta có :

2

3

I r

I d

Để đặc trưng cho các quan hệ của nguồn, kể cả nguồn sơ cấp lẫn nguồn thứcấp, đối với mắt cần phải thêm vào các cường độ sáng cách xuất hiện ánh sáng

Độ chói nhìn nguồn sáng là tỉ số giữa cường độ sáng và diện tích biểu diễncủa nguồn sáng [6]:

bK m

I m

dS

cd dI

)(

2 )

/

Trong đó : I : cường độ sáng theo hướng 

SbK : Diện tích biểu khi nhìn nguồn Khi nguồn sáng là bộ đèn cầu:

Đối với con mắt quan sát một vật có độ chói Lo trên một nền có độ chói Lf

chỉ có thể phân biệt được ở mức độ chiếu sáng vừa đủ nếu [6]:

01 , 0

Trong đó : Lo Là độ chói khi nhìn đối tượng

Lf Là độ chói khi nhìn nền

Để phân biệt đối tượng nhìn C ≥ 0,01

Trong thực tế kích thước và mầu sắc cũng tác động đến khả năng phân biệtcủa mắt, điều đó kéo theo là mức độ chiếu sáng phù hợp với công trình chiếu sáng

Tiện nghi nhìn và sự loá mắt

Sự loá mắt là sự suy giảm hoặc tức thời mắt bị mất đi cảm giác nhìn do sựtương phản quá lớn Khái niệm này có liên quan đến khái niệm ở trên Nói chungngười ta chấp nhận độ chói nhỏ nhất để mắt nhìn thấy là:

10-5cd/m2 và bắt đầu gây nên loá mắt ở 5000cd/m2

Độ nhìn rõ và các tính năng nhìn

Tất nhiên cách chúng ta nhìn thấy các vật phụ thuộc vào độ tương phản của

nó nhưng cũng còn phụ thuộc vào kích thước của vật và độ chói của nền, điều đódẫn đến sự kích hoạt của các tế bào hình nón (thị giác ban ngày) hoặc tế bào hìnhque (thị giác ban đêm)

Định nghĩa tương phản C = (L0 – Lf)/ Lf chứng tỏ một vật sáng trên nền tối,

C > 0 biến thiên từ 0   , đối với vật trên nền sáng C < 0 biến thiên từ 0 đến -1

Đối với một độ chói của nền và kích thước của vật đã cho ta có thể xác địnhngưỡng tương phản Cs ứng với giá trị cực tiểu của C cho phép phân biệt được vật

Blackwell đã đưa ra quan niệm nhìn rõ như tỷ số C/Cs cho phép đánh giá tính năngnhìn.

Ta cũng nhận thấy rằng dưới vài phần trăm cd/m2 là thị giác đêm và trên vàicd/m2 trở lên là thị giác ngày

Định luật Lambert

Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt hay ánh sáng được phản xạ trên bề mặt

mờ hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt trong mờ, một phần ánh sángđược mặt này phát lại tuỳ theo hai cách sau đây:

Sự phản xạ hay khúc xạ tuân theo qui định luật của quang hình học hay địnhluật Descartes

Sự phản xạ truyền khuếch tán theo định luật Lambert:



E  L (1.8)

 : hệ số phản xạ Các hệ số phản xạ thực tế:

Nói chung ta gọi độ sáng -  là tỷ số quang thông phát bởi nguyên tố diện tích

dù là nguyên nhân phát có thể là phản xạ, truyền dẫn có thể là phát xạ nội tại nhưmàn hình của máy thu hình

Độ sáng tính bằng lm.m-2 (nhưng không phải là Lux bởi vì đó là quang thông phátchứ không phải quang thông thu)

Khi độ sáng được khuyếch tán, định luật Lambext được tổng quát là [6]:



 L (1.8)

Lux kế

Về nguyên tắc lux kế là dụng cụ để đo tất cả các đại lượng ánh sáng Dụng

cụ gồm tế bào Sêlen quang điện (pin quang điện) biến đổi các năng lượng nhậnđược thành dòng điện và cần được nối vào một miliampe kế

- Đo cường độ sáng:

Nếu tế bào chỉ được chiếu sáng trực tiếp bằng một nguồn đặt ở khoảng cách r vàtoả tia có cường độ sáng I theo phương pháp tuyến với tế bào, biểu thức:

I = E.r2 cho giá trị của cường độ sáng

Sử dụng phương pháp này rõ ràng bao hàm một điều là không có bất cứ nguồnthứ cấp nào khác chiếu sáng tế bào như các vật hay các thành phần phản xạ đãlàm, vì thế người ta sơn mặt đen ( = 0,05) chỗ tiến hành đo cường độ sáng

C ≥ 0,01 thì mắt người có thể phân biệt được hai vật để cạnh nhau

Hiệu suất phát quang H (lm/w)

Hiệu suất phát quang lâ đại luợng đo bằng tỷ số giữa quang thông phát

ra của bóng đèn (F) và công suất điện năng tiêu thụ (P) của bóng đèn ( nguồn sáng ) đó

sáng từ thiên nhiên bằng cách chọn thời điểm, chọn không gian hay những dụng cụ

hỗ trợ để điều chỉnh tính chất và cường độ ánh sáng chiếu tới nơi cần chiếu sáng

Nguồn sáng nhân tạo là các loại đèn do con người tạo ra, từ các loại thô sơnhất là nguồn sáng của lửa đốt như đuốc, nến, đèn dầu cho tới các loại đèn hiệnđại Với nguồn sáng nhân tạo, ta có thể chủ động bố trí, điều chỉnh được

Nguồn sáng điểm: khi khoảng cách từ nguồn ñến mặt phẳng lâm việc lớnhơn nhiều so với kich thước của nguồn sáng có thể coi là nguồn sáng điểm ( lànguồn sáng có kích thuớc nhỏ hơn 0,2 khoảng cách chiếu sáng)

Nguồn sáng đuờng: một nguồn sáng được coi là nguồn sáng đường khichiều dài của nó đáng kể so với khoảng cách chiếu sáng

Phân loại nguồn sáng

Trong thực tế nguồn sáng được phân loại như hình 1.5

Hình 1.5 Phân loại nguồn sáng

1.3 Bộ đèn

1.3.1 Khái niệm

Bộ đèn là tập hợp các thiết bị quang, điện, cơ khi nhằm thực hiện phân bố ánh

sáng, định vị bảo vệ đèn vá nối đèn với nguồn điện

Chóa đèn là một bộ phận của bộ đèn, bao gồm các bộ phận dùng để phân bố

ánh sáng, định vị và bảo vệ đèn, lắp đặt dây nối đèn và chấn lưu với nguồn điện

Nói cách khác đèn cộng với choa đèn tạo thành bộ đèn

1.3.2 Cấu tạo một số bộ đèn thông dụng

Thân đèn có chức năng gá lắp các bộ phận của đèn, bảo vệ bóng đèn và các thiết

bị điện kèm theo Thân đèn phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Thuận tiện trong thao tác lắp đặt và bảo dưỡng thiết bị

Có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và tỏa nhiệt tốt

Có tính thẩm mỹ

Phản quang có chức năng phân bố lại ánh sáng của bóng đèn phù hợp với mục

đích sử dụng của đèn Phản quang phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Có biến dạng phù hợp

Hệ số phải cao

Có khả năng chống ăn mòn ôxi hóa và chịu nhiệt tốt

Kính đèn có chức năng bảo vệ bóng đèn và phản quang góp phần kiểm soát

phân bố ánh sáng của đèn Kính đèn phải đáp ứng được các nhu cầu sau :

Có biến dạng phù hợp với phát quang

Hệ số thấu quang phù hợp

Có độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt và chịu tác động của tia hồng ngoại cực tím

Đui đèn có chức năng cấp điện vào bóng đèn và giữ cho bóng đèn cố định ở

vị trí cần thiết, yêu cầu của đui đèn:

Các tiếp điểm ổn định trong trường hợp có va trạm ,rung

Có khả năng chiu nhiệt tốt

Cứng ,một số trường hợp phải có bộ phận phụ trợ để cố định bóng đèn

Bộ đèn có chức năng tạo ra chế độ điện áp và dòng điện phù hợp với quá

trình làm việc và khởi động yêu cầu chung của bộ đèn

Các thiết bị phải đồng đều và tương thích với đèn

Có khả năng chịu nhiệt tốt

Tổn hao công suất thấp

Đèn sợi đốt

Bóng đèn sợi đốt trong thực tế được thể hiện như hình 1.6

HÌnh 1.6 Bóng đèn sợi đốt

Chiếc bóng đèn sợi đốt, đèn sợi đốt hay gọi ngắn gọn hơn là bóng đèn tròn

là một loại bóng đèn dùng để chiếu sáng, dây tóc là bộ phận chính để phát ra ánhsang, thông qua vỏ thủy tinh trong suốt Các dây tóc - bộ phận phát sáng chính củađèn được bảo vệ bên ngoài bằng một lớp thủy tinh trong suốt hoặc mờ đã được rúthết không khí và bơm vào các khí trơ Kích cỡ bóng phải đủ lớn để không bị hơinóng của nhiệt tỏa ra làm nổ Hầu hết bóng đèn đều được lắp vào trong đui đèn,dòng điện sẽ đi qua đui đèn, qua đuôi đèn kim loại, vào đến dây tóc làm nó nónglên và đến mức phát ra ánh sáng Đèn sợi đốt thường ít được dùng hơn vì công suấtquá lớn (thường là 60W), hiệu suất phát quang rất thấp (chỉ khoảng 5% điện năngđược biến thành quang năng, phần còn lại tỏa nhiệt nên bóng đèn khi sờ vào cócảm giác nóng và có thể bị bỏng) Đèn dây tóc dùng điện áp từ 1,5 vôn đến 300vôn

Thông thường một bóng đèn sợi đốt thường có các thông số sau:

Bóng đèn LED trong thực tế được thể hiện như hình 1.7

Hình 1.7 Bóng đèn LED

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) làcác điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giốngnhư điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫnloại n

Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khighép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướngchuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử(điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗtrống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dưthừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khichúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên

tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (haycác bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sángphát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màusắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chấtbán dẫn

Đèn huỳnh quang

Đèn ống huỳnh quang hay gọi đơn giản là đèn típ gồm điện cực (vonfam) vỏđèn và lớp bột huỳnh quang Ngoài ra, người ta còn bơm vào đèn một ít hơi thủy

ngân và khí trơ (neon, argon ) để làm tăng độ bền của điện cực và tạo ánh sángmàu.

Hình 1.8 Các dạng đèn ống Huỳnh quang

Khi đóng điện, hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực làm phát ra tia tửngoại (tia cực tím) Tia tử ngoại tác dụng vào lớp bột huỳnh quang làm đèn phátsáng Ngoài ra, để giúp cho hiện tượng phóng điện xảy ra, người ta phải lắp thêmchấn lưu và tắc te

Dùng đèn này giúp ta tiết kiệm nhiều điện Bình quân, dùng đèn huỳnhquang tiết kiệm hơn đèn sợi đốt 8 đến 10 lần Hiện nay, ngoài thị trường xuất hiệnđèn huỳnh quang thu nhỏ (còn gọi là compact) Nó cũng rất giống với đèn huỳnhquang nhưng hiệu suất phát quang cao hơn và tiết kiệm điện năng hữu hiệu hơn

Hiện có nhiều loại bóng đèn ống huỳnh quang (hình 1.8), chẳng hạn nhưbóng T10, T8, T5, T3 T10 là bóng đèn ống huỳnh quang thế hệ cũ, đường kính40mm, tiêu tốn điện năng 40W, chưa kể chấn lưu sắt từ tiêu thụ khoảng 12W vàtuổi thọ chỉ có 6.000 giờ Trong khi bóng T8 đường kính 26mm, tiêu thụ điện 36W,hiệu suất phát quang, tức là hiệu suất biến đổi từ điện năng thành quang năng, tăng20% và tuổi thọ của T8 là 16.000 giờ Bóng T5 tiết kiệm hơn T8 và T3 tiết kiệmhơn T5 Bóng huỳnh quang compact là bóng đèn ống huỳnh quang T3 cuộn loạithành hình chữ U nối tiếp

Nguyên tắc hoạt động của bóng đèn ống huỳnh quang là phóng điện trongkhí kém và huỳnh quang thứ cấp Khi dây tóc bị đốt nóng, các điện tử bật ra ngoài,chuyển động về cực đối diện cũng là dây tóc nóng sáng được phủ bột điện tử Nửachu kỳ sau, chúng chuyển động theo chiều ngược lại Nếu trong ống đặt một giọt

thuỷ ngân nhỏ hoặc khí krypton thì điện từ va phải phân tử khí hoặc thuỷ ngân, làmthuỷ ngân hoặc crypton phát sáng, bức xạ phát ra lúc đó là tử ngoại hoặc cực tím cónăng lượng lớn Hiện tượng này gọi là điện huỳnh quang Bức xạ cực tím và tửngoại tác dụng lên bột huỳnh quang ở thành ống phía trong, làm bột bức xạ ánhsáng có màu phụ thuộc vào thành phần của bột là những chất gì Hiện tượng nàygọi là quang huỳnh quang.

Bóng đèn ống huỳnh quang có nhiều màu, ngay cả màu trắng thì cũng cónhiều màu trắng khác nhau Riêng bóng đèn ống huỳnh quang triphotpho 100 cónhiệt độ màu 5.310 độ K, nằm trong phổ nhạy cảm của mắt người ban ngày và độtrả màu tốt nhất nên rất tốt cho học sinh, sinh viên Tại học đường cần ánh sáng đềunêu cần nguồn sáng dài Bóng T8 phù hợp trong các trường học, các phân xưởngsản xuất hoặc gia đình nhưng chiếm không gian lớn, điện áp dao động lớn, nhỏ hơn

180 V thì không thể sáng được

Đèn compact

Đèn compact cũng hoạt động trên nguyên tắc đèn ống (đèn tuýp), có nghĩa làcũng phải đầy đủ chấn lưu, dây tóc v.v Nhưng trong đèn compact thì tất cả nhétgọn vào đuôi đèn Chính vì vậy mà được gọi là compact Trong đèn compact thìthường người ta dùng chấn lưu điện tử nên nhỏ gọn nên lắp trực tiếp vào đui bóng(hình như có loại đui rời)

Đèn compact cũng như đèn ống tiết kiệm điện vì năng lượng để phát sáng làchủ yếu chứ không phát nhiệt như trong bóng đèn giây tóc Sự phát sáng là do tiacực tím kích thích vào lớp huỳnh quang được sơn bên trong vỏ đèn

1.4 Thiết kế chiếu sáng

1.4.1 Thiết kế chiếu sáng nội thất

Kỹ thuật chiếu sáng nội thất nghiên cứu các phương pháp thiết kế hệ thống chiếusáng nhằm tạo nên môi trường chiếu sáng tiện nghi thẩm mỹ phù hợp với các yêucầu sử dụng và tiết kiệm điện năng của các công trình trong nhà

Các bước thiết kế chiếu nội thất

Thiết kế sơ bộ nhằm xác định các giải pháp hình học và quang học về địađiểm chiếu sáng như kiểu chiếu sáng, lựa chọn loại đèn ,bộ đèn và cách bố trí đèn

số kượng đèn cần thiết

Kiểm tra các điều kiện độ rọi độ chói độ đồng đều theo tiêu chuẩn cảm giáctiện nghi nhìncuar phương án chiếu sáng

Các yêu cầu cơ bản đối với chiếu sáng nội thất

Đảm bảo độ rọi xác định theo từng loại công việc Không nên có bóng tối

và độ rọi phải đồng đều

Tạo được ánh sáng giống như ban ngày

Coi trọng yếu tố tiết kiệm điện năng

1.4.2 Thiết kế chiếu sáng bên ngoài

Thành phần chiếu sáng bên ngoài không thể thiếu được trong mọi không gian kiếntrúc đô thị Bao gồm chiếu sáng giao thông chiếu sáng làm việc và chiếu sángtrang trí Ngoài chức năng bảo đảm an toàn cho phương tiện giao thông và an toàn

đô thị vào ban đêm còn góp phần làm đẹp cho công trình kiến trúc

Yêu cầu của thiết kế chiếu sáng bên ngoài

Đảm bảo chức năng định vị hướng dẫn cho các phương tiện tham gia giaothông

Chất lượng chiếu sáng đáp ứng theo yêu cầu quy định

Có hiệu quả kinh tế cao ,mức tiêu thụ năng lượng thấp tuổi thọ của các thiết bịchiếu sáng cao

Thuận tiện trong vận hành và duy trì bảo dưỡng

CHƯƠNG 2: XÂY DƯNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG MÔ PHỎNG CHỨC

NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH.

2.1 Cấu trúc chung của mô hình mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh.

Cấu trúc chung của hệ thống mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thôngminh được biểu diễn như hình 2.1

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển và giám sát của hệ thống

chiếu sáng thông minh.

Trong cấu trúc hình 2.1 vi điều khiển thực hiện chức năng lưu trữ chươngtrình điều khiển và giao tiếp trực tiếp với các modul mở rộng và với máy tính, hoặcgián tiếp qua mạng với các modul mở rộng để giảm các dây đấu nội bộ Máy tínhtrong hệ thống đóng vai trò thu thập dữ liệu để thực hiện giám sát các trạng tháicủa hệ thống chiếu sáng

Hệ thống chiếu sáng thông minh là hệ thống có khả năng tự động bật đèn khiphát hiện chuyển động, tự động điều chỉnh độ sáng của đèn cho phù hợp với ánhsáng tự nhiên

Một hệ thống chiếu sáng thông minh có thể thực hiện điều khiển các loạiđèn trong nhà theo kịch bản, có thể thực hiện điều khiển, giám sát được hệ thốngvới các loại điện thoại thông mình, máy tính bảng….nhiên không đủ cho việc dichuểnắtu khi b đ qua

2.2 Thiết kế, lựa chọn các thiết bị sử dụng trong mô hình mô phỏng hệ thống chiếu sáng thông minh.

2.2.1 Các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình.

Khối nguồn

Nguồn cấp cho mô hình sử dụng nguồn ngoài (sử dụng Adapter có điện áp ra5V cắm trực tiếp vào chân DC in trên mạch) có điện áp là 5VDC Sơ đồ khốinguồn của mô hình được thể hiện như hình 2.2

J 4

D C I N

1 2

Hình 2.2 Nguồn cấp cho mạch điều khiển

Mạch điều khiển sử dụng nguồn nuôi có điện áp 5VDC Các tụ C9 và C10 làcác tụ lọc nhằm ổn định điện áp một chiều

Khối điều khiển trung tâm.

Để thực hiện chức năng lưu trữ chương trình điều khiển và giao tiếp trựctiếp với các modul mở rộng, với máy tính, với “thế giới thực”, hoặc gián tiếp quamạng với các modul mở rộng, đồng thời cho phép lưu trữ trạng thái hoạt động củacác động cơ thực hiện khi nguồn động lực bị mất Ở hệ thống này vi điều khiển

AVR Atmega 8 là trung tâm điều khiển, nó thu thập dữ liệu nhận được từ các đối

tượng, xử lý tín hiệu theo chương trình đã được lập trình, và xuất tín hiệu ra điềukhiển đối tượng và hiển thị các trạng thái của đối tượng Do đó thuật toán thực hiện

và điều khiển đối tượng có thể được thay đổi một cách mềm dẻo bằng phần mềm

Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm như hình vẽ 2.3

J 1 0

A U X

1 2 3 4 5

( X T A L 1 / T O S C 1 ) P B 6 7( X T A L 2 / T O S C 2 ) P B 7 8

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm

Trong khối xử lý trung tâm được thực hiện hiện để xây dựng mô hình vật lý

mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh tác giả sử dụng vi điềukhiển AVR Atmega 8

Giới thiệu về vi điều khiển AVR Atmega 8 [7],[8].

Cấu trúc của vi điều khiển AVR được thể hiện như hình 2.4

Hình 2.4 Cấu trúc của vi điều khiển AVR

AVR sử dụng cấu trúc Harvard [7],[8], tách riêng bộ nhớ và các bus chochương trình và dữ liệu Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xungclock Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash

AVR có 2 không gian bộ nhớ chính là bộ nhớ dữ liệu vào bộ nhớ

chương trình Ngoài ra Atmega8 còn có thêm bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu:

Bộ nhớ chương trình (Bộ nhớ Flash)

Bộ nhớ Flash 8KB của Atmega8 dùng để lưu trữ chương trình Do các lệnh củaAVR có độ dài 16 hoặc 32 bit nên bộ nhớ Flash được sắp xếp theo kiểu4KX16 Bộ nhớ Flash được chia làm 2 phần, phần dành cho chương trình boot vàphần dành cho chương trình ứng dụng

Bộ nhớ dữ liệu SRAM: 1120 ô nhớ của bộ nhớ dữ liệu định địa chỉ chofile thanh ghi, bộ nhớ I/O và bộ nhớ dữ liệu SRAM nội Trong đó 96 ô nhớ đầutiên định địa chỉ cho file thanh ghi và bộ nhớ I/O, và 1024 ô nhớ tiếp theo định địachỉ cho bộ nhớ SRAM nội

Bộ nhớ dữ liệu EEPROM: Atmega8 chứa bộ nhớ dữ liệu EEPROM dunglượng 512 byte, và được sắp xếp theo từng byte, cho phép các thao tác đọc/ghitừng byte một

Các cổng vào/ra (ф), lumem (lm)I/O) của Atmega 8

Vi điều khiểnATmega8 có 23 đường vào ra chia làm bốn nhóm 8 bit một.Các đường vào ra này có rất nhiều tính năng và có thể lập trình được Ở đây ta sẽxét chúng là các cổng vào ra số Nếu xét trên mặt này thì các cổng vào ra này làcổng vào ra hai chiều có thể định hướng theo từng bit Và chứa cả điện trở pullup(có thể lập trình được) Mặc dù mỗi port có các đặc điểm riêng nhưng khi xétchúng là các cổng vào ra số thì dường như điều khiển vào ra dữ liệu thì hoàn toànnhư nhau Chúng ta có thanh ghi và một địa chỉ cổng đối với mỗi cổng, đó là :thanh ghi dữ liệu cổng (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD), thanh ghi dữliệuđiều khiển cổng (DDRA, DDRB, DDRC, DDRD) và cuối cùng là địa chỉ chân vàocủa cổng (PINA, PINB, PINC, PIND)

Thanh ghi DDRx: Đây là thanh ghi 8 bit (ta có thể đọc và ghi các bit ởthanh ghi này) và có tác dụng điều khiển hướng cổng PORTx (tức là cổng ra haycổng vào) Nếu như một bit trong thanh ghi này được set thì bit tương ứng

đó trên PORTx được định nghĩa như một cổng ra Ngược lại nếu như bit đókhông được set thì bit tương ứng trên PORTx được định nghĩa là cổng vào.

Thanh ghi PORTx: Đây cũng là thanh ghi 8 bit (các bit có thể đọc và ghiđược) nó là thanh ghi dữ liệu của cổng Px và trong trường hợp nếu cổng được địnhnghĩa là cổng ra thì khi ta ghi một bit lên thanh ghi này thì chân tương ứng trênport đó cũng có cùng mức logic Trong trường hợp mà cổng được định nghĩa làcổng vào thì thanh ghi này lại mang dữ liệu điều khiển cổng Cụ thể nếu bit nào

đó của thanh ghi này được set (đưa lên mức 1) thì điện trở kéo lên (pull-up) củachân tương ứng của port đó sẽ được kích hoạt Ngược lại nó sẽ ở trạng thái hi-Z.Thanh ghi này sau khi khởi động Vi điều khiểnsẽ có giá trị là 0x00

Thanh ghi PINx: Đây là thanh ghi 8 bit chứa dữ liệu vào của PORTx (trongtrường hợp PORTx được thiết lập là cổng vào) và nó chỉ có thể đọc mà không thểghi vào được

Để đọc dữ liệu từ ngoài thì ta phải thực hiện các bước sau:

Đưa dữ liệu ra thanh ghi điều khiển DDRxn để đặt cho PORTx (hoặc bit ntrong port) đó là đầu vào (xóa thanh ghi DDRx hoặc bit)

Sau đó kích hoạt điện trở pull-up bằng cách set thanh ghi PORTx (bit)

Cuối cùng đọc dữ liệu từ địa chỉ PINxn (trong đó x: là cổng và n là bit)

Để đưa dữ liệu từ vi điều khiển ra các cổng cũng có các bước hoàn toàn tương tự.Ban đầu ta cũng phải định nghĩa đó là cổng ra bằng cách set bit tương ứng củacổng đó….và sau đó là ghi dữ liệu ra bit tương ứng của thanh ghi PORTx

Bộ định thời của vi điều khiển Atmega 8

Bộ định thời (timer/counter0) là một module định thời/đếm 8 bit, có các đặc điểmsau:

Bộ chia tần 10 bit

Nguồn ngắt tràn bộ đếm và so sánh

Sơ đồ cấu trúc của bộ định thời được thể hiện như hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc bộ định thời của vi điều khiển Atmega 8.

Các thanh ghi: TCNT0 và OCR0 là các thanh ghi 8 bit Các tín hiệu yêu cầungắt đều nằm trong thanh ghi TIFR Các ngắt có thể được che bởi thanh ghiTIMSK.Bộ định thời có thể sử dụng xung clock nội thông qua bộ chiahoặc xung clock ngoài trên chân T0 Khối chọn xung clock điều khiển việc bộđịnh thời bộđếm sẽ dùng nguồn xung nào để tăng giá trị của nó Ngõ ra của khốichọn xung clock được xem là xung clock của bộ định thời (clkT0)

Thanh ghi OCR0 luôn được so sánh với giá trị của bộ định thời/bộ đếm Kết quả

so sánh có thể được sử dụng để tạo ra PWM hoặc biến đổi tần số ngõ ra tại chânOC0

Đơn vị đếm: Phần chính của bộ định thời 8 bit là một đơn vị đếm songhướng có thể lập trình được Cấu trúc của đơn vị đếm được thể hiện như hình 2.6

Hình 2.6 Cấu trúc của bộ đếm của vi điều khiển Atmega 8.

Count: tăng hay giảm TCNT0 1

Direction: lựa chọn giữa đếm lên và đếm xuống

Clear: xóa thanh ghi TCNT0

ClkT0: xung clock của bộ định thời

TOP: báo hiệu bộ định thời đã tăng đến giá trị lớn nhất

BOTTOM: báo hiệu bộ định thời đã giảm đến giá trị nhỏ nhất

Đơn vị so sánh ngõ ra:

Bộ so sánh 8 bit liên tục so sánh giá trị TCNT0 với giá trị trong thanh ghi so sánhngõ ra (OCR0) Khi giá trị TCNT0 bằng với OCR0, bộ so sánh sẽ tạo một báohiệu Báo hiệu này sẽ đặt giá trị cờ so sánh ngõ ra (OCF0) lên 1 vào chu kỳxungclock tiếp theo Nếu được kích hoạt (OCIE0=1), cờ OCF0 sẽ tạo ra một ngắt sosánh ngõ ra và sẽ tự động được xóa khi ngắt được thực thi Cờ OCF0 cũng có thểđược xóa bằng phần mềm Đơn vị so sánh ngõ ra được thể hiện như hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra