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

- 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.. Mạch điều khiển có thể điều khiển tự động dựa trên

Bà Rịa - Vũng Tàu 6/2015

TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-o0o -

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Họ và tên sinh viên: Huỳnh Thanh Nam MSSV: 1151010015

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1993 Nơi sinh: Long An

Họ và tên sinh viên: Phạm Quốc Thái MSSV: 1151010021

Ngày, tháng, năm sinh: 06/03/1993 Nơi sinh: Bà Rịa Vũng Tàu

Chuyên Ngành: Kỹ thuật điện

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

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

ThS Phan Thanh Hoàng Anh

Bà Rịa - 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

PHÒNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

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

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

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

- 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

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

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

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

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

Thạch anh: crystal

Nút nhấn: button

Nguồn AC: vsin

Nguồn DC: battery

Rơ le : animated relay model

Led 7 đoạn : 7SEG

- 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

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

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

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

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

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

- 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 CO2 thải ra hằng năm

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

Hình 3.4: Hình ảnh khi chạy thử mạch

3.2 Mạch cảm biến ánh sáng

Hình 3.5: Mạch cảm biến ánh sáng

- LDR (quang điện trở): là 1 loại cảm biến ánh sáng đơn giản, nguyên tắc hoạt động dựa vào hiện tượng quang điện trong Nguyên lý làm việc của quang điện trở

là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS,

Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo Khi ánh sáng kích thích chiếu vào LDR thì nội trở của LDR sẽ giảm xuống, tiến về 0 ôm (mạch

kín) Nhưng khi ánh sáng kích thích ngừng thì nội trở tăng đến vô cùng (hở mạch)

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối

tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu

ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược về phương diện cấu tạo

Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau

Hình 3.8: Cấu tạo của một transistor Cấu tạo Transistor

+ Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi

là cực gốc ký hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ

tạp chất thấp

+ Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

Hình 3.11: Cấu tạo của relay

+ Relay là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để điều khiển một dòng lớn vì vậy nó được dùng để bảo vệ công tắc nên cũng được xem là

một thiết bị bảo vệ Một rơle điển hình điều khiển mạch và cả điều khiển nguồn Kết cấu relay gồm có một lõi sắt, một cuộn từ và một tiếp điểm

Hình 3.12: Relay 24VDC + Relay là một công tắc điện điều khiển từ xa và được điều khiển bởi một công tắc khác

Hình 3.7: Ứng dụng của relay

* Nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến ánh sáng:

Quang trở nhận ánh sáng từ môi trường bên ngoài, khi có ánh sáng (trời sáng) làm tăng electron tự do trong quang trở và có dòng điện đi qua, dòng điện tới chân V(-) của opamp, V(+) < V(-) nên ngõ ra chân 7 của opamp bằng 0 (0v),

ngược lại khi ánh sáng yếu (trời tối) thì nội trở trong quang trở rất lớn, dòng điện trong quang trở rất nhỏ và dòng tới chân V(-) bằng 0, V(+) > V(-) nên ngõ ra chân

7 của opamp bằng 1 (12v) Dòng điện tới chân G kích cho transistor 2N2222 làm cho relay có điện và đóng tiếp điểm lại, đèn sáng

3.3 Mạch bộ đèn

3.3.1 Các bộ phận của bộ đèn chiếu sáng công cộng

- Dùng bóng đèn chiếu sáng công cộng cao áp sodium hãng Philips SON-T 250W

- Các thành phần của bộ đèn lắp bóng cao áp hai cấp công suất:

+Ballast hai cấp công suất: 250w/150w

+ Tụ kích (mồi)

+ Bóng đèn Sodium: 250w

+ Tụ bù hệ số công suất (nên có): 32µF, 25 µF, 20µF

- Nguyên tắc hoạt động của đèn sodium (natri cao áp): hơi natri với áp suất

250mmHg ở nhiệt độ > 1000oC sẽ bức xạ, đèn cao áp lợi dụng sự phóng điện (hồ quang) giữa 2 điện cực để tạo nên bức xạ và các tia cực tím, các tia này phản ứng với các kim loại như: thủy ngân, natri, metal halide và va đập vào lớp bột huỳnh quang để phát ra ánh sáng nhìn thấy

- Chấn lưu hai cấp công suất là chấn lưu điện từ có thêm cuộn kháng phụ, khi được nối sẽ làm giảm công suất tiêu thụ trên đèn Đối với chấn lưu hai cấp công

suất cuộn kháng phụ là cuộn dây được quấn trên cùng cực từ của cuộn dây chính

và nối tiếp với cuộn dây chính đó, khi đó chấn lưu có 3 cực đấu dây

Nhờ bộ chuyển mạch, chấn lưu có thể làm việc với cuộn dây chính hay chuyển

sang làm việc với cuộn dây chính có thêm cuộn phụ

Hình 3.8: Chấn lưu (ballast, tăng phô) 2 cấp công suất

- Tụ kích (mồi), bóng đèn, tụ bù hệ số công suất được chọn để lắp như với chấn lưu một mức công suất