Phân tích, thiết kế mô hình hệ thống điều khiển độ sáng đèn theo cường độ ánh sáng môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNGKHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH Đề tài : Phân tích, thiết kế mô hình hệ thống điều khiển độ sáng đèn theo cường độ ánh sáng mô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH

Đề tài : Phân tích, thiết kế mô hình hệ thống điều khiển độ sáng

đèn theo cường độ ánh sáng môi trường

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Trần Xuân Trọng

Lớp : ĐHLT- KTĐ- ĐT- K16D

Thái Nguyên 3/ 2019

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc đổi mới đất nước, song song với quá trình côngnghiệp 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 trong nhà ở và các khu đôthị, cũng không nằm ngoài kế hoạch Hiện nay, nền kinh tế nước ta đang pháttriển mạnh mẽ, đời sống nhân dân cũng được nâng cao một cách nhanhchóng Yêu cầu của họ trong các lĩnh vực: công nghiệp dịch vụ, du lịch vàsinh hoạt tăng trưởng không ngừng Chính do những yêu cầu này, đòi hỏi cácnhà kĩ thuật, mỹ thuật, nhà khoa học phải nghiên cứu, tìm hiểu để tạo ra cácsản 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 đòihỏi chiếu sáng đơn thuần mà còn phải đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật mức độtiện nghi, đảm bảo không bị chói lóa… Ngoài ra nó còn phải đảm bảo cácyêu cầu về thẩm mỹ và có tính kinh tế cao như: tiết kiệm được điện năng, chiphí đầu tư nhỏ, cho ánh sáng đẹp, dẩm bảo mỹ quan Chính vì vậy em chọn đềtài : “ Phân tích, thiết kế mô hình hệ thống điều khiển độ sáng đèn theo cường

độ ánh sáng môi trường ”

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trongkhoa Công nghệ TĐH, cùng các bạn trong lớp KTĐ – ĐT K16D, đặc biệt làthầy giáo Thạc sĩ Trần Xuân Trọng giảng viên trường Đại học Công nghệthông tin và Truyền thông, người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức

MỤC LỤC

L I NÓI Đ U ỜI NÓI ĐẦU ẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Vấn đề đặt ra 1

1.3 Mục tiêu 2

1.4 Chức năng và ứng dụng của hệ thống 2

1.4.1 Chức năng của hệ thống 2

1.4.2 Ứng dụng của hệ thống 3

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 4

2.1 Phân tích hệ thống 4

2.1.1 Yêu cầu của hệ thống 4

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu 4

2.1.3 Lựa chọn linh kiện 4

2.1.3.1 Khối nguồn 4

2.1.3.2 Khối cảm biến 5

2.1.3.3 Khối xử lý trung tâm 6

2.1.3.4 Giới thiệu về đèn Led 13

2.2 Thiết kế hệ thống 19

2.2.2 Thiết kế phần cứng 19

2.2.2.1 Các linh kiện được sử dụng 19

2.2.2.2 Sơ đồ khối 20

2.2.2.3 Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động 21

2.2.2.4 Sơ đồ mạch đấu nối kiểm tra hoạt động trên thực tế 22

2.2.3.1 Phần mềm lập trình 22

2.2.3.2 Lưu đồ thuật toán 24

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 26

3.1 Kết quả thu được 26

3.2 Kiểm nghiệm hoạt động của hệ thống 26

3.2 Hướng phát triển 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Lý do chọn đề tài

Việt Nam đang có thứ hạng cao trên thế giới về chỉ số tăng trưởng bấtchấp 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 sửdụng năng lượng tăng nhanh Trung bình mỗi năm nhu cầu sử dụng nănglượng của đất nước tăng gấp hai nhưng ngành năng lượng tăng trưởng chỉ đápứng 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 cảnhđang phải phấn đấu vượt qua những thách thức to lớn về nguy cơ hủy hoạimôi trường, nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống (than, dầu khí, thủyđiện) ngày càng khan hiếm, thì chủ đề “tiết kiệm năng lượng” có ý nghĩa vôcùng quan trọng

Nhận thấy tầm quang trọng của việc tiết kiệm năng lượng nói chung và tiếtkiệm điện nói riêng, chúng em được sự hướng dẫn của thầy ThS Trần XuânTrọng, chúng em thiết kế ra mạch điều khiển độ sáng đèn theo cường độ ánhsáng môi trường Mạch điều khiển có thể điều khiển tự động dựa trên ánhsáng từ môi trường bên ngoài Tính ưu việt của đề tài này là tính tự động hóacao, hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện trong việc lắp đặt cũng như vậnhành

1.2 Vấn đề đặt ra

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại đèn chiếu sáng đủ để đáp ứngnhu cầu của mọi hoạt động trong đời sống hàng ngày cũng như trong các hoạtđộng sản xuất nông nghiệp và công nghiệp nhưng giá thành còn khá cao cũngnhư độ phổ biến còn chưa lớn Do vậy, em quyết định thiết kế thiết kế môhình hệ thống điều khiển độ sáng đèn theo cường độ ánh sáng môi trường

nhằm mục đích thử nghiệm Trên cơ sở đó, chế tạo một hệ thống quy mô thực

và ứng dụng ra ngoài thực tế vươn tới quy mô thương mại

Vì vậy trong phạm vi đề tài này, em sẽ thực hiện thiết kế thiết kế mô hình hệthống điều khiển độ sáng đèn theo cường độ ánh sáng môi trường nhằm mụcđích tìm hiểu và nghiên cứu của sinh viên Thiết bị sẽ từng bước được nângcấp để đạt được chất lượng và giá cả tốt nhất, hướng tới thị trường thươngmại

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

1.4 Chức năng và ứng dụng của hệ thống

1.4.1 Chức năng của hệ thống

- Giám sát liên tục cường độ ánh sáng tại các điểm đo theo thời gian thực

- Theo dõi cường độ ánh sáng môi trường để điều khiển độ sáng của đèn

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Phân tích hệ thống

2.1.1 Yêu cầu của hệ thống

- Đơn giản, dễ dàng sử dụng, hoạt động ổn định, có độ chính xác cao

- Mạch phần cứng nhỏ gọn, rõ ràng, cách bố trí linh kiện khoa học dễ dànglắp đặt sửa chữa

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tham khảo tài liệu : Phần lớn các tài liệu được tham khảo trênmạng qua các diễn đàn điện tử, trang web cung cấp tài liệu học tập

- Phương pháp quan sát : Khảo sát một số mạch thực tế đang có trên thịtrường, các mô hình tốt nghiệp của anh chị các khóa trước và tham khảo thêmmột số dạng mạch từ mạng Internet

- Phương pháp thực nghiệm: Từ những ý tưởng và kiến thức của mình kết hợpvới sự hướng dẫn của giáo viên, em đã thiết kế mạch điện sử dụng các linhkiện thực tế Thử nghiệm và tối ưu sản phẩm

2.1.3 Lựa chọn linh kiện

2.1.3.1 Khối nguồn

Để cấp nguồn cho toàn mạch ta cấp trực tiếp qua cổng USB của Arduino, đơngiản, tính ổn định cao, dễ thực hiện cũng như khi ta thay đổi chương trình chotoàn mạch

2.1.3.2 Khối cảm biến

Cảm biến ánh sáng quang trở nhạy cảm nhất với cường độ ánh sáng môitrường thường được sử dụng để phát hiện độ sáng môi trường xung quanh và

cường độ ánh sáng Khi cường độ ánh sáng môi trường xung quanh bên ngoàivượt quá một ngưỡng quy định, ngõ ra của module D0 là mức logic thấp.

Hình 2.1 Module cảm biến cường độ sáng môi trường

* Đặc điểm nổi bật của Module cảm biến cường độ sáng môi trường:

- Thiết kế nhỏ gọn

- Độ chính xác cao

- Các thành phần phụ như điện trở, tụ điện cần thiết cho mạch đã được gắnđầy đủ Người dùng chỉ cần cấp nguồn, nối dây điều khiển vào rơ le là có thểtắt/mở bóng đèn hay các thiết bị điện khác theo cường độ ánh sáng chiếu vàocảm biến

- Sử dụng điện áp chuẩn 5V tương thích với nền tảng Arduino

* Thông số kỹ thuật

- Ngõ ra A0 là ngõ Analog dùng để đo giá trị một giá trị cường độ ánh sángchính xác hơn.

- Điện áp vào từ 3.3V - 5V

- Tích hợp sẵn bộ so sánh opamp LM393

- Trên mạch có 1 biến trở 10K ohm dùng để điều chỉnh độ nhạy sáng

2.1.3.3 Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm: Có nhiều loại vi điều khiển, vi xử lý có thể làm đượcnhiệm vụ này ví dụ như:

Vi điều khiển PIC có ưu điểm là tích hợp nhiều chức năng, thư viện hỗ trợ tốt,phần mềm lập trình thân thiện bằng PIC C, giá rẻ, đặc biệt PIC có rất nhiềuchủng loại để lựa chọn nên với mỗi mục đích sử dụng có thể chọn được mộtsản phẩm có 8 độ tương đồng cao, ít bị lãng phí chức năng Vì vậy PIC đượcdùng phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên nhược điểm của PIC là mạch nạpkhá đắt

AVR của hãng ATMEL quen thuộc với 89C51, ATmega, tốc độ nhanh, nhiều

hỗ trợ, giá rẻ, mạch nạp rẻ, phần mềm lập trình mạnh mẽ với AVRstudio vàCodeVisionAVR Nhưng nhược điểm của nó là mạch nguồn cho ADC phứctạp và AVR ít sản phẩm để lựa chọn

Trung tâm xử lý sử dụng Arduino Uno R3 với vi điều khiển atmega328, hỗtrợ các cổng vào/ra số, tương tự, đồng thời là các chân điều khiển băm xungPWM và các cổng Digital cho phép đọc tín hiệu số từ khối chuyển đổi tínhiệu gửi về, tốc độ cao, độ tin cậy cao hơn PIC Ngoài ra Arduino dễ sử dụng,

có cộng đồng người dùng trên thế giới và trong nước lớn, giá thành vừa phảithích hợp với việc sử dụng của học sinh, sinh viên

Trong đề tài lựa chọn Arduino Uno R3 với giá thành rẻ, tốc độ cao (16 triệulệnh trên giây)

Ở đây, trung tâm xử lý đóng vai trò đọc tín hiệu điện áp từ khối chuyển đổitín hiệu gửi về sau đó đưa tín hiệu đến điều khiển cường độ sáng của đèn.+ Khối cảm biến cường độ sáng môi trường: Trên thị trường có nhiều loạimodule cảm biến cường độ sáng môi trường Ở trong đề tài này em chọnModule sử dụng IC so sánh áp LM393 Module Cảm biến ánh sáng dùngquang trở có ưu điểm:

Độ chính xác cao nhờ sử dụng IC so sánh áp (comparator) LM393

Thiết kế tổng thể nhỏ gọn

Các thành phần phụ như điện trở, tụ điện… cần thiết cho mạch đã được gắnđầy đủ

Arduino là một bo mạch xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết

bị phần cứng như cảm biến, động cơ, Điểm hấp dẫn ở Arduino với ngườilập trình là ngôn ngữ cực kì dễ học (giống C/C++), các ngoại vi trên bo mạchđều đã được chuẩn hóa, nên không cần biết nhiều về điện tử, chúng ta cũng cóthể lập trình được những ứng dụng thú vị Thêm nữa, vì Arduino là mộtplatform đã được chuẩn hóa, nên đã có rất nhiều các bo mạch mở rộng (gọi làshield) để cắm chồng lên bo mạch Arduino, có thể hình dung nôm na là

"library" của các ngôn ngữ lập trình Ví dụ, muốn kết nối Internet thì cóEthernet shield, muốn điều khiển động cơ thì có Motor shield, muốn kết nốinhận tin nhắn thì có GSM shield, Rất đơn giản, và ta chỉ phải tập trung vàoviệc "lắp ghép" các thành phần này và sáng tạo ra các ứng dụng cần thiết

* Có thể kể ở đây một số ứng dụng của Arduino:

- Robot: Arduino được dùng để làm bộ xử lý trung tâm của rất nhiều loạirobot Đó là nhờ vào khả năng đọc các thiết bị cảm biến, điều khiển độngcơ, của Arduino.

- Game tương tác: chúng ta có thể dùng Arduino để tương tác với Joystick,màn hình, để chơi các trò chơi

- Máy bay không người lái

- Mô phỏng Ipod

Hình 2.2 Module Arduino Uno

Cấu tạo của 1 bo mạch Arduino gồm những phần chính sau:

- Cổng USB (loại B): đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên viđiểu khiển Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điểukhiển với máy tính

- Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên,nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được Lúc đó, ta cầnmột nguồn 9V đến 12V

- Hàng Header: đánh số từ 0 đến 12 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất racác tín hiệu số Ngoài ra có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu(AREF).

- Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn

- Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog

Ví dụ như đọc thông tin của các thiết bị cảm biến

Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch Với mỗimẫu Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau Ở bo mạch Arduino Unonày thì sử dụng ATMega328

• Thông số kỹ thuật

Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động: 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động: 16 MHz

Dòng tiêu thụ: khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn: 6-20V DC

Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) : 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) : 50 mA

Bộ nhớ flash :32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Năng lượng: Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USBhoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không

có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên,bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO

* Các chân năng lượng

- ND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùngcác thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phảiđược nối với nhau

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cựcdương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấynguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấpnguồn

- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đươngvới việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

* Bộ nhớ

- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộnhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽđược dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộnhớ này đâu.

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khaibáo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cầnnhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lạitrở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bịmất

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read OnlyMemory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi

dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữliệu trên SRAM

* Các cổng vào/ra

Hình 2.3 Các cổng vào/ra của Arduino

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ

có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA

Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điềukhiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive– RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khácthông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kếtnối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng

2 chân này nếu không cần thiết

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với

độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàmanalogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra

ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như nhữngchân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài cácchức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằnggiao thức SPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấmnút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân

số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chânAREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng cácchân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thểdùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phângiải vẫn là 10bit