BÁO CAO KÉT QUẢ NGHIÊN CỨU DỰ ÁN KHOA HỌC KĨ THUẬT

I. Lý do chọn đề tài Ngày nay, việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến: từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất,…đến các ứng dụng phức tạp như hệ thống điều khiển robot,…cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, có rất nhiều thiết bị điện thông minh cũng như nhiều mạch điện tự động hóa đã ra đời giúp phục vụ tốt nhất cho cuộc sống của con người. Tuy nhiên, trên thực tế hầu hết việc điều khiển chiếu sáng trong sân vườn, trường học, cơ quan…được điều khiển bằng tay thông qua đóng mở các công tắc, các aptomat, cầu dao… Việc bật tắt các thiết bị điện bằng công tắc với chúng ta là điều đã quá quen thuộc, tuy vậy cũng có khi việc này trở nên khó khăn và bất tiện vì các công tắc điện nằm ở xa nhau, khiến ta phải đi đến từng nơi để bật tắt mất thời gian và công sức. Những mạch điện này tiêu thụ lượng điện năng rất lớn và đòi hỏi người sử dụng phải đóng tắt trong những thời điểm sáng sớm hay đêm tối. Nếu bật sớm hay tắt muộn thì sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng. Một số mạch điện ứng dụng thiết bị thông minh như mạch đèn chiếu sáng các tuyến đường bằng rơ le thời gian để tự động điều khiển đèn theo thời gian. Tuy nhiên, mạch điện này vẫn còn nhược điểm là chưa khắc phục về sự lệch múi giờ theo mùa. Số khác lại sử dụng công tắc cảm biến ánh sáng. Tuy là khắc phục được nhược điểm trên nhưng vẫn là thiết bị có tính mở không cao, mới dừng lại ở việc tự động đóng mở đèn theo cảm biến ánh sáng vẫn còn nhược điểm là chưa điều chỉnh được ánh sáng của đèn theo cường độ ánh sáng thực, chưa tiết kiệm điện ở mức tối đa. Xuất phát từ thực tế đó cùng với sự nghiên cứu các thiết bị điều khiển và các cảm biến sẵn có, nhóm đã có ý tưởng tìm hiểu và thiết kế mô hình “Hệ thống điều khiển đèn thông minh” cho hành lang cơ quan, trường học. Hệ thống có thể tự động tắt mở và điều chỉnh ánh sáng đèn theo cường độ ánh sáng.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH ĐĂK NÔNG

CUỘC THI KHOA HỌC KỸ THUẬT CẤP TỈNH

DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC, NĂM HỌC 2020 - 2021

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DỰ ÁN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG THÔNG MINH

LĨNH VỤC DỰ THI: HỆ THỐNG NHÚNG

Đăk Nông, tháng 11 năm 2020

Mục lục

II Giả thuyết khoa học 2

III Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

IV Thiết kế và phương pháp nghiên cứu 3

1 Tiến trình 3

2 Rủi ro và an toàn 6

V Phân tích dữ liệu 6

1 Số liệu/ kết quả nghiên cứu 6

2 Phân tích dữ liệu 7

VI Kết luận 7

Tài liệu tham khảo 8

Phụ lục 9

I Lý do chọn đề tài

Ngày nay, việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến: từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất,…đến các ứng dụng phức tạp như hệ thống điều khiển robot,…cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, có rất nhiều thiết bị điện thông minh cũng như nhiều mạch điện tự động hóa đã ra đời giúp phục vụ tốt nhất cho cuộc sống của con người

Tuy nhiên, trên thực tế hầu hết việc điều khiển chiếu sáng trong sân vườn, trường học, cơ quan…được điều khiển bằng tay thông qua đóng mở các công tắc, các aptomat, cầu dao… Việc bật tắt các thiết bị điện bằng công tắc với chúng ta là điều đã quá quen thuộc, tuy vậy cũng có khi việc này trở nên khó khăn và bất tiện vì các công tắc điện nằm ở xa nhau, khiến ta phải đi đến từng nơi để bật tắt mất thời gian và công sức Những mạch điện này tiêu thụ lượng điện năng rất lớn và đòi hỏi người sử dụng phải đóng tắt trong những thời điểm sáng sớm hay đêm tối Nếu bật sớm hay tắt muộn thì sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng

Một số mạch điện ứng dụng thiết bị thông minh như mạch đèn chiếu sáng các tuyến đường bằng rơ le thời gian để tự động điều khiển đèn theo thời gian Tuy nhiên, mạch điện này vẫn còn nhược điểm là chưa khắc phục về sự lệch múi giờ theo mùa Số khác lại sử dụng công tắc cảm biến ánh sáng Tuy là khắc phục được nhược điểm trên nhưng vẫn là thiết bị có tính mở không cao, mới dừng lại

ở việc tự động đóng mở đèn theo cảm biến ánh sáng vẫn còn nhược điểm là chưa điều chỉnh được ánh sáng của đèn theo cường độ ánh sáng thực, chưa tiết kiệm điện ở mức tối đa

Xuất phát từ thực tế đó cùng với sự nghiên cứu các thiết bị điều khiển và các cảm biến sẵn có, nhóm đã có ý tưởng tìm hiểu và thiết kế mô hình “Hệ thống điều khiển đèn thông minh” cho hành lang cơ quan, trường học Hệ thống

có thể tự động tắt mở và điều chỉnh ánh sáng đèn theo cường độ ánh sáng

II Giả thuyết khoa học

+ Công nghệ sử dụng trong hệ thống:

Công nghệ chính được sử dụng trong hệ thống là cảm biến ánh sáng Nhờ khả năng cảm biến cường độ mạnh yếu của ánh sáng mà thiết bị này có tính năng ưu việt, có thể phát hiện được ánh sáng đồng thời cảm biến được cường độ của ánh

sáng ở môi trường xung quanh Với tính năng này hệ thống có thể điều khiển tăng giảm độ sáng của khu vực hành lang của cơ quan, trường học…

+ Cấu tạo của hệ thống: gồm 4 phần: Module cảm biến ánh sáng; Bộ phận

xử lí tín hiệu nhận được từ module cảm biến ánh sáng (Chương trình và Board Arduino điều khiển hệ thống); Bộ phận Relay đóng mở các kênh; Bộ phận chiết

áp điều chỉnh cường độ dòng điện

Dự án “Thiết kế hệ thống điều khiển đèn thông minh” thực hiện thành công

có thể giúp cho các cơ quan, trường học trở nên thông minh, tiết kiệm năng lượng điện

Hệ thống còn có tỉnh mở rất cao, dễ dàng cài đặt bằng chương trình máy tính, có thể mở rộng thêm nhiều tính năng đồng thời như: lắp thêm module chống trộm, báo cháy…

Nhóm nghiên cứu đề tài mong muốn góp một phần nhỏ cho sự nghiệp hiện đại hóa, công nhiệp hóa đất nước

III Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Dự án được nghiên cứu nhằm tạo ra một hệ thống giúp những cơ quan, trường học có thể tiết kiệm được một phần chi phí cho hóa đơn tiền điện với chức năng thông minh mà giá thành vừa phải, người trực không phải đi muộn dạy sớm để bật tắt các bóng đèn Cụ thể đề tài có thể giải quyết các vấn đề đã đặt ra là:

- Bật tắt các đèn chiếu sáng hành lang một cách tự động theo cường độ ánh sáng;

- Tự động điều chỉnh độ sáng của bóng đèn theo môi trường ánh sáng thực;

- Hệ thống có tính mở cao, dễ dàng điều chỉnh bằng chương trình nạp từ máy tính;

- Thử nghiệm hoạt động và cách sử dụng của các linh kiện điện tử như: Công tơ điện tử, aptomat, module cảm biến ánh sáng, vi điều khiển UNO, module Relay, module mạch chiết áp, các cách kết nối có dây, áp dụng các kiến thức tin học lập trình kết hợp với tìm hiểu và sử dụng vi điều khiển Mục tiêu lớn nhất của dự án là nhằm nâng cao trình độ hiểu biết của bản thân về chuyên ngành kĩ thuật – điện tử – công nghệ thông tin, tự tạo cho bản thân các thử thách khó đặt ra và tự bản thân vượt qua để hoàn thiện mình

IV Thiết kế và phương pháp nghiên cứu

1 Tiến trình

Hình 1

- Thiết kế và phương pháp nghiên cứu

+ Kết nối các thiết bị với nhau theo sơ đồ (hình 1)

Đèn

Chiết áp

Cảm biến ánh

~

+ Viết chương trình cho hệ thống bằng phần mềm Arduino.

+ Đọc tín hiệu Analog từ quang trở hiển thị trên màn hình, quy đổi đơn vị điện trở sang đơn vị cường độ ánh sáng để từ đó xác định các tham số giá trị điện trở tương ứng với cường độ ánh sáng

+ Xác định giá trị điện trở để thực hiện tắt/mở đèn, điều chỉnh độ sáng của đèn

- Tiến hành nghiên cứu

+ Kết nối các thiết bị với nhau theo sơ đồ (phụ lục 1)

+ Viết chương trình cho thiết bị bằng phần mềm Arduino

int analog = 0;// ( định nghĩa chân quang trở chân A0)

int RL1 = 12;// ( chân relay 1 chân 12)

int RL2 = 13;// ( chân relay 2 chân 13)

int val = 0;// ( giá trị ban dầu = 0 )

void setup(){

pinMode(RL1,OUTPUT);// ( định nghĩa chân xuất tín hiệu )

pinMode(RL2,OUTPUT);

Serial.begin(9600); /* cổng giao tiếp với máy tính, */

}

void loop(){

val = analogRead(analog);/*Gán giá trị nhận được từ hàm analogRead*/ Serial.print("gia tri dien tro: ");

Serial.println(val);/*In ra giá trị tại cổng giao tiếp COM6*/

Serial.print("cuong do anh sang: ");

Serial.print(100-map(val,0,1024,0,100));

Serial.print("%");

Serial.println();

if (val<600)/*42%*/

{

digitalWrite(RL1,LOW);

digitalWrite(RL2,LOW);

}

else

if(val<670)/*35%*/

{

digitalWrite(RL1,HIGH);

digitalWrite(RL2,LOW);

}

else

{

digitalWrite(RL2,HIGH); digitalWrite(RL1,LOW); }

delay(1000);

}

+ Tiến hành đọc toàn bộ giá trị điện trở từ quang trở rồi cho hiển thị trên màn hình một cách tự động (phụ lục 2)

+ Thiết lập các tham số điện trở của quang trở để điều khiển hệ thống đèn (phụ lục 3)

+ Thực hiện phương pháp thực nghiệm khoa học và phương pháp mô hình hóa

- Phương pháp nhiên cứu:

+ Phương pháp thực nghiệm khoa học: Là phương pháp thu thập các sự kiện trong những điều kiện tạo ra một cách đặc biệt, đảm bảo việc tích cực chủ động tạo lại các hiện tượng, quá trình cần nghiên cứu Phương pháp thực nghiệm khoa học là một trong các phương pháp cơ bản trong nghiên cứu khoa học + Phương pháp mô hình hóa: Là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng trong các quá trình … Bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực

2 Rủi ro và an toàn

Mô hình hệ thống có thể chịu tải với điện áp 220v và công suất tối đa là 4000w Nếu vượt quá công suất trên thì có thể gây mất an toàn cho hệ thống

V Phân tích dữ liệu

1 Số liệu/ kết quả nghiên cứu

- Lúc điện trở của quang trở bé hơn 600 (Ôm) thì cường độ ánh sáng lúc này có giá trị lớn hơn 42% - ánh sáng mạnh

- Lúc điện trở của quang trở lớn hơn 600 (Ôm) và nhỏ hơn 670 (Ôm) thì cường độ ánh sáng lúc này có giá trị bé hơn 42% và lớn hơn 35% - thiếu ánh sáng

- Lúc điện trở của quang trở lớn hơn 670 (Ôm) thì cường độ ánh sáng lúc này có giá trị nhỏ hơn 35% - trời tối hẳn

* Công suất tiêu thụ:

- Hệ thống được thử nghiệm đồng thời với 2 bóng đèn: 1 đèn sợi đốt với công suất 60w; 1 đèn led với công suất 30w

- Khi chưa dùng hệ thống: thời gian sáng của đèn là 12 giờ, tổng công suất tiêu thụ trong 1 giờ là: 30+60=90w/h

Tổng công suất tiêu thụ trong 1 đêm: A = 90x12

=1080w

=1,08kw

- Khi sử dụng hệ thống: trung bình thời gian đèn sáng 50% công suất là 5 giờ; trung bình thời gian đèn sáng 100% công suất là 6 giờ

Tổng công suất tiêu thụ trong 1 đêm: B = (48x5)+(90x6)

= 780w

= 0,78kw

* Qua nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm chúng em đã thu được kết quả như sau:

- Hệ thống tự động mở đèn: khoảng 17h45’

- Hệ thống tự động điều chỉnh cường độ ánh sáng của đèn - đèn sáng ở mức 50% công suất:

+ Từ 17h45’ đến 18h15’;

+ Từ 1h20’ đến 5h00’;

- Hệ thống tự động điều chỉnh cường độ ánh sáng của đèn - đèn sáng ở mức 100% công suất: từ 18h15’ đến 1h20’

- Hệ thống tự động tắt đèn: khoảng 5h00’

2 Phân tích dữ liệu

- Lúc điện trở bé hơn 670 (Ôm) và lớn hơn 600 (Ôm) thì cường độ ánh sáng lớn hơn (35%) và bé hơn (42%) (vào khoảng từ 17h45’ đến 18h15’ và từ 1h20’ đến 5h00’) nên ánh sáng lúc này trung bình -> cần cung cấp một lượng ánh sáng trung bình (50% công suất của đèn) Lúc này xuất tín hiệu ra kênh 1 của rơ le, kênh 1 chuyển sang trạng thái đóng, dòng điện chạy qua chiết áp rồi ra bóng đèn

- Lúc điện trở lớn hơn 670 (Ôm) thì cường độ ánh sáng bé hơn 35% (vào khoảng từ 18h25’ đến 1h20’) nên lúc này ánh sáng yếu -> cần cung cấp một lượng ánh sáng lớn (100% công suất của đèn) Lúc này xuất tín hiệu ra kênh 2 của rơ le, kênh 2 chuyển sang trạng thái đóng, dòng điện chạy qua bóng đèn

- Lúc điện trở bé hơn 600 (Ôm) thì cường độ ánh sáng lớn hơn (42%) (vào khoảng từ 5h00’ đến 17h45’) nên ánh sáng lúc này đủ -> không cần cung cấp thêm ánh sáng

- Lượng điện năng tiết kiệm được trong 1 ngày:

C = A - B

= 1080 -780

= 300w

VI Kết luận

Qua nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm chúng em kết luận như sau:

- Ưu điểm của hệ thống:

+ Dễ dàng lắp đặt, chi phí thấp;

+ Tự động bật tắt và điều chỉnh cường độ ánh sáng của đèn một cách chính xác;

+ Có thể tiết kiệm từ 20% đến 28% công suất tiêu thụ hàng ngày;

+ Tiết kiệm thời gian và công sức cho người trực cơ quan Không phải căn giờ để bật và tắt các thiết bị chiếu sáng hàng ngày;

+ Có thể điều chỉnh cường độ sáng của các loại bóng: Bóng đèn sợi đốt; bóng đèn compact; bóng đèn Led bulb, …

- Qua thực tế nghiên cứu, nhóm nhận thấy dự án có thể áp dụng rộng rãi trong trường học, cơ quan và cũng có thể dùng cho hệ thống chiếu sáng công cộng Hệ thống làm việc tốt, chi phí thấp và vận hành đơn giản, chạy ổn định, có tính chính xác cao

Tài liệu tham khảo

1 Wikipedia Điện trở quang Wikipedia, 2020

2 Wikipedia Arduino Wikipedia, 2020

3 Wikipedia Relay Wikipedia, 2020

4 Wikipedia Chiết áp Wikipedia, 2020

5 TS.Lê Mỹ Hà, Lập trình IOT với Arduino, NXB Thanh Niên, 2019

Phụ lục

Phụ lục 1

Sơ đồ thiết kế mạch

Mô hình thiết kế hệ thống

Phụ lục 2

Đọc dữ liệu từ quang trở và hiển thị trên màn hình máy tính (Đây là quá trình thu thập dữ liệu một cách tự động)

Phụ lục 3

Thiết lập các tham số