THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG BẬT TẮT ĐÈN TỰ ĐỘNG

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ. Đó là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động sản xuất, sinh hoạt của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn. Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Ngày nay nhu cầu của con người ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho nghành điện tử phát triển ra các sản phẩm mới có tính ứng dụng cao trong cuộc sống. Xuất phát từ những nhu cầu ứng dụng, chúng em đã thiết kế một mạch điều khiển, đó là “MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG BẬT TẮT ĐÈN TỰ ĐỘNG ”. Nội dung báo cáo này gồm 4 Chương: Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Tính toán và thiết kế thi công mạch Chương 4: Kết luận Mặc dù rất cố gắng hoàn thành bài báo cáo này nhưng vẫn không tránh khỏi thiếu sót mong thầy và các bạn đóng góp ý kiến để nhóm có thể hoàn thiện hơn.Chúng em xin chân thành cảm ơn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng khoa học kỹthuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày ngàythay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuậtđiện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổibật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ Đó là nhữngyếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động sản xuất, sinhhoạt của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn Điện tửđang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đãđáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnhvực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con ngườitrong cuộc sống hàng ngày

Ngày nay nhu cầu của con người ngày càng cao là điều kiệnthuận lợi cho nghành điện tử phát triển ra các sản phẩm mới

có tính ứng dụng cao trong cuộc sống Xuất phát từ những nhucầu ứng dụng, chúng em đã thiết kế một mạch điều khiển, đó

là “MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG BẬT TẮT ĐÈN TỰ ĐỘNG

” Nội dung báo cáo này gồm 4 Chương:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Tính toán và thiết kế thi công mạch

Chương 4: Kết luận

Mặc dù rất cố gắng hoàn thành bài báo cáo này nhưng vẫnkhông tránh khỏi thiếu sót mong thầy và các bạn đóng góp ýkiến để nhóm có thể hoàn thiện hơn.Chúng em xin chân thànhcảm ơn

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Mục L CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 6

1.1 Lí do chọn đề tài 6

1.2Mục tiêu của đề tài 6

1.3Kế hoạch thực hiện 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Điện trở 7

7

2.2 Tụ điện 7

2.2.1 Cấu tạo 7

Hình ảnh cấu tạo 2.2.2 Phân loại 8

2.2.3 Ký hiệu và hình dạng thực tế 8

2.2.4 Điện dung và đơn vị 9

2.2.5 Sự phóng, nạp của tụ điện 9

2.3 Diode 10

2.3.1 Cấu tạo của Diode bán dẫn 10

2.3.2 Phân cực thuận cho Diode 10

2.3.3 Phân cực ngược cho Diode 11

2.3.4 Ứng dụng của Diode bán dẫn 12

2.4 NE555 12

2.4.1 Nguồn gốc của NE555 12

2.4.2 Thông số 12

2.4.3 Chức năng của NE555 12

2.4.4 Bố trí chân và chức năng của từng chân 12

2.4.5 Nguyên lý hoạt động 13

2.4.6 Tính tần số điều chế độ rộng xung 14

2.4.7 Ứng dụng 15

2.5 RƠLE 15

2.5.1 Cách xác định trạng thái và phân loại 15

2.5.2 Thông số kỹ thuật 16

2.5.3 Ứng dụng 16

2.6 QUANG TRỞ 16

2.6.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 16

2.6.2 Ưu điểm và nhược điểm 17

2.7 DOMINO 2 18

2.7.1 Thông số kỹ thuật 18

2.7.2 Tính năng chính 18

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH 18

3.1 Sơ đồ khối 18

3.2Thiết kế mạch nguyên lí 19

3.2.1)Mạch nguồn 19

3.2.2)Mạch đèn sáng tự động khi trời tối 19

3.2.3)Thiết bị chiếu sáng 20

3.3Thi công mạch in 21

3.3.1)Sơ đồ mạch in 21

3.3.2)Thi công mạch in 22

3.3.3)Mô hình sản phẩm 22

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 22

4.1 Kết quả 22

4.2 Kết luận 22

Y

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Lí do chọn đề tài.

Ngành điện tử là một trong những ngành quan trọng gópphần vào sự phát triển của đất nước Sự phát triển nhanh chóngcủa khoa học – công nghệ làm cho ngành điện tử ngày càngphát triển và đạt được nhiều thành tựu mới Nhu cầu của conngười ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho ngành điện tửphải không ngừng phát minh ra các sản phẩm mới có tính ứngdụng cao, các sản phẩm có tính năng, có độ bền và độ ổn địnhngày càng cao

Mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn tự động là một trong số

đó, sơ đồ mạch khá là đơn giản, những phần tử trong mạchđược bán rất nhiều trên thị trường, giá thành rẻ và đặc biệt ứngdụng của mạch là rất cao

1.2Mục tiêu của đề tài.

- Tìm hiểu nguyên lý, chức năng và tác dụng của mạch đèn

- Tìm hiểu được các chức năng, tác dụng của các linh kiệnthiết bị điện tử

- Hoàn thành sản phẩm là mạch cảm biến ánh sáng tự độngbật tắt đèn

- Rèn luyện cho sinh viên cách tự học, đi đôi với thực hành vàkhả năng làm việc theo nhóm

1.3Kế hoạch thực hiện

- Bước 1: Tìm hiểu lý thuyết chung của mạch điều khiểnđộng cơ bước Bao gồm nguyên tắc hoạt động của mạch vàmột số mạch để đưa ra lựa chọn tốt cho đề tài làm đồ án

- Bước 2: Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện tử sử dụngtrong mạch trên, từ đó tính toán lựa chọn các linh kiện,thiết bị đạt yêu cầu sử dụng trong mạch

- Bước 3: Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm vẽ mạch Tina ,Proteus từ đó đưa ra cách vẽ mạch điều khiển động cơ bước

b) Ký hiệu: theo hai tiêu chuẩn US và EU.

c) Hình dạng thực tế.

2.2.3 Ký hiệu và hình dạng thực tế.

a) Ký hiệu :

Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor).

b) Hình dạng thực tế:

Hình dạng của tụ gốm.

Hình dạng của tụ hoá

2.2.4 Điện dung và đơn vị

a)Khái niệm về điện dung.

Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai

bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diệntích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ haibản cực theo công thức

C = ξ S / d

Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F)

 ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện

 d : là chiều dày của lớp cách điện

 S : là diện tích bản cực của tụ điện

b) Đơn vị.

Đơn vị điện dung của tụ : Đơn vị là Fara (F) , 1Fara là rất lớn

do đó trong thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như

MicroFara (µF), NanoFara (nF), PicoFara (pF)

 1 Fara = 1.000.000 µ Fara = 1.000.000.000 n F =

1.000.000.000.000 p F

 1 µ Fara = 1.000 n Fara

 1 n Fara = 1.000 p Fara

2.2.5 Sự phóng, nạp của tụ điện

Một tính chất quan trọng của tụ điện là tính chất phóng nạp của tụ , nhờ tính chất này mà tụ có khả năng dẫn điện xoay chiều

Sự nạp và phóng điện của tụ.

a)Tụ nạp điện.

Như hình ảnh trên ta thấy rằng , khi công tắc K1 đóng, dòng điện từ nguồn U đi qua bóng đèn để nạp vào tụ, dòng nạp này làm bóng đèn loé sáng, khi tụ nạp đầy thì dòng nạp giảm bằng

2.3.1 Cấu tạo của Diode bán dẫn

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo

một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm:Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tánsang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Iontrung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữahai chất bán dẫn

Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode

Ở hình trên là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn

Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.

2.3.2 Phân cực thuận cho Diode

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-)

vào Katôt (vùng bán dẫn N) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si) hoặc 0,2V (với Diode loạiGe) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V)

Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn

điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V

Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode

Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp

phân cực thuận < 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu ápphân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đódòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ởgiá trị 0,6V

2.3.3 Phân cực ngược cho Diode

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt(bándẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miềncách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chịu được điện áp ngược rất lớnkhoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng ≥ 1000V.

2.3.4 Ứng dụng của Diode bán dẫn

Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sửdụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành mộtchiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực chotransistor hoạt động trong mạch chỉnh lưu Diode có thể đượctích hợp thành Diode cầu có dạng

2.4 NE555.

2.4.1 Nguồn gốc của NE555

IC thời gian 555 được du nhập vào những năm 1971 bằngcông ty Signetics Corporation bằng 2 dòng sản phẩmSE555/NE555 và được gọi là máy thời gian và cũng là loại cóđầu tiên Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chiphí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứngdụng cho đơn ổn và không ổn định

Từ đó thiết bị này được làm ra với tính thương mại hóa 10 nămqua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi vì sựcạnh tranh và những lý do khác Tuy thế những công ty khác lạisản suất ra những dòng này IC 555 hiện nay được sử dụng kháphổ biến ở các mạch tạo xung, đóng cắt hay là những mạchdao động khác

2.4.2 Thông số

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555,NE555, NE7555 )

+ Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW

2.4.3 Chức năng của NE555

+ Tạo xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

2.4.4 Bố trí chân và chức năng của từng chân

a) Bố trí chân.

IC NE555 N gồm có 8 chân

b) Chức năng của từng chân.

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC haychân còn gọi là chân chung

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp

so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần

so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện

>0.75V)

+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân

số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vàomức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2

và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường haynối chân này lên VCC

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức ápchuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng cácđiện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũngđược nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số

5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ nàylọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân số 6(THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào sosánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóađiện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3

ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra.Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1tầng dao động

+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp

áp và dòng cho IC hoạt động Không có chân này coi như IC

chết Nó được cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555 nhéthấp nhất là con NE7555)

2.4.5 Nguyên lý hoạt động.

Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật vàtransistor để xả điện Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt độngtốt Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCCthành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nốivào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

 Giải thích sự dao động:

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC.Mạch FF là loại RS Flip-flop

Khi S = [1] thì Q = [1] và = [ 0]

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0]

Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0]

 Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi

vì = [1], transisitor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện ápkhông nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2 Dolối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset

a) Giai đoạn ngõ ra ở mức 1.

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0

Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1

ở mức 1 nên S = [1], Q = [1] và = [0] Ngõ ra của IC ở mức 1.Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên

tụ tăng Khi nhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ

C xả điện thông qua transistor

Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạngsóng vuông, có chu kỳ ổn định

2.4.6 Tính tần số điều chế độ rộng xung

Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung

+Tần số của tín hiệu đầu ra là

f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))+ Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f

+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì

t1 = ln2 (R1 + R2).C+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì

t2 = ln2.R2.CNhư vậy trên là công thức tổng quát của 555 Tôi lấy 1 ví dụnhỏ là : để tạo được xung dao động là f = 1.5Hz Đầu tiên tôi

cứ chọn hai giá trị đặc trưng là R1 và C2 sau đó ta tính được R1.Theo cách tính toán trên thì ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2

= 33k (Tính toán theo công thức)

2.4.7 Ứng dụng

a ) Mạch báo động dùng SCR.

b) Trigger

2.5 RƠLE

2.5.1 Cách xác định trạng thái và phân loại

Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơle: module rơle đóng ở mức thấp và module rơle đóng ở mức cao Nếu so sánh giữa 2 loại rơle có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi linh kiện của nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ chỗ các

transistor của mỗi module Chính vì cái transistor này nên mới sinh ra 2 loại module ( NPN – kích mức cao, PNP – kích mức thấp )

- Có 3 cách để nhận biết module rơle

+ Hỏi người bán và sau khi mua chúng ta đặt ngăn nắp loại nào ra

loại đấy+ Kiểm tra module bằng cách thử cấp nguồn vào cácchân điều khiển

+ Tìm trên Google thử tên loại transistor đó, nếu là NPN thì là module kích mức cao, còn PNP là mức thấp

Ứng dụng của Role

2.6 QUANG TRỞ

2.6.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

- Cấu tạo của quang trở gồm 2 phần là phần trên và phần dưới là các màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực Linh kiện này được thiết kế theo cách cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa nhất với 2 màng kim loại và được đặt trong một hộp nhựa có thể giúp tiếp xúc được với ánh sáng và có thể cảm nhận được sự thay đổi của cường độ ánh sáng

Thành phần chính để tạo nên quang trở đó chính là

Cadmium Sulphide (CdS) được sử dụng là chất quang dẫn,thường không chứa hoặc có rất ít các hạt electron khi không được ánh sáng chiếu vào

-Nguyên lý hoạt động của quang trở dựa trên nguyên lý hiệu ứng quang điện trong một khối vật chất Khi mà các photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ khiến cho các electron bật ra khỏi các phân tử và trở thành các electron

tự do trong khối chất và từ chất bán dẫn chuyển thành dẫn điện Mức độ dẫn điện của quang trở tùy thuộc vào phần lớn các photon được hấp thụ

Khi ánh sáng lọt vào quang trở, các electron sẽ được giải phóng và độ dẫn điện sẽ được tăng lên Tùy thuốc vào

chất bán dẫn mà các quang trở sẽ có những phản ứng khác nhau với các loại sóng photon khác nhau.

2.6.2 Ưu điểm và nhược điểm

 Ưu điểm: Quang trở với một số ưu điểm như giá thành rẻ,

đa dạng về kích cỡ có thể áp dụng với nhiều các bo mạch khác nhau, kích thước phổ biến có đường kính mặt là 10mm Cùng với đó là năng lượng tiêu thụ và điện áp hoạt động nhỏ

 Nhược điểm: Thời gian phản hồi chậm nên độ chính xác sẽkhông cao Thời gian phản hồi của quang trở nằm trong

khoảng từ hàng chục cho đến hàng trăm mili giây

2.7 DOMINO 2

2.7.1 Thông số kỹ thuật

- Loại chân thẳng

- Điện áp tối đa: 300 V

- Dòng điện tối đa: 10 A

- Trở kháng tiếp xúc: 20 milliohm

- Đường kính chân: 1.1 mm

- Số lượng chân: 2