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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU -------- ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG CỦA ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG Chủ nhiệm đề tài: Huỳnh Thanh Nam Phạm Quốc Thái Hướng dẫn khoa học: ThS. Phan Thanh Hoàng Anh Bà Rịa - Vũng Tàu 6/2015 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ 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) Bà Rịa - Vũng Tàu, Ngày…... tháng ..…năm 2015 SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) Huỳnh Thanh Nam ThS. Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Phạm Quốc Thái Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT PHÒNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ tên) TS. Vũ Văn Đông TS. Nguyễn Phan Cường SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 1 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT - 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. SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 2 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 3 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 4 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 5 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 Subcategory là Generic. Một số linh kiện thường dùng trong proteus: Điện trở: res Biến trở: pot-hg Quang trở: ldr Tụ phân cực: radial Tụ không phân cực: cap Đi-ốt: diode Cầu đi-ốt: bridge SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 6 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT Thạch anh: crystal Nút nhấn: button Nguồn AC: vsin Nguồn DC: battery Rơ le : animated relay model Led 7 đoạn : 7SEG Bóng đèn: lamp Ic ổn áp: 78XX (XX là số) cuộn cảm : inductor * Nối dây: - Chuyển con trỏ chuột đến vị trí cần nối dây, trên con trỏ chuột sẽ xuất hiện dấu X - 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. SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 7 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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. SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 8 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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. SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 9 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 10 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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. SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 11 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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. SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 12 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT - 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. SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 13 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT 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 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 14 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT Hình 3.4: Hình ảnh khi chạy thử mạch SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Trang 15