Đồ án Mạch cảm biến ánh sáng dùng transistor (HaUI)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ
---------------o0o---------------

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG

GVHD:
NHÓM:
1.
LỚP, KHÓA:

HÀ NỘI,


1

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành được đồ án này, chúng em xin gửi lời cảm ơn
chân thành … đã hướng dẫn và góp ý, giúp chúng em hồn thành đồ án một
cách tốt nhất.
Trong quá trình thực hiện đồ án, do cịn nhiều thiếu sót về kiến thức, kỹ
năng cũng như kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những sai sót, chúng
em mong nhận được sự góp ý của thầy để đồ án của chúng em ngày càng
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

Sinh viên nhóm

năm


2

TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này trình bày về mạch cảm biến ánh sáng sử dụng transistor và
quang trở dùng trong đóng ngắt các thiết bị điện, điện tử.


3

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.......................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU...............................................................5
PHẦN 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.....................................................................6
1.1. Giới thiệu.................................................................................................6
1.2. Nhiệm vụ.................................................................................................6
1.3. Phân cơng cơng việc trong nhóm............................................................6
PHẦN 2. TÌM HIỂU LINH KIỆN....................................................................7
2.1. Transistor C1815.....................................................................................7
2.2. Relay.......................................................................................................8
2.3. Quang trở.................................................................................................9
2.4. IC 7805..................................................................................................10
PHẦN 3. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN..........................................................11
3.1. Yêu cầu thiết kế.....................................................................................11
3.2. Phân tích thiết kế...................................................................................11
3.3. Sơ đồ khối.............................................................................................12

3.4. Thiết kế mạch điện................................................................................12
3.5. Mô phỏng..............................................................................................14
3.6. Thiết kế mạch in....................................................................................17
3.7. Hoàn thiện mạch in...............................................................................20
PHẦN 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................21
4.1. Kết luận.................................................................................................21
4.2. Hướng phát triển...................................................................................22
4.3. Kinh nghiệm rút ra................................................................................22
PHẦN 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................23


4

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1: Transistor C1815..............................................................................7
Hình 2: Cấu tạo transistor NPN.....................................................................7
Hình 3: Sơ đồ chân C1815............................................................................7
Hình 4: Relay 5V DC....................................................................................8
Hình 5: Cấu tạo của relay..............................................................................8
Hình 6: Nguyên lý hoạt động của relay.........................................................9
Hình 7: Quang trở..........................................................................................9
Hình 8: Nguyên lý hoạt động của quang trở.................................................10
Hình 9: IC 7805.............................................................................................10
Hình 10: Sơ đồ chân IC 7805........................................................................10
Hình 11: Sơ đồ nguyên lý Khối nguồn..........................................................12
Hình 12: Sơ đồ nguyên lý Khối cảm biến, điều khiển và thực thi................13
Hình 13: Sơ đồ ngun lý tồn mạch............................................................14
Hình 14: Mơ phỏng khi khơng có ánh sáng trên Proteus..............................14
Hình 15: Mơ phỏng khi có ánh sáng trên Proteus.........................................15
Hình 16: Mơ phỏng khi có ánh sáng trên Breadboard..................................16

Hình 17: Mơ phỏng khi khơng có ánh sáng trên Breadboard.......................17
Hình 18: Sơ đồ nguyên lý mạch in................................................................18
Hình 19: Mạch in được thiết kế bằng Altium................................................18
Hình 20: Mặt trước mạch in..........................................................................19
Hình 21: Mặt sau mạch in.............................................................................19
Hình 22: Mặt trước mạch in đã hồn thiện....................................................20
Hình 23: Mặt sau mạch in đã hồn thiện.......................................................20
Hình 24: Mạch hoạt động khi khơng có ánh sáng.........................................21
Hình 25: Mạch hoạt động khi có ánh sáng....................................................21


5

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1: Linh kiện, công cụ sử dụng để thử nghiệm......................................15
Bảng 2: Công cụ sử dụng để làm mạch in.....................................................19


6

PHẦN 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu
- Điện năng là một nguồn năng lượng rất quan trọng trong cuộc sống hiện
đại, chính vì vậy mà chúng ta cần phải sử dụng điện một cách tiết kiệm và
hợp lý.
- Mạch cảm biến ánh sáng dùng trong điều khiển thiết bị điện ra đời giúp
tiết kiệm điện năng bị lãng phí do quên tắt thiết bị và công sức con người
trong việc điều khiển thiết bị điện.
- Mạch cảm biến ánh sáng ứng dụng trong rất nhiều loại thiết bị như đèn
đường, đèn ngủ, quạt thơng gió…

1.2. Nhiệm vụ
 Nội dung 1: Tìm hiểu về transistor NPN (C1815)
 Nội dung 2: Tìm hiểu về Relay
 Nội dung 3: Tìm hiểu về các linh kiện khác (điện trở, quang trở, biến trở)
- 3 nội dung trên cần tìm hiểu:
- Cấu tạo
- Nguyên lý hoạt động
- Linh kiện thực tế
 Nội dung 4: Thiết kế và hoàn thiện mạch cảm biến ánh sáng
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý
- Mô phỏng và đánh giá trên Proteus
- Mô phỏng và đánh giá trên breadboard
- Thiết kế mạch in trên Altium
- Hoàn thiện mạch in
1.3. Phân cơng cơng việc trong nhóm
ST
T

Nhiệm vụ

1

Lựa chọn đề tài

2

Thiết kế mạch

3

Mua linh kiện

4

Hoàn thiện mạch in

5

Hoàn thiện quyển báo cáo, slide
thuyết trình

Thành viên
Trương Mạnh Hùng, Đồn
Quang Anh
Trương Mạnh Hùng
Đồn Quang Anh, Nguyễn Như
Hiếu
Trương Mạnh Hùng, Đoàn
Quang Anh
Trương Mạnh Hùng, Đoàn
Quang Anh, Nguyễn Như Hiếu


7

PHẦN 2. TÌM HIỂU LINH KIỆN
2.1. Transistor C1815
 Giới thiệu:
Transistor C1815 là một linh kiện bán dẫn,
có vai trị như một cái van cách li điều chỉnh dòng

điện, điện áp trong mạch. Nó được thiết kế để
khuếch đại tần số âm thanh và OSC tần số cao.
Điện áp cơ sở thu của bóng bán dẫn là 50V do đó
nó có thể dễ dàng được sử dụng trong các mạch
sử dụng dưới 50V DC. Dịng thu của bóng bán
dẫn là 150mA do đó nó có thể điều khiển bất kỳ
tải nào dưới giới hạn 150mA.
Hình 1: Transistor C1815
 Cấu tạo:

Hình 2: Cấu tạo transistor NPN

Hình 3: Sơ đồ chân C1815

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp
giáp N-P, tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau .


8
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 nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên khơng
hốn vị cho nhau được.
 Ngun lý hoạt động:
Khi đặt điện thế một chiều vào chân B (điện thế kích hoạt) thì 2 chân
E-C thơng nhau như một dây dẫn bình thường và ngược lại.
2.2. Relay
 Giới thiệu:

Relay là một công tắc chuyển mạch hoạt động bằng điện. Dòng điện
chạy qua cuộn dây của relay tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi
cơng tắc chuyển mạch. Dịng điện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt, vì
thế rơ-le có hai vị trí chuyển mạch qua lại.
Relay được sử dụng phổ biến ở
các bo mạch điều khiển tự động, chuyên
dụng để đóng cắt những cái dòng điện
lớn mà những hệ thống mạch điều khiển
khơng thể trực tiếp can thiệp thì người ta
sẽ sử dụng rơ le để đóng cắt dịng điện
cao. Rơ le có rất nhiều hình dáng và kích
thước và chân cắm khác nhau. Trong đồ
án này sử dụng Relay 5VDC 5 chân.
Hình 4: Relay 5V DC

 Cấu tạo:
Relay gồm nam châm điện (1), cần dẫn động (2) và các ngõ vào ra (3).
Khi có dịng điện chạy ở cuộn dây nam châm điện (1), cơ năng làm đổi
mạch lối ra từ ngõ “thường đóng” (NC) sang ngõ “thường mở” (NO).
Các thanh đổi mạch có thể có lắp lẫy lị xo để q trình đóng cắt diễn ra
dứt khốt.


9
Hình 5: Cấu tạo của relay

 Nguyên lý hoạt động:
Khi không cấp nguồn điện áp định mức chạy qua cuộn hút, cuộn hút sẽ
trở thành nam châm điện tạo ra một từ trường có lực hút lẫy tiếp điểm, làm
chuyển mạch từ tiếp điểm thường đóng sang tiếp điểm thường mở.

Hình 6: Nguyên lý hoạt động của relay
2.3. Quang trở
 Giới thiệu:
Quang trở còn được gọi là điện
trở quang, là một điện trở có thể thay
đổi được giá trị theo cường độ ánh
sáng.

Hình 7: Quang trở
Quang trở được làm bằng chất bán dẫn có trở kháng rất cao và khơng
có một tiếp giáp nào. Trong bóng tối, quang trở thường có điện trở lên vài
MΩ. Cịn khi có ánh sáng chiếu vào thì giá trị điện trở có thể giảm xuống mức
một cho đến vài trăm Ω.
 Cấu tạo:
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.


10
Thành phần chính để tạo nên quang trở đó chính là Cadmium Sulphide
(CdS) được sử dụng là chất quang dẫn, thường khơng chứa hoặc có rất ít các
hạt electron khi không được ánh sáng chiếu vào.
 Nguyên lý hoạt động:
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.
Hình 8: Nguyên lý hoạt động của quang trở
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.
2.4. IC 7805
 Giới thiệu:
LM7805 hay IC 7805 được biết là
IC điều chỉnh nguồn điện áp đầu ra +5V.
7805 thuộc dòng IC ổn áp dương họ
LM78xx, được sản xuất trong gói TO220. Đây là dịng IC được sử dụng rộng
rãi trong các mạch và thiết bị điện tử
thương mại.
Hình 9: IC 7805


11

-

Thông số kỹ thuật:
Điện áp đầu vào: 8-35V DC
Điện áp đầu ra: cố định 5V
Dòng điện đầu ra: 1.5A
Dòng điện tĩnh: 8mA
Đóng gói: TO-220
Tắt ngắn mạch tức thì, tắt q
nhiệt tức thì

Hình 10: Sơ đồ chân IC 7805


12

PHẦN 3. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN
3.1. Yêu cầu thiết kế
- Nguồn điện: 9-12V DC
- Tự động bật/tắt theo ánh sáng môi trường với cảm biến ánh sáng
(quang trở).
- Sử dụng relay để điều khiển thiết bị điện độc lập, khơng phụ thuộc vào
mạch cảm biến.
3.2. Phân tích thiết kế
 Chọn nguồn điện phù hợp:
Nguồn điện

9-12V DC
- Không dùng biến áp, giúp
mạch nhỏ và gọn gàng hơn
Ưu điểm
- Thích hợp với điều khiển
thiết bị điện áp thấp một
chiều.
- Khơng thích hợp với điều
khiển thiết bị điện áp xoay
Nhược điểm chiều.

220V AC
- Thích hợp với điều khiển

thiết bị điện áp xoay
chiều.

- Dùng biến áp làm mạch to
hơn và cồng kềnh hơn.
- Khơng thích hợp với điều
khiển thiết bị điện áp thấp
một chiều.
 Để thuận tiện sử dụng và phù hợp với đề tài môn học này, chúng ta
chọn nguồn 9-12V DC.
 Cách thức đóng ngắt thiết bị điện (tải):

Loại trở

Trực tiếp qua Transistor
- Phù hợp với thiết bị công
suất nhỏ và điện áp thấp.

Ưu điểm

- Tải phụ thuộc vào nguồn.
- Khi tải có sự cố, mạch cũng
Nhược điểm bị ảnh hưởng.
- Q trình ngắt khơng dứt
khốt.
 Chọn cách đóng ngắt qua Relay.

-

Gián tiếp qua Relay

Phù hợp với thiết bị công
suất lớn và điện áp cao.
Điều khiển tải độc lập,
không phụ thuộc vào
mạch cảm biến.
Q trình ngắt dứt khốt.
Kích thước mạch lớn hơn.


13
3.3. Sơ đồ khối
Khối
điều khiển

Khối
cảm biến

Khối
thực thi

Khối nguồn
Khối nguồn cấp điện áp cho các khối còn lại trong mạch hoạt động.
Khối cảm biến nhận biết ánh sáng môi trường, đưa tín hiệu đó vào
Khối xử lý và điều khiển.
Khối điều khiển khi nhận được tín hiệu từ Khối cảm biến thì sẽ xử lý
rồi điều khiển relay ở Khối thực thi.
Khối thực thi là relay sẽ chuyển giữa tiếp điểm thường đóng và tiếp
điểm thường mở để đóng cắt, chuyển mạch dịng điện.
3.4. Thiết kế mạch điện


Khối nguồn:

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý Khối nguồn
Cấp điện áp dương đầu vào qua chân 1 của IC 7805 và lấy điện áp ra
+5V qua chân 3. Chân 2 nối âm chung.
Tụ C1 và C2 để lọc điện áp đầu vào cho IC 7805, tụ C1 có tác dụng
cung cấp điện áp tạm thời cho IC khi nguồn đột ngột bị sụt áp, tụ C2 có tác
dụng ngăn nguồn đầu vào tăng áp đột ngột làm dạng sóng điện áp đầu vào có
hình răng cưa.
Đèn LED D2 sáng báo hiệu mạch đã được cấp nguồn.
Tụ C3 và C4 để lọc điện áp cấp cho tải tiêu thụ lấy từ IC 7805, tụ C4 có
tác dụng cung cấp điện áp tạm thời cho tải khi tải đột ngột bị sụt áp, tụ C3 có


14
tác dụng lọc nhiễu điện áp đầu ra (nhiễu là các điện áp khơng mong muốn làm
cho dạng sóng điện áp ngõ ra có hình răng cưa).
Trong thực tế, IC 7805 dễ toả nhiệt nên cần gắn thêm tản nhiệt cho IC
để mạch hoạt động ổn định và lâu dài.

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý Khối cảm biến, Khối điều khiển và Khối thực thi

 Khối cảm biến:
Quang trở LDR1 có tác dụng như một cảm biến ánh sáng, nhận biết sự
thay đổi ánh sáng môi trường.

 Khối điều khiển:
Transistor Q1 điều khiển dịng điện bằng cách:
Khi khơng có ánh sáng, quang trở LDR1 có trị số rất lớn, ngăn dịng

điện đến cực B của transistor Q1 ⇨ khơng có điện thế kích hoạt ⇨ Q1 khơng
thơng nên cuộn hút của relay RL1 khơng hoạt động.
Khi có ánh sáng, quang trở LDR1 có trị số gần bằng 0 nên có dịng điện
đến cực B của transistor Q1 ⇨ có điện thế kích hoạt ⇨ Q1 thơng nên cuộn hút
của relay RL1 hoạt động.

 Khối thực thi:
Cuộn hút của relay RL1 hoạt động khi có dịng điện đi qua, làm chuyển
mạch từ tiếp điểm thường đóng sang tiếp điểm thường mở.


15
Do trong relay có cuộn hút nên khi tắt nguồn sẽ sinh ra dịng điện cảm
ứng có chiều ngược lại đánh trở lại relay nên phải có diode D1 để chặn lại
dòng này.


16

Hình 13: Sơ đồ ngun lý tồn mạch
3.5. Mơ phỏng
 Mơ phỏng bằng phần mềm Proteus:
Sau khi hồn thành việc thiết kế chi tiết từng khối thì sẽ mơ phỏng
mạch bằng phần mềm Proteus, giúp tìm ra được những sai lầm trong thiết kế
và có thể sửa lại chúng.


17
Hình 14: Mơ phỏng khi khơng có ánh sáng trên Proteus

Hình 15: Mơ phỏng khi có ánh sáng trên Proteus
Kết quả mô phỏng: Mạch hoạt động đúng theo lý thuyết, Relay hoạt
động đúng theo ánh sáng môi trường.
 Mô phỏng thành công.

 Mô phỏng trên Breadboard:
Sau khi mô phỏng mạch thành công trên Proteus, ta sẽ lắp các linh kiện
theo sơ đồ nguyên lý trên Breadboard.
ST
T
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

Tên linh kiện, công cụ
Breadboard
Nguồn điện 12V
IC 7805
Tụ hóa 1000µF/16V
Tụ gốm 104

Trở 220Ω
LED đục 5mm
Quang trở
Trở 1MΩ
Transistor C1815
Diode
Relay 5VDC
Dây cắm test board

Số lượng

Đơn vị

1
1
1
2
2
1
2
1
1
1
1
1
20

Cái
Cái
Cái

Cái
Cái
Cái
Cái
Cái
Cái
Cái
Cái
Cái
Dây


18
Bảng 1: Linh kiện, công cụ sử dụng để thử nghiệm


19
Quy trình kiểm tra mạch trên breadboard:

Thành cơng

Mua linh kiện

Mạch chạy
Kiểm tra linh kiện

Sai

Hiệu chỉnh

(giá trị, loại)
Đúng
Lắp linh kiện theo
sơ đồ ngun lý

và kết nối nguồn
Mạch
khơng chạy
Kiểm tra mạch

Hình 16: Mơ phỏng khi có ánh sáng trên Breadboard