Thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thống cửa. Hệ thống chiếu sáng và cung cấp điện từ nguồn dự phòng một chiều cho ngôi nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG CỬA. HỆ
THỐNG CHIẾU SÁNG VÀ CUNG CẤP ĐIỆN TỪ NGUỒN DỰ PHÒNG
MỘT CHIỀU CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH


Cán bộ hướng dẫ
n:
ThS. NHỮ KHẢI HOÀN
Sinh viên thực hiệ
n:
NGUYỄN VĂN HUY
Khóa 51



Khánh Hòa, 2013



TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG CỬA. HỆ
THỐNG CHIẾU SÁNG VÀ CUNG CẤP ĐIỆN TỪ NGUỒN DỰ PHÒNG
MỘT CHIỀU CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH


Cán bộ hướng dẫ
n:
ThS. NHỮ KHẢI HOÀN
Sinh viên th
ự
c hi
ệ
n:
NGUY
Ễ
N VĂN HUY

Khóa 51 (2009 – 2013)



Khánh Hòa, 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên người nhận xét:
Chức danh: Đơn vị công tác:
Tên đồ án: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG CỬA. HỆ
THỐNG CHIẾU SÁNG VÀ CUNG CẤP ĐIỆN TỪ NGUỒN DỰ
PHÒNG MỘT CHIỀU CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Huy MSSV: 51130425
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Hệ: Chính quy
Khóa: 51 (2009 - 2013)
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Chất lượng hình thức


2. Chất lượng nội dung


Khánh Hòa, ngày tháng năm 2013
Người nhận xét
3. Điểm đánh giá:



Điểm kết luận của Hội đồng chấm Đồ án

Điểm số Điểm bằng chữ
Khánh Hòa, ngày tháng năm 2013
Thư ký Hội đồng Chủ tịch hội đồng
(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)
Bằng số Bằng chữ

i

LỜI CẢM ƠN
Lịch sử nhân loại đã chứng kiến những cuộc cách mạng về khoa học kĩ thuật và
gần đây nhất là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin. Các sản phẩm của công nghệ
điện tử đã đi sâu vào đời sống của mỗi quốc gia, vùng lãnh thổ và cuộc sống của mỗi
con người chúng ta. Nhờ đó con người đã nâng cao năng suất và ứng dụng các sản
phẩm tự động hóa ngày một hiệu quả hơn đem lại cuộc sống tốt đẹp hơn.
Cuộc sống của con người ngày một phát triển đồng nghĩa với việc nhu cầu về
vật chất cũng như tinh thần càng được nâng cao. Vì vậy việc chế tạo và sản xuất các
sản phẩm tự động hóa, thông minh và tiện lợi là rất cần thiết. Các sản phẩm đó thường
trực ngay trong mỗi gia đình sẽ tạo cho người sử dụng những tiện nghi nhất định, và
trên hết là đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Với mục đích bổ sung kiến thức và kỹ năng nghề nghiệp làm tiền đề cho quá
trình công tác sau này cũng như có thể đáp ứng yêu cầu của xã hội em chọn đề tài
“Thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thống cửa. Hệ thống chiếu sáng và cung
cấp điện từ nguồn dự phòng một chiều cho ngôi nhà thông minh ”. Trong quá trình
thực hiện đề tài, em đã thiết kế và tính toán sao cho quá trình làm việc của mạch điện
là tốt nhất và ổn định nhất. Tuy nhiên do kinh nghiệm còn ít nên còn gặp những thiếu
sót. Kính mong quý thầy cô, anh chị, cùng các bạn đóng góp ý kiến để em có thêm
kinh nghiệm và hoàn thành nhiệm vụ tốt nhất.
Qua đây, em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Th.S NHỮ KHẢI HOÀN đã
tận tình giúp đỡ, định hướng cho em trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề
tài tốt nghiệp.

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử
Trường Đại Học Nha Trang, các bạn sinh viên trong tập thể lớp 51DDT, các anh chị đi
trước cũng như các em khóa sau đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án,
đóng góp những ý kiến bổ ích và giá trị khi thực hiện đề tài này.
Nha Trang, tháng 06 năm 2013
Sinh viên
Nguyễn Văn Huy
ii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công thực tế các mạch điện tử mang
tính tự động hóa. Vận dụng các lý thuyết đã học, tìm hiểu các linh kiện điện tử có
trong thực tế và sử dụng phần mềm chuyên dụng để thiết kế và thi công các mạch điện
như sau:
o Bộ nguồn tự động chuyển đổi và hòa đồng bộ giữa nguồn điện lưới và
nguồn dự phòng. Nguồn dự phòng ở đây là Ắc quy 12V một chiều được
nghịch lưu thành 220V xoay chiều tần số 50Hz với công suất là 500W.
o Mạch bơm nước tự động có khả năng bơm theo các mức tùy người sử dụng
đặt sẵn(8 mức). Hiển thị mức nước trong bồn chứa một cách rõ ràng. Có bảo
vệ bơm không tải tức là ngừng hoạt động khi máy bơm hoạt động mà không
có nước. Cảnh bảo sự cố bằng đèn hoặc còi.
o Mạch đèn tự động bật tắt khi có người hoặc không có người sử dụng cảm
biến thân nhiệt kết hợp với cảm biến ánh sáng.
o Mạch cửa tự động đóng mở sử dụng cảm biến thân nhiệt.
o Mạch bồn rửa tay tự động sử dụng cảm biến hồng ngoại.
Phương án điều khiển các thiết bị trong đồ án là sử dụng các loại cảm biến như:
Cảm biến hồng ngoại, cảm biến ánh sáng, cảm biến thân nhiệt, cảm biến mực
nước…Sau đó, lấy tín hiệu từ cảm biến đưa vào vi điều khiển họ 8051 để xử lý theo
chương trình đã lập trình sẵn để điều khiển thông qua TRIAC kết hợp với Opto cách ly
điện áp thay cho Rơ le vì tuổi thọ của Rơ le không cao khi đóng cắt nhiều lần và đảm

bảo an toàn cho vi điều khiển và thiết bị.
Phần mềm được sử dụng để vẽ mạch trong đồ án là phần mềm vẽ mạch chuyên
dụng Orcad 9.2; phần mềm dùng để lập trình là Keil-C 3.0




iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii
DANH SÁCH HÌNH VẼ vii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU x
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1
1.1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2
1.4. NỘI DUNG THỰC HIỆN 2
1.5. GIỚI THIỆU VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC LINH KIỆN
CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH 5
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5
2.1.1. Cấu trúc và tham số của nguồn một chiều 5
2.1.2. Chỉnh lưu cầu một pha 6
2.1.3. Nghịch lưu một pha 7
2.2. THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH 9
2.2.1. Vi điều khiển 8051 9
2.2.2. IC tạo xung NE555 12

2.2.3. Transistor 14
2.2.4. Diode, Led 17
2.2.5. Rơ-le 20
2.2.6. Cảm biến LDR và PIR 22
2.2.7. Op-amp so sánh 25
2.2.8. IC tạo xung CD4047B 27
2.2.9. Triac BT136 28
iv

CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHUYỂN ĐIỆN MỘT CHIỀU TỪ
NGUỒN DỰ PHÒNG THÀNH ĐIỆN XOAY CHIỀU CUNG CẤP CHO CÁC
THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH (UPS) 30
3.1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LƯU ĐIỆN UPS 30
3.1.1. Giới thiệu về bộ lưu điện UPS 30
3.1.2. Phân loại bộ lưu điện UPS 32
3.1.3. Ưu điểm của bộ lưu điện UPS 35
3.2. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 35
3.2.1. Yêu cầu của mạch điện 35
3.2.2. Sơ đồ khối của mạch thiết kế 35
3.2.3. Chức năng và nhiệm vụ của từng khối trong mạch 36
3.2.4. Tính toán và lựa chọn linh kiện 36
3.3. THI CÔNG THỰC TẾ 45
3.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể 45
3.3.2. Mạch điện đã làm thực tế 47
3.4. ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỆN 50
3.4.1. Đánh giá 50
3.4.2. Ứng dụng của mạch điện trong thực tế 50
CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỬA TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN THÂN
NHIỆT PIR 51
4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 51

4.1.1. Vấn đề đặt ra 51
4.1.2. Đề xuất giải pháp 51
4.2. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 51
4.2.1. Yêu cầu của mạch điện 51
4.2.2. Xây dựng sơ đồ khối chung 52
4.2.3. Thiết kế và tính toán mạch điện 52
4.2.4. Lưu đồ thuật toán và viết chương trình 56
4.3. THI CÔNG THỰC TẾ 57
4.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể 57
v

4.3.2. Mạch điện đã làm thực tế 58
4.4. ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỆN 58
4.4.1. Đánh giá 58
4.4.2. Ứng dụng của mạch điện trong thực tế 58
CHƯƠNG 5: MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC TỰ ĐỘNG CÓ BẢO VỆ BƠM
KHÔNG TẢI 60
5.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 60
5.1.1. Vấn đề đặt ra 60
5.1.2. Đề xuất giải pháp 60
5.2. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 60
5.2.1. Yêu cầu của mạch điện 60
5.2.2. Xây dựng sơ đồ khối chung 61
5.2.3. Thiết kế và tính toán mạch điện 61
5.2.4. Lưu đồ thuật toán và viết chương trình 65
5.3. THI CÔNG THỰC TẾ 66
5.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể 66
5.3.2. Mạch điện đã làm thực tế 68
5.4. ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỆN 69
5.4.1. Đánh giá 69

5.4.2. Ứng dụng của mạch điện trong thực tế 69
CHƯƠNG 6: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN THÂN
NHIỆT PIR KẾT HỢP VỚI QUANG TRỞ LDR 70
6.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 70
6.1.1. Vấn đề đặt ra 70
6.1.2. Đề xuất giải pháp 70
6.2. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 70
6.2.1. Yêu cầu của mạch điện 70
6.2.2. Xây dựng sơ đồ khối chung 71
6.2.3. Thiết kế và tính toán mạch điện 71
6.2.4. Lưu đồ thuật toán và viết chương trình 75
vi

6.3. THI CÔNG THỰC TẾ 76
6.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể 76
6.3.2. Mạch điện đã làm thực tế 77
6.4. ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỆN 77
6.4.1. Đánh giá 77
6.4.2. Ứng dụng của mạch điện trong thực tế 77
CHƯƠNG 7: MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỒN RỬA TAY TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN
HỒNG NGOẠI 78
7.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 78
7.1.1. Vấn đề đặt ra 78
7.1.2. Đề xuất giải pháp 78
7.2. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 78
7.2.1. Yêu cầu của mạch điện 78
7.2.2. Xây dựng sơ đồ khối chung 78
7.2.3. Thiết kế và tính toán mạch điện 79
7.2.4. Lưu đồ thuật toán và viết chương trình 81
7.3. THI CÔNG THỰC TẾ 82

7.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể 82
7.3.2. Mạch điện đã làm thực tế 83
7.4. ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỆN 83
7.4.1. Đánh giá 83
7.4.2. Ứng dụng của mạch trong thực tế 83
KẾT LUẬN 84
PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86
PHỤ LỤC : CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH CHO CÁC MẠCH ĐÃ THỰC HIỆN . 87

vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Sơ đồ khối của mạch nguồn một chiều 5
Hình 2.2. Chỉnh lưu cầu 1 pha 7
Hình 2.3. Nguyên lý và đồ thị dạng áp ra của chỉnh lưu cầu 1 pha 7
Hình 2.4. Sơ đồ mạch nghịch lưu phụ thuộc 8
Hình 2.5. Sơ đồ nghịch lưu áp độc lập 1 pha 9
Hình 2.6. Sơ đồ chân của Vi điều khiển 8051 loại 20 và 40 chân 10
Hình 2.7. Sơ đồ khối và chân của IC555 13
Hình 2.8. Sơ đồ chân của Transistor 14
Hình 2.9. Hình ảnh thực tế của Transistor 2SD718 16
Hình 2.10. Đồ thị mối quan hệ giữa Ic và Vce 16
Hình 2.11. Ký hiệu và đường cong đặc tính của diode 17
Hình 2.12. Cấu tạo và hình ảnh thực tế của Led 19
Hình 2.13. Cấu tạo của Relay 20
Hình 2.14. Hình ảnh thực tế của Relay 20
Hình 2.15. Trạng thái hoạt động của Relay 21
Hình 2.16. Cách mắc diode và trở để triệt tiêu dòng tự cảm 21
Hình 2.17. Ký hiệu của quang trở 22

Hình 2.18. Hình ảnh thực tế của cảm biến thân nhiệt PIR 23
Hình 2.19. Hình dáng và kích thước của PIR 23
Hình 2.20. Vật liệu pyroelectric dùng làm cảm biến PIR 24
Hình 2.21. Đầu vào ra của bộ khuếch đại thuật toán 25
Hình 2.22. Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của Lm324 26
Hình 2.23. Sơ đồ chân của IC CD4047 27
Hình 2.24. Các lớp bán dẫn và ký hiệu Triac 28
Hình 2.25. Đặc tính Volt- Ampere của Triac 29
Hình 2.26. Triac BT136 29
Đối với mạch cần dòng lớn và công suất lớn hơn thì ta có thể thay đổi các TRIAC có
công suất và dòng điện phù hợp với mục đích sử dụng. 29
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc UPS online 32
viii

Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc UPS offline 33
Hình 3.3. Sơ đồ khối UPS theo thiết kế 36
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi chế độ hoạt động theo thiết kế 37
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy theo thiết kế 39
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất theo thiết kế 44
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch UPS 46
Hình 3.8. Mạch chuyển đổi đã làm thực tế 47
Hình 3.9. Mạch nạp ắc quy đã làm thực tế 47
Hình 3.10. Mạch tạo dao động và khuếch đại công suất thực tế 48
Hình 3.11. Biến áp nghịch lưu đã quấn 48
Hình 3.12. Mô hình UPS thực tế đã làm 49
Hình 4.1. Sơ đồ khối thuật toán chung cửa tự động 52
Hình 4.2. Mạch nguồn cung cấp cho cửa tự động 52
Hình 4.3. Mạch cầu H thay đổi chiều động cơ 53
Hình 4.4. Mạch lấy tín hiệu từ cảm biến cho cửa tự động 54
Hình 4.5. Mạch điều khiển cửa tự động 54

Hình 4.6. Công tắc hành trình 55
Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán của mạch cửa tự động 56
Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch cửa tự động 57
Hình 4.9. Mô hình cửa tự động thực tế đã làm 58
Hình 5.1. Sơ đồ khối của mạch bơm nước tự động 61
Hình 5.2. Mạch nguồn cung cấp cho mạch điều khiển bơm nước 61
Hình 5.3. Mạch cảm biến mức nước 62
Hình 5.4. Mạch điều khiển máy bơm 63
Hình 5.5. Mạch hiển thị mức nước và cài đặt 64
Hình 5.6. Mạch công suất cấp nguồn cho máy bơm 64
Hình 5.7. Lưu đồ thuật toán của mạch bơm nước tự động 66
Hình 5.8. Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch bơm nước 67
Hình 5.9. Mạch bơm nước đã làm thực tế 68
Hình 6.1. Sơ đồ khối mạch đèn tự động 71
ix

Hình 6.2. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đèn tự động 71
Hình 6.3. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến PIR và LDR 72
Hình 6.4. Khối điều khiển đèn tự động 73
Hình 6.5. Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt đèn sử dụng Rơ le 73
Hình 6.6. Sơ đồ nguyên lý mạch đóng cắt đèn sử dụng Triac 74
Hình 6.7. Lưu đồ thuật toán của mạch đèn tự động 75
Hình 6.8. Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch đèn tự động 76
Hình 6.9. Mạch đèn tự động làm thực tế 77
Hình 7.1. Sơ đồ khối mạch bồn rửa tay tự động 78
Hình 7.2. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hồng ngoại 79
Hình 7.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bồn rửa tay 80
Hình 7.4. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất bồn rửa tay 80
Hình 7.5. Lưu đồ thuật toán mạch bồn rửa tay tự động 81
Hình 7.6. Sơ đồ nguyên lý tổng thể bồn rửa tay tự động 82

Hình 7.7. Mạch bồn rửa tay tự động làm thực tế 83










x

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Chức năng các bit của Port P3 89c52 12
Bảng 2.2. Thông số làm việc của IC555 13
Bảng 2.3. Dòng tối đa và điện áp nghịch của 1 số diode 18
Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa dung lượng ắc quy với dòng điện phóng 41
Bảng 3.2. So sánh ắc quy loại hở và loại kín 42

xi

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên viết tắt Tên đầy đủ Giải thích
UPS
Uninterruptible Power Supply
Hệ thống nguồn cung cấp
liên tục hay đơn giản hơn
là bộ lưu trữ điện dự phòng

PIR Passive InfraRed sensor Bộ cảm biến thụ động
dùng nguồn kích thích là
tia hồng ngoại
LDR Light Dependent Resistor Cảm biến ánh sáng (quang
trở)
RF Radio Frequency Tần số sóng vô tuyến
LED Light Emitting Diode Diode phát quang (đèn
Led)
AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều
DC Direct Curent Dòng điện một chiều
IC Intergrated Circuit Vi mạch
RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu
nhiên

ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc



1


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Nhà thông minh đang là một xu hướng đang phát triển trong việc xây dựng các
công trình nhà ở, các căn hộ, hay các trung tâm thương mại. Từ lâu, nó đã là một đề tài
thu hút được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như cộng
đồng.
Mặt khác, đời sống về vật chất cũng như tinh thần của xã hội ngày càng được
nâng lên một cách rõ rệt thì nhu cầu của xã hội cũng sẽ tăng lên, xã hội sẽ hướng đến
những thiết bị vừa gần gũi vừa hoạt động tiện ích tạo cho họ cảm giác thoải mái và
thuận lợi hơn, giải quyết công việc một cách khoa học hơn.
Các mạch điện hay các sản phẩm thông minh, tự động hóa đang ngày càng đi
vào đời sống người dân và mang tính thực tiễn rất cao.
Được sự chỉ dạy tận tình của các thầy cô có chuyên môn trong khoa Điện- Điện
Tử Trường Đại Học Nha Trang và xuất phát từ nhu cầu thực tế trong xã hội, em chọn
đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thống cửa. Hệ thống chiếu
sáng và cung cấp điện từ nguồn dự phòng một chiều cho ngôi nhà thông minh ”
để phần nào ứng dụng những thiết bị thông minh tự động vào trong cuộc sống hàng
ngày, giải quyết công việc một cách tiện lợi và tốt nhất.
Với tiêu chí đó, đồ án này sẽ trình bày và thiết kế một số mạch điện tự động
hóa thông minh trong một ngôi nhà “Smart House”. Đây là một đề tài bao gồm cả cơ
khí, điện tử và lập trình điều khiển, đòi hỏi sự chính xác cao và có thể ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực mang lại hiệu quả cao.

1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Từ các cơ sở lý thuyết, tạo ra được các sản phẩm mang tính thực tiễn và tiện
dụng trong ngôi nhà thông minh và có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác trong xã
hội.
Nghiên cứu các loại cảm biến, IC, và các loại linh kiện điện tử để thiết kế mạch
và tối ưu hóa mạch điện nhằm tăng sự tiện dụng và nhỏ gọn cho sản phẩm tạo ra phù
hợp với nhu cầu của xã hội.
2


1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
o Đối tượng nghiên cứu: Các thiết bị và sản phẩm trong ngôi nhà thông minh. Do
số lượng thiết bị trong một ngôi nhà tương đối nhiều nên không thể thi công được
toàn bộ các thiết bị đó mà chỉ tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công một số
sản phẩm mang tính chất thực tiễn và quan trọng trong ngôi nhà như bộ nguồn
UPS, đèn, bơm nước, cửa và bồn rửa tay bằng các linh kiện điện tử.
o Phạm vi nghiên cứu: Nhà thông minh
o Nơi thực hiện: Phòng thí nghiệm Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Nha
Trang
1.4. NỘI DUNG THỰC HIỆN
Nội dung chính được chia thành 8 chương với nội dung từng chương như sau:
o Chương 1 : Tổng quan.
Chương này nói về lý do chọn đề tài, mục đích và phạm vi, cách thức thực hiện
đề tài cũng như trình bày sơ qua về ngôi nhà thông minh, tự động hóa.
o Chương 2: Cơ sở lý thuyết và các thông số của các linh kiện chính dùng trong
mạch.
Chương này nói về lý thuyết các nguyên tắc chỉnh lưu, nghịch lưu. Nguyên lý
làm việc, sơ đồ chân và cách mắc của các loại linh kiện chính dùng trong đồ án.
o Chương 3: Mạch điều khiển tự động chuyển điện một chiều từ nguồn dự phòng
thành điện xoay chiều cung cấp cho các thiết bị trong gia đình.

Chương này nói về lý thuyết và ưu nhược điểm của các loại UPS hiện có trên
thị trường. Tính toán, thiết kế và thi công mạch tự động chuyển điện một chiều
từ nguồn dự phòng là ắc quy 12VDC sang nguồn điện 220VAC 50Hz cung cấp
thay cho nguồn điện lưới, hòa đồng bộ giữa nguồn điện lưới và nguồn ắc quy
này.
o Chương 4: Mạch điều khiển cửa tự động dùng cảm biến thân nhiệt PIR.
Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch cửa tự động
dùng cảm biến thân nhiệt PIR.
o Chương 5: Mạch điều khiển bơm nước tự động có bảo vệ bơm không tải.
3


Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch bơm nước tự
động với 8 mức cài đặt và có bảo vệ bơm không tải khi bơm hoạt động mà
không có nước.
o Chương 6: Mạch điều khiển đèn tự động dùng cảm biến thân nhiệt PIR kết hợp
với quang trở LDR.
Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch đèn tự động bật
khi có người với điều kiện ánh sáng không đủ. Cảm biến dùng là kết hợp giữa
cảm biến ánh sáng LDR với cảm biến thân nhiệt PIR.
o Chương 7: Mạch điều khiển bồn rửa tay tự động dùng cảm biến hồng ngoại.
Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch bồn rửa tự động
dùng cảm biến hồng ngoại.
o Đánh giá kết quả nghiên cứu và phương hướng phát triển của đề tài.
Phần này đánh giá kết quả nghiên cứu được, đồng thời nêu phương hướng để
nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện thêm cho đề tài.
1.5. GIỚI THIỆU VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH
Bạn đã từng nghe hoặc từng được bước chân vào một ngôi nhà thông minh nào
đó chưa? Chắc chắn đó sẽ là những trải nghiệm hết sức thú vị về sự phát triển của
khoa học kỹ thuật và công nghệ hiện đại mang lại cho cuộc sống của con người khi

bạn đặt chân tới ngôi nhà thông minh tiện dụng.
Nhà thông minh (Smart home hoặc Intellihome) là kiểu nhà được lắp đặt các thiết
bị điện, điện tử có tác dụng tự động hoá hoàn toàn hoặc bán tự động, thay thế con
người trong việc thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển.
Nhà thông minh đã được ứng dụng rất nhiều trên thế giới và trong những năm gần
đây đã xuất hiện nhiều ở Việt Nam. Ví dụ như trong Triển lãm thành tựu kinh tế - xã
hội Việt Nam và Thăng Long - Hà Nội 2010, Bkav đã giới thiệu Hệ thống nhà thông
minh SmartHome. Đây là một trong những công trình công nghệ cao hoàn toàn do các
kỹ sư và chuyên gia của Công ty đầu tư phát triển công nghệ ngôi nhà thông minh
Bkav SmartHome (công ty thành viên của Bkav) nghiên cứu và sản xuất; Trường ĐH
Công nghệ (ĐHQG Hà Nội) cũng đã thành công với đề tài nghiên cứu về nhà thông
minh thuộc KC.03/06-10; Hay như Cisco Systems Việt Nam đã đưa ra thị trường giải
4


pháp tòa nhà thông minh CCRE (Cisco Connected Real Estate); và gần đây nhất là hội
thảo về Giải pháp nhà thông minh do Công ty Cổ phần Biển Bạc phối hợp với các đối
tác tổ chức vào ngày 23/02/2011 tại Hà Nội đã thu hút được đông đảo khách quan tâm
tham dự…v…v
Với việc sử dụng công nghệ nhà thông minh, chủ nhà có thể dễ dàng quản lý các
thiết bị điện, điện tử trong nhà ( điều hòa, đèn, rèm, ) thông qua iphone, ipad, PC và
màn hình cảm ứng. Chúng ta có thể liệt kê một số các thiết bị thông minh như sau:
o Đèn tự động bật tắt khi có người hoặc không có người
o Mạch bơm nước tự động có bảo vệ bơm không tải
o Mạch bồn rửa tay tự động
o Cửa tự động
o Rèm cửa tự động
o Mái hiên thông minh tự động che khi có trời mưa
o Hệ thống điều khiển từ xa và điều khiển bằng màn hình cảm ứng
o Quản lý các thiết bị trong ngôi nhà thông qua mạng internet hoặc điện thoại

smart phone…

5


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC LINH KIỆN
CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.1. Cấu trúc và tham số của nguồn một chiều

Hình 2.1. Sơ đồ khối của mạch nguồn một chiều
a) Chức năng các khối:
- Máy biến áp có nhiệm vụ chuyển từ điện áp qui chuẩn của lưới điện sang điện áp phù
hợp với tải. Máy biến áp còn có nhiệm vụ biến từ số pha qui chuẩn của lưới điện sang
số pha phù hợp với mạch chỉnh lưu.
Mạch chỉnh lưu: Ở đây các van bán dẫn được đấu với nhau thành mạch sao cho tiến
hành được quá trình chỉnh lưu.
Chú ý: Mạch van là mạch bắt buộc phải có trong thiết bị chỉnh lưu. Trong khi đó MBA
có thể có hoặc không.
- Lọc: Có nhiệm vụ làm bằng phẳng điện áp hoặc dòng điện ra tải theo yêu cầu của tải.
b) Phân loại:
Mạch chỉnh lưu được phân loại theo các dấu hiệu sau:
- Theo số pha nguồn đưa tới mạch van: m
2
= 1,2,3,6,12…
- Theo sơ đồ đấu mạch van : hình tia hoặc hình cầu
Sơ đồ hình tia: Số lượng van = số pha nguồn ( n=m
2

)
Sơ đồ hình cầu: Số lượng van = 2 lần số pha nguồn ( n= 2m
2
)
- Theo loại van được sử dụng
Chỉnh lưu không điều khiển: Van là điôt
Chỉnh lưu điều khiển: Van là Thyristo
Chỉnh lưu bán điều khiển: Van là Thyristo + Điôt.
c) Các tham số của mạch chỉnh lưu:
 Nhóm tham số tải:
Biến áp Mạch chỉnh lưu Lọc
Tải

6


U
d
: giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu
I
d
: giá trị trung bình của dòng điện nhận được ngay sau mạch van
         








2
0
2
00
2
1
2
11
datdtadtta
T
A
T
tb


P
d
= U
d
. I
d
; P
d
: công suất một chiều đưa ra tải
 Nhóm tham số van:
Dòng trung bình qua van: I
tbv

Điện áp ngược cực đại: U
ngược van

 Nhóm tham số nguồn:
Công suất từ lưới điện công suất MBA
S
biến áp
=
2
21
SS 

S
1
: Công suất phía sơ c
ấp MBA → S
1
= U
1
I
1

S
2
: Công su
ất phía thứ cấp MBA → S
2
=
i
m
i
IU

2
1
2

( m: số cuộn thứ cấp)
 Tham số phụ :
- Hệ số đập mạch:
o
m
đm
U
U
K
1


U
1m
: Biên độ sóng hài bậc một theo khai triển Furiê của điện áp U
d

U
o
: Là thành phần không đổi, cũng theo khai triển trên
- Hệ số san bằng: Dùng để đánh giá hiệu quả của bộ lọc, do đó nó được tính như
sau:
dmra
dmvao
sb
K

K
K 

Chú ý: Nếu K
sb
càng lớn càng tốt thì K
đm
càng nhỏ càng tốt.
2.1.2. Chỉnh lưu cầu một pha
Mạch chỉnh lưu cầu biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào
thành một chiều. Do đó nó có hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên trong mạch điện không có
điểm giữa của biến áp người ta sẽ cần đến 4 điốt thay vì một như trong mạch chỉnh lưu
nửa sóng. Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2 điốt để chỉnh lưu,
thí dụ như 1 cho trường hợp điểm X dương, và 1 cho trường hợp điểm X âm. Đầu ra
7

còn lại cũng cần chính xác như thế, kết quả là phải cần đến 4 điốt. Các điốt dùng cho
kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lưu.

Hình 2.2. Chỉnh lưu cầu 1 pha
Bộ chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả 2 nửa chu kỳ thành một điện áp đầu ra có
một chiều duy nhất: Dương (hoặc Âm) vì nó chuyển hướng đi của dòng điện của nửa
chu kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều.

Hình 2.3. Nguyên lý và đồ thị dạng áp ra của chỉnh lưu cầu 1 pha
Mạch chỉnh lưu gồm 4 van đấu thành 2 nhóm: Đ
1
Đ
3
nhóm catot chung; Đ

2
Đ
4
nhóm
anot chung.
0 ÷ π, u
2
> 0 Đ
1
Đ
2
dẫn, Đ
3
Đ
4
khóa
π ÷ 2π; u
2
< 0 Đ
1
Đ
2
khóa, Đ
3
Đ
4
dẫn
Tải luôn nhận được điện áp một chiều, ta cũng có
22
9,0

22
UUU
d


;
d
d
d
R
U
I 
Tuy nhiên điện áp ngược trên mỗi van chỉ bằng điện áp nguồn U
2
:
2max
2UU
ng


Sơ đồ này ứng dụng khá rộng rãi trong thực tế với tải nhỏ và trung bình.
2.1.3. Nghịch lưu một pha
Nghịch lưu là quá trình biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay
chiều với điện áp và tần số ngõ ra có thể thay đổi cung cấp cho tải xoay chiều.
8


 Nghịch lưu phụ thuộc:
Nghịch lưu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống như chỉnh lưu có điều khiển.
mạch nghịch lưu phụ thuộc là mạch chỉnh lưu trong đó có nguồn một chiều được đổi

dấu so với chỉnh lưu và góc mở α của các tiristo thỏa mãn điều kiện (π/2<α<π) lúc đó
công suất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay. Tần số và điện áp nghịch lưu
này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều. Sơ đồ như sau :

Hình 2.4. Sơ đồ mạch nghịch lưu phụ thuộc
Ta có thể coi U
dα
như nguồn một chiều thay thế tương đương cho mạch van và
nguồn xoay chiều phía trước.
Một nguồn suất điện động nào đó có thể là phát năng lượng hay nhận năng lượng
tuỳ theo chiều dòng điện và chiều suất điện động nào đó.
- Nếu chiều dòng điện
e
i

trùng chiều suất điện động
E

: Nguồn E phát năng lượng P
n

- Nếu chiều dòng điện
e
i

ngược chiều suất điện động
E

: Nguồn E nhận năng lượng
P

n
.
Từ nguyên tắc này ta thấy rằng muốn có nghịch lưu cần có hai điều kiện:
- Để phía một chiều là phát năng lượng thì ta phải làm cho chiều
d
E

và
d
i

trùng nhau.
- Để phía xoay chiều nhận năng lượng, tức nguồn

U
d
nhận năng lượng thì chiều
dòng i
d
phải ngược chiều nguồn U
d
.
Khi giữ nguyên mạch van chỉnh lưu, tức là giữ chiều dòng i
d
, ta buộc phải:
- Thực hiện điều kiện 1 bằng cách đảo chiều E
d

- Thực hiện điều kiện 2 bằng cách đảo chiều U
dα

, tức U
dα
< 0. Mà: U
dα
= U
do
cosα =>
cần điều chỉnh để α > 90
o
Khi giữ nguyên chiều E
d
, cần:
- Đảo chiều dòng điện i
d
bằng cách đưa vào mạch van thứ II ngược vơi mạch van
chỉnh lưu I
- Điều kiện 2 đảm bảo khi α > 90
0

Với điều kiện α > 90
0
thì chỉ có các mạch có quy luật


cos
0dd
UU  mới cho phép
chạy ở chế độ nghịch lưu.
9

 Nghịch lưu độc lập:
Nghịch lưu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập
(không phụ thuộc vào lưới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tùy ý. Tần số
và điện áp nghịch lưu nói chung có thể điều chỉnh tùy ý. Có hai dạng sơ đồ nghịch lưu
độc lập là mạch cầu và mạch dùng biến đổi áp có trung tính. Sơ đồ nghịch lưu độc lập
được chia làm 2 loại cơ bản :
- Nghịch lưu song song và nối tiếp
- Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp
Cụ thể với nghịch lưu áp 1 pha như sau:

Hình 2.5. Sơ đồ nghịch lưu áp độc lập 1 pha
0 ÷ θ
2
: cặp van T
1
, T
2
dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn, do nguồn là nguồn áp
nên điệp áp trên tải U
1
= E (hướng dòng điện là đường nét đậm).
0 ÷ θ
2
, T
1
, T
2
khóa, T
3

,

T
4
mở ra. Tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại,
tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và U
1
= - E. Do tải mang tính trở cảm nên dòng
vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm), T
1
, T
2
đã bị khóa, nên dòng phải khép
mạch qua D
3
, D
4
. Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng
thông qua D
3
, D
4
về tụ C (đường nét đứt ).
Tương tự như vậy khi khóa cặp T
3
và

T
4
dòng tải sẽ khép mạch qua D

1
và D
2
. Đồ thị
điện áp U
t
, dòng tải i
t
, dòng qua điôt i
D
và dòng qua tiristo được biểu diễn trên hình.
2.2. THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH
2.2.1. Vi điều khiển 8051
 Họ vi điều khiển MCS-51 do Intel sản xuất đầu tiên vào năm 1980 là các IC thiết
kế cho các ứng dụng hướng điều khiển .Các IC này chính là hệ thống vi xử lý hoàn
10


chỉnh bao gồm các thành phần của hệ vi xử lý : CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp,
điều khiển ngắt.
 MCS-51 là họ vi điều khiển sử dụng cơ chế CISC (Complex Instruction Set
Computer), có độ dài và thời gian thực thi của các tập lệnh khác nhau. Tập lệnh
cung cấp cho MCS-51 có các lệnh dùng cho vi điều khiển xuất/nhập tác động đến
từng bit.
 Đối với loại 89C52
8KB PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có khả
năng tới 1000 chu kỳ ghi xóa.
Tần số hoạt động từ : 0Hz đến 24 MHz.
- 256 Byte RAM nội.
- 4 Port xuất/nhập I/O 8 bit.

- 3 bộ Timer/Counter 16 bit: 0, 1, 2.
- 8 nguồn ngắt.
- Giao tiếp nối tiếp điều khiển bằng phần cứng.
- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài.
- Cho phép xử lý bit.
- 4µs cho hoạt động nhân hoặc chia.
- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit.

Hình 2.6. Sơ đồ chân của Vi điều khiển 8051 loại 20 và 40 chân
 PORT 0: Là port có 2 chức năng ở các chân 32-39 của AT89C52:
11


Chức năng IO (xuất/nhập): Dùng cho các thiết kế nhỏ. Tuy nhiên, khi dùng chức
năng này thì Port 0 phải dùng thêm các điện trở kéo lên (pull-up), giá trị của điện
trở phụ thuộc vào thành phần kết nối với Port.
o Khi dùng làm ngõ ra, Port 0 có thể kéo được 8 ngõ TTL.
o Khi dùng làm ngõ vào, Port 0 pải được set mức logic 1 trước đó.
Chức năng địa chỉ/dữ liệu đa hợp:khi dùng các thiết kế lớn, đòi hỏi phải sử dụng
bộ nhớ ngoài thì Port 0 vừa là bus dữ liệu (8 bit), vừa là bus địa chỉ (8 bit thấp).
Ngoài ra khi lập trình cho AT89C52, Port 0 còn dùng để nhận mã khi lập trình và
xuất mã khi kiểm tra (quá trình kiểm tra đòi hỏi phải có điện trở kéo lên).
 Port 1: (chân 1-8) Ngoài chức năng là IO, chân P1.0 và chân P1.1 dùng cho bộ
định thời thứ 3.
Tại Port 1 đã có điện trở kéo lêm nên không cần thêm điện trở ngoài. Port 1 có khả
năng kéo được 4 ngõ TTL và còn dùng làm 8 bit địa chỉ thấp trong quá trình lập
trình hay kiểm tra.
Khi dùng làm ngõ vào, Port 1 phải được set mức logic 1 trước đó.
 Port 2: (chân 21-28) Là Port có 2 chức năng:
Chức năng IO (xuất/nhập) : có khả năng kéo được 4 ngõ TTL. Khi dùng làm ngõ

vào, Port 2 phải được set mức logic 1 trước đó.
Chức năng địa chỉ: dùng làm 8 bit địa chỉ cao khi cần bộ nhớ ngoài có địa chỉ 16 bit.
Khi đó, Port2 không được dùng cho mục đích IO.
Khi lập trình, Port 2 dùng làm 8 bit địa chỉ cao hay một số tín hiệu điều khiển.
 Port 3: (chân 10-17) Là Port có 2 chức năng:
Chức năng IO: có khả năng kéo được 4 ngõ TTL. Khi dùng làm ngõ vào, Port 3
phải được set mức logic 1 trước đó.
Đặc biệt các chân trong port P3 có thể được dùng để ghép nối với máy tính để điều
khiển thông qua Visua Basic thông qua giao diện được lập trình trên máy tính.
Tên và chức năng của các bit trong Port P3 được trình bày trong bảng sau: