Nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh, ứng dụng xây dựng mô hình mô phỏng một số chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ
rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Đoàn Chiến Thắng

i


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo ở khoa Điện –
Điện tử tàu biển, trường đại học Hàng Hải Việt Nam, đã đóng góp nhiều ý kiến
quan trọng để tác giả hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô giáo của khoa đào tạo Sau Đại
Học đã tạo điều kiện và khích lệ để tác giả hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. LƯU KIM THÀNH của
khoa Điện – Điện tử trường đại học Hàng Hải đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác
giả hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả xin cảm ơn các Thầy giáo, các anh chị em phòng thí nghiệm, trường
đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tác giả thực hiện
thành công bản luận văn.
Những lời cảm ơn chân thành tiếp theo xin được đến tới gia đình và bạn bè,
những người đã luôn động viên, khuyến khích và chia sẻ khó khăn trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu khoa học của mình.

ii

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt
LED
ADC
PWM

Giải thích
Light Emitting Diode
Analog Digital Converter
Pulse Width Modulation

iii


DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Số hình
1.1
1.2

Tên hình
Trang
Dải sóng quang học của ánh sáng
4
Mật độ phân bố quang thông của một nguồn sáng theo một 5

1.3
1.4

hướng nhất định.

Nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc α = 0 6
Nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc α bất 6

1.5
1.6
1.7
1.8
2.1

kì
Phân loại nguồn sáng
Bóng đèn sợi đốt
Bóng đèn LED
Các dạng đèn ống Huỳnh quang
Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển và giám sát của hệ

10
12
13
14
17

2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9

2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23
2.24
2.25
2.26
2.27

thống chiếu sáng thông minh.
Nguồn cấp cho mạch điều khiển
Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm
Cấu trúc của vi điều khiển AVR
Sơ đồ cấu trúc bộ định thời của vi điều khiển Atmega 8.
Cấu trúc của bộ đếm của vi điều khiển Atmega 8.
Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra
Sơ đồ khối của bộ UART
Sơ đồ nguyên lý khối đầu vào
Cảm biến quang điện trở
Cảm biến chuyển động PIR

Nguyên lý hoạt động của PIR phát hiện chuyển động
Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của cảm biến PIR
Tia nhiệt
Vật liệu pyroelectric cảm ứng với tia nhiệt
Kính hội tụ mặt lồi được dùng trong cảm biến PIR
Cảm biến tiệm cận
Cấu tạo cảu cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận có đầu ra Transistor kiểu DC – 3 dây
Cảm biến tiệm cận có đầu ra Transistor kiểu DC – 2 dây
Khoảng cách phát hiện của cảm biến tiệm cận
Ảnh hưởng của kích thước vật đến cảm biến tiệm cận
Khoảng cách phát hiện – độ trễ của cảm biến tiệm cận
Sơ đồ khối đầu ra.
Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông
Sơ đồ chân và hình ảnh của vi mạch MAX485
Sơ đồ kết nối các điểm đầu cuối sử dụng mạng RS485

18
19
19
22
23
23
24
25
26
27
27
28
28

29
30
31
31
32
32
33
34
34
35
36
36
37

iv


2.28

Sơ đồ nguyên lý của Module xây dựng trên phần mềm 38

2.29
3.0
3.1

Orcad.
Hình ảnh của hoàn thiện của Module
39
Hình ảnh của hoàn thiện Module
38

Lưu đồ thuật toán mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu 39

3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11

sáng thông minh
Lưu đồ thuật toán giao tiếp với máy tính
Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu trên máy tính
Lưu đồ thuật toán truyền dữ liệu trên máy tính
Giao diện giám sát hệ thống chiếu sáng
Lựa chọn chế độ hoạt động
Chế độ điều chỉnh bằng tay
Thay đổi cường độ sáng trong chế độ bằng tay
Điều khiển bật/tắt tất cả các đèn
Giám sát công suất của hệ thống đèn
Cấu trúc một chương trình C#

41
43
44
45
46

46
47
48
48
51

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................1
2. Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài................................................................1
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài...........................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................1
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài..................................................................................2
Ánh sáng....................................................................................................................3
1.3. Bộ đèn...............................................................................................................10
1.3.1. Khái niệm.....................................................................................................10
Đèn huỳnh quang.....................................................................................................13
1.4.1. Thiết kế chiếu sáng nội thất...........................................................................16
1.4.2. Thiết kế chiếu sáng bên ngoài.......................................................................16
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................54

v


vi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Để phục vụ các hoạt động về ban đêm, con người sử dụng các loại ánh sáng
nhân tạo. Với các hệ thống ánh sáng nhân tạo để đảm bảo mạng lưới đó luôn được
duy trì và hoạt động hiệu quả cần lặp đặt một hệ thống chiếu sáng thông minh vì
nó không những đảm bảo sự an toàn mà còn đem đến nhiều tiện ích mà con người
hằng ao ước.
Công nghệ đèn chiếu sáng đã có những bước tiến đáng kể trong việc tiết kiệm
điện năng, vấn đề còn lại là việc điều khiển hệ thống chiếu sáng sẽ được thực hiện
sao cho mang lại hiệu quả cao nhất về mặt tiết kiệm năng lượng cũng như các tiện
tích giúp cho cuộc sống của con người được tiện nghi thoải mái hơn.
Cùng với sự phát triển của vi xử lý và công nghệ chế tạo các cảm biến chúng
ta có thể xây dựng được các hệ thống chiếu sáng mang tính “thông minh” cao.
2. Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh, ứng dụng xây dựng
mô hình mô phỏng một số chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh.
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu là cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động, các loại
nguồn sáng, bóng đèn thông minh …. .
Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung nghiên cứu hệ thống điều khiển
chiếu sáng thông minh, xây dựng mô hình mô phỏng một số chức năng của hệ
thống chiếu sáng thông minh .
4. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở tìm hiểu hệ thống chiếu sáng thông minh, hoạt động của các cảm
biến và bóng đèn thông minh. Tác giả đã kế thừa và phát triển kinh nghiệm của
mình cho việc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho hệ thống cụ thể.

1


5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài được ứng dụng dùng trong các ngôi nhà, các garage hoặc có thể được

áp dụng trong lĩnh vực chiếu sáng đường hầm.
Nó cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến hệ thống điều
khiển chiếu sáng thông minh, các thành phần, thiết bị được dùng trong hệ thống
điều khiển chiếu sáng thông minh.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG.
1.1. Giới thiệu
Chiếu sáng là một kỹ thuật đa ngành, trước hết đó là mối quan tâm của các kỹ
sư điện, các nhà nghiên cứu quang và quang phổ học, các cán bộ kỹ thuật của
công ty công trình công cộng và các nhà quản lý đô thị. Chiếu sáng cũng là mối
quan tâm của các nhà kiến trúc, xây dựng và giới mỹ thuật. Nghiên cứu
về chiếu sáng cũng là một công việc của các bác sỹ nhãn khoa,các nhà tâm
lý học, giáo dục thể chất học đường…
Trong thời gian gần đây, với sự ra đời và hoàn thiện của các nguồn sáng hiệu
suất cao, các phương pháp tính toán và công cụ phần mềm chiếu sáng mới, kỹ
thuật chiếu chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sáng chiếu
sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng gọi tắt là chiếu sáng tiện ích.
Theo số liệu thống kê, năm 2005 điện năng sử dụng cho chiếu sáng trên toàn
thế giới là 2650 tỷ kWh, chiếm 19% sản lượng điện. Hoạt động chiếu sáng xảy
ra đồng thời vào giờ cao điểm buổi tối đã khiến cho đồ thị phụ tải của lưới điện
tăng vọt, gây không ít khó khăn cho việc truyền tải và phân phối điện. Chiếu
sáng tiện ích là một giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật
chiếu sáng từ việc sử dụng nguồn sáng có hiệu suất cao, thay thế các loại đèn
sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp bằng đèn compact, sử dụng rộng rãi các loại
đèn huỳnh quang thế hệ mới, sử dụng chấn lưu sắt từ tổn hao thấp và chấn lưu
điện tử, sử dụng tối đa và hiệu quả ánh sáng tự nhiên, điều chỉnh ánh sáng theo
mục đích và yêu cầu sử dụng, nhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo

tiện nghi nhìn. Kết quả chiếu sáng tiện ích phải đạt tiện nghi nhìn tốt nhất, tiết
kiệm năng lượng, hạn chế các loại khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường.
Ánh sáng
Ánh sáng là một bức xạ ( sóng) điện từ nằm trong dải sóng quang học mà
mắt người có thể cảm nhận được

3


Hình 1.1. Dải sóng quang học của ánh sáng
Như có thể quan sát trên dải quang phổ điện từ ở hình 1.1, ánh sáng nhìn
thấy được thể hiện là một dải băng từ tần hẹp nằm giữa ánh sáng của tia cực tím
(UV) và năng lượng hồng ngoại (nhiệt). Những sóng ánh sáng này có khả năng
kích thích võng mạc của mắt, giúp tạo nên cảm giác về thị giác, gọi là khả năng
nhìn.Vì vậy để quan sát được cần có mắt hoạt động bình thường và ánh sáng nhìn
thấy được.
Các đại lượng đo ánh sáng
Khái niệm quang thông là quan niệm đầu tiên của con người có quan hệ với
các nguồn sáng, đó là ngọn nến, là đèn măng sông không cho cùng một lượng ánh
sáng, nhưng khái niệm này không nêu lên bất kỳ sự phân bố ánh sáng trong các
miền khác nhau của không gian, hơn nữa nó không thể đo được.
Điều đó đã thúc đẩy các nhà vật lý Lambert ở thế kỷ 18 đưa ra các cơ sở của
phép đo ánh sáng dựa trên cơ sở quang học, hình học và sinh lý học.
Quang thông F (ф), lumem (lm)
Quang thông là đại luợng đặc trưng cho khả năng phát sáng của một nguồn sáng,
có xét đến sự cảm thụ ánh sáng của mắt nguời hay gọi lâ công suất phát sáng
của mộ nguồn sáng [6].
F =k.Wλ Vλ.dλ

(1.1)

Trong đó:
k = 683lm/w: là hệ số chuyển đổi đơn vị năng luợng sang đơn vị cảm nhận
ánh sáng.
Wλ: là năng luợng bức x
4


Vλ: là độ nhạy tuơng đối của mắt nguời
Cường độ ánh sáng I candela (cd)
Cường độ ánh sáng là đại luợng biểu thị mật độ phân bố quang thông
của một nguồn sáng theo một hướng nhất định [6],[7].
Mật độ phân bố quang thông của một nguồn sáng theo một hướng nhất định
(hình 1.2) được tính theo biều thức:
I=

≈

(1.2)

Trong đó :
F là quang thông (lm)
Ω là góc khối , giá trị cực đại là 4π

Hình 1.2. Mật độ phân bố quang thông của một nguồn sáng theo
một hướng nhất định.
Độ rọi E (lux)
Người ta định nghĩa mật độ quang thông rơi trên bề mặt là độ rọi có đơn vị là
lux [6] :
Elx =

Φ lm
S m2

(1.3)

Hoặc 1 lux = 1 lm/m2
Khi sự chiếu sáng trên bề mặt không đều nên lấy trung bình số học ở các
điểm khác nhau để tính độ rọi trung bình .
Nếu nguồn sáng chiếu thẳng đứng với mặt phẳng chiếu sáng (hình 1.3) ta có:
Ea =

Lux
5


Hình 1.3. Nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc α = 0
Nếu nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc α hình 1.4 ta có :
E=

dΦ
I ⋅ cos α
I ⋅ cos 3 α
=
=
dΩ
r2
h2

(1.4)

Hình 1.4. Nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc α bất kì
Độ chói L (cd/m )
Các nguyên tố diện tích của vật được chiếu sáng nói chung phản xạ ánh sáng
nhận được 1 cách khác nhau và tác động như một nguồn sáng thứ cấp phát ra
cường độ sáng khác nhau theo mọi hướng.
Để đặc trưng cho các quan hệ của nguồn, kể cả nguồn sơ cấp lẫn nguồn thứ
cấp, đối với mắt cần phải thêm vào các cường độ sáng cách xuất hiện ánh sáng.
Độ chói nhìn nguồn sáng là tỉ số giữa cường độ sáng và diện tích biểu diễn
của nguồn sáng [6]:

L( cd / m 2 ) =

Iγ
dI (cd )
=
dS ⋅ cos α (m 2 ) S bK
6

(1.5)


I γ : cường độ sáng theo hướng γ

Trong đó :

SbK : Diện tích biểu khi nhìn nguồn
Khi nguồn sáng là bộ đèn cầu:
S bK = π R 2 =

π ⋅d2
4

(1.6)

Độ tương phản
Đối với con mắt quan sát một vật có độ chói L o trên một nền có độ chói Lf
chỉ có thể phân biệt được ở mức độ chiếu sáng vừa đủ nếu [6]:
C=

L0 − L f
Lf

≥ 0,01

(1.7)

Trong đó : Lo Là độ chói khi nhìn đối tượng
Lf Là độ chói khi nhìn nền
Để phân biệt đối tượng nhìn C ≥ 0,01
Trong thực tế kích thước và mầu sắc cũng tác động đến khả năng phân biệt
của mắt, điều đó kéo theo là mức độ chiếu sáng phù hợp với công trình chiếu sáng.
Tiện nghi nhìn và sự loá mắt
Sự loá mắt là sự suy giảm hoặc tức thời mắt bị mất đi cảm giác nhìn do sự
tương phản quá lớn. Khái niệm này có liên quan đến khái niệm ở trên. Nói chung
người ta chấp nhận độ chói nhỏ nhất để mắt nhìn thấy là:
10-5cd/m2 và bắt đầu gây nên loá mắt ở 5000cd/m2.
Độ nhìn rõ và các tính năng nhìn
Tất nhiên cách chúng ta nhìn thấy các vật phụ thuộc vào độ tương phản của
nó nhưng cũng còn phụ thuộc vào kích thước của vật và độ chói của nền, điều đó

dẫn đến sự kích hoạt của các tế bào hình nón (thị giác ban ngày) hoặc tế bào hình
que (thị giác ban đêm)
Định nghĩa tương phản C = (L0 – Lf)/ Lf chứng tỏ một vật sáng trên nền tối,
C > 0 biến thiên từ 0 → + ∞ , đối với vật trên nền sáng C < 0 biến thiên từ 0 đến -1
Đối với một độ chói của nền và kích thước của vật đã cho ta có thể xác định
ngưỡng tương phản Cs ứng với giá trị cực tiểu của C cho phép phân biệt được vật.
7


Blackwell đã đưa ra quan niệm nhìn rõ như tỷ số C/C s cho phép đánh giá tính năng
nhìn.
Ta cũng nhận thấy rằng dưới vài phần trăm cd/m 2 là thị giác đêm và trên vài
cd/m2 trở lên là thị giác ngày.
Định luật Lambert
Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt hay ánh sáng được phản xạ trên bề mặt
mờ hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt trong mờ, một phần ánh sáng
được mặt này phát lại tuỳ theo hai cách sau đây:
Sự phản xạ hay khúc xạ tuân theo qui định luật của quang hình học hay định
luật Descartes .
Sự phản xạ truyền khuếch tán theo định luật Lambert:
ρ E = Lπ

(1.8)

ρ : hệ số phản xạ

Các hệ số phản xạ thực tế:
Mầu trắng rất sáng, thạch cao trắng ρ = 0,8
Các mầu sáng, mầu trắng nhạt ρ = 0,7
Mầu vàng, xanh lá cây sáng, mầu ximăng ρ = 0,5

Các mầu rực rỡ, gạch ρ = 0,3
Các mầu tối kính ρ = 0,1
Nói chung ta gọi độ sáng - µ là tỷ số quang thông phát bởi nguyên tố diện tích
dù là nguyên nhân phát có thể là phản xạ, truyền dẫn có thể là phát xạ nội tại như
màn hình của máy thu hình.
Độ sáng tính bằng lm.m-2 (nhưng không phải là Lux bởi vì đó là quang thông phát
chứ không phải quang thông thu).
Khi độ sáng được khuyếch tán, định luật Lambext được tổng quát là [6]:
µ = Lπ

(1.8)

Lux kế

8


Về nguyên tắc lux kế là dụng cụ để đo tất cả các đại lượng ánh sáng . Dụng
cụ gồm tế bào Sêlen quang điện (pin quang điện) biến đổi các năng lượng nhận
được thành dòng điện và cần được nối vào một miliampe kế.
- Đo cường độ sáng:
Nếu tế bào chỉ được chiếu sáng trực tiếp bằng một nguồn đặt ở khoảng cách r và
toả tia có cường độ sáng I theo phương pháp tuyến với tế bào, biểu thức:
I = E.r2 cho giá trị của cường độ sáng.
Sử dụng phương pháp này rõ ràng bao hàm một điều là không có bất cứ nguồn
thứ cấp nào khác chiếu sáng tế bào như các vật hay các thành phần phản xạ đã
làm, vì thế người ta sơn mặt đen (ρ = 0,05) chỗ tiến hành đo cường độ sáng.
- Đo độ chói
Trong trường hợp sự khuyếch tán của tường là thẳng, biết độ rọi của tường là E ta
xác định được ngay độ chói L nhờ định luật Lambert

Độ tương phản C
Sự chênh lệch độ chói tương đối giữa hai vật để cạnh nhau mà
mắt người có thể phân biệt đuợc gọi là độ tương phản [6]
C = = - 1≥0,01

(1.9)

C ≥ 0,01 thì mắt người có thể phân biệt được hai vật để cạnh nhau
Hiệu suất phát quang H (lm/w)
Hiệu suất phát quang lâ đại luợng đo bằng tỷ số giữa quang thông phát
ra của bóng đèn (F) và công suất điện năng tiêu thụ (P) của bóng đèn
( nguồn sáng ) đó.
1.2. Nguồn sáng.
Nguồn sáng: Có hai loại nguồn sáng, đó là nguồn sáng tự nhiên và nguồn
sáng nhân tạo.
Nguồn sáng tự nhiên: được phát ra từ những thực thể phát sáng trong tự
nhiên như mặt trời, trăng, sao... mà chủ yếu là nguồn sáng từ mặt trời. Chúng ta
không điều khiển được nguồn sáng tự nhiên nhưng có thể thay đổi, điều tiết ánh

9


sáng từ thiên nhiên bằng cách chọn thời điểm, chọn không gian hay những dụng cụ
hỗ trợ để điều chỉnh tính chất và cường độ ánh sáng chiếu tới nơi cần chiếu sáng.
Nguồn sáng nhân tạo là các loại đèn do con người tạo ra, từ các loại thô sơ
nhất là nguồn sáng của lửa đốt như đuốc, nến, đèn dầu... cho tới các loại đèn hiện
đại. Với nguồn sáng nhân tạo, ta có thể chủ động bố trí, điều chỉnh được.
Nguồn sáng điểm: khi khoảng cách từ nguồn ñến mặt phẳng lâm việc lớn
hơn nhiều so với kich thước của nguồn sáng có thể coi là nguồn sáng điểm ( là
nguồn sáng có kích thuớc nhỏ hơn 0,2 khoảng cách chiếu sáng).

Nguồn sáng đuờng: một nguồn sáng được coi là nguồn sáng đường khi
chiều dài của nó đáng kể so với khoảng cách chiếu sáng
Phân loại nguồn sáng
Trong thực tế nguồn sáng được phân loại như hình 1.5

Hình 1.5. Phân loại nguồn sáng
1.3. Bộ đèn
1.3.1. Khái niệm
Bộ đèn là tập hợp các thiết bị quang, điện, cơ khi nhằm thực hiện phân bố ánh
sáng, định vị bảo vệ đèn vá nối đèn với nguồn điện.
Chóa đèn là một bộ phận của bộ đèn, bao gồm các bộ phận dùng để phân bố
ánh sáng, định vị và bảo vệ đèn, lắp đặt dây nối đèn và chấn lưu với nguồn điện.
10


Nói cách khác đèn cộng với choa đèn tạo thành bộ đèn
1.3.2. Cấu tạo một số bộ đèn thông dụng
Thân đèn có chức năng gá lắp các bộ phận của đèn, bảo vệ bóng đèn và các thiết
bị điện kèm theo. Thân đèn phải đáp ứng các yêu cầu sau:
Thuận tiện trong thao tác lắp đặt và bảo dưỡng thiết bị.
Có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và tỏa nhiệt tốt.
Có tính thẩm mỹ
Phản quang có chức năng phân bố lại ánh sáng của bóng đèn phù hợp với mục
đích sử dụng của đèn. Phản quang phải đáp ứng các yêu cầu sau:
Có biến dạng phù hợp
Hệ số phải cao
Có khả năng chống ăn mòn ôxi hóa và chịu nhiệt tốt
Kính đèn có chức năng bảo vệ bóng đèn và phản quang góp phần kiểm soát
phân bố ánh sáng của đèn .Kính đèn phải đáp ứng được các nhu cầu sau :
Có biến dạng phù hợp với phát quang

Hệ số thấu quang phù hợp
Có độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt và chịu tác động của tia
hồng ngoại cực tím
Đui đèn có chức năng cấp điện vào bóng đèn và giữ cho bóng đèn cố định ở
vị trí cần thiết, yêu cầu của đui đèn:
Các tiếp điểm ổn định trong trường hợp có va trạm ,rung
Có khả năng chiu nhiệt tốt
Cứng ,một số trường hợp phải có bộ phận phụ trợ để cố định bóng đèn
Bộ đèn có chức năng tạo ra chế độ điện áp và dòng điện phù hợp với quá
trình làm việc và khởi động .yêu cầu chung của bộ đèn
Các thiết bị phải đồng đều và tương thích với đèn
Có khả năng chịu nhiệt tốt
Tổn hao công suất thấp
Đèn sợi đốt
11


Bóng đèn sợi đốt trong thực tế được thể hiện như hình 1.6

HÌnh 1.6. Bóng đèn sợi đốt
Chiếc bóng đèn sợi đốt, đèn sợi đốt hay gọi ngắn gọn hơn là bóng đèn tròn
là một loại bóng đèn dùng để chiếu sáng, dây tóc là bộ phận chính để phát ra ánh
sang, thông qua vỏ thủy tinh trong suốt. Các dây tóc - bộ phận phát sáng chính của
đèn được bảo vệ bên ngoài bằng một lớp thủy tinh trong suốt hoặc mờ đã được rút
hết không khí và bơm vào các khí trơ. Kích cỡ bóng phải đủ lớn để không bị hơi
nóng của nhiệt tỏa ra làm nổ. Hầu hết bóng đèn đều được lắp vào trong đui đèn,
dòng điện sẽ đi qua đui đèn, qua đuôi đèn kim loại, vào đến dây tóc làm nó nóng
lên và đến mức phát ra ánh sáng. Đèn sợi đốt thường ít được dùng hơn vì công suất
quá lớn (thường là 60W), hiệu suất phát quang rất thấp (chỉ khoảng 5% điện năng
được biến thành quang năng, phần còn lại tỏa nhiệt nên bóng đèn khi sờ vào có

cảm giác nóng và có thể bị bỏng). Đèn dây tóc dùng điện áp từ 1,5 vôn đến 300
vôn.
Thông thường một bóng đèn sợi đốt thường có các thông số sau:
Công suất:

75 W

Điện áp:

240 V

Tuổi thọ:

1000 giờ

Độ sáng:

925 lm

Hiệu suất phát sáng: 12.3 lm/W
Đèn LED
12


Bóng đèn LED trong thực tế được thể hiện như hình 1.7

Hình 1.7. Bóng đèn LED
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là
các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống
như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn

loại n.
Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn.
Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi
ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng
chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử
(điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ
trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư
thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi
chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên
tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay
các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng
phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu
sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất
bán dẫn.
Đèn huỳnh quang
Đèn ống huỳnh quang hay gọi đơn giản là đèn típ gồm điện cực (vonfam) vỏ
đèn và lớp bột huỳnh quang. Ngoài ra, người ta còn bơm vào đèn một ít hơi thủy
13


ngân và khí trơ (neon, argon...) để làm tăng độ bền của điện cực và tạo ánh sáng
màu.

Hình 1.8. Các dạng đèn ống Huỳnh quang
Khi đóng điện, hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực làm phát ra tia tử
ngoại (tia cực tím). Tia tử ngoại tác dụng vào lớp bột huỳnh quang làm đèn phát
sáng. Ngoài ra, để giúp cho hiện tượng phóng điện xảy ra, người ta phải lắp thêm
chấn lưu và tắc te.

Dùng đèn này giúp ta tiết kiệm nhiều điện. Bình quân, dùng đèn huỳnh
quang tiết kiệm hơn đèn sợi đốt 8 đến 10 lần. Hiện nay, ngoài thị trường xuất hiện
đèn huỳnh quang thu nhỏ (còn gọi là compact). Nó cũng rất giống với đèn huỳnh
quang nhưng hiệu suất phát quang cao hơn và tiết kiệm điện năng hữu hiệu hơn.
Hiện có nhiều loại bóng đèn ống huỳnh quang (hình 1.8), chẳng hạn như
bóng T10, T8, T5, T3. T10 là bóng đèn ống huỳnh quang thế hệ cũ, đường kính
40mm, tiêu tốn điện năng 40W, chưa kể chấn lưu sắt từ tiêu thụ khoảng 12W và
tuổi thọ chỉ có 6.000 giờ. Trong khi bóng T8 đường kính 26mm, tiêu thụ điện 36W,
hiệu suất phát quang, tức là hiệu suất biến đổi từ điện năng thành quang năng, tăng
20% và tuổi thọ của T8 là 16.000 giờ. Bóng T5 tiết kiệm hơn T8 và T3 tiết kiệm
hơn T5. Bóng huỳnh quang compact là bóng đèn ống huỳnh quang T3 cuộn loại
thành hình chữ U nối tiếp.
Nguyên tắc hoạt động của bóng đèn ống huỳnh quang là phóng điện trong
khí kém và huỳnh quang thứ cấp. Khi dây tóc bị đốt nóng, các điện tử bật ra ngoài,
chuyển động về cực đối diện cũng là dây tóc nóng sáng được phủ bột điện tử. Nửa
chu kỳ sau, chúng chuyển động theo chiều ngược lại. Nếu trong ống đặt một giọt
14


thuỷ ngân nhỏ hoặc khí krypton thì điện từ va phải phân tử khí hoặc thuỷ ngân, làm
thuỷ ngân hoặc crypton phát sáng, bức xạ phát ra lúc đó là tử ngoại hoặc cực tím có
năng lượng lớn. Hiện tượng này gọi là điện huỳnh quang. Bức xạ cực tím và tử
ngoại tác dụng lên bột huỳnh quang ở thành ống phía trong, làm bột bức xạ ánh
sáng có màu phụ thuộc vào thành phần của bột là những chất gì. Hiện tượng này
gọi là quang huỳnh quang.
Bóng đèn ống huỳnh quang có nhiều màu, ngay cả màu trắng thì cũng có
nhiều màu trắng khác nhau. Riêng bóng đèn ống huỳnh quang triphotpho 100 có
nhiệt độ màu 5.310 độ K, nằm trong phổ nhạy cảm của mắt người ban ngày và độ
trả màu tốt nhất nên rất tốt cho học sinh, sinh viên. Tại học đường cần ánh sáng đều
nêu cần nguồn sáng dài. Bóng T8 phù hợp trong các trường học, các phân xưởng

sản xuất hoặc gia đình nhưng chiếm không gian lớn, điện áp dao động lớn, nhỏ hơn
180 V thì không thể sáng được
Đèn compact
Đèn compact cũng hoạt động trên nguyên tắc đèn ống (đèn tuýp), có nghĩa là
cũng phải đầy đủ chấn lưu, dây tóc v.v.. Nhưng trong đèn compact thì tất cả nhét
gọn vào đuôi đèn. Chính vì vậy mà được gọi là compact. Trong đèn compact thì
thường người ta dùng chấn lưu điện tử nên nhỏ gọn nên lắp trực tiếp vào đui bóng
(hình như có loại đui rời).
Đèn compact cũng như đèn ống tiết kiệm điện vì năng lượng để phát sáng là
chủ yếu chứ không phát nhiệt như trong bóng đèn giây tóc. Sự phát sáng là do tia
cực tím kích thích vào lớp huỳnh quang được sơn bên trong vỏ đèn.

15


1.4 .Thiết kế chiếu sáng
1.4.1. Thiết kế chiếu sáng nội thất
Kỹ thuật chiếu sáng nội thất nghiên cứu các phương pháp thiết kế hệ thống chiếu
sáng nhằm tạo nên môi trường chiếu sáng tiện nghi thẩm mỹ phù hợp với các yêu
cầu sử dụng và tiết kiệm điện năng của các công trình trong nhà
Các bước thiết kế chiếu nội thất
Thiết kế sơ bộ nhằm xác định các giải pháp hình học và quang học về địa
điểm chiếu sáng như kiểu chiếu sáng, lựa chọn loại đèn ,bộ đèn và cách bố trí đèn
số kượng đèn cần thiết
Kiểm tra các điều kiện độ rọi độ chói độ đồng đều theo tiêu chuẩn cảm giác
tiện nghi nhìncuar phương án chiếu sáng
Các yêu cầu cơ bản đối với chiếu sáng nội thất
Đảm bảo độ rọi xác định theo từng loại công việc . Không nên có bóng tối
và độ rọi phải đồng đều
Tạo được ánh sáng giống như ban ngày

Coi trọng yếu tố tiết kiệm điện năng
1.4.2. Thiết kế chiếu sáng bên ngoài
Thành phần chiếu sáng bên ngoài không thể thiếu được trong mọi không gian kiến
trúc đô thị . Bao gồm chiếu sáng giao thông chiếu sáng làm việc và chiếu sáng
trang trí .Ngoài chức năng bảo đảm an toàn cho phương tiện giao thông và an toàn
đô thị vào ban đêm còn góp phần làm đẹp cho công trình kiến trúc
Yêu cầu của thiết kế chiếu sáng bên ngoài
Đảm bảo chức năng định vị hướng dẫn cho các phương tiện tham gia giao
thông
Chất lượng chiếu sáng đáp ứng theo yêu cầu quy định
Có hiệu quả kinh tế cao ,mức tiêu thụ năng lượng thấp tuổi thọ của các thiết bị
chiếu sáng cao
Thuận tiện trong vận hành và duy trì bảo dưỡng

16


CHƯƠNG 2: XÂY DƯNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG MÔ PHỎNG CHỨC
NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH.
2.1. Cấu trúc chung của mô hình mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu
sáng thông minh.
Cấu trúc chung của hệ thống mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông
minh được biểu diễn như hình 2.1

Hình 2.1. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển và giám sát của hệ thống
chiếu sáng thông minh.
Trong cấu trúc hình 2.1 vi điều khiển thực hiện chức năng lưu trữ chương
trình điều khiển và giao tiếp trực tiếp với các modul mở rộng và với máy tính, hoặc
gián tiếp qua mạng với các modul mở rộng để giảm các dây đấu nội bộ. Máy tính
trong hệ thống đóng vai trò thu thập dữ liệu để thực hiện giám sát các trạng thái

của hệ thống chiếu sáng.
Hệ thống chiếu sáng thông minh là hệ thống có khả năng tự động bật đèn khi
phát hiện chuyển động, tự động điều chỉnh độ sáng của đèn cho phù hợp với ánh
sáng tự nhiên.
Một hệ thống chiếu sáng thông minh có thể thực hiện điều khiển các loại
đèn trong nhà theo kịch bản, có thể thực hiện điều khiển, giám sát được hệ thống
với các loại điện thoại thông mình, máy tính bảng….nhiên không đủ cho việc di
chuểnắtu khi b đ qua.
17


2.2. Thiết kế, lựa chọn các thiết bị sử dụng trong mô hình mô phỏng hệ
thống chiếu sáng thông minh.
2.2.1. Các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình.
Khối nguồn
Nguồn cấp cho mô hình sử dụng nguồn ngoài (sử dụng Adapter có điện áp ra
5V cắm trực tiếp vào chân DC in trên mạch) có điện áp là 5VDC. Sơ đồ khối
nguồn của mô hình được thể hiện như hình 2.2
J4

+

VC C

3
2
1

5VDC

-

+

C 9
1000uF

D C IN

C 10
104

Hình 2.2. Nguồn cấp cho mạch điều khiển
Mạch điều khiển sử dụng nguồn nuôi có điện áp 5VDC. Các tụ C9 và C10 là
các tụ lọc nhằm ổn định điện áp một chiều.
Khối điều khiển trung tâm.
Để thực hiện chức năng lưu trữ chương trình điều khiển và giao tiếp trực
tiếp với các modul mở rộng, với máy tính, với “thế giới thực”, hoặc gián tiếp qua
mạng với các modul mở rộng, đồng thời cho phép lưu trữ trạng thái hoạt động của
các động cơ thực hiện khi nguồn động lực bị mất. Ở hệ thống này vi điều khiển
AVR Atmega 8 là trung tâm điều khiển, nó thu thập dữ liệu nhận được từ các đối
tượng, xử lý tín hiệu theo chương trình đã được lập trình, và xuất tín hiệu ra điều
khiển đối tượng và hiển thị các trạng thái của đối tượng. Do đó thuật toán thực hiện
và điều khiển đối tượng có thể được thay đổi một cách mềm dẻo bằng phần mềm.
Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm như hình vẽ 2.3

18


U 3

R XD
TXD
EN

30
31
32
1
2
9
10
11

+5V
C 3
104
L1

R ES

R 15 10

+5V
100uH
10uF

+

C 1
+

6
4
5
3
21
29
18
20

P D 0 (R X D )
P D 1 (T X D )
P D 2 (IN T 0 )
(IN T 1 ) P D 3
(X C K /T 0 ) P D 4
(T 1 ) P D 5
(A IN 0 ) P D 6
(A IN 1 ) P D 7
V
V
G
G
G
P
A
A

C C 1
C C 2
N D 1

N D 2
N D 3
C 6 (/R E S E T )
VC C
R EF

P C 0 (A D C 0 )
P C 1 (A D C 1 )
P C 2 (A D C 2 )
P C 3 (A D C 3 )
P C 4 (A D C 4 /S D A )
P C 5 (A D C 5 /S C L )
AD C 6
AD C 7
(X T A L 2 /T O S C 2 ) P B 7
(X T A L 1 /T O S C 1 ) P B 6
P B 5 (S C K )
(M IS O ) P B 4
(M O S I/O C 2 ) P B 3
(S S /O C 1 B ) P B 2
(O C 1 A ) P B 1
(IC P 1 ) P B 0

23
24
25
26
27
28
19

22
8
7
17
16
15
14
13
12

J10
1
2
3
4
5
AU X
SC K
M IS O
M O SI
PW M1
PW M2

C 2
10uF

ATM EG A8 _TQ F T

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm
Trong khối xử lý trung tâm được thực hiện hiện để xây dựng mô hình vật lý

mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu sáng thông minh tác giả sử dụng vi điều
khiển AVR Atmega 8.
Giới thiệu về vi điều khiển AVR Atmega 8 [7],[8].
Cấu trúc của vi điều khiển AVR được thể hiện như hình 2.4

Hình 2.4. Cấu trúc của vi điều khiển AVR
AVR sử dụng cấu trúc Harvard [7],[8], tách riêng bộ nhớ và các bus cho
chương trình và dữ liệu. Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung
clock. Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash.
19