thiết kế mạch cảm biến ánh sáng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
***

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1
ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch điện tự động bật ,tắt đèn sử dụng quang
trở.
Nhóm sinh viên thực hiện: Phùng Tuấn Anh
Nguyễn Đức Thịnh

Giảng viên hướng dẫn

MSSV: 20130213
MSSV: 20133761

: PGS.Nguyễn Quốc Cường

HàNội, ngày 31tháng 10 năm 2014


ĐỒ ÁN I

Yêu cầu:Trong thực tế hiện nay, việc sử dụng công tắc điều khiển thiết bị trở nên
lỗi thời, người ta muốn thiết bị điện của họ phải trở nên thông minh hơn. Vì thế,
thiết bị tự động bật, tắt đèn khi nhận biết môi trường cần ánh sáng trở nên phổ
biến hơn.
Trước yêu cầu này, chúng em thiết kế ra mạch điện tử tự động nhận biết cường độ
ánh sáng để điều khiển bật, tắt đèn led sử dụng quang trở.

I.

II.

Yêu cầu thiết kế

− Tự động nhận biết cường độ ánh sáng đủ nhỏ để bật đèn, đủ lớn để tắt đèn
led.
− Mạch điện thực hiện sử dụng quang trở Cds
− Sử dụng IC để khuếch đại, so sánh: LM358
− Mạch có trễ.
− Hoạt động ổn định.
− Đơn giản, thiết kế gọn, tiết kiệm chi phí.

Tính toán thiết kế

a) Quang trở Cds:

− Chọn quang trở Cds
− Chọn nguồn cấp Ucc = +5V
− Chọn biến trở 1kΩ để điều chỉnh điện áp Vcds theo độ sáng trong thực tế cho
phù hợp


ĐỒ ÁN I

b) Khuếch đại không đảo: Dùng để khuếch đại một điện áp (nhân với một hằng số
lớn hơn 1).

− Chọn nguồn cấp cho IC LM358 là nguồn đơn +5V
− Điện áp vào đầu + là Vcds, điện áp ra là Vin (điện áp vào mạch so sánh
Trigger Schmitt)

− Công thức tính toán:
Vin = Vcds ( )
− ChọnR4 = R3 = 1k => Vin = 2.Vcds
c) Khuếch đại lặp điện áp: Được sử dụng như một bộ khuếch đại đệm, để giới hạn
những ảnh hưởng của tải hay để phối hợp tổng trở (nối giữa một linh kiện có
tổng trở nguồn lớn với một linh kiện khác có tổng trở vào thấp). Do có hồi tiếp
âm sâu, mạch này có khuynh hướng không ổn định khi tải có tính dung cao.
Điều này có thể ngăn ngừa bằng cách nối với tải qua 1 điện trở.


ĐỒ ÁN I

− Chọn nguồn cấp cho IC LM358 là nguồn đơn +5V.
− Chọn đầu vào V+ = +5V
− Đầu ra VREF = 3,5V
d) So sánh Trigger Schmitt đảo: Là mạch so sánh điện áp dùng IC khuếch đại thuật toán,
so sánh biên độ điện áp đưa vào với một điện áp chuẩn (Uch hoặc Uref) có cực tính có
thể dương hay âm. Thông thường điện áp chuẩn đã được xác định trước.

− Chọn nguồn cấp cho IC LM358 là nguồn đơn +5V.
− Điện áp đầu ra có 2 trạng thái UOH = 3,5 và UOL = 0.(trong thực tế UOL = 0,5)
− Cần phải tính toán điện áp đầu vào UI với 2 trạng thái chuyển trạng thái UOH
và UOL

− Công thức tính toán:


ĐỒ ÁN I
Vin= R156 + )
− Cần tính toán R1, R5, R6 theo Vin, tuy nhiên ở đây tính toán ngược lại với

phần cứng phù hợp thực tế.
− Chọn R1 = R2 = R3 = 1kΩ

VOH = 5V => VIH = 2,833 V
VOH = 0V => VIH =1,167 V

e) Led

− Chọn Led ở đầu ra của mạch so sánh, đệm 1 điện trở R 2 = 47Ω về đất.

III. Triển khai
a) Mô phỏng: thực hiện mô phỏng trên Proteus 8.3


ĐỒ ÁN I

Chạy mô phỏng:

Vref = 3,51023 V

Điểm lật trạng thái thứ nhất: VOH = 3,4707 và VIL = 0,8186


ĐỒ ÁN I

Điểm lật trạng thái thứ 2: VOL = 0,0102 và VIH = 2,45193

Đồ thị mô phỏng Oscillocope.

ĐỒ ÁN I

b) Hardware
• Nguồn cấp: Dùng nguồn cấp 5V, cắm vào Header của mạch
• Chiết áp: là một biến trở điều chỉnh dải điện áp của quang trở cho phù hợp
• Quang trở

− Là điện trở có trị số càng giảm khi được chiếu sáng càng mạnh. Điện trở tối
(khi không được chiếu sáng - ở trong bóng tối) thường trên 1MΩ, trị số này
giảm rất nhỏ có thể dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh.
− Thông số chính:
• Điện áp tối đa : 250V
• Công suất tối đa : 200mW
• Dải điện trở sáng : 10 ~ 20K
• Trở kháng tối
: 2MΩ
• Dải nhiệt độ
: -30 ~ +70 °C

− Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán
dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát
sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của
chất bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở tùy thuộc vào
vật liệu dùng trong chế tạo.


ĐỒ ÁN I

− Về phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một năng lượng
E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện. Như vậy năng lượng

cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dải cấm.Quang điện trở được dùng
rất phổ biến trong các mạch điều khiển.

•IC LM 358: LM358 là ic khuếch đại thuật toán (OPAM) tích hợp 2 kệnh riêng
biệt.

− Thông số chính

• Dải nguồn 3-32V với nguồn đơn, 1.5-16V với nguồn đôi
• Độ lợi khuếch đại DC 100dB
• Dải tần hoạt động 1MHz
• Điện áp ngõ ra từ 0V đến Vcc(+)-1.5V
− Ở mạch này ta cấp nguồn đơn +5V cho IC


ĐỒ ÁN I

• Vẽ mạch bằng Altium:

IV. Kết quả thực nghiệm.
a) Board test


ĐỒ ÁN I

VOH = 3,25 V
VOL = 0,48 V
VREF = 3,49 V
VIH khoảng 2,3V
VIL khoảng 1,2V

=> kết quả trễ không quá lớn
b) Mạch thực

VOH = 3,14 V
VOL = 0,6 V


ĐỒ ÁN I
VREF = 3,47 V
VIH khoảng 3,7V
VIL khoảng 2,7V
=> kết quả trễ lớn

V. Tài liệu tham khảo
- Giáo trình điện tử tương tự (Nguyễn Trinh Đường – Lê Hải Sâm – Lương Ngọc

Hải – Nguyễn Quốc Cường – nhà xuất bản giáo dục Việt Nam)
- Datasheet của IC LM358 tại web: />- Các trang web làm học vẽ mạch, làm mạch in.