Môi trường thông minh, nghiên cứu thiết bị đo và điều khiển cường độ ánh sáng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
............XW............

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: ĐO LƯỜNG & CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

MÔI TRƯỜNG THÔNG MINH
NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN
CƯỜNG ĐỘ SÁNG

LAI THỊ VÂN QUYÊN

HÀ NỘI - 2010


MỤC LỤC
Mở đầu...................................................................... Error! Bookmark not defined.
I. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu đề tài................ Error! Bookmark not defined.
II. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước...... Error! Bookmark not defined.
1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước.............. Error! Bookmark not defined.
2. Tình hình nghiên cứu trong nước .............. Error! Bookmark not defined.
Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng............... Error! Bookmark not defined.
1.1. Khái niệm cơ bản về ánh sáng....................... Error! Bookmark not defined.
1.1.1.

Khái niệm ánh sáng. ........................... Error! Bookmark not defined.

1.1.2.

Mắt người và sự cảm thụ ánh sáng..... Error! Bookmark not defined.

1.1.3.

Các đại lượng đo ánh sáng. ................ Error! Bookmark not defined.

1.1.4.

Tiện nghi nhìn .................................... Error! Bookmark not defined.

1.2. Các thiết bị chiếu sáng................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1

Đèn sợi đốt ......................................... Error! Bookmark not defined.

1.2.2

Đèn phóng điện .................................. Error! Bookmark not defined.

1.2.3

Đèn huỳnh quang................................ Error! Bookmark not defined.

1.2.4

Đèn compact....................................... Error! Bookmark not defined.

1.2.5

Đèn cảm ứng điện từ .......................... Error! Bookmark not defined.

1.3. Kết luận chương 1 ......................................... Error! Bookmark not defined.
Chương II. Phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà.........Error!
Bookmark not defined.
2.1. Phân tích bài toán .......................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Phân tích xây dựng cấu hình hệ thống.... Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Các tính năng đặt ra cho sản phẩm của đề tài ....... Error! Bookmark not
defined.
2.1.3. Phân tích lựa chọn linh kiện ................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Thiết kế chi tiết.............................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Thiết kế đầu đo độ rọi, nhiệt độ, độ ẩm.. Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Thiết kế thiết bị điều khiển..................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Thiết kế phần mềm quản lý trên máy tính (trạm điều khiển trung tâm)
.......................................................................... Error! Bookmark not defined.
3


2.3. Kết luận chương 2 .......................................... Error! Bookmark not defined.
Chương III. Kiểm chuẩn thiết bị đo và thử nghiệm hệ thống . Error! Bookmark not
defined.
3.1. Kiểm chuẩn thiết bị đo .................................. Error! Bookmark not defined.
3.2. Thử nghiệm hệ thống..................................... Error! Bookmark not defined.
3.3. Kết luận chương 3. ........................................ Error! Bookmark not defined.
Kết luận chung.......................................................... Error! Bookmark not defined.
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài ....................... Error! Bookmark not defined.
Phụ lục ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
Phụ lục 1. Mạch nguyên lý thiết bị đo độ rọi, nhiệt độ, độ ẩmError! Bookmark not
defined.
Phụ lục 2. Mạch nguyên lý thiết bị điều khiển..... Error! Bookmark not defined.
Phụ lục 3. Một số tìm hiểu và so sánh chuẩn Zigbee với các chuẩn khác…….. 66
Phụ lục 4. Một số tìm hiểu về chíp 24j40 (chíp cho phép truyền Zigbee). ...Error!

Bookmark not defined.
Phụ lục 5. Kết quả kiểm chuẩn phần đo độ rọi..... Error! Bookmark not defined.
Phụ lục 6. Kết quả kiểm chuẩn phần đo nhiệt độ, độ ẩm .... Error! Bookmark not
defined.
Tài liệu tham khảo .................................................... Error! Bookmark not defined.

3


Môi trường thông minh. Nghiên cứu thiết bị đo và điều khiển cường độ sáng

MỤC LỤC
Mở đầu ........................................................................................................................5
I. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu đề tài ..................................................................5
II. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................6
1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................6
2. Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................................7
Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng .................................................................9
1.1. Khái niệm cơ bản về ánh sáng .........................................................................9
1.1.1. Khái niệm ánh sáng...............................................................................9
1.1.2. Mắt người và sự cảm thụ ánh sáng. ....................................................11
1.1.3. Các đại lượng đo ánh sáng..................................................................13
1.1.4. Tiện nghi nhìn .....................................................................................17
1.2. Các thiết bị chiếu sáng ...................................................................................18
1.2.1
Đèn sợi đốt ..........................................................................................18
1.2.2
Đèn phóng điện ...................................................................................19
1.2.3
Đèn huỳnh quang ................................................................................20

1.2.4
Đèn compact .......................................................................................21
1.2.5
Đèn cảm ứng điện từ...........................................................................21
1.3. Kết luận chương 1 ..........................................................................................21
Chương II. Phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà ................23
2.1. Phân tích bài toán ...........................................................................................23
2.1.1. Phân tích xây dựng cấu hình hệ thống ....................................................23
2.1.2. Các tính năng đặt ra cho sản phẩm của đề tài .........................................26
2.1.3. Phân tích lựa chọn linh kiện....................................................................26
2.2. Thiết kế chi tiết...............................................................................................33
2.2.1. Thiết kế đầu đo độ rọi, nhiệt độ, độ ẩm ..................................................33
2.2.2. Thiết kế thiết bị điều khiển .....................................................................37
2.2.3. Thiết kế phần mềm quản lý trên máy tính (trạm điều khiển trung tâm) .47
2.3. Kết luận chương 2 ...........................................................................................60
Chương III. Kiểm chuẩn thiết bị đo và thử nghiệm hệ thống ...................................61
3.1. Kiểm chuẩn thiết bị đo ...................................................................................61
3.2. Thử nghiệm hệ thống .....................................................................................61
3.3. Kết luận chương 3. .........................................................................................62
Kết luận chung ..........................................................................................................63
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài ........................................................................64
Phụ lục.......................................................................................................................65
Phụ lục 1. Mạch nguyên lý thiết bị đo độ rọi, nhiệt độ, độ ẩm.............................65
Phụ lục 2. Mạch nguyên lý thiết bị điều khiển......................................................66
Phụ lục 3. Một số tìm hiểu và so sánh chuẩn Zigbee với các chuẩn khác…….. 66
Phụ lục 4. Một số tìm hiểu về chíp 24j40 (chíp cho phép truyền Zigbee)............67
Phụ lục 5. Kết quả kiểm chuẩn phần đo độ rọi .....................................................77
Phụ lục 6. Kết quả kiểm chuẩn phần đo nhiệt độ, độ ẩm......................................78
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................80

Lai Thị Vân Quyên

-1-


Môi trường thông minh. Nghiên cứu thiết bị đo và điều khiển cường độ sáng

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình M.1. Mô hình chiếu sáng và điều khiển chiếu sáng của hãng Crestron………5
Hình1.1. Phổ của ánh sáng trắng……………………………………………………7
Hình 1.2.Phổ của một số loại ánh sáng……………………………………………...8
Hình 1.3.Cấu tạo của mắt người…………………………………………………….9
Hình 1.4.Trường nhìn của mắt người……………………………………………….9
Hình 1.5. Độ nhạy cảm tương đối của mắt người………………………………….10
Hình 1.6. Bóng đèn sợi đốt………………………………………………………...16
Hình 1.7. Đèn hơi kim loại…………………………………………………………17
Hình 1.8. Đèn huỳnh quang………………………………………………………..18
Hình 1.9. Đèn compact…………………………………………………………….19
Hình 2.1. Mặt bằng sơ đồ phòng học………………………………………………21
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hệ thống đèn trong phòng................26
Hình 2.3.Đặc tuyến đầu ra so với đầu vào khi dùng tải đèn fluorescent…………..28
Hình 2.4. Sơ đồ chân của Atmega16L……………………………………………..31
Hình 2.5. Mối tương quan giữa các modul xây dựng trên máy tính PC ….………48
Hình 2.6. Sơ đồ chân của Atmega16L…………………………………………..…26
Hình 2.7. Sơ đồ khối chính của thiết bị đo………………………………………...31
Hình 2.8. Sơ đồ khối thuật toán của thiết bị đo…………………………………….34
Hình 2.9. Sơ đồ khối thiết bị điều khiển hệ thống đèn…………………………….35
Hình 2.10. Sơ đồ khối thuật toán chương trình main……………………………...39
Hình 2.11. Sơ đồ khối thuật toán xử lý hiển thị màn hình ở chế độ phím bấm ….40
Hình 2.12. Sơ đồ khối thuật toán chương trình ngắt 1s( đọc thời gian thực, hiển thị

màn hình ở trạng thái không có phím bấm, nhấp nháy con trỏ màn hình )............41
Hình 2.13. Sơ đồ khối thuật toán chương trình ngắt đọc phím và xử lý phím …...42
Hình 2.14. Sơ đồ khối thuật toán chương trình ngắt UART ……………………..43
Hình 2.15. Sơ đồ khối thuật toán chương trình ngắt ngoài 2(phát hiện điểm không
của sóng sine) ……………………………………………………………………..44
Hình 2.16. Sơ đồ khối thuật toán chương trình ngắt ngoài 1(ngắt truyền Zigbee) 44

Lai Thị Vân Quyên

-2-


Môi trường thông minh. Nghiên cứu thiết bị đo và điều khiển cường độ sáng

Hình 2.17. Mối tương quan giữa các modul xây dựng trên máy tính …………......45
Hình 2.18. Cửa sổ màn hình chính………………………………………………....46
Hình 2.19. Cửa sổ đặt ngưỡng thông số đo………………………………………...47
Hình 2.20. Cửa sổ đặt thời gian điều khiển đèn .......................................................47
Hình 2.21. Cửa sổ báo cáo thông số môi trường.......................................................48
Hình 2.22. Thuật toán đăng nhập chương trình giám sát trên PC………………….49
Hình 2.23. Thuật toán truyền thông trên máy tính....................................................50
Hình 2.24. Thuật toán đặt thời gian bật tắt đèn…………………………………….51
Hình 2.25. Các bảng, trường cơ sở dữ liệu ở phần mềm trên máy tính....................52
Hình 3.1. Mô hình thử hệ thống thử nghiệm trong phòng thí nghiệm …………….62
Hình P3.1 Sơ đồ cấu trúc chip MRF24J40 ………………………………….......66
Hình P3.2 Tổ chức bộ nhớ SRAM của chip MRF24J40 ………………………..67
Hình P3.3 Không gian thanh ghi điều khiển địa chỉ ngắn ……………………….68
Hình P3.4 Không gian thanh ghi địa chỉ dài …………………………………….69
Hình P3.5 Điều khiển đọc/ghi thanh ghi vùng địa chỉ ngắn qua giao diện SPI …70
Hình P3.6 Điều khiển đọc/ghi thanh ghi vùng địa chỉ dài qua giao diện SPI …..71

Hình P3.7 Cấu trúc bộ đệm phát ………………………………………………..72
Hình P3.8 Cấu trúc bộ đệm thu …………………………………………………73

Lai Thị Vân Quyên

-3-


Môi trường thông minh. Nghiên cứu thiết bị đo và điều khiển cường độ sáng

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng độ rõ tương đối của mắt người……………………………………10
Bảng 2.1. Các mức độ rọi đặc trưng cho các khu vực, công việc khác nhau………22
Bảng 2.2. Đặc tính về điện của SHT75…………………………………………….27
Bảng 2.3. Bảng mô tả các byte trong trường data trong gói bản tin điều khiển đèn.53
Bảng 2. 4. Bảng mô tả các byte trong trường data trong gói bản tin đặt ngưỡng
thông số môi trường…………………………………………………………….…54
Bảng 2. 5. Bảng mô tả các byte trong trường data trong gói bản tin thu thập dữ
liệu…………………………………………………………………………………54
Bảng 2.6. Bảng mô tả các byte trong bộ đệm nhận, truyền theo chuẩn
IEEE802.15.4TM-2003…..………………………………………………………..56
Bảng 2.7. Gói tin yêu cầu số liệu do bộ điều khiển Master gửi đầu đo slave trong
chuẩn Zigbee……………………………………………………………………….57

Lai Thị Vân Quyên

-4-


Chương mở đầu

MỞ ĐẦU
I. MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Chiếu sáng hiện nay đang là một mối quan tâm chung của rất nhiều các kỹ sư
điện, các nhà vật lý nghiên cứu quang và các phổ quang học, các kỹ thuật viên của
các công ty công trình công cộng và các nhà quản lý độ thị, các nhà kiến trúc, xây
dựng và mỹ thuật….Trong thời gian gần đây, với sự ra đời của các nguồn sáng hiệu
suất cao, kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu
sáng tiện ích.
Chiếu sáng tiện ích là chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng. Đây là một
giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng bằng việc sử dụng
nguồn sáng có hiệu suất sáng cao. Các loại đèn sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp
được thay thế bằng đèn compact, các đèn huỳnh quang thế hệ mới cùng với chấn
lưu sắt từ tổn hao thấp và chấn lưu điện tử. Hiệu quả của ánh sáng tự nhiên được sử
dụng tối đa. Kết quả của chiếu sáng tiện ích là ánh sáng được điều chỉnh theo mục
đích và yêu cầu sử dụng nhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi
nhìn, hạn chế các loại khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường.
Hiểu rõ được về chiếu sáng tiện ích, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị
Lan Hương tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: Môi trường thông minh. Nghiên cứu
thiết bị đo và điều khiển cường độ sáng với
• Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
o Hiệu ứng ánh sáng đối với môi trường sống.
o Các linh kiện điện tử quang học phát triển mạnh.
• Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):
o Môi trường thông minh về ánh sáng.
o Thiết kế thiết bị đo độ rọi, điều khiển hệ thống đèn.
• Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
o Tìm hiểu, nghiên cứu hiệu ứng ánh sáng với môi trường sống.
o Thiết kế thử nghiệm thiết bị và hệ thống điều khiển đèn trong ngôi nhà
thông minh.

Lai Thị Vân Quyên

-5-


Chương mở đầu

II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Điều khiển hệ thống chiếu sáng là một trong những tính năng quan trọng và

nổi trội của một ngôi nhà thông minh. Việc điều khiển thông minh tạo cho ngôi nhà
sự khác biệt và làm cho ngôi nhà rực rỡ và đa dạng hơn bằng cách tạo ra các bối
cảnh ánh sáng khác nhau. Đồng thời, ánh sáng tự động góp phần tiết kiệm điện năng
cho chủ nhân ngôi nhà. Trên thế giới, rất nhiều hãng đã tập trung nghiên cứu, thiết
kế hệ thống điều khiển ánh sáng trong ngôi nhà thông minh như Siemens, ABB,
Crestron, Home Automation Incorporations – HAI….
Là hãng sản xuất hàng đầu thế giới về các sản phẩm điều khiển công nghệ
cao, Crestron tiên phong trong việc kết hợp các màn hình cảm ứng vào các ứng
dụng điều khiển chiếu sáng. Bên cạnh đó, Crestron còn cung cấp khả năng giám sát,
quản lý và điểu khiển từ xa toàn bộ hệ thống chiếu sáng từ xa, thông qua mạng IP.
Hình 1 mô tả một mô hình chiếu sáng và điều khiển chiếu sáng của hãng Crestron.

Hình M.1. Mô hình chiếu sáng và điều khiển chiếu sáng của hãng Crestron

Lai Thị Vân Quyên

-6-


Chương mở đầu

Các thiết bị chiếu sáng của HAI sử dụng công nghệ UPB&PLC; BUS. Hệ
thống cho phép người sử dụng thiết lập quang cảnh chiếu sáng, điều khiển hệ thống
chiếu sáng, kiểm tra trạng thái thiết bị từ Internet, smartphone, màn hình cảm ứng.
Việc sử dụng công nghệ UPB&PLCBUS; giúp việc thi công và thêm mới thiết bị
trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Nếu với các công nghệ Ibus như EIB, Cbus khi thêm
thiết bị phải đi dây điều khiển thì với UPB&PLCBUS; chỉ cần lắp thiết bị và sử
dụng. UPB&PLCBUS; có được lợi thế dễ lắp đặt của thiết bị không dây và độ tin
cậy, tốc độ truyền cao của thiết bị có dây IBus.
Hiện nay, các hệ thống điều khiển chiếu sáng trong nhà nói riêng, hệ thống
điều khiển nhà thông minh nói chung còn tồn tại một yếu điểm là giá khá đắt nên
phần nào hạn chế khả năng ứng dụng của sản phẩm, tuy nhiên tới đây khi công nghệ
chế tạo phát triển thì giá thành sẽ hạ và hệ thống sẽ trở thành phổ biến hơn. Do đó ta
cần phải nghiên cứu, thiết kế hệ thống chiếu sáng trong nhà để làm chủ được công
nghệ và phần nào đáp ứng được nhu cầu thiết yếu của tương lai.
2.

Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, đã có rất nhiều công ty về tự động hóa đã coi phần tự động

hóa nhà thông minh là một trong những hướng đi chiến lược của mình. Tuy nhiên,
các công ty đó vẫn mạng nặng tính chuyển giao công nghệ trong hướng phát triển
này. Có không nhiều công ty, tổ chức đầu tư vào nghiên cứu, xây dựng hẳn một hệ
thống điều khiển nhà thông minh nói chung, điều khiển chiếu sáng trong nhà nói
riêng của mình, do mình chế tạo ra để tung ra thị trường. Những đầu tư nghiên cứu
đó chỉ mới dừng ở một số đồ án tốt nghiệp hay một vài đề tài cấp bộ. Viên NC

Điện tử, tin học, tự động hóa VIELINA đã có một đề tài nghiên cứu về điều khiển
chiếu sáng đơn giản ESLAB LIGHTING CONTROL. Trong đề tài này, thiết bị điều
khiển có chức năng bật tắt một đèn và đặt lịch trình cho việc bật tắt đèn không có
phần đo. Có thể nói trong nước hiện chúng ta mới chỉ có những nghiên cứu ban đầu
về điều khiển chiếu sáng trong ngôi nhà thông minh còn sản phẩm cụ thể thì chưa
có nơi nào chế tạo được và đưa vào ứng dụng. Vì thế việc nghiên cứu, tiếp cận để

Lai Thị Vân Quyên

-7-


Chương mở đầu

làm chủ được công nghệ điều khiển chiếu sáng trong nhà thông minh nói riêng và
điều khiển nhà thông minh nói chung là cần thiết và phải thực hiện ngay.
III. KẾT LUẬN CHƯƠNG MỞ ĐẦU
Chương mở đầu trình bày các thông tin chung về đề tài như tính cấp thiết, các
nội dung nghiên cứu khoa học, tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới
về lĩnh vực điều khiển chiếu sáng trong ngôi nhà thông minh.
Chương 2 và chương 3 sẽ trình bày cụ thể về các nội dung nghiên cứu, thiết kế,
chế tạo nhằm hoàn thành sản phẩm và các mục tiêu mà đề tài đã xác định.

Lai Thị Vân Quyên

-8-


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

CHƯƠNG I. ÁNH SÁNG VÀ THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG
1.1

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG

1.1.1.

Khái niệm ánh sáng.

Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều có khả năng bức xạ năng
lượng dưới dạng sóng điện từ. Sóng điện từ có hai tính chất là sóng và hạt. Bước
sóng ( λ ) của các sóng điện từ trong khoảng 10−10 m ÷ 3km .. Xét về tính chất hạt, cấu
tạo của các sóng điện từ là các hạt photon mang năng lượng cực nhỏ. Tùy theo bước
sóng mà năng lượng
phôtôn khác nhau.
Năng lượng của một
hạt photon có bước
sóng λ là hc/λ, với h
là hằng số Planck và
c là vận tốc ánh
sáng

trong

chân

không. Như vậy, bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ.
Sóng điện từ với bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng
mắt thường (khoảng 380 nm và 780
nm) được gọi là ánh sáng. Ánh sáng

do mặt trời tạo ra được gọi là ánh
nắng (hay còn gọi là ánh sáng trắng
bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc biến
thiên liên tục từ đỏ đến tím). Ánh
sáng mặt trăng mà chúng ta thấy được
gọi là ánh trăng thực tế là ánh sáng do

Hình1.1. Phổ của ánh sáng trắng

mặt trời chiếu tới mặt trăng phản xạ đi

tới mắt người. Ánh sáng do đèn tạo ra được gọi là ánh đèn. Ánh sáng do các loài vật
phát ra gọi là ánh sáng sinh học.

Lai Thị Vân Quyên

-9-


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

"Ánh sáng lạnh" là ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ tím.
"Ánh sáng nóng" là ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ. Ánh sáng có quang
phổ trải đều từ đỏ đến tím là ánh sáng trắng còn ánh sáng có bước sóng tập trung tại
vùng quang phổ rất hẹp gọi là "ánh sáng đơn sắc". Ánh sáng đơn sắc chỉ một màu
thuần khiết. Ủy ban quốc tế về chiều sáng (C.I.E – Commussion Internationnale de
l’Eclairage) đã mà hóa đưa ra giới hạn cực đại của các phổ màu:
λ (nm)

380

Cực tím

Màu

Tím

(Tử
λmax (nm)

ngoại)

412

439

498

568

Xanh da

Xanh lá

trời

cây

470

515

Vàng

592
Da

631 780
Đỏ

ngoại

cam
577

600

Hồng

673

Hình 1.2.Phổ của một số loại ánh sáng
a) Phổ liên tục của ánh sáng trắng.
b) Phổ vạch của đèn phóng điện MEF, MAZDA
A. Ánh sáng của đèn nung sáng
B. Ánh sáng ban ngày khi trời trong
C. Ánh sáng ban ngày khi trời đầy mây
W. Ánh sáng của đaèn hơi Xenon
Phổ của ánh sáng có thể liên tục hoặc không liên tục (phổ vạch). Phổ của ánh
sáng trắng là phổ liên tục còn phổ của ánh sáng đèn là phổ không liên tục.

Lai Thị Vân Quyên

- 10 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

1.1.2. Mắt người và sự cảm thụ ánh sáng.
Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào
cảm thụ ánh sáng trong mắt người. Có 3 loại tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt
người, cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau (tức ba màu sắc khác nhau). Sự kết
hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ 3 loại tế bào này
tạo nên những cảm giác màu sắc phong phú.
Để tạo ra hình ảnh màu trên màn hình,
người ta cũng sử dụng 3 loại đèn phát sáng ở
3 vùng quang phổ nhạy cảm của người (xem
phối màu phát xạ).
Tế bào cảm giác màu đỏ và màu lục
có phổ hấp thụ rất gần nhau, do vậy mắt
người phân biệt được rất nhiều màu nằm
giữa màu đỏ và lục (màu vàng, màu da cam,

Hình 1.3.Cấu tạo của mắt người

xanh nõn chuối, ...). Tế bào cảm giác màu
lục và màu lam có phổ hấp thụ nằm xa nhau,
nên mắt người phân biệt về các màu xanh
không tốt.
Võng mạc người được chia làm 2 lớp (xét về mặt chức năng) gồm lớp tế bào
cảm nhận ánh sáng và lớp tế bào dẫn truyền

xung thần kinh điện thế. Trong y học, người
ta còn phân võng mạc thành 10 lớp theo cấu
trúc giải phẫu mô học và hình thái của nó.
Giác mạc 2 và nhất là thủy tinh thể 8 có khả
năng điều tiết tập trung hình ảnh lên võng
mạc 5.
Về tế bào học, võng mạc người chỉ có
2 loại tế bào: tế bào nón và tế bào gậy. Tế
bào nón có khoảng 7 triệu tế bào. Chúng

Lai Thị Vân Quyên

- 11 -

Hình 1.4.Trường nhìn của mắt người


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

chiếm chủ yếu ở phần giữa của vòng mạc (fovéa) có chức năng xác định rõ về màu
sắc, độ sắc nét. Trong đó, tế bào nón lại được phân thành 3 loại, nhận cảm màu sắc
ánh sáng tương ứng với 3 vùng quang phổ khác nhau. Tế bào gậy nhiều hơn tế bào
nón có khoảng 120 triệu. Chúng bao phủ phần còn lại của võng mạc, có chức năng
xác định về cấu trúc, hình thể
vật , những hình ảnh trong tối.
Không có ranh giới rõ ràng về
sự vận động của hai loại tế bào
này. Chúng làm việc nhiều hay
ít phụ thuộc vào mức chiếu
sáng nhất là trong miền thị

giác giữa hai miền ngày và
đêm.
Độ nhạy cảm của mắt
người phụ thuộc vào bước

Hình 1.5. Độ nhạy cảm tương đối của mắt người
1: Dưới ánh sáng ban ngày
2. Ban đêm, hoàng hôn

sóng của ánh sáng. Ban ngày, mắt người nhạy cảm nhất với tia sáng màu vàng-lục
( λ = 555nm ) và giảm dần về hai phía đỏ và tím. Ban đêm hoặc khi hoàng hôn, mắt
người nhạy cảm với tia sáng màu xanh lục ( λ = 510nm ) và giảm dần về phía tím và
cam. Khi chuyển từ thị giác đêm (tế bào hình que) sang thị giác ngày (tế bào hình
nón) hoặc ngược lại, cảm giác sáng không xảy ra tức thời mà cần có một thời gian
chuyển đổi gọi là thời gian thích ứng. Sự thích ứng này đóng vai trờ quan trọng
trong chiếu sáng.
Trường nhìn của mắt người:
Trường nhìn ngang: 1800
Trường nhìn đứng: 1300

Lai Thị Vân Quyên

- 12 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

Trung tâm: 20
Bảng 1.1. Bảng độ rõ tương đối của mắt người.

Một hệ thống chiếu sáng hợp lý không những đảm bảo tiện nghi nhìn của con
người, tiết kiệm năng lượng mà còn tạo hưng phấn công việc cho con người.
1.1.3. Các đại lượng đo ánh sáng.
Ánh sáng là các bức xạ điện từ mang năng lượng và được đặc trưng bằng
các đại lượng đo năng lượng. Tất cả các nguồn sáng đều biến đổi năng lượng mà nó
tiêu thụ thành một hoặc nhiều hiệu ứng trong ba hiệu ứng hoá, nhiệt hoặc điện từ.
Tia sáng chỉ là phần nhỏ của bức xạ điện từ do vậy chúng chỉ mang theo một phần
công suất của nguồn. Thông lượng năng lượng bức xạ được tính bằng oát (W) theo
công thức:
Thông lượng năng lượng:
∞

φ = ∫ Wλ d λ
0

Trong Wλ đó là phân bố phổ của năng lượng bức xạ.
1.1.3.1.

Quang thông φ , Lumen (lm)

Cùng một năng lượng bức xạ nhưng bước sóng khác nhau sẽ gây ra các tác
động khác nhau đối với mắt. Do đó cần phải hiệu chỉnh đơn vị đo độ nhạy cảm phổ
của của mắt người (đường cong V( λ )). Đơn vị hiệu chỉnh đó là quang thông φ , đơn
vị là lumen(lm).

Lai Thị Vân Quyên

- 13 -

Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

λ2

φ = ∫ kW(λ )v λ d λ
λ1

Nếu năng lượng bức xạ đo bằng Wat, quang thông đo bằng Lumen thì k =
683lm/W.
λ2

φ = 683 ∫ W(λ )vλ d λ

(lm)

λ1

Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng:
Nguồn sáng

1.1.3.2.

Quang thông (lumen)

Đèn sợi đốt 60W

685

Đèn compact 11 W

560

Đèn huỳnh quang 40W

2700

Đèn Na cao áp 400W

47.000

Đèn Halogen kim loại 2 kW

180.000

Cường độ sáng I, Cadela (cd)

Nói chung, các nguồn sáng
thường có bức xạ không đều trong
không gian. Để đặc trưng cho khả
năng phát xạ của nguồn sáng luôn
gắn liền với một phương cho
trước người ta dùng khái niệm
cường độ sáng.
Trước tiên, ta xét góc khối Ω , là góc không gian thường sử dụng trong kỹ thuật
chiếu sáng. Trên hình có một nguồn điểm O đặt tại tâm hình cầu rỗng bán kính R và
chắn diện tích S trên mặt cầu.
Ω=

S
R2

Khi O chắn cả không gian (toàn bộ mặt cầu thì)
Ω=

S 4π R 2
=
= 4π steradian.
R2
R2

Lai Thị Vân Quyên

- 14 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

Cường độ sáng theo một phương được
tính theo công thức:

O

dφ
d Ω→ 0 d Ω

I OA = lim

Đơn vị cường độ sáng là cadela (cd) là cường độ sáng theo một phương của nguồn
sáng đơn sắc có tần số 540.1012 Hz (555nm) có cường độ năng lượng theo phương
này là 1/683 oát trên góc khối 1 steradian.

Cường độ sáng của một số nguồn sáng thông dụng:
Nguồn sáng

Cường độ sáng (candela)

Ngọn nến

0,8 theo mọi phương

Đèn sợi đốt 40 W

35 theo mọi phương

Đèn sợi đốt 300 W có bộ phản xạ 1500 ở tâm chùm tia
Đèn Halogen kim loại 2 kW

14.800 theo mọi phương

có bộ phản xạ

250.000 ở tâm chùm tia

Trường hợp đặc biệt khi bức xạ không phụ
thuộc vào phương thì I =
1.1.3.3.

φ
4π

Độ rọi –E-lux (lx)

Độ rọi là mật độ quang thông trên bề mặt
chiếu sáng. Khi quang thông vuông góc với bề
mặt chiếu sáng thì:
Elx =

φlm
S m2

hay 1lux = 1lm/m2.

Khi mặt được chiếu sáng không đều thì độ rọi
được tính bằng trung bình đại số của độ rọi các
điểm .
Quan hệ giữa độ rọi và khoảng cách được tính
bằng công thức sau:
E=

dφ Icosα
=
r2
dS

Lai Thị Vân Quyên

- 15 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

Độ rọi trên một số bề mặt thường gặp
Địa điểm được chiếu sáng

Độ rọi (lux)

Ngoài trời giữa trưa nắng

100.000

Ngoài trời giữa trưa đầy mây 10.000

1.1.3.4.

Trăng tròn

0,25

Phòng làm việc

300-500

Lớp học

300- 400

Đường phố về ban đêm

20-50

Độ chói, L (cd/m2)

Khi ta nhìn vào một nguồn sáng hoặc một vật được chiếu sáng, ta có cảm
giác bị chói mắt. Để đặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề
mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt, người ta đưa ra định nghĩa độ
chói. Các nguyên tố diện tích của các vật
được chiếu sáng nói chung phản xạ ánh
sáng nhận được một cách khác nhau và
tác động như một nguồn sáng thứ cấp
phát các cường độ sáng khác nhau theo
mọi hướng.
Độ chói L theo một phương cho trước của một diện tích mặt phát sáng dS
cho bởi công thức dưới đây:
Lcd / m2 =

dI cd
dS m2 cos α

Như thế là độ chói của một bề mặt bức xạ phụ thuộc vào hướng quan sát mà không
phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát. Khi α = 0 , độ chói L
=

I
. Độ chói đóng vai trò cơ bản trong kĩ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở của các
dS

khái niệm về tri giác và tiện nghi thị giác. Độ chói phản ánh chất lượng chiếu sáng
còn độ rọi phản ánh số lượng chiếu sáng.

Lai Thị Vân Quyên

- 16 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

Độ chói của một số nguồn thông dụng:
Nguồn sáng

Độ chói cd/m2

Bề mặt mặt trời

165.107

Bề mặt mặt trăng

2500

Bầu trời xanh

1500

Bầu trời xám

1000

Đèn sợi đốt 100W

6.106

Đèn huỳnh quang 40W

7000

Giấy trắng khi độ rọi 400 lux 80
Độ chói của mặt đường
1.1.3.5.

1-2

Độ trưng M (lm/m2)

Độ trưng là mật độ phân bố φ trên bề
mặt do một mặt khác phát ra.
M=

dφ
dS

Với bề mặt được chiếu sáng, độ chói và độ trưng
phụ thuộc vào hệ số phản xạ ρ còn độ rọi không phụ thuộc vào hệ số này.
1.1.4. Tiện nghi nhìn
Góc tính theo phút mà mắt người có khả năng phân biệt được hai điểm hoặc
hai vạch gần nhau được gọi là thị lực của mắt người. Bình thường góc phân biệt là
1 phút. Khi đọc sách góc phân biệt của mắt người cần thiết là 3- 5 phút. Khả năng
phân biệt của mắt người là một trong những yếu tố được xem xét khi định độ rọi
cho từng công việc khác nhau. Mắt người phải hoạt động trong những điều kiện
chiếu sáng hết sức khác nhau từ nơi có độ rọi cao như ngoài trời nắng đến nơi có độ
rọi thấp như trong bóng râm. Khi có sự thay đổi độ rọi đó, mắt người phải điều tiết
để thích nghi nên cần có thời gian đó là sự thích nghi thị giác. Khi chuyển đột ngột

từ chỗ tối sang chỗ sáng hoặc ngược lại thì mắt sẽ bị lóa. Do đó nên bật dần từng
đèn một để độ sáng tăng từ từ cho mắt thích nghi kịp thời. Đây là một trong những
điều cần lưu ý khi thiết kế hệ thống điều khiển chiếu sáng trong đề tài.

Lai Thị Vân Quyên

- 17 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

1.2

CÁC THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG
Có rất nhiều thiết bị dùng cho chiếu sáng, tuy nhiên trong đề tài này chúng ta chỉ

đề cập tới các loại đèn điện dùng cho chiếu sáng. Hiện nay trên thị trường có 4 loại
đèn thường được sử dụng chủ yếu cho chiếu sáng: Bóng đèn sợi đốt, đèn phóng
điện, đèn huỳnh quang và đèn compact.
Tiêu chuẩn đánh giá các loại bóng đèn:
- Hiệu suất chiếu sáng (lm/W), đã đạt được 200 lm/W
- Nhiệt độ màu Tm (0K), đánh giá độ tiện nghi; Từ 20000K – 70000K
- Chỉ số hoàn màu IRC, chất lượng ánh sáng Từ 0 (đơn sắc) đến 100 (ánh sáng
trắng)
- Tuổi thọ thường 1000 giờ (đèn sợi đốt) và 10000 (đèn phóng điện)
1.2.1 Đèn sợi đốt
1.2.1.1.

Cấu tạo

Đèn sợi đốt gồm 3 phần là Sợi đốt, bóng
thuỷ tinh và đui.
Sợi đốt làm bằng vonfram chịu được nhiệt
độ rất cao, dạng lò xo xoắn. Sợi đốt nằm trong
bóng thuỷ tinh chịu nhiệt đã rút chân không.
Đuôi đèn làm bằng đồng hoặc sắt mạ kẽm có
dạng xoắn và ngạnh gài, trên đui có 2 cực tiếp
xúc với nguồn điện lưới.
1.2.1.2.

Hình 1.6. Bóng đèn sợi đốt

Các đặc tính của đèn.

- Hiệu suất chiếu sáng thấp cỡ 10 –20 lm/W.
- Nhiệt độ màu 2500 – 3000 oK
- Chỉ số IRC 100
- Tuổi thọ khảng 1000 giờ
Mặc dù hiệu quả ánh sáng rất thấp, các đèn sợi đốt có chỉ số màu gần 100, cho
phép chiếu sáng cục bộ hoặc chiếu sáng trang trí. Vì nhiệt độ màu thấp, các bóng

Lai Thị Vân Quyên

- 18 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

đèn sợi đốt rất thuận tiện cho việc chiếu sáng mức thấp và mức trung bình ở các khu
vực dân cư.

Các ưu điểm chủ yếu là nối trực tiếp vào lưới điện, kích thước nhỏ, bật sáng
ngay và có thể điều chỉnh được cường độ sáng, giá rẻ, tạo ra màu sắc ấm áp
Các nhược điểm là tốn điện và phát nóng.
1.2.2

Đèn phóng điện

1.2.2.1.

Cấu tạo

Gồm 1 ống thủy tinh chứa 1 loại hơi kim loại, tạo áp suất thấp. Hai đầu ống đặt
2 điện cực. Đặt một điện áp cao giữa hai điện cực sẽ tạo ra hiện tượng phóng điện
hồ quang tác động vào hơi trông ống tạo ra ánh sáng.
Như vậy cần phải:
- Tạo điện áp đủ lớn để khởi động (mồi đèn)
- Giảm điện áp lúc làm việc để giữ ổn định
1.2.2.2.

Các loại đèn phóng điện

*Đèn hơi Natri áp suất thấp
Ánh sáng màu vàng – cam ( bước sóng 589
nm và 589,6 nm)
Đặc điểm:
- Hiệu suất cao 100 – 200 lm/W
- Ánh sáng đơn sắc vàng – cam IRC = 0
- Công suất nhỏ 18 – 180 W

Hình 1.7. Đèn hơi kim loại

- Độ chói nhỏ
- Tuổi thọ cao khảng 8000 giờ
Thường dùng chiếu sáng bảo vệ , lối đi, bãi xe
Đèn hơi Natri áp suất cao
ở nhiệt độ trên 10000C trong hơi Natri cao áp ánh sáng phát ra là màu trắng.
Đặc điểm:
- Hiệu suất cao 70 – 130 lm/W
- Chỉ số IRC 20 – 80

Lai Thị Vân Quyên

- 19 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

- Nhiệt độ màu 2000 – 2500 0K
- Tuổi thọ cao đến 10000 giờ
Thường dùng chiếu sáng các trung tâm th-ơng mại, triển lãm, ngân hàng, khách
sạn, sân thể thao, phòng hội thảo, ...
Đèn hơi thủy ngân áp suất cao.
Đặc điểm:
- Hiệu suất sáng 60 – 95 lm/W
- Chỉ số IRC 40 – 60
- Nhiệt độ màu 3000 – 4500 0K
- Tuổi thọ cao khoảng 4000 giờ
Thường dùng chiếu sáng các trung tâm thương mại, triển lãm, ngân hàng, khách
sạn, sân thể thao, phòng hội thảo, ...
1.2.3 Đèn huỳnh quang

1.2.3.1.

Cấu tạo

Đèn huỳnh quang gồm hai bộ phận
chín:
- Ống thủy tinh được phủ một lớp
bột huỳnh quang ở mặt phía trong để
phát ra ánh sáng nhìn thấy khi chịu tác
dụng của tia tử ngoại. Trong ống chứa
Hình 1.8. Đèn huỳnh quang

khí trơ argon để mồi cho bóng đèn

phóng điện ban đầu và ít hơi thủy ngân dùng để dẫn điện.
- Điện cực làm bằng dây vonfram dạng lò xo xoắn được tráng một lớp bari oxit
để phát ra điện tử, có hai đầu tiếp điện đưa ra ngoài để nối với nguồn điện
1.2.3.2.

Đặc điểm

- Hiệu suất 40 – 105 lm/W
- Chỉ số IRC 55 – 92
- Nhiệt độ màu 2800 – 6500 0
- Tuổi thọ cao khoảng 7000 giờ

Lai Thị Vân Quyên

- 20 -

Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

Các ưu điểm chủ yếu là nối trực tiếp vào lưới điện, hiệu suất phát quang cao nên
tiết kiệm điện hơn đèn sợi đốt.
Các nhược điểm là có hiện tượng nhấp nháy, cần mồi mới phóng điện.
Đây là loại đèn được dùng rất phổ biến trong chiếu sáng dân dụng và công
nghiệp.
1.2.4 Đèn compact
Đây là dạng mới của đèn huỳnh quang. Có đặc điểm:
Chất lượng ánh sáng: nhiệt độ màu từ 2700 đến 4000 0K, IRC = 85
Công suất tiêu thụ điện thấp hơn đèn sợi nung 4-5 lần và nhỏ hơn đèn huỳnh
quang thông thường. Hiệu suất 85 lm/W.
Tuổi thọ khoảng 8000 giờ
Sinh nhiệt thấp, ít hơn đèn sợi nung 4 lần
Kích thước nhỏ, kiểu dáng đẹp
1.2.5 Đèn cảm ứng điện từ
Đây là loại đèn mới nhất. Làm việc dựa trên

Hình 1.9. Đèn compact

nguyên lý cảm ứng điện từ. Không có điện cực, không có dây tóc. Tuổi thọ có thể
đạt 60000 giờ.
Các đặc tính khác:
- Hiệu suất sáng 65 - 70 lm/W
- Nhiệt độ màu 3000 – 4000 0K
- Chỉ số hoàn màu IRC = 80
1.3

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.

Chương 1 trình bày chủ yếu về các khái niệm liên quan tới ánh sáng, thiết bị

chiếu sáng và chiếu sáng trong nhà làm cơ sở cho việc lựa chọn thiết bị chiếu sáng
trong nhà để từ đó đưa ra giải pháp điều khiển hệ thông các thiết bị đó và xác định
đại lượng cần đo để điều khiển chiếu sáng. Cụ thể ở đây ta xác định như sau:
Đại lượng cần đo để điều khiển chiếu sáng là đo độ rọi. Theo tiêu chuẩn TCVN
7114:2002 (Ecgônômi -Nguyên lý ecgônômi thị giác Chiếu sáng cho hệ thống làm

Lai Thị Vân Quyên

- 21 -


Chương I. Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

việc trong nhà) đề cập trong phụ lục 1của đề tài, mức độ rọi đảm bảo thỏa mãn cho
hoạt động thị giác và góp phần tạo sự thoải mái cho người dử dụng.
Thiết bị chiếu sáng là bóng đèn compact hay bóng đèn sợi đốt. Hiện nay trên thị
trường Việt Nam, để điều khiển sáng dần hay tối dần thì mới có đèn sợi đốt là có
thể điều khiển được. Đèn compact điều khiển sáng tối được thì cần phải nhập từ
nước ngoài với chi phí rất đắt cỡ gần 60 $/ đèn và thời gian ship rất lâu cỡ nửa
tháng đến 1 tháng. Đèn điều khiển on/off thì ta dùng đèn compact do những đèn này
có những ưu điểm như đã trình bày ở trên so với các loại đèn khác và luôn sẵn có
trên thị trường.

Lai Thị Vân Quyên

- 22 -