Nghiên cứu hệ thống điều khiển 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

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...................................................................................2
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.................................................................................................12
1.4.1. TKCS nội thất............................................................................................13
1.4.2. TKCS bên ngoài........................................................................................14
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................44

iii


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

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Số hình
1.1
1.2

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

Trang
3
5

1.3

một hướng nhất định.
Nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc α =

7

1.4

0
Nguồn sáng chiếu xuống mặt phẳng chiếu với một góc α

7

1.5
1.6
1.7
1.8
2.1

bất 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
11
12
13
15

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

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

Hoạt động của PIR đối với người qua lại
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
Sơ đồ nguyên lý của Module xây dựng trên phần mềm

16
17
17
19
19
20
21
22
22
23
23
24
24
25
25
26

26
26
27
27
28
29
29
30
31

v


2.27
2.28
3.1

Orcad.
Hình ảnh mạch on của module khi chưa hàn linh kiện
Hình ảnh của hoàn thiện của Module
Lưu đồ thuật toán mô phỏng chức năng của hệ thống chiếu

32
32
33

3.2
3.3
3.4
3.5

3.6
3.7
3.8
3.9
3.10

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

35
37
38
39
40
40
41
42
42

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. Đề tài luận văn cao học: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển chiếu sáng thông
minh” sẽ đề cập giải quyết vấn đề nêu trên.
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, hệ thống điều khiển chiếu sáng 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 điều khiển giám sát chiếu sáng thông minh sử dụng vi điều khiển AVR
Atmega 8.

1

4. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở tìm hiểu hệ thống chiếu sáng thông minh, hoạt động của các
cảm biến và vi điều khiển AVR Atmega 8, tác giả đã kế thừa và phát triển kinh
nghiệm của mình cho việc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho hệ thống điều
khiển chiếu sáng thông minh..
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 mối quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, các kỹ sư điện,
cán bộ kỹ thuật của công ty chiếu sáng đô thị.…
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các loại đèn có hiệu
suất cao, sự phát triển của phương pháp tính toán, phần mềm thiết kế chiếu
sáng, chiếu sáng hiệu quả gọi tắt là chiếu sáng thông minh (CSTM).
Theo thống kê năm 2005 điện năng chiếu sáng trên phạm vi toàn cầu là
2650 tỷ kWh điện, chiếm 19% trong tổng công suất. Chiếu sáng được
thực hiện vào giờ cao điểm khiến cho phụ tải tăng vọt, gây rất nhiều khó
khăn cho phân phối và truyền tải điện. CSTM thực hiện chiếu sáng (KTCS),
từ sử dụng đ è n , sử dụng tự nhiên, điều theo từng khu vực, từng hệ thống cụ
thể, nhằm làm giảm mức tiêu thụ điện năng nhưng vẫn đảm bảo đủ độ sáng.
CSTM được thiết kế tiết kiệm năng lượng nhất, có tầm nhìn tốt nhất.
Ánh sáng

Ánh sáng nằm trong dải mà mắt cảm nhận được

Hình 1.1. Dải sóng quang học của ánh sáng
Hình 1.1 thể hiện dải sóng quang học của ánh sáng, ta thấy ánh sáng nhìn
thấy ánh sáng của UV (tia cực tím) và nhiệt. Sóng kích thích mắt, tạo nên cảm
giác thị giác.
Các đại lượng dùng để đo ánh sáng
Quang thông là sự phân bố ánh sáng trong các miền khác nhau của không
gian, hơn nữa nó không thể đo được.
3


Từ những điều đó đã thúc đẩy nhà vật lý Lambert ở thế kỷ 18 tiến hành
nghiên cứu và đưa ra các cơ sở của phép đo ánh sáng dựa trên cơ sở quang học,
sinh lý học và hình học.
Quang thông F (ф), lumem (lm)
Quang thông là khả năng của nguồn sáng, sự cảm thụ của mắt [6].
F =k.Wλ Vλ.dλ

(1.1)

Cường độ ánh sáng I candela (cd)
Cường độ ánh sáng biểu thị phân bố nguồn sáng theo hướng nhất
định [6],[7].
Mật độ nguồn sáng chiếu hướng nhất định (hình 1.2) sẽ được tính theo
biều thức (1.2)
I= ≈

(1.2)

Hình 1.2. Mật độ phân bố của nguồn sáng theo hướng nhất định.
Độ rọi E (lux)
Mật độ nguồn sáng trên bề mặt vật được là độ rọi, độ rọi được tính theo
biểu thức (1.3) [6] :
Elx =

Φ lm
S m2

(1.3)

Đơn vị của độ rọi là Lux, 1 lux = 1 lm/m2
Khi sự chiếu sáng trên bề mặt của một vật không đều ta thực hiện lấy
trung bình số học ở các điểm khác nhau trên bề mặt để tính độ rọi trung bình .
Khi nguồn sáng chiếu thẳng đứng ta sẽ tính được độ rọi theo công thức:
Ea =
4

Lux


Hình 1.3. Nguồn sáng chiếu với một góc α = 0
Trong trường hợp chiếu xuống với góc α bất kì như hình 1.4 ta sẽ tính
được độ rọi theo biểu thức (1.4) [6]:
dΦ
I ⋅ cosα
I ⋅ cos3 α
E=
=
=

dΩ
r2
h2

(1.4)

Hình 1.4. Nguồn sáng chiếu với một góc α bất kì
Độ chói L (cd/m )
Các nguyên tố diện tích của một vật được chiếu sáng sẽ phản xạ ánh sáng
nhận được theo các cách khác nhau, ánh sáng được phản xạ được coi như một
nguồn sáng thứ cấp và nguồn sáng thứ cấp này sẽ phát ra cường độ sáng khác
nhau theo mọi hướng.
Để đặc trưng cho các quan hệ của nguồn sáng, cả nguồn sáng sơ cấp lẫn
nguồn sáng thứ cấp, để mắt người có thể nhìn được cần phải thêm vào các
cường độ sáng, cách xuất hiện ánh sáng.
5


Độ chói nhìn nguồn sáng là tỉ số giữa cường độ sáng của ánh sáng với
diện tích biểu diễn của nguồn sáng [6]:

L( cd / m 2 ) =
Trong đó :

Iγ
dI (cd )
=
dS ⋅ cos α (m 2 ) S bK

(1.5)

I γ : cường độ sáng theo hướng γ

SbK : Diện tích biểu khi nhìn nguồn
Khi nguồn sáng là bộ đèn cầu độ chói nhìn nguồn sáng được tính như biểu thức
(1.6):
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 L f 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 các khái niệm đã được
trình bày ở trên. Nói chung người ta qui định 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

6


Cách chúng ta nhìn thấy các vật phụ thuộc vào độ tương phản của vật
ngoài ra nó 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) trong mắt người.
Định nghĩa tương phản: Độ tương phản được tính theo biểu thức: C = (L 0
– Lf)/ Lf , biếu thức này chứng tỏ một vật phát sáng trên nền tối khi C > 0 và
biến thiên từ 0 → + ∞ , đối với vật trên nền sáng thì 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. 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/m2 là thị giác đêm và trên
vài cd/m2 trở lên là thị giác ngày.
Định luật Lambert
Dù ánh sáng đi qua bề mặt trong suốt hay được phản xạ trên bề mặt mờ
hay ánh sáng đồng thời chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt trong mờ, thì một
phần ánh sáng được mặt này phản xạ lại theo hai cách sau:
Sự phản xạ hay khúc xạ ánh sáng phải tuân theo định luật của quang hình
học hay định luật Descartes .
Sự phản xạ truyền khuếch tán theo định luật Lambert:

ρ E = Lπ

Trong đó:

(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
7


Nói chung ta gọi độ sáng µ là tỷ số quang thông phát bởi một nguyên tố
diện tích , dù là nguyên nhân phát sáng có thể là phản xạ, truyền dẫn ánh sáng có
thể là phát xạ nội tại như trong màn hình của ti vi.
Độ sáng được tính bằng lm.m-2 ( không phải là Lux vì đây là quang thông
phát xạ chứ không phải quang thông thu).
Khi độ sáng được khuyếch tán, định luật Lambext được tổng quát như
(1.8) [6]:
µ = Lπ

(1.8)

Lux kế
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
Độ tương phản là chênh giữa hai nhau mà mắt người
Độ tương phản được tính theo biểu thức (1.9)
C = = - 1≥ 0,01

(1.9)

Với C ≥ 0,01 thì khi đó biệt hai vật đặt gần nhau
Hiệu suất phát quang H (lm/w)
hiệu suất là tỷ số giữa quang thông phát ra với công suất tiêu thụ điện
năng (P) .
8


1.2. Nguồn sáng.
Trong thực tế có hai loại nguồn sáng : nguồn sáng tự nhiên và nguồn sáng nhân
tạo.
Nguồn sáng tự nhiên: từ những thực thể phát sáng như mặt trời, trăng,
sao... mà chủ yếu nhiên là nguồn sáng từ mặt trời. Con người không được các

nguồn sáng tự thể thay đổi, điều chỉnh ánh bằng cách chọn không gian, chọn
thời điểm hay lựa chọn ụng cụ hỗ trợ để điều chỉnh tính chất ánh sáng chiếu
Nguồn sáng nhân tạo do ra là các loại đèn, từ đèn thô sơ nguồn sáng ngọn
đuốc, đèn dầu, nến,... cho đến các hiện đại. Con người có động bố trí, điều chỉnh
được sáng nhân tạo.
Phân loại nguồn sáng
Trong thực tế nguồn sáng được phân loại như hình 1.5

Hình 1.5. Phân loại nguồn sáng
9


1.3. Bộ đèn
1.3.1. Khái niệm
Bộ đèn bao gồm: điện, cơ khí để thực hiện chức năng phân phối ánh
sáng, cố định, nối nguồn điện.
Chóa đèn bao gồm các bộ phận dùng thực hiện chức năng cố định, bảo
vệ, đặt dây nối và chấn lưu với nguồn. Là bộ phận của bộ đèn
1.3.2. Cấu tạo bộ đèn
1.3.2.1. Cấu tạo bộ đèn
Phần thân đèn để lắp các bộ phận, bảo vệ đèn. Một thân đèn phải tuân thủ :
Thuận tiện trong lắp, bảo dưỡng đèn.
Chịu được ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, độ bền cơ học cao.
Đảm bảo thẩm mỹ
Phần phản quang dùng để ánh sáng hợp sử dụng. Phản quang phải tuân thủ:
Có hình dạng phù hợp để thực hiện phản quang
Có khả năng chống ăn mòn, chịu được ảnh hưởng của điều
kiện thời tiết và chịu được nhiệt độ cao
Phần kính đèn dùng tạo màu, bảo vệ đèn. Góp phần phân bố ánh sáng của
đèn. Yêu cầu đối với phần kính đèn:

Có hình dạng phù hợp với bóng đèn
Phù hợp với bóng đèn
Có khả năng chống ăn mòn, chịu được điều kiện thời tiết,
nhiệt độ cao, chịu được ảnh hưởng của tia hồng ngoại, tia cực
tím
Phần đui đèn dùng cấp điện vào, giữ cho đèn cố định, đui đèn phải tuân thủ:
Các tiếp điểm có độ bền cơ khí cao
Chịu được nhiệt độ cao
Độ cứng cao
1.3.2.2. Giới thiệu cấu tạo một số loại đèn trong thực tế
10


Đèn sợi đốt
Đèn sợi đốt trong thực tế được thể hiện như hình 1.6

HÌnh 1.6. Bóng đèn sợi đốt
Thành phần quan trọng nhất của đèn sợi đốt chính là dây tóc, dây tóc
được làm bằng những vật liệu có giá trị điện trở rất lớn, đây là bộ phận chính sẽ
phát ra sáng nếu có dòng điện, dây tóc đặt trong một vỏ thủy tinh đã được bơm
khí trơ vào bên trong để tránh cho dây tóc không bị oxi hóa. Kích cỡ bóng đèn
sợi đốt phải được thiết kế đủ lớn để chịu được nhiệt độ cao phát ra từ dây tóc,
các đèn này đều được lắp vào bên trong đui của đèn.
Khi có dòng điện sẽ đi qua phần đui đèn vào đến dây tóc làm dây tóc
được nung đến mức phát sáng. Loại đèn này ít được dùng vì công suất của đèn
thường lớn (nhỏ nhất cũng cỡ vài chục oát), hiệu suất của đèn sợi đốt là rất thấp
(5% điện năng được biến thành ánh sáng, còn lại 95% biến thành nhiệt năng )
Đèn sợi đốt được nhà sản xuất đưa ra 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
Bóng đèn LED trong thực tế được thể hiện như hình 1.7

11


Hình 1.7. Bóng đèn LED
LED(Light Emitting Diode - điốt phát quang) là các điốt có thể tạo ra ánh
sáng . Giống như điốt, đèn LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn bao gồm khối
bán dẫn loại p được ghép với khối bán dẫn loại n.
Đèn huỳnh quang
Đèn huỳnh quang hay thường gọi là đèn túyp gồm: điện cực (vonfam),
lớp bột huỳnh quang và vỏ đèn. Ngoài ra, các nhà sản xuất còn bơm vào trong
đèn một hỗn hợp hơi thủy ngân và khí trơ (neon, argon...) để bảo vệ điện cực
tránh hiện tượng bị ăn mòn và tạo ánh sáng màu. Có nhiều loại bóng đèn ống

huỳnh quang (hình 1.8)

Hình 1.8. Các dạng đèn ống Huỳnh quang
Khi cấp nguồn vào 2 điện cực của đèn giữa hai điện cực sẽ xảy ra hiện
tượng hiện tượng phóng điện, làm phát ra tia tử ngoại (tia cực tím). Tia tử ngoại
tác dụng vào lớp bột huỳnh quang làm đèn phát sáng.
Dùng đèn huỳnh quang giúp tiết kiệm được năng lượng. Bình quân, khi sử
dụng đèn huỳnh quang sẽ tiết kiệm năng lượng được hơn rất nhiều so với đèn sợi
đốt 8 đến 10 lần. Hiện nay, trên thị trường xuất hiện một loại đèn huỳnh quang
12


thu nhỏ (còn gọi là compact). Nó cũng giống với đèn huỳnh quang nhưng có ưu
điểm vượt trội là hiệu suất phát quang cao hơn và tiết kiệm điện năng hữu hiệu hơn.
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.

1.4 .Thiết kế chiếu sáng(TKCS)
1.4.1. TKCS nội thất
Chiếu sáng nội thất nhằm tạo môi trường chiếu sáng đáp ứng yêu cầu sử dụng và
tiết kiệm điện năng của các công trình .
Các bước TKCS nội thất
Thiết kế sơ bộ phải xác định được các giải pháp cơ bản về chiếu sáng:

chọn được kiểu chiếu sáng, chọn loại đèn sử dụng , cách bố trí đèn, số lượng đèn
…
Kiểm tra các điều kiện theo tiêu chuẩn mà phương pháp chiếu sáng đã đề
cập.
Các yêu cầu với TKCS
Đảm bảo độ sáng theo từng công việc. Tạo được được nguồn sáng có độ
sáng như ánh sáng tự nhiên vào ban ngày
Đặt yêu cầu tiết kiệm năng lượng lên hàng đầu.

13


1.4.2. TKCS bên ngoài
Chiếu sáng ngoại thất như: chiếu sáng đô thị, chiếu sáng trên các trục
đường giao thông, chiếu sáng tại các khu vực làm việc, chiếu sáng trang trí.
Nhằm bảo đảm an toàn cho xe cộ và người tham gia giao thông, làm tăng thêm
vẻ đẹp cho các công trình kiến trúc của thành phố.
Thiết kế chiếu sáng ngoại thất phải đáp ứng các yêu cầu :
Đảm bảo an toàn cho xe cộ và người tham gia giao thông
Đáp ứng các yêu cầu theo quy định khi thiết kế chiếu sáng ngoại
thất
Hiệu suất làm việc cao, tiêu thụ điện năng thấp, tuổi thọ cao
Dễ dàng trong vận hành, khai thác, duy trì, bảo dưỡng

14


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
15


với các loại điện thoại thông mình, máy tính bảng….nhiên

không đủ cho việc di

chuểnắtu khi b đ qua.

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

-

+
D C IN

C 9
1000uF

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

16


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
+

2
2
1
2

6
4
5
3
1
9
8
0

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

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

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

(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

A TM E G A 8 _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

17

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.
AVR có 01 bộ nhớ dữ liệu, 01 bộ nhớ chương trình. Ngoài ra Atmega8
còn có bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu:
Bộ nhớ Flash (Bộ nhớ chương trình)
Bộ nhớ Flash 8KB của Atmega8 dùng để lưu trữ chương trình. Do các lệnh
của AVR có độ dài 16 hoặc 32 bit nên bộ nhớ Flash được sắp xếp theo
kiểu 4KX16. Bộ nhớ Flash được chia làm 2 phần, phần dành cho chương trình
boot và phần dành cho chương trình ứng dụng.
Bộ nhớ dữ liệu SRAM: 1120 ô nhớ của bộ nhớ dữ liệu định địa chỉ
cho file thanh ghi, bộ nhớ I/O và bộ nhớ dữ liệu SRAM nội. Trong đó 96 ô nhớ
đầu tiên định địa chỉ cho file thanh ghi và bộ nhớ I/O, và 1024 ô nhớ tiếp theo
định địa chỉ cho bộ nhớ SRAM nội
Bộ nhớ EEPROM: dung lượng 512 byte được thao tác đọc/ghi từng byte.
Các cổng vào/ra (I/O) của Atmega 8
Vi điều khiển ATmega8 có 23 đường vào ra. Nếu các cổng là cổng vào ra
hai chiều. Bao gồm chứa cả điện trở pullup. Mỗi port là đầu vào ra số thì điều
khiển, dữ liệu vào/ra là như nhau. Có thanh hanh ghi dữ liệu của các cổng:
(PORTA, PORTB, PORTC, PORTD), (DDRA, DDRB, DDRC, DDRD) và của
cổng đầu vào (PINA, PINB, PINC, PIND).
Bộ định thời của vi điều khiển Atmega 8
Bộ định thời (timer/counter0) có các đặc điểm sau:
Bộ đếm bao gồm chỉ có một kênh
Xóa bộ định thời trong chế độ so sánh so sánh (tự động nạp)
Bộ điều chế độ rộng xung PWM
Có thể thực tạo tần số bất kì
Có bộ đếm các sự kiện ngoài
Bộ chia tần 10 bit
18

Nguồn ngắt tràn bộ đếm và so sánh
Sơ đồ cấu trúc được thể hiện như hình 2.5

Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc bộ định thời của vi điều khiển Atmega 8.
Cấu trúc của đơn vị đếm được thể hiện như hình 2.6

Hình 2.6. Cấu trúc của bộ đếm của vi điều khiển Atmega 8.
Tăng/ giảm TCNT0 1: Count
Chọn lựa giữa đếm lên/ đếm xuống: Direction
19