Phân tích, thiết kế mô hình hệ thống điều khiển độ sáng đèn theo cường độ ánh sáng môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH
Đề tài : Phân tích, thiết kế mô hình hệ thống điều khiển độ sáng
đèn theo cường độ ánh sáng môi trường
Giáo viên hướng dẫn : Th.s Trần Xuân Trọng

Lớp

: ĐHLT- KTĐ- ĐT- K16D

Thái Nguyên 3/ 2019


LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc đổi mới đất nước, song song với quá trình công
nghiệp hóa, hiện đại hóa thì việc xây dựng cơ sở hạ tầng cũng được tiến hành.
Quá trình nâng cấp, xây dựng hệ thống chiếu sáng trong nhà ở và các khu đô
thị, cũng không nằm ngoài kế hoạch. Hiện nay, nền kinh tế nước ta đang phát
triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân cũng được nâng cao một cách nhanh
chóng. Yêu cầu của họ trong các lĩnh vực: công nghiệp dịch vụ, du lịch và
sinh hoạt tăng trưởng không ngừng. Chính do những yêu cầu này, đòi hỏi các
nhà kĩ thuật, mỹ thuật, nhà khoa học phải nghiên cứu, tìm hiểu để tạo ra các
sản phẩm nhằm đáp ứng các nhu cầu của họ.
Thiết kế hệ thống điện chiếu sáng là một công việc làm khó. Nó không chỉ đòi
hỏi chiếu sáng đơn thuần mà còn phải đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật mức độ
tiện nghi, đảm bảo không bị chói lóa…. Ngoài ra nó còn phải đảm bảo các
yêu cầu về thẩm mỹ và có tính kinh tế cao như: tiết kiệm được điện năng, chi
phí đầu tư nhỏ, cho ánh sáng đẹp, dẩm bảo mỹ quan. Chính vì vậy em chọn đề
tài : “ Phân tích, thiết kế mô hình hệ thống điều khiển độ sáng đèn theo cường

độ ánh sáng môi trường ”.
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong
khoa Công nghệ TĐH, cùng các bạn trong lớp KTĐ – ĐT K16D, đặc biệt là
thầy giáo Thạc sĩ Trần Xuân Trọng giảng viên trường Đại học Công nghệ
thông tin và Truyền thông, người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức
để hoàn thành đồ án này.
Trong quá trình làm đề tài mặc dù em đã nhiều cố gắng nhưng vẫn không
tránh khỏi sai xót. Rất mong các thầy thông cảm và giúp đỡ em nhiều hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG.................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài........................................................................................1
1.2. Vấn đề đặt ra...............................................................................................1
1.3. Mục tiêu......................................................................................................2
1.4. Chức năng và ứng dụng của hệ thống........................................................2
1.4.1. Chức năng của hệ thống.......................................................................2
1.4.2. Ứng dụng của hệ thống........................................................................3
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG.................................4
2.1. Phân tích hệ thống......................................................................................4
2.1.1. Yêu cầu của hệ thống...........................................................................4
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu......................................................................4
2.1.3. Lựa chọn linh kiện...............................................................................4
2.1.3.1. Khối nguồn.....................................................................................4
2.1.3.2. Khối cảm biến................................................................................5
2.1.3.3. Khối xử lý trung tâm......................................................................6
2.1.3.4. Giới thiệu về đèn Led...................................................................13
2.2. Thiết kế hệ thống......................................................................................19

2.2.1. Giới thiệu hệ thống.............................................................................19


2.2.2. Thiết kế phần cứng.............................................................................19
2.2.2.1. Các linh kiện được sử dụng.........................................................19
2.2.2.2. Sơ đồ khối....................................................................................20
2.2.2.3. Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động.....................................21
2.2.2.4. Sơ đồ mạch đấu nối kiểm tra hoạt động trên thực tế...................22
2.2.3.1. Phần mềm lập trình......................................................................22
2.2.3.2. Lưu đồ thuật toán.........................................................................24
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI............26
3.1. Kết quả thu được......................................................................................26
3.2. Kiểm nghiệm hoạt động của hệ thống......................................................26
3.2. Hướng phát triển.......................................................................................27
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................28


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1. Lý do chọn đề tài
Việt Nam đang có thứ hạng cao trên thế giới về chỉ số tăng trưởng bất
chấp tình trạng suy thoái kinh tế toàn cầu. Tuy nhiên thách thức đặt ra là
mức độ tăng trưởng nền kinh tế diễn ra mạnh mẽ đồng nghĩa với việc nhu
cầu sử dụng năng lượng tăng nhanh. Trung bình mỗi năm nhu cầu sử dụng
năng lượng của đất nước tăng gấp hai nhưng ngành năng lượng tăng
trưởng chỉ đáp ứng khoảng 60% yêu cầu. Tiết kiệm năng lượng trở thành
nhu cầu cấp thiết. Nhucầu tiêu thụ năng lượng ở nước ta đang gia tăng
mạnh mẽ, trong bối cảnh đang phải phấn đấu vượt qua những thách thức
to lớn về nguy cơ hủy hoại môi trường, nguồn tài nguyên năng lượng
truyền thống (than, dầu khí, thủy điện) ngày càng khan hiếm, thì chủ đề
“tiết kiệm năng lượng” có ý nghĩa vô cùng quan trọng.

Nhận thấy tầm quang trọng của việc tiết kiệm năng lượng nói chung và tiết
kiệm điện nói riêng, chúng em được sự hướng dẫn của thầy ThS. Trần
Xuân Trọng, chúng em thiết kế ra mạch điều khiển độ sáng đèn theo
cường độ ánh sáng môi trường. Mạch điều khiển có thể điều khiển tự
động dựa trên ánh sáng từ môi trường bên ngoài. Tính ưu việt của đề tài
này là tính tự động hóa cao, hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện
trong việc lắp đặt cũng như vận hành.
1.2. Vấn đề đặt ra
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại đèn chiếu sáng đủ để đáp ứng
nhu cầu của mọi hoạt động trong đời sống hàng ngày cũng như trong các
hoạt động sản xuất nông nghiệp và công nghiệp nhưng giá thành còn khá
cao cũng như độ phổ biến còn chưa lớn. Do vậy, em quyết định thiết kế
thiết kế mô hình hệ thống điều khiển độ sáng đèn theo cường độ ánh sáng
1


môi trường nhằm mục đích thử nghiệm. Trên cơ sở đó, chế tạo một hệ
thống quy mô thực và ứng dụng ra ngoài thực tế vươn tới quy mô thương
mại.
Vì vậy trong phạm vi đề tài này, em sẽ thực hiện thiết kế thiết kế mô hình hệ
thống điều khiển độ sáng đèn theo cường độ ánh sáng môi trường nhằm
mục đích tìm hiểu và nghiên cứu của sinh viên. Thiết bị sẽ từng bước
được nâng cấp để đạt được chất lượng và giá cả tốt nhất, hướng tới thị
trường thương mại.
1.3. Mục tiêu
- Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển độ sáng đèn theo
cường độ ánh sáng môi trường.
- Tìm hiểu về bo mạch Arduino Uno.
- Tìm hiểu về hệ thống cảm biến ánh sáng.
- Nghiên cứu chế tạo, phân tích thiết kế mô hình hệ thống mạch điều khiển độ

sáng đèn theo cường độ ánh sáng môi trường.
- Qua tìm hiểu, sinh viên có thể vẽ toàn bộ sơ đồ mạch điều khiển, tiếp theo là
mô phỏng mạch cảm biến án sáng trên phần mềm proteus, từ đó tiến hành
mua linh kiện cần thiết và khâu còn lại là đấu dây và chạy thử.
1.4. Chức năng và ứng dụng của hệ thống
1.4.1. Chức năng của hệ thống
- Giám sát liên tục cường độ ánh sáng tại các điểm đo theo thời gian thực.
- Theo dõi cường độ ánh sáng môi trường để điều khiển độ sáng của đèn.

2


1.4.2. Ứng dụng của hệ thống
- Hệ thống này có thể được ứng dụng vào một căn phòng, một tòa nhà hay
trong hệ thống giao thông công cộng.
- Hệ thống này cũng có thể được ứng dụng vào trong các hoạt động sản xuất
nông nghiệp và công nghiệp.

3


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1. Phân tích hệ thống
2.1.1. Yêu cầu của hệ thống
- Đơn giản, dễ dàng sử dụng, hoạt động ổn định, có độ chính xác cao.
- Mạch phần cứng nhỏ gọn, rõ ràng, cách bố trí linh kiện khoa học dễ dàng
lắp đặt sửa chữa.
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tham khảo tài liệu : Phần lớn các tài liệu được tham khảo trên
mạng qua các diễn đàn điện tử, trang web cung cấp tài liệu học tập.

- Phương pháp quan sát : Khảo sát một số mạch thực tế đang có trên thị
trường, các mô hình tốt nghiệp của anh chị các khóa trước và tham khảo thêm
một số dạng mạch từ mạng Internet.
- Phương pháp thực nghiệm: Từ những ý tưởng và kiến thức của mình kết hợp
với sự hướng dẫn của giáo viên, em đã thiết kế mạch điện sử dụng các linh
kiện thực tế. Thử nghiệm và tối ưu sản phẩm .
2.1.3. Lựa chọn linh kiện
2.1.3.1. Khối nguồn
Để cấp nguồn cho toàn mạch ta cấp trực tiếp qua cổng USB của Arduino, đơn
giản, tính ổn định cao, dễ thực hiện cũng như khi ta thay đổi chương trình cho
toàn mạch.
2.1.3.2. Khối cảm biến
Cảm biến ánh sáng quang trở nhạy cảm nhất với cường độ ánh sáng môi
trường thường được sử dụng để phát hiện độ sáng môi trường xung quanh và

4


cường độ ánh sáng. Khi cường độ ánh sáng môi trường xung quanh bên ngoài
vượt quá một ngưỡng quy định, ngõ ra của module D0 là mức logic thấp.

Hình 2.1. Module cảm biến cường độ sáng môi trường
* Đặc điểm nổi bật của Module cảm biến cường độ sáng môi trường:
- Thiết kế nhỏ gọn.
- Độ chính xác cao.
- Các thành phần phụ như điện trở, tụ điện... cần thiết cho mạch đã được gắn
đầy đủ. Người dùng chỉ cần cấp nguồn, nối dây điều khiển vào rơ le là có thể
tắt/mở bóng đèn hay các thiết bị điện khác theo cường độ ánh sáng chiếu vào
cảm biến.
- Sử dụng điện áp chuẩn 5V tương thích với nền tảng Arduino.

* Thông số kỹ thuật

5


- Ngõ ra A0 là ngõ Analog dùng để đo giá trị một giá trị cường độ ánh sáng
chính xác hơn.
- Điện áp vào từ 3.3V - 5V
- Tích hợp sẵn bộ so sánh opamp LM393.
- Trên mạch có 1 biến trở 10K ohm dùng để điều chỉnh độ nhạy sáng.
2.1.3.3. Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm: Có nhiều loại vi điều khiển, vi xử lý có thể làm được
nhiệm vụ này ví dụ như:
Vi điều khiển PIC có ưu điểm là tích hợp nhiều chức năng, thư viện hỗ trợ tốt,
phần mềm lập trình thân thiện bằng PIC C, giá rẻ, đặc biệt PIC có rất nhiều
chủng loại để lựa chọn nên với mỗi mục đích sử dụng có thể chọn được một
sản phẩm có 8 độ tương đồng cao, ít bị lãng phí chức năng. Vì vậy PIC được
dùng phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên nhược điểm của PIC là mạch nạp
khá đắt
AVR của hãng ATMEL quen thuộc với 89C51, ATmega, tốc độ nhanh, nhiều
hỗ trợ, giá rẻ, mạch nạp rẻ, phần mềm lập trình mạnh mẽ với AVRstudio và
CodeVisionAVR. Nhưng nhược điểm của nó là mạch nguồn cho ADC phức
tạp và AVR ít sản phẩm để lựa chọn.
Trung tâm xử lý sử dụng Arduino Uno R3 với vi điều khiển atmega328, hỗ
trợ các cổng vào/ra số, tương tự, đồng thời là các chân điều khiển băm xung
PWM và các cổng Digital cho phép đọc tín hiệu số từ khối chuyển đổi tín
hiệu gửi về, tốc độ cao, độ tin cậy cao hơn PIC. Ngoài ra Arduino dễ sử dụng,
có cộng đồng người dùng trên thế giới và trong nước lớn, giá thành vừa phải
thích hợp với việc sử dụng của học sinh, sinh viên.

6


Trong đề tài lựa chọn Arduino Uno R3 với giá thành rẻ, tốc độ cao (16 triệu
lệnh trên giây).
Ở đây, trung tâm xử lý đóng vai trò đọc tín hiệu điện áp từ khối chuyển đổi tín
hiệu gửi về sau đó đưa tín hiệu đến điều khiển cường độ sáng của đèn.
+ Khối cảm biến cường độ sáng môi trường: Trên thị trường có nhiều loại
module cảm biến cường độ sáng môi trường. Ở trong đề tài này em chọn
Module sử dụng IC so sánh áp LM393. Module Cảm biến ánh sáng dùng
quang trở có ưu điểm:
Độ chính xác cao nhờ sử dụng IC so sánh áp (comparator) LM393.
Thiết kế tổng thể nhỏ gọn
Các thành phần phụ như điện trở, tụ điện… cần thiết cho mạch đã được gắn
đầy đủ.
Arduino là một bo mạch xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết
bị phần cứng như cảm biến, động cơ,... Điểm hấp dẫn ở Arduino với người
lập trình là ngôn ngữ cực kì dễ học (giống C/C++), các ngoại vi trên bo mạch
đều đã được chuẩn hóa, nên không cần biết nhiều về điện tử, chúng ta cũng có
thể lập trình được những ứng dụng thú vị. Thêm nữa, vì Arduino là một
platform đã được chuẩn hóa, nên đã có rất nhiều các bo mạch mở rộng (gọi là
shield) để cắm chồng lên bo mạch Arduino, có thể hình dung nôm na là
"library" của các ngôn ngữ lập trình. Ví dụ, muốn kết nối Internet thì có
Ethernet shield, muốn điều khiển động cơ thì có Motor shield, muốn kết nối
nhận tin nhắn thì có GSM shield,... Rất đơn giản, và ta chỉ phải tập trung vào
việc "lắp ghép" các thành phần này và sáng tạo ra các ứng dụng cần thiết.
* Có thể kể ở đây một số ứng dụng của Arduino:

7

- Robot: Arduino được dùng để làm bộ xử lý trung tâm của rất nhiều loại
robot. Đó là nhờ vào khả năng đọc các thiết bị cảm biến, điều khiển động
cơ,... của Arduino.
- Game tương tác: chúng ta có thể dùng Arduino để tương tác với Joystick,
màn hình,... để chơi các trò chơi.
- Máy bay không người lái
- Mô phỏng Ipod

Hình 2.2. Module Arduino Uno
Cấu tạo của 1 bo mạch Arduino gồm những phần chính sau:
- Cổng USB (loại B): đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi
điểu khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điểu
khiển với máy tính.
- Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên,
nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó, ta cần
một nguồn 9V đến 12V.

8


- Hàng Header: đánh số từ 0 đến 12 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất ra
các tín hiệu số. Ngoài ra có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu
(AREF).
- Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn.
- Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog.
Ví dụ như đọc thông tin của các thiết bị cảm biến.
Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu
Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau. Ở bo mạch Arduino Uno này
thì sử dụng ATMega328.

• Thông số kỹ thuật
Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động: 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động: 16 MHz
Dòng tiêu thụ: khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V DC
Điện áp vào giới hạn: 6-20V DC
Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) : 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) : 50 mA
9


Bộ nhớ flash :32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
EEPROM: 1 KB (ATmega328)
Năng lượng: Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB
hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 620V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không
có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên,
bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO.
* Các chân năng lượng
- ND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng
các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải
được nối với nhau.
- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy
nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp
nguồn.
- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
* Bộ nhớ

10


- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ
nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ
được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ
nhớ này đâu.
- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai
báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần
nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại
trở thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị
mất.
- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi
dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ
liệu trên SRAM.
* Các cổng vào/ra

Hình 2.3. Các cổng vào/ra của Arduino
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ
có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA.
11

Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều
khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive
– RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác
thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết
nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng
2 chân này nếu không cần thiết.
- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với
độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra
ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những
chân khác.
- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các
chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng
giao thức SPI với các thiết bị khác.
- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm
nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân
số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu
10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân
AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các
chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể
dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân
giải vẫn là 10bit.

12

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
* Lập trình cho Arduino
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng. Ngôn
ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và
Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một sốngười gọi nó là Wiring, một số
khác thì gọi là C hay C/C++. Hoặc gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ
phát triển Arduino cũng gọi như vậy. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++
phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu. Nếu học tốt chương trình Tin học
11 thì việc lập trình Arduino sẽ rất dễ dàng. Để lập trình cho Mạch Arduino,
nhà phát triển cung cấp một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino
IDE(IntergratedDevelopmen Environment). Như vậy ngôn ngữ lập trình của
Arduino chính là C/C++, nhưng so với lập trình lập trình trực tiếp với vi điều
khiển, lập trình với Arduino đơn giản hơn nhiều vì chúng ta chỉ phải giao tiếp
với phần cứng thông qua các thư viện, có thể xem như các lớp C++ wrapper
lên các giao tiếp với phần cứng.
2.1.3.4. Giới thiệu về đèn Led
Một diode phát sáng là một thiết bị bán dẫn sẽ phát ra ánh sáng và dẫn điện
khi một dòng điện đi qua nó. Nó cơ bản là đối diện của một tế bào quang điện
(một thiết bị chuyển đổi ánh sáng khả kiến thành dòng điện).

13


Hình 2.4. Một số loại đèn Led
* Chi tiết kỹ thuật:
Đèn LED bao gồm hai loại vật liệu bán dẫn (loại P và loại N). Cả hai loại vật
liệu loại p và n, còn được gọi là vật liệu extringent, đã được pha tạp (nhúng
vào một chất gọi là “tác nhân doping”) để thay đổi một chút tính chất điện của
chúng từ dạng tinh khiết, không thay đổi hoặc “nội tại” (i-type).

Các vật liệu loại P và loại N được tạo ra bằng cách đưa vật liệu gốc vào
nguyên tử của nguyên tố khác. Những nguyên tử mới này thay thế một số
nguyên tử hiện có trước đó và trong quá trình đó, thay đổi cấu trúc vật lý và
hóa học. Các vật liệu loại p được tạo ra bằng cách sử dụng các nguyên tố
(chẳng hạn như boron) có ít electron hóa trị hơn so với vật liệu nội tại (thường
là silic). Các vật liệu loại n được tạo ra bằng cách sử dụng các nguyên tố (như
phốt pho) có nhiều electron hóa trị hơn là vật chất bên trong (đôi khi là silic).
Hiệu ứng ròng là việc tạo ra một điểm nối pn với các thuộc tính thú vị và hữu
ích cho các ứng dụng điện tử. Những thuộc tính đó là chính xác phụ thuộc chủ
yếu vào điện áp bên ngoài được áp dụng cho mạch (nếu có) và hướng của
dòng điện (tức là phía nào, kiểu p hoặc kiểu n).
14


Hình 2.5. Cấu tạo và kỹ thuật của đèn Led
Khi một diode phát sáng (LED) có nguồn điện áp được kết nối với cực dương
trên cực dương và mặt âm trên cực âm, dòng điện sẽ chảy (và ánh sáng sẽ
phát ra, một điều kiện được gọi là độ lệch về phía trước). Nếu đầu dương và
âm của nguồn điện áp được kết nối nghịch (dương với cực âm và âm cực
dương), dòng điện sẽ không chảy (điều kiện được gọi là độ lệch ngược).
Chuyển tiếp thiên vị cho phép dòng điện chạy qua đèn LED và làm như vậy,
phát ra ánh sáng. Đảo ngược thiên vị ngăn dòng điện chạy qua đèn LED (ít
nhất là cho đến một điểm nhất định mà nó không thể giữ dòng điện tại vịnh –
được gọi là điện áp nghịch đảo đỉnh – một điểm nếu đạt tới, sẽ làm hỏng thiết
bị một cách không thể phục hồi).
* Cấu tạo bóng đèn led
- Mạch in của đèn LED siêu sáng
Để bóng LED đạt độ bền tối đa thì thiết bị không thể thiếu đó chính là mạch
in. Do vậy mạch in rất được chú trọng trong chi tiết lắp ráp vào sản phẩm đèn
LED và được cấu tạo từ nhôm, gốm giúp đèn có công suất trung bình và lớn

tản nhiệt nhanh hơn.

15


- Chip LED – Trái tim của Bóng Đèn LED
Có thể nói để đèn LED chiếu sáng thì chip LED phải hoạt động, trong chip
LED chứa 1 chíp bán dẫn có pha các tạp chất tạo ra tiếp giáp P-N. Kênh P
chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử. Bắt đầu hoạt động dòng điện bên A-nốt
(P) đến K-ốt (N) sẽ được các điện tử lấp đầy chỗ trống sẽ sản sinh ra bức xạ
ánh sáng. Tùy thuộc vào cấu tạo các chất bán dẫn mà Đèn LED sẽ chiếu ra
ánh sáng có màu sắc khắc nhau.
Cáp nguồn cung cấp điện cho bóng LED siêu sáng
Thông thường bộ cáp nguồn nối dòng điện cung cấp cho đèn phải được chọn
bằng những loại cao cấp nhất, bởi tuổi thọ của đèn LED chiếu sáng rất cao,
nếu trong thời gian sử dụng khi bóng vẫn hoạt động tốt mà dây nguồn gặp sự
cố thì rất khó sửa chữa, thay mới. Nên dây nguồn phải đảm bảo đảm được
điện áp ổn định phù hợp để cung cấp cho đèn chiếu sáng và tuổi thọ dây
tương đương với đèn.
- Lớp vỏ bảo vệ của bóng Đèn LED
Để đảm bảo bóng Đèn LED hoạt động tốt nhất thì lớp vỏ bảo vệ đóng vai trò
cực kì quan trọng. Vỏ phải có cấu tạo chắc chắn bằng những hợp kim nhôm
chuyên dụng, nhựa cao cấp, nếu là Đèn LED ngoài trời thì phải trang bị thêm
công nghệ IP66 chống nước hoàn hảo, chống bám bụi, các tác động ngoại lực
bên ngoài và khả năng tản nhiệt cũng phải chú ý nhiều ở giai đoạn này.
* Nguyên lý hoạt động của đèn led
Một diode phát sáng là nguồn sáng bán dẫn hai chiều. Nó là diode nối tiếp
phát ra ánh sáng khi được kích hoạt. Khi điện áp thích hợp được áp dụng cho
các đạo trình, các electron có thể tái kết hợp với các lỗ electron trong thiết bị,
giải phóng năng lượng dưới dạng photon. Hiệu ứng này được gọi là phát

16


quang điện, và màu của ánh sáng (tương ứng với năng lượng của photon)
được xác định bởi khoảng cách băng năng lượng của chất bán dẫn.
Làm việc trong một nutshell:
Vật liệu được sử dụng trong đèn LED về cơ bản là nhôm-gallium-arsenide
(AlGaAs). Trong trạng thái ban đầu của nó, các nguyên tử của vật liệu này
được liên kết chặt chẽ. Nếu không có các electron tự do, việc dẫn điện trở
thành không thể ở đây.
Bằng cách thêm một tạp chất, được gọi là doping, các nguyên tử phụ được
giới thiệu, làm xáo trộn hiệu quả sự cân bằng của vật liệu.
Những tạp chất này dưới dạng nguyên tử bổ sung có thể cung cấp các
electron tự do (N-type) vào hệ thống hoặc hút một số electron đã tồn tại từ các
nguyên tử (P-Type) tạo ra “lỗ hổng” trong quỹ đạo nguyên tử. Theo cả hai
cách, vật liệu được dẫn điện hơn. Do đó trong ảnh hưởng của dòng điện trong
loại vật liệu N, các electron có thể di chuyển từ cực dương (dương) đến cực
âm (âm) và ngược lại trong loại vật liệu P. Do tính chất của chất bán dẫn,
dòng điện sẽ không bao giờ di chuyển theo hướng ngược lại trong các trường
hợp tương ứng.
Từ lời giải thích trên, rõ ràng là cường độ ánh sáng phát ra từ nguồn (LED
trong trường hợp này) sẽ phụ thuộc vào mức năng lượng của photon phát ra,
do đó sẽ phụ thuộc vào năng lượng được giải phóng bởi các electron nhảy vào
giữa quỹ đạo nguyên tử của vật liệu bán dẫn.
Chúng ta biết rằng để làm cho một electron bắn từ quỹ đạo thấp hơn đến
quỹ đạo cao hơn mức năng lượng của nó là cần thiết để được nâng lên. Ngược
lại, nếu các electron được tạo ra từ mức cao hơn đến các obitan thấp hơn, thì
năng lượng logic phải được giải phóng trong quá trình này.

17

Trong đèn LED, các hiện tượng trên được khai thác tốt. Đáp lại kiểu doping
của loại P, các electron trong LED di chuyển bằng cách rơi từ quỹ đạo cao
hơn xuống các obitan thấp hơn giải phóng năng lượng dưới dạng photon tức
là ánh sáng. Các quỹ đạo này xa hơn nhau, cường độ của ánh sáng phát ra
càng lớn. Các bước sóng khác nhau liên quan đến quá trình xác định các màu
khác nhau được tạo ra từ các đèn LED. Do đó, ánh sáng phát ra bởi thiết bị
phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn được sử dụng.
Ánh sáng hồng ngoại được tạo ra bằng cách sử dụng Gallium Arsenide
(GaAs) làm chất bán dẫn. Ánh sáng đỏ hoặc vàng được tạo ra bằng cách sử
dụng Gallium-Arsenide-Phosphorus (GaAsP) làm chất bán dẫn. Ánh sáng đỏ
hoặc xanh lục được tạo ra bằng cách sử dụng Gallium-Phosphorus (GaP) làm
chất bán dẫn. Và điều này có thể áp dụng để khai thác cho việc trồng cây
trong môi trường ánh sáng nhân tạo là loại đèn quang hợp cho cây trồng trong
nhà để có thể giúp cây phát triển.
* Lợi ích của đèn led đem lại
- Tiết kiệm năng lượng – Ánh sáng LED có thể tiết kiệm năng lượng gấp 5 lần
so với các nguồn sáng và đèn halogen – cắt giảm chi phí trong khi giảm tác
động môi trường.
- Yêu cầu điện áp thấp và hiện tại – Hệ thống chiếu sáng LED cung cấp cài
đặt và sử dụng đơn giản, linh hoạt.
- Nhiệt bức xạ thấp – Vì đèn LED không phát ra bức xạ hồng ngoại, chúng có
thể được lắp đặt trong các khu vực nhạy cảm với nhiệt độ, gần người và vật
liệu, và trong những không gian nhỏ nơi nhiệt thu thập có thể nguy hiểm.
- Độ tin cậy cao – Đèn LED có thể hoạt động ở nhiệt độ lạnh hơn và chịu
được va đập và rung động, khiến chúng phù hợp với môi trường khắc nghiệt

18

hoặc những khu vực khó tiếp cận. Đèn LED không có các bộ phận chuyển
động của sợi có thể bị hỏng hoặc hỏng.
- Không có tia UV hoặc bức xạ hồng ngoại – Vì đèn LED không phát ra tia
UV có hại có thể làm suy giảm vật liệu hoặc làm mờ sơn và thuốc nhuộm,
chúng lý tưởng để sử dụng trong các cửa hàng bán lẻ, bảo tàng và phòng
trưng bày nghệ thuật.
- Tuổi thọ nguồn dài – LED mang lại tuổi thọ hữu ích lâu hơn đáng kể so với
các nguồn sáng thông thường, làm giảm chi phí bất tiện khi bảo trì và thay
thế.
- Điều khiển dễ dàng – Đèn LED có thể được điều khiển kỹ thuật số (và tự
động) để đạt hiệu quả và linh hoạt tối đa.
2.2. Thiết kế hệ thống
2.2.1. Giới thiệu hệ thống

Hình 2.6. Mô tả hoạt động của hệ thống
Cảm biến ánh sáng sẽ tiếp nhận kích thích từ môi trường, sau đó gửi về cho vi
điều khiển, tiếp theo vi điều khiển sẽ gửi dữ liệu và lệnh điều khiển đèn led.
2.2.2. Thiết kế phần cứng
2.2.2.1. Các linh kiện được sử dụng
- Cảm biến ánh sáng
19


- Arduino Uno
- Led đơn
- Điện trở
2.2.2.2. Sơ đồ khối
Hệ thống gồm 3 khối chính:
- Khối nguồn: Nguồn 5V

- Khối cảm biến: Cảm biến ánh sáng
- Khối xử lý trung tâm: Arduino Uno
- Khối đèn: Đèn led

Khối cảm biến

Khối xử lý

cường độ sáng môi
trường

trung tâm

Đèn

Khối nguồn

Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ thống
- Chức năng của từng khối:
+ Khối cảm biến cường độ sáng: Có chức năng thu nhận giá trị cường độ ánh
sáng của môi trường sau đó gửi về khối xử lý trung tâm.
20


+ Khối xử lý trung tâm: Có chức năng xử lý hệ thống theo chương trình đã
được lập trình sẵn.
+ Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống.
2.2.2.3. Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động
* Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý được vẽ mô phỏng trên Proteus
* Nguyên lý hoạt động
Cảm biến ánh sáng sẽ nhận kích thích ánh sáng từ môi trường, sau đó gửi dữ
liệu cho vi điều khiển Arduino Uno , vi điều khiển sẽ thu thập và xử lý dữ liệu
nhận được từ cảm biến, sau đó sẽ truyền dữ liệu đó để điều khiển đèn led.

21