TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG CỬA. HỆ
THỐNG CHIẾU SÁNG VÀ CUNG CẤP ĐIỆN TỪ NGUỒN DỰ PHÒNG
MỘT CHIỀU CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH Cán bộ hướng dẫ
n:
ThS. NHỮ KHẢI HOÀN
Sinh viên thực hiệ
n:
NGUYỄN VĂN HUY
Khóa 51
Khánh Hòa, 2013
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên người nhận xét:
Chức danh: Đơn vị công tác:
Tên đồ án: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG CỬA. HỆ
THỐNG CHIẾU SÁNG VÀ CUNG CẤP ĐIỆN TỪ NGUỒN DỰ
PHÒNG MỘT CHIỀU CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Huy MSSV: 51130425
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Hệ: Chính quy
Khóa: 51 (2009 - 2013)
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Chất lượng hình thức 2. Chất lượng nội dung Khánh Hòa, ngày tháng năm 2013
Người nhận xét
3. Điểm đánh giá:
Điểm kết luận của Hội đồng chấm Đồ án

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử
Trường Đại Học Nha Trang, các bạn sinh viên trong tập thể lớp 51DDT, các anh chị đi
trước cũng như các em khóa sau đã giúp em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án,
đóng góp những ý kiến bổ ích và giá trị khi thực hiện đề tài này.
Nha Trang, tháng 06 năm 2013
Sinh viên
Nguyễn Văn Huy
ii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công thực tế các mạch điện tử mang
tính tự động hóa. Vận dụng các lý thuyết đã học, tìm hiểu các linh kiện điện tử có
trong thực tế và sử dụng phần mềm chuyên dụng để thiết kế và thi công các mạch điện
như sau:
o Bộ nguồn tự động chuyển đổi và hòa đồng bộ giữa nguồn điện lưới và
nguồn dự phòng. Nguồn dự phòng ở đây là Ắc quy 12V một chiều được
nghịch lưu thành 220V xoay chiều tần số 50Hz với công suất là 500W.
o Mạch bơm nước tự động có khả năng bơm theo các mức tùy người sử dụng
đặt sẵn(8 mức). Hiển thị mức nước trong bồn chứa một cách rõ ràng. Có bảo
vệ bơm không tải tức là ngừng hoạt động khi máy bơm hoạt động mà không
có nước. Cảnh bảo sự cố bằng đèn hoặc còi.
o Mạch đèn tự động bật tắt khi có người hoặc không có người sử dụng cảm
biến thân nhiệt kết hợp với cảm biến ánh sáng.
o Mạch cửa tự động đóng mở sử dụng cảm biến thân nhiệt.
o Mạch bồn rửa tay tự động sử dụng cảm biến hồng ngoại.
Phương án điều khiển các thiết bị trong đồ án là sử dụng các loại cảm biến như:
Cảm biến hồng ngoại, cảm biến ánh sáng, cảm biến thân nhiệt, cảm biến mực
nước…Sau đó, lấy tín hiệu từ cảm biến đưa vào vi điều khiển họ 8051 để xử lý theo
chương trình đã lập trình sẵn để điều khiển thông qua TRIAC kết hợp với Opto cách ly
điện áp thay cho Rơ le vì tuổi thọ của Rơ le không cao khi đóng cắt nhiều lần và đảm

2.2.3. Transistor 14
2.2.4. Diode, Led 17
2.2.5. Rơ-le 20
2.2.6. Cảm biến LDR và PIR 22
2.2.7. Op-amp so sánh 25
2.2.8. IC tạo xung CD4047B 27
2.2.9. Triac BT136 28
iv

CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHUYỂN ĐIỆN MỘT CHIỀU TỪ
NGUỒN DỰ PHÒNG THÀNH ĐIỆN XOAY CHIỀU CUNG CẤP CHO CÁC
THIẾT BỊ TRONG GIA ĐÌNH (UPS) 30
3.1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LƯU ĐIỆN UPS 30
3.1.1. Giới thiệu về bộ lưu điện UPS 30
3.1.2. Phân loại bộ lưu điện UPS 32
3.1.3. Ưu điểm của bộ lưu điện UPS 35
3.2. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 35
3.2.1. Yêu cầu của mạch điện 35
3.2.2. Sơ đồ khối của mạch thiết kế 35
3.2.3. Chức năng và nhiệm vụ của từng khối trong mạch 36
3.2.4. Tính toán và lựa chọn linh kiện 36
3.3. THI CÔNG THỰC TẾ 45
3.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể 45
3.3.2. Mạch điện đã làm thực tế 47
3.4. ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỆN 50
3.4.1. Đánh giá 50
3.4.2. Ứng dụng của mạch điện trong thực tế 50
CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỬA TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN THÂN
NHIỆT PIR 51
4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 51

5.4.2. Ứng dụng của mạch điện trong thực tế 69
CHƯƠNG 6: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN THÂN
NHIỆT PIR KẾT HỢP VỚI QUANG TRỞ LDR 70
6.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 70
6.1.1. Vấn đề đặt ra 70
6.1.2. Đề xuất giải pháp 70
6.2. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 70
6.2.1. Yêu cầu của mạch điện 70
6.2.2. Xây dựng sơ đồ khối chung 71
6.2.3. Thiết kế và tính toán mạch điện 71
6.2.4. Lưu đồ thuật toán và viết chương trình 75
vi

6.3. THI CÔNG THỰC TẾ 76
6.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể 76
6.3.2. Mạch điện đã làm thực tế 77
6.4. ĐÁNH GIÁ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐIỆN 77
6.4.1. Đánh giá 77
6.4.2. Ứng dụng của mạch điện trong thực tế 77
CHƯƠNG 7: MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỒN RỬA TAY TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN
HỒNG NGOẠI 78
7.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 78
7.1.1. Vấn đề đặt ra 78
7.1.2. Đề xuất giải pháp 78
7.2. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN THEO YÊU CẦU 78
7.2.1. Yêu cầu của mạch điện 78
7.2.2. Xây dựng sơ đồ khối chung 78
7.2.3. Thiết kế và tính toán mạch điện 79
7.2.4. Lưu đồ thuật toán và viết chương trình 81
7.3. THI CÔNG THỰC TẾ 82

Hình 2.18. Hình ảnh thực tế của cảm biến thân nhiệt PIR 23
Hình 2.19. Hình dáng và kích thước của PIR 23
Hình 2.20. Vật liệu pyroelectric dùng làm cảm biến PIR 24
Hình 2.21. Đầu vào ra của bộ khuếch đại thuật toán 25
Hình 2.22. Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của Lm324 26
Hình 2.23. Sơ đồ chân của IC CD4047 27
Hình 2.24. Các lớp bán dẫn và ký hiệu Triac 28
Hình 2.25. Đặc tính Volt- Ampere của Triac 29
Hình 2.26. Triac BT136 29
Đối với mạch cần dòng lớn và công suất lớn hơn thì ta có thể thay đổi các TRIAC có
công suất và dòng điện phù hợp với mục đích sử dụng. 29
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc UPS online 32
viii

Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc UPS offline 33
Hình 3.3. Sơ đồ khối UPS theo thiết kế 36
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi chế độ hoạt động theo thiết kế 37
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch nạp acquy theo thiết kế 39
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất theo thiết kế 44
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch UPS 46
Hình 3.8. Mạch chuyển đổi đã làm thực tế 47
Hình 3.9. Mạch nạp ắc quy đã làm thực tế 47
Hình 3.10. Mạch tạo dao động và khuếch đại công suất thực tế 48
Hình 3.11. Biến áp nghịch lưu đã quấn 48
Hình 3.12. Mô hình UPS thực tế đã làm 49
Hình 4.1. Sơ đồ khối thuật toán chung cửa tự động 52
Hình 4.2. Mạch nguồn cung cấp cho cửa tự động 52
Hình 4.3. Mạch cầu H thay đổi chiều động cơ 53
Hình 4.4. Mạch lấy tín hiệu từ cảm biến cho cửa tự động 54
Hình 4.5. Mạch điều khiển cửa tự động 54

Hình 7.7. Mạch bồn rửa tay tự động làm thực tế 83

x

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Chức năng các bit của Port P3 89c52 12
Bảng 2.2. Thông số làm việc của IC555 13
Bảng 2.3. Dòng tối đa và điện áp nghịch của 1 số diode 18
Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa dung lượng ắc quy với dòng điện phóng 41
Bảng 3.2. So sánh ắc quy loại hở và loại kín 42
ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc
1 CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Nhà thông minh đang là một xu hướng đang phát triển trong việc xây dựng các
công trình nhà ở, các căn hộ, hay các trung tâm thương mại. Từ lâu, nó đã là một đề tài
thu hút được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học cũng như cộng
đồng.
Mặt khác, đời sống về vật chất cũng như tinh thần của xã hội ngày càng được
nâng lên một cách rõ rệt thì nhu cầu của xã hội cũng sẽ tăng lên, xã hội sẽ hướng đến
những thiết bị vừa gần gũi vừa hoạt động tiện ích tạo cho họ cảm giác thoải mái và
thuận lợi hơn, giải quyết công việc một cách khoa học hơn.
Các mạch điện hay các sản phẩm thông minh, tự động hóa đang ngày càng đi
vào đời sống người dân và mang tính thực tiễn rất cao.
Được sự chỉ dạy tận tình của các thầy cô có chuyên môn trong khoa Điện- Điện
Tử Trường Đại Học Nha Trang và xuất phát từ nhu cầu thực tế trong xã hội, em chọn
đề tài tốt nghiệp “ Thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thống cửa. Hệ thống chiếu
sáng và cung cấp điện từ nguồn dự phòng một chiều cho ngôi nhà thông minh ”
để phần nào ứng dụng những thiết bị thông minh tự động vào trong cuộc sống hàng
ngày, giải quyết công việc một cách tiện lợi và tốt nhất.
Với tiêu chí đó, đồ án này sẽ trình bày và thiết kế một số mạch điện tự động
hóa thông minh trong một ngôi nhà “Smart House”. Đây là một đề tài bao gồm cả cơ
khí, điện tử và lập trình điều khiển, đòi hỏi sự chính xác cao và có thể ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực mang lại hiệu quả cao.

Chương này nói về lý thuyết và ưu nhược điểm của các loại UPS hiện có trên
thị trường. Tính toán, thiết kế và thi công mạch tự động chuyển điện một chiều
từ nguồn dự phòng là ắc quy 12VDC sang nguồn điện 220VAC 50Hz cung cấp
thay cho nguồn điện lưới, hòa đồng bộ giữa nguồn điện lưới và nguồn ắc quy
này.
o Chương 4: Mạch điều khiển cửa tự động dùng cảm biến thân nhiệt PIR.
Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch cửa tự động
dùng cảm biến thân nhiệt PIR.
o Chương 5: Mạch điều khiển bơm nước tự động có bảo vệ bơm không tải.
3 Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch bơm nước tự
động với 8 mức cài đặt và có bảo vệ bơm không tải khi bơm hoạt động mà
không có nước.
o Chương 6: Mạch điều khiển đèn tự động dùng cảm biến thân nhiệt PIR kết hợp
với quang trở LDR.
Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch đèn tự động bật
khi có người với điều kiện ánh sáng không đủ. Cảm biến dùng là kết hợp giữa
cảm biến ánh sáng LDR với cảm biến thân nhiệt PIR.
o Chương 7: Mạch điều khiển bồn rửa tay tự động dùng cảm biến hồng ngoại.
Chương này trình bày cách tính toán, thiết kế và thi công mạch bồn rửa tự động
dùng cảm biến hồng ngoại.
o Đánh giá kết quả nghiên cứu và phương hướng phát triển của đề tài.
Phần này đánh giá kết quả nghiên cứu được, đồng thời nêu phương hướng để
nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện thêm cho đề tài.
1.5. GIỚI THIỆU VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH
Bạn đã từng nghe hoặc từng được bước chân vào một ngôi nhà thông minh nào
đó chưa? Chắc chắn đó sẽ là những trải nghiệm hết sức thú vị về sự phát triển của
khoa học kỹ thuật và công nghệ hiện đại mang lại cho cuộc sống của con người khi

smart phone…

5 CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC LINH KIỆN
CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.1. Cấu trúc và tham số của nguồn một chiều

Hình 2.1. Sơ đồ khối của mạch nguồn một chiều
a) Chức năng các khối:
- Máy biến áp có nhiệm vụ chuyển từ điện áp qui chuẩn của lưới điện sang điện áp phù
hợp với tải. Máy biến áp còn có nhiệm vụ biến từ số pha qui chuẩn của lưới điện sang
số pha phù hợp với mạch chỉnh lưu.
Mạch chỉnh lưu: Ở đây các van bán dẫn được đấu với nhau thành mạch sao cho tiến
hành được quá trình chỉnh lưu.
Chú ý: Mạch van là mạch bắt buộc phải có trong thiết bị chỉnh lưu. Trong khi đó MBA
có thể có hoặc không.
- Lọc: Có nhiệm vụ làm bằng phẳng điện áp hoặc dòng điện ra tải theo yêu cầu của tải.
b) Phân loại:
Mạch chỉnh lưu được phân loại theo các dấu hiệu sau:
- Theo số pha nguồn đưa tới mạch van: m
2
= 1,2,3,6,12…
- Theo sơ đồ đấu mạch van : hình tia hoặc hình cầu
Sơ đồ hình tia: Số lượng van = số pha nguồn ( n=m
2

2
0
2
00
2
1
2
11
datdtadtta
T
A
T
tbP
d
= U
d
. I
d
; P
d
: công suất một chiều đưa ra tải
 Nhóm tham số van:
Dòng trung bình qua van: I
tbv

Điện áp ngược cực đại: U
ngược van

2
1
2

( m: số cuộn thứ cấp)
 Tham số phụ :
- Hệ số đập mạch:
o
m
đm
U
U
K
1


U
1m
: Biên độ sóng hài bậc một theo khai triển Furiê của điện áp U
d

U
o
: Là thành phần không đổi, cũng theo khai triển trên
- Hệ số san bằng: Dùng để đánh giá hiệu quả của bộ lọc, do đó nó được tính như
sau:
dmra
dmvao
sb
K

2
Đ
4
nhóm
anot chung.
0 ÷ π, u
2
> 0 Đ
1
Đ
2
dẫn, Đ
3
Đ
4
khóa
π ÷ 2π; u
2
< 0 Đ
1
Đ
2
khóa, Đ
3
Đ
4
dẫn
Tải luôn nhận được điện áp một chiều, ta cũng có
22
9,0

dấu so với chỉnh lưu và góc mở α của các tiristo thỏa mãn điều kiện (π/2<α<π) lúc đó
công suất của máy phát điện một chiều trả về lưới xoay. Tần số và điện áp nghịch lưu
này phụ thuộc vào tần số điện áp lưới xoay chiều. Sơ đồ như sau :

Hình 2.4. Sơ đồ mạch nghịch lưu phụ thuộc
Ta có thể coi U
dα
như nguồn một chiều thay thế tương đương cho mạch van và
nguồn xoay chiều phía trước.
Một nguồn suất điện động nào đó có thể là phát năng lượng hay nhận năng lượng
tuỳ theo chiều dòng điện và chiều suất điện động nào đó.
- Nếu chiều dòng điện
e
i

trùng chiều suất điện động
E

: Nguồn E phát năng lượng P
n

- Nếu chiều dòng điện
e
i

ngược chiều suất điện động
E

: Nguồn E nhận năng lượng
P

, tức U
dα
< 0. Mà: U
dα
= U
do
cosα =>
cần điều chỉnh để α > 90
o
Khi giữ nguyên chiều E
d
, cần:
- Đảo chiều dòng điện i
d
bằng cách đưa vào mạch van thứ II ngược vơi mạch van
chỉnh lưu I
- Điều kiện 2 đảm bảo khi α > 90
0

Với điều kiện α > 90
0
thì chỉ có các mạch có quy luật


cos
0dd
UU  mới cho phép
chạy ở chế độ nghịch lưu.
9


,

T
4
mở ra. Tải sẽ được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại,
tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và U
1
= - E. Do tải mang tính trở cảm nên dòng
vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm), T
1
, T
2
đã bị khóa, nên dòng phải khép
mạch qua D
3
, D
4
. Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng
thông qua D
3
, D
4
về tụ C (đường nét đứt ).
Tương tự như vậy khi khóa cặp T
3
và

T
4
dòng tải sẽ khép mạch qua D

- 3 bộ Timer/Counter 16 bit: 0, 1, 2.
- 8 nguồn ngắt.
- Giao tiếp nối tiếp điều khiển bằng phần cứng.
- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài.
- Cho phép xử lý bit.
- 4µs cho hoạt động nhân hoặc chia.
- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit.

Hình 2.6. Sơ đồ chân của Vi điều khiển 8051 loại 20 và 40 chân
 PORT 0: Là port có 2 chức năng ở các chân 32-39 của AT89C52:
11 Chức năng IO (xuất/nhập): Dùng cho các thiết kế nhỏ. Tuy nhiên, khi dùng chức
năng này thì Port 0 phải dùng thêm các điện trở kéo lên (pull-up), giá trị của điện
trở phụ thuộc vào thành phần kết nối với Port.
o Khi dùng làm ngõ ra, Port 0 có thể kéo được 8 ngõ TTL.
o Khi dùng làm ngõ vào, Port 0 pải được set mức logic 1 trước đó.
Chức năng địa chỉ/dữ liệu đa hợp:khi dùng các thiết kế lớn, đòi hỏi phải sử dụng
bộ nhớ ngoài thì Port 0 vừa là bus dữ liệu (8 bit), vừa là bus địa chỉ (8 bit thấp).
Ngoài ra khi lập trình cho AT89C52, Port 0 còn dùng để nhận mã khi lập trình và
xuất mã khi kiểm tra (quá trình kiểm tra đòi hỏi phải có điện trở kéo lên).
 Port 1: (chân 1-8) Ngoài chức năng là IO, chân P1.0 và chân P1.1 dùng cho bộ
định thời thứ 3.
Tại Port 1 đã có điện trở kéo lêm nên không cần thêm điện trở ngoài. Port 1 có khả
năng kéo được 4 ngõ TTL và còn dùng làm 8 bit địa chỉ thấp trong quá trình lập
trình hay kiểm tra.
Khi dùng làm ngõ vào, Port 1 phải được set mức logic 1 trước đó.
 Port 2: (chân 21-28) Là Port có 2 chức năng:
Chức năng IO (xuất/nhập) : có khả năng kéo được 4 ngõ TTL. Khi dùng làm ngõ