Thứ Tư, 26 tháng 2, 2014

Cảm biến chiếu sáng và ứng dụng nó trong hệ thống điều khiển chiếu sáng tiết kiệm năng lượng điện

TÓM TẮT

Bài báo trình bày khái quát về đặc trưng của ánh sáng, cảm biến ánh sánh và việc ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống điều khiển chiếu sáng với mục tiêu tiết kiệm năng lượng điện trong chiếu sáng đô thị, khu dân cư … hay trong nhà kính trồng cây nông nghiệp.
ABSTRACT
This paper presents an overview of the characteristics of light, the light sensor and applying this light sensor in applications using lighting control system for electric energy saving in street lighting, residential area lighting ... or in agricultural crop greenhouse.
MỞ ĐẦU
Ánh sáng là một dạng bức xạ sóng điện từ mà mắt người có thể nhìn thấy. Sự phát xạ mà chúng ta nhìn thấy được như ánh sáng mặt trời, hoặc quang phổ nhìn thấy chỉ là một phần rẩt nhỏ trong toàn bộ dải quang phổ sóng điện từ, bao gồm tia gama, tia x và sóng rađiô. Tia cực tím có bước sóng thấp nhất khoảng 380nm (mắt người có thể nhìn thấy rõ) và bước sóng dài nhất khoảng 720nm. Sự bức xạ của hệ mặt trời bao gồm dải quang phổ rộng lớn của các bước sóng điện từ với cường độ sáng khác nhau. Ánh sáng nhìn thấy từ nguồn bức xạ mặt trời là ánh sáng trắng do sự pha trộn của nhiều bước sóng mà mắt người cảm nhận được. Tuy nhiên, khi đi qua lăng kính hay màn sương mù đọng lại trong không khí sau cơn mưa, sóng ánh sáng được tổ chức và khúc xạ trong dải màu sắc đa dạng tạo nên hiệu ứng cầu vồng.
Hình 1: Ánh sáng nhìn thấy trong toàn dải quang phổ sóng điện từ
Vì mắt người chỉ có thể cảm nhận được một phần nhỏ trong tổng số phổ phát xạ, nên phần lớn chúng ta không biết rằng các đối tượng xung quanh liên tục phát ra các bức xạ. Khi nhiệt độ của đối tượng tăng, quang phổ của bức xạ phát ra từ nó thay đổi để thêm vào các bước sóng ngắn hơn. Và khi đạt được nhiệt độ xác định, chúng ta nhận thấy một “ánh sáng rõ” như bức xạ phát ra dịch chuyển vào trong dải ánh sáng có thể nhìn thấy.
Người ta thường đo lường ánh sáng dựa theo phương pháp đo cường độ sáng. Cường độ sáng có thể xác định theo công suất phát sáng hoặc thông lượng sáng trên một góc khối, trên một mặt phẳng xác định hoặc kết hợp cả hai. Cường độ sáng tuân theo luật bình phương nghịch đảo, nghĩa là cường độ sáng giảm theo bình phương khoảng cách từ nguồn phát sáng. Nếu đo cường độ sáng ở khoảng cách nhân đôi, thì cường độ giảm ¼ lần, nếu đo ở khoảng cách gấp ba thì cường độ sáng giảm chín lần so với giá trị ban đầu. Phần lớn các nguồn sáng phân phát ánh sáng đều theo các hướng, giống như hình cầu. Cường độ sáng có thể được tính toán theo công suất phát sáng (P) của nguồn sáng trên diện tích bề mắt phát sáng: I=P/A [W/m2], A=4.π.r2-diện tích hình cầu ánh sáng bao phủ, r-khoảng cách từ nguồn sáng đến điểm đo cường độ sáng.
ĐO ÁNH SÁNG
Như đã đề cập trước đó, ánh sáng nói chúng được coi là một phần của quang phổ điện từ mà mắt người có thể cảm nhận được. Vì ánh sáng là một hiện tượng rất phức tạp nó không thể được đo lường một cách dễ dàng như nhiệt độ không khí và áp suất. Mỗi nguồn sáng đều có nhiều đặc tính khác nhau. Ánh sáng có bước sóng xác định hoặc hỗn hợp của các bước sóng có thể đo được (đơn vị đo thường là nanomet) . Nó có một tần số sóng (đơn vị đo bằng hertz hoặc chu kỳ trên giây). Ánh sáng có đặc tính cường độ mà có thể đo được theo một số cách khác nhau. Ngoài ra ánh sáng còn có nhiều đặc điểm khác như sự phân cực (định hướng bước sóng), .... Ở khía cánh phức tạp, gần như tất cả các nguồn ánh sáng, bao gồm cả mặt trời, đều phát ra một quang phổ gồm nhiều bước sóng đồng thời ở những cường độ khác nhau.
Trong đa phần các ứng dụng (chiếu sáng khu dân cư, chiếu sáng cho trồng cây xanh, …), chúng ta thường quan tâm đo ba tính chất của ánh sáng:
- Bức xạ: tổng mức năng lượng ánh sáng chiếu lên một bề mặt
- Chất lượng quang phổ: các thành phần bước sóng và cường độ tương đối của nó
- Khoảng thời gian: khoảng thời gian chiếu sáng hàng ngày
Sự kết hợp của ba đặc tính của ánh sáng nêu trên xác định năng lượng tức thời và tích lũy phục vụ cho một mục đích cụ thể trong việc sử dụng nguồn sáng một cách hiệu quả, như phục vụ cho quá trình quang hợp của cây xanh, phục vụ chiếu sáng, …
Trong những năm qua, các nhà khoa đã phát triển một sự gia tăng của các phương pháp đo ánh sáng và các đơn vị để đo tính chất khác nhau của ánh sáng. Mỗi thuộc tính, thường có một số tiêu chuẩn đo lường và đơn vị kỹ thuật. Độ rọi ở bề mặt sàn (foot-candle) thì đơn vị lux và lumen được sử dụng để mô tả độ sáng tương đối hoặc độ sáng nhìn bằng mắt thường. Đo bức xạ được sử dụng để mô tả các năng lượng bức xạ của ánh sáng, sử dụng các đơn vị thông thường bao gồm Watts, Calories, BTU, và Joules. Tuy nhiên, một phương pháp đo lường dựa vào số lượng photon rơi xuống bề mặt chiếu sáng (tương tự như đo lường năng lượng quang tử) thì sử dụng đơn vị là micromols mỗi mét vuông trên giây (µmol m-2 s-1) hay đơn vị đo tương đương là microeinsteins mỗi mét vuông trên giây (µE m-2 s-1). Với các ứng dụng nuôi trồng cây xanh, mức lượng tử ánh sáng đo lường bức xạ nằm trong dải PAR (Photosynthetically Active Radiation). PAR luôn được định nghĩa trong khoảng 400-700 nm.
Hệ số chuyển đổi một số đơn vị đo lường ánh sáng được tính như sau:
- Độ sáng (phản ứng của mắt người): 1 lux = 1 lumen m-2 = 0,093 foot-candle;                   1 foot-candle = 1 lumen ft-2 = 10,76 lumen m-2
- Bức xạ (tổng mức năng lượng ánh sáng): 1 W m-2 = 0,316998 BTU/(h ft2)
- Lượng tử PAR:  1 µmol m-2 s-1 (PAR) = 1 µE m-2 s-1 (PAR)
Có một điểm lưu ý trong đo lường ánh sáng là việc chuyển đổi các đơn vị đo lường ánh sáng là không hề dễ dàng như việc chuyển từ đơn vị độ sáng (lux) sang đơn vị PAR µmol m-2 s-1, vì hầu hết các nguồn sáng phát ra quang phổ của các bước sóng khác nhau dẫn đến năng lượng khác nhau, nên tồn tại các hệ số biến đổi khác nhau với từng nguồn sáng.
CẢM BIẾN ĐO ÁNH SÁNG
Cảm biến đo ánh sáng là một bộ phận quan trọng của hệ thống điều khiển chiếu sáng khu dân cư, điều khiến chiếu sáng trong nhà kính nuôi trồng cây xanh,...
Một cảm biến ánh sáng, như tên gọi của nó, là một thiết bị được sử dụng để phát hiện ánh sáng. Có rất nhiều loại cảm biến ánh sáng khác nhau, mỗi loại hoạt động theo một cách khác nhau. Ví dụ, tế bào quang hoặc quang trở thay đổi điện trở của nó khi ánh sáng chiếu vào, là một loại cảm biến ánh sáng, chúng được sử dụng trong nhiều sản phẩm tiêu dùng để xác định cường độ của ánh sáng. Một thiết bị CCD (Charge-Coupled Device) có nhiệm vụ biến đổi năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện nhờ các đi-ốt quang và các vi mạch đi kèm với các đi-ốt đó, được làm từ các phân tử bán dẫn. Các chip CCD được sử dụng như một cảm biến ánh sáng trong máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị nhìn ban đêm.
Các thiết bị chứa đựng cảm biến ánh sáng có nhiều công dụng trong các ứng dụng khoa học và đời sống hàng ngày. Một cảm biến ánh sáng đơn giản có thể là một phần của một thiết bị an ninh, thiết bị cảnh báo an toàn, chẳng hạn như một báo động chống trộm hoặc mở cửa gara. Các thiết bị này thường hoạt động bằng cách chiếu một chùm ánh sáng phát ra từ một cảm biến này đến cảm biến khác, nếu ánh sáng bị gián đoạn, một âm thanh báo động hoặc cửa gara sẽ tác động theo đúng yêu cầu cài đặt.
Nhiều thiết bị điện tử hiện đại, chẳng hạn như máy tính, điện thoại không dây và TV sử dụng bộ cảm biến ánh sáng môi trường xung quanh để tự động điều khiển độ sáng của màn hình, đặc biệt là trong điều kiện thiếu ánh sáng hoặc ánh sáng cao. Chúng có thể phát hiện mức ánh sáng trong một căn phòng và điều khiển tăng hoặc giảm độ sáng đến một mức độ thoải mái hơn cho người sử dụng. Cảm biến ánh sáng cũng có thể được sử dụng để tự động bật đèn bên trong hoặc bên ngoài một ngôi nhà hay trụ sở kinh doanh khi trời tối.
Có ba loại cảm biến thông dụng, được sử dụng để đo ánh sáng cho các ứng dụng khác nhau.
Cảm biến quang: Cảm biến quang được thiết kế để bắt chước các phản ứng của mắt người. Cảm biến quang thường được sử dụng trong các ứng dụng phát sáng cho người sử dụng. Đơn vị đo lường của cảm biến quang thường được biểu thị theo đơn vị lux, lumen, hoặc foot-candle. Cảm biến quang không đặc biệt thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng trồng cây xanh vì chúng có thể không đưa ra một chỉ dẫn chính xác cho dải quang phổ phát ra bởi nguồn ánh sáng khác nhau. Nói cách khác, mặc dù một nguồn sáng có thể xuất hiện “khá” sáng, được cảm nhận bằng mắt thường, nhưng quang phổ của nó có thể vẫn là không phù hợp cho trồng cây xanh. Tuy nhiên, cảm biến quang có thể được sử dụng để chỉ báo khá tốt về cường độ và tính đồng đều của ánh sáng trên một cây trồng, khi di chuyển về dưới tán lá được chiếu sáng (đối với hệ thống nuôi trồng cây xanh trong nhà kính).
Cảm biến quang đơn giản nhất là phần từ quang trở [2]: nội trở của quang trở giảm xuống (ví dụ: 10 kΩ tương ứng với ánh sáng 10 lux khi đo bằng quang điện trở LDR12mm-10K/2M) khi ánh sáng kích thích chiếu vào và tăng lên rất lớn (2 MΩ) khi không bị kích thích chiếu sáng (bề mặt quang điện trở bị che tối). Nhờ sự thay đổi điện trở này, quang điện trở (cảm biến ánh sáng) được ghép nối vào các mạch điện tử phù hợp để tạo ra thiết chuyển mạch đóng/ngắt, hay dịch chuyển trong từng ứng dụng cụ thể, như hệ thống đóng/mở đèn chiếu sáng, hệ thống điều chỉnh chiếu sáng trong nhà kính,…
Hỏa kế quang: Hỏa kế quang ngoài trời thường được thiết kế để đo bức xạ mặt trời nhận được từ toàn bộ bán cầu. Đơn vị đo lường thông thường là watt cho mỗi mét vuông trên giây (Wm-2). Trị số đo của hỏa kế quang có thể được sử dụng để hỗ trợ một loạt các quyết định điều chỉnh môi trường trồng cây xanh trong nhà kính hay đóng/mở hệ thống cột đèn chiếu sáng khu dân cư, hay bất kỳ các ứng dụng nào khác sử dụng ánh sáng mặt trời.
Hỏa kế quang ngoài trời có thể được sử dụng cả ngoài trời và trong nhà, tuy nhiên nó không đặc biệt hữu ích trong việc đánh giá các nguồn chiếu sáng bổ sung đối với các ứng dụng tối ưu hóa bức xạ mặt trời trong nhà. Với phép đo bức xạ trong nhà (ví dụ nhà kính trồng cây xanh) việc sử dụng hỏa kế quang "tấm đen" sẽ cho kết quả đo tốt hơn loại hỏa kế quang ngoài trời.
Cảm biến PAR: Cảm biến PAR hay cảm biến đo bức xạ quang hợp (PAR) ở dải bước sóng 400-700 nm. Cảm biến này đo ánh sáng theo đơn vị micromol trên mét vuông trên giây (µmol.m2.s-1). Chúng được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng nghiên cứu làm vườn để đo bức xạ quang hợp trong tán cây, trong nhà kính, phòng cây sinh trường và nảy mầm, và các ứng dụng trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu ánh sáng. Trong nhà kính thương mại, cảm biến PAR có thể được sử dụng để đo so sánh các giá trị PAR tại các điểm khác nhau ở trên và dưới tán cây xanh và/hoặc kiểm tra tính đồng đều của ánh sáng khi triển khai hệ thống chiếu sáng mới.
LẮP ĐẶT VÀ SỬ DỤNG CẢM BIẾN ÁNH SÁNG
Cảm biến ánh sáng đặt ở xa để có thông tin nhằm điều chỉnh sự hoạt động thích hợp của thiết bị chiếu sáng phù hợp đáp ứng được yêu cầu như trong bóng mát, lúc tối hoàn toàn, hay phải sử dụng màn che sáng. Thông tin từ các cảm biến ở từng vị trí khác nhau cũng có thể được phối hợp sử dụng để kích hoạt điều khiển thiết bị ánh sáng dựa vào giá trị thực tế đo được.
Vị trí cố định đặt cảm biến ánh sáng nên bố trị ở khu vực bóng mát không điển hình hoặc khu vực đo ánh sáng mục tiêu. Cột điện, vòm mái và tán cây trồng có thể được lựa chọn để lắp đặt cảm biến áng sáng cố định. Tất nhiên luôn phải đảm bảo rằng không có bất kỳ một vật cản nào che chắn các tia sáng phát ra từ mặt trời. Cảm biến trong nhà và ngoài trời nên thường xuyên kiểm tra và làm sạch theo khuyến nghị của nhà sản xuất, vì có thể xuất hiện các vật cản, bụi bẩn,.... Trong mọi tình huống, điều quan trọng là lắp đặt các cảm biến an toàn và theo chiều ngang. Hầu hết các cảm biến ánh sáng đều được yêu cầu hiệu chuẩn lại sau hai năm hoặc theo khuyến nghị của nhà sản xuất.
ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP SỬ DỤNG CẢM BIẾN ÁNH SÁNG
Vì lượng ánh sáng mặt trời nhận được chịu ảnh hưởng của tất cả các yếu tố biến khí hậu, nên thông tin đo lường từ cảm biến ánh sáng là một yếu tố quan trọng trong hệ thống điều khiển tích hợp ánh sáng. Việc đọc ánh sáng, cả tức thời và tích lũy, được sử dụng để đánh giá tốc độ và mức độ phản ứng cần thiết cho hoạt động kiểm soát khí hậu môi trường cần quan tâm, như môi trường khí hậu trong nhà kính. Vì nhiều yếu tố làm thay đổi khí hậu môi trường và có thể tương quan trực tiếp với ánh sáng, đó là sự kết hợp với các yếu tố khác như gió, nhiệt độ và độ ẩm, nên chương trình kiểm soát khí hậu môi trường có thể được điều chỉnh liên quan đến thời tiết thực tế cả trong thời gian thực và trong tính toán dự báo. Ví dụ, khi mở một van “pha trộn” để cung cấp nhiệt vào gian phòng, hệ thống điều khiển có thể thay đổi các thiết lập liên quan đến năng lượng ánh sáng. Nếu giá trị ánh sáng đang được tăng, thì hệ thống có thể điều tiết trở lại việc cấp năng lượng cho nước nóng để ngăn chặn sự vượt quá nhiệt độ trong gian phòng, và các tổn thất nhiệt nếu có xảy ra (từ hai nguồn nước nóng + năng lượng mặt trời) có thể được bỏ qua. Điều này cũng đúng cho thông gió, hệ điều tiết thủy nông và bất kỳ hoạt động nào khác chịu ảnh hưởng bởi ánh sáng.
Theo ước tính, tiêu thụ năng lượng cho nhu cầu chiếu sáng chiếm khoảng 20-40% tổng tiêu thụ năng lượng trong tòa nhà, trung tâm thương mại và chiếm từ 3-10% trong tổng tiêu thụ năng lượng trong các ngành công nghiệp. Bởi vậy, cùng với giải pháp nâng cao ý thức sử dụng của người dùng, chúng ta cần thiết phải áp dụng các công nghệ kỹ thuật tiên tiến trong hệ thống điều khiển chiếu sáng nhằm tiết giảm đến mức thấp nhất điện năng tiêu thụ. Về kỹ thuật, đó là giải pháp thay thế đồng bộ các thiết bị chiếu sáng cũ, lạc hậu bằng thiết bị chiếu sáng tiên tiến, tiêu thụ ít điện năng (ngày nay, đó là việc sử dụng các đèn siêu sáng LED - tuổi tho cao, chất lượng sáng tốt, tiêu thu rất ít điện), đồng thời hiện đại hóa các phân hệ điều khiển chiếu sáng theo từng cụm, từng cấp độ tự động hóa (vận hành từ xa, vận hành tự động theo lịch trình tối ưu, theo nhận diện tự động vật thể để bật/tắt chiếu sáng…) dựa trên chỉ tiêu tiết kiệm năng lượng điện.
Các giải pháp điều khiển chiếu sáng tự động đã thành công và ứng dụng nhiều trong thực tế như là hệ thống điều khiển tự động chiếu sáng đường phố, khu dân cư, khu vực xung quanh nhà máy … Các hệ thống chiếu sáng này không chỉ bật/tắt chiếu sáng mà còn tự động thay đổi công suất phát sáng theo mật độ người tham gia giao thông/xuất hiện trong khu vực phát sáng.
Trong xã hội hiện đại ngày nay, các ngôi nhà/căn hộ “thông minh” với hệ thống tự động phát hiện và điều chỉnh chiếu sáng tùy thuộc vào mật độ/số người và cường độ ánh sáng hiện tại ở từng phòng ngày càng được sử dụng phổ biến. Hệ thống này không chỉ cho phép bật/tắt, điều chỉnh chiếu sáng trong từng phòng khi có người đi vào (bằng cảm biến bức xạ hồng ngoại PIR - pyroelectric infrared sensor) hoặc/và khi ánh sáng không đủ dùng (bằng cảm biến ánh sáng quang trở), mà còn liên kết các cụm điều khiển chiếu sáng ở các phòng với nhau để điều chỉnh dự báo chiếu sáng cho phòng khác (bật đèn sáng trước khi người đến). Cấu trúc điển hình hệ thống tự động chiếu sáng này như mô tả ở hình 2. Mỗi phòng được lắp đặt một bộ điều khiển chiếu sáng HLCM cùng với số lượng đèn xác định theo nhu cầu ánh sáng của phòng đó. Các bộ điều khiển chiếu sáng này liên kết với nhau bằng sóng rađiô RF hoặc bằng đường truyền mạng hữu tuyến theo chuẩn Modbus.
Hình 2: Hệ thống tự động điểu khiển chiếu sáng trong căn hộ tiết kiệm năng lượng điện
KẾT LUẬN
Ánh sáng là dạng vật chất đặc biệt, là một dạng năng lượng, nó vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Vì vậy mà các thông số đặc trưng về ánh sáng như tốc độ, tần số và bước sóng hoàn toàn có thể đo được. Các cảm biến đo ánh sáng thì rất đa dạng, tuy nhiên những ứng dụng trong đời sống dân sinh hay trong lĩnh vực nông – công nghiệp thì cảm biến quang vẫn là loại được dùng phổ biến nhất. Kết hợp với công nghệ điện tử bán dẫn, công nghệ vi điều khiển, ngày nay đã cho phép thiết kế được các mạch điều khiển tích hợp cảm biến ánh sáng phục vụ hữu ích cho các ứng dụng đa dạng trong đời sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp chiếu sáng. Những hệ thống tự động điều khiển chiếu sáng này có rất nhiều ưu điểm không chỉ ở kích thước nhỏ-gọn-nhẹ, tiêu tốn ít năng lượng, mà nó còn giảm được đánh kể lượng điện năng tiêu thụ của toàn hệ thống.q

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Digital Addressable Lighting Interface, http://www.dali-ag.org.
[2]. Datasheer Ambient Light Sensor TEPT5700, Vishay Semiconductors
[3]. Alex Ryer, Light Measurement Handbook hydrocarbons, International Light Inc., 1998.
TRỊNH LƯƠNG MIÊN Đại học Giao thông Vận tải  Email: trinhmien@gmail.com
Số 153 (10/2013)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay

Xu hướng tự động hóa trong hệ thống Điều khiển Tàu điện


TÓM TẮT
Bài viết trình bày khái quát về mức độ tự động hóa (TĐH) trong hệ thống điều khiển tàu điện và xu hướng xây dựng hệ thống điều khiển tàu điện ngày nay, từ đó đưa ra nhưng kiến nghị phù hợp cho việc xây dựng tàu điện đường sắt đô thị tại Việt Nam.
ABSTRACT
The paper presents an overview of the automation level in the electric train control system and tend building train control systems today, from which to make appropriate recommendation for the construction of the urban railway system in Vietnam.
TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN TÀU ĐIỆN
Công nghệ TĐH được áp dụng ngày càng sâu rộng trong hệ thống điều khiển tàu điện chạy trên đường ray. TĐH điều khiển chạy tàu là một quá trình đảm bảo các hoạt động chạy tàu tự động thông qua các thiết bị điều khiển giống như khi tàu được vận hành bởi người lái. Việc TĐH trong điều khiển chạy tàu trên tuyến đường sắt cho phép vận hành tàu hiệu quả hơn với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, đảm bảo đúng lịch trình chạy tàu và tự động tối ưu các dịch vụ hành khách theo thời gian thực [1-5].
Có 4 mức độ TĐH trong hệ thống điều khiển tàu điện, chúng được phân chia theo những chức năng cơ bản của việc vận hành tàu mà nhân viên lái phải đảm nhận và các thiết bị trong hệ thống điều khiển chạy tàu có khả năng thực hiện. Như đối với mức độ TĐH 0 thì tương ứng với trường hợp hệ thống cần đưa ra được tầm nhìn chạy tàu để hỗ trợ ngưới lái giống như người điều khiển xe buýt cần phải quan sát đường khi chạy trên đường phố. Mức độ TĐH 4 sẽ tham chiếu đến một hệ thống điều khiển hỗ trợ chuyển động tàu hoàn toàn tự động trên đường ray mà không có người lái/nhân viên phục vụ trên tàu. Đặc điểm của từng mức độ TĐH trong hệ thống điều khiển tàu được thể hiện như trên hình 1 [1].
Hình 1: Mức độ TĐH trong hệ thống điều khiển tàu điện
Mức độ TĐH này được xây dựng với các chức năng hỗ trợ người lái tàu trong việc vận hành điều khiển chuyển động tàu trên khu gian, đó là việc thiết lập thông số chạy tàu, điều khiển tốc độ chuyển động của tàu trên khu gian (Setting train in motion), điều khiển dừng chính xác tàu tại nhà ga (Stopping train), điều khiển đóng/mở cửa tàu, đưa tàu ra/vào depot (Door closure), điều khiển tàu khi phát sinh sự cố (Disruption). Theo cấp độ TĐH và sự phát triển của hệ thống điều khiển tàu điện, lúc ban đầu TĐH chỉ là hỗ trợ người lái về tầm nhìn trên đường ray, sau đó một loạt các chức năng hỗ trợ khác được phát triển và cho phép điều khiển tàu từ xa, vận hành tàu hoàn toàn tự động mà không cần người lái/nhân viên trên tàu.
- Chế độ điều khiển người lái: tàu điện vận hành mà không có hệ thống điều khiển trợ giúp. Người lái quan sát/ngắm đường ray để vận hành chạy tàu với các tín hiệu báo hiệu được vận hành tại địa điểm cố định trên đường ray.
- Chế độ TĐH một phần (Suppervision and control train operation): người lái vẫn thực hiện vận hành chạy tàu và hãm tàu bằng tay. Ở đây có đưa thêm vào hệ thống bảo vệ chạy tàu, nó liên tục giám sát tốc độ chạy tàu để đảm bảo tàu chuyển động được an toàn. Ngoài ra, các thông tin hỗ trợ như vị trí hiện tại của tàu cũng được hiển thị và thông tin đến lái tàu.
- Chế độ bán tự động (Semi-automated train operation): người lái chỉ khởi động chạy tàu từ nhà ga, còn việc kiểm soát tốc độ chuyển động tàu trên tuyến được thực hiện tự động, cũng như quá trình dừng tàu chính xác tại nhà ga và mở/đóng cửa tàu cũng được thực hiện tự động.
- Chế độ không người lái (Driverless train operation): việc chạy tàu được điều khiển và giám sát tự động mà không có sự trợ giúp của người lái. Con người chỉ can thiệp vào trong trường hợp khẩn cấp. Hệ thống lái tàu tự động kiểm soát toàn bộ quá trình chuyển động của tàu trên khu gian: khởi hành, chuyển động trên khu gian, dừng chính xác tàu tại nhà ga, mở/đóng cửa tàu. Nếu cần thiết, cửa tàu sẽ tự động mở thêm lần nữa. Khi lượng hành khách cao, tàu bổ sung sẽ được tự động đưa vào hoạt động trực tiếp từ depot với chỉ một nút nhấn lệnh.
- Chế độ không người phục vụ (Unattended train operation): sự hoạt động của tàu được điều khiển và giám sát hoàn toàn tự động. Ở chế độ này sẽ không có người lái và cũng không có bất kỳ người phục vụ nào đi cùng trên tàu. Ngoài ra còn bổ sung thêm một số chức năng tự động khác ví dụ như: tự động ghép/tách các tàu, tự động làm vệ sinh tàu, điều khiển mở rộng từ xa và chọn chức năng sửa chữa từ xa.
KHẢ NĂNG THỰC HIỆN VIỆC TĐH ĐIỀU KHIỀN TÀU ĐIỆN
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm cho hệ thống điều khiển tàu có khả năng giám sát, vận hành và kiểm soát toàn bộ quá trình hoạt động của tàu. Các thành phần chính trong hệ thống điều khiển chạy tàu đảm nhận chức năng thực hiện tự động quá trình chuyển động của tàu đó là:
- Bảo vệ tàu tự động (ATP) là hệ thống điều khiển các thiết bị nhằm đảm bảo sự an toàn cho quá trình chuyển động của tàu điện. ATP giúp các tàu tránh va chạm với nhau, đưa ra cảnh bảo tín hiệu chạy tàu quá tốc độ và vượt quá giới hạn vận tốc bằng cách áp dụng hệ thống phanh tự động. Tuyến đường sắt được trang bị ATP sẽ tương ứng với mức độ TĐH 1 (GoA1).
- Vận hành tàu tự động (ATO) đảm bảo tự động một phần hoặc hoàn toàn điều khiển chạy tàu tự động không người lái. Hệ thống ATO thực hiện tất cả các chức năng của trình điều khiển chạy tàu, ngoại trừ việc đóng cửa tàu. Người lái chỉ cần ra lệnh đóng cửa tàu, và nếu điều này hoàn thành thì tàu sẽ tự động được điều khiển chuyển động để đến nhà ga tiếp theo. Hệ thống điều khiển tàu được trang bị ATO sẽ tương ứng với mức TĐH 2 (GoA2). Nhiều hệ thống mới hơn sẽ được  kiểm soát hoàn toàn bằng máy tính, nhưng hầu hết các hệ thống vẫn lựa chọn duy trì một người lái tàu, hoặc một nhân viên vận hành trên tàu để giảm thiểu rủi ro liên quan đến những phát sinh do lỗi thiết bị xảy ra hoặc trong trường hợp khẩn cấp. Hệ thống điều khiển tàu khi này tương ứng với mức TĐH 3 (GoA3).
- Điều khiển tàu tự động (ATC) cho phép thực hiện tự động các hoạt động của người báo hiệu thông thường như bố trí tàu và thiết lập tuyến đường. ATO và ATC hoạt động kết hợp cùng với nhau để đảm bảo sai lệch thời gian chuyển động của tàu được duy trì trong giới hạn quy định của bảng thời gian chạy tàu. Hệ thống kết hợp ATO+ATC sẽ điều chỉnh linh hoạt các thông số hoạt động như hệ số sức kéo điện, thời gian dừng tại nhà ga,… để đưa thời gian chạy tàu trở lại đúng với kế hoạch của bảng thời gian chạy tàu. Trong hệ thống điều khiển này sẽ không có người lái và cũng không có nhân viên vận hành đi cùng tàu, tương ứng với mức độ TĐH 4 (GoA4) - hệ thống điều khiển tàu điện UTO (unattended train operation).
Hình 2: Mô hình phân cấp trong hệ thống điều khiển tàu điện
Ở mức độ TĐH 4, ATC làm việc trong một hệ thống thông tin, tín hiệu tổng thể với phân hệ tín hiệu khóa liên động, phân hệ giám sát tàu tự động, phân hệ nhận diện vị trí tàu và phân hệ thông tin liên lạc trong toàn hệ thống. Theo mô hình phân cấp, hệ thống điều khiển chuyển động tàu điện trên khu gian của tuyến đường sắt được trình bày như hình 2. Cấp trên cùng được thực hiện bởi hệ thống ATS (Automatic train supervision) đặt tại trung tâm kiểm soát vận hành OCC (Operation control center) có chức năng chính là giám sát quá trình chuyển động của tất cả các tàu trên tuyến. Cấp dưới cùng là các thiết bị đặt trên tàu được đảm nhiệm bởi một phần hệ thống ATO, ATP trên tàu (kết hợp với ATO, ATP trên đường ray-nhà ga) điều khiển tốc độ chạy tàu theo đúng lịch trình một cách an toàn và chính xác. Cấp giữa là các thiết bị nhà ga được thực hiện bởi hệ thống ATC, một phần hệ thống ATO, ATP lắp đặt tại nhà ga và dọc tuyến đường ray. Trong hình 2 cũng chỉ rõ cấp truyền thông đặc thù của hệ thống điều khiển tàu điện, đó là sự kết hợp đa dạng của nhiều kiểu truyền thông khác nhau: truyền dẫn cáp hoặc mạch vòng, mạch điện từ, sóng radio GSM-R …
Trong hệ thống điều khiển tàu điện các thông tin, tín hiệu và dữ liệu về quá trình chạy tàu, lệnh điều khiển, tình trạng thiết bị… được trao đổi, giao tiếp từ phân hệ này đến phân hệ khác, từ thiết bị này đến thiết bị khác thông qua hệ thống truyền tin CBTC (Communication  based train control). CBTC đảm bảo quá trình truyền tin trong toàn hệ thống điều khiển tàu điện với độ tin cậy cao, thể hiện trong một số ứng dụng tiêu biểu sau:
- Một máy tính đặt bên đường ray theo dõi tất cả các chuyến tàu trong đoạn ray xác định và tính toán một cách thích hợp quyền chuyển động cho mỗi tàu. Kết quả là, tàu chuyển động liên tục và sau đó có thể chạy ở khoảng cách giãn tàu ngắn hơn so với khi vận hành tàu bằng tay.
- Ở chế độ hoàn toàn tự động, tàu điện được điều khiển tự động bởi sự kiểm của ATC, kết hợp điều khiển và bảo vệ tuyến đường bằng phân hệ khóa liên động. Để làm được điều này, máy tính đặt bên đường ray liên tục trao đổi dữ liệu với các máy tính của của phân hệ cấp cao hơn trên trung tâm điều khiển và các máy tính trên tàu qua sóng radio.
- Trên tàu, ATO thay thế người lái và kiểm soát tốc độ chạy tàu, giao tiếp với thiết bị trên đường ray, tại nhà ga để nhận các thông tin dữ liệu cần thiết về quá trình chuyển động của tàu.
- Các máy tính ATO theo dõi và kiểm soát hoạt động chạy tàu và nếu cần thiết nó có thể được hiệu chỉnh (nhận lệnh) từ hệ thống ATP để đảm bảo an toàn chuyển động của tàu.
LỢI ÍCH KHI TĐH ĐIỀU KHIỂN TÀU ĐIỆN
Hệ thống tự động điều khiển tàu điện UTO mang lại lợi ích cho nhiều nhóm người liên quan: khách hàng, người lái/vận hành, các nhân viên làm việc trực tiếp/gián tiếp và cơ quan quản lý. Việc thực hiện hệ thống UTO cho phép các nhà quản lý khai thác được tối đa thời gian vận hành chạy tàu, tăng tốc độ trung bình chạy tàu, rút ngắn thời gian chạy trên khu gian và giảm thời gian dừng tại nhà ga. Một số ích lợi khi tự động hóa điều khiển tàu điện, đó là:
Linh hoạt hơn trong vận hành: việc không sử dụng người lái và nhân viên vận hành trên tàu trong điều khiển chuyển động tàu cho phép khai thác và sử dụng hiệu quả hơn các trang thiết bị trong toàn hệ thống. Hệ thống điều khiển UTO cung cấp các dịch vụ chạy tàu hiệu quả: nó đưa ra phương pháp điều khiển phù hợp khi năng lực vận chuyển của tàu thấp (dư thừa năng lực vào giờ thấp điểm), nhưng vẫn có khả năng đáp ứng được nhu cầu vận chuyển lớn khi nhu cầu đột ngột tăng cao như khi có sự kiện lớn (lễ, tết, hội ...).
Mang lại sự an toàn ấn tượng: hệ thống điều khiển UTO cho phép các tàu hoạt động an toàn hơn bằng cách giảm yếu tố tác động từ con người. Hệ thống UTO đã được chứng minh là đáng tin cậy hơn các hệ thống điều khiển thông thường và đã lập kỷ lục về độ an toàn thực sự ấn tượng sau khi thử nghiệm. Nó loại trừ được các tai nạn ở nhà ga và trên đường ray.
Tăng chất lượng dịch vụ: hành khách dễ dàng cảm nhận được chất lượng dịch vụ tốt lên, nhờ vào độ tin cậy nâng cao của quá trình chạy tàu và thời gian chờ tàu tại nhà ga đượt rút ngắn. Việc triển khai các nhân viên tại nhà ga cũng sẽ làm tăng mức độ an toàn và đảm bảo an ninh cho hành khách tại nhà ga.
Đầu tư tài chính hợp lý: đối với tuyến mới, chi phí cho việc TĐH chỉ chiếm tỷ trọng thấp trong ngân sách đầu tư tổng thể. Yếu tố chi phí chính liên quan đến đầu máy - toa xe, hệ thống điều khiển và thông tin, hệ thống bảo vệ tại nhà ga và trên tuyến đường ray.
- Đầu máy, toa xe: tăng tốc độ chuyển động trung bình trên tuyến, giảm thời gian giãn cách giữa các tàu và tối ưu việc phân phối cặp tàu dự trữ trên tuyến. Nhờ độ tin cậy được nâng cao, nó cho phép đạt được năng lực vận chuyển với kích cỡ đoàn tàu giữ nguyên hoặc thậm chí bị giảm, độ dự trữ kỹ thuật (dự phòng tàu) có thể cũng được cắt giảm.
- Hệ thống điều khiển và thông tin: chi phí thực hiện UTO cao hơn so với ATP truyền thống. Tuy nhiên xu thế ngày nay là lắp đặt hệ thông tin CBTC trên tuyến mới (ngay cả khi mới chỉ đầu tư ở mức độ TĐH 2) và chi phí tăng lên có thể tiệm cận với giới hạn đầu tư cho điều này.
- Hệ thống bảo vệ tại nhà ga và trên tuyến: cần thiết phải thay thế vai trò của người lái trong việc ngăn chặn các sự cố tại nhà ga và trên tuyến, dẫn đến tăng chi phí xây dựng thêm hạng mục công trình kỹ thuật.
Đối với trường hợp tự động hóa tuyến đường sắt hiện có: các tuyến chuyển đổi cần phải giải quyết được bài toán kinh tế rất phức tạp, nó cần thiết phải xác định được hệ số chi phí phụ trội do những khó khăn về yếu tố kỹ thuật. Đó là việc kết nối với các thay đổi của hệ thống điều khiển/tín hiệu và sự cần thiết phải thay thế hệ thống điều khiển/tín hiệu hoặc trang bị thêm cho đầu máy-toa xe đã có, cũng như làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp trong việc cài đặt hệ thống bảo vệ tại nhà ga/trên tuyến. Thông thường các dự án chuyển đổi này thường khởi động vào cuối vòng đời thiết bị hiện có (khoảng 10 năm).
Chi phí vận hành hiệu quả hơn: các chi phí vận hành với UTO được xác định rõ ràng hơn và có hiệu quả rõ rệt về mức tiêu hao năng lượng khi áp dụng thuật toán điều khiển tiết kiệm năng lượng điện trên tàu. Một số nghiên cứu cho thấy vận hành tàu với UTO cho phép giảm đến một nửa chi phí hoạt động. Chi phí nhân viên/người lái được giảm đáng kể nhờ việc bãi bỏ không cần người lái và vận hành trên tàu, do đó cũng không mất chi phí đào tạo lại hay tập huấn các kỹ năng vận hành. Quỹ đạo chuyển động (tăng tốc và giảm tốc) của tàu có thể được xây dựng/điều chỉnh để giảm mức tiêu thụ năng lượng và tối đa hóa thu hồi năng lượng khi hãm tàu, do đó làm giảm đáng kể chi phí năng lượng. Trong khi chi phí bảo trì tăng nhẹ do việc áp dụng hệ thống bảo vệ tại nhà ga và trên tuyến, nhưng chi phí tổng thể mang lại của hệ thống điều khiển UTO là thực sự hiệu quả do tiết giảm được chi phí nhận công và chi phí năng lượng.
Hiệu quả toàn diện và cơ hội tốt để cải tổ: sự thực hiện của UTO (dù tuyến mới hay nâng cấp một tuyến cũ) là một bước tiến quan trọng trong chu kỳ hoạt động của đơn vị quản lý khai thác-thiết kế thi công tuyến đường sắt (gọi chung là đơn vị). Sự ra đời của một hệ thống máy tính chuyên dụng và trung tâm kiểm soát hoạt động (OCC) là một cơ hội để có thể xem xét hầu hết các quá trình/quy trình hoạt động và đánh giá được chúng như thế nào. Để mà từ đó cải thiện và bổ sung thêm vào hệ thống những gì nhằm tối đa lợi ích và mang lại hiệu quả tốt hơn với chi phí tối ưu. Các lĩnh vực quản lý chính có bị tác động đó là: hoạch định nguồn lực hoạt động, đào tạo nhân viên, quản lý đầu máy - toa xe, quản lý bảo trì, quản lý chất lượng.
Hệ thống hiện đại, con người văn minh: sự ra đời của UTO đòi hỏi một số thay đổi đáng kể đến năng lực của nhân viên. Công việc lái tàu thường xuyên biến mất và nhân viên không còn phải ngồi bên trong một cabin nữa, nhưng được bố trí triển khai dọc theo tuyến đường ray và tiếp xúc với khách hàng. Nhân viên tiền tuyến cần được trang bị một số kỹ năng tiếp xúc với khách hàng theo định hướng (để phục vụ, cung cấp dịch vụ, để ứng cứu…) và một số kiến thức kỹ thuật để có thể thiết lập lại các thiết bị bị lỗi (ví dụ như thang cuốn) hoặc lái xe trong trường hợp khẩn cấp. Nhân viên vận hành trung tâm OCC đòi hỏi trình độ chuyên môn và kỹ năng máy tính để có thể thực hiện thao tác khẩn cấp mà không cần sự hỗ trợ của nhân viên trên tàu. Nói chung, nhân viên trong một hệ thống điều khiển UTO cần đạt được các kiến thức sâu sắc hơn về tất cả các hệ thống quan trọng, cũng như một cái nhìn tổng quan toàn diện về sự tương tác giữa các chức năng đó, để có thể thực hiện một cách chuyên nghiệp hơn trong hệ thống điều khiển không người lái. Trong các tuyến tự động, nhiệm vụ của nhân viên vận hành cũng phát triển theo hướng làm bảo trì nhưng với mức độ toàn diện hơn và được trang bị các kiến thức kỹ thuật đa dạng hơn, phát triển ở tầm cao hơn. Kết quả là, UTO làm tăng tính hấp dẫn với công việc của mọi người và bản thân đơn vị liên quan được nâng lên một tầm mới. Trong những hệ thống mà có thể so sánh với các tuyến đường sắt thông thường, các chỉ số cho thấy nhân viên trong hệ thống điều khiển UTO hài lòng hơn với công việc của họ.
MỘT SỐ GIẢI PHÁP ĐỂ TĐH TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG SẮT
Giải pháp cần làm cho việc TĐH một tuyến đường sắt (xây tuyến mới hay chuyển đổi tuyến cũ) để trở thành tuyến với hệ thống điều khiển không người lái/người vận hành, đó là:
Xác định thiết bị cho việc bảo vệ tại nhà ga và trên tuyến: bên cạnh cơ sở hạ tầng thường được sử dụng cho các nhà ga tàu điện như thang máy, thang cuốn, thiết bị dập lửa, bình chữa cháy, cảm biến báo cháy, cột mốc dấu báo hiệu tại nhà ga, cột phát sóng, đèn chiếu sáng khẩn cấp, lối thoát hiểm khẩn cấp… còn có các thiết bị bố trị dọc theo tuyến đường tàu nhằm đảm bảo an toàn khi chuyển động, bao gồm:
- Phân hệ giám sát từng đoạn ray tại nhà ga trên tuyến và đưa ra báo động nếu một người hay một vật thể đủ lớn rơi vào khu vực theo dõi. Tùy thuộc vào khoảng cách tàu xa/gần mà đưa ra tín hiệu điều khiển phanh khẩn cấp ngay lập tức hoặc tàu tiếp tục vào nhà ga và rồi mới dừng lại. Khi đó tàu ở trạm liền kề trước cũng được ngăn cản khởi hành. Một tin nhắn được gửi song song đến trung tâm vận hành OCC và thông báo đến hành khách tại bảng tin nhà ga.
- Các cửa lên/xuống tàu tại nhà ga nhằm đảm bảo an toàn chuyển động tàu. Đoàn tàu bị ngăn cản khởi hành nếu một người nào đó đi vào khu vực theo dõi không báo trước. Nếu một vật thể nào đó vào đường hầm, phân hệ giám sát xâm nhập có hiệu lực và dừng chạy tàu ngay lập tức hoặc cản trở tàu khởi hành.
- Giám sát từ xa theo từng đoạn ray trên tuyến cho phép can thiệp điều hành kịp thời các sự cố phát sinh. Hình ảnh của khu vực theo dõi tự động xuất hiện trên trung tâm điều khiển, cho phép các nhân viên có thể thực hiện các biện pháp phù hợp. Đánh giá tốt hơn về một sự việc nhờ chuỗi hình ảnh video được lưu trữ liên tục tại trung tâm vận hành.
- Bố trí đủ số lượng nhân viên phục vụ sẵn sàng trên nhà ga và dọc tuyến để thực hiện tốt việc đảm bảo an toàn chuyển động tàu và nâng cao chất lượng dịch vụ phục vụ hành khách, như giải đáp các thông tin theo yêu cầu của khách hàng, .... đảm bảo an ninh, an toàn cho hành khách hay trợ giúp hành khách khi gặp việc bất trắc (sức khỏe xấu dẫn đến ngất xỉu, …). Trong trường hợp khẩn cấp, sự cố các nhân viên đường sắt sẵn sàng kiểm soát các phương tiện bằng tay để khéo léo xử lý tốt các tình huống phát sinh.
Xác định thiết bị trang bị cho tàu điện: ngoài các thiết bị trên tàu thông thường cần bổ sung thêm các thiết bị chỉ dẫn, giám sát, kiểm soát an toàn khác (chẳng hạn như phanh khẩn cấp, bình chữa cháy, đèn chiếu sáng khẩn cấp, tín hiệu âm thanh và giám sát cửa …) là thực sự cần thiết cho quá trình tự động điều khiển tàu không người lái.
- Tàu điện không người lái cũng được trang bị tính năng phát hiện chướng ngại vật và nó bắt đầu phanh ngay sau khi một chướng ngại vật được phát hiện.
- Tàu không người lái cũng có dò trật bánh, và nếu cần phải dừng vì an toàn nó sẽ báo cáo sự việc đến một trung tâm điều khiển và thực hiện lập tức khi có lệnh.
- Hơn nữa, không còn bất kỳ khoảng cách nào giữa nhà ga và tàu (do không cần tầm quan sát như người lái yêu cầu). Điều này thể hiện ở việc sử dụng các cửa tại nhà ga ngăn cách tuyến với khu vực hành khách đợi tàu tại nhà ga. Các cửa nhà ga cũng ngăn chặn hành khách rơi vào tuyến đường sắt.
- Giám sát cửa nhà ga, đó là khả năng phát hiện ngay cả đối tượng dẹt và linh hoạt, góp phần theo hướng tăng cường an toàn. Tàu không thể bắt đầu cho đến khi tất cả các cửa nhà ga đều đóng một cách chính xác.
- Phát lệnh khẩn cấp cửa bị khóa ngay sau khi tàu bắt đầu di chuyển. Nếu tàu dừng trong đường hầm do sự gián đoạn, cửa ra vào vẫn bị khóa cho đến khi trung tâm kiểm soát OCC can thiệp đảm bảo các biện pháp an toàn, chẳng hạn như ngăn chặn tàu khác đang tới hay sự cố mất điện trên tàu thì ánh sáng đường hầm được bật tự động ngay sau khi tàu ngừng cấp điện.
- Tất cả các tàu phải được trang bị các công nghệ phát hiện và báo cháy tiến tiến nhất. Một cuộc gọi và một nút nhấn khẩn cấp cho phép kết nối trực tiếp bằng giọng nói đến người lái (nếu có) và đồng thời truyền về trung tâm vận hành OCC. Do vậy, nó cho phép xử lý rất kịp thời sự cố phát sinh theo thời gian thực.
Xác định các thiết bị để thay thế người lái/vận hành tàu: tàu được trang bị hệ thống camera, sao chép lại hoạt động thực tế trên tàu và truyền tải hình ảnh đến trung tâm vận hành OCC bằng đường truyền radio-LAN, điều này cho phép những va chạm, phát sinh (nếu có) được  đánh giá sơ bộ để đưa ra biện pháp ứng phó kịp thời. Nếu một đám cháy/khói bùng phát trên tàu thì cảm biến khói, cảm biến nhiệt tích cực sẽ phát hiện ra vùng nguy hiểm đó và báo động về trung tâm vận hành, đồng thời đưa tín hiệu dừng tàu tự động tại nhà ga kế tiếp để tiếp nhận sự ứng cứu kịp thời trong việc dập tắt lửa. Ngoài ra, hệ thống thông tin/thông báo về tình trạng chạy tàu tại nhà ga … cũng được trang bị, kèm theo đó là những thông tin chỉ dẫn cho khách hành khi gặp sự cố hay cho phép kết nối thư thoại thẳng đến trung tâm OCC. Để đảm bảo an toàn cho hành khách khi đóng/mở cửa lên/xuống tàu tại nhà ga thì ta cần phải trang bị loa thông báo và nháy đèn báo hiệu. Khoảng cách chạy tàu cần được đo chính xác vì nó là đầu vào cơ bản của ATP trên tàu giúp tính toán, đưa ra ra một loạt các thông số khác (giãn cách tàu, khoảng cách dừng, vị trí tàu hiện tại …) rất hữu hiệu cho việc điều khiển tự động chuyển động tàu.
KẾT LUẬN
Chính vì những lợi ích rõ ràng của việc vận hành hệ thống UTO nên rất nhiều tuyến đường sắt ở nhiều quốc gia trên thế giới đã chọn đầu tư mới theo UTO hay nâng cấp hệ thống hiện tại thành UTO. Theo số liệu của UITP [6] hiện có hơn 600 km tuyến đường sắt được vận hành tự động không người lái ở hơn 25 thành phố (Barcelona, Busan, Dubai, Kobe, Paris, Sigapore, Tokyo, Taipei, ...) với tốc độ tăng bình quân hàng năm đạt khoảng 40%.
Ngày nay, các khu vực mới nổi như Dubai, Sigapore … cũng đã thực sự nhận thức được điều này và đã cải tổ, đi theo hướng xây dựng mới tuyến đường sắt UTO. Đó là giải pháp tốt nhất để vận chuyển hành khách khối lượng lớn trong thành thị: an toàn, hiệu quả và linh hoạt.
Việc TĐH hệ thống điều khiển tàu điện có mức độ phức tạp cao hơn các hệ thống điều khiển tàu điện truyền thống, do cần phải tích hợp rất nhiều phân hệ/hệ thống thông tin lại với nhau. Nói cách khác, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng tất cả các yếu tố không chỉ về chi phí đầu tư mà đặc biệt là về yêu cầu kỹ thuật, đòi hỏi về cơ sở hạ tầng cho việc xây dựng tuyến đường sắt không người lái tại những nước đang phát triển như Việt Nam. Chỉ có vậy, chúng ta mới khai thác được tốt nhất các điểm mạnh của hệ thống UTO phù hợp với điều kiện đặc thù nước nhà.
REFERENCE
[1]. K.Mori, S.Miyamoto, K.Ihara; Proposal of Autonomous Decentralization Concept; IEEJ-C, Vol.104-C, No.12,1984
[2]. Liu J F, Ding Y, Liu H D; Multi-train movement simulation system for urban rail transit; Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology; 5(1):79–82, 2005.
[3]. M.Matsumoto, S.Kitamura; Development of the Autonomous Decentralized Train Control System; IEICE Trans.Commun., Vol.E84-D No.10, 2001.
[4] M.Matsumoto; Development of New Train Control Systemand Assurance Technology;  REAJ, Vol.22, No.8, 2000.
[5] M. Matsumoto, S. Kitamura; The New ATC System with an Autonomous Speed Control with On-board Equipment; ISADS, Dallas, USA, 2001.
[6]. The International Association of Public Transport (UITP); www.uitp.org.
TRỊNH LƯƠNG MIÊN Đại học Giao thông Vận tải
Email: trinhmien@gmail.com
Số 155+156 (1+2/2014)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay

Thứ Ba, 25 tháng 2, 2014

Cửa tự động chuyên dụng khu phẫu thuật, X - Quang bệnh viện

Cua phong mo chuyen dung, phong X quang benh vien



Phòng mổ và nguyên tắc thiết kế một chiều 
Trong thiết kế bệnh viện, "khu phẫu thuật được xem là trái tim của công trình". Vì vậy, khi thiết kế, KTS phải rất chú trọng đến quy trình hoạt động liên hoàn của khu vực này. Để có được thiết kế hợp lý, cần tuân thủ theo những nguyên tắc nhất định trên cơ sở các kiến thức đầy đủ về tiêu chuẩn sử dụng và thiết bị trong phòng mổ. Trong đó, quy tắc một chiều là bắt buộc, phân luồng giao thông hành lang sạch - bẩn, giao thông bác sĩ - bệnh nhân… theo một nguyên tắc chung để đảm bảo sự vô trùng tuyệt đối. 


YÊU CẦU CHUNG VỀ THIẾT KẾ PHÒNG MỔ

Theo công bố của Viện Vệ sinh y tế công cộng TP.HCM, số phòng mổ và phòng hồi sức đạt tiêu chuẩn chỉ 7/33 phòng (chiếm 21,2%), phòng hồi sức không đạt tiêu chuẩn về vi sinh lên đến 78,8%. Như vậy, một khi đã nhiễm khuẩn bệnh viện, người bệnh sẽ có nhiều biến chứng và có thể mắc thêm nhiều bệnh khác, phải dùng nhiều loại kháng sinh sẽ dẫn đến tăng sự kháng thuốc của vi khuẩn, tăng chi phí điều trị, trường hợp xấu hơn có thể dẫn đến tử vong. Nguyên tắc thiết kế một chiều cũng là yếu tố đầu tiên và tiên quyết là phải đảm bảo sự vô trùng tuyệt đối.

Ở Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 365.2007 quy định diện tích tối thiểu của phòng mổ là 36m2 và chiều cao tối thiểu là 3,1m. Ở Hoa Kỳ, phòng mổ bệnh viện đa khoa xây mới có diện tích không nhỏ hơn 37m2, chiều rộng không nhỏ hơn 6,1m, chiều cao có thể từ 2,8m - 3,6m. Khi thiết kế phòng mổ, KTS cần lưu ý hệ thống kỹ thuật của phòng mổ rất nhiều và phức tạp, trong đó hệ thống cung cấp khí sạch cho phòng mổ luôn có yêu cầu chiều cao thông thủy lớn. Vì vậy, thông số kỹ thuật tốt nhất khu vực phòng mổ, chiều cao giữa hai cốt nền phải lớn hơn 4m. Ở các bệnh viện có thiết kế nước ngoài thì khu vực trần kỹ thuật xấp xỉ 1,4m để dễ bố trí, sửa chữa bảo trì hệ thống. Nên thiết kế các phòng mổ theo hình vuông, chữ nhật để dễ dàng bố trí dây truyền công năng và trang thiết bị nội thất. Không gian phòng mổ càng ít góc cạnh chừng nào thì lại càng đảm bảo vệ sinh vô trùng chừng ấy vì các thiết bị trong phòng mổ rất nhiều: bàn mổ, máy gây mê, giúp thở và các thiết bị phụ trợ khác cho nên cần phải đủ rộng rãi để đôi lúc cần thiết thì sẽ đưa vào thêm được các thiết bị khác như C-Arm. Nguyên tắc thiết kế một chiều cần quan tâm bố trí 2 cửa cho phòng mổ: một cửa chính để đẩy băng ca và cửa phụ. Ở bốn góc của phòng mổ nên thiết kế dạng vát 45o, mục đích để bảo đảm lưu thông không khí trong phòng, tránh góc khí quẩn. Tránh tối thiểu các góc cạnh, tủ thiết bị âm tường, tạo phẫu trường rộng rãi, thuận tiện cho phẫu thuật viên.

     
     Phòng mổ mẫu - Bệnh viện Quốc tế Vinmec

Thiết kế hệ thống điện cũng có những điểm khác biệt, sử dụng nhiều thiết bị điện chuyên dụng ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng bệnh nhân. Điện chiếu sáng phải tách riêng với điện động lực sử dụng cho thiết bị. Một số thiết bị cần sử dụng điện một chiều như đèn đọc phim Xquang, đồng hồ mổ, máy Xquang lại cần nguồn 3 pha. Đặc biệt, hệ thống điện trong phòng mổ phải được cung cấp liên tục, luôn có nguồn điện dự phòng và có hệ thống nối đất riêng. Thiết bị y tế sử dụng trong phòng mổ đa phần là nhập khẩu từ các nước khác nhau: Anh, Mỹ, Nhật, Đức… với các chuẩn điện và ổ cắm khác nhau, vì thế rất khó khăn trong việc sử dụng để nối kết các thiết bị với các ổ 2 - chấu thông thường. Hiện nay trên thị trường có một sản phẩm thanh dẫn điện thông minh Eubiq, trên thanh dẫn có thể cắm các đầu cắm khác nhau tùy theo sự lựa chọn của trang thiết bị y tế loại nào, rất linh động và phù hợp sử dụng trong phòng mổ, mỗi phòng mổ sẽ cần khoảng 2 thanh với 12 - 18 ổ cắm. Khi bố trí xác định vị trí ổ cắm điện phải dựa vào sự định vị vị trí bàn mổ và các thiết bị y tế kèm theo, sau đó mới thiết kế bố trí ổ cắm cách nền nhà 0,6 - 0,8m.

Hệ thống khí y tế là một trong những đặc trưng cơ bản khi thiết kế bệnh viện, đặc biệt ở phòng mổ vấn đề khí y tế lại càng được quan tâm hơn vì nó là yếu tố đầu tiên đảm bảo sự sống còn cho bệnh nhân. Để đảm bảo yêu cầu chống nhiễm khuẩn trong khu vực phòng mổ, việc lắp đặt trang bị hệ thống khí sạch là điều rất quan trọng hiện nay tại các bệnh viện. Khí sạch áp lực dương (class1000, 10.000, 100.000) cho các phòng mổ bình thường. Khí sạch áp lực âm dùng cho phòng mổ đặc biệt cách ly và nhiễm. Khu vực phòng hồi sức cấp cứu, hành lang cấp độ sạch 100.000 hoặc 1.000.000. Thông thường một phòng mổ cần hệ khí y tế gồm oxy, khí nén, hút chân không. Với các phòng mổ có yêu cầu đặc biệt, có thể bố trí thêm khí ni tơ hay đầu hút khí gây mê, phòng phẫu thuật cần nội soi lại yêu cầu nguồn cung cấp khí CO2. Đầu ra khí y tế trong phòng mổ được phân bổ trên tường hoặc trên các hệ thống treo trần (Pendant, Ceiling hose, ưu điểm của hệ thống này là tiết kiệm diện tích, tránh việc phẫu thuật viên vướng phải dây khí nối từ tường ra bệnh nhân). Thông thường vẫn phải thiết kế luôn cả 2 vị trí và luôn có một cụm dự phòng: Oxy, hút, khí nén.

Thiết kế hệ chiếu sáng trong phòng mổ cần chú ý phân chia bao gồm chiếu sáng tổng thể và chiếu sáng cục bộ khu vực bệnh nhân. Chiếu sáng tổng thể có từ hệ đèn âm trần hay hệ đèn góc vát âm trần. Chiếu sáng cục bộ lấy từ đèn mổ (đèn không hắt bóng) được bố trí từ tay treo trên trần, có thể dễ dàng xoay chuyển bằng tay, điều chỉnh tiêu cự sáng và độ sáng. Thiết kế treo trần nên bố trí ở các góc. Độ rọi chung của phòng mổ vào khoảng  300 - 700 lux. Độ rọi của đèn mổ thông thường phải lớn hơn 100.000 lux/1 đèn (một bộ có từ 2 - 3 đèn). Trên bộ đèn mổ còn có thể gắn các camera để quan sát khu vực mổ (đối với trường hợp mổ hở). Ngoài ra, đèn xem phim Xquang là loại đèn chuyên dùng, được bố trí trên vách phòng mổ, dùng để đọc các phim Xquang. Ngoài ra còn có các yêu cầu về ổ cắm điện phòng mổ, biến thế cách ly, sàn phòng mổ... các KTScần lưu ý để hoàn thiện trong thiết kế.

Độ ồn là một yếu tố khó lường trước mà hiện rất ít được các kiến trúc sư quan tâm. Nếu phòng mổ có độ ồn quá lớn thì phẫu thuật viên khó tập trung vào công việc. Thiết kế phòng mổ nên đảm bảo độ ồn thông qua việc sử dụng nhỏ hơn 50 dB.

Để đảm bảo yếu tố vệ sinh, các bản vẽ nên lưu ý cung cấp hệ thống nước rửa tay và bồn rửa tay tiệt trùng khu vực sát phòng mổ. Trước khi vào phòng mổ, phẫu thuật viên bắt buộc phải rửa tay, thực hiện thao tác rửa tay theo quy định. Trần phòng mổ nên hạn chế các phào nổi, tập trung đơn giản hóa, “phẳng hóa” nhiều nhất có thể để khử khuẩn bằng khí hay dung dịch định kỳ dễ dàng.

Trong khu vực phòng mổ luôn phải có hệ thống liên lạc nội bộ với các thiết bị tối ưu nhất. Hệ thống này nên nối trực tiếp đến bộ phận quản lý, trực khu vực khoa phẫu thuật, gây mê hồi sức, hệ thống camera quan sát ca mổ có thể truyền hình trực tiếp đến phòng hội chẩn trong hay ngoài nước. Hệ thống điện thoại liên lạc nội bộ bao gồm một hay nhiều thiết bị thu hình kết nối đồng bộ và ổn định đến một hay nhiều các thiết bị đầu cuối khác. Bố trí camera cần đặt tại góc trần của phòng mổ.

Trước tốc độ thay đổi và phát triển của thiết bị y tế, KTS phải thường xuyên cập nhật các thiết bị tối tân nhất đáp ứng nhu cầu thiết kế hiện nay. Với yêu cầu phòng cháy chữa cháy, vật liệu vách phòng mổ thường được làm bằng các tấm vật liệu chống cháy, trong phòng mổ các kiến trúc sư nên thiết kế đầu báo khói. Đối với các phòng mổ sử dụng máy Xquang, Carm... cần tuân thủ yêu cầu về chống bức xạ bằng cách sử dụng các vật liệu chống bức xạ như tấm chì được đặt trong tường, kính chì thiết kế bố trí tại cửa phòng mổ.

    
    Sơ đồ thiết kế phân luồng giao thông bác sĩ, bệnh nhân

    
  Sơ đồ thiết kế phân luồng giao thông hành lang sạch - bẩn
 

THIẾT KẾ NỘI THẤT VÀ TRANG THIẾT BỊ PHÒNG MỔ

Trước kia các phòng mổ hay dùng tường ốp gạch men hay thạch cao. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của các vật liệu này là các mạch ghép dễ bám khuẩn và khó chà rửa độ sạch cao. Yêu cầu vách phòng mổ hiện đại phải là vật liệu chống cháy, chống bám khuẩn, chịu được mài mòn chà rửa, chống hóa chất. Các phòng mổ hiện tại trên các nước thường sử dụng tấm panel SGP. Loại panel này có 2 lớp, lớp ngoài là thép không rỉ sơn epoxy có tác dụng chống khuẩn, chống hóa chất và mài mòn, lớp trong là thạch cao chịu nước, chống cháy và có tác dụng cách âm. Ưu điểm của loại này là đáp ứng được nhu cầu vô khuẩn, các mối nối bằng silicon kháng khuẩn chuyên dụng, tính thẩm mỹ cao. Ngoài ra đối với phòng mổ hiện đại, cửa chính phòng mổ có kích thước > 1,6m, sử dụng cửa tự động hay bán tự động. Ưu điểm của cửa tự động và bán tự động là phẫu thuật viên không phải chạm tay hay chạm cơ thể để mở cửa, bảo đảm vô trùng tuyệt đối cho phẫu thuật viên.

Trong quá trình phẫu thuật trong phòng mổ điều bắt buộc là các phẫu thuật viên phải sử dụng đèn âm trần để đảm bảo chống bụi và vi khuẩn bám vào đèn. Vì vậy các kiến trúc sư khi thiết kế phải đặt hệ thống đèn này được bố trí tại góc vát giữa tường và trần phòng mổ, mặt đèn bằng nhựa acrylic để đảm bảo yếu tố chống bám khuẩn. Khác với đèn phòng mổ, đèn mổ có yêu cầu độ rọi lớn, không bị hiệu ứng tạo bóng đổ. Đèn này có dạng tay treo từ trần, có nhiều khớp, dễ dàng điều chỉnh vị trí và độ sáng, tiêu cự, giúp phẫu thuật viên chiếu sáng rõ khu vực phẫu thuật trên bệnh nhân.

Tủ đựng thiết bị thường được thiết kế âm trong vách phòng mổ, bằng chất liệu inox chuyên dụng dùng để chứa các dụng cụ phẫu thuật, các vật tư cho ca mổ. Cánh tủ bằng inox và kính để có thể quan sát bên trong. Trong các ca mổ thì vấn đề ghi chép hay nhập dự liệu hoặc tìm kiếm các thông tin sẽ được các phẫu thuật viên thao tác ngay tại phòng mổ nên cần bố trí kệ máy tính, tránh tình huống đi ra ngoài phòng mổ để thực hiện thao tác này. Một số loại thuốc, dịch truyền, vật tư y tế có yêu cầu nhiệt độ riêng phải được lưu trữ trong các tủ có nhiệt độ riêng hay còn gọi là tủ giữ ấm, giữ lạnh. Các tủ cần được bố trí tại vị trí gần với khu vực phẫu thuật nhưng gọn và đảm bảo giao thông.

Thiết kế nội thất cần bố trí đồng hồ mổ phù hợp hướng nhìn và theo dõi của toàn bộ kíp mổ. Đây là một thiết bị quan trọng và không thể thiếu với chức năng đếm thời gian thực hiện ca mổ, thời gian gây mê. Đó đều là những thông số cần thiết để phẫu thuật viên, bác sĩ gây mê thao tác. Số hiển thị trên đồng hồ mổ dạng chữ số điện tử.

Thiết kế phòng mổ đạt chuẩn là một mảng công việc đặc biệt. Cho đến nay, KTS trong nước đã dần đảm nhiệm và thực hiện hầu hết các công đoạn của quá trình thiết kế, giám sát thi công. Trong tương lai, cùng với sự phát triển tiến bộ của ngành y tế, sẽ có thêm nhiều loại tiêu chuẩn thiết kế cho bệnh viện nói chung và phòng mổ nói riêng, nhưng tiêu chuẩn thiết kế một chiều vẫn sẽ là một trong những tiêu chí thiết kế chính áp dụng đối với phòng mổ.


ThS VÕ XUÂN BỘI LÂM

Giám đốc Công ty TNHH Xuân Vy


Nguồn ảnh: Tác giả
Theo Tạp Chí Kiến Trúc Việt Nam số 7/2012
Link gốc: http://www.kientrucvietnam.org.vn/Web/Content.aspx?zoneid=256&distid=38217&lang=vi-VN

Thứ Hai, 24 tháng 2, 2014

Cảm biến hồng ngoại là gì?

Giới thiệu sản phẩm: Bộ đầu dò PIR, phát hiện chuyển động ngang của con người qua cảm ứng thân nhiệt.

Cuộc sống của chúng ta tồn tại trong cùng lúc với nhiều thực thể vật lý, những thứ chúng ta nhận biết được như là các vận động cơ học, tác dụng của nhiệt (nhận biết qua lớp da), của ánh sáng(nhận biết qua mắt), của âm thanh (nhận biết qua tai), của mùi (nhận biết qua mũi), của vị (nhận biết qua lưỡi), và nhất là của điện. Hiện nay, điện tử học là một công cụ phục vụ con người nhiều nhất, chúng ta có radio, cassette, TV, máy ghi hình, máy tính....Ưu điểm của các thiết bị điện là xử lý các vấn đề rất nhanh, nhưng các thiết bị điện thì lại chỉ làm việc với tín hiệu thuộc điện, mà chung quanh chúng ta không phải chỉ có các hiện tượng thuộc điện mà song song còn rất nhiều hiện tượng phi điện khác đang tồn tại, từ đó người ta nghĩ đến các SENSOR. Sensor là các cảm biến, nó dùng để chuyển đổi các tín hiệu không thuộc điện ra dạng tín hiệu điện và đưa vào các dạng mạch điện để xử lý. Ngày nay có rất nhiều, rất nhiều loại SENSOR. Trong lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu loại sensor dùng phát hiện các vật thể nóng có chuyển động ngang, quen gọi là PIR moton detector.

PIR là gì?

Nó là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay  còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật...

Trước hết, chúng ta tìm hiểu cấu trúc của một cảm biến PIR (Bạn xem hình).

Trên đây là  đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân ra, một chân nối masse, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có thể từ 3 đến 15V. Góc dò lớn. Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính Fresnel, nó được thiết kế cho loại đầu có 2 cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng ngăn tia tử ngoại. 

Hình vẽ cho thấy cách dùng đầu dò PIR để phát hiện người hay con vật di chuyển ngang.
Nguyên lý làm việc của loại đầu dò PIR như hình sau:

Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động. 



Hình vẽ cho thấy 2 vùng cảm ứng nhậy cảm tương ứng với 2 cảm biến trong đầu dò. Khi có một con vật đi ngang, từ thân con vật sẽ luôn phát ra tia nhiệt, nó được tiêu tụ mạnh với kính Fresnel và rồi tiêu tụ trên bia là cảm biến hồng ngoại, vậy khi con vật đi ngang, ở ngả ra của đầu dò chúng ta sẽ thậy. xuất hiện một tín hiệu, tín hiệu này sẽ được cho vào mạch xử lý để tạo tác dụng điều khiển hay báo động.

Bạn xem hình động sau đây dùng diễn tả nguyên lý làm việc của đầu dò PIR đối với người qua lại:




Hãy nói về các tia nhiệt:


Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các phân tử nhỏ li ti, nhiệt là một dạng năng lượng tạo ra từ các xao động của các phân tử (Bạn xem hình), đó là các chuyển động hỗn loạn, không trật tự. Từ các xao động này, nó phát ra các tia nhiệt, bằng cảm giác thông thường của giác quan, con người chúng ta nói đó là sức nóng. Ở mỗi người nguồn thân nhiệt thường được điều ổn ở mức 37 độ C, đó là nguồn nhiệt mà ai cũng có và nếu dùng linh kiện cảm ứng thân nhiệt, chúng ta sẽ có thiết bị phát hiện ra người, đó chính là ý tưởng mà người ta chế ra thiết bị motion detector, điều khiển theo nguồn thân nhiệt chuyển động.

Hình vẽ sau đây cho thấy vật liệu nhóm pyroelectric được dùng làm cảm biến dò tia nhiệt. 

Người ta kẹp vật liệu pyroelectric giữa 2 bản cực, khi có tác kích của các tia nhiệt, trên hai 2 bản cực sẽ xuất hiệu tín hiệu điện, do tín hiệu yếu nên cần mạch khuếch đại.

Trong bộ đầu dò PIR, người ta gắn 2 cảm ứng PIR nằm ngang, và cho nối vào cực Gate (chân Cổng) của một transistor FET có tính khuếch đại. Khi cảm biến pyroelectric thứ nhất nhận được tia nhiệt, nó sẽ phát ra tín hiệu và khi nguồn nóng di chuyển ngang, sẽ đến cảm biến pyroelectric thứ hai nhận được tia nhiệt và nó lại phát ra tín hiệu điện. Sự xuất hiện của 2 tín hiệu này cho nhận biết là đã có một nguồn nhiệt di động ngang và mạch điện tử sẽ phát ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này có thể dùng tắt mở đèn hay dùng để báo động  khi có kẻ lạ vào nhà.

Bây giờ hãy nói đến thiết bị tiêu tụ  gôm tia nhiệt rọi trên bề mặt cảm ứng PIR:

Chúng ta biết các tia nhiệt phát ra từ thân thể người rất yếu và rất phân tán,  để tăng độ nhậy  phải dùng kính  có mặt kính lồi tạo chức năng tiêu tụ, quen gọi là kinh Focus, hình động  dưới đây cho thấy các mặt sóng của các tia sáng khi đi qua một mặt kính lồi đã được cho gôm lại tại một điểm nhỏ, điểm đó gọi là tiêu điểm ( 焦点 , theo âm Hán Việt, chữ tiêu   bên dưới có bộ hỏa 灬 火 , vậy nó có nghĩa là điểm nóng, nhiều Bạn dùng kính lúp tạo ra điểm nóng,  điểm nóng này có thể đốt cháy giấy đấy, đó là trò chơi của các bạn nhỏ).


Khuyết điểm của loại kính hội tụ dùng mặt lồi thông thường là khi mặt kính mở rộng, điểm tiêu tụ sẽ không nằm ở một chỗ, người ta cho hiệu chỉnh sai lệch này bằng mặt kính Fresnel  (Bạn xem hình, các mặt cong ở xa trục quang đã được chỉnh lại). Bạn thấy khi ở xa trục quang học, độ cong của mặt kính được hiệu chỉnh lại, với cách làm này, chúng ta sẽ có thể hội tụ nhiều tia sáng tốt hơn, trên một diện tích rộng lớn hơn và như vậy sẽ tăng được độ nhậy cao hơn và có góc dò rộng hơn.

Tìm hiểu kính Fresnel.

 


Để hiểu rõ hơn về cách tiêu tụ dùng kính Fresnel, Bạn có thể Click và Xem nguyên lý kính Fresnel,Từ giải thích qua đoạn phim ngắn này, Bạn sẽ thấy kính Fresnel tạo tính tiêu tụ tốt hơn loại kính lồi thông thường nhất là khi mở rộng mặt kính.

Một sơ đồ mạch điện điển hình:

Sau đây là một sơ đồ điển hình cho thấy cách kết hợp giữa đầu dò PIR và mạch khuếch đại, mạch so áp  (dùng ic LM324) và mạch tạo trễ (dùng ic logic CD4538) để có các tiếp điểm lá kim  (của một relay) dùng điều khiển các dụng cụ điện khác.


Phân tích sơ đồ mạch điện:

Sơ đồ cho thấy, bộ đầu do PIR có 3 chân, chân 3 cho nối masse, chân 1 nối vào đường nguồn và chân 2 cho xuất ra tín hiệu, nguyên do phải phân cực cho đầu PIR là vì bên trong nó có dùng transistor FET. R2 (100K) là điện trở lấy tín hiệu. Tín hiệu này cho qua 2 tầng khuếch đại với IC1A và IC2B. Ở đây, người ta dùng mạch hồi tiếp nghịch với R4 (1M), R3 (10K) và tụ C2 (10uF) để định độ lợi cho tầng khuếch đại này (do 1M/10K = 100, nên độ lợi tầng này lấy khoảng 100), tụ C3 (0.1uF) có tác dụng ép dãy tần  hẹp lại, chỉ cho làm việc ở vùng tần thấp bỏ vùng tần cao (vì tác nhân nhiệt có quán tính lớn, thường thay đổi rất chậm), tín hiệu lấy ra trên chân 1 cho qua điện trở giảm biên R5 (10K) và tụ liên lạc C4 (10uF) vào tầng khuếch đại sau trên chân số 6.
 
Mạch dùng điện trở R6 (1M), diode D1, D2 và điện trở R7 (1M) tạo thành cầu chia áp, nó lấy áp phân cực cho chân 5 của tầng khuếch đại và tạo điện áp mẫu (Vref) cấp cho chân 9 (ngả vào đảo) và chân 12 (ngả vào không đảo) của 2 tầng so áp IC1C và IC1D. Điện trở R8 (1M) và tụ C5 (0.1uF) tạo tác dụng hồi tiếp nghịch, ổn định cho tầng khuếch đại IC1B. Tín hiệu cảm biến sau khi được khuếch đại cho ra trên chân 7, rồi cùng lúc đưa vào 2 tầng so áp trên chân 10 và chân 13. Đây là 2 tầng so áp có chu trình hồi sai, dùng tạo ra xung kích thích có độ dóc tốt, kích vào tầng đa hài đơn ổn trong ic CD4538, diode D3 và diode D4 có công dụng cách ly tránh ảnh hưởng qua lại của 2 đường ra trên chân 8 và chân 14.

CD 4538 là ic logic có 2 tầng đơn ổn, nó định thời gian quá độ (thời gian trễ) theo thời hằng của điện trở R10 (1M) và tụ C6 (1uF) trên chân số 2. Xung làm chuyển trạng thái đưa vào trên chân 4, khi chuyển mạch mức áp cao cho xuất hiện trên chân số 6, nó sẽ kích dẫn transistor thúc Q1, và Q1 cấp dòng cho relay để đóng các tiếp điểm lá kim. Do dùng mạch đơn ổn, định thời theo thời hằng của R10 và tụ C6, nên chỉ sau một thời gian qui định, mạch sẽ tự trở lại trạng thái ổn cố, Q1 sẽ tắt và relay sẽ bị cắt dòng và nhã tiếp điểm lá kim ra

Mạch có thể làm việc với mức nguồn nuôi từ 5 đến 12V (Bạn chú ý mức nguồn nuôi để chọn loại relay cho thích hợp).

Tóm lại, khi có người đi ngang qua bộ đầu dò, nguồn thân nhiệt của người hay con vật sẽ tác kích vào đầu dò PIR,  thì relay sẽ được cấp dòng để đóng các tiếp điểm lá kim, Bạn có thể dùng các tiếp điểm này để mở đèn, và sau một lúc mạch đơn ổn trở về trạng thái vốn có và đèn sẽ tự tắt. Chúng ta đã có mạch tắt mở đèn theo "hơi người qua lại" rồi phải không? Thích không?

Tư liệu về 2 ic LM324 và CD4538 dùng trong mạch:



Trong ic LM324 có 4 tầng khuếch đại toán thuật (op-amp), Bạn có thể dùng các tầng  khuếch đại op-amp này để khuếch đại các tín hiệu hay dùng làm tầng so áp. Đây là ic có rất nhiều công dụng, Bạn tải tư liệu liên quan  ở phần mục download để hiểu rõ hơn.

 Đây là ic có 2 bộ đa hài đơn ổn, thời gian quá độ có thể xác định theo mạch thời hằng với điện trở và tụ điện. Mạch sẽ tự trở lại trạng thái ổn cố sau thời gian qui định. IC này rất thông dụng trong các mạch điều khiển.

Các sơ đồ mạch điện tham khảo:

Sau đây là các sơ đồ tham khảo (tôi sưu tầm từ trên mạng), trong các sơ đồ này, bộ đầu dò PIR dùng phát hiện chuyển động của các nguồn thân nhiệt của người và con vật và cho xuất tín hiệu để đóng mở đèn hay mạch báo động, nguyên lý làm việc cũng tương tự như mạch điện điển hình đã phân tích ở phần trên..

Mạch 1: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng TRIAC,

Mạch 2: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng tiếp điểm của relay,

Mạch 3: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện DC (12V), tắt mở đèn bằng relay và có trang bị quang trở  (SCd) để mạch chỉ tác dụng trong đêm tối,

Mạch 4: Mạch dùng ic HT7601A chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng relay.

 Mạch 5: Mạch dùng ic HT7601B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng TRIAC,

Mạch 6: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng để phát hiện người theo thân nhiệt, dùng điều khiển với các loại thiết bị cắm lỗ OUTPUT,  làm việc với nguồn điện DC, có dùng quang trở (SCd) để mạch chỉ có tác dụng trong đêm tối.


Mạch 7: Mạch tắt mở đèn theo hơi người dùng đầu dò PIR, và tắt mở đèn với TRIAC, mạch dùng  trực tiếp đường nguồn AC và cho giảm áp bằng tụ.

  
Kể Bạn nghe câu chuyện vui về đèn PIR trong đêm Trung Thu ở Boston trên  nước Mỹ .

Đêm Trung Thu, mùa thu ở vùng Đông Bắc Mỹ (Quincy-Boston) trời tối mù nên vầng trăng sáng tỏa vằng vặt trên trời cao, bây giờ là 10 giờ đêm, chúng tôi cả nhà bắt đầu dọn bàn bánh trái, trà nước ra ban-công cúng chị Hằng Nga và chú thỏ con.  Do trời tối nên phải mở đèn, đèn bên hong nhà không sáng, một người bạn Mỹ tưởng bóng đèn đã đứt và anh thay bóng điện khác, nhưng đèn vẫn không sáng? Vì sao? Bạn có biết tại sao không?

Vì trong đèn này dùng mạch dò chuyển động của thân nhiệt, lúc mà  ai cũng tưởng là mạch điện của đèn này đã hư thì đèn lại tự phát sáng, vì sao? Anh bạn người Mỹ thắc mắc!!! Thật ra vì đã có ai đó đi ngang qua đèn và đèn tự phát sáng, đúng như suy nghĩ của tôi, chỉ sau một lúc, đèn lại tự tắt. Thì ra trong đèn đã có mạch PIR dùng để điều khiển đèn rọi ban-công. Lúc này muốn đèn sáng lại, tôi lấy ngón tay của mình quét qua màn kính Fresnel là đèn lại tự sáng lại ngay (Bạn xem hình).


Sau khi bó hương thơm đã sắp tàn, trời đêm trở lạnh, sương đêm xuống nhiều, lúc này mọi người quây quần ăn bánh, uống tra nói chuyện huyên thiên, và đến màn dùng kính viễn vọng để ngắm trăng. Tôi chỉnh cho vầng trăng lọt vào tầm ngắm của kính và cố đi tìm chị Hằng Nga xinh đẹp mà lúc tuổi thơ tôi thường tơ tưởng, mong đêm nay đêm vui của Nàng sẽ nhìn thấy dung nhan Nàng, và trong lòng tự hỏi xem lúc này Nàng đang làm gì, ở đâu? Nhưng sao trong kính viễn vọng toàn chỉ thấy các lỗ tròn đen với vách đá lõm chõm,  hình ảnh một vùng đất xa xôi hoang dã, không một bóng người.  Ôi! không lẽ trên cung trăng bây giờ cũng đã sa mạc hóa đến thế sao, thực tế phũ phàn đến thế sao? Thật hết hứng...


Sáng hôm sau, tôi đi kiểm tra lại tất cả các đèn cảm biến dùng tắt mở đèn theo hơi người ở quanh nhà. Đây là đèn cảm biến PIR đặt ở đường ra vào của tầng hầm (Bạn xem hình, ở vùng đất mà mua đông tuyết phủ trắng xóa này, nhà nhà đều có tầng hầm để chứa các thiết bị làm ấm cho trong nhà, cũng làm nơi cất giữ các thứ linh tinh). Khi kiểm tra các đèn PIR, tôi dùng ngón tay quét qua mặt kính Fresnel là đèn bậc sáng, good!.


 Còn đây là đèn PIR dùng để khi về đêm sẽ rọi sân sau nhà khi có người vào ra. Sau nhà là một bãi cỏ rộng, trên bãi cỏ xanh mát này sáng chiều tôi dờn trái bóng, một mình tôi cố đá trái bóng  dưới chân mình cho trúng trái bóng ở đàng kia cho đở nhớ đám bạn bè  thuở thời còn đi học, nhớ lại mỗi chiều cùng nhau ôm bóng ra sân vận động trước trường, chia phe đá cho đến lúc mặt trời đi ngủ mới chịu về.


...và đây nữa là đèn cảm ứng PIR dùng rọi trong nhà kho nhỏ đặt ở trên sân sau nhà, nơi cất đủ thứ, máy cắt cỏ, máy tỉa hoa lá, lò gar nướng thịt, đủ tất cả các loại cây cào, cào cỏ, cào lá,  ắt rễ, làm lỗ, rồi phân bón làm vườn, xe cút-kít, dù cắm trại, đủ mọi thứ linh tinh...

 

Tạm kết


Qua bài viết trên, Bạn thấy người ta, hay con người đã dùng trí tuệ của chính mình để trở lại phục vụ cho cuộc sống tiện nghi của chính mình, có phải trên cõi ta bà thế giới này, chỉ có con người là loài duy nhất có được năng lực kỳ lạ như vậy không? ...và  trong tôi lúc nào cũng luôn tự hỏi như vậy....

Link gốc: http://www.phuclanshop.com/TraoDoiHocTap-ChiTiet.aspx?NewsId=109

Cảm biến hồng ngoại là gì?

Giới thiệu sản phẩm: Bộ đầu dò PIR, phát hiện chuyển động ngang của con người qua cảm ứng thân nhiệt.

Cuộc sống của chúng ta tồn tại trong cùng lúc với nhiều thực thể vật lý, những thứ chúng ta nhận biết được như là các vận động cơ học, tác dụng của nhiệt (nhận biết qua lớp da), của ánh sáng(nhận biết qua mắt), của âm thanh (nhận biết qua tai), của mùi (nhận biết qua mũi), của vị (nhận biết qua lưỡi), và nhất là của điện. Hiện nay, điện tử học là một công cụ phục vụ con người nhiều nhất, chúng ta có radio, cassette, TV, máy ghi hình, máy tính....Ưu điểm của các thiết bị điện là xử lý các vấn đề rất nhanh, nhưng các thiết bị điện thì lại chỉ làm việc với tín hiệu thuộc điện, mà chung quanh chúng ta không phải chỉ có các hiện tượng thuộc điện mà song song còn rất nhiều hiện tượng phi điện khác đang tồn tại, từ đó người ta nghĩ đến các SENSOR. Sensor là các cảm biến, nó dùng để chuyển đổi các tín hiệu không thuộc điện ra dạng tín hiệu điện và đưa vào các dạng mạch điện để xử lý. Ngày nay có rất nhiều, rất nhiều loại SENSOR. Trong lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu loại sensor dùng phát hiện các vật thể nóng có chuyển động ngang, quen gọi là PIR moton detector.

PIR là gì?

Nó là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay  còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật...

Trước hết, chúng ta tìm hiểu cấu trúc của một cảm biến PIR (Bạn xem hình).

Trên đây là  đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân ra, một chân nối masse, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có thể từ 3 đến 15V. Góc dò lớn. Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính Fresnel, nó được thiết kế cho loại đầu có 2 cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng ngăn tia tử ngoại. 

Hình vẽ cho thấy cách dùng đầu dò PIR để phát hiện người hay con vật di chuyển ngang.
Nguyên lý làm việc của loại đầu dò PIR như hình sau:

Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động. 



Hình vẽ cho thấy 2 vùng cảm ứng nhậy cảm tương ứng với 2 cảm biến trong đầu dò. Khi có một con vật đi ngang, từ thân con vật sẽ luôn phát ra tia nhiệt, nó được tiêu tụ mạnh với kính Fresnel và rồi tiêu tụ trên bia là cảm biến hồng ngoại, vậy khi con vật đi ngang, ở ngả ra của đầu dò chúng ta sẽ thậy. xuất hiện một tín hiệu, tín hiệu này sẽ được cho vào mạch xử lý để tạo tác dụng điều khiển hay báo động.

Bạn xem hình động sau đây dùng diễn tả nguyên lý làm việc của đầu dò PIR đối với người qua lại:




Hãy nói về các tia nhiệt:


Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các phân tử nhỏ li ti, nhiệt là một dạng năng lượng tạo ra từ các xao động của các phân tử (Bạn xem hình), đó là các chuyển động hỗn loạn, không trật tự. Từ các xao động này, nó phát ra các tia nhiệt, bằng cảm giác thông thường của giác quan, con người chúng ta nói đó là sức nóng. Ở mỗi người nguồn thân nhiệt thường được điều ổn ở mức 37 độ C, đó là nguồn nhiệt mà ai cũng có và nếu dùng linh kiện cảm ứng thân nhiệt, chúng ta sẽ có thiết bị phát hiện ra người, đó chính là ý tưởng mà người ta chế ra thiết bị motion detector, điều khiển theo nguồn thân nhiệt chuyển động.

Hình vẽ sau đây cho thấy vật liệu nhóm pyroelectric được dùng làm cảm biến dò tia nhiệt. 

Người ta kẹp vật liệu pyroelectric giữa 2 bản cực, khi có tác kích của các tia nhiệt, trên hai 2 bản cực sẽ xuất hiệu tín hiệu điện, do tín hiệu yếu nên cần mạch khuếch đại.

Trong bộ đầu dò PIR, người ta gắn 2 cảm ứng PIR nằm ngang, và cho nối vào cực Gate (chân Cổng) của một transistor FET có tính khuếch đại. Khi cảm biến pyroelectric thứ nhất nhận được tia nhiệt, nó sẽ phát ra tín hiệu và khi nguồn nóng di chuyển ngang, sẽ đến cảm biến pyroelectric thứ hai nhận được tia nhiệt và nó lại phát ra tín hiệu điện. Sự xuất hiện của 2 tín hiệu này cho nhận biết là đã có một nguồn nhiệt di động ngang và mạch điện tử sẽ phát ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này có thể dùng tắt mở đèn hay dùng để báo động  khi có kẻ lạ vào nhà.

Bây giờ hãy nói đến thiết bị tiêu tụ  gôm tia nhiệt rọi trên bề mặt cảm ứng PIR:

Chúng ta biết các tia nhiệt phát ra từ thân thể người rất yếu và rất phân tán,  để tăng độ nhậy  phải dùng kính  có mặt kính lồi tạo chức năng tiêu tụ, quen gọi là kinh Focus, hình động  dưới đây cho thấy các mặt sóng của các tia sáng khi đi qua một mặt kính lồi đã được cho gôm lại tại một điểm nhỏ, điểm đó gọi là tiêu điểm ( 焦点 , theo âm Hán Việt, chữ tiêu   bên dưới có bộ hỏa 灬 火 , vậy nó có nghĩa là điểm nóng, nhiều Bạn dùng kính lúp tạo ra điểm nóng,  điểm nóng này có thể đốt cháy giấy đấy, đó là trò chơi của các bạn nhỏ).


Khuyết điểm của loại kính hội tụ dùng mặt lồi thông thường là khi mặt kính mở rộng, điểm tiêu tụ sẽ không nằm ở một chỗ, người ta cho hiệu chỉnh sai lệch này bằng mặt kính Fresnel  (Bạn xem hình, các mặt cong ở xa trục quang đã được chỉnh lại). Bạn thấy khi ở xa trục quang học, độ cong của mặt kính được hiệu chỉnh lại, với cách làm này, chúng ta sẽ có thể hội tụ nhiều tia sáng tốt hơn, trên một diện tích rộng lớn hơn và như vậy sẽ tăng được độ nhậy cao hơn và có góc dò rộng hơn.

Tìm hiểu kính Fresnel.

 


Để hiểu rõ hơn về cách tiêu tụ dùng kính Fresnel, Bạn có thể Click và Xem nguyên lý kính Fresnel,Từ giải thích qua đoạn phim ngắn này, Bạn sẽ thấy kính Fresnel tạo tính tiêu tụ tốt hơn loại kính lồi thông thường nhất là khi mở rộng mặt kính.

Một sơ đồ mạch điện điển hình:

Sau đây là một sơ đồ điển hình cho thấy cách kết hợp giữa đầu dò PIR và mạch khuếch đại, mạch so áp  (dùng ic LM324) và mạch tạo trễ (dùng ic logic CD4538) để có các tiếp điểm lá kim  (của một relay) dùng điều khiển các dụng cụ điện khác.


Phân tích sơ đồ mạch điện:

Sơ đồ cho thấy, bộ đầu do PIR có 3 chân, chân 3 cho nối masse, chân 1 nối vào đường nguồn và chân 2 cho xuất ra tín hiệu, nguyên do phải phân cực cho đầu PIR là vì bên trong nó có dùng transistor FET. R2 (100K) là điện trở lấy tín hiệu. Tín hiệu này cho qua 2 tầng khuếch đại với IC1A và IC2B. Ở đây, người ta dùng mạch hồi tiếp nghịch với R4 (1M), R3 (10K) và tụ C2 (10uF) để định độ lợi cho tầng khuếch đại này (do 1M/10K = 100, nên độ lợi tầng này lấy khoảng 100), tụ C3 (0.1uF) có tác dụng ép dãy tần  hẹp lại, chỉ cho làm việc ở vùng tần thấp bỏ vùng tần cao (vì tác nhân nhiệt có quán tính lớn, thường thay đổi rất chậm), tín hiệu lấy ra trên chân 1 cho qua điện trở giảm biên R5 (10K) và tụ liên lạc C4 (10uF) vào tầng khuếch đại sau trên chân số 6.
 
Mạch dùng điện trở R6 (1M), diode D1, D2 và điện trở R7 (1M) tạo thành cầu chia áp, nó lấy áp phân cực cho chân 5 của tầng khuếch đại và tạo điện áp mẫu (Vref) cấp cho chân 9 (ngả vào đảo) và chân 12 (ngả vào không đảo) của 2 tầng so áp IC1C và IC1D. Điện trở R8 (1M) và tụ C5 (0.1uF) tạo tác dụng hồi tiếp nghịch, ổn định cho tầng khuếch đại IC1B. Tín hiệu cảm biến sau khi được khuếch đại cho ra trên chân 7, rồi cùng lúc đưa vào 2 tầng so áp trên chân 10 và chân 13. Đây là 2 tầng so áp có chu trình hồi sai, dùng tạo ra xung kích thích có độ dóc tốt, kích vào tầng đa hài đơn ổn trong ic CD4538, diode D3 và diode D4 có công dụng cách ly tránh ảnh hưởng qua lại của 2 đường ra trên chân 8 và chân 14.

CD 4538 là ic logic có 2 tầng đơn ổn, nó định thời gian quá độ (thời gian trễ) theo thời hằng của điện trở R10 (1M) và tụ C6 (1uF) trên chân số 2. Xung làm chuyển trạng thái đưa vào trên chân 4, khi chuyển mạch mức áp cao cho xuất hiện trên chân số 6, nó sẽ kích dẫn transistor thúc Q1, và Q1 cấp dòng cho relay để đóng các tiếp điểm lá kim. Do dùng mạch đơn ổn, định thời theo thời hằng của R10 và tụ C6, nên chỉ sau một thời gian qui định, mạch sẽ tự trở lại trạng thái ổn cố, Q1 sẽ tắt và relay sẽ bị cắt dòng và nhã tiếp điểm lá kim ra

Mạch có thể làm việc với mức nguồn nuôi từ 5 đến 12V (Bạn chú ý mức nguồn nuôi để chọn loại relay cho thích hợp).

Tóm lại, khi có người đi ngang qua bộ đầu dò, nguồn thân nhiệt của người hay con vật sẽ tác kích vào đầu dò PIR,  thì relay sẽ được cấp dòng để đóng các tiếp điểm lá kim, Bạn có thể dùng các tiếp điểm này để mở đèn, và sau một lúc mạch đơn ổn trở về trạng thái vốn có và đèn sẽ tự tắt. Chúng ta đã có mạch tắt mở đèn theo "hơi người qua lại" rồi phải không? Thích không?

Tư liệu về 2 ic LM324 và CD4538 dùng trong mạch:



Trong ic LM324 có 4 tầng khuếch đại toán thuật (op-amp), Bạn có thể dùng các tầng  khuếch đại op-amp này để khuếch đại các tín hiệu hay dùng làm tầng so áp. Đây là ic có rất nhiều công dụng, Bạn tải tư liệu liên quan  ở phần mục download để hiểu rõ hơn.

 Đây là ic có 2 bộ đa hài đơn ổn, thời gian quá độ có thể xác định theo mạch thời hằng với điện trở và tụ điện. Mạch sẽ tự trở lại trạng thái ổn cố sau thời gian qui định. IC này rất thông dụng trong các mạch điều khiển.

Các sơ đồ mạch điện tham khảo:

Sau đây là các sơ đồ tham khảo (tôi sưu tầm từ trên mạng), trong các sơ đồ này, bộ đầu dò PIR dùng phát hiện chuyển động của các nguồn thân nhiệt của người và con vật và cho xuất tín hiệu để đóng mở đèn hay mạch báo động, nguyên lý làm việc cũng tương tự như mạch điện điển hình đã phân tích ở phần trên..

Mạch 1: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng TRIAC,

Mạch 2: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng tiếp điểm của relay,

Mạch 3: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện DC (12V), tắt mở đèn bằng relay và có trang bị quang trở  (SCd) để mạch chỉ tác dụng trong đêm tối,

Mạch 4: Mạch dùng ic HT7601A chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng relay.

 Mạch 5: Mạch dùng ic HT7601B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo  hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng TRIAC,

Mạch 6: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng để phát hiện người theo thân nhiệt, dùng điều khiển với các loại thiết bị cắm lỗ OUTPUT,  làm việc với nguồn điện DC, có dùng quang trở (SCd) để mạch chỉ có tác dụng trong đêm tối.


Mạch 7: Mạch tắt mở đèn theo hơi người dùng đầu dò PIR, và tắt mở đèn với TRIAC, mạch dùng  trực tiếp đường nguồn AC và cho giảm áp bằng tụ.

  
Kể Bạn nghe câu chuyện vui về đèn PIR trong đêm Trung Thu ở Boston trên  nước Mỹ .

Đêm Trung Thu, mùa thu ở vùng Đông Bắc Mỹ (Quincy-Boston) trời tối mù nên vầng trăng sáng tỏa vằng vặt trên trời cao, bây giờ là 10 giờ đêm, chúng tôi cả nhà bắt đầu dọn bàn bánh trái, trà nước ra ban-công cúng chị Hằng Nga và chú thỏ con.  Do trời tối nên phải mở đèn, đèn bên hong nhà không sáng, một người bạn Mỹ tưởng bóng đèn đã đứt và anh thay bóng điện khác, nhưng đèn vẫn không sáng? Vì sao? Bạn có biết tại sao không?

Vì trong đèn này dùng mạch dò chuyển động của thân nhiệt, lúc mà  ai cũng tưởng là mạch điện của đèn này đã hư thì đèn lại tự phát sáng, vì sao? Anh bạn người Mỹ thắc mắc!!! Thật ra vì đã có ai đó đi ngang qua đèn và đèn tự phát sáng, đúng như suy nghĩ của tôi, chỉ sau một lúc, đèn lại tự tắt. Thì ra trong đèn đã có mạch PIR dùng để điều khiển đèn rọi ban-công. Lúc này muốn đèn sáng lại, tôi lấy ngón tay của mình quét qua màn kính Fresnel là đèn lại tự sáng lại ngay (Bạn xem hình).


Sau khi bó hương thơm đã sắp tàn, trời đêm trở lạnh, sương đêm xuống nhiều, lúc này mọi người quây quần ăn bánh, uống tra nói chuyện huyên thiên, và đến màn dùng kính viễn vọng để ngắm trăng. Tôi chỉnh cho vầng trăng lọt vào tầm ngắm của kính và cố đi tìm chị Hằng Nga xinh đẹp mà lúc tuổi thơ tôi thường tơ tưởng, mong đêm nay đêm vui của Nàng sẽ nhìn thấy dung nhan Nàng, và trong lòng tự hỏi xem lúc này Nàng đang làm gì, ở đâu? Nhưng sao trong kính viễn vọng toàn chỉ thấy các lỗ tròn đen với vách đá lõm chõm,  hình ảnh một vùng đất xa xôi hoang dã, không một bóng người.  Ôi! không lẽ trên cung trăng bây giờ cũng đã sa mạc hóa đến thế sao, thực tế phũ phàn đến thế sao? Thật hết hứng...


Sáng hôm sau, tôi đi kiểm tra lại tất cả các đèn cảm biến dùng tắt mở đèn theo hơi người ở quanh nhà. Đây là đèn cảm biến PIR đặt ở đường ra vào của tầng hầm (Bạn xem hình, ở vùng đất mà mua đông tuyết phủ trắng xóa này, nhà nhà đều có tầng hầm để chứa các thiết bị làm ấm cho trong nhà, cũng làm nơi cất giữ các thứ linh tinh). Khi kiểm tra các đèn PIR, tôi dùng ngón tay quét qua mặt kính Fresnel là đèn bậc sáng, good!.


 Còn đây là đèn PIR dùng để khi về đêm sẽ rọi sân sau nhà khi có người vào ra. Sau nhà là một bãi cỏ rộng, trên bãi cỏ xanh mát này sáng chiều tôi dờn trái bóng, một mình tôi cố đá trái bóng  dưới chân mình cho trúng trái bóng ở đàng kia cho đở nhớ đám bạn bè  thuở thời còn đi học, nhớ lại mỗi chiều cùng nhau ôm bóng ra sân vận động trước trường, chia phe đá cho đến lúc mặt trời đi ngủ mới chịu về.


...và đây nữa là đèn cảm ứng PIR dùng rọi trong nhà kho nhỏ đặt ở trên sân sau nhà, nơi cất đủ thứ, máy cắt cỏ, máy tỉa hoa lá, lò gar nướng thịt, đủ tất cả các loại cây cào, cào cỏ, cào lá,  ắt rễ, làm lỗ, rồi phân bón làm vườn, xe cút-kít, dù cắm trại, đủ mọi thứ linh tinh...

 

Tạm kết


Qua bài viết trên, Bạn thấy người ta, hay con người đã dùng trí tuệ của chính mình để trở lại phục vụ cho cuộc sống tiện nghi của chính mình, có phải trên cõi ta bà thế giới này, chỉ có con người là loài duy nhất có được năng lực kỳ lạ như vậy không? ...và  trong tôi lúc nào cũng luôn tự hỏi như vậy....

Link gốc: http://www.phuclanshop.com/TraoDoiHocTap-ChiTiet.aspx?NewsId=109