Bài luận tìm hiểu về thiết bị điều khiển từ xa

Bài Luận Tìm hiểu về thiết bị điều khiển từ xa W X LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển, ngành tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động hóa không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm chính vì thế tự động hóa ngày càng khẳng định được vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp và đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Không chỉ dừng lại ở đó, sự phát triển của tự động hóa còn đem lại nhiều tiện ích phục vụ đời sống hàng ngày cho con người. Để phục vụ tốt hơn nữa đời sống con người trong thời điểm xã hội ngày càng hiện đại và phát triển hiện nay. Thay thế dần con người làm việc ở những nơi nguy hiểm, độc hại, hay những nơi con người không thể tới được. Vấn đề đặt ra trước tiên khi xây dựng một hệ thống tự động hóa là lựa chọn hệ thống điều khiển, mạng truyền thông nào để điều khiển và giám sát cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của thực tế. Sự phát triển vượt bậc về công nghệ là các ứng dụng của kỹ thuật vi điều khiển, với tốc độ phát triển nhanh chóng kỹ thuật vi điều khiển đã mang đến những thay đổi trong khoa học công nghệ cũng như trong đời sống hàng ngày, các sản phẩm của vi điều khiển ngày càng nhiều hơn và được ứng dụng rộng rãi hơn, thiết bị máy móc ngày càng trở lên thông minh hơn, chính xác hơn. Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta hiện nay, vi xử lí được ứng dụng rất rộng rãi, nó càng trở nên cần thiết và không thể thiếu trong mỗi gia đình . Đó chính là ứng dụng về Điều Khiển Từ Xa, một ứng dụng rất thú vị và tiện ích, với chiếc điều khiển từ xa trong tay, ta có thể điều khiển nhiều thiết bị theo nhu cầu mong muốn mà không phải di chuyển. Xuất phát từ những ưu điểm quan trọng và ứng dụng thực tế trong cuộc sống của thiết bị điều khiển từ xa nên em chọn đề tài “ Tìm hiểu về thiết bị điều khiển từ xa ”. Do thời gian, nguồn tài liệu và trình độ còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi sự thiếu sót. Kính mong sự chỉ dẫn và góp ý của thầy cô và các bạn. Tp. Hồ Chí Minh, 05/2012 MỤC LỤC CHƢƠNG I ........................................................................................................................ 4 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ................................................ 4 1. Khái niệm chung về điều khiển từ xa: ................................................................... 4 2. Lịch sử của điều khiển từ xa: ................................................................................. 4 3. Kết cấu hệ thống điều khiển từ xa: ........................................................................ 4 4. Yêu cầu của hệ thống điều khiển từ xa: ................................................................ 5 5. Các phƣơng pháp mã hóa trong điều khiển từ xa: .............................................. 5 6. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa: ............................................................ 5 7. Các phƣơng pháp điều chế trong điều khiển từ xa: ............................................. 6 7.1 Điều chế tƣơng tự: ............................................................................................ 6 7.2 Điều chế số: ........................................................................................................ 6 7.3 Điều chế xung: ................................................................................................... 6 8. Phạm vi hoạt động và ứng dụng của điều khiển từ xa : ...................................... 7 CHƢƠNG II ....................................................................................................................... 8 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA DÙNG TIA HỒNG NGOẠI (IR) .............................................. 8 1. Tìm hiểu về hồng ngoại: .......................................................................................... 8 1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại: ........................................................................... 8 1.2 Nguồn phát hồng ngoại: … .............................................................................. 8 1.3 Tính chất của hồng ngoại:................................................................................ 9 2. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại: ................................................................. 10 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại: ....................... 10 2.2 Nguyên lý hoạt động của điều khiển từ xa: .................................................. 14 2.3 Ƣu điểm, khuyết điểm và cách khắc phục: .................................................. 14 2.4 Ứng dụng của điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại: ................................. 14 CHƢƠNG III ................................................................................................................... 15 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA SỬ DỤNG SÓNG VÔ TUYẾN (RF) ...................................... 15 1. Tìm hiểu về sóng vô tuyến: ................................................................................... 15 1.1. Khái niệm sóng vô tuyến: ............................................................................... 15 1.2. Sự hình thành sóng vô tuyến: ........................................................................ 16 1.3. Hoạt động của sóng vô tuyến: ........................................................................ 16 1.4. Tần số và ứng dụng của sóng vô tuyến: ........................................................ 17 2. Điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến: ............................................................ 19 2.2. Nguyên lý hoạt động của điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến: ........... 24 2.3. Phân kênh – điều khiển từ xa bằng vô tuyến nhiều chức năng: ................ 24 2.4. Ƣu điểm, khuyết điểm và cách khắc phục: .................................................. 26 2.5. Ứng dụng của điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến: … ........................ 26 CHƢƠNG I NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 1. Khái niệm chung về điều khiển từ xa:  Điều khiển từ xa là việc điều khiển thiết bị hoặc hệ thống ở khoảng cách xa mà không cần phải điều chỉnh trực tiếp trên thiết bị hoặc hệ thống đó. Khoảng cách đó tùy thuộc vào từng hệ thống có mức độ phức tạp khác nhau, phụ thuộc vào mục đích thiết kế hệ thống.  Hệ thống điều khiển từ xa là hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị từ khoảng cách xa. Ví dụ như hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại, hệ thống điều khiển từ xa bằng cáp quang. 2. Lịch sử của điều khiển từ xa:  Những chiếc điều khiển từ xa đầu tiên trên thế giới được ra đời nhằm mục đích phục vụ cho chiến tranh. Các loại điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến xuất hiện vào Chiến tranh thế giới thứ I nhằm hướng dẫn các tàu hải quân Đức đâm vào thuyền của quân Đồng Minh.  Đến Chiến tranh thế giới thứ II, điều khiển từ xa dùng để kích nổ những quả bom. Sau chiến tranh, công nghệ tuyệt vời của chúng tiếp tục được cải tiến để phục vụ đắc lực trong đời sống con người. Và đến nay, có thể nói, gần như ai cũng đã từng sử dụng điều khiển từ xa để điều khiển một thiết bị nào đó.  Ban đầu, người ta dùng điều khiển từ xa sử dụng công nghệ tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) và sau đó bắt đầu ứng dụng công nghệ hồng ngoại IR (Infrared Remote) vào điều khiển từ xa. Hiện nay trong đời sống, chúng ta sử dụng cả hai loại điều khiển từ xa này. 3. Kết cấu hệ thống điều khiển từ xa:  Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức tín hiệu và gửi đi.  Đƣờng truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu.  Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển và biến đổi thành lệnh điều khiển để thi hành. Thiết bị phát Thiết bị thu Đường truyền 4. Yêu cầu của hệ thống điều khiển từ xa:  Tốc độ làm việc nhanh.  Thiết bị và đường truyền phải an toàn tin cậy.  Kết cấu phải đơn giản.  Hiệu quả và năng suất làm việc cao với độ chính xác đúng nhiệm vụ đề ra. 5. Các phƣơng pháp mã hóa trong điều khiển từ xa:  Trong hệ thống truyền thông tin, tín hiệu thường được rời rạc hóa rồi biến đổi thành tín hiệu số, sau đó mã hóa và được phát đi từ máy phát. Ở máy thu, tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại gồm giải mã và liên tục hóa.  Sự mã hóa tín hiệu nhằm tăng tính an toàn và độ tin cậy của hệ thống điều khiển từ xa, nghĩa là nâng cao độ chính xác của tin tức khi truyền, tăng tốc độ truyền và khả năng chống nhiễu cũng như xâm nhập bất hợp pháp.  Trong điều khiển từ xa ta thường dùng mã nhị phân tương ứng hệ nhị phân (gồm 2 bit 0 và 1) để mã hóa dữ liệu. Do yêu cầu về độ chính xác cao trong các tín hiệu điều khiển được truyền đi người ta dùng loại mã phát hiện sai và mã sửa sai. 6. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa: 1.1 - Sơ đồ khối máy phát 1.2 - Sơ đồ khối máy thu 7. Các phƣơng pháp điều chế trong điều khiển từ xa: 7.1 . Điều chế tƣơng tự:  AM (Amplitude modulation) - Điều chế biên độ  FM (Frequency modulation) - Điều chế tần số 7.2 . Điều chế số:  ASK (Amplitude-shift keying) - Điều chế khóa dịch biên độ  PSK (Phase-shift keying) - Điều chế khóa dịch pha 7.3 . Điều chế xung:  PAM (Pulse-amplitude modulation) - Điều chế biên độ xung  PCM (Pulse-code modulation) - Điều chế mã xung  PWM (Pulse-width modulation) - Điều chế độ rộng xung  PPM (Pulse-position modulation) - Điều chế vị trí xung 8. Phạm vi hoạt động và ứng dụng của điều khiển từ xa :  Công nghiệp: được sử dụng cho các trạm kiểm soát, lưu trữ các trạm bơm điện. Đo mức độ phóng xạ hạt nhân đảm bảo an toàn cho con người.  Quân đội: kích nổ bom, điều khiển các máy bay không người lái và các thiết bị, vũ khí quân sự, làm nhiễu và phá nhiễu hệ thống thông tin quân sự.  Vũ trụ: điều khiển vệ tinh trên quỹ đạo và các máy tham dò không gian.  Thiết bị gia dụng: điều khiển tivi, đầu đĩa, máy lạnh, quạt, thiết bị chiếu sáng…. Điều khiển máy vi tính và thiết bị tin học.  Trò chơi giải trí: thiết bị điện tử, xe và máy bay điều khiển, robot…  An ninh và phƣơng tiện vận tải: chống trộm xe, khóa cửa cuốn, điều khiển xe hơi từ xa. CHƢƠNG II ĐIỀU KHIỂN TỪ XA DÙNG TIA HỒNG NGOẠI (IR) 1. Tìm hiểu về hồng ngoại: 1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại: Ánh sáng hồng ngoại là bức xạ điện từ với bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng nhìn thấy nhưng ngắn hơn bước sóng của tia bức xa viba. Ánh sáng hồng ngoại không thể nhìn được bằng mắt thường. Tia hồng ngoại có thể được phân chia thành ba vùng theo bước sóng, trong khoảng từ 700 nm tới 1 mm. Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém, chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp và phải đúng hướng. 1.2 . Nguồn phát hồng ngoại: Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều phát ra tia hồng ngoại. Các nguồn sáng nhân tạo cũng phát ra hồng ngoại gồm có Diode, laser, đèn huỳnh quang, phototransistor… Ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED của Xbox 360 điều khiển từ xa 1.3 . Tính chất của hồng ngoại:  Tác dụng nhiệt  Có thể gây ra hiện tượng quang điện trong ở chất bán dẫn  Có thể tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt 1.4 . Ứng dụng của hồng ngoại:  Đo nhiệt độ  Phát nhiệt  Truyền thông  Nhìn ban đêm 2. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại: 2.1 . Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại: 2.1.1 Máy phát: Máy phát có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hóa và phát tín hiệu đến máy thu, lệnh truyền đi đã được điều chế. 2.1 – Sơ đồ khối máy phát  Khối phát lệnh điều khiển: có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển từ nút nhấn. Khi một phím được ấn tức là một lệnh đã được tạo ra. Các nút ấn này có thể là một nút (ở mạch điều khiển đơn giản) hay ma trận nút (ở mạch điều khiển chức năng). Lệnh điều khiển được đưa đến bộ mã hóa dưới dạng các bit nhị phân tương ứng với từng phím điều khiển.  Khối mã hóa: để truyền các tín hiệu khác nhau đến máy thu mà chúng không lẫn lộn nhau, ta phải tiến hành mã hóa các tín hiệu. Khối mã hóa có nhiệm vụ biến đổi các lệnh điều khiển thành các bit nhị phân. Trong kỹ thuật điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại, phương pháp điều chế mã xung thường được sử dụng nhiều hơn ca, vì phương pháp này tương đối đơn giản và dễ thực hiện.  Khối dao động tạo sóng mang: có nhiệm vụ tạo ra sóng mang có tần số ổn định, sóng mang này sẽ mang tín hiệu điều khiển khi truyền ra môi trường.  Khối điều chế: có nhiệm vụ kết hợp tín hiệu điều khiển đã mã hóa và sóng mang để đưa đến khối khuếch đại.  Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu đủ lớn để LED phát hồng ngoại phát tín hiệu ra môi trường.  LED phát: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng hồng ngoại phát ra môi trường. 2.1.2 Máy thu: chức năng của máy thu là thu tín hiệu điều khiển từ máy phát, loại bỏ sóng mang, giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh riêng biệt, từ đó mỗi lệnh sẽ đưa đến khối chấp hành cụ thể. 2.2 – Sơ đồ khối máy thu  LED thu: thu tín hiệu hồng ngoại do máy phát truyền tới và biến đổi thành tín hiệu điều khiển.  Khối khuếch đại: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển lớn lên.  Khối tách sóng mang: có chức năng triệt tiêu sóng mang, chỉ giữ lại tín hiệu điều khiển như tín hiệu gửi đi từ máy phát.  Khối giải mã: nhiệm vụ của khối này là giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh điều khiển dướng dạng các bit nhị phân hay các dạng khác để đưa đến khối chấp hành.  Khối chốt: có nhiệm vụ giữ nguyên trạng thái tác động khi tín hiệu điều khiển không còn, điều này có nghĩa là khí phát lệnh điều khiển ta chỉ tác động vào phím ấn 1 lần, trạng thái mạch chỉ thay đổi khi ta tác động vào nút khác thực hiện lệnh điều khiển khác.  Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu đủ lớn để tác động được vào mạch chấp hành.  Khối chấp hành: có thể là một role hay một linh kiện điều khiển nào đó, đây là khối cuối cùng tác động trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển mong muốn. 2.2 . Nguyên lý hoạt động của điều khiển từ xa:  Nguyên lý cơ bản của loại điều khiển từ xa này là sử dụng ánh sáng hồng ngoại của quang phổ điện từ mà mắt thường không thấy được để chuyển tín hiệu đến thiết bị cần điều khiển. Nó đóng vai trò như một bộ phát tín hiệu, sẽ phát ra các xung ánh sáng hồng ngoại mang một mã số nhị phân cụ thể. Khi ta ấn một nút phía bên ngoài thì sẽ vận hành một chuỗi các hoạt động khiến các thiết bị cần điều khiển sẽ thực hiện lệnh của nút bấm đó.  Quy trình này cụ thể như sau: Đầu tiên, khi ta nhấn vào một nút như “Chuyển kênh” chẳng hạn, nó sẽ chạm vào núm tiếp điểm bên dưới và nối kín một mạch tăng âm lượng trên bản mạch. Các mạch tích hợp có thể tự dò tìm ra từng mạch cụ thể cho từng nút bấm. Tiếp đó các mạch này sẽ gửi tín hiệu đến đèn LED nằm phía trước. Từ đây, đèn LED sẽ phát ra một chuỗi các xung ánh sáng chứa các mã nhị phân (gồm những dãy số 1 và 0) tương ứng với lệnh “chuyển kênh”. Mã lệnh này gồm nhiều mã con như khởi động, tăng âm lượng, mã địa chỉ thiết bị và ngừng lại khi ta thả nút ra.  Về phía bộ phận cần điều khiển, nó sẽ gồm một bộ thu tín hiệu hồng ngoại nằm ở mặt trước để có thể dễ dàng nhận được tín hiệu từ điều khiển từ xa. Sau khi đã xác minh mã địa chỉ này xuất phát đúng từ chiếc điều khiển của mình, chúng sẽ giải mã các xung ánh sáng thành các dữ liệu nhị phân để bộ vi xử lý của thiết bị có thể hiểu được và thực hiện các lệnh tương ứng.  Tần số làm việc tốt nhất từ 30KHz đến 60Khz, nhưng thường sử dụng nhiều nhất là 36Khz. 2.3 . Ƣu điểm, khuyết điểm và cách khắc phục: 2.3.1 Ưu điểm:  Led nhỏ gọn, dễ thiết kế lắp đặt, có độ tin cậy cao.  Điều khiển được nhiều thiết bị.  Chí phí ko cao, tiện dụng 2.3.2 Khuyết điểm và cách khắc phục:  Phạm vi ngắn , tầm xa hoạt động khoảng 10m.  Chỉ truyền thẳng mà không thể xuyên qua vật cản.  Ảnh hưởng của nhiều nguồn nhiễu hồng ngoại như ánh sáng mặt trời, đèn huỳnh quang và bức xạ của con người.  Khắc phục bằng cách sử dụng bộ lọc hoặc phát trên những tần số riêng biệt. 2.4 . Ứng dụng của điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại: Hiện nay, ta sử dụng thiết bị điều khiển IR cho hầu hết các vật dụng trong nhà như tivi, máy stereo, điều hòa nhiệt độ…. CHƢƠNG III ĐIỀU KHIỂN TỪ XA SỬ DỤNG SÓNG VÔ TUYẾN (RF) 1. Tìm hiểu về sóng vô tuyến: 1.1. Khái niệm sóng vô tuyến: là một loại bức xạ điện từ với bước sóng trong quang phổ điện từ cao hơn so với ánh sáng hồng ngoại. Sóng vô tuyến có tần số từ 300 GHz đến thấp là 3 Hz, và các bước sóng tương ứng từ 1mm đến 100km. 1.2. Sự hình thành sóng vô tuyến:  Macxoen kết luận không thể có một điện trường hoặc một từ trường hoạt động độc lập riêng lẽ với nhau. Điện trường và từ trường gọi chung đó là điện từ trường. Điện từ trường do một điện tích điểm dao động theo phương thẳng đứng tại O sinh ra sẽ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng. Sóng đó người ta gọi đó là sóng điện từ.  Hecxo là người đầu tiên phát được sóng điện từ bằng cách tạo ra những xung điện biến thiên rất nhanh giữa hai điểm nối với hai bản của một tụ điện cao thế. Tính chất sóng điện từ có những tính chất như là sóng cơ học. Chúng phản xạ được trên những mặt kim loại và thoa được với nhau…. Vận tốc truyền của sóng điện từ là 300.000km/s. 1.3. Hoạt động của sóng vô tuyến:  Sóng âm đập vào màng rung của Micro . Màng rung dao động với tần số f’ và làm phát sinh ra một dao động điện cũng với tần số f’ trong mạch điện của Micro. Dao động đó được đưa đến bộ khuếch đại âm tần khi ra khỏi bộ khuếch đại. sau đó được đưa vào bộ biến điệu. Đồng thời một máy phát dao động điện cao tần( máy phát điện dùng trandito) phát ra một dao động điện. Dao động đó cũng được đưa đến bộ biến điệu. Dao động đã được biến điệu được đưa qua bộ khuếch đại cao tần rồi đến angten và angten phát ra một loại sóng điện từ có tần số sóng là f và có biên độ sóng dao động với tần số f. Sóng cao tần đó gọi là sóng mang, tần số f của nó gọi là tần số mang, nó mang biên độ của tần số f’ do micro gởi vào.  Trong một phiên truyền thông , vì tận cùng bản chất của dữ liệu là bao gồm các bit 0 và 1 bên phát dữ liệu cần phải có một cách thức để gửi các bit 0 và 1 cho bên nhận. Một tín hiệu điện xoay chiều hay một chiều sẽ không thực hiện được tác vụ này lúc đó nó cần phải truyền đi và nó sẽ gửi và nhận thành công dựa vào chính sự thay đổi của tín hiệu điện. Dạng tín hiệu điện được điều chế và mang đi này người ta gọi nó là sóng mang( Carrier Signal).  Để thu được thông tin chính xác đã được gửi đi, bên phía thu sẽ có đầy đủ các công việc như bên phát nhưng ngược lại về nguyên lý. 1.4. Tần số và ứng dụng của sóng vô tuyến: Tần số Bước sóng Tên gọi Viết tắt Công dụng 30 - 300 Hz 104km- 103km Tần số cực kỳ thấp ELF chứa tần số điện mạng xoay chiều, các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp. 300 - 3000 Hz 103km- 100km Tần số thoại VF chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn. 3 - 30 kHz 100km- 10km Tần số rất thấp VLF chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói. Dùng cho hệ thống an ninh, quân sự, chuyên dụng, thông tin dưới nước (tàu ngầm). 30 - 300 kHz 10km-1km Tần số thấp LF dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. 300 kHz - 3 MHz 1km-100m Tần số trung bình MF dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 - 1605 kHz). Cũng được dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không. 3 - 30 MHz 100m-10m Tần số cao HF dùng trong thông tin vô tuyến 2 chiều với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá... 30 - 300 MHz 10m-1m Tần số rất cao VHF dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108