Đồ án Thiết kế và thi công mạch điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Thành Phố Hồ Chí Minh, Ngày 31 Tháng 12 Năm 2011 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……. 000 …… ..................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... Tp.HCM, Ngày 31 Tháng 12 Năm 2011 Giáo Viên Hướng Dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……. 000 …… ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................................................................... Tp.HCM, Ngày 31 Tháng 12 Năm 2011 Giáo Viên Phản Biện LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện đồ án “ Mạch Điều Khiển Thiết Bị Từ Xa Bằng Hồng Ngoại ”, chúng em đã nhận được rất nhiều ý kiến đóng góp cũng như sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của quý thầy cô và các bạn cùng lớp. Chúng em xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.Hồ Chí Minh, cùng các thầy cô Khoa Công Nghệ Cơ - Điện Tử, đặc biệt là thầy Phạm Hùng Kim Khánh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp chúng em hoàn thành xong đồ án này. Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không thể tránh khỏi những sai xót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và có những góp ý để chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình được tốt hơn nữa. Chúng em xin chân thành cảm ơn. LỜI MỞ ĐẦU Với tốc độ phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp hiện đại như công nghệ thông tin, công nghệ truyền thông, cơ khí, động lực trong thời gian qua không thể tách rời với ngành điện tử. Ngành điện tử đóng vai trò rất quan trọng, nó đã xâm nhập vào cuộc sống con người khá sớm từ những thiết bị đơn giản như đèn chiếu sáng, radio,…, đến những máy móc phức tạp và ứng dụng công nghệ cao như hệ thống camera, robot…tất cả điều được ứng dụng rộng rãi và góp phần hiệu quả vào công việc giải phóng sức lao động của con người đưa con người hướng tới một thế giới công nghệ mới ngày càng hiên đại và tinh vi hơn. Trong sinh hoạt hằng ngày của con người như những trò chơi giải trí (robot, xe điều khiển từ xa…) cho đến những ứng dụng gần gủi với chúng ta cũng được cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất. Điều khiển từ xa đã thâm nhập vào vấn đề này do đó cho ra đời những loại tivi điều khiển từ xa, đầu video, VCD, CD,… đến quạt bàn tất cả điều khiển từ xa. Điều khiển từ xa là việc điều khiển mô hình, thiết bị ở một khoảng cách nào đó mà người không nhất thiết phải đến nơi đặt hệ thống. Thế giới ngày càng phát triển việc ứng dụng các thiết bị điều khiển tự động ngày càng được con người sử dụng trong đó có quá trình thu phát bằng hồng ngoại nó có độ chính xác và nhanh chóng trong quá trình điều khiển từ xa. Xuất phát từ những ý tưởng trên nên chúng em đã chọn đề tài mạch điều khiển thiết bị từ xa bằng hồng ngoại. Trong thời gian ngắn với kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên quyển đồ án chưa được hoàn thiện cho lắm và còn nhiều thiếu sót. Kính mong sự chỉ dẫn và góp ý của tất cả thầy cô cùng tất cả các bạn . MỤC LỤC Lời mở đầu Chương I : Lý Thuyết Tổng Quan 1 Một số khái niệm liên quan .........................................................................1 1.1 Tia hồng ngoại (Ánh sáng hồng ngoại) .................................................. 1 1.2 Hệ thống điều khiển từ xa ...................................................................... 1 1.2.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống điều khiển từ xa .......................... 1 1.2.2 Kết cấu tin tức .............................................................................. 2 1.2.3 Kết cấu hệ thống ........................................................................... 2 1.2.4 Các phương pháp mã hóa trong hệ thống điều khiển từ xa .......... 3 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại .................. 4 1.3.1 Sơ đồ khối máy phát ..................................................................... 4 1.3.2 Sơ đồ khối máy thu ...................................................................... 5 2 Giới thiệu linh kiện điển hình trong mạch .................................................... 6 2.1 Mạch phát ............................................................................................... 6 2.1.1 IC BL9148 .................................................................................... 6 2.1.2 Led phát hồng ngoại ..................................................................... 8 2.2 Mạch thu ................................................................................................. 9 2.2.1 IC BL9149 .................................................................................... 9 2.2.2 Bộ thu hồng ngoại ........................................................................ 11 2.2.3 IC HEF4013 ................................................................................. 11 2.2.4 IC KA7805 ................................................................................... 12 2.2.5 Relay ............................................................................................. 14 2.2.6 Transistor C1815 .......................................................................... 15 Chương II : Thi Công Mô Hình 1 Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................16 1.1 Mạch phát .............................................................................................. 16 1.2 Mạch thu ................................................................................................. 17 2 Giải thích sơ đồ nguyên lý ............................................................................ 17 2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch phát ...................................................... 17 2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch thu ........................................................ 19 3 Sơ đồ mạch in................................................................................................ 22 3.1 Mạch phát ............................................................................................... 21 3.2 Mạch thu ................................................................................................. 21 4 Kết quả đo được ............................................................................................ 22 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM LIÊN QUAN 1.1 Tia hồng ngoại (ánh sáng hồng ngoại) Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 400.000nm đến 760.000nm, dài hơn bước sóng ánh sáng khả kiến nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Tên “hồng ngoại” có nghĩa là “dưới mức đỏ”, màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường. Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều phát ra tia hồng ngoại. Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như ánh sáng ( sự hội tụ qua thấu kính, tiêu cự… ). Ánh sáng thường và ánh sáng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sư xuyên suốt qua vật chất. Có những vật chất ta thấy nó một màu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt. Vì vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài. Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu. Nó ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. lượng thông tin có thể đạt được 3Mbit/s. Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà ta vẫn dùng. Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại giữa chừng, người ta có thể truyền một lúc 15000 điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua một sợi tơ quang với đường kín 0,13 mm với khoảng cách 10 Km đến 20 Km. Lượng thông tin truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà ta vẫn dùng. Tia hồng ngoại dễ hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều khiển từ xa chùm hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó khi thu phải đúng hướng. 1.2 Hệ thống điều khiền từ xa 1.2.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống diều khiển từ xa Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị từ một khoảng cách xa. Ví dụ hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều khiển từ xa bằng cáp quang dây dẫn, hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại. Do đó chúng có những nhiệm vụ cơ bản sau: - Phát tín hiệu điều khiển. - Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết. - Tổ hợp xung thành mã. - Phát các tổ hợp mã đến điểm chấp hành. - Ở điểm chấp hành ( thiết bị thu ) sau khi nhận được mã phải biến đổi các mã nhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị, đồng thời kiểm tra sự chính xác của mã mới nhận. 1.2.2 Kết cấu tin tức Trong hệ thống điều khiển từ xa độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ rất nhiều đến kết cấu tin tức. Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần: về lượng và về chất.Về lượng có các biến lượng điều khiển và lượng điều khiển thành từng loại xung gì cho phù hợp, và những xung đó cần áp dụng phương pháp nào để hợp thành tin tức, để có dung lượng lớn nhất và có tốc đô truyền dẫn nhanh nhất. Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêu cầu sau: - Tốc độ làm việc nhanh. - Thiết bị phải an toàn tin cậy. - Kết cấu phải đơn giản. Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực đại đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép. 1.2.3 Kết cấu hệ thống Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên chúng ta cần phải nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và nhanh chóng. Đây là sơ đồ kết cấu hệ thống: Sơ đồ kết cấu hệ thống - Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức tín hiệu và phát đi. - Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu. - Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biến đổi, biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành. 1.2.4 Các phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc truyền thông tin liên tục nhưng đã được rời rạc hóa tin tức thường được biến đổi thông qua một phép biến đổi thành số ( thường là số nhị phân ) rồi mã hóa và được phát đi tứ máy phát. Ở máy thu, tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép đổi trên: giải mã, liên tục hóa… Sự mã hóa tín hiệu điều khiển nhằm tăng tính hữu hiệu và độ tin cậy của hệ thống điều khiển từ xa, nghĩa là tăng tốc độ truyền và khả năng chống nhiễu. Trong điều khiển từ xa ta thường dùng mã nhị phân tưng ứng với hệ, gồm có hai phần tử [0] và [1]. Do yêu cầu về độ chính xác cao trong các tín hiệu điều khiển được truyền đi để chống nhiễu ta dùng loại mã phát hiện và sửa sai. Mã phát hiện và sửa sai thuộc loại mã đồng đều bao gồm các loại mã: mã phát hiện sai, mã sửa sai, mã phát hiện và sửa sai. Dạng sai nhầm của các mã được truyền đi tùy thuộc tính chất của kênh truyền, chúng có thể phân thành 2 loại: ¥ Sai độc lập: trong quá trình truyền, do nhiều tác động, một hoặc nhiều ký hiệu trong các tổ hợp mã có thể bị sai nhầm, nhưng những sai nhầm đó không liên quan nhau. ¥ Sai tương quan: được gây ra bởi nhiều nhiễu tương quan, chúng hay xảy ra trong từng chùm, cụm ký hiệu kế cận nhau. Sự lựa chọn của cấu trúc mã chống nhiễu phải dựa trên tính chất phân bố xác suất sai nhầm trong kênh truyền. Hiện nay lý thuyết mã hóa phát triển rất nhanh, nhiều loại mã phát hiện và sủa sai được nghiên cứu như: mã hamming, mã chu kỳ, mã nhiều cấp. 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại 1.3.1 Sơ đồ khối máy phát Sơ đồ khối 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. ¥ Khối phát lệnh điều khiển: khối này có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển từ nút nhấn (phím điều khiển). Các nút nhấn này có thể là một nút (ở mạch điều khiển đơn giản), hay một ma trận nút (ở mạch điều khiển chức năng). Ma trận được phím bố trí theo cột và hàng. Khi người sử dụng bấm vào các phím chức năng để phát lệnh yêu cầu của mình, mỗi phím chức năng tương ứng với một số thập phân. ¥ 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 (lệnh điều khiển). Khối mã hóa này có nhiệm vụ chuyển đổi các lệnh điều khiển thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng mã lệnh tín hiệu số gồm các bit 0 và 1. Số bit trong mã lệnh nhị phân có thể là 4 bit hay 8 bit… tùy theo số lượng phím chức năng nhiều hay ít. Hiện tượng biến đổi này gọi là mã hóa. Có nhiều phương pháp mã hóa khác nhau: điều chế biên độ xung (PAM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vị trí xung (PPM), điều chế mã xung (PCM). Trong kỹ thuật điều khiển từ xa bằng hồng ngoại, phương pháp điều chế mã xung thường được sử dụng nhiều hơn cả, vì phương pháp này tương đối đơn giản và dễ thực hiện. ¥ Khối dao động tạo sóng mang: khối này có nhiệ vụ tạo ra sóng mang tần số ổn định, sóng mang này sẽ mang tín hiệu điều khiển khi truyền ra môi trường. ¥ Khối điều chế: khối này có nhiệm vụ kết hợp tính hiệu điều khiển đã mã hóa 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: là một Led hồng ngoại, biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu hồng ngoại phát ra môi trường. 1.3.2 Sơ đồ khối máy thu Chức năng của máy thu là thu được 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. 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 từ từ, Led thu hồng ngoại để quá trình xử lý tín hiệu được dễ dàng. ¥ Khối tách sóng mang: khối này 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 dưới dạng các bit nhị phân hay các dạng khác để đưa đến khối chấp hành cụ thể. Do dó nhiệm vụ của khối này rất quan trọng. ¥ Khối chấp hành: có thể là relay 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 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỂN HÌNH TRONG MẠCH 2.1 Mạch phát 2.1.1 IC BL9148 2.1.1.1 Đặc tính Đây là một bộ truyền phát tia hồng ngoại ứng dụng bởi công nghệ CMOS (Compledmentary-Metal-Oxide-Silicon). BL9148 kết hợp với BL9149 tạo ra 10 chức năng, với BL9150 tạo ra 18 chức năng và 75 lệnh có thể phát xạ. Có những đặc tính: - Tiêu thụ công suất thấp. - Vùng điện áp hoạt động: 2.2V-5V. - Sử dụng được nhiều phím. - Ít thành phần ngoài. 2.1.1.2 Sơ đồ và chức năng của từng chân Hình dáng và sơ đồ chân của IC BL9148 ¥ Chân 1: (GND) là chân được nối với cực âm của nguồn điện. ¥ Chân 2 (XT) và 3 ( XT ): hai đầu để nối với thạch anh bên ngoài cho bộ tạo dao động bên trong IC. ¥ Chân 4-9 (K1-K6): là đầu của tín hiệu bàn phím kiểu ma trận, các chân từ K1 đến K6 kết hợp với các chân 10 đến 12 (T1-T3) để tạo thành ma trận 18 phím. ¥ Chân 13 (CODE):là chân mã số dùng để kết hợp với các chân 10-11 để tạo ra tổ hợp mã hệ thống giữa phần phát và phần thu. ¥ Chân 14 (TEST): là chân dùng để kiểm tra mã của phần phát, bình thường khi không sử dụng có thể bỏ trống. ¥ Chân 15 (TXout): là đầu ra của tín hiệu đã được điều chế FM. ¥ Chân 16 (Vcc): là chân cấp nguồn dương. 2.1.1.3 Sơ đồ khối bên trong Bên trong IC BL9148 do bộ dao động, bộ phân tần, bộ giãi mã, mạch đầu vào của bàn phím, bộ phát mã số… tạo thành. Sơ đồ khối bên trong của IC BL9148 ¥ Bộ tạo dao động và bộ phân tần: để có thể phát đi xa, ta cần có một xung có tần số 38 Khz ở nơi nhận nhưng trên thị trường khó tìm được thạch anh đúng tần số nên ta chọn tần số của thạch anh là 455 Khz cho bộ tạo dao động. Sau đó tần số sẽ được đưa qua bộ phân tần để chia nó ra thành 12 lần. ¥ Mạch điện phím vào: có tổng cộng 18 phím được nối tới các chân K1-K6 và mạch hoạt động thời gian T1-T3 (chân 10-12) để tạo ra bàn phím ma trận (6*3). ¥ Mạch phát sinh tín hiệu bit và mạch phát sinh tín hiệu chiông: - Lệnh truyền: gồm một lệnh được tạo bởi 3 bit mã người dùng, 1 bit mã liên tục, 2 bit mã không liên tục và 6 bit mã ngõ vào. - Vậy nó có 12 bit mã. Trong đó, 3 bit mã được dùng như sau: dữ liệu của 3 bit mã T1, T2, T3 sẽ là “1” nếu một diode được nối giữa chân CODE và chân Tn (n= 1-3) và là “0” khi không nối diode. Vì IC thu BL9149 chỉ có 2 bit mã (CODE 2, CODE 3) nên chân T1 (chân 10) sẽ luôn ở mức “1”. 2.1.2 Led phát hồng ngoại Led phát hồng ngoại được viết tắt là IR Red (Infra Red Led), hay còn gọi là nguồn phát tia hồng ngoại (Infra Red Emitters), giống như led bình thường (led phát quang- light emitting diode) và phát ra ánh sáng hồng ngoại. Nó được chế tạo bằng chất Arsenic-Galium (GaAs). Led hồng ngoại có đời sống khoảng 100.000 giờ (khoàng 11 năm), với các đặc trưng kỹ thuật như: - Điện áp thuận:Vf = 1,1 V ÷ 5V - Dòng điện thuận: If = vài chục mA ÷ vài trăm mA - Công suất cực đại: PMax = vài trăm mW Ký hiệu và hình dáng của led phát hồng ngoại Nguyên lý làm việc: để có ánh sáng phát ra liên tục, người ta phân cực thuận led hồng ngoại. tùy theo vật liệu cấu tạo, điện thế thêm của led thay đổi từ 1 đến 2.5V và dòng điện qua nó tôi đa khoảng vài mA. Khi chuyển tiếp P-N phân cực thường có hiện tượng phun hạt dẫn ở mức cao (lỗ trống P++ phun sang N++, điện t