Luận văn Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng vi xử lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ THỐNG BÁO TRỘM BẰNG HỒNG NGOẠI DÙNG VI XỬ LÝ SVTH: MSSV: CBHD: Th.S HỒ TRUNG MỸ BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ TP Hồ Chí Minh, 06/2007 Bản quyền thuộc về Goccay.vn i LỜI CẢM ƠN Trong suốt khóa học (2002 - 2007) tại Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, với sự giúp đỡ của qúy thầy cô và giáo viên hướng dẫn về mọi mặt từ nhiều phía và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài đã được hoàn thành đúng thời gian qui định. Em xin chân thành cảm ơn đến : Bộ môn Điện tử cùng tất cả qúy thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học. Đặc biệt, Th.s. Hồ Trung Mỹ – giáo viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình giúp đỡ và cho em những lời chỉ dạy qúy báu, giúp em định hướng tốt trong khi thực hiện luận văn. Tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Tuy nhiên, thời gian làm luận văn có hạn nên quyển luận văn không tránh khỏi những thiếu sót rất mong được sự đóng góp của qúy thầy cô và các bạn. Bản quyền thuộc về Goccay.vn ii TÓM TẮT Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý là một hệ thống khá hoàn chỉnh với các chức năng sau: 1. Phát hiện trộm đột nhập Được thiết kế với 5 cặp thu phát hồng ngoại có các tần số khác nhau. Khi chưa có trộm đột nhập che phần thu phát thì đèn báo dò đúng tần số phát ở phần thu sẽ sáng và cấp tín hiệu mức 1 cho phần vi xử lý thông qua board 4N35 vì điện áp cấp từ phần thu lớn hơn 5V. Khi có trộm đột nhập che khuất một trong các cặp thu phát hoặc che 2 cặp, 3 cặp, 4 cặp, 5 cặp thì led báo phần thu ở các vị trí sẽ tắt và cấp mức điện áp thấp (mức 0) vào vi xử lý thông qua board 4N35. 2. Xử lý xuất tín hiệu báo động và hiển thị vị trí xuất hiện trộm Khi có các tín hiệu từ phần thu tác động vào, các tín hiệu này sẽ lần lượt được đưa vào các chân từ P1.0 – P1.4 của vi điều khiển báo cho vi điều khiển biết là có trộm đột nhập. Lúc này vi điều khiển sẽ ra lệnh cho chân P1.7 lên mức 1 để tác động qua transistor đóng relay báo chuông và đồng thời xuất dữ liệu ra port 0 để hiển thị vị trí có xuất hiện trộm ra LCD và giữ hiển thị vị trí xuất hiện trộm và chuông báo cho đến khi ta tắt hệ thống thì chuông và tín hiệu hiển thị sẽ tắt Khi có trộm che ở cặp thu phát 1 thì LCD hiển thị “Có tín hiệu ở: 1”, nếu che ở cặp thu phát 2 thì LCD hiển thị “Có tín hiệu ở: 2”, nếu che ở cặp thu phát 3 thì LCD hiển thị “Có tín hiệu ở: 3”, nếu che ở cặp thu phát 4 thì LCD hiển thị “Có tín hiệu ở: 4”, nếu che ở cặp thu phát 5 thì LCD hiển thị “Có tín hiệu ở: 5”. Nếu bị che ở 2 vị trí hoặc 3 hoặc 4 hoặc 5 thì LCD lần lượt hiển thị lên màn hình các trị trí bị che. Nếu không bị che thì không có tín hiệu tác động vào và vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu mức 0 cấp cho transistor điều khiển relay tắt và xuất tín hiệu ra LCD: “Không có tín hiệu”. Bản quyền thuộc về Goccay.vn iv MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn......................................................................................................................... i Tóm tắt .............................................................................................................................. ii Mục lục.............................................................................................................................. iii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................................ 1 CHƯƠNG 2: NGUYÊN TẮC IR PHÁT HIỆN VẬT CẢN ....................................... 3 2.1 Nguyên tắc thu phát sóng hồng ngoại ....................................................................... 3 2.1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại ......................................................................... 3 2.1.2 Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của nó ................................................ 3 2.1.3 Nguyên tắc IR phát hiện vật cản................................................................... 5 2.1.4 Ý tưởng bố trí phần thu phát để phát hiện vật cản ...................................... 6 2.2 Khối thu phát tín hiệu hồng ngoại ............................................................................. 7 2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Led hồng ngoại ..................................... 7 2.2.2 Photo diode ..................................................................................................... 7 2.2.2.1 Khái quát................................................................................................... 7 2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 9 2.2.2.3 Chế độ hoạt động ..................................................................................... 11 2.2.2.4 Độ nhạy..................................................................................................... 14 2.3 Khối dao động............................................................................................................. 15 2.3.1 Khối dao động phần phát (IC 555)................................................................ 15 2.3.2 Khối dao động phần thu (IC 567).................................................................. 18 2.4 Khối xử lý.................................................................................................................... 23 2.4.1 Giới thiệu cấu trúc phần cứng 8051 .............................................................. 23 2.4.2 Cấu trúc bên trong 8051................................................................................. 26 2.4.3 Hoạt động thanh ghi Timer............................................................................ 33 2.4.4 Ngắt................................................................................................................. 37 2.5 Màn hình hiển thị LCD............................................................................................... 39 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ...................................................................... 45 3.1 Thiết kế hệ thống thu phát ......................................................................................... 45 3.2 Thiết kế mạch phát..................................................................................................... 46 3.2.1 Thiết kế sơ đồ mạch....................................................................................... 46 3.2.2 Nguyên lý hoạt động...................................................................................... 46 3.2.3 Tính toán và thiết kế ...................................................................................... 48 3.3 Thiết kế mạch thu....................................................................................................... 53 Bản quyền thuộc về Goccay.vn iv 3.3.1 Thiết kế sơ đồ mạch....................................................................................... 53 3.3.2 Nguyên lý hoạt động...................................................................................... 53 3.3.3 Tính toán và thiết kế ...................................................................................... 54 3.4 Thiết kế mạch vi xử lý và hiển thị ............................................................................ 63 3.4.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 63 3.4.2 Nguyên lý hoạt động...................................................................................... 64 3.4.3 Tính toán và thiết kế ...................................................................................... 65 3.5 Thiết kế mạch nguồn.................................................................................................. 67 3.5.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 67 3.5.2 Nguyên lý hoạt động...................................................................................... 67 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM ........................................................................ 68 4.1 Lưu đồ giải thuật......................................................................................................... 68 4.1.1 Giải thuật chương trình chính ........................................................................ 68 4.1.2 Giải thuật chương trình con kiểm tra tín hiệu đầu vào................................. 70 4.1.3 Giải thuật chương trình con delay ................................................................. 71 4.2 Chương trình................................................................................................................ 72 CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ THI CÔNG................................................ 81 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................. 83 6.1 Kết luận....................................................................................................................... 83 6.2 Hướng phát triển đề tài .............................................................................................. 83 Tài liệu tham khảo............................................................................................................ 85 Chương 1: Tổng quan Bản quyền thuộc về Goccay.vn 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Ngày nay, việc phát hiện kẻ trộm đột nhập vào nhà, vào các kho chứa hàng, vào các ngân hàng, những nơi cất những tài sản quí hiếm, những tài liệu mật . . .là rất cần thiết đối với mọi người dân, các cơ quan chức năng, các ngân hàng … Không chỉ các công ty lớn hoặc ngân hàng mới cho lắp đặt mà ngay cả người dân với thu nhập khá cũng bắt đầu để ý đến các loại thiết bị này. Đời sống dân cư ngày một nâng cao, ngoài việc chăm lo đến ăn mặc, phương tiện đi lại, người ta còn đặc biệt quan tâm đến an ninh cho gia đình. Các thiết bị chống trộm vì thế được sử dụng ngày càng rộng rãi. Thông thường khi chúng ta đụng chuyện mới quan tâm đến việc bảo vệ an toàn cho gia đình mình điều đó là quá trể vì vậy việc bảo vệ tài sản và tính mạng của bản thân và gia đình của mình phải là ưu tiên hàng đầu và thường xuyên của mỗi gia đình chúng ta. Ngoài việc thường xuyên phải nêu cao cảnh giác thì việc trang bị cho gia đình những thiết bị chống trộm cũng là một giải phát tốt . Thiết bị chống trộm thông thường gồm : Báo động có dây và không dây tuy nhiên chúng ta nên sử dụng loại không dây vì sẽ tạo mỹ quan cho ngôi nhà của chúng ta hơn. Thiết bị này gồm những bộ phận chính sau: 1- Bộ phát hiện vật cản ( SENSOR) Đây là một thiết bị sử dụng tia hồng ngoại phát hiện trộm đột nhập vào nhà độ xa bảo vệ của nó thường là 3m -6m chúng ta thường sử dụng thiết bị này ở những khu vực như sân thượng, sân vườn, gara, hành lang hoặc những khu vực trống. Khi có người đi vào khu vực này bộ phát hiện vật cản sẽ chuyển tín hiệu về Bộ điều khiển trung tâm và nơi đósẽ phát ra tín hiệu báo động 2- Bộ điều khiển trung tâm : Đây là thiết bị để thu nhận những tín hiệu từ các thiết bị phát hiện vật cản. Báo động cho người nhà biết qua còi hụ và hiển thị vị trí có vật cản xuất hiện để tiện cho việc bắt tên trộm. Chương 1: Tổng quan Bản quyền thuộc về Goccay.vn 2 Xuất phát từ những ý tưởng và tình hình thực tế như trên, nên em chọn đề tài “Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý” cho luận văn tốt nghiệp của mình. Với đề tài “Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý” gồm 6 chương: Chương 1: Tổng quan Giới thiệu về những kỹ thuật và ứng dụng của mạch chống trộm vào cuộc sống, đặc biệt là việc ứng dụng vi xử lý để xử lý các tín hiệu vào. Chương 2: Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Trình bày nguyên tắc thu phát hồng ngoại, nguyên tắc IR phát hiện vật cản, sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống chống trộm Chương 3: Thiết kế phần cứng Trình bày sự thiết kế sơ đồ phần phát, phần thu, phần dò tần, phần xử lý và phần hiển thị từ các phần trên ta kết hợp lại với nhau tạo thành một hệ thống hoạt động hoàn chỉnh để thi công mạch Chương 4: Thiết kế phần mềm Trình bày giải thuật và chương trình xử lý của hệ thống. Chương 5: Phần thi công và kết quả thi công Nêu các bước thi công mạch kết quả của mạch Chương 6: Kết luận và kiến nghị Trình bày những kết luận và kiến nghị liên quan đến đề tài. Mong rằng hệ thống chống trộm bằng hồng ngoại dùng vi xử lý mà em thực hiện sẽ được mở rộng theo nhiều hướng hoàn chỉnh hơn, ứng dụng rộng rãi trong thực tế để ngày càng cải thiện đời sống vật chất , tinh thần và sinh hoạt của con người. Góp phần vào sự phát triển chung của xã hội và đất nước. Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Bản quyền thuộc về Goccay.vn 3 CHƯƠNG 2 NGUYÊN TẮC IR PHÁT HIỆN VẬT CẢN 2.1 NGUYÊN TẮC THU PHÁT SÓNG HỒNG NGOẠI 2.1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại: Aùnh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có bước sóng khoảng 0,8µm đến 0.9µm, tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng. 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… Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại giữa chừng, người ta có thể truyền cùng một lúc 15000 điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua một sợi tơ quang với đường kính 0,13 mm với khoảng cách 10Km đến 20 Km. Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà người ta vẫn dùng. Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều khiển từ xa chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó khi thu phải đúng hướng. 2.1.2 Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của nó: Các nguồn sóng nhân tạo thường chứa nhiều sóng hồng ngoại. Hình dưới cho ta quang phổ của các nguồn phát sáng này. Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Bản quyền thuộc về Goccay.vn 4 IRED : Diode hồng ngoại. LA : Laser bán dẫn . LR : Đèn huỳnh quang. Q : Đèn thủy tinh. W : Bóng đèn điện với dây tiêm wolfram. PT : Phototransistor. Phổ của mắt người và phototransistor(PT) cũng được trình bày để so sánh. Đèn thủy ngân gần như không phát tia hồng ngoại. Phổ của đèn huỳnh quang bao gồm các đặc tính của các loại khác. Phổ của phototransistor khá rộng. Nó không nhạy trong vùng ánh sánh thấy được, nhưng nó cực đại ở đỉnh phổ của LED hồng ngoại. Sóng hồng ngoại có những đặc tính quang học giống như ánh sánh (sự hội tụ qua thấu kính, tiêu cực…). Ánh sáng và sóng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất. Có những vật mắt ta thấy “phản chiếu sáng” nhưng đối với tia hồng ngoại nó là những vật “phản chiếu tối”. Có những vật ta thấy nó dưới một màu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên trong suốt. Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn so với LED cho màu xanh lá cây, màu đỏ… Vì rằng, vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu đi khi nó phải vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài. Không như ánh sáng, hồng ngoại không bị khói, bụi làm suy giảm công suất. Hình 2.1 Quang phổ của các nguồn sáng Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Bản quyền thuộc về Goccay.vn 5 Đời sống của LED hồng ngoại dài đến 100.000 giờ (hơn 11 năm!), LED hồng ngoại không phát sáng cho lợi điểm trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý. 2.1.3 Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Để phát hiện có người đi qua thì cảm biến phải có phần phát và phần thu. Phần phát phát ra ánh sáng hồng ngoại và phần thu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại vì ánh sáng hồng ngoại có đặc điểm là ít bị nhiễu so với các loại ánh sáng khác. Hai phần phát và thu hoạt động với cùng tần số. Khi có người đi qua giữa phần phát và phần thu, ánh sáng hồng ngoại bị che phần thu sẽ không nhận được tín hiệu từ phần phát như thế tạo ra một tín hiệu tác động tới bộ phận xử lý. Vậy phần phát và phần thu phải có nguồn tạo dao động. Phần dao động tác động tới công tắc đóng ngắt của nguồn phát và nguồn thu ánh sáng. Có nhiều linh kiện phát và thu ánh sáng hồng ngoại nhưng em chọn led hồng ngoại và photodiode là linh kiện phát và thu vì photodiode là linh kiện rất nhạy với ánh sáng hồng ngoại. Bộ phận tạo dao động có thể dùng mạch LC, cổng logic, hoặc IC dao động. Với việc sử dụng IC chuyên dùng tạo dao động, bộ tạo dao động sẽ trở nên đơn giản hơn với tần số phát và thu Vì tín hiệu ở ngõ ra photodiode rất nhỏ nên cần có mạch khuyếch đại trước khi đưa đến bộ tạo dao động. Em dùng Transistor để khuếch đại tín hiệu lên đủ lớn. Vậy sơ đồ khối của phần phát và phần thu là: KHỐI DAO ĐỘNG KHUẾCH ĐẠI Hình 2.2 Sơ đồ khối phần phát và phần thu KHỐI DAO ĐỘNG KHUYẾCH ĐẠI PHOTODIODE KHỐI XỬ LÝ HIỂN THỊ Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Bản quyền thuộc về Goccay.vn 6 2.1.4 Ý tưởng bố trí phần thu phát để phát hiện vật cản 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 HỆ THỐNG PHẦN PHÁT HỆ THỐNG PHẦN THU Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Bản quyền thuộc về Goccay.vn 7 2.2 KHỐI THU PHÁT TÍN HIỆU HỒNG NGOẠI 2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của led hồng ngoại: Led được cấu tạo từ GaAs với vùng cấm có độ rộng là 1.43eV tương ứng bức xạ 900nm. Ngoài ra khi pha tạp Si với nguyên vật liệu GaAlAs, độ rộng vùng cấm có thể thay đổi. Với cách này, người ta có thể tạo ra dải sóng giữa 800 - 900nm và do đó tạo ra sự điều hưởng sao cho led hồng ngoại phát ra bước sóng thích hợp nhất cho điểm cực đại của độ nhạy các bộ thu. Hoạt động: khi mối nối p - n được phân cực thuận thì dòng điện qua nối lớn vì sự dẫn điện là do hạt tải đa số, còn khi mối nối được phân cực nghịch thì chỉ có dòng rỉ do sự di chuyển