Luận văn Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điểu khiển từ xa bằng Atmega32

- i - NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: Hà Văn Tú Lớp : 48CKCD Chuyên ngành : Công nghệ Cơ – Điện Tử Mssv: 48132366 Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa Số trang: 70 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 5 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD và mô hình đèn trang trí điều khiển từ xa. NHẬN XÉT ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Kết luận………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………. Nha Trang, ngày… tháng … năm… Cán bộ hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) - ii - PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI Họ và tên sinh viên: Hà Văn Tú Lớp : 48CKCD Chuyên ngành : Công nghệ Cơ – Điện Tử Mssv: 48132366 Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa Số trang: 70 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 5 Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD và mô hình đèn trang trí điều khiển từ xa NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Kết luận ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Điểm phản biện Bằng số Bằng chữ Điểm chung Bằng số Bằng chữ Nha Trang, ngày … tháng … năm … CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) Nha Trang, ngày … tháng … năm … CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký và ghi rõ họ tên) - iii - LỜI CẢM ƠN ˜&™ Sau một khoảng thời gian với sự cố gắng của bản thân và được sự giúp đỡ của mọi người, đồ án tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa” của em đã được hoàn thành đúng thời gian quy định. Em xin gửi đến các thầy hướng dẫn cùng toàn thể các quý thầy trong bộ môn Cơ – Điện tử lời cảm ơn với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc đã hết lòng chỉ bảo và truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quý báu, làm cơ sở để em thực hiện tốt đề tài này và đã tạo điều kiện thuận lợi để cho em hoàn tất khóa học. Nhân dịp này, em cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè những người đã hết lòng giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua, để em hoàn thành Đồ án Tốt nghiệp. Nha Trang, năm 2010 - iv - MỤC LỤC Trang Nhận xét của cán bộ hướng dẫn ................................................................................i Phiếu đánh giá chất lượng đề tài ..............................................................................ii Lời cảm ơn .............................................................................................................iii Mục lục ............................................................................................................................ iv Danh sách các hình................................................................................................vii LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ..............2 1.1. Hệ thống điều khiển từ xa .............................................................................3 1.1.1. Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa ............................4 1.1.1.1. Kết cấu tin tức ..................................................................................4 1.1.1.2. Về kết cấu hệ thống..........................................................................4 1.1.1.3. Các phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa ..............................4 1.1.2 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển từ xa..........................................5 1.2. Tia hồng ngoại ..............................................................................................7 1.2.1. Lược sử phát triển tia hồng ngoại............................................................7 1.2.2. Khái niệm về tia hồng ngoại ...................................................................8 1.2.3. Ứng dụng tia hồng ngoại ........................................................................9 1.3. Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại ...............................................................10 1.3.1. Máy phát hồng ngoại ............................................................................10 1.3.2. Nguồn phát và bức xạ hồng ngoại .........................................................12 1.3.3. Lý thuyết mã hóa và điều chế tín hiệu hồng ngoại ...............................13 1.3.3.1. Amplitude Modulation, On-Off Keying, OOK: ..............................13 1.3.3.2. FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation ...................14 1.3.3.3. Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band (Điều biến xung, dải tần số cơ bản)........................................................................................................15 1.3.4. Một số mã IR thường dùng ...................................................................15 1.3.4.1. Pulse Distance Protocol (Định ước độ rộng xung) ..........................15 - v - 1.3.4.2. Pulse Width Protocol (Định ước bề rộng xung) ..............................16 1.3.4.3. Manchester Protocol (RC5): Định ước Manchester ........................17 1.3.4.4. Flash Protocol (Định ước Flash)....................................................18 1 3.5. Một số giải thuật giải mã bức xạ IR ......................................................20 1.3.5.1. Giải thuật giải mã Manchester Protocol (RC5): .............................20 1.3.5.2. Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC).............................21 1.4. Giới thiệu một số linh kiện thu hồng ngoại ..................................................21 1.4.1. Điện trở quang ......................................................................................21 1.4.2 Điôt quang.............................................................................................23 1.4.2.1 Điôt quang loại tiếp xúc P-N ...........................................................24 1.2.4.2 Điôt quang PIN ...............................................................................25 1.2.4.3 Điôt quang thác (APD)....................................................................26 1.2.5. Quang transistor(Photo Transistor) ......................................................27 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..........................29 2.1. Sơ đồ tổng quát của hệ thống ......................................................................30 2.1.1. Bộ phát hồng ngoại ...............................................................................30 2.1.2. Bộ thu hồng ngoại ................................................................................33 2.2.3. Bộ điều khiển trung tâm........................................................................36 2.2.3.1. Giới thiệu .......................................................................................36 2.2.3.2. Công cụ..........................................................................................38 2.2.3.3. Vi điều khiển ATmega 32 ..............................................................43 2.2.4. Thiết bị đóng ngắt điện .........................................................................47 2.2. Thiết kế và thi công phần cứng....................................................................51 2.2.1. Thiết kế và thi công cơ khí....................................................................51 2.2.1.1. Yêu cầu thiết kế .............................................................................51 2.2.1.2. Các phơng án thiết kế.....................................................................52 2.2.2. Thiết kế và thi công mạch điện .............................................................56 2.2.2.1. Mạch nguyên lý..............................................................................56 2.2.2.2. Mạch in ..........................................................................................59 - vi - 2.2.3. Mô hình sản phẩm hoàn thiện ...............................................................60 2.3. Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển ..............................................62 CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ...................................74 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..............................................................76 4.1. Kết luận ......................................................................................................77 4.2. Đề xuất .......................................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................78 - vii - DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống điều khiển từ xa ...........................................3 Hình 1.2: Các thành phần chính của mạch phát .......................................................5 Hình 1.3: Các thành phần chính của mạch thu .........................................................6 Hình 1.4: Dải sóng hồng ngoại ................................................................................8 Hình 1.5: Bức sóng tia hồng ngoại...........................................................................9 Hình 1.6: Ảnh chụp bằng hồng ngoại ....................................................................10 Hình 1.7: Cấu tạo của một máy phát hồng ngoại....................................................10 Hinh 1.8: Quang phổ của các nguồn sáng ..............................................................12 Hình 1.9: Sơ đồ phát và thu hồng ngoại của thiết bị LED hồng ngoại và Photodiode ............................................................................................................12 Hình 1.10: Mã hóa khoảng cách xung....................................................................13 Hình 1.11: Mã hóa bề rộng xung ...........................................................................14 Hình 1.12: Mã hóa vị trí xung................................................................................14 Hình 1.13: Mã hóa Manchester..............................................................................14 Hình 1.14: FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation .........................14 Hình 1.15: Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band..................................................15 Hình 1.16: Pulse Distance Protocol, Bit Encoding .................................................15 Hình 1.17: Pulse Distance Protocol, Data Frame Structure ....................................16 Hình 1.18: Pulse Distance Protocol, Repeat Frame Structure .................................16 Hình 1.19: Pulse Distance Protocol, Full Sequence Structure ................................16 Hình 1.20: Pulse Width Protocol, Bit Encoding.....................................................17 Hình 1.21: Pulse Width Protocol, Data Frame Structure ........................................17 Hình 1.22: Pulse Width Protocol, Full Sequence Structure ....................................17 Hình 1.23: Định ước RC5, ma bit ..........................................................................18 Hình 1.24: Định ước RC5, cấu trúc Frame dữ liệu .................................................18 Hình 1.25: Định ước RC5, cấu trúc dãy đầy đủ......................................................18 Hình 1.26: Flash Protocol, Bit Encoding................................................................19 - viii - Hình 1.27: Flash Protocol, Data Frame Structure...................................................19 Hình 1.28: Flash Protocol, Full Sequence Structure...............................................19 Hình 1.29: Giải thuật giải mã Manchester Protocol (RC5).....................................20 Hình 1.30: Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC) ..................................21 Hình 1.31: a- Cấu tạo của điện trở quang...............................................................22 b- Ký hiệu của điện trở quang trong sơ đồ mạch ..................................22 Hình 1.32: Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở. ......................22 Hình 1.33: Ký hiệu của điôt quang ........................................................................23 Hình 1.34: a- Cấu tạo của điôt quang loại tiếp xúc P-N..........................................24 b- phân bố dải năng lượng của tiếp xúc P-N(b) ....................................24 Hình 1.35: Sơ đồ nguyên lý đấu nối điốt quang .....................................................24 Hình 1.36: Đặc tuyến của quang diode. .................................................................25 Hình 1.37: Cấu tạo của APD và phân bố điện trường trong điôt APD ....................26 Hình 1.38: Ký hiệu, cấu tạo và đặc tuyến của quang transistor. .............................27 Hình 1.39: Một số loại quang bán dẫn khác. ..........................................................28 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống .................................................................30 Hình 2.2: Các máy phát tín hiệu hồng ngoại khác nhau của Sony ..........................30 Hình 2.3: Mã hóa tín hiệu sony..............................................................................31 Hình 2.4: Định ước bề rộng xung, giải mã bit ........................................................31 Hình 2.5: Định ước bề rộng xung, cấu trúc Frame dữ liệu......................................32 Hình 2.6: Định ước bề rộng xung, cấu trúc dãy đầy đủ ..........................................32 Hình 2.7: Mã hóa dữ liệu nhận ..............................................................................33 Hình 2.8: Sơ đồ khối của PIC 1018SCL ................................................................33 Hình 2.9: Mạch Schmitt Trigger ............................................................................34 Hình 2.10: Đồ thị biểu diễn ngưỡng điện áp của mạch Schmitt Trigger .................34 Hình 2.11: Biểu diễn tín hiệu qua PIC – 1018SCL.................................................35 Hình 2.12: Mạch chống nhiễu cho PIC – 1018SCL ..............................................35 Hình 2.13: Sơ đồ mạch nạp STK200/300 thu gọn ..................................................40 Hình 2.14: Sơ đồ mạch nạp STK200/300 có IC đệm..............................................41 - ix - Hình 2.15: Mạch nạp STK200/300. .......................................................................42 Hình 2.16: Mạch nguyên lý AVR910 USB...........................................................43 Hình 2.17: a- Cấu tạo của relay điện từ..................................................................47 b- Hình dạng một số rơle điện tử ..........................................................47 Hình 2.18: Động cơ dùng để quay tròn ngang........................................................50 Hình 2.19: Động cơ dùng quay dọc .......................................................................51 Hình 2.20: Mô hình thiết kế tổng thê. ....................................................................52 Hình 2.21: Bản vẽ chi tiết các kích thước của hệ thống đèn ( Phương án 1) ...........53 Hình 2.22: Mô hình thiết kế tổng thể .....................................................................54 Hình 2.23: Bản vẽ chi tiết các kích thước của hệ thống đèn ( Phương án 2) ...........55 Hình 2.24: Mạch nguyên lý khối nguồn .................................................................56 Hình 2.25: Mạch nguyên lý khối vi điều khiển ......................................................57 Hình 2.26: Mạch nguyên lý khối thu hồng ngoại ...................................................58 Hình 2.28: Mạch nguyên lý mạch điều khiển động cơ ...........................................58 Hình 2.29: Mạch in khối điều khiển trung tâm.......................................................59 Hình 2.30: Mạch in khối relay ...............................................................................59 Hình 2.31: Hình dạng tổng thể hệ thống ................................................................60 Hình 2.32: Động cơ quay ngang và đĩa dẫn điện....................................................60 Hình 2.33: Mạch điều khiển trung tâm...................................................................61 Hình 2.34: Mạch rơle.............................................................................................61 Hình 2.35: Giải thuật giải mã tín hiệu sony............................................................62 Hình 2.36: Giải thuật điều khiển mã phím .............................................................63 - 1 - LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ đó cũng là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao. Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực Công – Nông – Lâm – Ngư nghiệp, cho đến các nhu cầu thiết yếu nhất trong hoạt động đời sống hằng ngày. Một trong những ứng dụng rất quan trọng của công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa. Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa. Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật điều khiển từ xa, cùng với kiến thức học tập chuyên ngành Cơ – Điện tử trong suốt khóa học 2006 - 2010, đặc biệt trong cơ hội được thực hiện đề tài tốt nghiệp. Em xin thực hiện để tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn quay trang trí điều khiển từ xa”. Đề tài gồm có 4 chương: Chương 1: Tổng quan phương pháp điều khiển từ xa Chương 2: Phương pháp và nội dung nghiên cứu Chương 3: Thử nghiệm và phân tích kết quả Chương 4: Kết luận và đề xuất ơSau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và thi công và được sự giúp đỡ tận tình của các thầy hướng dẫn, cùng toàn thể thầy trong bộ môn Cơ – Điện tử. Em đã hoàn thành đề tài. Vì thời gian và kiến thức còn có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Mong các quý thầy cô và bạn bè góp ý để để tài được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện: Hà Văn Tú - 2 - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA - 3 - Các hệ thống điện tử, hệ thống số mang lại cho con người nhiều ứng dụng trong lao động sản xuất và giải trí chẳng hạn khi bạn ở tầng 1 và phát hiện đèn trên sân thượng vẫn quên chưa tắt, bạn muốn đèn chùm giữa phòng khách tối đi một nửa để bạn xem phim cho có không khí, hay bạn muốn đèn ngủ trong phòng sẽ tự động tắt sau 15 phút, một hệ thống điện tử điều khiển từ xa sẽ cho phép bạn làm tất cả những việc đó chỉ với việc bấm nút điều khiển. Chương này sẽ đề cập đến tổng quát một hệ thống điều khiển từ xa, ngoài ra chương sẽ nghiên cứu một phương pháp điều khiển từ xa bằng hồng ngoại. Đây là một phương pháp truyền thông tin đã được sử dụng rộng rãi. 1.1. Hệ thống điều khiển từ xa Hệ thống điều khiển từ xa là một trong những hệ thống số, nó mang đầy đủ tính chất của một hệ thống số, cho phép ta điều khiển các thiết bị từ một khoảng cách. Khoảng cách này phụ thuộc vào tính chất, độ phức tạp của từng hệ thống, như đối với hệ thống điều khiển các trạm vũ trụ trong không gian thì cần bộ thu và phát sóng mạnh, nhưng với các hệ thống điều khiển dân dụng như: tivi, máy tinh,... thì ta ch