(TIỂU LUẬN) báo cáo project giữa kỳ EMC đề tài thiết kế trung tâm điều khiển thiết bị hồng ngoại kiểm tra chất lượng sản phẩm theo các tiêu chuẩn EMIEMS

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP ---□□---BÁO CÁO: Project giữa kỳ EMC Đề tài: Thiết kế trung tâm điều khiển thiết bị hồng ngoại..

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

-□□ -BÁO CÁO:

Project giữa kỳ EMC

Đề tài: Thiết kế trung tâm điều khiển thiết bị hồng ngoại Kiểm tra chất lượng sản

phẩm theo các tiêu chuẩn EMI/EMS

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học kỹ thuật phát triển đi kèm với sự phát triển của các thiết bị thông minh vàcác công nghệ truyền thông không dây, trong đó có rất nhiều các công nghệ truyền tinkhông dây được ứng dụng rộng rãi trong đời sống của chúng ta như wifi, bluetooth, BLE,RF,…Trong số đó thì điều khiển sử dụng sóng hồng ngoại là phổ biến hơn cả hầu nhưtrong tất cả gia đình đều xuất hiện những chiệc điều khiển sử dụng sóng hồng ngoại nhưđiều khiển TV, điều hoà, quạt,… Việc có quá nhiều điều khiển này có thể gây trật trộicũng như bừa bộn do nhiều lúc mỗi ta không tìm thấy chiếc điều khiển cần thiết Dựa trênvấn đề đó để có thể tiết kiệm không gian cũng như không phải đi tìm những chiếc điềukhiển nhóm em đã thiết kế một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng điều khiển cácthiết bị được điều khiển bằng sóng hồng ngoại

Để có thể đáp ứng được các yêu cầu ngày càng khắt khe của thị trường cũng như đápđảm bảo chất lượng thiết bị, đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường trong các điều kiệnmôi trường là rất quan trọng Trong project này, nhóm em sẽ kiểm tra khả năng hoạt động

ổn đinh của thiết bị

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em thuộc nhóm 7, học phần tương thích điện từ (EMC), mã lớp 133267,Giảng viên TS Lê Minh Thùy Chúng em xin cam đoan nội dung được trình bày trongbáo cáo là kết quả quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của chúng em Các dữ liệu được nêutrong báo cáo là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thôngtin trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt

kê rõ ràng Chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trongbáo cáo này

Hà Nội, ngày 7 tháng 7 năm 2022

Người cam đoan Nhóm 7

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

TÓM TẮT BÁO CÁO 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THU PHÁT HỒNG NGOẠI 7

1.1 Sóng hồng ngoại 7

1.2 Công nghệ thu phát sóng hồng ngoại 10

1.3 Một vài chuẩn thu phát hồng ngoại 11

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ MẠCH 14

2.1 Thiết kế mạch nguyên lý 14

2.1.1 Lựa chọn thiết bị: 14

2.1.2 Nguồn cung cấp 18

2.1.3 Các linh kiện khác: 19

2.2 Thiết kế mạch PCB 20

CHƯƠNG 3: CÁC TIÊU CHUẨN EMI/EMS VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM 25

3.1 Tiêu chuẩn EMI 25

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 27

4.1 Mật độ dòng điện và điện trường: 27

4.1.1 Điện trường trên bề mặt mạch: 27

4.1.2 Cường độ điện trường và từ trường xung quanh mạch 29

4.2 Ảnh hưởng của dây nguồn lên dây tín hiệu: 30

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC TẾ 35

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

Danh mục hình vẽ:

HÌnh 1: Bước sóng của tia hồng ngoại 10

HÌnh 2: Phân loại tia hồng ngoại theo Mỹ 11

HÌnh 3: Đặc điểm của các dải sóng hồng ngoại 11

HÌnh 4: Sơ đồ khối bên phát sóng hồng ngoại 12

HÌnh 5: Sơ đồ khối bên thu sóng hồng ngoại 13

HÌnh 6: Khung bảng tin chuẩn NEC 14

HÌnh 7: Khung bảng tin Repeat code 14

HÌnh 8: Sự thay đổi mức logic 15

HÌnh 9: Khung truyền chuẩn SONY 15

HÌnh 10: Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống 16

HÌnh 11: STM32 MCU 17

HÌnh 12: ESP32 MCU 19

HÌnh 13: Sơ đồ thiết kế mạch 22

HÌnh 14: Phủ mass GND hai mặt top và bottom cho mạch 23

HÌnh 15: thiết kế đi dây và thạch anh trong mạch 23

HÌnh 16: Sơ đồ đi dây toàn mạch 24

HÌnh 17: Sơ đồ 2D mạch sau khi hoàn thiện 25

HÌnh 18: Sơ đồ 3D mạch sau khi hoàn thiện 26

HÌnh 19: Chuẩn EN-55014 về nhiễu dẫn từ 28

HÌnh 20: Chuẩn EN-55014 về nhiễu phát xạ điện từ 29

HÌnh 21: Sơ đồ thiết kế layout mạch 30

HÌnh 22: Phân bố điện trường trên bề mặt mạch 31

HÌnh 23: Cường độ điệntrường xung quanh mạch 32

HÌnh 24: Cường độ từ trường xung quanh mạch 33

HÌnh 25: Cấp nguồn Discrete Port (Trise = 1ns) 33

HÌnh 26: Kết quả dòng crosstalk trên dây UART 34

HÌnh 27: Kết quả dòng crosstalk trên dây SPI 34

HÌnh 28: Kết quả dòng crosstalk trên những dây có tín hiệu thay đổi với tần số cao khi có thêm tụ lọc và đặt dây nguồn ở xa độ dài FR4=0.8mm 35

Hình 29: Kết quả dòng crosstalk trên những dây có tín hiệu thay đổi với tần số cao khi có thêm tụ lọc và đặt dây nguồn ở xa độ dài FR4=1.6mm 35

HÌnh 30: Port các đường dây có sự giao động với tần số cao 36

HÌnh 31: cấp xung và nối đất các port 37

HÌnh 32: Kết quả mô phỏng bức xạ của mạch 37

HÌnh 33: Mạch thực tế (mặt trước) 39

HÌnh 34: Mạch thực tế (mặt sau) 40

- Thiết kế mạch điều khiển các thiết bị sử dụng sóng hồng ngoại

Phân công công việc

giá

1 Nguyễn Quang 20181796 Mô phỏng và đánh giá thiết bị

2 Phạm Văn Duy 20181447 Tìm hiểu công nghệ thu phát sóng

hồng ngoại, chuẩn EMI 55014

3 Nguyễn Hữu Mạnh 20181643 Lựa chọn thiết bị, thiết kế phần

cứng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THU PHÁT

HỒNG NGOẠI

1.1 Sóng hồng ngoại

Nhà thiên văn học người Anh - William Herschel phát hiện ra ánh sáng hồng ngoạivào năm 1800, theo NASA Trong một thí nghiệm để đo sự khác biệt về nhiệt độgiữa các màu trong quang phổ khả kiến, ông đặt nhiệt kế trong từng màu của quangphổ nhìn thấy được

Kết quả cho thấy sự gia tăng nhiệt độ từ xanh lam sang đỏ, và ông nhận thấy mộtphép đo nhiệt độ thậm chí còn ấm hơn ngay bên ngoài điểm cuối màu đỏ của quangphổ nhìn thấy được

Tia hồng ngoại (Tiếng anh gọi là Infrared ray- tia IR) hay bức xạ hồng ngoại, là mộtloại năng lượng bức xạ mà mắt người không nhìn thấy được nhưng chúng ta có thểcảm nhận được dưới dạng nhiệt

Tia hồng ngoại là những bức xạ có bước sóng nằm trong khoảng 760 nm – 1 mm.Tia hồng ngoại có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy nhưng lạingắn hơn bước sóng viba ( bước sóng của lò vi sóng)

HÌnh 1 : Bước sóng của tia hồng ngoại

Trong đó, tia hồng ngoại có tần số 300 GHz – 300 MHz, năng lượng của photon daođộng ở khoảng 1.24 meV – 1.7 eV

Vì nguồn chính của bức xạ tia hồng ngoại là nhiệt hoặc bức xạ nhiệt, nên bất kỳ vật nào có nhiệt độ lớn hơn 0°K đều sẽ bức xạ năng lượng hồng ngoại

- Phân loại tia hồng ngoại

Dựa vào bước sóng, chúng ta chia tia hồng ngoại thành nhiều loại khác nhau Với

Mỹ, người ta chia thành 5 vùng hồng ngoại, còn với chúng ta thì chia đơn giản thành

3 vùng khác nhau

Về phân loại tia hồng ngoại theo Mỹ, bạn có thể tham khảo thông số như dưới đây:

HÌnh 2: Phân loại tia hồng ngoại theo Mỹ

Về phân vùng tia hồng ngoại theo cách đơn giản nhất sẽ thành 3 vùng: hồng ngoại gần, hồng ngoại giữa và hồng ngoại xa Chi tiết dưới đây:

HÌnh 3: Đặc điểm của các dải sóng hồng ngoại

Đặc điểm của tia 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

Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần

Tia hồng ngoại tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, và cũng gây đượchiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường

1.2 Công nghệ thu phát sóng hồng ngoại

Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng đâm xuyên kém Trong điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại, chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng, do đó khi thu phảiđúng hướng

Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như ánh sáng

Số bit trong mã nhị phân có thể là 4 bit hay 8 bit

- Khối dao động: khi nhấn nút thì đồng thời khởi động mạch dao động, tần số xung xác định thời gian chuẩn của mỗi bit

- Khối chốt dữ liệu và khối chuyển đổi: mã nhị phân sẽ được chốt và được chuyển đổisong song ra nối tiếp và được điều khiển xung dao động nhằm đảm bảo kết thúc đúng lúcviệc chuyển đổi đủ số bit của một mã lệnh

- Khối điều chế và phát: mã lệnh dưới dạng nối tiếp sẽ được điều chế và phát (ghép mãlệnh vào sóng mang có tần số từ 38Khz – 100Khz, nhờ sóng mang cao tần tín hiệu đượctruyền đi xa hơn, tăng cự ly phát)

- Khối thiết bị phát: gồm một hay nhiều led phát hồng ngoại

Bên thu:

HÌnh 5: Sơ đồ khối bên thu sóng hồng ngoại

Nguyên lý thu :

- Khối thiết bị thu: là led thu hoặc thiết bị thu hồng ngoại

- Khối khuếch đại và tách sóng: trước tiên khuếch đại tính hiệu nhận rồi tách sóng nhằm triệt tiêu sóng mang và tách lấy dữ liệu cần thiết là mã lệnh

- Khối chuyển đổi và khối giải mã: mã lệnh được chuyển đổi và được giải mã ra thành số thập phân tương ứng

- Tần số sóng mang còn được dùng để so pha với tần số dao động bên phần thu giúp cho mạch thu phát hoạt động đồng bộ đảm bảo cho hoạt động chính xác

1.3 Một vài chuẩn thu phát hồng ngoại

1.3.1 Chuẩn NEC:

Khung bản tin:

HÌnh 6: Khung bảng tin chuẩn NEC

Mức logic ‘0’: Quy định bởi mức logic 1 kéo dài 562.5 us và mức logic 0 kéo dài 562.5 us

Mức logic ‘1’: Quy định bởi mức logic 1 kéo dài 562.5 us và mức logic 0 kéo dài 1.6875 ms

Khung truyền:

Bắt đầu bằng 1 xung mức 1 kéo dài 9ms

4.5 ms mức ‘0’

8 bit địa chỉ cho thiết bị nhận

8 bit địa chỉ đảo

Mức logic:

HÌnh 8: Sự thay đổi mức logic

Khung truyền: Có 3 khung truyền trong chuẩn SONY là

Khung truyền 12 bits gồm 7 bits lệnh, 5 bits địa chỉ

Khung truyền 15 bits gồm 7 bits lệnh, 8 bits địa chỉ

Khung truyền 20 bits gồm 7 bits lệnh, 5 bits địa chỉ ,8 bits mở rộng

HÌnh 9: Khung truyền chuẩn SONY

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ MẠCH

2.1 Thiết kế mạch nguyên lý

Yêu cầu:

Thiết kế thiết bị có khả năng điều khiển các thiết bị hồng

ngoại Thiết bị có khả năng học lệnh

Đáp ứng các tiêu chuẩn về EMC

Dưới đây là sơ đồ khối tổng quan của hệ thống:

H Ình 10: Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống

2.1.1 Lựa chọn thiết bị:

STM32:

STM32 là dòng chip 32bit của hãng STMicrochip sử dụng công nghệ lõi

ARM Cortex mạnh mẽ, hiệu năng tốt nhưng vẫn giữ được giá thành tương đối rẻ

Phù hợp với đa số các công ty hiện nay

Giá thành rẻ nhưng hiệu quả đem lại lớn.

Có kiến thức nền tảng cho các dòng chip có kiến trúc ARM Cortex tạo điềukiện thuận lợi khi đi xin việc

Stm32 được nhiều công ty sử dụng và ứng dụng trong nhiều loại sản phẩm Công cụ lập trình đều Free và đầy đủ tài liệu hỗ trợ

 Do những lý do trên nên nhóm em quyết đinh lựa chọn vi điều khiển STM32F103C8T6 làm vi điều khiển chính xử lý các nhiệm vụ của hệ thống

Một số thông tin cơ bản của vi điều khiển STM32F103C8T6

- STM32F103C8T6 là vi điều khiển 32bit, thuộc họ F1 của dòng chip STM32 hãngST

- Lõi ARM COTEX M3

- Tốc độ tối đa 72Mhz

- Bộ nhớ :

o Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ.

o Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin ngoài để dùng bộ RTC và sử dụng dữ liệu được lưu trữ khi mất nguồn cấp chính

- 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ

o Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6 V

o Có chế độ lấy mẫu 1 kênh hoặc nhiều kênh

- DMA:

o 7 kênh DMA

o Có hỗ trợ DMA cho ADC, UART, I2C, SPI

- 7 bộ Timer:

o 3 Timer 16 bit hỗ trợ các mode Input Capture/ Output Compare/ PWM

o 1 Timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ ngắt Input, dead-time

o 2 Watchdog Timer để bảo vệ và kiểm tra lỗi

o 1 Systick Timer 24 bit đếm xuống cho hàm Delay,…

- Có hỗ trợ 9 kênh giao tiếp:

o 2 bộ I2C

o 3 bộ USART

o USB 2.0 full-speed interface

- Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID

ESP32:

o Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz (tùy chỉnh khi lập trình)

o RAM: 520 KByte SRAM

o 520 KB SRAM liền chip –(trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8 KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep)

Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây

o Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

o Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE

Hỗ trợ tất cả các loại giao tiếp

o 8-bit DACs( digital to analog) 2 cổng

o Băm xung PWM (tất cả các chân )

o Ultra low power analog pre-amplifier’

Cảm biến tích hợp trên chip esp32

o 1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường)

o 1 cảm biến đo nhiệt độ

o Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau

Bảo mật

o IEEE 802.11 standard security features all supported, including WFA,

WPA/WPA2 and WAPI

o Secure boot

o Flash encryption

o 1024-bit OTP, up to 768-bit for customers

o Cryptographic hardware acceleration: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve

cryptography (ECC), random number generator (RNG)

Nguồn điện hoạt động

Theo datasheet của stm32 ta có Pmax = 447mW

ở chế độ hoạt động thì khi sử dụng cả wifi và bluetooth thì chip esp32 có thể sử dụng mứcdong điện lên đến 790mA với mức điện áp hoạt động là từ 3-3,6V ta có thể tính được côngsuất cần là 2844mW,

theo datasheet IC CH340G có mức tiêu tốn năng lượng tối đa là 30.5,5=165mW

Như vậy để hệ thống hoạt động ổn định ta cần cung cấp một nguồn năng lượng ít nhất lớnhơn 447+165+2844=3456mW

 Chọn IC AMS1117-3,3V để làm IC chuyển đổi từ điện áp 5V về điện áp 3v3 cung cấpcho các linh kiện cần sử dụng điện áp trước và sau đi qua IC AMS1117-3,3V đều được sử dụng tụ lọc

Bộ thu phát hồng ngoại: mắt thu sử dụng loại hs0038a2 của vishay

Mắt thu này được tích hợp led thu hồng ngoại và bộ tiền khuếch đại trong cùng một đóng

vỏ Bên cạnh đó nó còn có bộ lọc nội cho tần số PCM và khả năng lọc những loại ánhsáng khác gây ảnh hưởng đến việc thu sóng hồng ngoại Việc thiết kế giao tiếp giữa mắtthu phát hồng ngoại được dựa trên datasheet hướng dẫn của nhà sản xuất

HÌnh 13: Sơ đồ thiết kế mạch

2.2 Thiết kế mạch PCB

Mạch PCB được thiết kế và sử dụng một số phương pháp hạn chế nhiễu EMC như sau:

Phủ mass GND hai mặt top và bottom cho toàn mạch

HÌnh 14: Phủ mass GND hai mặt top và bottom cho mạch

Đi dây lớn hơn với đường nguồn và nhỏ hơn với đường tín

hiệu Hạn chế đường tín hiệu bẻ góc 90 độ, nên bẻ các góc 450

Không được đi dây dưới thạch anh dao động

HÌnh 15: thiết kế đi dây và thạch anh trong mạch

Đi dây có ít lỗ xuyên Via nhất

HÌnh 16: Sơ đồ đi dây toàn mạch

HÌnh 17: Sơ đồ 2D mạch sau khi hoàn thiện

HÌnh 18: Sơ đồ 3D mạch sau khi hoàn thiện

CHƯƠNG 3: HIỆN TƯỢNG CROSSTALK VÀ NHIỄU

EMI/EMS VỚI CÁC TIÊU CHUẨN KÈM THEO3.1 Crosstalk

Trong mạch điện tử, Crosstalk hay gọi là giao tiếp chéo hoặc nhiễu xuyên âm là bất kỳhiện tượng nào mà tín hiệu được truyền trên một mạch hoặc kênh của hệ thống truyền dẫntạo ra hiệu ứng không mong muốn trong mạch hoặc kênh khác

Về cơ bản, mọi tín hiệu điện đều có một trường điện từ khác nhau Bất cứ khi nào cáctrường này chồng lên nhau, các tín hiệu không mong muốn - ghép nối điện dung, dẫn điệnhoặc cảm ứng - gây ra nhiễu điện từ ( EMI ) có thể tạo ra nhiễu xuyên âm

Sự chồng chéo có thể xảy ra với hệ thống cáp có cấu trúc, thiết kế mạch tích hợp , thiết bịđiện tử âm thanh và các hệ thống kết nối khác Ví dụ, nếu có hai dây dẫn ở gần nhau đangmang các tín hiệu khác nhau, dòng điện của chúng sẽ tạo ra từ trường gây ra tín hiệu yếuhơn trong dây bên cạnh

3.2 Tiêu chuẩn EMI

Chuẩn EN-55014: Tương thích điện từ - Yêu cầu đối với thiết bị gia dụng, dụng cụ

điện và các thiết bị tương tự

- Tiêu chuẩn quy định về nhiễu dẫn điện từ (CE) trong dải tần số từ 30Mhz)

(150kHz-HÌnh 19: Chuẩn EN-55014 về nhiễu dẫn từ

- Tiêu chuẩn quy định về nhiễu phát xạ điện từ (RE) trong dài tần số từ 1000Mhz)

(30-HÌnh 20: Chuẩn EN-55014 về nhiễu phát xạ điện từ

4.1 Mật độ dòng điện và điện trường:

4.1.1 Điện trường trên bề mặt mạch:

Cấp nguồn DC-5V cho mạch, ta thấy phân bố dòng điện bề mặt trên mạch như sau:

HÌnh 21: Sơ đồ thiết kế layout mạch

HÌnh 22: Phân bố điện trường trên bề mặt mạch

Nhận xét:

· Dòng điện bề mặt bị tập trung nhiều ở phần cấp nguồn do đường đến nguồn cấp cho các vi xử lí, modul truyền nhận cách xa

· Đất ở gần cũng gây nên việc tập trung nhiều tại đó

· Nhiễu lớn nhất ở gần nguồn chỉ ở mức -40dB(A/m) thoả mãn tiêu chuẩn EN-55014