Ứng dụng Kỹ thuật số điều khiển quạt bằng hồng ngoại

Điều khiển quạt 3 số bằng hồng ngoại sử dung IC PT2248+PT2249 MOC3020 điều khiển triac, hẹn giờ 74192 sử dung IC số, sử dung dao động thạch anh cho thời gian chính xác. ĐIều khiển đèn bằng Relay. Điều khiển quạt 3 số bằng hồng ngoại sử dung IC PT2248+PT2249 MOC3020 điều khiển triac, hẹn giờ 74192 sử dung IC số, sử dung dao động thạch anh cho thời gian chính xác. ĐIều khiển đèn bằng Relay. Điều khiển quạt 3 số bằng hồng ngoại sử dung IC PT2248+PT2249 MOC3020 điều khiển triac, hẹn giờ 74192 sử dung IC số, sử dung dao động thạch anh cho thời gian chính xác. ĐIều khiển đèn bằng Relay.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1

1.1 Lý do chọn đề tài: 1

1.2 Giới hạn đề tài: 1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2

2.1 Lý thuyết liên quan: 2

2.2 Giới thiệu linh kiện sử dụng trong mạch: 3

a Cặp IC thu phát PT2248 + PT2249: 3

b Các linh kiện khác: 13

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 24

3.1 Thiết kế phần cứng: 24

3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 24

3.1.2 Thiết kế chi tiết từng khối: 25

3.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch: 45

3.3 Thiết kế mạch in bằng phần mềm Orcad 9.2: 50

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 53

4.1 Kết luận – kết quả đạt được: 53

4.2 Hướng phát triển và đề nghị: 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP

1.1 Lý do chọn đề tài:

Trong xã hội hiện đại ngày nay, trong các thiết bị gia dụng hầu như các thiết bị kỹ thuật số như tivi, đầu DVD,VCD,… đều đã được trang bị chức năng điều khiển từ xa nhằm tạo sự tiện nghi cho người dùng khi sử dụng thiết bị và đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người

Ngoài các thiết bị kỹ thuật số, quạt điện cũng là một thiết bị gia dụng rất cần thiết trong cuộc sống của con người Nhưng đa số các loại quạt hiện nay đều dùng bộ điều khiển bằng cơ khí còn nhiều bất tiện như: gây tiếng ồn khi bật tắt, khoảng cách điều khiển hạn chế,…

Vì vậy em chọn đề tài điều khiển quạt từ xa bằng hồng ngoại làm đề tài

đồ án môn học 1 của mình Thay thế bộ điều khiển cơ khí của quạt bằng bộ điều khiển điện tử ứng dụng kỹ thuật số và được điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại giúp cho việc sử dụng thiết bị này trở nên tiện nghi hơn Ngoài ra còn có thêm phần hiển thị tốc độ của quạt và bộ hẹn giờ tắt quạt hoàn toàn bằng kỹ thuật số có khoảng cài đặt rộng được điều khiển hoàn toàn bằng bộ điều khiển

từ xa, không gây tiếng ồn như các bộ hẹn giờ bằng cơ khí hiện có trên thị trường

1.2 Giới hạn đề tài:

Đề tài thực hiện điều khiển 7 kênh, sử dụng cặp thu phát hồng ngoại chuyên dụng là PT2248 và PT2249 Trong đó 4 kênh được sử dụng để điều khiển tốc độ của quạt là các số 0, 1, 2, 3 sử dụng MOC3020 điều khiển triac thay thế cho hộp số cơ khí Bộ hẹn giờ tắt quạt sử dụng 2 kênh, gồm 1 nút khởi động timer và lựa chọn các chế độ đặt, 1 nút để điều chỉnh giá trị đặt cho số được chọn Còn 1 kênh sử dụng để điều khiển một bóng đèn trên quạt thông qua Relay

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1 Lý thuyết liên quan:

a Ánh sáng hồng ngoại:

Ánh sáng hồng ngoại là ánh sáng không thể nhìn thấy bằng mắt thường, có bước sóng từ 0.86µm đến 0.98µm Vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng

b Nguyên lý thu phát hồng ngoại:

Có nhiều nguồn phát tia hồng ngoại như: lò bức xạ, lò điện, đèn, cơ thể người,… Để có thể truyền tia hồng ngoại không bị xung nhiễu bởi các nguồn phát khác bắt buộc phải dùng mã trong quá trình phát và thu để xác định xem

đó là xung truyền hay nhiễu Tần số làm việc tốt nhất từ 30 KHz đến 60 KHz, nhưng thường sử dụng khoảng 38 KHz, ánh sáng hồng ngoại truyền 38 lần/s khi truyền mức 0 hay mức 1

d Triac:

Triac (Triode AC Semiconductor Switch) gọi là công tắc bán dẫn xoay chiều 3 cực, được cấu tạo tương tự như SCR nhưng dẫn theo hai chiều Triac gồm 4 lớp bán dẫn ghép nối tiếp nhau, tương đương hai SCR khác loại ghép song song

Để điều khiển Triac dẫn điện cần cấp xung dòng điện vào cực G hai lần trong một chu kỳ của điện áp xoay chiều

e Ứng dụng transistor (BJT) ngắt dẫn:

Ứng dụng transistor (BJT) ngắt dẫn trong các mạch số thường mắc theo kiểu

E chung (CE)

Để BJT hoạt động ở chế độ tắt (ngắt) thì các mối nối BC và BE cần phải được phân cực nghịch

 Sơ đồ khối:

Hình 2.1: Sơ đồ khối của PT2248

 Sơ đồ chân:

Hình 2.2: Sơ đồ chân của PT2248

Bảng 2.1: Chức năng các chân PT2248

VSS 1 Là chân mass được nối với cực âm của nguồn điện

XT, /XT 2, 3 I, O là hai đầu để nối với thạch anh bên ngoài cho bộ tạo dao

động ở bên trong IC

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

T1-T3 10-12 O Ngõ ra quét mã phím

/CODE 13 I Là chân mã số dùng để kết hợp với các chân T1-T3

để tạo ra tổ hợp mã hệ thống giữa phần phát và phần thu

TEST 14 I Là chân dùng để kiểm tra mã của phần phát, khi không

sử dụng có thể bỏ trống

TXOUT 15 O Là đầu ra của tín hiệu đã được điều chế

 Chức năng chi tiết của PT2248:

- Mạch dao động:

Hình 2.3: Mạch dao động của PT2248

Khi tần số của bộ dao động là 455KHz, sóng mang của tín hiệu phát đi có tần số là 38KHz Trừ khi các phím hoạt động, bình thường thì bộ dao động ngừng hoạt động, vì vậy giúp giảm điện năng tiêu thụ

- Phím ngõ vào:

K1-K6 kết hợp với T1-T3 tạo thành một ma trận tối đa 18 phím

Hình 2.4: Ma trận 18 phím

Phím 1-6: Là các phím cho ra tín hiệu liên tục khi ấn giữ

Phím 7-18: Là các phím cho ra tín hiệu không liên tục, khi ấn

phím thì chỉ có một tín hiệu ra

Khi hai hoặc nhiều phím kết nối với T2 và T3 được nhấn cùng lúc thì thứ tự ưu tiên từ K1 đến K6

- Lệnh truyền đi:

Lệnh truyền đi bao gồm một từ lệnh Một từ lệnh gồm mã bit (3 bit) C1-C3, mã liên tục (1 bit) H, mã không liên tục (2 bit) S1, S2,

mã dữ liệu (6 bit) D1-D6 Như vậy, một từ lệnh có 12 bit

Hình 2.5: Cấu trúc lệnh truyền đi

- Mã bit C1, C2 và C3 (được gọi là mã người dùng) :

Mã bit có thể được tạo bằng cách kết nối với T1-T3 thông qua diode

Dữ liệu C1, C2, C3 sẽ là ‘1’ nếu có diode nối giữa chân CODE và T1-T3, là ‘0’ nếu không nối

Hình 2.5: Tạo mã bit (mã người dùng) cho PT2248

- Dạng sóng truyền đi:

Hình 2.6: Dạng sóng tín hiệu truyền đi của PT2248

Thời gian của bit "a" phụ thuộc vào tần số dao động ( f osc ) và được cho bởi công thức sau:

(osc)

1 192

a f

Phân biệt bit ‘1’ và bit ‘0’:

Hình 2.7: Phân biệt bit 1 và bit 0 của PT2248

- Tín hiệu không liên tục:

Khi nhấn bất kì một phím không liên tục, tín hiệu chỉ truyền 2 từ lệnh đến ngõ ra và kết thúc

Hình 2.8: Tín hiệu không liên tục của PT2248

- Tín hiệu liên tục:

Khi nhấn bất kì một phím không liên tục, tín hiệu sẽ truyền một chu kì lặp lại của 2 từ lệnh và dừng (với thời gian dừng là 208a) cho đến khi phím được buông ra

Hình 2.9: Tín hiệu liên tục của PT2248

Nếu phím được buông ra trong quá trình truyền mã, PT2248 sẽ tiếp tục gửi nhóm cuối cùng của 2 từ lệnh và sau đó dừng truyền như hình dưới:

Hình 2.10: Tín hiệu liên tục của PT2248 khi buông phím trong

osc c

Hình 2.11: Sơ đồ khối của PT2249/PT2250

 Sơ đồ chân:

Hình 2.12: Sơ đồ chân PT2248

Bảng 2.2: Chức năng các chân PT2249

Tên

RXIN 2 I Ngõ vào tín hiệu thu

Ngõ ra tín hiệu liên tục, khi thu được tín hiệu tương ứng, ngõ ra sẽ giữ ở mức cao đến khi hết nhận được tín hiệu

 Chức năng chi tiết của PT2249

- Mạch dao động:

Hình 2.13: Mạch dao động của PT2249

Ghi chú: R 39k  5% ; C100pF5%

- Mạch nhận tín hiệu ngõ vào:

PT2249A được thiết kế cho mudule thu hồng ngoại có ngõ ra tích cực mức cao

- Mã so sánh:

Để tránh sự can nhiễu của các thiết bị khác, mã bit C1, C2 và C3 được cung cấp để kiểm tra sự khớp mã giữa phần phát và phần thu

Để mã hoá mỗi mã bit xuống ‘0’: nối chân CODE xuống VSS

- Xung đơn (tín hiệu không liên tục):

Hình 2.14: Xung đơn của PT2249

Nếu kiểm tra 12 bit của tín hiệu thu được không có lỗi thì ngõ ra

sẽ có một xung với thời gian tồn tại xung khoảng 107ms

- Xung giữ (tín hiệu liên tục)

(a)

(b)

Hình 2.15: Xung giữ của PT2249

Bình thường, sau khi phát hiện 2 từ mã phù hợp truyền từ PT2248, xung chốt được tạo ra, ngõ ra tương ứng sẽ duy trì ở mức cao khi còn nhận được tín hiệu liên tục Khoảng 160ms sau khi buông phím

và tín hiệu liên tục được ngừng lại, ngõ ra trở lại mức thấp bởi một xung chốt cuối cùng (Hình 2.15 (a))

Trong trường hợp khác khi có bất kỳ sự can thiệp nào làm bộ nhận tín hiệu chỉ phát hiện được một từ mã phù hợp trong lần truyền cuối cùng thì khoảng 160ms sau khi buông phím, ngõ ra sẽ trở lại mức thấp (Hình 2.15 (b))

Hình 2.16: Bảng phân bố mã dữ liệu tương ứng với PT2248 phát đi

Từ hình trên, ta thấy PT2249 chỉ giải mã được các phím có số từ 1-5 và từ 7-11 Gồm 5 phím xung đơn và 5 phím xung giữ

b Các linh kiện khác:

 LED phát hồng ngoại:

Hình 2.17: Hình dạng và sơ đồ chân LED phát hồng ngoại

- Về cơ bản LED phát hồng ngoại có hình dạng và cấu tạo như các led thông thường LED phát hồng ngoại có điện áp phân cực thấp hơn các loại led thông thường và có dòng chịu đựng khoảng 50mA

Hình 2.18: Thông số của LED hồng ngoại 5mm

 Module thu hồng ngoại 3 chân:

Hình 2.19: Hình dạng và sơ đồ chân của module thu hồng ngoại 3 chân

- Module thu hồng ngoại này gồm có một led thu hồng ngoại và một IC tách sóng đã được điều chế có ưu điểm: IC có kích thước nhỏ, phạm vi thu tín hiệu rộng, chống nhiễu tốt Module này là loại có ngõ ra tích cực mức thấp

- Sơ đồ khối:

Hình 2.20: Sơ đồ khối của module thu hồng ngoại 3 chân

 MOC3020:

 MOC3020 là thiết bị điều khiển triac cách ly quang Bao gồm một diode phát hồng ngoại và một công tắc hai chiều bằng silic nhạy với ánh sáng

 Sơ đồ chân

Hình 2.21: Sơ đồ chân của MOC3020

Trong đó:

- Chân số 1: Anode của diode

- Chân số 2: Cathode của diode

- Chân số 3: N/C (không kết nối)

- Chân số 4 và 6: chân đầu cuối chính để kết nối phần công suất

 Triac BTA12

Hình 2.22: Hình dạng và sơ đồ chân của Triac BTA12

BTA12 thích hợp làm công tắc xoay chiều thông dụng Nó có thể được

dùng như chức năng bật/tắt các ứng dụng như: khởi động động cơ, điều

khiển đèn, điều khiển tốc độ động cơ,…

BTA12 có thể chịu được dòng lên đến 12A

 Relay 5 chân:

Hình 2.23: Hình dạng và sơ đồ chân của relay 5 chân

Relay 5 chân có một tiếp điểm thường đóng và một tiếp điểm thường

mở Khi có dòng cấp cho cuộn dây (chân 1 và 2), tiếp điểm thường đóng (chân 5) sẽ mở ra và tiếp điểm thường mở (chân 4) sẽ đóng lại Chân số

Hình 2.24: Sơ đồ chân IC đếm 74192

 P0, P1, P2, P3 (15, 1, 10, 9) là các chân dữ licuarBCD đặt trước cho IC

 Q0, Q1, Q2, Q3 (3, 2, 6, 7) là các chân ngõ ra BCD của của IC

 CPU (5) là chân ngõ vào xung Clock đếm lên cho IC

 CPD (4) là chân ngõ vào xung Clock đếm xuống cho IC

 PL (11) là chân để đặt giá trị của P0-P3 vào IC

 MR (14) là chân Reset IC đếm

 TCD (13) là chân báo khi IC đếm xuống về 0 và quay lại 9( TCD)

 TCD (12) là chân báo khi IC đếm lên đến 9 và về 0 ( TCU)

 Sơ đồ logic của IC 74192:

Hình 2.25: Sơ đồ logic của 74192

 Bảng trạng thái:

Up (CPU) Down (CPD) Reset (MR) Parallel Load

(PL) Chức năng

Khi Reset ở mức thấp và PL ở mức thấp thì dữ liệu đặt ở ngõ vào

sẽ được đưa vào IC

 IC giải mã led 7 đoạn 74LS247:

 74LS247 là IC giải mã LED 7 đoạn loại Anode chung, có cực thu

để hở

 Sơ đồ chân:

Hình 2.26: Sơ đồ chân IC giải mã 74LS247

 A, B, C, D (7, 1, 2, 6) là các ngõ vào dữ liệu cho IC

 a, b, c, d, e, f, g (13, 12, 11, 10, 9, 15, 14) là các ngõ ra điều khiển LED 7 đoạn

 LAMP TEST (3) là chân kiểm tra các đoạn của LED

 RB OUTPUT (4) là chân xóa ngõ ra

 RB INPUT (5) là chân xóa ngõ vào Kết hợp với RB OUTPUT để xóa số 0 vô nghĩa

 Sơ đồ logic của IC:

Hình 2.27: Sơ đồ logic của IC 74LS247

 Bảng trạng thái:

Hình 2.28: Bảng trạng thái của 74LS247

Khi các ngõ vào LT và BI/RBO ở mức cao thì ngõ ra sẽ hiển thị các giá trị của 4 bit dữ liệu ngõ vào từ 0 đến 15 và RBI phải để trống hoặc ở mức cao để hiện được số 0 Lúc này ngõ ra sẽ hiển thị như sau:

Hình 2.29: Chi tiết hiển thị các số từ 0 đến 15 trên LED 7 đoạn của

Khi ngõ vào LT ở mức thấp và BI/RBO để trống hoặc ở mức cao thì ngõ ra sẽ sáng hết các đoạn của LED 7 đoạn

 LED 7 đoạn loại Anode chung:

 Led 7 đoạn là một linh kiện dùng để hiển thị các số 0-9 và một vài

ký tự đặc biệt khác

 Sơ đồ chân:

Hình 2.30: Hình dạng và sơ đồ chân của LED 7 đoạn loại Anode chung

 LM7805:

 LM7805 là IC ổn áp 5VDC, có ngõ ra ổn áp ở 5VDC và dòng ra lên đến 1A

 Sơ đồ chân:

Hình 2.31: Sơ đồ chân của LM7805

 Bảng thông số hoạt động:

Hình 2.32: Bảng thông số hoạt động của LM7805

Theo các thông số trong hình thì LM7805 ổn áp điện áp từ 4.75 đến 5.25V khi điện áp ngõ vào từ 7-20V và dòng ngõ ra từ 5mA-1A

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

KHỐI HẸN GIỜ

KHỐI GIAO TIẾP CÔNG SUẤT

KHỐI HIỂN THỊ

KHỐI DAO ĐỘNG KHỐI NGUỒN 5VDC

- Khối thu và giải mã: Thu tín hiệu hồng ngoại từ khối phát, giải

mã và đưa ra các tín hiệu điều khiển

- Khối xử lý trung tâm: Xử lý điều khiển tốc độ cho quạt, tắt quạt,

xử lý tắt quạt khi bộ hẹn giờ có tác động, bật tắt đèn

- Khối hẹn giờ: Đặt thời gian và đếm ngược đến khi hết thời gian đặt trước thì gửi tín hiệu về khối điều khiển trung tâm để tắt quạt

- Khối hiển thị: Hiện thị tốc độ của quạt (0, 1, 2, 3) và thời gian đếm của khối hẹn giờ

- Khối giao tiếp công suất: Giao tiếp điều khiển quạt thông qua Opto - Triac và điều khiển đèn thông qua Relay

3.1.2 Thiết kế chi tiết từng khối:

a Khối phát:

 Yêu cầu của khối cần thiết kế:

Mạch điều khiển 7 kênh nên cần thiết kế khối phát phát đi mã của 7 kênh tương ứng

Các phím còn lại có thể chọn phím tạo xung liên tục (gọi là phím giữ) hoặc không liên tục đều được Ở đây em chọn phím lựa chọn chế độ cho bộ hẹn giờ là phím không giữ và hai phím còn lại là phím giữ vì

đã dùng hết 5 phím không giữ Vì vậy ma trận phím sẽ có 5 phím kết nối với T2 và 2 phím kết nối với T1

Khối phát có thể cầm di động nên ta dùng nguồn pin 3V Khi dùng nguồn 3V, dòng ngõ ra Txout là 1mA không đủ để kéo led phát hồng ngoại, ngõ ra Txout tích cực mức thấp nên em dùng transistor loại pnp (A1015) để kéo dòng cho led Để led hồng ngoại phát mạnh hơn và kéo thêm một led báo tín hiệu em kết nối thêm một transistor loại npn (C1815) theo kiểu cặp hồi tiếp để kéo dòng Điện trở RB theo khuyến nghị của nhà sản xuất là 200Ω - 3.9KΩ, em chọn RB = 1KΩ

Các giá trị điện trở, tụ điện phần dao động cho PT2248, em sử dụng theo datasheet của nhà sản xuất

 Mạch nguyên lý của khối phát:

Hình 3.1 Mạch nguyên lý của khối phát

b Khối thu và giải mã:

 Yêu cầu của khối cần thiết kế:

Thu, giải mã được 7 kênh của khối phát và đưa ra tín hiệu điều khiển ở các ngõ ra

để hở chân C2, đặt C3= ‘0’ bằng cách nối C3 với VSS (GND) Như vậy mã bit là C1=C2= ‘1’ và C3= ‘0’ khớp với mã bit bên khối phát

Các ngõ ra tương ứng với thiết lập bên khối phát là SP1-SP5

sẽ xuống mức thấp nên ngõ ra của module hồng ngoại cần phải kết nối với Rxin qua cổng NOT Để tiết kiệm IC cổng NOT, em dùng transistor hoạt động ở chế độ ngắt và dẫn bão hoà, ở đây em chọn C1815 và lấy ngõ ra ở cực C của transistor Điện trở RB của transistor em chọn 4.7K để transistor làm việc ở chế độ dẫn bão hoà

Dùng một led báo khi nhận tín hiệu, để không ảnh hưởng đến

độ nhạy của ngõ vào PT2249, em lấy ngõ ra ở cực C của transistor trên và thông qua một transistor khác cũng được phân cực ở chế độ dẫn bão hoà để kéo dòng cho led Chọn RB=4.7K

Bình thường (“1”)

Không có tín hiệu (mức “0”)

Tắt

Nhận tín hiệu hồng ngoại (“0”)

Có tín hiệu vào (mức “1”)

Led sáng

 Sơ đồ nguyên lý khối thu và giải mã:

Hình 3.2 Mạch nguyên lý khối thu và giải mã

c Khối xử lý trung tâm:

Xử lý khi bộ hẹn giờ đếm xong tác động để tắt quạt Ở đây em thiết kế khi tắt quạt bằng tay sẽ đồng thời tắt bộ hẹn giờ