thiết kế và thi công mạch cảnh báo bằng tia hồng ngoại

thiết kế và thi công mạch cảnh báo bằng tia hồng ngoại

MỤC LỤC

Trang

2.1 Sơ ñồ khối của máy phát tín hiệu hồng ngoại 10 2.2 Sơ ñồ khối của máy thu tín hiệu hồng ngoại 10

LỜI NÓI ðẦU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến,thế giới của chúng ta ñã và ñang một ngày thay ñổi, văn minh và hiện ñại hơn Sự phát triển của

kỹ thuật ñiện tử ñã tạo ra hàng lọat những thiết bị với các ñặc ñiểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc ñộ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho họat ñộng của con người ñạt hiệu quả cao

ðiện tử ñang trở thành một ngành khoa học ña nhiệm vụ ðiện tử ñã ñáp ứng ñược những ñòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công–nông-lâm-ngư nghiệp cho ñến các nhu cầu cần thiết trong họat ñộng ñời sống hằng ngày

Một trong những ứng dụng rất quan trọng của công nghệ ñiện tử là kỹ thuật ñiều khiển từ xa Nó ñã góp phần rất lớn trong việc ñiều khiển các thiết bị từ xa

Xuất phát từ ứng dụng quan trọng trên, nhóm em ñã thiết kế và thi công mạch cảnh báo bằng tia hồng ngoại

Nội dung phần ñồ án gồm hai phần:

Phần I: lý thuyết

Phần II: thiết kế và thi công

Do thời gian, tài liệu và trình ñộ còn hạn chế nên chắc chắn không thể tránh những thiếu sót Kính mong sự chỉ dẫn và góp ý của tất cả thầy cô và các bạn

Sinh viên thực hiện:

Trần Văn Dũng

Chương 1: Lý Thuyết

1.1 GIỚI THIỆU THU PHÁT HỒNG NGOẠI

Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy ñược bằng mắt thường , có bước sóng khoảng từ 0.86µm ñến 0.98µm Tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng

Tia hồng ngoại có thể truyền ñi ñược nhiều kênh tín hiệu Nó ñược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Lượng thông tin có thể ñạt 3 mega bit /s Lượng thông tin ñược truyền ñi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng ñiện

từ mà người ta vẫn dùng

Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ , khả năng xuyên thấu kém Trong ñiều khiển từ

xa bằng tia hồng ngoại , chùm tia hồng ngoại phát ñi hẹp , có hướng , do ñó khi thu phải ñúng hướng

Sóng hồng ngoại có những ñặc 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 sự xuyên suốt qua vật chất Có những vật chất ta thấy nó dưới một màu xám ñục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt Vì vật liệu bán dẫn “trong suốt” ñối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu

ñi khi nó vượt qua các lớp bán dẫn ñể ñi ra ngoài

1.2 Giới thiệu một số linh kiện trong mạch

1.2.1 Led thu tín hiệu hồng ngoại

- Cấu tạo:

Hình trên trình bày sơ ñồ nguyên lý của transistor quang Ba lớp n-p-n tạo nên 2 tiếp

giáp p-n Một trong những lớp ngoài có kích thước nhỏ ñể quang thông có thể chiếu

vào giữa lớp nền Lớp nền này ñủ mỏng ñể ñưa lớp hấp thụ lượng tử quang ñến gần

tiếp giáp p-n

2

Mạch tương ñương Ký hiệu

Nguyên lý hoạt ñộng:

Trong transistor quang chỉ có thể làm việc ở chế ñộ biến ñổi quang ñiện (có

ñiện áp ngoài ñặt vào ) Trị số ñiện áp này khoảng 3V ñến 5V

Mối nối BC ñược phân cực ngược làm việc như một diode quang Khi có quang

thông chiếu vào nó tạo ra dòng ñiện dùng ñể làm tác ñộng transistor, dẫn ñến dòng Ic

tăng lên nhiều lần so với dòng diode quang

Dòng Ic ñược tính như sau:

Ic = ( Ip + Ib )( hfe + 1)

hfe : ñộ lợi DC

Ip : dòng quang ñiện khi có ánh sáng chiếu vào mối nối BC

Ib : dòng cực B khi có phân cực ngoài

Khi cực B ñược phân cực bên ngoài ðộ lợi bị thay ñổi và trở kháng vào của

transistor ñược tính:

Zin = Rin + hfe

Dòng rò : Iceo = hfe + Icbo

Icbo : dòng rò cực BC

ðộ lợi càng cao ñáp ứng càng nhanh

ðặc tuyến:

Sau ñây giới thiệu một ñồ thị ñịnh tính của quang transistor MRD 300

ðặc tuyến phồ của transistor MRD 300

IF :Dòng khi có ánh sáng chiếu vào

1.2.2 Opamp TL082

Hình dạng bên trong của TL082:

Hình dạng thục tế:

Một số ứng dụng của bộ khuếch ñại thuật toán:

IF (%)

100

50 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 λ(µ m)

-Mạch khuếch ñại ñảo

Hệ số khuếch ñại hở của mạch khuếch ñại thuật toán rất lớn ( khoảng 100db ) Hệ số này quá lớn nên sẽ gây mất ổn ñịnh cho mạch do ñó không ñược sử dụng trong thực

tế

+12

-+

U4A

TL082A

3 2

1

-12

R1

R2

Uv

Ur

R3

0

ðể giảm bớt hệ số khuếch ñại của mạc người ta sử dụng biện pháp hồi tiếp âm Nghĩa là lấy một phần tín hiệu ra quay trở về ñầu vào ñảo của bộ khuếch ñại thuật toán

Trong sơ ñồ trên ta có: dòng ñiện qua R1:

I =

1

v R V

Trở kháng vào bằng vô cùng nên dòng ñiện I này sẽ chạy qua Rf và ñiện áp Vr qua nó

sẽ là:

Vr = -R2.I Thay giá trị của I vào ta ñược:

Vr =

-1

v 2 R

V R

Hệ số khuếch ñại:

K =

v

r V

V

=

-1

2 R R

Với bộ khuếch ñại thực trở kháng vào không bằng vô cùng nhưng cũng có thể chấp nhận ñược

- Mạch khuếch ñại không ñảo

Sơ ñồ nguyên lý:

-+

U4A

TL082A

3

2

1

-12

R1

R2

Ur

0

Uv

ðể ổn ñịnh mạch khuếch ñại một phần tín hiệu ra ñược lấy quay trở về ñầu vào ñảo (hồi tiếp âm)

Tương tự từ tính chất trở kháng vào băng vô cùng, có thể thấy rằng dòng chảy qua R2

sẽ bằng dòng chảy qua R1 R1 và R2 sẽ tạo thành mạch phân áp ñối với Vr

Từ ñó suy ra hệ số khuếch ñại:

K =

v

r V

V

= 1+

1

2 R R

Từ công thức trên có thể thấy rằng hệ số khuếch ñại của mạch khuếch ñại không ñảo

có thể nhỏ hơn , hệ số này chỉ bằng 1 khi R2 = 0 và R1 bằng vô cùng

-Mạch so sánh:

1.2.3 IC tạo dao ñộng NE555

Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh ñiện áp, mạch lật và transistor ñể xả ñiện Cấu tạo của IC ñơn giản nhưng hoạt ñộng tốt Bên trong gồm 3 ñiện trở mắc nối tiếp chia ñiện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên ñiện áp chuẩn ðiện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và ñiện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi ñiện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF ñược kích Khi ñiện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF ñược reset

Cấu tạo bên trong của IC 555:

Giải thích sự dao ñộng:

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC Mạch FF là loại

RS Flip-flop,

mở dẫn, cực C nối ñất Cho nên ñiện áp không nạp vào tụ C, ñiện áp ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset

Giai ñoạn ngõ ra ở mức 1:

Khi bấm công tắc khởi ñộng, chân 2 ở mức 0

Vì ñiện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S = [1],

công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức

nguyên trạng thái ñó

Giai ñoạn ngõ ra ở mức 0:

Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q =

Kết quả cuối cùng:

cung cấp cho IC có thể sử dụng từ 4,5V ñến 15V , ñường mạch mầu ñỏ là dương nguồn, mạch mầu ñen dưới cùng là âm nguồn

Tụ 103 (10nF) từ chân 5 xuống mass là cố ñịnh và có thể bỏ qua ( không lắp cũng ñược )

Khi thay ñổi các ñiện trở R1, R2 và giá trị tụ C1 bạn sẽ thu ñược dao ñộng có tần số

và ñộ rộng xung theo ý muốn theo công thức

T = 0.7(R2 + 2R3)C1

f =

( 2 2 3). 1

4

.

1

C R

R +

T = Thời gian của một chu kỳ toàn phần tính bằng (s)

f = Tần số dao ñộng tính bằng (Hz)

Chương 2 THIẾT KẾ

2.1 Sơ ñồ khối của máy phát tín hiệu hồng ngoại:

Giải thích sơ sồ khối máy phát:

Phát tín hiệu

Dao ñộng

nguồn ñiện

Khối nguồn :

khối này có nhiệm vụ tạo ra nguồn ñiện ổn ñịnh cung cấp cho mạch ñiện

Khối dao ñộng:

Khối này có nhiệm vụ tạo ra sóng mang tần số ổn ñịnh, sóng mang này sẽ mang tín hiệu hồng ngoại truyền ra môi trường ñược xa hơn

Khối phát tín hiệu:

Biến ñổi tín hiệu ñiện thành tín hiệu hồng ngoại phát ra môi trường

2.2 Sơ ñồ khối của máy thu tín hiệu hồng ngoại:

Giải thích sơ ñồ khối máy thu:

Chức năng của máy thu là thu ñược tín hiệu ñiều khiển từ máy phát, loại bỏ sóng mang, từ ñó ñưa ñến khối chấp hành

LED thu :

Thu tín hiệu hồng ngoại do máy phát truyền tới và biến ñổi thành tín hiệu ñiều khiển

Khối khuếch ñại:

Có nhiệm vụ khuếch ñại tín hiệu ñiều khiển lớn lên từ LED thu hồng ngoại vì trong quá trình truyền ñi tín hiệu sẽ bị suy hao

Khối chỉnh lưu:

Khối này có chức năng chỉnh lưu dòng ñiện ổn ñịnh hơn

Khối so sánh:

So sánh tín hiệu từ ñó ñưa ra tín hiệu tới khối chấp hành

Khối chấp hành:

ðây là khối cuối cùng tác ñộng trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ ñiều khiển mong muốn

2.3 Sơ ñồ nguyên lý máy phát:

Thu nhận

Tín hiệu

Khuếch ñại

Chỉnh lưu

So Sánh

Chấp hành

Nguyên lý họat ñộng:

Sau khi cấp nguồn ñiện, linh kiện HG-11F chuyên dùng ñể phát hồng ngoại ñược cấp ñiện sẽ làm việc Linh kiện này sẽ phối hợp với bộ tạo dao ñộng có thể sinh ra một tín hiệu có tần số dao ñộng 38kHz, giúp cho led phát tia hồng ngoại ra ngoài ñược xa hơn

ðể tạo ñược tần số 32 KHz ñến 38KHz ta chọn:

R2 = 1 kΩ ; R3 = 20 kΩ ; C1 = 1nF

Thiết bị phát :

Là một LED hồng ngoại Khi mã lệnh có giá trị bit =’1’ thì LED phát hồng ngoại trong khoảng thời gian T của bit ñó Khi mã lệnh có giá trị bit=’0’ thì LED không sáng Do ñó bên thu không nhận ñược tín hiệu xem

như bit = ‘0’

Khối tạo xung vuông sử dụng IC555 tạo ra tín hiệu ‘1’ và ‘0’ làm cho led phát tín hiệu hồng ngoại có dạng xung vuông

2.4 Sơ ñồ nguyên lí máy thu:

3

8 4

1

· Phân tích sơ ñồ nguyên lý máy thu

2.3.1 Mạch thu tín hiệu hồng ngoại

+5

+12

-+

U4A

TL082A

3 2

1

-12

Q4 PHOTO NPN

R10 100

Ur

Khi thu ñược tín hiệu hồng ngoại ñiện áp ra ở chân C của led thu hồng ngoại ở mức thấp.Ngược lại Khi không thu ñược tín hiệu hồng ngoại ñiện áp ra ở chân 1 của led thu hồng ngoại ở cao ðiện trở R là ñiện trở hạn dòng cho led thu hồng ngoại

Tín hiệu thu ñược tại chân colector của phototransistor

2.3.2 Mạch chỉnh lưu

R3 10k

D1

1N4148 C2 10MF

+5

+12

-+

U4A

TL082A

3 2

1

-12

Q4

PHOTO NPN

R10 100 Vin

Vr Vc

Tín hiệu sau khi qua mạch khuếch ñại ñược cho qua mạch chỉnh lưu chỉnh lưu tạo dòng ñiện ổn ñịnh Khi Vin > 0 và Vin > Vc thì diode thông và dòng ra của bộ khuếch ñại thuật toán nạp ñiện cho tụ C cho tới khi ñiện áp của tín hiệu vào (ñiện áp ñỉnh) Vc

= Vinmax Nếu sau ñó Vin giảm, diode ngắt và tụ C phóng ñiện qua ñiện trở ngược của diode và tạo dòng tải it Nếu ñiện trở ngược của diode và ñiện trở vào của khuếch ñại thuật toán lớn thì ñiện áp trên tụ C là ñiện áp ñỉnh có giá trị ổn ñịnh

ðiện áp thu ñược tại ñầu ra của khuếch ñại thuật toán có dạng:

ðiện áp sau khi qua mạch chỉnh lưu:

2.3.3 Mạch tạo áp chuẩn

VR3 20K

R1 100

D4 DZ1 +5

Chọn diode zener ổn áp 3V và dòng ñiện I = 25mA suy ra :

R1 = (5-3)/0.025 = 80Ω

ðể thay ñổi ñiện áp so sánh ta chỉnh biến trở VR3.Chọn VR3 = 20kΩ

2.3.4 Mạch so sánh

VR3 20K

2

+5

R7 1k

D3 LED +12

-+

U4B

TL082A

5

6

7

Q2 A1015

3

R8 4.7k

-12

Uin

Ur

R1

220

D4

DZ1

+5

ðiện áp ở chân 5 của opamp là cố ñịnh.Khi ñiện áp vào chân 6 của TL082 lớn hơn ñiện áp ở chân 5 của TL082 thì TL082 bão hòa âm transistor Q2 dẫn ñiện, áp ra Ur ở mức thấp

Khi ñiện áp vào chân 6 của TL082 nhỏ hơn ñiện áp ở chân 5 của TL082 thì TL082 bão hòa dương transistor Q2 không dẫn, ñiện áp ra Ur ở mức cao

2.3.5 Mạch chấp hành

U2

NE555

OUT 3

RST 4

VCC 8

CV 5

TRG

2 THR 6

DSCHG 7

Ur R9

20k

C3 220MF

Q3 C828 R11

220

LS1

SPEAKER U3

NE555

OUT 3

RST 4

VCC 8

CV 5

TRG

2 THR 6

DSCHG 7

R12 56k

R13 15k

C4 0.01MF

Mạch trên làm nhiệm vụ phát ra tiếng còi hụ khi có tín hiệu Ur tác ñộng vào chân 4 của IC555 thứ nhất

Trong mạch này ta sử dụng IC LM555 ñể tạo âm thanh phát ra có các âm sắc khác nhau Tiếng cói hụ này tạo âm thanh nghe rất kích thích và thường ñược nhiều người sử dụng làm tín hiệu cảnh báo

IC LM555 thứ 2 tạo thành mạch dao ñộng âm cao, chọn tần số ra của LOA là 1KHz

Ta có:

( 1 2 3) 4 693

, 0

1 C R R

f

+

=

Chọn tụ C4 = 0,01µF

R12 = 56kΩ R13 = 56kΩ

IC LM555 thứ 1 cũng lắp thành mạch dao ñộng có tần số nhỏ ñược xác ñịnh bởi công thức:

( )2 3 693 , 0

1 C R

f =

Chọn C3 = 220µF

R9 = 20kΩ Xung lấy ra trên tụ C3 có dạng sóng răng cưa, chúng ta cho tín hiệu này tác ñộng vào chân 5 của IC LM555 thứ 2, ñiều này làm ñiều chế tần số lên tín hiệu ra loa làm cho âm thanh ra có nhiều dạng âm sắc khác nhau

2.5 Nguyên lí hoạt ñộng

Sơ ñồ nguyên lí của mạch chống trộm bằng tia hồng ngoại:

1 3

- +

8 4

5 6

8 4

2 1

Nguyên tắc hoạt ñộng của mạch:

Khi cấp nguồn ñiện cho mạch, mạch phát tín hiệu hồng ngoại phát ra tín hiệu hồng ngoại có tần số 38khz,tín hiệu này sẽ ñược led thu hồng ngoại thu nhận và biến ñổi thành tín hiệu ñiện

Dạng sóng tín hiệu của bên phát:

Dạng sóng tín hiệu sau khi led thu hồng ngoại:

Dạng sóng tín hiệu khi qua khuếch ñại thuật toán :

Tín hiệu sau khi thu nhận cần một thời gian ñể phục hồi ñiện áp.ðiện áp sau ñó ñược ñưa qua bộ chỉnh lưu nhằm tạo ñiện áp ổn ñịnh.ðiện áp có dạng :

ðiện áp này ñược ñưa tới bộ so sánh ñể so sánh với ñiện áp chuẩn.Khi qua bộ chỉnh lưu ñiện áp này có giá trị là 5V lớn hơn ñiện áp ổn ñịnh là 3V do ñó khuếch ñại thuật toán bão hòa âm transistor A1015 dẫn, ñiện áp ở chân 4 của NE555 ở mức thấp do ñó NE555 không hoạt ñộng, loa không phát âm thanh

Khi có người ñi qua led thu không nhận ñược tín hiệu hồng ngoại trong một khoảng thời gian, sau ñó led lại nhận ñược tín hiệu hồng ngoại mạch ñiện cần một khoảng thời gian ñể ñạt ñược ñiện áp bằng ñiện áp ñỉnh là 5V Trong khoảng thời gian ñó khuếch ñại thuật toán bão hòa dương transistor A1015 tắt ñiện áp ở chân 4 của NE555 ở mức cao do ñó NE555 hoạt ñộng, loa phát âm thanh

2.6 Sơ ñồ mạch in:

Sơ ñồ mạch in của mạch phát tín hiệu hồng ngoại:

Sơ ñồ mạch in của mạch thu tín hiệu hồng ngoại: