đồ án kỹ thuật điện điện tử Mạch chống trộm sử dụng ánh sáng hồng ngoại

Điện trở a- Khái niệm Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điệntử,chúng có tác dụng cản trở dòng điện, tạo sự sụt áp để thực hiện chức năng tuỳtheo

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Linh kiện điện tử thụ động 4

1.1.1 Điện trở 4

1.1.2 Tụ điện 5

1.1.3 Loa điện động 7

1.2 Linh kiện điện tử tích cực 10

1.2.1 Điode 10

1.2.2 Transitor lưỡng cực 13

1.3 Một số linh kiện quan trọng sử dụng trong đề tài 16

1.3.1 IC NE555 16

1.3.3 LED thu phát hồng ngoại 19

1.4 Khái niệm về tia hồng ngoại 19

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ MẠCH VÀ THỰC NGHIỆM 21

1 Nguyên lý hoạt động của mạch thu phát hồng ngoại 21

1.1 nguyên lý hoạt động của mạch phát hồng ngoại 21

1.2 Nguyên lý hoạt động của mạch thu tín hiệu 23

2 Thiết kế mạch chống trộm 26

2.1.Khối phát 26

2.2 Khối thu 27

2.3 Loa phát tín hiệu 27

Chương III: KẾT LUẬN CHUNG 28

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng yên, ngày … tháng … năm 2010

Giáo viên hướng dẫn

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay,sự phát trển mạnh mẽ của khoa học công nghệ,cuộc sống củacon người có những thay đổi ngày càng tốt hơn với nhưng trang thiết bị hiện đạiphục vụ công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Để có được thànhcông đó phải kể đến thành tựu của ngành kĩ thuật điện, được phát triển mạnh dựatrên những tiến bộ của ngành vật liệu điện tử và máy tính điện tử

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế chúng

em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo trong khoa giảng dạy về các

kiến thức chuyên ngành được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy Đặng Văn Khanh chúng em đã thiết kế đựơc “ mạch chống trộm sử dụng ánh sáng hồng ngoại”

Trong thực tế, nhu cầu sử dụng các sản phẩm tự động của con người ngàycàng lớn Các thiết bị trong gia đình cần phải được bảo vệ Với mạch điềukhiển thu phát bằng ánh sáng hồng ngoại,chung ta có thể biết được khi trộm lạigần đồ vật của chúng ta

Cùng với sự nỗ lực của bản thân nhưng do thời gian kiến thức và kinhnghiệm còn có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu xót Chúng em rấtmong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đónggóp và phát triển thêm đề tài

HưngYên, ngày 20 tháng 03 năm2010 Nhóm sinh viên thực hiện:

Đỗ Thanh Tùng

Vũ Hữu Tuyến

Lê Hoàng Việt

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Linh kiện điện tử thụ động

1.1.1 Điện trở

a- Khái niệm

Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điệntử,chúng có tác dụng cản trở dòng điện, tạo sự sụt áp để thực hiện chức năng tuỳtheo vị trí của điện trở trong mạch

 Điện trở màng kim koại

 Điện trở oxit kim loại

 Điện trở dây quấn

c- Đặc điểm của điện trở

- Điện trở làm việc phụ thuộc vào nhiệt độ của nó, do đó trị số thay đổi khi

có dòng chảy qua do có hiện tượng biến đổi năng lượng điện thành năng lượngnhiệt trên thân điện trở

- Giá trị điện trở còn thay đổi theo thời gian hay trong những điều kiện đặcbiệt theo tần số tín hiệu xoay chiều tác động lên nó

- Khi có hai hay nhiều điện trở R1, R2, , Rn mắc nối tiếp nhau thì giá trịđiện trở tổng cộng bằng tổng các điện trở riêng rẽ:

RR1 R2  Rn

Khi đó: I=I1=I2= =In

U=U1+U2+ +Un

- Khi mắc hai hay nhiều điện trở R1,R2, , Rn song song thì điện trởtương đương của chúng được tính bởi:

R R R Rn

1

2

1 1

1 1

b- Phân loại tụ điện

Có rất nhiều phương pháp phân loại, ở đây ta phân loại dựa trên cơ sở chấtchế tạo bên trong tụ diện thì có các loại sau :

- Nhóm tụ mica, tụ selen, tụ cemamic nhóm này làm việc ở khu vực tần sốcao tần

- Nhóm tụ sứ, sành.giấy dầu: nhóm này hoạt động ở khu vực tần số trungbình.

- Tụ hóa làm việc ở khu vực tần số thấp

c- Đặc điểm tụ điện

- Dùng để tích điện, và xả điện, chỉ cho tín hiệu xoay chiều đi qua,ngăn dòng một chiều

- Khả năng nạp, xả điện nhiều hay ít phụ thuộc vào điện dung C của tụ

- Đơn vị đo điện dung của tụ ở mạch: pF(picro Fara),nF(nano Fara),(micro Fara) điện tử gồm

- Khi sử dụng tụ phải quan tâm đến hai thông số :

Điện dung: Cho biết khả năng chứa điên của tụ

Điện áp: cho biết khả năng chịu đựng của tụ

- Ghép nối tiếp: Các tụ C1, C2, , Cn ghép nối tiếp thì điện dung tươngđương C của bộ tụ có giá trị xác định bởi :

n

C C

C

C

1

Hình 1.3 : Mô phỏng sơ đồ mạch điện và cấu tạo loa tĩnh điện

b- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Loa điện động hoạt động dựa trên nguyên tắc một cuộn dây đặt trong một từtrường mạnh của nam châm Khi có dòng điện âm tần chạy qua, cuộn dây sẽ dao

động Do cuộn dây được nối với màng loa nên các dao động này được truyền rakhông khí, tác động vào người nghe.

Dù thuộc thể loại nào thì loa cũng phải có một bộ phận quan trọng gọi là

màng rung (hoặc màng loa) Màng rung là nơi âm thanh được phát ra để đến với

tai người nghe Tuỳ từng loại loa khác nhau mà nguyên lý làm rung màng rung làkhác nhau

Đa số các loa màng rung được gắn với một cuộn dây, cuộn dây này được định

vị trong khe hẹp có từ trường mạnh được sinh ra giữa hai cực của một nam châm vĩnh cửu Khi cho dòng điện tín hiệu đi qua cuộn dây thì cuộn dây xuất hiện lực

từ làm rung nó, sự rung động của cuộn dây sẽ làm chuyển động màng loa

Do hạn chế riêng về cấu tạo, mỗi loại loa điện động theo nguyên lý sử dụngnam châm điện vĩnh cửu thường chỉ phát được âm thanh tốt nhất ở một dải tầnnhất định nào đó mà không thể phát toàn dải âm nghe được (16 Hz đến 20.000Hz)

 Ở dải tần thấp, âm thanh cần có biên độ lớn để tai người cảm nhận được,màng loa phải có cấu tạo kích thước rộng, các cuộn dây có biên động giaođộng lớn trong khe từ

 Ở dải tần cao, để đáp ứng sự giao động nhanh và liên tục, màng loa phải

Các bộ phận khác rất khác nhau tùy thuộc vào từng loại loa, sẽ được trình bày tạitừng loại loa riêng biệt

c- Phân loại và các thông số của loa

- Phân loại

+ Loa nén

Loa nén hay còn gọi là loa nón là loại loa dùng để trang âm cho một vùng

rộng lớn

Loa nén có hệ thống cộng hưởng âm thanh qua 3 lần trước khi phát ra ngoài Tại vị trí màng rung được thiết kế buồng khép kín chỉ có một đoạn ống hình loe ra phía ngoài kéo dài một đoạn, cuối đoạn ống có một đoạn ống cũng hình loe được úp ngược lại và cuối cùng đoạn loe khép ngược là một vách loa cuối cùng loe rộng ra ngoài như ta thường thấy

Loa nén thường được sử dụng nhiều nhất trong việc truyền thông tin đại chúng (như các đài phát thanh phường, xã), dùng trong các xe cứu thương, cảnh sát, dùng cầm tay hoặc trang bị trên các xe mô tô cảnh sát

+ Loa thông dụng

Loa thông dụng là các loa dùng phát âm thanh thuộc thể loại âm nhạc.Chúng gồm nhiều thể loại phục vụ riêng cho từng dải tần số khác nhau.Loa thông dụng thường có các loại màng loa có hình dạng và kích thước khácnhau cho các dải tần số phát khác nhau Màng loa có đường kính lớn thường choloa trầm và siêu trầm (bass), các màng loa đường kính trung bình cho dải tần sốmức trung bình và các màng loa nhỏ cho các loa có tần số cao (loa treble)

d-Thông số của loa

Loa điện động thường có các thông số cơ bản sau:

 Điện trở loa: Thường ký hiệu bằng ôm (Ω) xác định bằng ) xác định bằng điện trở của loakhi đo ở tần số 1 Khz

 Công suất danh định: Công suất điện, tính bằng VA hoặc W

 Dải tần tái tạo

1.2 Linh kiện điện tử tích cực

b-Đặc tuyến vol-ampe của diode

Nối tiếp diode bán dẫn với một nguồn điện áp ngoài qua một điện trở hạn

dòng theo sơ đồ sau: (diode được phân cực thuận)

E

Thay đổi điện áp ngoài và đo dòng điện qua diode ta thu được đặc tuyến Ampe của diode bán dẫn như sau:

Von-0.2 0.4 0.6 5

10 15

20 40 60 80

Hình 1.6 : Đặc tuyến Von-Ampe của diode bán dẫn

Đặc tuyến Von-Ampe của diode được chia làm 3 vùng:

 Vùng 1: Ứng với trường hợp phân cực thuận, điện áp nhỏ, dòng điện lớn,điện trở nhỏ ()

 Vùng 2: Diode phân cực ngược ( khoá), điện áp vài chục đến vài trăm vol,dòng điện nhỏ và điện trở lớn (K)

 Vùng 3: Vùng đánh thủng, dòng điện tăng đột ngột, điện áp hầu nhưkhông tăng Nguyên nhân do nhiệt độ quá cao hoặc điện áp ngược quá lớndẫn đến diode mất tính chất van dẫn điện theo hai chiều

Các tham số giới hạn của diode :

 Điện áp ngược cực đại để diode còn thể hiện tính chất van (chưa bị đánhthủng): Ungcmax( thường giá trị Ungcmax chọn khoảng 80% giá trị điện ápđánh thủng Udt

 Dòng điện cho phép cực đại qua van lúc mở: I Acf

 Công suất tiêu hao cực đại cho phép trên van để chưa bị hỏng vì nhiệt: P

Acf

 Tần số giới hạn của điện áp (dòng điện) đặt lên van để nó còn có tính chấtvan: fmax

c-Diode phát quang (Led)

Hình 1.6: Hình dạng diode phát quang

Khi một diode được phân cực thuận, các điện tử từ bán dẫn loại n sang lấpđầy lỗ trống trong bán dẫn loại p tạo ra dòng điện thuận Đối với diode bìnhthường chế tạo từ Ge và Si thì sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tạo ra nănglượng dưới dạng nhiệt

Diode phát quang (LED) là loại diode dùng các chất bán dẫn đặc biệt nhưGa,As Với các chất này sự tái hộ điện tử và lỗ trống sẽ tạo ra ánh sáng

Tuỳ theo chất bán dẫn mà LED phát ra ánh sáng có màu khác nhau như vàng,xanh lá, đỏ, Điện áp ngưỡng của LED: Vz=1,72,2V Dòng điện: ID = 5mA

20mA

LED dùng trong các mạch chỉ thị, cho biết trạng thái của mạch như báonguồn, báo mức logic, báo âm lượng,

d-Ứng dụng của diode :

Dode được ứng dụng nhiều trong các mạch điện tử :

 Dùng để chỉnh lưu, ổn định điện áp

 Dùng hạn biến tín hiệu tránh được nhiễu

 Dùng để tách sóng tín hiệu ra khỏi sóng mang cao tần

 Dùng để chọn cộng hưởng đài

Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là ba cực :

- Cực nối với vùng bán dẫn chung được gọi là cực gốc (Base) viết tắt là B Vùng này rất mỏng (10Ao m) và nồng độ tạp chất rất thấp

- Hai cực nối với hai vùng bán dẫn ở hai bìa là cực phát Emitter (E) và cựcthu (còn gọi là cực góp) Collector (C) Hai vùng này có cùng loại bán dẫn nhưng có nồng độ tạp chất khác nhau nên không thể hoán vị cho nhau Vùng E có nồng độ tạp chất rất cao còn vùng C có nồng độ tạp chất lớn hơnvùng B nhưng nhỏ hơn vùng E

Hình 1.8: Cấu tạo của Transitor

b- Phân cực cho transitor

Muốn BJT làm việc như một phần tử tích cực thì phải đưa tới các cựccủa Transistor các mức điện áp một chiều có giá trị khác nhau gọi là phân cực.Quá trình phân cực phải thoả mãn các điều kiện sau :

 Chuyển tiếp Emitter-Base luôn phân cực thuận

 Chuyển tiếp Collector-Base luôn phân cực ngược

Nếu gọi UE , UB, UC lần lượt là điện thế của các cực Emitter, Base,Collector, căn cứ vào điều kiện phân cực thì giữa các điện thế này phải thoả mãnđiều kiện:

UE< UB< UC

Các phương pháp phân cực cho Transistor :

 Phân cực theo kiểu định dòng

 Phân cực theo kiểu điện áp phản hồi

 Phân cực theo kiểu tự phân cực

c- Các cách mắc và chế độ làm việc của transitor

- Cách mắc:

Tuỳ theo việc chọn cực nào làm điểm chung – tức là điểm có điện thế0V về xoay chiều cho cổng vào và cổng ra sẽ có 3 kiểu mắc Trasistor trongmạch:

- Kiểu base chung (BC): IElà dòng vào, IC là dòng ra, UEB là điện áp vào,

UEC là điện áp ra

- Kiểu emitter chung (EC): IB là dòng điện vào, UBE là điện áp vào, IC làdòng điện ra, UCE là điện áp ra

- Kiểu collector chung (CC): IB là dòng điện vào, IE là dòng điện ra, UBC

là điện áp vào, UEC là điện áp ra

Quan hệ giữa dòng điện và điện áp lối vào và ra cho ta các đường đặctuyến Vol-Ampe của Transistor

- Chế độ làm việc:

Transistor có cấu tạo như 2 diode (DBE và DBC ) mắc ngược nhau nêntransistor có 4 chế độ làm việc khác nhau:

- Chế độ khuếch đại khi DBE phân cực thuận (mở), DBC phân cực ngược(khoá).

- Chế độ khuếch đại đảo khi DBE khoá và DBC mở

- Chế độ bão hoà khi cả hai diode đều mở

- Chế độ cắt dòng khi cả hai diode đều khoá

Chế độ khuếch đại là điển hình nhất khi sử dụng BJT như một phần tửtuyến tính để khuếch đại tín hiệu xoay chiều trong khi chế độ bão hoà và cắtdòng là hai trường hợp giới hạn, BJT làm việc như một khoá điện tử với hai trạngthái phân biệt: dòng nhỏ, áp lớn thì cắt dòng còn khi dòng lón, áp nhỏ thì bãohoà

Ở chế độ khuếch đại yêu cầu cơ bản nhất là diode DBE phải mở với điệnáp rơi trên nó là 0,7V (Si) hay 0,3V (Ge), diode DBC phải khoá

1.3 Một số linh kiện quan trọng sử dụng trong đề tài

1.3.1 IC NE555

Hình 1.9 : Hình dạng thực tế và sơ đồ chan IC NE555a-Cấu tạo:

IC NE555 N gồm có 8 chân

-Chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC

- Chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng cáctransistor PNP Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3

- Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mứcvolt cao(gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)

- Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số

4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thìtrạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6

- Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩntrong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài chonối mase Tuy nhiên trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối massequa 1 tụ từ 0.01uF - 0.1uF, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức ápchuẩn ổn định

- Chân số 6(THRESHOLD) : là ngõ vào của 1 tầng so áp khác mạch sosánh dùng các transistor NPN mức chuẩn là Vcc/3

- Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem như 1 khóa điện và chịu điều khiểnbỡi tầng logic khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì

nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấpcho IC 555 trong khoảng từ +5v đến +15v và mức tối đa là +18v

b-Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của IC NE555N

Ký hiệu 0 là mức thấp(L) bằng 0V, 1 là mức cao(H) gần bằng VCC Mạch FF làloại RS Flip-flop,

Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra +Rb)C

- /Q = 0 > Transistor hồi tiếp không dẫn

* Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3:

- /Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !

- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C

nhảy xuống dưới 2Vcc/3

* Tụ C tiếp tục "XẢ" từ điện áp 2Vcc/3 > Vcc/3:

* Quá trình lại lặp lại

Kết quả: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ

ổn định

1.3.3 LED thu phát hồng ngoại

Led phát hồng ngoại bác có thể hoàn toàn đối xử với nó như led thường Với điện áp 5V thì điện trở hạn dòng xài 330 hoặc 470

Với led thu hồng ngoại bác nên xài loại vỏ hộp sắt giá khoảng 6000 đồng/cái loạinày chống nhiễu tốt Điện áp sử dụng là 5V

Led hồng ngoại có 2 loại: Thu và phát

- Loại phát có 2 chân, bạn thường thấy trong các loại Remote TV, đầu máy Loại này đơn giản chỉ cần cấp nguồn (phân cực thuận), hoặc cấp xung là nó phát

ra tia hồng ngoại (màu trắng trong hình dưới)

- Loại thu (2 chân hoặc 3 chân) Hoạt động của nó: Khi nhận được tín hiệu hồng ngoại thì nó dẫn (giống như 1 công tắc đóng mở mạch điện)

1.4 Khái niệm về tia hồng ngoại

- Ánh sáng hồng ngoại (tia hòng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy đượcbằng mắt thường ,có bước sóng khoảng từ 0.86 đến 0.98micromet tia hồngngoại có vận tốc truyền như vận tốc ánh sáng

- Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu Nó được úng dụngrộng rãi trong công nghiệp lượng thông tin có thể đạt 3 megabit/1s Lượng thôngtin dược truyền đi với anh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ

mà người ta vẫn thường dùng

-Tia hồng ngoài có khả năng suyên thấu kém trong điều khiển từ xa bằng ánhsáng hồng ngoại , trùm tia hồng ngoại phát đi hẹp.,có hướng , dó đó khi thuphải dúng hướng

- Sóng hống ngoại có nhứng đặc tính quan trong như ánh sáng thông thường ( sựhội tụ qua thấu kính , tiêu cự …)

- Ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng thông thường khác nhau trong sự suyên suốtqua vật chất Có nhứng vật ta có thể thấy nó dưới một máu sám đụcnhứngvới ánh sáng hồng ngoại nó trở nên suyên suốt.vì vậy vật liệu bán dấn “trongsuốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu đi khi nóvượt qua lớp bán dẫn để đi ra ngoài