thiết kế bộ thu hồng ngoại để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình

luận văn về thiết kế bộ thu hồng ngoại để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình

Ví dụ: Lập trình cho vi xử lý vi điều khiển điều khiển mạch đèn giao thông,

hệ thống quản lý mạng, các thiết bị điện tử dân dụng…

ở nhóm ngành điện tử dân dụng thì vi xử lý, vi điều khiển đã thâm nhậpkhá nhiều vào lĩnh vực này Điều khiển từ xa là một ứng dụng điển hình của vi

xử lý, vi điều khiển trong cuộc sống của con ngời: trong kinh doanh, trongchăm sóc sức khoẻ, trong sinh hoạt thờng ngày… Ban đầu con ngời chỉ điềukhiển các thiết bị điện, điện tử thông qua việc đóng tắt các công tắc và hiệnnay với sự hỗ trợ của vi điều khiển ngời ta đã tạo ra các mạch điện để điềukhiển các thiết bị từ xa mà không cần phải đi lại, giảm bớt lao động chân tay.Với mong muốn góp phần nhỏ vào lĩnh vực này nhóm em đã chọn đề tài:

“ Thiết kế bộ thu hồng ngoại (thiết bị phát hồng ngoại là bộ điều khiển tivi

từ xa xủa hãng sony) để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình.”

II Mục đích

- Tìm hiểu nguyên lý làm việc của bộ thu phát hồng ngoại

- ứng dụng viết chơng trình và giao tiếp với tải

III Đối tợng nghiên cứu

- Họ vi điều khiển 89C51 ứng dụng trong ngành vi xử lý, vi điều khiển

để tạo ra những ứng dụng trong đời sống xã hội hiện nay

- Thiết bị phát hồng ngoại là điều khiển từ xa của hãng Sony

- Phần mền lập trình Pinnacle 52, phần mền mô phỏng Protues, phầnmềm vẽ mạch CircuitMaker

- Phần mềm mô phỏng và viết chơng trình trên máy

IV Phạm vi nghiên cứu

- Hệ thống cấu trúc của vi điều khiển 89C51 và tập lệnh của nó

- Các phần mềm mô phỏng và vẽ mạch

- Nguyên lý chung của bộ thu phát hồng ngoại

Phần II: Nội dung

Chơng 1: cơ sở lý thuyết1.1 Khái quát về điều khiển từ xa

điều khiển từ xa là quá trình điều khiển một đối tợng trong kỹ thuật màcon ngời có thể đứng từ xa điều khiển lại trong một khoảng cách nhất địnhbằng nút bấm hay phím bấm

Có rất nhiều phơng pháp điều khiển từ xa, nhng nguyên tắc chung của nó

là phải mã hoá thông tin dới dạng số hoặc điều tần Sau đó thông tin đợc gửi đibằng cách dùng sóng vô tuyến, sóng điện từ, sóng hồng ngoại Về lý thuyết ta

có sơ đồ khối của mạch điều khiển từ xa chung nh sau:

Hình 1-1: sơ đồ khối chung của mạch điều khiển từ xa

Nh vậy việc truyền thông tin sẽ không bị mất đi trong quá trình truyềnnhờ các sóng mang để đa thông tin Muốn đạt đợc điều này, thông tin phải đợc

Tớn hiệu

điệu khiển Trộn tớn hiệu khuyếch đại tớn hiệu khuyếch đại thu sửa dạng giải mó

OSC

mã hoá và giải mã một cách chính xác Nếu không thông tin sẽ bị nhiễu hoặckhông thu đợc.

Sử dụng sóng hồng ngoại có những u điểm sau:

+ Tính kinh tế

+ Mạch điện đơn giản, không cồng kềnh

+ Tính chống nhiễu cao

Hình 1-2: Sơ đồ khối của điều khiển từ xa dùng hồng ngoại

1.2 Giới thiệu về hồng ngoại.

1.2.1 Hồng ngoại là gì?

Hồng ngoại là sự bức xạ năng lợng với tần số thấp hơn tần số mà mắt tanhìn thấy, vì vậy chúng ta không thể nhìn thấy đợc Bớc sóng hồng ngoại vàokhoảng 0,8m 0,9m và có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng

1.2.2 Nguồn phát sóng hồng ngoại Thu sóng hồng ngoại.

1 Nguồn phát sóng hồng ngoại.

Thông thờng nguồn phát sóng hồng ngoại rất nhiều nh: Led hồng ngoại,lazer bán dẫn Tuy nhiên hiện nay led hồng ngoại đang đợc sử dụng rộng rãinhất là trong lĩnh vực điều khiển từ xa vì nó có hiệu suất lợng tử cao

*Led hồng ngoại:

- Cấu tạo: Vật liệu dùng để chế tạo led hồng ngoại là GaAs với độ rộngvùng cấm là 1,43 eV, tơng ứng với bức xạ khoảng 900 nm Cấu tạo của ledhồng ngoại đợc thể hiện ở hình 1.4 Trong một lớp fa epitaxy lỏng một lớp tinhthể hoàn hảo đợc mọc lên từ lớp nền N-GaAs với tính chất lỡngtính( amphotric) của tạp chất silic, lớp chuyển tiếp PN đợc hình thành tự động

trong quá trình epitaxy lỏng Bằng sự pha tạp với silic, ta có sự bức xạ vớiλ=950 nm Mặt dới của diode đợc chế tạo sao cho nh một chiếc gơng phảnchiếu tia hồng ngoại phát ra từ chuyển tiếp PN.

Với cách này ngời ta có thể chế tạo ra thang sóng giữa 850 và900nm

Và do đó có thể tao ra sự điều hởng sao cho led hồng ngoại phát ra bớc sóngthích hợp nhất cho diểm cực đại của các detector ( thiết bị thu sóng hồngngoại)

Hình 1-3: Cấu tạo led hồng ngoại

Một số ứng dụng của led hồng ngoại:

+ Dùng để làm thiết bị diều khiển từ xa

+ Truyền tin vô tuyến

+ Dùng làm công tắc hồng ngoại

+ Trong làm thiết bị truyền dữ liệu

Đặc trng kỹ thuật của led hồng ngoại:

Bảng 1-1: Một số led hồng ngoại thông dụng

2 Thiết bị thu sóng hồng ngoại:

Hiện nay trên thị trờng có nhiều thiết bị thu sóng hồng ngoại nh: Photodiode, cds Tuy nhiên với việc điều khiển từ xa thì hiện nay ngời ta sử dụng chủyếu là: Photo diode

Photo diode đợc dùng với tầng khuyếch đại có tổng trở cao Nó có đặc tínhsau:

Photo diode với điện thế ngợc

Hình 1-4 Điện áp ngợc trên photo diode.

- Tuy photo diode không nhạy sáng bằng quang trở CDS

(Cadimiumsunfide), nhng nó làm việc nhanh gấp nhiều lần Chính vì các đặc điểm

UR

+VV1

R1 D1

trên mà Photo diode luôn đợc dùng làm bộ thu phát điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại

* Cơ chế hoạt động của Phôt diode.

Tuỳ theo chế độ làm việc Photo diode có thể làm việc nh một diode bình ờng hay là một tế bào quang điện (Phôto cell) Với chế độ làm việc nh một tế bàoquang điện ta có thể coi nh một nguồn dòng với dòng quang điện Ip và mắc songsong với một tải R1 ta có sự liên hệ giữa điện áp và dòng điện nh sau:

th-.

V

n Vt S

I  I e 

Trong đó:

+ Ip là dòng quang điện

+ Is là dòng bão hoà

+ V là điện áp rơi trên diode

+ Vt=kT/e (điện áp tơng ứng với nhiệt độ)

+ n là hệ số Diode

Trong trờng hợp không đợc chiếu sáng Ip= 0 Phơng trình trên đợc rút gọnthành một phơng trình cho một diode bình thờng nh là đặc tuyến sau:

Hình 1-5: Đặc tuyến diode

**Độ nhạy của Photo diode với quang phổ

- Photo diode loại Germani và Silic có vùng quang phổ kéo dài từ 300

đến 1800 nm Chỉ có photo diode silic là quan trọng nhất Nó nhạy với ánhsáng thấy đợc và độ nhạy của nó nằm trong vùng hồng ngoại gần, rất phùhợp cho điều khiển từ xa với led loại GaAs

Ranh giới độ nhạy của photo diode bán dẫn bị hạn chế trong vùngsóng dài với λg bởi độ rộng vùng cấm Eg:

λg (nm) = hc/Eg = 1,24/Eg (Ev)

I

V

break down

V



Vơí nhiệt độ phòng Si có Eg = 1,2eV Do vậy λg = 1100 (nm) đờngphổ của Photo diode giảm theo bớc sóng ngắn, sóng ngắn bị hấp thụ mạnh,trong lớp sóng ngắn các đôi mang điện tích chỉ đợc sinh ra ở gần bề mặt củaphoto diode Tại đó vận tốc tái hợp rất lớn, các đôi hạt mang điện tích khôngthể góp phần vào dòng quang điện, do đó photo diode có lớp khuyếch táncàng mỏng và lớp chuyển tiếp PN càng gần bề mặt thì nó càng nhạy với sóngngắn.

- Photo diode loại PN và PIN :

Vơí cấu trúc PN ta có vùng điện tích không gian rất hẹp, ánh sángphần lớn đợc hấp thụ bởi vùng P và N Nh vậy dòng quang điện chỉ là dòngkhuyếch tán, sự khuyếch tán của các điện tích tơng đối chậm Một hạt điện

tử cần khoảng thời gian 3ns để khuyếch tán qua một lớp P dày 5àm và lỗtrống cần đến 15ns để khuyếch tán qua một lớp N có cùng độ dày Photodiode PN đợc dùng với các công việc không cần vận tốc nhanh và dòng tơng

đối thấp nh: đo cờng độ nhạy sáng, ngay cả dòng ánh sáng của các vì saocần một dòng tối thấp hơn 10-11 A/mm2 Tế bào quang điện nằm trong nhómPhoto diode loại PN

Với Photo diode loại PIN ánh sáng đợc hấp thụ phần lớn trong vùng

điện tích không gian Photo diode loại này dùng làm vận tốc nhanh, để cóvùng điện tích không gian có độ rộng lớn ta cần bán dẫn loại tinh khiết -intrinsic- (có độ pha tạp P hay N yếu) nh là vật liệu chính

- Để Phôto diode làm việc nhanh cần phải gia tăng điện áp ngợc để các hạtmang điện tích bị kéo đi trong vùng điện tích không gian với điện tích bãohoà V

- Trong Si và Ge với điện trờng khoảng 20000 V/cm ta có vận tốc bão hoà V

từ 5.106 đến 1.107 cm/s các hạt điện tích xuyên qua

- Lớp điện tích dầy 5àm chỉ cần 50ps

Chơng 2: Giới thiệu và lựa chọn linh kiện

2.1.Giới thiệu về vi điều khiển 89XX- 89C2051.

2.1.1 Giới thiệu chung về họ vi diều khiển 89xx

Bộ vi điều khiển 89xx là phiên bản của họ 8051 Phiên bản này do hãngAtmel Coporation sản xuất Phiên bản này có ROM trên chip là bộ nhớFlash( Vi mạch nhớ lập trình ) Phiên bản này rất thích hợp cho các ứngdụng nhanh vì bộ nhớ Flash có thể xoá trong vài giây( không phải mất 20phút nh 8751) Dĩ nhiên là để dùng 89xx cần phải có một bộ đốt ROM hỗtrợ bộ nhớ Flash, song lại không cần bộ xoá ROM vì bộ nhớ Flash đợc xoábằng bộ đốt PROM Tuy nhiên để tiện sử dụng hiên nay hãng Atmel đangnghiên cứu một phiên bản của họ 89xx có thể lập trình qua cổng COM củamáy vi tính IBM PC và nh vậy sẽ không cần bộ đốt PROM

Bảng 2.1:Các phiên bản của 8051 do hãng At mel sản xuất

Nh vậy có thể thấy rằng các thành viên của họ 89xx hoàn toàn giống với họ

8051 chỉ khác nhau về số chân (số cổng) và dung lợng bộ nhớ.(dung lợng bộnhớ ROM, RAM)

Bảng 2.2: Các đặc tính của 8051

** Sơ đồ khối của 8051:

Ngắt ngoài

Hình 2-1 : Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển 8051

Do sự phát triển của kĩ thuật ngày càng đòi hỏi các sản phẩm ngày càng nhỏgọn và tinh vi Vì vậy các phiên bản của 8051 ra đời trong đó có phiên bảnAT89XX với tính năng u việt hơn so với 8051:

+ AT98XX rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh Đặc biệt AT89C51-12PCrất thích hợp cho các thử nghiệm của học sinh, sinh viên

+ AT89XX có thể xoá và lập trình lại

+ AT89XX có nhiều loại phù hợp thị hiếu của ngời dùng

- Với yêu cầu của đồ án cũng nh cách thức lựa chọn bộ vi điều khiển sao cho phùhợp với việc thiết kế cũng nh cách thức sử dụng của một sản phẩm bất kì ta phảichú ý những tiêu chuẩn sau:

a Đáp ứng yêu cầu tính toán một cách hiệu quả và đảm bảo tính kinh tế chứatrong sản phẩm của mình nh: tốc độ của vi điều khiển, kiểu đóng vỏ, công suấttiêu thụ, dung lợng, số chân, khả năng dễ dàng mà hiệu quả, giá thành

đk ngắt

cpu

osc

Rom Onchip

Ch ơng Trình

Bus điều khiển

Ram onchip

4 cổng vào ra

Cổng nối tiếp

P

0 P

1 P

2 P3

Etc

Time0 Time1

b Nó phải có sẵn các công cụ phát triển phần mềm nh: Trình biên dịch, trình hợpngử và gỡ rối.

c Nguồn cung cấp bộ vi điều khiển phải có nhiều và tin cậy

* Từ tiêu chuẩn trên mà nhóm chúng em đã quyết định sử dụng vi điều khiểnAT98C2051 để viết mã nguồn trơng trình cho bộ điều khiển từ xa mà nhóm đangthực hiện với những lý do sau:

+ AT89C2051 có thể xoá và lập trình lại, thích hợp cho việc thử nghiệm, giáthành phù hợp

+ AT89C2051 dung lợng, tốc độ phù hợp với yêu cầu của đồ án

+ Số lợng chân và kiểu đóng vỏ nhỏ gọn phù hợp cho việc chế tạo phần cơ khí.+ Số lợng lu thông trên thị trờng nhiều

Nếu ta sử dụng AT89C51 thì mạch điện sẽ cồng kềnh( 40 chân), dung lợng bộnhớ lớn dẫn đến lãng phí( ảnh hởng kinh tế) Còn nếu sử dụngAT89C1051 thì sốlợng trên thị trờng lại ít dẫn đến khó áp dụng vào thực tế

2.1.2 Giới thiệu về AT89C2051

2.1.2.1 Những đặc tính cơ bản.

Hình 2.2: Hình dáng bên ngoài của AT89C2051

AT98C2051 là loại vi điều khiển đợc chế tạo theo công nghệ CMOS tức là:

nó có khả năng làm việc nhanh, tiêu thụ rất ít năng lợng, có khả năng chốngnhiễu cao

+ ROM : 2Kbyte Flash ROM

+ Trực tiếp điều khiển các led ở đầu ra bởi các bit định sẵn

+ RAM nội: 128 x 8- bit

+ Có 15 đờng xuất nhập

+ Khả năng lập trình tuần tự bằng kênh UART.

+ Có 2 bộ so sánh Analog tích hợp sẵn trê chíp

+ Chế độ nguồn thấp Idle v chế độ nguồn giảm.à chế độ nguồn giảm

+ Trong bộ nhớ có chứa thớc đo so sánh tín hiệu tơng tự

2.1.2.2 Cấu hình chi tiết.

Bảng 2.3: Các cổng của AT89C2051

Port 3 cũng nhận đợc tín hiệu điều khiển từ Flash

RST : Xác lập lại trạng thía ban đầu Tất cả các chân I / O đợc thiết lập lên mức

1 sau khi RST ở mức cao Mỗi chu kỳ cần 12 dao động

XTAL1 : Ngõ vào bộ khuếch đại đảo chiều và ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip

XTAL2: Ngõ ra từ bộ khuếch đại đảo chiều

b. Các đặc tính mạch dao động.

XTAL1v XTAL2 lần là chế độ nguồn giảm ợt là đầu vào và đầu ra của 1 bộ khuếch đại đảo đợc cấu hình làm mạch dao động trên chip, đợc chỉ ra trong hình minh họa Hoặc 1 tinh thể thạch anh hoặc mạch cộng hởng gốm đợc sử dụng Để điều khiển thiết bị này từ 1 nguồn xung clock bên ngo i, XTAL2 đà chế độ nguồn giảm ợc thả nổi (không kết nối) trong khi XTAL1 đợc điều khiển.(nh hình 2.4) Không có yêu cầu nào về chu kỳ nhiệm

vụ của tín hiệu xung clock bên ngo i, vì để đầu vào này đến đà chế độ nguồn giảm ợc mạch tạo xung clock bên trong chip phải đi qua 1 flip-flop chia-2, nhng các chi tiết kỹ thuật về thời gian mức cao v mức thấp, điện áp cực tiểu và cực đại phải đà chế độ nguồn giảm ợc xem xét

Hình 2.4: Mạch dao động của AT89C2051

c Sơ đồ khối của chip

- Sau khi tiÕn hµnh so¹n th¶o vµ biªn dÞch trªn phÇn mÒm ta tiÕn hµnh n¹p

tr-¬ng tr×nh tõ m¸y xuèng IC vi ®iÒu khiÓn

2.2 Các tập lệnh bộ vi xử lý 8051

2.2.1 Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu

Quy ớc: # Data: toán hạng định địa chỉ tức thời

Direct : Toán hạng định địa chỉ trực tiếp

@Ri : Toán hạng định đia chỉ gián tiếp

Rn : Toán hạng định địa chỉ thanh ghi

Thực hiện nhân nội dung thanh ghi A với nội dung thanh ghi B

Kết quả: Byte thấp lu trên thanh ghi A

Byte cao lu trên thanh ghi B

 Lệnh chia DIV

Thực hiện chia nội dung thanh ghi A với nội dung thanh ghi

Kết quả: Phần nguyên lu trên thanh ghi A

 Lệnh hoặc tuyệt đối

 Lệnh xoá thanh ghi A

NÕu A 0 thùc hiÖn lÖnh tiÕp theo

b Nhãm lÖch rÏ nh¸nh cã ®iÒu kiÖn

 LÖnh JNZ

Thùc hiÖn kiÓm tra néi dung thanh ghi A

*A0 NÕu A=0 thùc hiÖn lÖnh tiÕp theo

- Nếu TH=0 thì thực hiện lệnh tiếp theo.

2.3 Giới thiệu các linh kiện khác.

2.3.1 Khối điều khiển từ xa.

1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ điều khiển từ xa.

- Phát ra tín hiệu điều khiển

- Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết

- Tổ hợp xung thành mã

- Phát các tổ hợp mã đến điểm chấp hành

- ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận đợc mã phải biến đổi các mãnhận đợc thành các lệnh điều khiển và đa đến các thiết bị

2 Cấu trúc chung hệ điều khiển từ xa.

Có rất nhiều phơng pháp điều khiển xa nhng nguyên tắc chung là phảitruyền dữ liệu không đồng bộ tức là phải thực hiện các quá trình nh mã hoá,giải mã thông tin dới dạng số hay điều tần Thông tin đợc gửi đi nhờ các sóngmang nh hồng ngoại, sóng từ trờng hay laze… từ đó bên thu có thể thực hiệncác chức năng khác nhau

Hình 2.6: Sơ đồ khối chung của khối điều khiển từ xa

- Phần phát có nhiệm vụ thu thập các tín hiệu điều khiển sau đó xử lý chúng

- Phần thu là nơi nhận các tín hiệu gửi tới sau đó giải mã lệnh và đa tới các

đầu ra để thực hiện các yêu cầu thông qua các phần tử chấp hành

3 Sơ đồ khối của bộ điều khiển từ xa

a.Sơ đồ khối

a) Bộ phát từ xa

b) Bộ thu từ xa Hình 2.7: Sơ đồ khối của bộ điều khiển từ xa

b Nhiệm vụ từng khối.

* Khối phát

Khối phát có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hoá và phát tín hiệu

đến máy thu, lệnh truyền đi đã đợc điều chế

- Khối bàn phím điều khiển:

Khối này có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển từ nút nhấn (phím điềukhiển) Khi một phím đợc nhấn tức là một lệnh đợc tạo ra Lệnh này đợc đa tớikhối lấy mã điều khiển

- Khối lấy mã điều khiển: Nhận tín hiệu điều khiển từ bàn phím và đa đếnkhối mã hoá tín hiệu

- Khối mã hoá: Để truyền các tín hiệu khác nhau đến máy thu mà chúngkhông lẫn nhau, ta phải tiến hành mã hoá các tín hiệu (lệnh điều khiển) Khối

89C2051

Bàn phím

Trộn tần

Khuếch