tìm hiểu về ánh sáng hồng ngoại và ứng dụng vào điều khiển cấp nguồn cho các thiết bị điện

LỜI CẢM ƠN Khi bắt đầu nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu về ánh sáng hồng ngoại và ứng dụng vào điều khiển nguồn cho các thiết bị điện” tôi đã biết có những lúc gặp khó khăn về việc tìm tài li

CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN

GV hướng dẫn: Sinh viên: Võ Hoàng Duy

Vương Tấn Sĩ Lớp: Sư phạm Vật lý – Tin học K36

MSSV: 1100286

LỜI CẢM ƠN

Khi bắt đầu nghiên cứu đề tài “Tìm hiểu về ánh sáng hồng ngoại và ứng dụng vào điều khiển nguồn cho các thiết bị điện” tôi đã biết có những lúc gặp khó khăn về việc tìm tài liệu, những hạn chế về kiến thức, cũng như quá trình thi công thiết kế, nhưng qua quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của GVHD, sự cố gắng của bản thân cuối cùng tôi cũng hoàn thành xong đề tài “Tìm hiểu về ánh sáng hồng ngoại và ứng dụng vào điều khiển nguồn cho các thiết bị điện”

Đề tài này là vốn kiến thức và những kĩ năng quí báu cho tôi sau khi ra trường,

nó có ảnh hưởng rất lớn đến công việc học tập và giảng dạy của tôi sau này Vì thế tôi vô cùng biết ơn các thầy cô trường Đại học Cần Thơ mà đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Sư phạm Vật Lý đã tận tình giảng dạy cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến quí thầy cô

Đặc biệt với sự giúp đỡ của thầy Vương Tấn Sĩ tôi đã vượt qua những lúc khó khăn để hoàn thành đề tài, tôi xin chân thành cảm ơn thầy, trong suốt thời gian vừa qua đã giúp đỡ và động viên tôi, để tôi hoàn thành đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

A PHẦN MỞ ĐẦU 7

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 7

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 7

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 8

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 8

5 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH 8

B PHẦN NỘI DUNG 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỒNG NGOẠI 9

1 KHÁI NIỆM HỒNG NGOẠI 9

2 SỰ TÌM RA VÀ MỘT VÀI ỨNG DỤNG TỪ HỒNG NGOẠI 9

2.1 Sự tìm ra hồng ngoại 9

2.2 Một vài ứng dụng từ hồng ngoại 10

3 ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG HỒNG NGOẠI 10

3.1 Ưu điểm 10

3.2 Khuyết điểm 11

4 SO SÁNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG HỒNG NGOẠI VỚI ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN (RF) 11

CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG HỒNG NGOẠI 12

1 GIỚI THIỆU 12

2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 12

2.1 Hệ thống điều khiển từ xa 12

2.2 Kết cấu tin tức 12

2.3 Kết cấu của hệ thống 13

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 13

4 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG HỒNG NGOẠI 14

4.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại 14

4.1.1 Sơ đồ khối phát hồng ngoại 14

4.1.2 Sơ đồ khối máy thu 15

5 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN 16

5.1 Cặp IC thu và phát tính hiều hồng ngoại BL9148 và BL9149 16

5.1.1 IC BL9148 16

5.1.2 IC BL9149 20

5.2 Led phát quang – led phát hồng ngoại 24

5.3 Bộ thu hồng ngoại 24

5.4 IC HEF4013 26

5.5 Một số linh kiện khác: 27

5.5.1 IC KA7805 27

5.5.2 Relay 28

5.5.3 Transistor 29

6 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 32

6.1 Mạch phát 32

6.2 Mạch thu 35

6.3 Sơ đồ mạch in 38

CHƯƠNG III: CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ 39

1 PHẦN MỀM HỖ TRỢ VẼ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 39

2 PHẦN MỀM HỔ TRỢ VẼ MẠCH IN 47

C PHẦN TỔNG KẾT 54

1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 54

2 HẠN CHẾ 55

3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 55

PHỤ LỤC 57

1 CÔNG NGHỆ CMOS 57

1.1 Tổng quan IC LOGIC CMOS 57

1.1.1 Khái niệm: 57

1.1.2 Một số đặc tính quan trọng 57

2 MẠCH ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH 58

3 MẠCH PHÁT VÀ NHẬN TÍN HIỆU ÂM THANH BẰNG HỒNG NGOẠI 60

4 MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG RADIO (RF) 61

4.1 Giới thiệu mạch RF 61

4.2 Ưu điểm và nhược điểm so với điều khiển bằng hồng ngoại 62

Ưu điểm 62

4.3 Giới thiệu cặp IC PT2262/PT2272 62

4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch phát và mạch thu RF 64

4.4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch phát RF 64

4.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu RF 64

4.4.3 Một vài mạch điều khiển từ xa được thiết kế từ mạch RF 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014

GV hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014

GV phản biện

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp hiện đại như công nghệ thông tin, công nghệ truyền thông, cơ khí, động lực trong thời gian qua không thể tách rời với ngành điện tử Ngành điện tử đóng vai trò rất quan trọng, nó đã xâm nhập vào cuộc sống con người khá sớm từ những thiết bị đơn giản như đèn chiếu sáng, radio,…, đến những máy móc phức tạp và ứng dụng công nghệ cao như hệ thống camera, robot… Tất cả điều được ứng dụng rộng rãi và góp phần hiệu quả vào công việc giải phóng sức lao động của con người đưa con người hướng tới một thế giới công nghệ mới ngày càng hiện đại và tinh vi hơn

Trong sinh hoạt hằng ngày của con người như những trò chơi giải trí (robot, xe điều khiển từ xa…) cho đến những ứng dụng gần gủi với chúng ta cũng được cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất Điều khiển từ xa đã thâm nhập vào vấn đề này do đó cho ra đời những loại tivi điều khiển từ xa, đầu video, VCD, CD,… đến quạt bàn tất cả đều có thể được điều khiển từ xa Điều khiển từ xa là việc điều khiển mô hình, thiết bị ở một khoảng cách nào đó mà người dùng không nhất thiết phải đến nơi đặt hệ thống Thế giới ngày càng phát triển việc ứng dụng các thiết bị điều khiển tự động ngày càng được con người sử dụng trong đó có quá trình thu phát bằng hồng ngoại nó có độ chính xác và nhanh chóng trong quá trình điều khiển từ xa

Xuất phát từ những ý tưởng trên nên tôi đã chọn đề tài “Tìm hiểu về ánh sáng hồng ngoại và ứng dụng vào điều khiển nguồn cho các thiết bị điện” Với kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể quyển luận văn chưa được hoàn chỉnh lắm và còn nhiều thiếu sót

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Việc sử dụng các thiết bị điều khiển ngày nay trở nên khá phổ biến với tất cả mọi người, đặc biệt là điều khiển bằng hồng ngoại Vì vậy chúng ta cần nghiên cứu về ánh sáng hồng ngoại, các linh kiện hồng ngoại và nguyên lý hoạt động thu phát hồng ngoại để

hiểu rõ cách thức hoạt động và đồng thời có thể tự thiết kế và thi công một mạch điều khiển từ xa bằng hồng ngoại để phục vụ trong gia đình hay đời sống

Tìm hiểu những phần mềm chuyên dụng để thiết kế mạch lý thuyết và mạch in để có thể thiết kế mạch theo yêu cầu đặt ra

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Sưu tầm, tổng hợp những tài liệu có liên quan đến các đối tượng nghiên cứu của đề tài

Tìm kiếm những thông tin về ánh sáng hồng ngoại và các các linh kiện cần thiết cho việc thiết kế và thi công mạch điều khiển

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của thu phát hồng ngoại, chọn mạch nguyên lý đơn giản và có thể thực hiện được yêu cầu đặt ra để tiến hành vẽ mạch in, lắp ráp các linh kiện, chạy thử nghiệm và khắc phục các lỗi nếu có

Hoàn chỉnh đề tài

5 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

Nhận đề tài

Viết đề cương nộp cho giáo viên hướng dẫn

Tìm hiểu về nguyên lý thu và phát hồng ngoại

Tìm hiểu về các phần mềm chuyên dụng để thiết kế mạch điện

Tiến hành vẽ mạch và lắp ráp mạch

Hoàn thiện luận văn

Báo cáo luận văn

B PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỒNG NGOẠI

1 KHÁI NIỆM HỒNG NGOẠI

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 0.76m đến 1mm, dài hơn bước sóng ánh sáng khả kiến nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba Tên “hồng ngoại”

có nghĩa là “dưới mức đỏ”, màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 độ K đều phát ra tia hồng ngoại

Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu Nó ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Lượng thông tin có thể đạt được 3Mbit/s Lượng thông tin được truyền

đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà ta vẫn dùng Trong

kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại trung gian, người

ta có thể truyền một lúc 15000 điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua một sợi tơ quang với đường kính 0,13 mm với khoảng cách 10 km đến 20 km Lượng thông tin truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà ta vẫn dùng

Tia hồng ngoại dễ hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém Trong điều khiển từ xa chùm hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng, do đó khi thu phải đúng hướng

Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như sóng 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 chúng dưới một màu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại chúng trở nên trong suốt Vì vậy, vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để ra ngoài

2 SỰ TÌM RA VÀ MỘT VÀI ỨNG DỤNG TỪ HỒNG NGOẠI

2.1 Sự tìm ra hồng ngoại

Cuối năm 1799, Herschel bắt đầu nghiên cứu ánh sáng Mặt Trời, ông thường sử dụng một thiết bị lọc màu sắc để tách một phần ánh sáng ra khỏi quang phổ Ông phát hiện ra bộ lọc đôi lúc nóng hơn những cái khác và ông đặt vấn đề: có lẽ nào một số màu lại có thể mang nhiệt lượng hơn các màu khác?

Để kiểm chứng suy đoán này, ông đã chế tạo ra một lăng kính lớn Trong một căn phòng tối, ông chiếu quang phổ đủ mọi màu qua lăng kính lên một vách tường, sau đó ông tiến hành đo nhiệt độ của mỗi chùm ánh sáng có màu riêng biệt

Kết quả thu được : nhiệt độ tăng dần từ màu tím đến màu đỏ Trong lúc đó ông đo nhiệt độ ở chỗ tối bên cạnh ánh sáng màu đỏ và cũng là phía ngoài quang phổ Theo lý thuyết thì nhiệt kế phải giữ nguyên mức nhiệt độ vì nó không đặt trong luồng ánh sáng chiếu thẳng Nhưng kết quả thì lại thu được ở mức nhiệt độ cao nhất

Vì loại ánh sáng này xuất hiện ở ngoài ánh sáng màu đỏ vì thế nên Herschel đã đặt tên cho nó là tia hồng ngoại

2.2 Một vài ứng dụng từ hồng ngoại

Đo nhiệt độ: việc thu nhận và đo đạc tia hồng ngoại giúp xác định nhiệt độ của những vật ở xa, nếu chúng là nguồn phát ra các tia thu được Kĩ thuật đo nhiệt bằng hồng ngoại chủ yếu được dùng trong quân sự (tên lửa) và ứng dụng công nghiệp Kĩ thuật này cũng đang được ứng dụng trên thị trường như: máy ảnh trên xe hơi

Phát nhiệt: tia hồng ngoại dùng trong các phòng tắm hơi hay dùng để làm tan tuyết trên cánh máy bay (do da người và bề mặt cánh máy bay hấp thu tốt năng lượng của tia hồng ngoại) Mặt Trời hay các vật nóng cỡ vài trăm độ (như lò sưởi, bếp) cũng phát ra tia hồng ngoại

Truyền thông, điều khiển: dùng để truyền tải thông tin trong mạng nhỏ Ví dụ như:

từ máy tính sang máy tính, từ điện thoại sang điện thoại,… Ngoài ra, tia hồng ngoại còn được ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển từ xa

Ngoài những ứng dụng trong kĩ thuật, tia hồng ngoại còn được ứng dụng trong lĩnh vực y học dùng để chữa trị nhiều chứng bệnh

3 ƯU – NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG HỒNG NGOẠI

3.1 Ưu điểm

Với phương pháp dùng sóng hồng ngoại sẽ gọn nhẹ hơn do không sử dụng ăng – ten

để phát và thu khi lắp đặt sử dụng

Kích thước led nhỏ nên dễ dàng bố trí

Giá thành linh kiện không cao

Để phát được khoảng cách xa hơn chỉ cần tăng số lượng led phát hoặc phân cực cho các led chạy mạnh hơn

Không phải bị ảnh hưởng với các tần số vô tuyến khác

3.2 Khuyết điểm

Tín hiệu truyền tải không xa, dễ bị ảnh hưởng bởi các vật cản

Các nguồn nhiệt xung quanh ta nên gây ảnh hưởng và hạn chế tầm phát

4 SO SÁNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG HỒNG NGOẠI VỚI ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN (RF)

Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến là loại điều khiển phổ biến trong đời sống hiện nay Điều khiển bằng RF có thể dùng nhiều cho những vật ở bên ngoài như đồ chơi, điều khiển xe phát tín hiệu , …

Các đặc điểm Điều khiển bằng

hồng ngoại

Điều khiển bằng sóng vô tuyến Tầm hoạt động Khoảng cách ngắn

(khoảng 1 – 5m)

Khoảng cách trung bình (10 – 100m)

Khả năng bị nhiễu

Dễ bị nhiễu do các nguồn nhiệt khác xung quanh Dễ bị nhiễu do bên ngoài có nhiều thiết bị khác sử

dụng sóng RF có nhiều tầng số khác nhau

Năng lượng tiêu thụ Thấp Trung bình

Thiết bị hỗ trợ

Hơn 150 triệu thiết bị hổ trợ cùng với phần cứng và phần mềm trên toàn thế giới

Lắp đặt theo yêu cầu

Cách thức kết nối Đơn giản Cần phải có ăn-teng và phải mã hóa đúng tần số Giá thành Khoảng $1 Khoảng $5

Góc kết nối

Tầm hoạt động trong một góc hình nón khoảng 30

độ và không xuyên vật cản

Có thể kết nối theo nhiều phương và có thể xuyên qua vật thể

Bảng 1 So sánh đặc điểm giữa điều khiển bằng hồng ngoại và điều khiển

bằng sóng điện từ

CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG HỒNG NGOẠI

1 GIỚI THIỆU

Trong sinh hoạt hằng ngày ở gia đình, cũng như ở các nhà máy việc tắt mở một số thiết bị có thể diễn ra liên tục Do đó, để đơn giản hóa thao tác và tiện lợi cho người sử dụng, thiết bị điều khiển từ xa đã ra đời Người dùng chỉ cần ở một chỗ mà có thể điều khiển được tất cả các thiết bị trong nhà với một thiết bị nhỏ gọn như remote

Mạch điều khiển thiết bị điện từ xa bằng hồng ngoại là một trong những mạch điều khiển được sử dụng rộng rãi hiện nay Nó có thể điều khiển các thiết bị một cách tiện lợi như: tắt, mở, điều chỉnh mức độ, …

2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

2.1 Hệ thống điều khiển từ xa

Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị từ một khoảng cách xa Ví dụ: hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều khiển từ xa bằng cáp quang dây dẫn, hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại

Chúng có những nhiệm vụ cơ bản sau:

- Phát tín hiệu điều khiển

- Tạo ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết

- Tổ hợp xung thành mã

- Phát các tổ hợp mã đến điểm chấp hành (thiết bị thu)

- Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận được mã phải biến đổi các mã nhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị, đồng thời kiểm tra sự chính xác của mã mới nhận

2.2 Kết cấu tin tức

Trong hệ thống điều khiển từ xa độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ rất nhiều đến kết cấu tin tức Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần: về lượng và về chất Về lượng có các biên lượng điều khiển và lượng điều khiển thành từng loại xung cho phù hợp, và những xung đó cần áp dụng phương pháp nào để hợp thành tin tức, để có dung lượng lớn nhất và có tốc độ truyền dẫn nhanh nhất

Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêu cầu sau:

- Tốc độ làm việc nhanh

- Thiết bị phải an toàn, tin cậy

- Kết cấu phải đơn giản

- Có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực đại đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép

2.3 Kết cấu của hệ thống

Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên chúng ta cần phải nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và nhanh chóng Đây là sơ đồ kết cấu hệ thống:

Hình 1 Sơ đồ kết cấu hệ thống Chức năng của từng khối:

- Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức tín hiệu và phát đi

- Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu

- Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biến đổi, biên dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÃ HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc truyền thông tin liên tục nhưng đã được rời rạc hóa tin tức thường được biến đổi thông qua một phép biến đổi thành số (thường là

số nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ máy phát Ở máy thu, tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép đổi trên: giải mã, liên tục hóa, …

Đường truyền Thiết bị thu Thiết bị phát

Sự mã hóa tín hiệu điều khiển nhằm tăng tính hữu hiệu và độ tin cậy của hệ thống điều khiển từ xa, nghĩa là tăng tốc độ truyền và khả năng chống nhiễu Trong điều khiển

từ xa ta thường dùng mã nhị phân tương ứng với hệ, gồm có hai phần tử [0] và [1]

Do yêu cầu về độ chính xác cao trong các tín hiệu điều khiển được truyền đi để chống nhiễu ta dùng loại mã phát hiện và sửa sai Mã phát hiện và sửa sai thuộc loại mã đồng đều bao gồm các loại mã: mã phát hiện sai, mã sửa sai, mã phát hiện và sửa sai Dạng sai nhầm của các mã được truyền đi tùy thuộc tính chất của kênh truyền, chúng

4 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG HỒNG NGOẠI

4.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại

4.1.1 Sơ đồ khối phát hồng ngoại

Hình 2 Sơ đồ khối phát hồng ngoại

Mã hóa Điều chế

Phát lệnh

Dao động tạo sóng mang Led phát

- Ma trận phím được bố trí theo cột và hàng Khi người sử dụng bấm vào các phím chức năng để phát lệnh yêu cầu của mình, mỗi phím chức năng tương ứng với một số thập phân

- Khối mã hóa: nhiệm vụ chuyển đổi các lệnh điều khiển thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng mã lệnh tín hiệu số gồm các bit 0 và 1 Số bit trong mã lệnh nhị phân có thể là 4 bit hay 8 bit… tùy theo số lượng phím chức năng nhiều hay ít Có nhiều phương pháp mã hóa khác nhau: điều chế biên độ xung (pulse amplitude modulation – PAM), điều chế độ rộng xung (pulse width modulation – PWM), điều chế vị trí xung (pulse position modulation – PPM), điều chế mã xung (pulse code modulation – PCM) Trong

kỹ thuật điều khiển từ xa bằng hồng ngoại, phương pháp điều chế mã xung thường được

sử dụng nhiều hơn cả, vì phương pháp này tương đối đơn giản và dễ thực hiện

- Khối dao động tạo sóng mang: khối này có nhiệm vụ tạo ra sóng mang có tần số

ổn định, sóng mang này sẽ mang tín hiệu điều khiển khi truyền ra môi trường

- Khối điều chế: khối này có nhiệm vụ kết hợp tín hiệu điều khiển đã mã hóa với sóng mang để đưa đến khối khuếch đại

- Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu đủ lớn để led phát hồng ngoại phát tín hiệu

ra môi trường

- Led phát: là một led hồng ngoại, biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu hồng ngoại phát ra môi trường

4.1.2 Sơ đồ khối máy thu

Chức năng của máy thu là thu được tín hiệu điều khiển từ máy phát, loại bỏ sóng mang, giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh riêng biệt, từ đó mỗi lệnh sẽ đưa đến khối chấp hành cụ thể

Hình 3 Sơ đồ khối thu hồng ngoại

- Khối chấp hành: có thể là relay hay một linh kiện điều khiển nào đó, đây là khối cuối cùng tác động trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển mong muốn

5 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN

5.1 Cặp IC thu và phát tính hiều hồng ngoại BL9148 và BL9149

5.1.1 IC BL9148

IC BL9148 là một bộ truyền phát tia hồng ngoại ứng dụng bởi công nghệ CMOS (Complementary-Metal-Oxide-Silicon) BL9148 kết hợp với BL9149 tạo ra 10 chức năng, kết hợp với BL9150 tạo ra 18 chức năng và 75 lệnh có thể phát xạ

Hình 4 Sơ đồ chân và hình dạng IC BL9148

Ứng dụng: Dùng trong các remote điều khiển các thiết bị điện như TV, đầu video,… Chức năng từng chân:

- Chân 1: (GND) là chân được nối với cực âm của nguồn điện

- Chân 2 (XT) và 3 (XT): hai đầu để nối với thạch anh bên ngoài cho bộ tạo dao động bên trong IC

- Chân 4-9 (K1-K6): 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

- Chân 13 (CODE): là chân mã số dùng để kết hợp với các chân 10-11 để tạo ra tổ hợp mã hệ thống giữa phần phát và phần thu

- Chân 14 (TEST): là chân dùng để kiểm tra mã của phần phát, bình thường khi không sử dụng có thể bỏ trống

- Chân 15 (TXout): là đầu ra của tín hiệu đã được điều chế FM

- Chân 16 (Vcc): là chân cấp nguồn dương

Bộ tạo dao động và bộ phân tần: để có thể phát đi xa, ta cần có một xung có tần số

38 KHz ở nơi nhận nhưng trên thị trường khó tìm được thạch anh đúng tần số nên ta chọn tần số của thạch anh là 455 KHz cho bộ tạo dao động Sau đó tần số sẽ được đưa qua bộ phân tần để chia nó ra thành 12 lần

Hình 5 Sơ đồ ghép nối thạch anh để tạo dao động

Hình 6 Sơ đồ khối bên trong IC BL9148

Mạch điện phím vào: có tổng cộng 18 phím được nối tới các chân K1 – K6 và mạch hoạt động thời gian T1 – T3 (chân 10 – 12) để tạo ra bàn phím ma trận (6*3)

Hình 7 Sơ đồ kết nối phím

Chức năng các phím:

- Phím 1 – 6: những phím cho ra tín hiệu liên tục khi nhấn giữ

- Phím 7 – 18: những phím cho ra những tín hiệu không liên tục (những tín hiệu sẽ

bị mất ngay khi nhấn vào cho dù giữ phím)

Mạch hoạt động tín hiệu thời gian – Mạch phát sinh tín hiệu:

- Lệnh truyền gồm một từ lệnh được tạo bởi 3 bit mã người dùng (C1, C2, C3), 6 bit mã phím vào (D1 – D6) và 1 bit mã liên tục (H) và 2 bit mã không liên tục (S1, S2) Vậy có 12 bit mã, trong đó 3 bit mã người dùng được tạo như sau:

+ Dữ liệu của 3 bit mã T1, T2, T3 sẽ là “1” nếu một diode được nối giữa chân CODE và chân Tn (n= 1,2,3) và là “0” khi không nối diode

+ Vì IC thu BL9149 chỉ có 2 bit mã (CODE 2, CODE 3) nên chân T1 (chân 10)

osc

f

t 

Tín hiệu không liên tục: Khi nhấn bất kì 1 phím không liên tục, tín hiệu không liên tục chỉ truyền 2 từ lệnh đến ngõ ra

Hình 10 Dạng sóng mô tả tín hiệu không liên tục

Tín hiệu liên tục: Khi nhấn bất kì một phím liên tục, tín hiệu liên tục sẽ lặp lại chu kì sau khi truyền 2 từ lệnh và thời gian dừng cho đến khi phím không được nhấn nữa

Hình 11 Dạng sóng mô tả tín hiệu liên tục

5.1.2 IC BL9149

BL9149 cũng được chế tạo bởi công nghệ CMOS Nó có thể điều khiển tối đa 10 thiết bị

Những đặc tính của IC BL9149:

- Tiêu thụ công suất thấp

- Khả năng chống nhiễu rất cao

- Nhận được đồng thời 5 chức năng từ IC phát BL9148

- Cung cấp bộ tạo dao động RC

- Bộ lọc số và bộ kiểm tra mã ngăn ngữa sự tác động từ những nguồn sáng khác nhau Do đó không ảnh hưởng đến độ nhạy của mắt thu

Hình 12 Sơ đồ chân và hình dạng của IC BL9149

Chức năng từng chân:

- Chân 1 (GND): là chân mass được nối với cực âm của nguồn điện

- Chân 2 (RxIN): là đầu vào tín hiệu thu, tín hiệu sau khi được lọc bỏ sóng mang

- Chân 3-7 (HP1-HP5): là đầu ra tín hiệu liên tục Chỉ cần thu được tín hiệu tương ứng với đầu ra nào thì đầu ra đó sẽ duy trì ở mức logic “1”

- Chân 8-12 (SP5-SP1): là đầu tín hiệu không liên tục Chỉ cần thu được tín hiệu tương ứng với đầu ra nào thì đầu ra đó sẽ duy trì ở mức logic “1” trong khoảng thời gian

là 107 ms

- Chân 14 và 13 (CODE 2 và CODE 3): để tạo ra các tổ hợp mã hệ thống giữa phần phát và phần thu Mã số của hai chân này phải giống tổ hợp mã hệ thống của phần phát thì mới thu được tín hiệu

- Chân 15 (OSC): dùng để nối tụ điện và điện trở bên ngoài tạo ra dao động cho mạch

- Chân 16 (Vcc): là chân nối với cực dương của nguồn cung cấp

Tầng số dao động: Thời gian truyền tín hiệu và tần số dao động của xung nội phụ thuộc vào tầng số cấp cho BL9149 Dùng mạch RC làm mạch lọc tuyến tính dao động truyền bởi BL9148

Hình 13 Sơ đồ mạch RC tạo dao động cho IC 9149

Nhận tín hiệu vào: Tín hiệu được nhận từ led thu hồng ngoại và sóng được truyền vào IC

Hình 14 Sơ đồ khối bên trong IC BL9149

Kiểm tra lỗi của tín hiệu: Sau khi IC phát BL9148 phát tín hiệu (2 chu kỳ) đi, tín hiệu sẽ được led thu tiếp nhận rồi đưa nó đến chân RxIN Tín hiệu truyền đi gồm 2 lệnh giống nhau, lệnh đầu tiên được nhận trước và lưu trữ vào thanh ghi sau đó so sánh với lệnh thứ hai Nếu 2 lệnh giống nhau thì tín hiệu truyền không lỗi và chuyển sang bộ phận giải mã Nếu hau tín hiệu khác nhau thì truyền có lỗi Hệ thống sẽ tự động sữa lỗi và reset lại tại điểm xảy ra lỗi Khi dữ liệu nhận được thông qua, ngõ ra sẽ chuyển lên mức cao

Giải mã lệnh: Đầu tiên hệ thống sẽ kiểm tra mã hệ thống giữa phần phát và phần thu Nếu mã tương thích giữa phần phát và thu thì hệ thống sẽ tiến hành giải mã lệnh Ta có bảng mã lệnh tương ứng giữa phần thu và phần phát:

Các chân C2 và C3 sẽ ở mức logic “1” nếu đặt 1 tụ giữa chân Cn (n=2,3) và mass Ngược lại các chân C2 và C3 sẽ ở mức logic “0” nếu nối xuống mass

5.2 Led phát quang – led phát hồng ngoại

Ở quang trở, quang transistor và quang transistor, năng của của ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn và cung cấp năng lượng cho các điện tử vượt dãi cấm Ngược lại, khi một điện tử từ dãi dẫn điện rớt xuống dãi hóa trị thì sẽ phát ra một năng lượng E=hf

Khi phân cực thuận một mối nối P-N, điện tử tự do từ vùng N xuyên qua vùng P và kết hợp với các lỗ trống, sinh ra năng lượng

Đối với diode Ge, Si thì năng lượng phát ra dưới dạng nhiệt Nhưng đối với diode cấu tạo bằng GaAs (Gallaium Arsenide) năng lượng phát ra là ánh sáng hồng ngoại (dùng trong mạch báo động hay điều khiển từ xa, ) Với GaAsP (Gallaium Arsenide Phosphor) năng lượng phát ra là ánh sáng vàng hay đỏ Với GaP (Gallaium Phosphor) năng lượng phát ra ánh sáng là màu vàng hoặc màu xanh lá cây Các led phát ra ánh sáng nhìn thấy được dùng để làm đèn báo, trang trí, Phần ngoài của led có một lăng kính để phát ánh sáng phát ra ngoài

Hình 15 Cấu tạo của một đèn led

5.3 Bộ thu hồng ngoại

Bộ thu hồng ngoại là một quang transistor (led thu hồng ngoại) Quang transistor nhận được tín hiệu hồng ngoại kích thích đúng tần số thì quang transistor sẽ có dòng điện

ra

Hình 16 Sơ đồ khối bên trong led thu hồng ngoại

Nguyên lý hoạt động: Trong quang transistor có quang diode làm nhiệm vụ cảm

ứng quang điện Khi quang đi nhận được tín hiệu từ led phát, xung tín hiệu sẽ được khuếch đại lên nhiều lần sau đó loại bỏ tín hiệu tín hiệu sóng mang, và giữ lại 12bit của tín hiệu Tín hiệu đầu ra sẽ đưa vào cực nền của transistor làm cho transistor dẫn, có dòng điện ra ở chân số 1 của quang transistor

Hình 17 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của led thu hồng ngoại

Những loại quang transistor cho những tần số sóng mang khác nhau:

TSOP1830 30KHz TSOP1833 33KHz TSOP1836 36KHz TSOP1837 36.7KHz TSOP1838 38KHz TSOP1840 40KHz TSOP1856 56KHz

Bảng 4 Những loại led thu hồng ngoại thông dụng

Mạch điều khiển Tín hiệu

vào

Điều chỉnh

tự động khuếch đại (AGC)

Dãi thông qua

Mạch tách sóng

5.4 IC HEF4013

Vi mạch 4013 chứa 2 flip-flop D, nó là vi mạch đa năng, chúng có các chân đặt trực tiếp (S), xóa trực tiếp (R), ngõ vào xung đồng hồ (CLK) và ngõ ra (Q)

Hình 18 Sơ đồ chân và hình dáng của IC HEF4013

HEF4013 có 14 chân trong đó:

- GND, VDD (7, 14): cấp nguồn âm và nguồn dương

Tín hiệu vào Tín hiệu ra

Hình 19 Sơ đồ 1 flip-flop của 4013

Mạch chốt dữ liệu hay gọi là 1 flip-flop Khi chưa có xung vào CLK ngõ ra Q =

“0”, Q\ = “1” Dữ liệu tại D là “1” vì ta nối D với Q\ Khi có xung vào CLK, dữ liệu tại D

sẽ được nạp vào và ngõ ra Q = “1”, Q\ = “0” Lúc này trạng thái ngõ ra được chốt lại và chỉ thay đổi khi có thêm một xung CLK

- Công suất tiêu thụ nếu không dùng tản nhiệt: 2W

- Công suất tiêu thụ nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

- Bảo vệ ngắn mạch

- Bảo vệ quá tải nhiệt

Chính vì thế với những mạch không đòi hỏi tính ổn định của điện áp quá cao người

ta hay sử dụng chúng để thiết kế những mạch điện đơn giản

Hình 20 Sơ đồ chân của IC KA7805

Chức năng từng chân :

- Chân 1: ngõ vào

- Chân 2: nối với cực âm của nguồn

- Chân 3: ngõ ra Ngõ ra luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi Do đó nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: điện áp tăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ vẫn giữ được điện áp ngõ ra 5V không đổi

5.5.2 Relay

Cấu tạo của relay điện từ gồm có: phần cố định, phần nắp chuyển động, cuộn dây kích thích, lò xo, tiếp điểm cố định, tiếp điểm động Relay hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, khi có dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ sinh lực điện từ hút nắp về phía lõi, khi lực điện từ đủ lớn sẽ thắng được lực hút của lò xo, do đó làm tiếp điểm động của relay hoạt động khi không có dòng điện qua Relay thì tiếp điểm động sẽ không hoạt động.Từ

đó người ta còn gọi relay là công tắc điện từ Nhờ vào đặc tính này mà relay mới ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật

Hình 21 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế Relay

1, 2: Hai đầu của nam châm điện, sẽ được nối với nguồn

3: Ngõ vào

4: Tiếp điểm thường hở

5: Tiếp điểm thường đóng

5.5.3 Transistor

Transistor là một linh kiện bán dẫn thường được sử dụng như một thiết bị khuếch đại hoặc một khóa điện tử Transistor là khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn được ghép với nhau thành 2 mối tiếp giáp P – N, nếu ghép theo thứ tự PNP được gọi là transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN được gọi là transistor nghịch Về cấu tạo transistor tương đương với 2 diode đấu ngược chiều nhau

Hình 22 Cấu tạo của transistor

Mỗi transistor đều có ba cực:

- Cực nền ký hiệu là B (Base)

- Cực thu ký hiệu là C (Collector)

- Cực phát ký hiệu là E (Emitter)

Lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp, vùng bán dẫn E và C có nồng

độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

Nguyên tắc hoạt động của transistor:

Loại NPN:

Cấp nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó cực dương (+) cấp vào C

và cực âm (-) cấp vào E Cấp nguồn một chiều UBE qua công tắc và điện trở vào 2 cực B

và E trong đó cực (+) vào chân B và cực (-) vào chân E

Khi công tắc hở, mặc dù hai cực C và E được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện qua mối CE (lúc này dòng IC = 0)

Khi công tắc đóng, mối P – N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy

từ cực (+) của nguồn UBE qua công tắc => qua điện trở hạn dòng ở cực B => qua mối

Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

 là hệ số khuếch đại của transistor

C1815 là Transistor BJT loại NPN:

Hình 24 Kí hiệu và hình dáng của transistor

Điện áp ngưỡng VCB0 60V Điện áp ngưỡng VCE0 50V Điện áp ngưỡng VEB0 5V Dòng điện cực C 150mA

Loại PNP:

Sự hoạt động của transistor PNP hoàn toàn tương tự transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang C, còn dòng IB đi từ

E sang B

A1015 là loại transistor BJT loại PNP:

Hình 25 Ký hiệu và hình dáng của A1015

Dòng điện cực C -150mA Dòng điện cực B -200mA Điện áp bảo hòa VCE(sat) IC=-100mA, IB=-10mA Điện áp bảo hòa VBE(sat) IC=-100mA, IB=-10mA

Bảng 7 Mức cực đại tuyệt đối của A1015

Ứng dụng: Đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều

ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng ngắt dòng, điều chỉnh điện áp,điều khiển tín hiệu, và tạo dao động Transistor cũng thường được kết hợp thành mạch tích hợp (IC) trên một diện tích nhỏ

6 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

6.1 Mạch phát

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 26 Sơ đồ nguyên lý mạch phát hồng ngoại

Nguyên lý hoạt động:

Khi nhấn phím bất kỳ một trong các phím, mỗi phím tương ứng với một mã phím

số thập phân Mạch mã hóa sẽ chuyển đổi thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng mã lệnh tín hiệu số gồm các bit 0 và 1

Phím

số bên phát

Dạng xung ra

Ngõ ra

H S1 S2 D1 D2 D3 D4 T1 T2 T3 K1 K2 K3 K4

Khi ta ấn một phím bất kỳ sẽ làm hai chân K và T nối lại với nhau Một xung điện

áp mức cao sẽ đưa từ chân K tương ứng vào chân T tương ứng Xung điện áp này đi vào

IC sẽ kích hoạt mạch nhận biết phím để xác định vị trí của phím nằm trên ma trận phím Sau đó dữ liệu của phím sẽ được đưa tới khối phát mã để lấy ra mã tương ứng với vị trí của phím nằm trên ma trận phím Dữ liệu của phím được lấy ra từ khối đó là dạng dữ liệu nối tiếp với tần số thấp (khoảng 20Hz) không thể truyền đi xa trong không gian nên đòi hỏi dữ liệu này phải được trộn vào sóng mang có tần số cao bằng cách điều chế tín hiệu

12 bit đó với sóng mang cao tần ta được công thức tính f0 = fosc/12 với fosc =455KHz thì

f0 = 38KHz

Hình 27 Sơ đồ khối tạo dao động và lọc nhiễu cho mạch phát

Do mạch hoạt động ở tần số cao nên đòi hỏi nguồn điện phải đảm bảo giảm nhiễu tuyệt đối do đó ta phải mắc tụ lọc nguồn để lọc nhiễu Thường mắc tụ 102 hoặc 103 để lọc nhiễu

Tín hiệu sau khi được điều chế được lấy ra chân 15 (TXout) qua điện trở 10K,và được khuếch đại nhờ hai transistor C1815 và A1015 sau đó đưa đến led hồng ngoại Để tăng góc phát tín hiệu người ta có thể sử dụng 2 led nối song song với nhau Do tín hiệu phát ra ở ngõ ra IC phát có dòng nhỏ nên ta phải khuếch đại chúng lên Dùng 2 transistor ghép Darlington để khuếch đại tín hiệu cấp cho dòng led hồng ngoại phát đi được mạnh hơn