TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN MSP430G2553
Tổng quan về MSP430
Hình 1.2: Cấu trúc chung của MSP430
Những đặc tính của dòng MSP 430 bao gồm: ã Điện ỏp tiờu thụ thấp: 1.8V to 3.6V ã Cú 3 chế độ sử dụng năng lượng (Active, Standby, Off)
- Chế độ hoạt động: 270 μA tại 1MHz, 2.2 V
Vi điều khiển 16-bit này có chế độ tắt với mức tiêu thụ chỉ 0.1 μA, cung cấp 5 chế độ tiết kiệm năng lượng Nó được trang bị 2 cổng và 10 chân xuất nhập (I/O pins), cùng với đầy đủ các chức năng như 2 bộ Timer 16-bit, 10-bit ADC, UART, I2C, và PWM Đặc biệt, hai timer 16-bit có khả năng đếm lên và xuống, mang lại sự linh hoạt trong ứng dụng.
- Timer_A 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit
- Timer_B 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit ã 12 bit hoặc 10 bit ADC-200 kskp, cảm biến nhiệt độ, Vref ã Giao diện truyền thụng nối tiếp
- Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự động dò tìm tốc độ Baud
- Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Associatio)
- Chuẩn giao tiếp động bộ SPI
Chuẩn giao tiếp I2C đảm bảo khả năng truyền dữ liệu hiệu quả giữa các thiết bị, đồng thời có tính năng bảo vệ sụt áp Bộ nạp chương trình giúp lập trình và cập nhật firmware cho các thiết bị Các module mô phỏng trên chip hỗ trợ việc phát triển ứng dụng nhanh chóng Dòng vi điều khiển MSP430 bao gồm nhiều phiên bản khác nhau như MSP430x1xx, MSP430x2xx, MSP430x3xx, MSP430x4xx và MSP430x5xx, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng.
Vi điều khiển MSP430G2553
Hình 1.4: Sơ đồ chân của MSP430G2553 ã Dũng MSP430G2553 ta thấy cú 2 port : Port 1 và Port 2 Mỗi port cú 8 chân
Port 1: có 8 chân từ P1.0 đến P1.7 tương ứng với các chân từ 2 - 7 và 14, 15 Port 2: có 8 chân từ P2.0 đến P2.7 ứng với các chân 8 - 13, 18,19 ã Ngoài chức năng I/O bỡnh thường thỡ trờn mỗi pin của cỏc port đều là những chân đa chức năng, ta thể thấy rõ trong bảng sau:
Bảng 1.1: Chức năng của các chân vi điều khiển MSP430G2553
General-purpose digital I/O pin Timer0_A, clock signal TACLK input ACLK signal output
ADC10 analog input A0 Comparator_A+, CA0 input P1.1/
General-purpose digital I/O pin Timer0_A, capture: CCI0A input, compare: Out0 output / BSL transmit
USCI_A0 UART mode: receive data input USCI_A0 SPI mode: slave data out/master in ADC10 analog input A1
General-purpose digital I/O pin Timer0_A, capture: CCI1A input, compare: Out1 output
USCI_A0 UART mode: transmit data output USCI_A0 SPI mode: slave data in/master out ADC10 analog input A2
General-purpose digital I/O pin ADC10, conversion clock output(1) ADC10 analog input A3(1)
ADC10 negative reference voltage (1) Comparator_A+, CA3 input
General-purpose digital I/O pin SMCLK signal output
USCI_A0 clock input/output ADC10 analog input A4(1) ADC10 positive reference voltage(1) Comparator_A+, CA4 input
JTAG test clock, input terminal for device programming and test
General-purpose digital I/O pin Timer0_A, compare: Out0 output / BSL receive
USCI_B0 clock input/output USCI_A0 slave transmit enable ADC10 analog input A5(1) Comparator_A+, CA5 input JTAG test mode select, input terminal for device programming and test
The general-purpose digital I/O pin facilitates various functions, including Timer0_A for compare outputs, specifically Out1 It also supports ADC10 analog input through pin A6(1) and features Comparator_A+ with CA6 input In communication protocols, USCI_B0 operates in SPI mode as a slave and in I2C mode, handling the SCL I2C clock Additionally, it provides JTAG capabilities for test data input or test clock input during programming and testing phases.
The general-purpose digital I/O pin serves multiple functions, including ADC10 analog input on A7, and provides input and output for Comparator_A+ Additionally, USCI_B0 operates in SPI mode as a slave with master output, while also supporting I2C mode with SDA for I2C data communication Furthermore, the JTAG test data output terminal facilitates test data input during programming and testing processes.
General-purpose digital I/O pin Timer1_A, capture: CCI0A input, compare: Out0 output
General-purpose digital I/O pin Timer1_A, capture: CCI1A input, compare: Out1 output
General-purpose digital I/O pin Timer1_A, capture: CCI1B input, compare: Out1 output
General-purpose digital I/O pin Timer1_A, capture: CCI0B input, compare: Out0 output
General-purpose digital I/O pin Timer1_A, capture: CCI2A input, compare: Out2 output
General-purpose digital I/O pin Timer1_A, capture: CCI2B input, compare: Out2 output
Input terminal of crystal oscillator General-purpose digital I/O pin Timer0_A, compare: Out1 output XOUT/
P2.7 18 I/O Output terminal of crystal oscillator(3)
General-purpose digital I/O pin ã Chõn P1.0/TA0CLK/ACLK/A0/CA0 (2):
- Timer0_A, tín hiệu clock TACLK đầu vào
- Ngõ vào xung clock TACLK của Timer A
- Bộ chuyển đổi xung của ADC10 ã Chõn P1.1/TA0.0/UCA0RXD/UCA0SOMI/A1/CA1(3):
- Timer0_A: CCI0A đầu vào, so sánh: OUT0 đầu ra / BSL truyền
- Chế độ USCI_A0 UART: nhận dữ liệu đầu vào
- SCI_A0 SPI chế độ: slave data out/master in
- ADC10 đầu vào tương tự A1
- Comparator_A +, CA1 đầu vào ã Chõn P1.2/TA0.1/UCA0TXD/UCA0SIMO/A2/CA2
- Timer0_A, chụp: CCI1A đầu vào, so sánh: OUT1 đầu ra
- Chế độ USCI_A0 UART: truyền dữ liệu đầu ra
- Chế độ USCI_A0 SPI: slave data in/master out
- ADC10 đầu vào tương tự A2
- Comparator_A+, CA2 input ã Chõn P1.3/ADC10CLK/A3/VREF-/VỀ-/CA3/CAOUT (5):
- Mục đích chung kỹ thuật số I / O pin
- ADC10, chuyển đổi ra xung clock
- ADC10 đầu vào tương tự A3
- ADC10 điện áp tham chiếu tiêu cực
- Comparator_A +, đầu ra ã Chõn P1.4/SMCLK/UCB0STE/UCA0CLK/A4/VREF+/VEREF+/CA4/ TCK (6):
- Ngõ ra SMCLK (Sub-Main clock) của khối tạo dao động nội
- USCI_B0 slave truyền cho phép
- Đầu vào clock USCI_A0 / đầu ra
- ADC10 đầu vào tương tự A4
- ADC10 điện áp tham chiếu tích cực
- Clock JTAG kiểm tra, thiết bị đầu cuối, đầu vào cho chương trình thiết bị và thử nghiệm ã Chõn P1.5/TA0.0/UCB0CLK/UCA0STE/A5/CA5/TMS(7):
- Timer0_A, so sánh: OUT0 đầu ra / BSL nhận
- Đầu vào đồng hồ USCI_B0 / đầu ra
- USCI_A0 nô lệ truyền cho phép
- ADC10 đầu vào tương tự A5
- Chế độ kiểm tra JTAG chọn, thiết bị đầu cuối đầu vào cho chương trình thiết bị và thử nghiệm ã Chõn P1.6/TA0.1/A6/CA6/UCB0SOMI/UCB0SCL/TDI/TCLK (14):
- Timer0_A, so sánh: OUT1 đầu ra
- ADC10 đầu vào tương tự A6
- Chế độ USCI_B0 SPI: slave out master in
- UCB0SCL / USCI_B0 chế độ I2C: I2C SCL clock
- TDI: Ngõ vào kiểm tra dữ liệu
- TCLK: Ngõ vào kiểm tra xung clock ã Chõn P1.7/A7/CA7/CAOUT/UCB0SIMO/UCB0SDA/TDO/TDI(15):
- ADC10 đầu vào tương tự A7
- CA7 / Comparator_A +, CA7 đầu vào
- Chế độ UCB0SIMO / USCI_B0 SPI: slave in master out
- Chế độ UCB0SDA / USCI_B0 I2C: I2C SDA dữ liệu
- TDI: Ngõ vào kiểm tra dữ liệu
- TDO: Ngõ ra kiểm tra dữ liệu ã Chõn P2.0/TA1.0 (8):
- Timer1_A, capture: CCI0A đầu vào, so sánh: OUT0 đầu ra ã Chõn P2.1/TA1.1(9):
- Timer1_A, capture: CCI1A đầu vào, so sánh: OUT1 đầu ra ã Chõn P2.2/TA1.1(10):
- Timer1_A, capture: CCI1B đầu vào, so sánh: OUT1 đầu ra ã Chõn P2.3/TA1.0 (11):
- Timer1_A, capture: CCI0B đầu vào, so sánh: OUT0 đầu ra ã Chõn P2.4/TA1.2(12)
- Timer1_A, capture: CCI2A đầu vào, so sánh: OUT2 đầu ra ã Chõn P2.5/TA1.2(13):
- Timer1_A, capture: CCI2B đầu vào, so sánh: OUT2 đầu ra ã Chõn XIN/ P2.6/TA0.1 (19):
- Ngõ vào kết nối với dao động thạch anh
- Timer0_A, compare: OUT1 đầu ra ã Chõn XOUT/P2.7 (18):
- Ngõ vào kết nối với dao động thạch anh
- Chân xuất/nhập ã Chõn RST/NMI/SBWTDIO (16):
- Chân Reset tác động ở mức thấp hoặc cấm ngắt ã Chõn TEST/SBWTCK (17) ã Chõn DVCC (1): Chõn cấp nguồn VCC ã Chõn DVSS (20): Chõn cấp mass
Vi điều khiển MSP 430G2553 được trang bị 2 cổng xuất nhập, bao gồm port 1 và port 2, mỗi cổng có 8 chân Mỗi chân của các cổng này đều có chức năng đặc biệt, cho phép định hướng làm đầu vào hoặc đầu ra, cũng như khả năng đọc truy xuất hoặc điều khiển.
Cổng P1 và P2 có khả năng ngắt, với mỗi ngắt được cấu hình riêng theo cạnh lên hoặc cạnh xuống của sườn xung, hoặc theo tín hiệu vào tương ứng với các vector ngắt Đặc tính xuất nhập của chúng bao gồm nhiều yếu tố quan trọng.
- Chức năng đặc biệt của các chân không phụ thuộc vào việc lập trình
- Có thể lựa chọn làm OUTPUT hoặc INPUT
- P1 và P2 được cấu hình riêng cho tín hiệu ngắt
- Không phụ thuộc thanh ghi output hay input
Hoạt động xuất nhập dữ liệu được lập trình bằng phần mềm
1.2.4 Mô tả các khối chức năng
Hình 1.5: Sơ đồ khối vi điều khiển MSP430G2553 ã Cỏc khối cơ bản: CPU, Xung nhịp, Flash, RAM, Ports,và Bus ã Cỏc khối bổ xung:
– Khối nạp chương trình JTAG : 4 dây và 2 dây
– Khối biến đổi tương tự - số ADC
– Khối bảo vệ sụt áp (Brownout Protection)
– Khối so sánh áp (Compare A+)
– Khối Đồng hồ canh gác (WDT)
– 2 khối định thời loại A (Timer_A0 và Timer_A1)
– 2 khối giao tiếp tuần tự (USCI A0 và USCI B0)
1.2.5 Khối xử lý trung tâm (CPU) ã Chức năng: Khối CPU thực thi cỏc lệnh cất trong bộ nhớ chương trỡnh Cỏc lệnh được đọc tuần tự và thực thi nếu không gặp các lệnh rẽ nhánh hoặc xử lý ngắt ã Cấu tạo: Gồm một khối tớnh toỏn ALU 16 bớt, mạch giải mó lệnh và 16 thanh ghi ã Tần số tối đa (cũng là tốc độ) do xung nhịp MCLK tạo là 16MHz
Hình 1.6: CPU Block Diagram ã Cỏc thanh ghi của CPU
Thanh ghi đếm chương trình (Program counter - PC) lưu trữ địa chỉ của lệnh tiếp theo cần thực hiện trong quá trình xử lý Mỗi khi có xung nhịp, PC tự động tăng thêm 2, trừ khi có lệnh rẽ nhánh hoặc gọi hàm xảy ra.
Con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer - SP) là một thành phần quan trọng trong bộ nhớ RAM, được sử dụng để quản lý ngăn xếp Khi một hàm được gọi, giá trị của Bộ đếm chương trình (PC) và Đăng ký trạng thái (SR) sẽ được lưu trữ vào ngăn xếp Sau khi hàm hoàn tất, các giá trị này sẽ được phục hồi để tiếp tục thực hiện công việc đang dở dang.
Thanh ghi trạng thái (Status register – SR) lưu trữ các cờ trạng thái quan trọng, bao gồm các bít C, Z, N và V Bên cạnh đó, SR còn có các bít dùng để tắt xung nhịp, chẳng hạn như CPUOFF để tắt MCLK.
- Thanh ghi hằng số (Constant generator): Dùng để tạo ra một số hằng số thường gặp
- 12 thanh ghi đa năng: là các thanh ghi dùng để lưu thông tin trung gian Các thanh ghi có tốc độ truy cập tương đương CPU
Bộ nhớ của MSP430G2553 bao gồm các thành phần chính sau: các thanh ghi chức năng chuyên dụng như PC, SP, SR, CG của CPU, và các thanh ghi P1REN, P1DIR của P1 Ngoài ra, còn có các thanh ghi đa năng của CPU và các thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như các thanh ghi R4-R15 của CPU, P1IN và P1OUT của P1.
Các thanh ghi 16 bit trong bộ nhớ RAM có địa chỉ từ 0x0200 với dung lượng 256/512 Bytes Bootstrap loader là phần bộ nhớ không bị xóa, chứa chương trình kết nối máy tính qua cổng COM của TI Bộ nhớ dữ liệu không bay hơi (Information memory) có dung lượng 256 Byte flash, cho phép lưu trữ thông tin quan trọng mà không bị mất khi mất điện Bộ nhớ chương trình (Code memory) là bộ nhớ chỉ đọc (ROM), chứa chương trình được nạp từ máy tính và sẽ được đọc vào CPU để thực thi sau khi khởi động, với kích thước chip hiện nay từ 2KB đến 16KB Interrupt and reset vectors là phần bộ nhớ lưu trữ địa chỉ của các hàm xử lý ngắt và tái khởi động.
Hình 1.7: Tổ chức bộ nhớ
Khi được lựa chọn làm đầu vào Giá trị mỗi bít của thanh ghi tương ứng với tín hiệu
Bit = 0 đầu vào ở mức thấp
Bit = 1 tín hiệu ở mức cao
1.2.7.2 Thanh ghi đầu ra PxOUT
Khi không sử dụng điện trở kéo, và được định hướng làm đầu gia Giá trị các bít của thanh ghi tương ứng:
Bit =0 đầu ra ở mức thấp
Bit = 1 đầu ra ở mức cao
1.2.7.3 Thanh ghi định hướng PxDIR
Các chân của mỗi port được định hướng làm đầu ra hoặc đầu vào phục thuộc vào giá trị các bít của thanh ghi PxDIR:
Nếu bit = 0 chân được định hướng làm đầu vào
Nếu bit = 1 chân được định hướng làm đầu ra
1.2.7.4 Thanh ghi lựa chọn chức năng PxSEL và PxSEL2
Mỗi chân của các cổng (port) có nhiều chức năng tương ứng với các mô-đun ngoại vi khác nhau Các bit trong thanh ghi PxSEL và PxSEL2 được sử dụng để chọn lựa chức năng của cổng, cho phép xác định liệu chúng hoạt động như các port xuất nhập hay thực hiện các chức năng đặc biệt khác.
Bảng 1.2: Chức năng của các port xuất nhập hoặc chức năng đặc biệt
PxSEL2 PXSEL Chức năng của chân
0 1 Module đầu tiên được lựa chọn
Module ngoại vi thứ 2 được lựa chọn, lưu ý rằng khi PxSEL = 1, các ngắt của P1 và P2 sẽ bị cấm Nếu bất kỳ bit nào trong thanh ghi P1SELx hoặc P2SELx được thiết lập, các ngắt tương ứng với các chân này cũng sẽ bị cấm.
Mỗi chân của port P1 và P2 đều có khả năng ngắt, được cấu hình qua các thanh ghi PxIFG, PxIE và PxIES Thanh ghi PxIFG giúp xác định nguyên nhân gây ra các ngắt của port P1 và P2, cụ thể là thanh ghi cờ ngắt P1IFG và P2IFG.
Mỗi bit trong thanh ghi PxIFGx đại diện cho một cờ ngắt tương ứng với các chân xuất/nhập Khi có xung tín hiệu tại các chân này, tất cả cờ ngắt trong PxIFGx cần có ngắt tương ứng với các bit PxIE và GIE được thiết lập Để hoạt động hiệu quả, mỗi cờ ngắt phải được reset qua phần mềm, và phần mềm cũng có khả năng thiết lập các cờ ngắt này.
- Bit =0 Không có ngắt nào đang chờ
- Bit =1 Có 1 ngắt đang chờ được phục vụ b) Thanh ghi lựa chọn ngắt theo sườn xung P1IES, P2IES
Mỗi bit của thanh ghi PxIES lựa chọn ngắt theo cạnh lên hay cạnh xuống tương ứng với mỗi chân xuất/ nhập:
- Bit = 0 Cờ ngắt được set khi có cạnh lên của xung
- Bit = 1 Cờ ngắt được set khi có cạnh xuống của xung c) Thanh ghi cho phép ngắt P1IE và P2IE
Mỗi bit PxIE cho phép hay cấm ngắt và liên quan đến cờ ngắt tương ứng:
MSP340G2553 có hai bộ định thời 16 Bit là Timer_A0 và Timer_A1
TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
Giới thiệu về tia hồng ngoại
Ánh sáng hồng ngoại, hay tia hồng ngoại, là loại ánh sáng không thể nhìn thấy bằng mắt thường, với bước sóng nằm trong khoảng từ 0.86μm đến 0.98μm Tia hồng ngoại di chuyển với vận tốc tương đương với vận tốc ánh sáng.
Tia hồng ngoại có khả năng truyền tải nhiều kênh tín hiệu và được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp Tốc độ truyền thông tin có thể đạt tới 3 megabit/s, vượt trội hơn nhiều so với sóng điện từ truyền thống Việc sử dụng ánh sáng hồng ngoại cho phép truyền tải thông tin với khối lượng lớn hơn đáng kể.
- Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém Chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng, do đó khi thu phải đúng hướng
Tia hồng ngoại có tính chất cơ bản sau:
- Có thể gây ra hiện tượngquang điệntrong ởchất bán dẫn
- Có thể tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt
- Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần
2.1.3 Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của hồng ngoại
Các nguồn sáng nhân tạo thường chứa nhiều sóng hồng ngoại Hình dưới cho ta quang phổ của các nguồn sáng này
Hình 2.1: Quang phổ của các nguồn sáng
Mắt người và phototransistor (PT) có phổ ánh sáng khác nhau Đèn thủy ngân hầu như không phát ra tia hồng ngoại, trong khi phổ của đèn huỳnh quang bao gồm nhiều đặc tính của các loại ánh sáng khác Transistor có phổ rộng, không nhạy với ánh sáng thấy được nhưng đạt đỉnh ở phổ của Led hồng ngoại.
Sóng hồng ngoại có đặc tính quang học tương tự như ánh sáng, nhưng chúng khác biệt rõ rệt trong khả năng xuyên suốt vật chất Nhiều vật mà mắt thường thấy "phản chiếu sáng" lại trở thành "phản chiếu tối" dưới tia hồng ngoại, trong khi những vật có màu xám đục lại trở nên trong suốt khi tiếp xúc với ánh sáng hồng ngoại Điều này lý giải tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn so với LED màu xanh lá cây hay đỏ, vì vật liệu bán dẫn "trong suốt" với ánh sáng hồng ngoại cho phép tia này không bị suy yếu khi vượt qua các lớp bán dẫn Hơn nữa, hồng ngoại không bị khói bụi làm giảm công suất như ánh sáng thông thường, và tuổi thọ của LED hồng ngoại có thể lên đến 100.000 giờ (hơn 11 năm), giúp chúng không gây sự chú ý trong các thiết bị kiểm soát.
Giới thiệu về tia nhiệt
Mọi vật thể đều cấu tạo từ các phân tử nhỏ, và nhiệt là năng lượng phát sinh từ sự dao động hỗn loạn của các phân tử này Những dao động này phát ra tia nhiệt, mà con người cảm nhận là sức nóng Trong cơ thể con người và động vật, luôn tồn tại thân nhiệt, thường là 37 độ C ở người, và cơ thể phát ra tia hồng ngoại với độ dài sóng từ 8ms đến 10ms Nguồn nhiệt này có thể được phát hiện bằng các linh kiện cảm ứng thân nhiệt, từ đó hình thành ý tưởng cho thiết bị phát hiện chuyển động (motion detector) dựa trên sự chuyển động của nguồn thân nhiệt.
Linh kiện thu sóng hồng ngoại
Sử dụng quang điện trở, phototransistor và photodiode để thu sóng hồng ngoại gần Đối với việc thu sóng hồng ngoại trung bình và xa phát ra từ cơ thể con người, động vật và các vật nóng, cần sử dụng detector làm từ vật liệu Lithium titanat hoặc tấm chất dẻo.
Polyviny-Lidendifluorid (PVDF) Cơ thể con người phát tia hồng ngoại với độ dài sóng từ 8ms đến 10ms.
Cảm biến thu phát hồng ngoại
2.4.1 Giới thiệu Để phát hiện có người đi qua thì cảm biến phải có phần phát và phần thu Phần phát phát ra ánh sáng hồng ngoại và phần thu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại Vì ánh sáng hồng ngoại có đặc điểm là ít bị nhiễu so với các loại ánh sáng khác Hai phần phát và thu hoạt động với cùng tần số Khi có người đi cắt ngang qua giữa phần phát và phần thu, nên phần thu sẽ không nhận được tín hiệu từ phần phát như thế tạo ra một tín hiệu tác động tới bộ phận xử lý Vậy phần phát và phần thu phải có nguồn tạo dao động Phần dao động tác động tới công tắc đóng ngắt của nguồn phát và nguồn thu ánh sáng Có nhiều linh kiện phát và thu ánh sáng hồng ngoại nhưng trong đề tài này chúng em chọn LED hồng ngoại và photodiode là linh kiện phát và thu tia hồng ngoại Vì photodiode là linh kiện rất nhạy với ánh sáng hồng ngoại
2.4.2.1 Cấu tạo và ký hiệu
Hình 2.3: Led phát hồng ngoại
LED phát hồng ngoại được viết tắt là IR Led (Infra Red Led), hay còn gọi là nguồn phát tia hồng ngoại (Infra Red Emitters)
LED hồng ngoại giống như led phát quang và phát ra ánh sáng hồng ngoại
Nó được chế tạo bằng Arsenic-Galium (GaAs)
LED hồng ngoại có đời sống 100.000 giờ (khoảng 11 năm)
Các đặc trưng kỹ thuật:
- Dũng điện thuận: If = vài chục mA á vài trăm mA
- Công suất cực đại: Pmax = vài trăm mW
Để tạo ra ánh sáng hồng ngoại liên tục, Led phát hồng ngoại cần được phân cực thuận, với điện thế thay đổi từ 1 đến 2.5V và dòng điện tối đa khoảng vài mA Khi được phân cực, các hạt dẫn khuếch tán qua tiếp xúc P-N, tái hợp và phát ra bức xạ hồng ngoại theo nhiều hướng Những tia hồng ngoại đi vào các lớp chất bán dẫn sẽ được phản xạ trở lại nhờ gương phản chiếu, làm tăng hiệu suất của Led Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học tương tự ánh sáng nhìn thấy, nhưng khác biệt ở khả năng xuyên suốt qua vật chất, đặc biệt là chất bán dẫn, giúp Led hồng ngoại có hiệu suất cao hơn Led chỉ thị Hơn nữa, Led hồng ngoại không phát ra ánh sáng nhìn thấy, nên rất hữu ích trong các thiết bị kiểm soát mà không gây sự chú ý.
2.4.3 Led thu hồng ngoại (Photodiode)
Hình 2.5: Led thu hồng ngoại 2.4.3.1 Khái quát
Với hiệu ứng quang điện, ta có sự phát sinh một điện áp ở lớp chuyển tiếp P-
N, khi lớp chuyển tiếp này được chiếu sáng Cũng như trong mạch tổ hợp vật liệu để chế tạo photodiode là silic Nhưng để chế tạo photodiode ta cần silic có độ sạch cao hơn Điện trở càng cao thì silic càng sạch Vật liệu silic dùng để chế tạo linh kiện điện tử có độ dẫn điện từ 10 đến 10.000 Ohm/cm
Photodiode được dùng với mạch khuếch đại có tổng trở cao và có các đặc tính:
- Nhẹ, có sức bền cơ học cao và có đời sống dài
Photodiode được sử dụng làm detector nhờ vào các đặc tính của nó Khi nối điện thế ngược với diode silic, dòng điện rò rất nhỏ chạy qua diode, khiến điện áp ở R1 gần bằng 0 Tuy nhiên, khi bóc vỏ diode để phơi trần vùng chuyển tiếp P-N dưới ánh sáng, dòng điện ngược tăng lên khoảng 1mA, tạo ra tín hiệu đáng kể ở R1 Tất cả các lớp chuyển tiếp P-N của diode đều nhạy sáng, mặc dù photodiode không nhạy sáng bằng quang trở Cadmium-sulfide, nhưng tốc độ hoạt động của nó nhanh gấp nhiều lần.
Hình 2.6: Photodiode làm việc với điện thế ngược
Photodiode bao gồm hai cực: catod và anod, với điện trở thấp khi anod có điện thế dương và điện trở cao khi anod có điện thế âm Thông thường, photodiode hoạt động hiệu quả nhất khi được cấp điện thế ngược.
Mắt con người nhạy nhất với ánh sáng có bước sóng 550 nm, tương ứng với màu xanh lá cây, trong khi độ nhạy với ánh sáng cực tím và hồng ngoại rất kém Các photodiode có độ nhạy trong vùng ánh sáng nhìn thấy hẹp hơn so với quang phổ của mắt người Photodiode hồng ngoại đạt độ nhạy cao nhất ở khoảng λ ≈1000nm, trong khi hai loại photodiode Si và Ge bao phủ quang phổ từ 300 đến 1800 nm Trong số đó, photodiode Si là quan trọng nhất vì nó nhạy với ánh sáng nhìn thấy và có độ nhạy tối đa trong vùng hồng ngoại gần, rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển từ xa với vật liệu GaAs.
Sự tiếp xúc giữa hai loại bán dẫn n và p tạo ra chuyển tiếp P-N, dẫn đến sự hình thành vùng nghèo hạt dẫn Tại đây, một điện trường xuất hiện và hình thành hàng rào thế Vb.
Hình 2.7: Chuyển tiếp P – N và hàng rào thế của nó
Khi không có điện thế bên ngoài tác dụng lên chuyển tiếp (V = 0), dòng điện qua chuyển tiếp I sẽ bằng 0 Thực tế, dòng I chính là tổng của hai dòng điện bằng nhau nhưng ngược chiều nhau.
Dòng do khuếch tán hạt dẫn cơ bản được tạo ra khi ion hóa tạp chất, bao gồm lỗ trống trong bán dẫn loại p và điện tử trong bán dẫn loại n Năng lượng nhiệt của các hạt dẫn cơ bản đủ lớn để vượt qua hàng rào thế.
Dòng hạt dẫn không cơ bản hình thành từ các cặp điện tử và lỗ trống khi có sự kích thích nhiệt trong bán dẫn loại p và n Những hạt này chuyển động dưới tác động của điện trường trong vùng nghèo, góp phần quan trọng vào tính chất dẫn điện của bán dẫn.
Khi áp dụng điện áp Vd lên diode, chiều cao của hàng rào thế sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của đòng hạt dẫn cơ bản và bề rộng vùng nghèo Điện áp Vd quyết định đòng điện chạy qua chuyển tiếp.
Trong đó là dòng hạt dẫn không cơ bản
Khi điện áp ngược đạt giá trị đủ lớn (Vd 4; k = (((k & BIT3)>>3) + ((k & BIT2)>>1) + ((k & BIT1)1) + ((k & BIT1)3) + ((k & BIT2)>>1) + ((k & BIT1)1) + ((k & BIT1)