ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỪ XA BẰNG HỒNG NGOẠI

MỤC LỤC Lời mở đầu Chương I : Lý Thuyết Tổng Quan 1 1 Một số khái niệm liên quan 1 1.1 Tia hồng ngoại (Ánh sáng hồng ngoại) 1 1.2 Hệ thống điều khiển từ xa 1 1.2.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống điều khiển từ xa 1 1.2.2 Kết cấu tin tức 2 1.2.3 Kết cấu hệ thống 2 1.2.4 Các phương pháp mã hóa trong hệ thống điều khiển từ xa 3 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại 4 1.3.1 Sơ đồ khối máy phát 4 1.3.2 Sơ đồ khối máy thu 5 2 Giới thiệu linh kiện điển hình trong mạch 6 2.1 Mạch phát 6 2.1.1 IC BL9148 6 2.1.2 Led phát hồng ngoại 8 2.2 Mạch thu 9 2.2.1 IC BL9149 9 2.2.2 Bộ thu hồng ngoại 11 2.2.3 IC HEF4013 11 2.2.4 IC KA7805 12 2.2.5 Relay 14 2.2.6 Transistor C1815 15 Chương II : Thi Công Mô Hình 16 1 Sơ đồ nguyên lý 16 1.1 Mạch phát 16 1.2 Mạch thu 17 2 Giải thích sơ đồ nguyên lý 17 2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch phát 17 2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch thu 19 3 Sơ đồ mạch in 22 3.1 Mạch phát 21 3.2 Mạch thu 21 4 Kết quả đo được 22 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ



ĐỒ ÁN 1 TÊN ĐỀ TÀI:

SVTH: LÊ MINH TUẤN 07727191

NGUYỄN MINH SANG 07727951 LỚP : CDDT9B

GVHD: NGUYỄN VĂN AN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ



ĐỒ ÁN 1 TÊN ĐỀ TÀI:

SVTH: LÊ MINH TUẤN 07727191

NGUYỄN MINH SANG 07727951 LỚP : CDDT9B

GVHD: NGUYỄN VĂN AN

…… 000 ……

Tp.HCM, Ngày ….Tháng… Năm 2009 Giáo Viên Hướng Dẫn

…… 000 ……

Tp.HCM, Ngày ….Tháng… Năm 2009 Giáo Viên Phản Biện

Trong suốt quá trình thực hiện đồ án “ Mạch Điều Khiển Thiết Bị Từ XaBằng Hồng Ngoại ”, chúng em đã nhận được rất nhiều ý kiến đóng góp cũng như

sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của quý thầy cô và các bạn cùng lớp

Chúng em xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường ĐH CôngNghiệp Tp.Hồ Chí Minh, các thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Tử, đặc biệt là thầyNguyễn Văn An đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp chúng em hoàn thành xong

đồ án này

Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng emkhông thể tránh khỏi những sai xót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bòqua và có những góp ý để chúng em hoàn thiện đồ án của mình hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp hiện đạinhư công nghệ thông tin, công nghệ truyền thông, cơ khí, động lực trong thờigian qua không thể tách rời với ngành điện tử Ngành điện tử đóng vai trò rấtquan trọng, nó đã xâm nhập vào cuộc sống con người khá sớm từ những thiết bịđơn giản như đèn chiếu sáng, radio,…, đến những máy móc phức tạp và ứngdụng công nghệ cao như hệ thống camera, robot…tất cả điều đươc ứng dụngrộng rãi và góp phần hiệu quả vào công việc giải phóng sức lao động của conngười đưa con người hướng tới một thế giới công nghệ mới ngày càng hiên 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 gũi với chúng tacũng được cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất Điềukhiển từ xa đã thâm nhập vào vấn đề này do đó cho ra đời những loại tivi điềukhiển từ xa, đầu video, VCD, CD,… đến quạt bàn tất cả điều khiển từ xa Điềukhiển từ xa là việc điều khiển mô hình, thiết bị ở một khoảng cách nào đó màngười không nhất thiết phải đến nơi đặt hệ thống Thế giới ngày càng phát triểnviệc ứng dụng các thiết bị diều khiển tự động ngày càng được con người sử dụngrong đó có quá trình thu phát bằng hồng ngoại nó có độ chính xác và nhanhchóng trong quá trình điều khiển từ xa

Xuất phát từ những ý tưởng trên nên chúng em đã chọn đề tài mạch điềukhiển thiết bị từ xa bằng hồng ngoại Trong thời gian ngắn và kiến thức còn hạnchế nên quyển đồ án chưa được hoàn thiện cho lắm và còn nhiều thiếu sót Kínhmong sự chỉ dẫn và góp ý của tất cả thầy cô và các bạn

Lời mở đầu

Chương I : Lý Thuyết Tổng Quan 1

1 Một số khái niệm liên quan 1

1.1 Tia hồng ngoại (Ánh sáng hồng ngoại) 1

1.2 Hệ thống điều khiển từ xa 1

1.2.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống điều khiển từ xa 1

1.2.2 Kết cấu tin tức 2

1.2.3 Kết cấu hệ thống 2

1.2.4 Các phương pháp mã hóa trong hệ thống điều khiển từ xa 3

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại 4

1.3.1 Sơ đồ khối máy phát 4

1.3.2 Sơ đồ khối máy thu 5

2 Giới thiệu linh kiện điển hình trong mạch 6

2.1 Mạch phát 6

2.1.1 IC BL9148 6

2.1.2 Led phát hồng ngoại 8

2.2 Mạch thu 9

2.2.1 IC BL9149 9

2.2.2 Bộ thu hồng ngoại 11

2.2.3 IC HEF4013 11

2.2.4 IC KA7805 12

2.2.5 Relay 14

2.2.6 Transistor C1815 15

Chương II : Thi Công Mô Hình 16

1 Sơ đồ nguyên lý 16

1.1 Mạch phát 16

1.2 Mạch thu 17

2 Giải thích sơ đồ nguyên lý 17

2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch phát 17

2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch thu 19

3 Sơ đồ mạch in 22

3.1 Mạch phát 21

3.2 Mạch thu 21

4 Kết quả đo được 22 KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM LIÊN QUAN

1.1 Tia hồng ngoại (ánh sáng hồng ngoại)

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 400.000nmđến 760nm, 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 bướcsóng dài nhất trong ánh sáng thường Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0OK đều phát

ra tia hồng ngoại

Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như ánh sáng ( sự hội

tụ qua thấu kính, tiêu cự… ) Ánh sáng thường và ánh sáng hồng ngoại khácnhau rất rõ trong sư xuyên suốt qua vật chất Có những vật chất ta thấy nó mộtmàu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt Vì vật liệubán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu

đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài

Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu Nó ứng dụngrộng rãi trong công nghiệp lượng thông tin có thể đạt được 3Mbit/s Lượngthông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với songđiện ừ mà ta vẫn dùng Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang dẫn không cầncác trạm khuếch đại giữa chừng, người ta có thể truyền một lúc 15000 điện thoạihay 12 kênh truyền hình qua một sợi tơ quang với đường kín 0,13 mm vớikhoảng cách 10 Km đến 20 Km Lượng thông tin truyền đi với ánh sáng hồngngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà ta vẫn dùng Tia hồng ngoại dễhấp 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

1.2 Hệ thống điều khiền từ xa

1.2.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống diều khiển từ xa

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

Do đó chúng có những nhiệm vụ cơ bản sau:

- Phát 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 được mã phải biến đổi các

mã nhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị, đồng thờikiểm tra sự chính xác của mã mới nhận

1.2.2 Kết cấu tin tức

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

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

- Tốc độ làm việc nhanh

- Thiết bị phải an toàn tin cậy

- Kết cấu phải đơn giản

Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cựcđại đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép

1.2.3 Kết cấu hệ thống

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

Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống

- 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 biếnđổi, biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thihành.

1.2.4 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 đãđược 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 tứ máy phát Ở máy thu,tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép đổi trên: giải

Dạng sai nhầm của các mã được truyền đi tùy thuộc tính chất của kênh truyền,chúng có thể phân thành 2 loại:

 Sai độc lập: trong quá trình truyền, do nhiều tác động, một hoặc nhiều kýhiệu trong các tổ hợp mã có thể bị sai nhầm, nhưng những sai nhầm đókhông liên quan nhau

ra trong từng chùm, cụm ký hiệu kế cận nhau

Sự lựa chọn của cấu trúc mã chống nhiễu phải dựa trên tính chất phân bố xácxuất sai nhầm trong kênh truyền

Hiện nay lý thuyết mã hóa phát triển rất nhanh, nhiều loại mã phát hiện và sủa saiđược nghiên cứu như: mã hamming, mã chu kỳ, mã nhiều cấp

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

1.3.1 Sơ đồ khối máy phát

Hình 1.2 Sơ đồ khối máy phát

Máy phát có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hóa và phát tín hiệu đến máythu, lệnh truyền đi đã được điều chế

nút nhấn (phím điều khiển) Các nút nhấn này có thể là một nút (ở mạchđiều khiển đơn giản), hay một ma trận nút (ở mạch điều khiển chức năng)

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

không lẫn lộn nhau, ta phải tiến hành mã hóa các tín hiệu (lệnh điềukhiển) Khối mã hóa này có nhiệm vụ chuyển đổi các lệnh điều khiểnthành 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 sốlượng phím chức năng nhiều hay ít Hiện tượng biến đổi này gọi là mãhóa Có nhiều phương pháp mã hóa khác nhau: điều chế biên độ xung(PAM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vị trí xung (PPM), điềuchế mã xung (PCM) Trong kỹ thuật điều khiển từ xa bằng hồng ngoại,phương pháp điều chế mã xung thường được sử dụng nhiều hơn cả, víphương pháp này tương đối đơn giản và dễ thực hiện

số ổn định, sóng mang này sẽ mang tín hiệu điều khiển khi truyền ra môitrường

 Khối điều chế: khối này có nhiệm vụ kết hợp tính hiệu điều khiển đã mãhóa sóng mang để đưa đến khối khuếch đại.

tín hiệu ra môi trường

hồng ngoại phát ra môi trường

1.3.2 Sơ đồ khối máy thu

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

Hình 1.3 Sơ đồ khối máy thu

tín hiệu điều khiển

 Khối khuếch đại: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển lớn lên từ từ,Led thu hồng ngoại để quá trình xử lý tín hiệu được dễ dàng

lại tín hiệu điều khiển như tín hiệu gửi đi từ máy phát

dạng các bit nhị phân hay các dạng khác để đưa đến khối chấp hành cụthể Do dó nhiệm vụ của khối này rất quan trọng

là khối cuối cùng tác động trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ điềukhiển mong muốn

2 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỂN HÌNH TRONG MẠCH

- Tiêu thụ công suất thấp

- Vùng điện áp hoạt động: 2.2V-5V

- Sử dụng được nhiều phím

- Ít thành phần ngoài

2.1.1.2 Sơ đồ và chức năng của từng chân

Hình 1.4 Hình dáng và sơ đồ chân của IC BL9148

tạo dao động bên trong IC

K1 đến K6 kết hợp với các chân 10 đến 12 (T1-T3) để tạo thành ma trận

18 phím

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 thườngkhi không sử dụng có thể bỏ trống.

2.1.1.3 Sơ đồ khối bên trong

Bên trong IC BL9148 do bộ dao động, bộ phân tần, bộ giãi mã, mạch đầu vàocủa bàn phím, bộ phát mã số… tạo thành

Hình 1.5 Sơ đồ khối bên trong của IC BL9148

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

và mạch hoạt động thời gian T1-T3 (chân 10-12) để tạo ra bàn phím matrận (6*3)

 Mạch phát sinh tín hiệu bit và mạch phát sinh tín hiệu chiông:

- Lệnh truyền: gồm một lệnh được tạo bởi 3 bit mã người dùng, 1bit mã liên tục, 2 bit mã không liên tục và 6 bit mã ngõ vào.

- Vậy nó có 12 bit mã Trong đó, 3 bit mã được dùng như sau: dữliệu của 3 bit mã T1, T2, T3 sẽ là “1” nếu một diode được nốigiữa chân CODE và chân Tn (n= 1-3) và là “0” khi không nốidiode Vì IC thu BL9149 chỉ có 2 bit mã (CODE 2, CODE 3)nên chân T1 (chân 10) sẽ luôn ở mức “1”

2.1.2 Led phát hồng ngoại

Led phát hồng ngoại được viết tắt là IR Red (Infra Red Led), hay còn gọi lànguồn phát tia hồng ngoại (Infra Red Emitters), giống như led bình thường (ledphát quang- light emitting diode) và phát ra ánh sáng hồng ngoại Nó được chếtạo bằng chất Arsenic-Galium (GaAs) Led hồng ngoại có đời sống khoảng100.000 giờ (khoàng 11 năm), với các đặc trưng kỹ thuật như:

Hình 1.6 Ký hiệu và hình dáng của led phát hồng ngoại

Nguyên lý làm việc: để có ánh sáng phát ra liên tục, người ta phân cực thuận ledhồng ngoại tùy theo vật liệu cấu tạo, điện thế thêm của led thay đổi từ 1 đến2.5V và dòng điện qua nó tôi đa khoảng vài mA Khi chuyển tiếp P-N phân cựcthường có hiện tượng phun hạt dẫn ở mức cao (lỗ trống P++ phun sang N++, điện

tử từ N++ phun sang P++) và kèm theo đó là hiện tượng tái hợp bức xạ để sinh ranăng lượng là ánh sáng sáng hồng ngoại (không thấy được bằng mắt thường).Hiện tượng bức xạ là hiện tượng giải phóng ra các proton khi có tái hợp trực tiếpgiữa điện tử và lỗ trống

- Tiêu tán 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 dộng RC

- Bộ lọc số và bộ kiểm tra mã ngăn ngừa sự tác động từ những nguồn sángkhác nhau như đèn PL Do đó không ảnh hưởng đến độ nhạy của mắt thu

2.2.1.2 Sơ đồ và chức năng của từng chân

Hình 1.7 Hình dáng và sơ đồ chân của IC BL9149

mang

hiệu tương ứng với đầu ra nào thì đầu ra đó sẽ duy trì ở mức logic “1”

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

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 độngcho mạch.

2.2.1.3 Sơ đồ khối bên trong

Hình 1.8 Sơ đồ khối bên trong của IC BL9149

Sau khi IC phát BL9148 phát tín hiệu (2 chu kỳ) đi, tín hiệu sẽ được mắt thu tiếpnhận rồi đưa nó đến chân RxIN Chân RxIN có nhiệm vụ sẽ chỉnh lại dạng sóngcủa tín hiệu cho chuẩn Sau đó, tín hiệu được đưa tới bộ lọc số Bộ Lọc số cónhiêm vụ lọc lấy các dữ liệu rồi đưa đến thanh ghi Dữ liệu đầu tiên sẽ được đưaqua bộ đệm ngõ ra nếu mã của nó khớp với mã của phần phát Trường hợp, mãcủa dữ liệu không khớp với mã của phần phát thì quá trình sẽ được lặp lại Khicác dữ liệu nhận được thông qua, ngõ ra sẽ chuyển từ mức thấp lên cao

2.2.2 Bộ thu hồng ngoại

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu của bộ thu hồng ngoại

Cấu tạo bán dẫn của quang transistor coi như gôm có một quang diode vàmột quang transistor

 Nguyên lý hoạt động : trong quang transistor có quang diode làm nhiệm vụ

cảm ứng quang điện và transistor làm nhiệm vụ khuếch đại quang diodeđược sử dụng ở đây là mối nối P-N giữa cực B và cực C trong transistor,khi phân cực cho các chân thì diode B-E được phân cực thuận và diode B-

C được phân cực ngược và khi được chiếu sáng thì dòng điện rỉ IBC sẽ tăngcao hơn bình thường nhiều lần Dòng điện rỉ sẽ trở thành dòng IB và đượctransistor khuếch đại độ khuếch đại của transistor từ 100-1000 và bộkhuếch đại không tuyến tính theo cường độ ánh sáng chiếu vào mối nối.Quang điện transistor có tốc độ làm việc chậm do tụ điện kí sinh CCB(tụ kísinh giữa cực C và cực B).Quang transistorco1 tần số làm việc cao nhấtchỉ khoảng vài trăm KHz, trong khi tần số làm việc cực đại của quangdiode có thể lên vài chục MHz

2.2.2.1 Đặc tính

Vi mạch 4013 chứa 2 flip-flop D, nó là vi mạch đa năng, chúng có các chân đặttrực tiếp (SD), xóa trực tiếp (CD), ngỏ vào xung clock (CP) và ngỏ ra (O,O) Dữliệu được chấp nhận khi CP ở mức thấp và được chuyển đến ngõ ra khi có cạnhdương của xung đồng hồ Khi 2 chân CD và SD cùng ở mức cao bất chấp dữ liệuvào và xung đồng hồ như thế nào, cả 2 ngõ ra O và O điều ở mức cao

2.2.2.2 Sơ đồ và chức năng của từng chân