(TIỂU LUẬN) báo cáo project giữa kỳ EMC đề tài thiết kế trung tâm điều khiển thiết bị hồng ngoại kiểm tra chất lượng sản phẩm theo các tiêu chuẩn EMIEMS

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP -□□ - BÁO CÁO: Project kỳ EMC Đề tài: Thiết kế trung tâm điều khiển thiết bị hồng ngoại Kiểm tra chất lượng sản phẩm theo tiêu chuẩn EMI/EMS Nhóm sinh viên: Nhóm Nguyễn Quang Trung Phạm Văn Duy Nguyễn Hữu Mạnh Giáo viên hướng dẫn: T.S Lê Minh Thùy HÀ NỘI, 7/2022 LỜI NÓI ĐẦU Khoa học kỹ thuật phát triển kèm với phát triển thiết bị thông minh cơng nghệ truyền thơng khơng dây, có nhiều công nghệ truyền tin không dây ứng dụng rộng rãi đời sống wifi, bluetooth, BLE, RF,…Trong số điều khiển sử dụng sóng hồng ngoại phổ biến tất gia đình xuất chiệc điều khiển sử dụng sóng hồng ngoại điều khiển TV, điều hồ, quạt,… Việc có q nhiều điều khiển gây trật trội bừa bộn nhiều lúc ta khơng tìm thấy điều khiển cần thiết Dựa vấn đề để tiết kiệm khơng gian khơng phải tìm điều khiển nhóm em thiết kế thiết bị điều khiển trung tâm có khả điều khiển thiết bị điều khiển sóng hồng ngoại Để đáp ứng yêu cầu ngày khắt khe thị trường đáp đảm bảo chất lượng thiết bị, đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường điều kiện môi trường quan trọng Trong project này, nhóm em kiểm tra khả hoạt động ổn đinh thiết bị LỜI CAM ĐOAN Chúng em thuộc nhóm 7, học phần tương thích điện từ (EMC), mã lớp 133267, Giảng viên TS Lê Minh Thùy Chúng em xin cam đoan nội dung trình bày báo cáo kết trình tìm hiểu nghiên cứu chúng em Các liệu nêu báo cáo hoàn toàn trung thực, phản ánh kết đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn tuân thủ quy định sở hữu trí tuệ; tài liệu tham khảo liệt kê rõ ràng Chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung viết báo cáo Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Người cam đoan Nhóm MỤC LỤC MỤC LỤC TÓM TẮT BÁO CÁO CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THU PHÁT HỒNG NGOẠI 1.1 Sóng hồng ngoại 1.2 Công nghệ thu phát sóng hồng ngoại 1.3 Một vài chuẩn thu phát hồng ngoại CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Thiết kế mạch nguyên lý 2.1.1 Lựa chọn thiết bị: 2.1.2 Nguồn cung cấp 2.1.3 Các linh kiện khác: 2.2 Thiết kế mạch PCB CHƯƠNG 3: CÁC TIÊU CHUẨN EMI/EMS VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM 3.1 Tiêu chuẩn EMI CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Mật độ dòng điện điện trường: 4.1.1 Điện trường bề mặt m 4.1.2 Cường độ điện trường t 4.2 Ảnh hưởng dây nguồn lên dây tín hiệu: CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC TẾ CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh mục hình vẽ: HÌnh 1: Bước sóng tia hồng ngoại 10 HÌnh 2: Phân loại tia hồng ngoại theo Mỹ 11 HÌnh 3: Đặc điểm dải sóng hồng ngoại 11 HÌnh 4: Sơ đồ khối bên phát sóng hồng ngoại 12 HÌnh 5: Sơ đồ khối bên thu sóng hồng ngoại 13 HÌnh 6: Khung bảng tin chuẩn NEC 14 HÌnh 7: Khung bảng tin Repeat code 14 HÌnh 8: Sự thay đổi mức logic 15 HÌnh 9: Khung truyền chuẩn SONY 15 HÌnh 10: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 16 HÌnh 11: STM32 MCU 17 HÌnh 12: ESP32 MCU 19 HÌnh 13: Sơ đồ thiết kế mạch 22 HÌnh 14: Phủ mass GND hai mặt top bottom cho mạch 23 HÌnh 15: thiết kế dây thạch anh mạch 23 HÌnh 16: Sơ đồ dây tồn mạch 24 HÌnh 17: Sơ đồ 2D mạch sau hoàn thiện 25 HÌnh 18: Sơ đồ 3D mạch sau hoàn thiện 26 HÌnh 19: Chuẩn EN-55014 nhiễu dẫn từ 28 HÌnh 20: Chuẩn EN-55014 nhiễu phát xạ điện từ 29 HÌnh 21: Sơ đồ thiết kế layout mạch 30 HÌnh 22: Phân bố điện trường bề mặt mạch 31 HÌnh 23: Cường độ điệntrường xung quanh mạch 32 HÌnh 24: Cường độ từ trường xung quanh mạch 33 HÌnh 25: Cấp nguồn Discrete Port (Trise = 1ns) 33 HÌnh 26: Kết dịng crosstalk dây UART 34 HÌnh 27: Kết dịng crosstalk dây SPI 34 HÌnh 28: Kết dịng crosstalk dây có tín hiệu thay đổi với tần số cao có thêm tụ lọc đặt dây nguồn xa độ dài FR4=0.8mm 35 Hình 29: Kết dịng crosstalk dây có tín hiệu thay đổi với tần số cao có thêm tụ lọc đặt dây nguồn xa độ dài FR4=1.6mm 35 HÌnh 30: Port đường dây có giao động với tần số cao 36 HÌnh 31: cấp xung nối đất port 37 HÌnh 32: Kết mơ xạ mạch 37 HÌnh 33: Mạch thực tế (mặt trước) 39 HÌnh 34: Mạch thực tế (mặt sau) 40 TÓM TẮT BÁO CÁO Project thực dựa kiến thức lý thuyết học vi xử lý, kĩ thuật đo lường - điều khiển, kĩ thuật cảm biến, cảm biến khơng dây, tương thích điện từ để thiết kế sản phẩm phục vụ nhu cầu thực tiễn Các cơng việc cần làm: - Đưa nhiễu điện từ vào môi trường truyền, nhận thiết bị; đánh giá mức độ sai lệch tin, mức độ suy hao tín hiệu - Thiết kế mạch điều khiển thiết bị sử dụng sóng hồng ngoại Phân công công việc STT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THU PHÁT HỒNG NGOẠI 1.1 Sóng hồng ngoại Nhà thiên văn học người Anh - William Herschel phát ánh sáng hồng ngoại vào năm 1800, theo NASA Trong thí nghiệm để đo khác biệt nhiệt độ màu quang phổ khả kiến, ông đặt nhiệt kế màu quang phổ nhìn thấy Kết cho thấy gia tăng nhiệt độ từ xanh lam sang đỏ, ông nhận thấy phép đo nhiệt độ chí cịn ấm bên ngồi điểm cuối màu đỏ quang phổ nhìn thấy Tia hồng ngoại (Tiếng anh gọi Infrared ray- tia IR) hay xạ hồng ngoại, loại lượng xạ mà mắt người khơng nhìn thấy cảm nhận dạng nhiệt Tia hồng ngoại xạ có bước sóng nằm khoảng 760 nm – mm Tia hồng ngoại có bước sóng dài bước sóng ánh sáng nhìn thấy lại ngắn bước sóng viba ( bước sóng lị vi sóng) HÌnh 1: Bước sóng tia hồng ngoại Trong đó, tia hồng ngoại có tần số 300 GHz – 300 MHz, lượng photon dao động khoảng 1.24 meV – 1.7 eV Vì nguồn xạ tia hồng ngoại nhiệt xạ nhiệt, nên vật có nhiệt độ lớn 0°K xạ lượng hồng ngoại - Phân loại tia hồng ngoại Dựa vào bước sóng, chia tia hồng ngoại thành nhiều loại khác Với Mỹ, người ta chia thành vùng hồng ngoại, với chia đơn giản thành vùng khác Về phân loại tia hồng ngoại theo Mỹ, bạn tham khảo thơng số đây: HÌnh 2: Phân loại tia hồng ngoại theo Mỹ Về phân vùng tia hồng ngoại theo cách đơn giản thành vùng: hồng ngoại gần, hồng ngoại hồng ngoại xa Chi tiết đây: HÌnh 3: Đặc điểm dải sóng hồng ngoại Đặc điểm tia hồng ngoại Tác dụng nhiệt Có thể gây tượng quang điện chất bán dẫn Có thể tác dụng lên số kính ảnh đặc biệt Có thể biến điệu sóng điện từ cao tần Tia hồng ngoại tuân theo định luật: truyền thẳng, phản xạ, gây tượng nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng thơng thường HÌnh 21: Sơ đồ thiết kế layout mạch 28 HÌnh 22: Phân bố điện trường bề mặt mạch Nhận xét: · Dòng điện bề mặt bị tập trung nhiều phần cấp nguồn đường đến nguồn cấp cho vi xử lí, modul truyền nhận cách xa · Đất gần gây nên việc tập trung nhiều · Nhiễu lớn gần nguồn mức -40dB(A/m) thoả mãn tiêu chuẩn EN55014 29 4.1.2 Cường độ điện trường từ trường xung quanh mạch HÌnh 23: Cường độ điện trường xung quanh mạch Nhận xét: Cường độ điện trường tập chung chủ yếu phần dây VCC: 5VDC Mật độ dòng nhỏ so với giới hạn thơng thường Các đường dây rìa mạch thường có mật độ dịng điện cao đường dây khác mạch 30 HÌnh 24: Cường độ từ trường xung quanh mạch Nhận xét: Cường độ từ trường mạch ít, có phần nhỏ đầu vào nguồn không sử dụng phần tử L 4.2 Ảnh hưởng dây nguồn lên dây tín hiệu: Để thử nghiệm, nhóm thực cấp Discrete Port 5V-DC có dạng điện áp hình Với thơng số Ttotal=50ns, Thold = 40 ns, Trise = 2ns Tfall = 1ns HÌnh 25: Điện áp nguồn Discrete Port 31 Với trường hợp thứ nhất, dây nguồn đặt gần dây UART, thấy ảnh hưởng từ nguồn đến UART sau: HÌnh 26: Kết dịng crosstalk dây UART Nhận xét: Khi đặt nguồn gần dây UART, thấy ảnh hưởng dịng crosstalk lớn, làm thay đổi điện áp dây UART tới 3V, gần thay đổi hoàn toàn kết tín hiệu số Trường hợp dây nguồn gần dây SPI: HÌnh 27: Kết dịng crosstalk dây SPI Nhận xét: Khi đặt nguồn gần dây SPI, thấy ảnh hưởng dòng crosstalk lớn, làm thay đổi điện áp dây SPI tới 3V, gần thay đổi hồn tồn kết tín hiệu số Trường hợp dây nguồn đặt xa, thêm tụ lọc: Đặt phần tử đo cuối đường tín hiệu Với tín hiệu thay đổi với tần số cao UART, PWM kết đo sau: 32 HÌnh 28: Kết dịng crosstalk dây có tín hiệu thay đổi với tần số cao có thêm tụ lọc đặt dây nguồn xa độ dài FR4=0.8mm Hình 29: Kết dịng crosstalk dây có tín hiệu thay đổi với tần số cao có thêm tụ lọc đặt dây nguồn xa độ dài FR4=1.6mm Nhận xét: Khi tăng độ dài lớp cách điện FR4, ta thấy ảnh hưởng crosstalk lên đường dây bị giảm Khi đặt nguồn xa đường tín hiệu có tần số thay đổi nhanh, kết hợp với việc thêm tụ lọc Có thể thấy ảnh hưởng dòng crosstalk giảm nhiểu Trong giai đoạn khởi động 50ns ảnh hưởng 1V Không ảnh hưởng tới kết đường dây số Năng lượng xạ môi trường xung quanh Cách tiến hành: 33 Bước Import mạch từ Altium qui định lớp chất 0.8mm Sau tạo port đường dây có tín hiệu cần kiểm tra Với sơ đồ mạch nhóm, chúng em kiểm tra đường dây UART, I2C, SPI, thạch anh PWM HÌnh 30: Port đường dây có giao động với tần số cao Các đường Port tạo xung dạo động đường dây, từ tính tốn da lượng xạ mơi trường dựa theo tần số Sau cấp Port, tạo Probe phần EMC, quy định khoảng cách 3m Vào Schematic để nối đường port 34 HÌnh 31: cấp xung nối đất port Với giá trị tụ quy định datasheet MCU STM32 50 pF Kết mơ phỏng: HÌnh 32: Kết mơ xạ mạch Nhận xét: Nhìn tổng quan, đường layout mạch thoả mãn yêu cầu theo tiêu chuẩn EN-55014 lượng xạ Các đường layout mạch tạo hài tần số 6MHz, không vượt ngưỡng xạ tiêu chuẩn gây ảnh hưởng định 35 36 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC TẾ Sau hoàn thiện mạch thực tế, mạch hoạt động ổn định Đạt yêu cầu đặt HÌnh 33: Mạch thực tế (mặt trước) 37 HÌnh 34: Mạch thực tế (mặt sau) 38 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN Đánh giá: · Mật độ dòng điện mạch khơng q lớn giảm bớt việc tăng độ rộng đường dây · Các tụ coupling sử dụng để tạo ổn định · Việc tách đất lớp top bottom tạo ổn định điện áp sau khoảng thời gian, nhiên mạch gây nên offset lớn · Việc mô chưa đầy đủ trường hợp nên chưa đánh giá toàn diện · Một vài đường dây mạch thay đổi để cải thiện chất lượng tín hiệu · Hiện tại, mạch q trình mơ chưa đánh giá thực tế · Khi làm thực tế, có ảnh hưởng từ việc hàn Kết luận chung: Qua trình học thực hành Project kì học phần Tương thích điện từ trường EMC, nhóm chúng em nhận kết sau: - Hệ thống hóa tồn kiến thức EMC để áp dụng vào tập lớn, bao gồm layout thực thiết kế theo quy chuẩn - Áp dụng kiến thức môn học vào việc giảm thiểu nhiễu EMC layout mạch 39 Phân chia công việc & đánh giá: Thành viên Phạm Văn Duy Nguyễn Quang Trung Nguyễn Hữu Mạnh 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] Nguyên tắc thu phát hồng ngoại (123docz.net) Cổng thông tin điện tử Cục Tần số (cuctanso.vn) [3] Điều khiển từ xa sóng hồng ngoại, Nghiên cứu khoa học, Khoa Quản trị - Kinh tế Quốc tế (lhu.edu.vn) [4] Measurement Report (okchem.com) 41 ... tìm điều khiển nhóm em thiết kế thiết bị điều khiển trung tâm có khả điều khiển thiết bị điều khiển sóng hồng ngoại Để đáp ứng yêu cầu ngày khắt khe thị trường đáp đảm bảo chất lượng thiết bị, ... CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Thiết kế mạch nguyên lý Yêu cầu: Thiết kế thiết bị có khả điều khiển thiết bị hồng ngoại Thiết bị có khả học lệnh Đáp ứng tiêu chuẩn EMC Dưới sơ đồ... loại tia hồng ngoại theo Mỹ, bạn tham khảo thơng số đây: HÌnh 2: Phân loại tia hồng ngoại theo Mỹ Về phân vùng tia hồng ngoại theo cách đơn giản thành vùng: hồng ngoại gần, hồng ngoại hồng ngoại