Luận văn tốt nghiệp hệ thống báo trộm bằng tia hồng ngoại dùng vi xử lý ( đại học bách khoa) khao điện, điện tử

Luận văn tốt nghiệp hệ thống báo trộm bằng tia hồng ngoại dùng vi xử lý ( đại học bách khoa)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ THỐNG BÁO TRỘM BẰNG HỒNG NGOẠI DÙNG VI XỬ LÝ SVTH: MSSV: CBHD: Th.S HỒ TRUNG MỸ BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ TP Hồ Chí Minh, 06/2007 Bản quyền thuộc về Goccay.vn i LỜI CẢM ƠN Trong suốt khóa học (2002 - 2007) tại Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, với sự giúp đỡ của qúy thầy cô và giáo viên hướng dẫn về mọi mặt từ nhiều phía và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài đã được hoàn thành đúng thời gian qui đònh. Em xin chân thành cảm ơn đến : Bộ môn Điện tử cùng tất cả qúy thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học. Đặc biệt, Th.s. Hồ Trung Mỹ – giáo viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình giúp đỡ và cho em những lời chỉ dạy qúy báu, giúp em đònh hướng tốt trong khi thực hiện luận văn. Tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Tuy nhiên, thời gian làm luận văn có hạn nên quyển luận văn không tránh khỏi những thiếu sót rất mong được sự đóng góp của qúy thầy cô và các bạn. Bản quyền thuộc về Goccay.vn ii TÓM TẮT Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý là một hệ thống khá hoàn chỉnh với các chức năng sau: 1. Phát hiện trộm đột nhập Được thiết kế với 5 cặp thu phát hồng ngoại có các tần số khác nhau. Khi chưa có trộm đột nhập che phần thu phát thì đèn báo dò đúng tần số phát ở phần thu sẽ sáng và cấp tín hiệu mức 1 cho phần vi xử lý thông qua board 4N35 vì điện áp cấp từ phần thu lớn hơn 5V. Khi có trộm đột nhập che khuất một trong các cặp thu phát hoặc che 2 cặp, 3 cặp, 4 cặp, 5 cặp thì led báo phần thu ở các vò trí sẽ tắt và cấp mức điện áp thấp (mức 0) vào vi xử lý thông qua board 4N35. 2. Xử lý xuất tín hiệu báo động và hiển thò vò trí xuất hiện trộm Khi có các tín hiệu từ phần thu tác động vào, các tín hiệu này sẽ lần lượt được đưa vào các chân từ P1.0 – P1.4 của vi điều khiển báo cho vi điều khiển biết là có trộm đột nhập. Lúc này vi điều khiển sẽ ra lệnh cho chân P1.7 lên mức 1 để tác động qua transistor đóng relay báo chuông và đồng thời xuất dữ liệu ra port 0 để hiển thò vò trí có xuất hiện trộm ra LCD và giữ hiển thò vò trí xuất hiện trộm và chuông báo cho đến khi ta tắt hệ thống thì chuông và tín hiệu hiển thò sẽ tắt Khi có trộm che ở cặp thu phát 1 thì LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 1”, nếu che ở cặp thu phát 2 thì LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 2”, nếu che ở cặp thu phát 3 thì LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 3”, nếu che ở cặp thu phát 4 thì LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 4”, nếu che ở cặp thu phát 5 thì LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 5”. Nếu bò che ở 2 vò trí hoặc 3 hoặc 4 hoặc 5 thì LCD lần lượt hiển thò lên màn hình các trò trí bò che. Nếu không bò che thì không có tín hiệu tác động vào và vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu mức 0 cấp cho transistor điều khiển relay tắt và xuất tín hiệu ra LCD: “Không có tín hiệu”. Bản quyền thuộc về Goccay.vn iv MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn i Tóm tắt ii Mục lục iii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 CHƯƠNG 2: NGUYÊN TẮC IR PHÁT HIỆN VẬT CẢN 3 2.1 Nguyên tắc thu phát sóng hồng ngoại 3 2.1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại 3 2.1.2 Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của nó 3 2.1.3 Nguyên tắc IR phát hiện vật cản 5 2.1.4 Ý tưởng bố trí phần thu phát để phát hiện vật cản 6 2.2 Khối thu phát tín hiệu hồng ngoại 7 2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Led hồng ngoại 7 2.2.2 Photo diode 7 2.2.2.1 Khái quát 7 2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 9 2.2.2.3 Chế độ hoạt động 11 2.2.2.4 Độ nhạy 14 2.3 Khối dao động 15 2.3.1 Khối dao động phần phát (IC 555) 15 2.3.2 Khối dao động phần thu (IC 567) 18 2.4 Khối xử lý 23 2.4.1 Giới thiệu cấu trúc phần cứng 8051 23 2.4.2 Cấu trúc bên trong 8051 26 2.4.3 Hoạt động thanh ghi Timer 33 2.4.4 Ngắt 37 2.5 Màn hình hiển thò LCD 39 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 45 3.1 Thiết kế hệ thống thu phát 45 3.2 Thiết kế mạch phát 46 3.2.1 Thiết kế sơ đồ mạch 46 3.2.2 Nguyên lý hoạt động 46 3.2.3 Tính toán và thiết kế 48 3.3 Thiết kế mạch thu 53 Bản quyền thuộc về Goccay.vn iv 3.3.1 Thiết kế sơ đồ mạch 53 3.3.2 Nguyên lý hoạt động 53 3.3.3 Tính toán và thiết kế 54 3.4 Thiết kế mạch vi xử lý và hiển thò 63 3.4.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 63 3.4.2 Nguyên lý hoạt động 64 3.4.3 Tính toán và thiết kế 65 3.5 Thiết kế mạch nguồn 67 3.5.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 67 3.5.2 Nguyên lý hoạt động 67 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 68 4.1 Lưu đồ giải thuật 68 4.1.1 Giải thuật chương trình chính 68 4.1.2 Giải thuật chương trình con kiểm tra tín hiệu đầu vào 70 4.1.3 Giải thuật chương trình con delay 71 4.2 Chương trình 72 CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ THI CÔNG 81 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 83 6.1 Kết luận 83 6.2 Hướng phát triển đề tài 83 Tài liệu tham khảo 85 Chương 1: Tổng quan Bản quyền thuộc về Goccay.vn 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Ngày nay, việc phát hiện kẻ trộm đột nhập vào nhà, vào các kho chứa hàng, vào các ngân hàng, những nơi cất những tài sản q hiếm, những tài liệu mật . . .là rất cần thiết đối với mọi người dân, các cơ quan chức năng, các ngân hàng … Không chỉ các công ty lớn hoặc ngân hàng mới cho lắp đặt mà ngay cả người dân với thu nhập khá cũng bắt đầu để ý đến các loại thiết bò này. Đời sống dân cư ngày một nâng cao, ngoài việc chăm lo đến ăn mặc, phương tiện đi lại, người ta còn đặc biệt quan tâm đến an ninh cho gia đình. Các thiết bò chống trộm vì thế được sử dụng ngày càng rộng rãi. Thông thường khi chúng ta đụng chuyện mới quan tâm đến việc bảo vệ an toàn cho gia đình mình điều đó là quá trể vì vậy việc bảo vệ tài sản và tính mạng của bản thân và gia đình của mình phải là ưu tiên hàng đầu và thường xuyên của mỗi gia đình chúng ta. Ngoài việc thường xuyên phải nêu cao cảnh giác thì việc trang bò cho gia đình những thiết bò chống trộm cũng là một giải phát tốt . Thiết bò chống trộm thông thường gồm : Báo động có dây và không dây tuy nhiên chúng ta nên sử dụng loại không dây vì sẽ tạo mỹ quan cho ngôi nhà của chúng ta hơn. Thiết bò này gồm những bộ phận chính sau: 1- Bộ phát hiện vật cản ( SENSOR) Đây là một thiết bò sử dụng tia hồng ngoại phát hiện trộm đột nhập vào nhà độ xa bảo vệ của nó thường là 3m -6m chúng ta thường sử dụng thiết bò này ở những khu vực như sân thượng, sân vườn, gara, hành lang hoặc những khu vực trống. Khi có người đi vào khu vực này bộ phát hiện vật cản sẽ chuyển tín hiệu về Bộ điều khiển trung tâm và nơi đósẽ phát ra tín hiệu báo động 2- Bộ điều khiển trung tâm : Đây là thiết bò để thu nhận những tín hiệu từ các thiết bò phát hiện vật cản. Báo động cho người nhà biết qua còi hụ và hiển thò vò trí có vật cản xuất hiện để tiện cho việc bắt tên trộm. Chương 1: Tổng quan Bản quyền thuộc về Goccay.vn 2 Xuất phát từ những ý tưởng và tình hình thực tế như trên, nên em chọn đề tài “Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý” cho luận văn tốt nghiệp của mình. Với đề tài “Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý” gồm 6 chương: Chương 1: Tổng quan Giới thiệu về những kỹ thuật và ứng dụng của mạch chống trộm vào cuộc sống, đặc biệt là việc ứng dụng vi xử lý để xử lý các tín hiệu vào. Chương 2: Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Trình bày nguyên tắc thu phát hồng ngoại, nguyên tắc IR phát hiện vật cản, sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống chống trộm Chương 3: Thiết kế phần cứng Trình bày sự thiết kế sơ đồ phần phát, phần thu, phần dò tần, phần xử lý và phần hiển thò từ các phần trên ta kết hợp lại với nhau tạo thành một hệ thống hoạt động hoàn chỉnh để thi công mạch Chương 4: Thiết kế phần mềm Trình bày giải thuật và chương trình xử lý của hệ thống. Chương 5: Phần thi công và kết quả thi công Nêu các bước thi công mạch kết quả của mạch Chương 6: Kết luận và kiến nghò Trình bày những kết luận và kiến nghò liên quan đến đề tài. Mong rằng hệ thống chống trộm bằng hồng ngoại dùng vi xử lý mà em thực hiện sẽ được mở rộng theo nhiều hướng hoàn chỉnh hơn, ứng dụng rộng rãi trong thực tế để ngày càng cải thiện đời sống vật chất , tinh thần và sinh hoạt của con người. Góp phần vào sự phát triển chung của xã hội và đất nước. Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Bản quyền thuộc về Goccay.vn 3 CHƯƠNG 2 NGUYÊN TẮC IR PHÁT HIỆN VẬT CẢN 2.1 NGUYÊN TẮC THU PHÁT SÓNG HỒNG NGOẠI 2.1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại: nh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có bước sóng khoảng 0,8µm đến 0.9µm, tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng. 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… Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại giữa chừng, người ta có thể truyền cùng một lúc 15000 điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua một sợi tơ quang với đường kính 0,13 mm với khoảng cách 10Km đến 20 Km. Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà người ta vẫn dùng. Tia hồng ngoại dễ bò hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều khiển từ xa chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó khi thu phải đúng hướng. 2.1.2 Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của nó: Các nguồn sóng nhân tạo thường chứa nhiều sóng hồng ngoại. Hình dưới cho ta quang phổ của các nguồn phát sáng này. Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Bản quyền thuộc về Goccay.vn 4 IRED : Diode hồng ngoại. LA : Laser bán dẫn . LR : Đèn huỳnh quang. Q : Đèn thủy tinh. W : Bóng đèn điện với dây tiêm wolfram. PT : Phototransistor. Phổ của mắt người và phototransistor(PT) cũng được trình bày để so sánh. Đèn thủy ngân gần như không phát tia hồng ngoại. Phổ của đèn huỳnh quang bao gồm các đặc tính của các loại khác. Phổ của phototransistor khá rộng. Nó không nhạy trong vùng ánh sánh thấy được, nhưng nó cực đại ở đỉnh phổ của LED hồng ngoại. Sóng hồng ngoại có những đặc tính quang học giống như ánh sánh (sự hội tụ qua thấu kính, tiêu cực…). Ánh sáng và sóng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất. Có những vật mắt ta thấy “phản chiếu sáng” nhưng đối với tia hồng ngoại nó là những vật “phản chiếu tối”. Có những vật ta thấy nó dưới một màu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên trong suốt. Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn so với LED cho màu xanh lá cây, màu đỏ… Vì rằng, vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bò yếu đi khi nó phải vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài. Không như ánh sáng, hồng ngoại không bò khói, bụi làm suy giảm công suất. Hình 2.1 Quang phổ của các nguồn sáng Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản Bản quyền thuộc về Goccay.vn 5 Đời sống của LED hồng ngoại dài đến 100.000 giờ (hơn 11 năm!), LED hồng ngoại không phát sáng cho lợi điểm trong các thiết bò kiểm soát vì không gây sự chú ý. 2.1.3 Nguyên tắc IR phát hiện vật cản 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 bò nhiễu so với các loại ánh sáng khác. Hai phần phát và thu hoạt động với cùng tần số. Khi có người đi qua giữa phần phát và phần thu, ánh sáng hồng ngoại bò che 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 em chọn led hồng ngoại và photodiode là linh kiện phát và thu vì photodiode là linh kiện rất nhạy với ánh sáng hồng ngoại. Bộ phận tạo dao động có thể dùng mạch LC, cổng logic, hoặc IC dao động. Với việc sử dụng IC chuyên dùng tạo dao động, bộ tạo dao động sẽ trở nên đơn giản hơn với tần số phát và thu Vì tín hiệu ở ngõ ra photodiode rất nhỏ nên cần có mạch khuyếch đại trước khi đưa đến bộ tạo dao động. Em dùng Transistor để khuếch đại tín hiệu lên đủ lớn. Vậy sơ đồ khối của phần phát và phần thu là: KHỐI DAO ĐỘNG KHUẾCH ĐẠI Hình 2.2 Sơ đồ khối phần phát và phần thu KHỐI DAO ĐỘNG KHUYẾCH ĐẠI PHOTODIODE KHỐI XỬ LÝ HIỂN THỊ [...]... 2.4 KHỐI XỬ LÝ Với khối xử lý người ta có thể dùng IC rời hoặc khối vi xử lý Nếu sử dụng vi xử lý trong khối xử lý, người ta có thể thiết kế mạch điện giao tiếp được với máy tính nên dễ dàng cho vi c điều khiển từ xa và bằng vi c thay đổi phần mềm có thể mở rộng chương trình điều khiển, đó là lý do em sử dụng vi xử lý trong khối xử lý Cùng với thời gian, con người đã cho ra đời nhiều loại vi xử lý từ... 6 Tuỳ thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà Opamp (1 ) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu R (Reset) điều khiển Flip-Flop (F/F) 3) OPAMP (2 ) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In+ nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc còn ngõ In- thì nối ra ngoài chân 2 Tuỳ thuộc điện áp của chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà Opamp (2 ) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (Set) điều... chân Đây là vi mạch đònh thời chuyên dùng, có thể mắc thành dạng mạch đơn ổn hay phi ổn Điện áp cung cấp từ 3V đến 18V Dòng điện ra đến 200mA (loại vi mạch BJT) hay 100mA (loại CMOS) Chân 1: Nối với masse Chân 2: Nhận tín hiệu kích thích (trigger) Chân 3: Tín hiệu ra (output) Chân 4: Phục nguyên về trạng thái ban đầu (preset) Chân 5: Nhận điện áp điều khiển (control voltag) Chân 6: Mức ngưỡng ( threshold... nhiều loại vi xử lý từ 8 bit đến 64 bit với cải tiến ngày càng ưu vi t nhưng tùy theo mục đích sử dụng mà vi xử lý 8 bit vẫn còn tồn tại Trong luận văn này em sử dụng vi điều khiển 8051 8051 cũng là vi xử lý 8 bit nhưng có chứa bộ nhớ bên trong và có thêm 2 bộ đònh thời ngoài ra nó có thể giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lý 8 bit như 8085 cũng giao tiếp được với máy tính nhưng là giao... sáng Photodiode không nhạy sáng bằng một quang trở loại Cadmium – sulfide nhưng nó làm vi c nhanh gấp nhiều lần VCC D1 PHOTODIODE Vout R1 R Hình 2.4 Photodiode làm vi c với điện thế ngược Một photodiode có hai cực: catod và anod Nó có điện trở bé khi điện thế ở anod dương và điện trở khá lớn khi anod có điện thế âm ( iện thế ngược) Thông thường photodiode làm vi c với điện thế ngược Mắt con người nhạy... phát hiện vật cản Ip = qη (1 − R)λ φ 0 exp(−α X ) (2 .4) hc Hình 2.7 Đặc trưng I-V ứng với những thông lượng khác nhau Khi điện áp ngược đạt giá trò đủ lớn , thành phần exp của (2 .3) tiến tới 0 và ta có: Ir = Io + Ip (2 .5) Nghóa là Ir ≈ Ip (2 .6) Phương trình mạch điện: Es = VR – Vd (2 .7) Trong đó VR = Rm.Ir cho phép vẽ đường thẳng tải ∆ (H2.7 ) Ir = Es Vd + Rm Rm (2 .8) Điểm làm vi c Q của diode là điểm... ampere của led hồng ngoại như sau: I(A) ϕ=4 ϕ=3 ϕ=2 ϕ=1 ϕ=0 U(V) Hình 2.3 Đặc tuyến V – A của Led hồng ngoại 2.2.2 Photo diode 2.2.2.1 Khái quát Với hiệu ứng quang điện, ta có sự phát sinh một điện áp ở lớp chuyển tiếp pn, 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... 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản 2.1.4 Ý tưởng bố trí phần thu phát để phát hiện vật cản HỆ THỐNG PHẦN THU 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 HỆ THỐNG PHẦN PHÁT B n quy n thu c v Goccay.vn 6 Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản 2.2 KHỐI THU PHÁT TÍN HIỆU HỒNG NGOẠI 2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của led hồng ngoại: Led được cấu tạo từ GaAs với vùng cấm có độ rộng là 1.43eV tương ứng bức xạ 900nm Ngoài... giảm nhiễu (Schottky) và cho khả năng đo thông lượng rất nhỏ 2.2.2.4 Độ nhạy Đối với bức xạ có phổ xác đònh, dòng quang điện Ip tỷ lệ tuyến tính với thông lượng trong một khoảng thông lượng tương đối rộng, cỡ 5 – 6 decad Độ nhạy phổ được xác đònh nhhư sau: S ( ) = ∆Ip qη (1 − R) exp(−α X ) = λ ∆φ hc (2 .14) Với λ ≤ λ s Độ nhạy phụ thuộc vào λ , hiệu suất lượng tử η , vào hệ số phản xạ R và hệ số hấp... sáng diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng ( λ < λ s ), sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống Để các hạt dẫn này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng I, cần phải ngăn cản quá trình tái hợp của chúng tức là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường Điều này chỉ có thể xảy ra trong vùng nghèo và sự chuyển dơì của các điện tích đó (cùng hướng