điều khiển từ xa bằng hồng ngoại điều khiển 8 thiết bị điện khác nhau bằng bàn phím

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh Lời cám ơn Đề tài luận văn của em đã được thực hiện với những kiến thức học hỏi được từ thầy cô, bạn bè, sách vở… Em xin chân thành cám ơn các thầy cô đã dạy bảo cho em để hoàn thành luận văn này. Đặc biệt em xin gởi lời cám ơn đến cô Nguyễn Như Anh, người thầy đã tâm huyết chỉ dẫn cho em những kiến thức quý giá cho sự hiểu biết nghề nghiệp. Cám ơn thư viện trường Đại Học Bách Khoa, Bộ Môn Điện Tử, cha mẹ, bạn bè… đã động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian vừa qua. SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 1 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay điều khiển từ xa đã trở thành một kỹ thuật quen thuộc được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong đời sống. Tùy theo ứng dụng của nó mà các hệ thống điều khiển từ xa được thiết kế theo nhiều cách khác nhau. Ở đề tài này em xin trình bày một hệ thống đơn giản sử dụng LED hồng ngoại. Luận văn gồm 3 phần :  Phần 1: GIỚI THIỆU CHUNG  Phần 2: GIỚI THIỆU CÁC IC ĐƯC SỬ DỤNG  Phần 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG  Phần 4: HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA Điều khiển từ xa ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các lónh vực khác nhau trong khoa học và đời sống thực tiễn. Có hai phương pháp cơ bản được sử dụng nhiều trong lónh vực điện tử của chúng ta hiện nay là điều khiển dùng sóng vô tuyến tần số radio (RF) và dùng hồng ngoại. Một hệ thống điều khiển từ xa bao gồm phần phát và phần thu. Phần phát phát đi sóng điện từ hoặc ánh sáng hồng ngoại đến phần thu. Phần thu nhận được các tín hiệu này sẽ biến đổi thành tín hiệu điện điều khiển thiết bò. • Điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến: Đặc điểm của phương pháp này là phải sử dụng antena cho cả phần phát và phần thu. Máy phát dùng antena bức xạ sóng điện từ ở một tần số nhất đònh mang theo tín hiệu điều khiển ra môi trường. Máy thu thu tin tức từ môi trường, giải điều chế và thực hiện việc điều khiển. Phương pháp này có các ưu điểm sau: - Điều khiển được các thiết bò ở khoảng cách xa. - Các vật cản không gây ảnh hưởng nhiều đến việc điều khiển. - Tầm phát rộng theo nhiều hướng nên có thể điều khiển cùng lúc các thiết bò ở những nơi khác nhau. Bất lợi của việc điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến: - Mạch phức tạp, khó thực hiện, cần dùng antena. Chòu ảnh hưởng của nhiễu và phải tránh các tần số phát sóng chuyên nghiệp. • Điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại: Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong đời sống để điều khiển đèn, quạt, TV… nhờ các ưu điểm sau: - Nhỏ, gọn, dễ lắp ráp và sử dụng. - Linh kiện rẻ tiền, thông dụng. - Độ tin cậy cao. - Áp cung cấp thấp, công suất nhỏ. - Một hệ thống điều khiển được nhiều thiết bò khác nhau. SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI Đề tài: “Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại” này thực hiện để điều khiển 8 thiết bò điện khác nhau bằng bàn phím. Mỗi phím điều khiển một thiết bò riêng biệt có tác dụng như một công tắc ON/OFF: khi nhấn phím lần thứ nhất (trạng thái ON), thiết bò mở; khi nhấn phím lần thứ hai (trạng thái OFF), thiết bò tắt. Hệ thống gồm 2 phần: phần phát và phần thu. o Sơ đồ khối hoạt động của phần phát : o Nguyên lý hoạt động của phần phát: Khi một phím được nhấn, bộ điều khiển nhận biết thiết bò nào đang được điều khiển để đưa vào mạch monostable. Mạch monostable sẽ tạo ra xung vuông có độ rộng ứng với thiết bò được chọn. Xung vuông này được điều chế lên tần số cao giúp LED hồng ngoại phát tốt hơn. SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 5 Bàn phím Mạch monostable tạo xung vuông làm tín hiệu điều khiển Bộ điều khiển nhận biết thiết bò nào đang được điều khiển Điều chế tín hiệu điều khiển lên tần số cao Khuếch đại và xuất ra LED hồng ngoại Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh o Sơ đồ khối hoạt động của phần thu: . . . o Nguyên lý hoạt động của bộ thu: Photodiode nhận được tín hiệu điều khiển đã được điều chế lên tần số phát, qua bộ giải mã nhận được xung vuông ban đầu. Xung vuông đưa qua bộ đếm xác đònh độ rộng xung để nhận biết thiết bò nào được điều khiển. Mạch phân kênh chọn thiết bò. Mạch chốt để nhận biết đang điều khiển công tắc ở trạng thái ON hay OFF. SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 6 Bộ thu hồng ngoại Bộ giải mã giải điều chế tín hiệu Bộ đếm để nhận biết thiết bò nào được điều khiển Bộ phân kênh tới các thiết bò Mạch điều khiển nhận biết thiết bò 1 được điều khiển đang ở trạng thái ON/OFF Mạch điều khiển nhận biết thiết bò 2 được điều khiển đang ở trạng thái ON/OFF Mạch điều khiển nhận biết tín hiệu 8 được điều khiển đang ở trạng thái ON/OFF Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ HỒNG NGOẠI VÀ CÁC THIẾT BỊ THU – PHÁT 1. Đại cương về tia hồng ngoại: Sóng hồng ngoại chiếm khoảng rộng nhất trong phổ tần số của sóng điện từ, có bước sóng trên 700nm mà mắt người không thể nhìn thấy được. Sóng hồng ngoại có những đặc tính quang học của sóng ánh sáng (sự hội tụ qua thấu kính, tiêu cự…). nh sáng và sóng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất. Vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với sóng hồng ngoại, do đó tia hồng ngoại không bò yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài. Hồng ngoại gần được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thông tin hiện đại, trong sự tự động hóa công nghiệp. Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ thường dùng. Ánh nắng mặt trời bao gồm chủ yếu ánh sáng thấy được, thành phần hồng ngoại gần như rất ít. Hồng ngoại bò bầu khí quyển hấp thu phần lớn. 2. LED hồng ngoại: LED hồng ngoại còn được gọi là nguồn phát sóng hồng ngoại (infrared emitters). Vật liệu chế tạo là GaAs với vùng cấm có độ rộng khoảng 1,43eV tương ứng với bức xạ khoảng 900nm. LED hồng ngoại có hiệu suất lượng tử cao hơn so với các loại LED phát ra ánh sáng thấy được. Đời sống của LED hồng ngoại dài đến 100.000 giờ (hơn 11 năm). LED hồng ngoại không phát sáng cho nhiều lợi điểm. Các đặc tính của LED hồng ngoại: o Bước sóng: 0.8 – 0.95µm, 1.3µm và 1.55µm o Băng thông: 55nm o p thuận (I F = 100mA):1.3V (≤ 1.5V) o p đánh thủng (I R = 10µA): 30V o Dòng ngược (V R = 5V): 0.01µA o Switching time (I F = 100mA): 1µs o Công suất phát xạ (I F = 100mA): 12 – 16mW o Hiệu suất: 1 – 5% SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh Hiện nay trên thò trường phần lớn các LED hồng ngoại phát sóng trong 3 bước sóng: 880nm, 900nm, 940nm. Các LED 900nm tiêu biểu là các linh kiện arsenide gallium có pha kẽm (GaAs) đại diện cho công nghệ sản xuất LED lâu đời nhất. Tuy công suất ra tương đối thấp so với các loại khác nhưng thời gian đáp ứng khá nhanh. Thời gian lên và xuống điển hình 50ns, thường nhỏ hơn 10ns. Loại LED hồng ngoại này ứng dụng cho khoảng cách ngắn hay băng thông rộng. Nguyên tắc hoạt đông của LED: Tiếp xúc bán dẫn, thường được gọi là tiếp xúc p-n có khả năng phát xạ. Các hạt dẫn tự do (gồm điện tử và lỗ) ở tiếp xúc p – n khuếch tán sang bên kia và kết hợp lại, làm cho 2 bên của tiếp xúc xuất hiện miền nghèo (depletion region). Khi tiếp xúc phân cực ngược, điện áp rào chắn tăng lên, miền nghèo tăng lên và không có dòng điện đi qua tiếp xúc. Khi phân cực thuận, sự phân cực trái với điện áp rào chắn làm cho miền nghèo giảm. Khi phân cực vượt quá điện áp rào chắn, các điện tử và lỗ kết hợp tạo dòng điện chảy qua tiếp xúc. Trong quá trình này, vì các điện tử ở dải dẫn có mức năng lượng cao hơn các lỗ ở dải hóa trò, một số năng lượng ở dạng bức xạ được giải phóng. Bước sóng của sự bức xạ phụ thuộc vào 2 yếu tố sau: - khe năng lượng hoặc điện áp rào chắn giữa các mức năng lượng p và n - chế độ tái hợp Ta có phương trình: λ = 1240/∆E λ: bước sóng bức xạ(nm)ï ∆E: khe năng lượng(eV) Các đặc tính điện và quang của LED: Tương tự với diode tiếp xúc p – n thông thường. Một hệ số giới hạn quan trọng của LED là tiêu tán công suất cực đại (P ïmax ), sự phụ thuộc của nó vào môi trường xung quanh và dòng điện đỉnh cực đại cho phép (I MP ). Với hoạt động ở chế độ xung, quan hệ giữa các tham số này được cho trong các phương trình sau:  Chu kỳ làm việc (duty cycle): d c = t on /T  Dòng điện trung bình trong chuỗi xung: i avg = i p d c  Tiêu tán công suất ở chế độ xác lập: P D = i D V D - i D : dòng điện LED - V D : điện áp LED  Tiêu tán công suất trung bình: P avg = i avg [V D0 + R D (i p -i D0 )] - V D0 : điện áp ở điểm chuẩn - i DO : dòng điện ở điểm chuẩn SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh - R D : điện trở động của LED  Điện trở động của LED: R D = ∆V D /∆i D  ∆V D , ∆i D : gia số điện áp, dòng điện ở điểm chuẩn Dòng điện i p i avg 0 thời gian t on t OFF T Cường độ là tham số quan trọng nhất của LED. Cường độ là hàm phi tuyến của dòng điện LED, cường độ tương đối (I PR ) tăng khi dòng điện tăng. Sự phi tuyến có thể được biểu diễn bằng đònh nghóa hiệu suất tương đối (relative efficiency): η PR = I PR /I PR0 Khi làm việc ở chế độ xung, cường độ trung bình có thể tính bằng phương trình sau: I Pravg = I PR0 (i p d c η PR /i 0 η PR0 ) Ưu điểm lớn của LED là có thời gian đáp ứng nhanh. Mạch lái LED: LED hồng ngoại cần điện áp nằm trong khoảng 1.3 – 1.5V. Như đã thấy trong đặc tính của LED, dòng điện rất nhạy với các thay đổi điện áp, từ đó ảnh hưởng đến ánh sáng phát ra ở LED. Có thể dùng điện trở nối tiếp để giới hạn dòng điện qua dụng cụ. Hình (a), (b), (c) là 3 mạch lái đơn giản bao gồm: lái một LED, lái nhiều LED nối tiếp và lái nhiều LED song song. SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 9 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh VCC R VCC RnR2R1 (a) (b) (c) Để ổn đònh thông lượng ánh sáng bức xạ cần sử dụng nguồn dòng hằng để ổn đònh dòng thuận i F qua LED. Các mạch lái LED bằng nguồn dòng hằng: VCC VCC VCC R1 R R Re 1 2 Re 12 12 Re Một phương pháp lái thường sử dụng để lái LED hồng ngoại là lái bằng xung. Mạch lái bằng xung có các đặc điểm sau: - quang thông bức xạ lớn - ít chòu ảnh hưởng của ánh sáng nhiễu - truyền thông tin Sau đây là hai mạch lái bằng xung điển hình dùng IC 555 và dùng mạch dao động đa hài astable. SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 10 VCC R [...]... Loại 8 ngõ vào: trong 1 IC có 1 cổng 6 Cổng EX-OR Ký hiệu: X1 Y X2 Hàm chức năng: Y= X1 ⊕ X2 = X1/X2 + /X1X2 (cộng tuyệt đối theo modul hay so sánh khác nhau) Bảng chân lý: X1 X2 Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0  Cổng EX-OR – IC 7 486 IC 7 486 gồm 4 cổng EX-OR 1 4 3 2 6 5 74LS86 74LS86 9 8 10 12 11 13 74LS86 74LS86 7 Cổng EX-NOR Ký hiệu: X1 Y X2 Hàm chức năng: Y= /(X1 ⊕ X2) = X1X2 + /(X1X2) (so sánh khác) ... 74S 3 74LS 9.5 74AS 1.7 74ALS 4 10 1 23 20 2 8 1.2 90 33 1 38 60 19 13.6 4 .8 35 3 50 125 45 200 70 10 20 10 20 20 40 20 SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 17 Luận văn tốt nghiệp VOH (min) VOL (max) VIH (min) VIL (max) GVHD: Cô Nguyễn Như Anh 2.4 0.4 2.0 0 .8 2.4 0.4 2.0 0.7 2.4 0.4 2.0 0 .8 2.7 0.5 2.0 0 .8 2.7 0.5 2.0 0 .8 2.5 0.5 2.0 0 .8 2.5 0.4 2.0 0 .8 Các đặc tính khác: Ngõ vào không kết nối (unconnected inputs):... vào khác nhau Ngoại trừ cổng NAND và AND, ngõ vào chung ở mức thấp giống như một ngõ vào đơn SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 18 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh  Ngõ ra totem-pole Trong nhiều trường hợp do hiệu ứng thác (Avalanche-Effect), điện trở nối tiếp ở ngõ vào rất bé và dòng thác dâng cao nhanh chóng với điện áp vào Để tránh IC hư hỏng, phải giữ dòng điện của tín hiệu bé hơn 5mA và điện. .. VIL(max)(V) 1.5 1 0 .8 0 .8 0 .8 0 .8 0 .8 VOH(min)(V) 4.95* 4.9* 4.9* 2.4 2.7 2.7 2.7 VOL(max)(V) 0.05* 0.1 * 0.1 * 0.4 0.5 0.5 0.4 IIH(max)(µA) 1 1 1 40 20 200 20 IIL(max) (µA) 1 1 1 1.6m 0.4m 2m 100 IOH(max)(mA) 0.4 4 4 0.4 0.4 2 400µ IOL(max)(mA) 0.4 4 4 16 8 20 8 *CMOS lái chỉ một ngõ vào CMOS a TTL lái CMOS Bảng trên cho thấy giá trò dòng vào của CMOS rất thấp so với dòng ra của các TTL khác Do đó TTL... nếu ∃Xi= 0 Y= 1 nếu ∀Xi=1  Cổng AND 4 ngõ vào – IC 7421 IC 7421 gồm 2 cổng AND 4 ngõ vào có sơ đồ chân như sau: 1 2 10 6 4 5 9 8 12 13 74LS21 74LS21  Cổng AND 2 ngõ vào – IC 74 08 IC 74 08 gồm 4 cổng AND 2ngõ vào như sau: 1 4 3 2 6 5 74LS 08 74LS 08 9 12 8 10 11 13 74LS 08 74LS 08 3 Cổng OR Ký hiệu cổng hai ngõ vào: X1 X2 Y Hàm chức năng: Y= X1 + X2 (cộng logic) Bảng chân lý: X1 X2 Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1... Anh 1 Rs Cd RL 2 Rs h RL Tiếp xúc có thể được xem như là một diode lý tưởng với điện trở của miền nghèo được biểu diễn bằng R SH và điện dung tiếp xúc là C D được nối song song với diode Điện trở khối của bán dẫn n, p của tiếp xúc được biểu diễn bằng điện trở nối tiếp RS Dòng điện có trong tiếp xúc do bức xạ được biểu diễn bằng nguồn dòng hằng iλ song song với diode Đường cong đặc tuyến có 4 góc phần... hết các FlipFlop kích khởi bằng cạnh xung Clock Ngoài ra là các ngõ vào điều khiển có tên khác nhau tùy thuộc vào hoạt động của chúng Các ngõ vào này không ảnh hưởng đến Q cho đến khi xung Clock tác động Vì lí do này mà chúng được gọi là ngõ vào điều khiển đồng bộ Mạch có 2 ngõ ra: Q (thuận) và /Q (đảo) Quy ước đối với các ngõ vào:  Preset: Khi ở mức tích cực, FlipFlop được thiết lập ở trạng thái Q=... ngõ ra TTL với nguồn 5V qua một điện trở kéo lên Với điện trở này ngõ ra TTL xấp xỉ 5V ở mức cao đủ cho ngõ vào CMOS Nếu TTL chỉ lái một CMOS, giá trò thông thường của điện trở kéo lên là 1 – 10KΩ TTL lái 74HCT: 74HCT được thiết kế để giao tiếp thẳng với TTL TTL lái CMOS điện áp cao: Khi CMOS hoạt động với V DD lớn hơn 5V, ngõ ra của nhiều vi mạch TTL có thể sử dụng một điện trở kéo lên nguồn 10V Trong... nối với một mức điện áp cố đònh (0V hoặc V DD) hoặc nối với một ngõ vào khác Bảng so sánh CMOS và TTL 74HC Công suất tiêu tán mỗi cổng (mW) Trạng thái tónh Tại 100KHz Thời gian trễ (ns) Tốc độ.công suất (tại 100KHz) (pJ) Tốc độ clock max (MHz) Mức nhiễu max (V) 4000B 74 74S 74LS 74AS 74ALS 2,5.10-6 0,17 8 0,001 0,1 50 10 10 9 20 20 3 2 2 9,5 8 8 1,7 1,2 1,2 4 1,4 5 90 60 19 13,6 4 ,8 40 12 35 12.5 45... iD 2 1 dòng tối VD SVTH: Nguyễn Ngọc Bích Trang 12 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Cô Nguyễn Như Anh 3 4 Dòng sáng Trong điều kiện tối (không có bức xạ), dòng điện qua diode: iDD= i0[exp(eVD/kT)-1] - iDD = dòng diode không có bức xạ - i0 = dòng tối diode - VD = điện áp diode - e = điện tích điện tử - k = hằng số Bolzmann - T = nhiệt độ tuyệt đối Khi được chiếu sáng, dòng quang iλ được tạo ra có giá trò: . xa bằng hồng ngoại này thực hiện để điều khiển 8 thiết bò điện khác nhau bằng bàn phím. Mỗi phím điều khiển một thiết bò riêng biệt có tác dụng như một công tắc ON/OFF: khi nhấn phím lần thứ. bò nào được điều khiển Bộ phân kênh tới các thiết bò Mạch điều khiển nhận biết thiết bò 1 được điều khiển đang ở trạng thái ON/OFF Mạch điều khiển nhận biết thiết bò 2 được điều khiển đang ở. điện tử của chúng ta hiện nay là điều khiển dùng sóng vô tuyến tần số radio (RF) và dùng hồng ngoại. Một hệ thống điều khiển từ xa bao gồm phần phát và phần thu. Phần phát phát đi sóng điện từ