thiết kế và thi công mạch cảnh báo bằng tia hồng ngoại

thiết kế và thi công mạch cảnh báo bằng tia hồng ngoại

Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 1 SVTH: Trần Văn Dũng MỤC LỤC Trang Lời nói ñầu 1 Chương 1: lý thuyết 3 1.1. Giới thiệu thu phát hồng ngoại 3 1.2. Giới thiệu các linh kiện trong mạch 3 1.2.1. Led thu hồng ngoại 3 1.2.2. Opamp TL082 5 1.2.3. IC tạo dao ñộng NE555 8 Chương 2: Thiết kế 10 2.1. Sơ ñồ khối của máy phát tín hiệu hồng ngoại 10 2.2. Sơ ñồ khối của máy thu tín hiệu hồng ngoại 10 2.3. Sơ ñồ nguyên lý máy phát 11 2.4. Sơ ñồ nguyên lý máy thu 12 2.5. Nguyên lí hoạt ñộng 16 2.6. Sơ ñồ mạch in 19 Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 2 SVTH: Trần Văn Dũng LỜI NÓI ðẦU Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến,thế giới của chúng ta ñã và ñang một ngày thay ñổi, văn minh và hiện ñại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật ñiện tử ñã tạo ra hàng lọat những thiết bị với các ñặc ñiểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc ñộ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho họat ñộng của con người ñạt hiệu quả cao. ðiện tử ñang trở thành một ngành khoa học ña nhiệm vụ. ðiện tử ñã ñáp ứng ñược những ñòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công–nông-lâm-ngư nghiệp cho ñến các nhu cầu cần thiết trong họat ñộng ñời sống hằng ngày. Một trong những ứng dụng rất quan trọng của công nghệ ñiện tử là kỹ thuật ñiều khiển từ xa. Nó ñã góp phần rất lớn trong việc ñiều khiển các thiết bị từ xa. Xuất phát từ ứng dụng quan trọng trên, nhóm em ñã thiết kế và thi công mạch cảnh báo bằng tia hồng ngoại. Nội dung phần ñồ án gồm hai phần: Phần I: lý thuyết. Phần II: thiết kế và thi công. Do thời gian, tài liệu và trình ñộ còn hạn chế nên chắc chắn không thể tránh những thiếu sót. Kính mong sự chỉ dẫn và góp ý của tất cả thầy cô và các bạn. Sinh viên thực hiện: Trần Văn Dũng Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 3 SVTH: Trần Văn Dũng Chương 1: Lý Thuyết 1.1 GIỚI THIỆU THU PHÁT HỒNG NGOẠI Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy ñược bằng mắt thường , có bước sóng khoảng từ 0.86µm ñến 0.98µm. Tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng . Tia hồng ngoại có thể truyền ñi ñược nhiều kênh tín hiệu. Nó ñược ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Lượng thông tin có thể ñạt 3 mega bit /s. Lượng thông tin ñược truyền ñi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng ñiện từ mà người ta vẫn dùng . Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ , khả năng xuyên thấu kém . Trong ñiều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại , chùm tia hồng ngoại phát ñi hẹp , có hướng , do ñó khi thu phải ñúng hướng . Sóng hồng ngoại có những ñặc tính quan trọng giống như ánh sáng ( sự hội tụ qua thấu kính , tiêu cự …) . Ánh sáng thường và ánh sáng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất . Có những vật chất ta thấy nó dưới một màu xám ñục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt . Vì vật liệu bán dẫn “trong suốt” ñối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu ñi khi nó vượt qua các lớp bán dẫn ñể ñi ra ngoài . 1.2. Giới thiệu một số linh kiện trong mạch 1.2.1 Led thu tín hiệu hồng ngoại - Cấu tạo: Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 4 SVTH: Trần Văn Dũng Hình trên trình bày sơ ñồ nguyên lý của transistor quang. Ba lớp n-p-n tạo nên 2 tiếp giáp p-n . Một trong những lớp ngoài có kích thước nhỏ ñể quang thông có thể chiếu vào giữa lớp nền. Lớp nền này ñủ mỏng ñể ñưa lớp hấp thụ lượng tử quang ñến gần tiếp giáp p-n. 31 2 Mạch tương ñương Ký hi ệu Nguyên lý hoạt ñộng: Trong transistor quang chỉ có thể làm việc ở chế ñộ biến ñổi quang ñiện (có ñiện áp ngoài ñặt vào ). Trị số ñiện áp này khoảng 3V ñến 5V. Mối nối BC ñược phân cực ngược làm việc như một diode quang. Khi có quang thông chiếu vào nó tạo ra dòng ñiện dùng ñể làm tác ñộng transistor, dẫn ñến dòng Ic tăng lên nhiều lần so với dòng diode quang. Dòng Ic ñược tính như sau: Ic = ( Ip + Ib )( hfe + 1) hfe : ñộ lợi DC. Ip : dòng quang ñiện khi có ánh sáng chiếu vào mối nối BC. Ib : dòng cực B khi có phân cực ngoài. Khi cực B ñược phân cực bên ngoài. ðộ lợi bị thay ñổi và trở kháng vào của transistor ñược tính: Zin = Rin + hfe Dòng rò : Iceo = hfe + Icbo Icbo : dòng rò cực BC ðộ lợi càng cao ñáp ứng càng nhanh. ðặc tuyến: Sau ñây giới thiệu một ñồ thị ñịnh tính của quang transistor MRD 300. Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 5 SVTH: Trần Văn Dũng ðặc tuyến phồ của transistor MRD 300. I F :Dòng khi có ánh sáng chiếu vào. 1.2.2 Opamp TL082 Hình dạng bên trong của TL082: Hình dạng thục tế: Một số ứng dụng của bộ khuếch ñại thuật toán: IF (%) 100 50 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 λ(µ m) Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 6 SVTH: Trần Văn Dũng -Mạch khuếch ñại ñảo Hệ số khuếch ñại hở của mạch khuếch ñại thuật toán rất lớn ( khoảng 100db ). Hệ số này quá lớn nên sẽ gây mất ổn ñịnh cho mạch do ñó không ñược sử dụng trong thực tế. +12 - + U4A TL082A 3 2 1 84 -12 R1 R2 Uv Ur R3 0 ðể giảm bớt hệ số khuếch ñại của mạc người ta sử dụng biện pháp hồi tiếp âm. Nghĩa là lấy một phần tín hiệu ra quay trở về ñầu vào ñảo của bộ khuếch ñại thuật toán. Trong sơ ñồ trên ta có: dòng ñiện qua R 1 : I = 1 v R V Trở kháng vào bằng vô cùng nên dòng ñiện I này sẽ chạy qua R f và ñiện áp V r qua nó sẽ là: V r = -R 2 .I Thay giá trị của I vào ta ñược: V r = - 1 v2 R VR Hệ số khuếch ñại: K = v r V V = - 1 2 R R Với bộ khuếch ñại thực trở kháng vào không bằng vô cùng nhưng cũng có thể chấp nhận ñược. - Mạch khuếch ñại không ñảo Sơ ñồ nguyên lý: Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 7 SVTH: Trần Văn Dũng +12 - + U4A TL082A 3 2 1 8 4 -12 R1 R2 Ur 0 Uv ðể ổn ñịnh mạch khuếch ñại một phần tín hiệu ra ñược lấy quay trở về ñầu vào ñảo (hồi tiếp âm). Tương tự từ tính chất trở kháng vào băng vô cùng, có thể thấy rằng dòng chảy qua R 2 sẽ bằng dòng chảy qua R 1 . R 1 và R 2 sẽ tạo thành mạch phân áp ñối với V r . Từ ñó suy ra hệ số khuếch ñại: K = v r V V = 1+ 1 2 R R Từ công thức trên có thể thấy rằng hệ số khuếch ñại của mạch khuếch ñại không ñảo có thể nhỏ hơn , hệ số này chỉ bằng 1 khi R 2 = 0 và R 1 bằng vô cùng. -Mạch so sánh: Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 8 SVTH: Trần Văn Dũng 1.2.3. IC tạo dao ñộng NE555 Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh ñiện áp, mạch lật và transistor ñể xả ñiện. Cấu tạo của IC ñơn giản nhưng hoạt ñộng tốt. Bên trong gồm 3 ñiện trở mắc nối tiếp chia ñiện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo này tạo nên ñiện áp chuẩn. ðiện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và ñiện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi ñiện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF ñược kích. Khi ñiện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF ñược reset. Cấu tạo bên trong của IC 555: Giải thích sự dao ñộng: Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC. Mạch FF là loại RS Flip-flop, Khi S = [1] thì Q = [1] và Q = [ 0]. Sau ñó, khi S = [0] thì Q = [1] và Q = [0]. Khi R = [1] thì Q = [1] và Q = [0]. Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q = [1], transisitor mở dẫn, cực C nối ñất. Cho nên ñiện áp không nạp vào tụ C, ñiện áp ở chân 6 không vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset. Giai ñoạn ngõ ra ở mức 1: Khi bấm công tắc khởi ñộng, chân 2 ở mức 0. Vì ñiện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S = [1], Q = [1] và Q = [0]. Ngõ ra của IC ở mức 1. Khi Q = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, ñiện áp trên tụ tăng. Khi nhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và Q vẫn không ñổi. Trong khi ñiện áp tụ C nhỏ hơnV2, FF vẫn giữ Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 9 SVTH: Trần Văn Dũng nguyên trạng thái ñó. Giai ñoạn ngõ ra ở mức 0: Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q = [0] và Q = [1]. Ngõ ra của IC ở mức 0. Vì Q = [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0. Vì vậy Q và Q không ñổi giá trị, tụ C xả ñiện thông qua transistor. Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao ñộng dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn ñịnhVcc cung cấp cho IC có thể sử dụng từ 4,5V ñến 15V , ñường mạch mầu ñỏ là dương nguồn, mạch mầu ñen dưới cùng là âm nguồn. Tụ 103 (10nF) từ chân 5 xuống mass là cố ñịnh và có thể bỏ qua ( không lắp cũng ñược ) Khi thay ñổi các ñiện trở R1, R2 và giá trị tụ C1 bạn sẽ thu ñược dao ñộng có tần số và ñộ rộng xung theo ý muốn theo công thức. T = 0.7(R2 + 2R3)C1 f = ( ) 132 .2 4.1 CRR + T = Thời gian của một chu kỳ toàn phần tính bằng (s) f = Tần số dao ñộng tính bằng (Hz) Chương 2. THIẾT KẾ 2.1. Sơ ñồ khối của máy phát tín hiệu hồng ngoại: Giải thích sơ sồ khối máy phát: Phát tín hiệu Dao ñộng nguồn ñiện Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 10 SVTH: Trần Văn Dũng Khối nguồn : khối này có nhiệm vụ tạo ra nguồn ñiện ổn ñịnh cung cấp cho mạch ñiện. Khối dao ñộng: Khối này có nhiệm vụ tạo ra sóng mang tần số ổn ñịnh, sóng mang này sẽ mang tín hiệu hồng ngoại truyền ra môi trường ñược xa hơn. Khối phát tín hiệu: Biến ñổi tín hiệu ñiện thành tín hiệu hồng ngoại phát ra môi trường. 2.2. Sơ ñồ khối của máy thu tín hiệu hồng ngoại: Giải thích sơ ñồ khối máy thu: Chức năng của máy thu là thu ñược tín hiệu ñiều khiển từ máy phát, loại bỏ sóng mang, từ ñó ñưa ñến khối chấp hành. LED thu : Thu tín hiệu hồng ngoại do máy phát truyền tới và biến ñổi thành tín hiệu ñiều khiển. Khối khuếch ñại: Có nhiệm vụ khuếch ñại tín hiệu ñiều khiển lớn lên từ LED thu hồng ngoại vì trong quá trình truyền ñi tín hiệu sẽ bị suy hao. Khối chỉnh lưu: Khối này có chức năng chỉnh lưu dòng ñiện ổn ñịnh hơn. Khối so sánh: So sánh tín hiệu từ ñó ñưa ra tín hiệu tới khối chấp hành. Khối chấp hành: ðây là khối cuối cùng tác ñộng trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ ñiều khiển mong muốn. 2.3. Sơ ñồ nguyên lý máy phát: Thu nhận Tín hiệu Khu ếch ñại Ch ỉnh lưu So Sánh Chấp hành [...]... Đình Công SVTH: Tr n Văn Dũng 13 Khoa công ngh ð án m ch tương t Tín hi u sau khi qua m ch khu ch ñ i ñư c cho qua m ch ch nh lưu ch nh lưu t o dòng ñi n n ñ nh Khi Vin > 0 và Vin > Vc thì diode thông và dòng ra c a b khu ch ñ i thu t toán n p ñi n cho t C cho t i khi ñi n áp c a tín hi u vào (ñi n áp ñ nh) Vc = Vinmax N u sau ñó Vin gi m, diode ng t và t C phóng ñi n qua ñi n tr ngư c c a diode và t... c a diode và ñi n tr vào c a khu ch ñ i thu t toán l n thì ñi n áp trên t C là ñi n áp ñ nh có giá tr n ñ nh ði n áp thu ñư c t i ñ u ra c a khu ch ñ i thu t toán có d ng: ði n áp sau khi qua m ch ch nh lưu: 2.3.3 M ch t o áp chu n +5 1 R1 100 D4 DZ1 2 Ur 3 VR3 20K Ch n diode zener n áp 3V và dòng ñi n I = 25mA suy ra : R1 = (5-3)/0.025 = 80 GVHD: Lê Đình Công SVTH: Tr n Văn Dũng 14 Khoa công ngh ð... áp chân 5 c a opamp là c ñ nh.Khi ñi n áp vào chân 6 c a TL082 l n hơn ñi n áp chân 5 c a TL082 thì TL082 bão hòa âm transistor Q2 d n ñi n, áp ra Ur m c th p Khi ñi n áp vào chân 6 c a TL082 nh hơn ñi n áp chân 5 c a TL082 thì TL082 bão hòa dương transistor Q2 không d n, ñi n áp ra Ur m c cao 2.3.5 M ch ch p hành GVHD: Lê Đình Công SVTH: Tr n Văn Dũng 15 Khoa công ngh ð án m ch tương t +5 LS1 R12 56k... OUT 3 220 R11 LS1 SPEAKER Q3 C828 17 U4A 2 -12 TL082A 7 U4B D3 LED SVTH: Tr n Văn Dũng GVHD: Lê Đình Công + Q4 PHOTO NPN 6 5 +12 2 1 1 TL082A R6 100 4 8 8 4 -12 +5 R3 10k 2 R5 50K + D1 1N4148 C2 10MF D4 1 3 ð án m ch tương t Khoa công ngh Sơ ñ nguyên lí c a m ch ch ng tr m b ng tia h ng ngo i: Khoa công ngh ð án m ch tương t Nguyên t c ho t ñ ng c a m ch: Khi c p ngu n ñi n cho m ch, m ch phát tín...Khoa công ngh ð án m ch tương t Nguyên lý h at ñ ng: Sau khi c p ngu n ñi n, linh ki n HG-11F chuyên dùng ñ phát h ng ngo i ñư c c p ñi n s làm vi c Linh ki n này s ph i h p v i b t o dao ñ ng có th sinh ra m t tín hi u có t n s dao ñ ng 38kHz, giúp cho led phát tia h ng ngo i ra ngoài ñư c xa hơn ð t o ñư c t n s 32 KHz ñ n 38KHz ta ch n: R2 = 1 kΩ ; R3 = 20 kΩ ; C1 = 1nF Thi t b phát :... NE555 C3 220MF C4 0.01MF M ch trên làm nhi m v phát ra ti ng còi h khi có tín hi u Ur tác ñ ng vào chân 4 c a IC555 th nh t Trong m ch này ta s d ng IC LM555 ñ t o âm thanh phát ra có các âm s c khác nhau Ti ng cói h này t o âm thanh nghe r t kích thích và thư ng ñư c nhi u ngư i s d ng làm tín hi u c nh báo IC LM555 th 2 t o thành m ch dao ñ ng âm cao, ch n t n s ra c a LOA là 1KHz Ta có: f = 1 0,693(R1... thành m ch dao ñ ng có t n s nh ñư c xác ñ nh b i công th c: f = 1 0,693(R2 )C 3 Ch n C3 = 220µF R9 = 20kΩ Xung l y ra trên t C3 có d ng sóng răng cưa, chúng ta cho tín hi u này tác ñ ng vào chân 5 c a IC LM555 th 2, ñi u này làm ñi u ch t n s lên tín hi u ra loa làm cho âm thanh ra có nhi u d ng âm s c khác nhau 2.5 Nguyên lí ho t ñ ng GVHD: Lê Đình Công SVTH: Tr n Văn Dũng 16 R10 100 - +12 3 +5 C5... THR TRG 8 NE555 3 R11 220 Q3 C828 LS1 SPEAKER 12 7 5 4 CV 6 RST 2 THR TRG 8 VCC NE555 C4 0.01MF SVTH: Tr n Văn Dũng GVHD: Lê Đình Công +12 3 + 2 TL082A R3 10k 4 8 +12 D3 LED 2 1 R10 100 Q4 PHOTO NPN C2 10MF 1 3 8 4 -12 D4 2 R5 20K + ð án m ch tương t Khoa công ngh Khoa công ngh ð án m ch tương t · Phân tích sơ ñ nguyên lý máy thu 2.3.1 M ch thu tín hi u h ng ngo i +5 +12 R10 100 8 U4A 3 + 2 Ur 1 4... thu h ng ngo i thu nh n và bi n ñ i thành tín hi u ñi n D ng sóng tín hi u c a bên phát: D ng sóng tín hi u sau khi led thu h ng ngo i: D ng sóng tín hi u khi qua khu ch ñ i thu t toán : Tín hi u sau khi thu nh n c n m t th i gian ñ ph c h i ñi n áp.ði n áp sau ñó ñư c ñưa qua b ch nh lưu nh m t o ñi n áp n ñ nh.ði n áp có d ng : GVHD: Lê Đình Công SVTH: Tr n Văn Dũng 18 Khoa công ngh ð án m ch tương... c a NE555 m c cao do ñó NE555 ho t ñ ng, loa phát âm thanh 2.6 Sơ ñ m ch in: Sơ ñ m ch in c a m ch phát tín hi u h ng ngo i: GVHD: Lê Đình Công SVTH: Tr n Văn Dũng 19 Khoa công ngh ð án m ch tương t Sơ ñ m ch in c a m ch thu tín hi u h ng ngo i: GVHD: Lê Đình Công SVTH: Tr n Văn Dũng 20 . phần rất lớn trong việc ñiều khiển các thi t bị từ xa. Xuất phát từ ứng dụng quan trọng trên, nhóm em ñã thi t kế và thi công mạch cảnh báo bằng tia hồng ngoại. Nội dung phần ñồ án gồm hai. Khoa công nghệ ðồ án mạch tương tự GVHD: Lê Đình Công 3 SVTH: Trần Văn Dũng Chương 1: Lý Thuyết 1.1 GIỚI THI U THU PHÁT HỒNG NGOẠI Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là. Phần II: thi t kế và thi công. Do thời gian, tài liệu và trình ñộ còn hạn chế nên chắc chắn không thể tránh những thi u sót. Kính mong sự chỉ dẫn và góp ý của tất cả thầy cô và các bạn.