thiết kế bộ thu hồng ngoại để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình

luận văn về thiết kế bộ thu hồng ngoại để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình

Phần I: Giới thiệu tổng quan về đề tài I. Lý do chọn đề tài Ngày nay khoa học công nghệ phát triển nhu cầu của con ngời ngày càng cao. Việc nghiên cứu khoa học ngày càng đợc đầu t để đáp ứng nhu cầu đó, các ngành công nghệ kỹ thuật điện tử đã có sự phát triển vợt bậc đa khoa học vào kỷ nguyên mới. Kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển là một ứng dụng lớn của khoa học kỹ thuật vào cuộc sống phục vụ trực tiếp cho con ngời. Ví dụ: Lập trình cho vi xử lý vi điều khiển điều khiển mạch đèn giao thông, hệ thống quản lý mạng, các thiết bị điện tử dân dụng ở nhóm ngành điện tử dân dụng thì vi xử lý, vi điều khiển đã thâm nhập khá nhiều vào lĩnh vực này. Điều khiển từ xa là một ứng dụng điển hình của vi xử lý, vi điều khiển trong cuộc sống của con ngời: trong kinh doanh, trong chăm sóc sức khoẻ, trong sinh hoạt thờng ngày Ban đầu con ngời chỉ điều khiển các thiết bị điện, điện tử thông qua việc đóng tắt các công tắc và hiện nay với sự hỗ trợ của vi điều khiển ngời ta đã tạo ra các mạch điện để điều khiển các thiết bị từ xa mà không cần phải đi lại, giảm bớt lao động chân tay. Với mong muốn góp phần nhỏ vào lĩnh vực này nhóm em đã chọn đề tài: Thiết kế bộ thu hồng ngoại (thiết bị phát hồng ngoại là bộ điều khiển tivi từ xa xủa hãng sony) để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình. II. Mục đích - Tìm hiểu nguyên lý làm việc của bộ thu phát hồng ngoại. - ứng dụng viết chơng trình và giao tiếp với tải. III. Đối tợng nghiên cứu - Họ vi điều khiển 89C51 ứng dụng trong ngành vi xử lý, vi điều khiển để tạo ra những ứng dụng trong đời sống xã hội hiện nay. - Thiết bị phát hồng ngoại là điều khiển từ xa của hãng Sony. 1 - Phần mền lập trình Pinnacle 52, phần mền mô phỏng Protues, phần mềm vẽ mạch CircuitMaker. - Phần mềm mô phỏng và viết chơng trình trên máy. IV. Phạm vi nghiên cứu - Hệ thống cấu trúc của vi điều khiển 89C51 và tập lệnh của nó. - Các phần mềm mô phỏng và vẽ mạch. - Nguyên lý chung của bộ thu phát hồng ngoại. 2 Phần II: Nội dung Chơng 1: cơ sở lý thuyết 1.1. Khái quát về điều khiển từ xa điều khiển từ xa là quá trình điều khiển một đối tợng trong kỹ thuật mà con ngời có thể đứng từ xa điều khiển lại trong một khoảng cách nhất định bằng nút bấm hay phím bấm. Có rất nhiều phơng pháp điều khiển từ xa, nhng nguyên tắc chung của nó là phải mã hoá thông tin dới dạng số hoặc điều tần. Sau đó thông tin đợc gửi đi bằng cách dùng sóng vô tuyến, sóng điện từ, sóng hồng ngoại . Về lý thuyết ta có sơ đồ khối của mạch điều khiển từ xa chung nh sau: Hình 1-1: sơ đồ khối chung của mạch điều khiển từ xa Nh vậy việc truyền thông tin sẽ không bị mất đi trong quá trình truyền nhờ các sóng mang để đa thông tin. Muốn đạt đợc điều này, thông tin phải đợc mã hoá và giải mã một cách chính xác. Nếu không thông tin sẽ bị nhiễu hoặc không thu đợc. Sử dụng sóng hồng ngoại có những u điểm sau: + Tính kinh tế. + Mạch điện đơn giản, không cồng kềnh. + Tính chống nhiễu cao. 3 Tớn hiu iu khin Trn tớn hiu khuych i tớn hiu khuych i thu sa dng gii mó OSC Khuếch đại Mã hoáTạo dao động Khuếch đại Sửa dạng đồng bộ Giải mã Hình 1-2: Sơ đồ khối của điều khiển từ xa dùng hồng ngoại 1.2. Giới thiệu về hồng ngoại. 1.2.1. Hồng ngoại là gì? Hồng ngoại là sự bức xạ năng lợng với tần số thấp hơn tần số mà mắt ta nhìn thấy, vì vậy chúng ta không thể nhìn thấy đợc. Bớc sóng hồng ngoại vào khoảng 0,8 à m ữ 0,9 à m và có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng. 1.2.2. Nguồn phát sóng hồng ngoại. Thu sóng hồng ngoại. 1. Nguồn phát sóng hồng ngoại. Thông thờng nguồn phát sóng hồng ngoại rất nhiều nh: Led hồng ngoại, lazer bán dẫn. Tuy nhiên hiện nay led hồng ngoại đang đợc sử dụng rộng rãi nhất là trong lĩnh vực điều khiển từ xa vì nó có hiệu suất lợng tử cao. *Led hồng ngoại: - Cấu tạo: Vật liệu dùng để chế tạo led hồng ngoại là GaAs với độ rộng vùng cấm là 1,43 eV, tơng ứng với bức xạ khoảng 900 nm. Cấu tạo của led hồng ngoại đợc thể hiện ở hình 1.4. Trong một lớp fa epitaxy lỏng một lớp tinh thể hoàn hảo đợc mọc lên từ lớp nền N-GaAs với tính chất lỡng tính( amphotric) của tạp chất silic, lớp chuyển tiếp PN đợc hình thành tự động trong quá trình epitaxy lỏng. Bằng sự pha tạp với silic, ta có sự bức xạ với =950 nm. Mặt dới của diode đợc chế tạo sao cho nh một chiếc gơng phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ chuyển tiếp PN. 4 Với cách này ngời ta có thể chế tạo ra thang sóng giữa 850 và900nm. Và do đó có thể tao ra sự điều hởng sao cho led hồng ngoại phát ra bớc sóng thích hợp nhất cho diểm cực đại của các detector ( thiết bị thu sóng hồng ngoại). Hình 1-3: Cấu tạo led hồng ngoại -- Một số ứng dụng của led hồng ngoại: + Dùng để làm thiết bị diều khiển từ xa. + Truyền tin vô tuyến. + Dùng làm công tắc hồng ngoại. + Trong làm thiết bị truyền dữ liệu. -- Đặc trng kỹ thuật của led hồng ngoại: + Bớc sóng phát xạ: P + Công suất phát xạ: P + Điện áp chịu đựng: Vt + Bớc sóng trung bình: + Dòng điện chịu đựng: I F +Công suất tiêu tán: P * Một số Led hồng ngoại : 5 P n- GaAs Silic n- GaAs Bảng 1-1: Một số led hồng ngoại thông dụng 2. Thiết bị thu sóng hồng ngoại: Hiện nay trên thị trờng có nhiều thiết bị thu sóng hồng ngoại nh: Photo diode, cds. Tuy nhiên với việc điều khiển từ xa thì hiện nay ngời ta sử dụng chủ yếu là: Photo diode. Photo diode đợc dùng với tầng khuyếch đại có tổng trở cao. Nó có đặc tính sau: + Rất tuyến tính. + Có ít nhiễu. + Dải tần số rộng. + Nhẹ và có sức bền cơ khí cao. + Tuổi thọ cao. - Với các đặc tính trên Photo diode đợc làm các bộ cảm nhận( detector) sự hiện diện cờng độ vị trí màu sắc, ánh sáng. - Nếu ta mắc một điện thế ngợc( hình 1.5) với diode silic bất kỳ chỉ có một dòng điện rất bé chạy qua diode và điện áp trên R gần bằng 0. Nhng nếu vỏ của diode này đợc bọc cẩn thận, vùng chuyển tiếp PN đợc phơi trần dới ánh sáng thì dòng điện ngợc chảy qua diode đến 1mA và cho ta một tín hiệu đáng kể ở R1. Tất cả các lớp chuyển tiếp PN của diode đều nhạy sáng. Photo diode với điện thế ngợc. Chủng loại V T (v) I F (mA P(mw) P (nm) LD271 5 130 210 950 LD273 10 100 260 950 LD274 5 100 165 950 SFH435 5 100 165 950 6 U R +V V1 R1 D1 Hình 1-4 Điện áp ngợc trên photo diode. - Tuy photo diode không nhạy sáng bằng quang trở CDS (Cadimiumsunfide), nhng nó làm việc nhanh gấp nhiều lần. Chính vì các đặc điểm trên mà Photo diode luôn đợc dùng làm bộ thu phát điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại . * Cơ chế hoạt động của Phôt diode. Tuỳ theo chế độ làm việc Photo diode có thể làm việc nh một diode bình th- ờng hay là một tế bào quang điện (Phôto cell). Với chế độ làm việc nh một tế bào quang điện ta có thể coi nh một nguồn dòng với dòng quang điện Ip và mắc song song với một tải R1 ta có sự liên hệ giữa điện áp và dòng điện nh sau: . ( 1) V n Vt S I I e = . Trong đó: + Ip là dòng quang điện. + Is là dòng bão hoà. + V là điện áp rơi trên diode. + Vt=kT/e (điện áp tơng ứng với nhiệt độ). + n là hệ số Diode. Trong trờng hợp không đợc chiếu sáng I p = 0. Phơng trình trên đợc rút gọn thành một phơng trình cho một diode bình thờng nh là đặc tuyến sau: 7 I V break down V Hình 1-5: Đặc tuyến diode **Độ nhạy của Photo diode với quang phổ - Photo diode loại Germani và Silic có vùng quang phổ kéo dài từ 300 đến 1800 nm. Chỉ có photo diode silic là quan trọng nhất. Nó nhạy với ánh sáng thấy đợc và độ nhạy của nó nằm trong vùng hồng ngoại gần, rất phù hợp cho điều khiển từ xa với led loại GaAs. Ranh giới độ nhạy của photo diode bán dẫn bị hạn chế trong vùng sóng dài với g bởi độ rộng vùng cấm Eg: g (nm) = hc/Eg = 1,24/Eg (Ev) Vơí nhiệt độ phòng Si có Eg = 1,2eV. Do vậy g = 1100 (nm) đờng phổ của Photo diode giảm theo bớc sóng ngắn, sóng ngắn bị hấp thụ mạnh, trong lớp sóng ngắn các đôi mang điện tích chỉ đợc sinh ra ở gần bề mặt của photo diode. Tại đó vận tốc tái hợp rất lớn, các đôi hạt mang điện tích không thể góp phần vào dòng quang điện, do đó photo diode có lớp khuyếch tán càng mỏng và lớp chuyển tiếp PN càng gần bề mặt thì nó càng nhạy với sóng ngắn. - Photo diode loại PN và PIN : Vơí cấu trúc PN ta có vùng điện tích không gian rất hẹp, ánh sáng phần lớn đợc hấp thụ bởi vùng P và N. Nh vậy dòng quang điện chỉ là dòng khuyếch tán, sự khuyếch tán của các điện tích tơng đối chậm. Một hạt điện tử cần khoảng thời gian 3ns để khuyếch tán qua một lớp P dày 5àm và lỗ trống cần đến 15ns để khuyếch tán qua một lớp N có cùng độ dày. Photo diode PN đợc dùng với các công việc không cần vận tốc nhanh và dòng tơng đối thấp nh: đo cờng độ nhạy sáng, ngay cả dòng ánh sáng của các vì sao cần một dòng tối 8 thấp hơn 10 -11 A/mm 2 . Tế bào quang điện nằm trong nhóm Photo diode loại PN. Với Photo diode loại PIN ánh sáng đợc hấp thụ phần lớn trong vùng điện tích không gian. Photo diode loại này dùng làm vận tốc nhanh, để có vùng điện tích không gian có độ rộng lớn ta cần bán dẫn loại tinh khiết - intrinsic- (có độ pha tạp P hay N yếu) nh là vật liệu chính. - Để Phôto diode làm việc nhanh cần phải gia tăng điện áp ngợc để các hạt mang điện tích bị kéo đi trong vùng điện tích không gian với điện tích bão hoà V. - Trong Si và Ge với điện trờng khoảng 20000 V/cm ta có vận tốc bão hoà V từ 5.10 6 đến 1.10 7 cm/s các hạt điện tích xuyên qua. - Lớp điện tích dầy 5àm chỉ cần 50ps . Chơng 2: Giới thiệu và lựa chọn linh kiện 2.1.Giới thiệu về vi điều khiển 89XX- 89C2051. 2.1.1 Giới thiệu chung về họ vi diều khiển 89xx . 9 Bộ vi điều khiển 89xx là phiên bản của họ 8051. Phiên bản này do hãng Atmel Coporation sản xuất. Phiên bản này có ROM trên chip là bộ nhớ Flash( Vi mạch nhớ lập trình ). Phiên bản này rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh vì bộ nhớ Flash có thể xoá trong vài giây( không phải mất 20 phút nh 8751). Dĩ nhiên là để dùng 89xx cần phải có một bộ đốt ROM hỗ trợ bộ nhớ Flash, song lại không cần bộ xoá ROM vì bộ nhớ Flash đợc xoá bằng bộ đốt PROM. Tuy nhiên để tiện sử dụng hiên nay hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của họ 89xx có thể lập trình qua cổng COM của máy vi tính IBM PC và nh vậy sẽ không cần bộ đốt PROM. Ký hiệu Rom Ram Chân I/O Time Ngắt Vcc Đóng vỏ AT89C51 4K 128 32 2 6 5 40 AT89CV51 4K 128 32 2 6 3 40 AT89C1051 1K 64 15 1 3 3 20 AT89C2051 2K 128 15 2 6 3 20 AT89C52 8K 128 32 3 8 5 40 AT89LV52 8K 128 32 3 8 3 40 Bảng 2.1:Các phiên bản của 8051 do hãng At mel sản xuất Nh vậy có thể thấy rằng các thành viên của họ 89xx hoàn toàn giống với họ 8051 chỉ khác nhau về số chân (số cổng) và dung lợng bộ nhớ.(dung lợng bộ nhớ ROM, RAM) . Thông số kĩ thuật của 8051: Đặc tính Số lợng ROM 4 K byte RAM 128 byte Bộ định thời 2 Chân vào/ra 32 Cổng nối tiếp 1 Nguồn ngắt 6 10 [...]... Phần thu là nơi nhận các tín hiệu gửi tới sau đó giải mã lệnh và đa tới các đầu ra để thực hiện các yêu cầu thông qua các phần tử chấp hành 3 Sơ đồ khối của bộ điều khiển từ xa a.Sơ đồ khối OSC Bàn phím điều khiển Lấy mã điều khiển Mã hoá Trộn tần Khuếch đại Led phát 89C2051 a) Bộ phát từ xa Pho to thu Nhận mã & tách sóng Giải mã lệnh Xuất lệnh điều khiển Khuếch đại Thiết bị điều khiển 89C2051 b) Bộ thu. .. hiệu điều khiển đủ lớn để tác động đợc vào tín hiệu điều khiển - Thiết bị điều khiển: Dùng Rơle hoặc các thiết bị điều khiển khác để giao tiếp với thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển theo mong muốn 2.3.2 Nguồn cung cấp Vì đây là khoá điện tử sử dụng điều khiển từ xa cho nên việc sử nguồn năng lợng cung cấp cho mạch phải đảm bảo ổn định, tính chống nhiễu cao Mục đích cuối cùng là làm cho bộ điều khiển. .. để đa đến khối chấp hành cụ thể Do vậy nhiệm vụ của khối này rất quan trọng - Khối xuất lệnh điều khiển: Lấy tín hiệu sau giải mã xuất ra ngoài qua các cổng để đa tới mạch khuếch đại 27 - Khối khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu điều khiển đủ lớn để tác động đợc vào tín hiệu điều khiển - Thiết bị điều khiển: Dùng Rơle hoặc các thiết bị điều khiển khác để giao tiếp với thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển. .. việc sử dụng Chơng 3: Tính toán và thiết kế 26 3.1 Sơ đồ khối 3.1.1 Sơ đồ khối Khối Thu T/H Nhận mã & tách sóng Giải mã lệnh Xuất lệnh điều khiển Khuếch đại Thiết bị điều khiển 89C51 Nguồn Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ thu hồng ngoại 3.1.2 Nhiệm vụ các khối Khối thu có chức năng là thu đợc tín hiệu điều khiển từ máy phát, loại bỏ sóng mang, giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh riêng biệt, từ đó mỗi lệnh... thiệu các linh kiện khác 2.3.1 Khối điều khiển từ xa 1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ điều khiển từ xa - Phát ra 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 đợc mã phải biến đổi các mã nhận đợc thành các lệnh điều khiển và đa đến các thiết bị 2 Cấu trúc chung hệ điều khiển. .. nhiệm vụ thu thập các tín hiệu điều khiển sau đó xử lý chúng và phát trên đờng truyền - Đờng truyền là môi trờng vật liệu liên kết giữa phần phát và thu Hệ điều khiển từ xa có liên kết giữa phần phát và phần thu là dây dẫn thì đợc gọi là hệ điều khiển hữu tuyến, ngợc lại nếu hệ điều khiển xa không có sự kết nối bằng 22 dây dẫn thì đợc gọi là hệ điều khiển vô tuyến Đờng truyền có thể xa hay gần phụ thu c... tín hiệu điều khiển khi truyền ra môi trờng - Khối trộn tần: Khối này có nhiệm vụ kết hợp tín hiệu điều khiển đã mã hoá với sóng mang để tạo ra tín hiệu đa đến khối khuyếch đại - Khối khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu đủ lớn để LED phát hồng ngoại - LED phát: Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu hồng ngoại phát ra môi trờng Các khối lấy mã điều khiển, mã hoá và trộn tần đợc nằm trong IC vi điều khiển *... khối của bộ điều khiển từ xa b Nhiệm vụ từng khối * Khối phát Khối phát có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hoá và phát tín hiệu đến máy thu, lệnh truyền đi đã đợc điều chế - Khối bàn phím điều khiển: 23 Khối này có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển từ nút nhấn (phím điều khiển) Khi một phím đợc nhấn tức là một lệnh đợc tạo ra Lệnh này đợc đa tới khối lấy mã điều khiển - Khối lấy mã điều khiển: Nhận... - Led thu: Thu tín hiệu hồng ngoại do khối phát truyền tới và biến đổi thành tín hiệu điều khiển - Khối nhận mã và tách sóng mang: Khối này có chức năng nhận mã từ LED thu sau đó triệt tiêu sóng mang, chỉ giữ lại tín hiệu điều khiển nh tín hiệu gửi đi từ bên phát - Khối giải mã lệnh: Nhiệm vụ của khối này là giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh điều khiển dới dạng các bít nhị phân hay các dạng... tín hiệu điều khiển từ bàn phím và đa đến khối mã hoá tín hiệu - Khối mã hoá: Để truyền các tín hiệu khác nhau đến máy thu mà chúng không lẫn nhau, ta phải tiến hành mã hoá các tín hiệu (lệnh điều khiển) Khối mã hoá này có nhiệm vụ biến đổi các lệnh điều khiển thành các bít nhị phân Có nhiều phơng pháp mã hóa khác nhau + Điều chế biên độ xung + Điều chế vị trí xung + Điều chế độ rộng xung + Điều chế . tài: Thiết kế bộ thu hồng ngoại (thiết bị phát hồng ngoại là bộ điều khiển tivi từ xa xủa hãng sony) để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình. . lý thuyết 1.1. Khái quát về điều khiển từ xa điều khiển từ xa là quá trình điều khiển một đối tợng trong kỹ thu t mà con ngời có thể đứng từ xa điều khiển