Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI, 2015 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Sƣ phạm kỹ thuật Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: Th.S TRẦN QUANG HUY HÀ NỘI, 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên trong khoá luận tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể các thầy, cô giáo trong khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình chỉ bảo, dạy dỗ tôi trong suốt những năm học vừa qua. Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Trần Quang Huy đã hướng dẫn, quan tâm, chỉ bảo tận tình để tôi hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, khích lệ, giúp đỡ về mọi mặt trong quá trình tôi hoàn thành kh a luận tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn!. Hà Nội, tháng 05 năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Thu Hà LỜI CAM ĐOAN Đề tài nghiên cứu khoa học này được thực hiện từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 05 năm 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, phường Xuân Hòa, thị xã Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc. Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu này hoàn thành do sự cố gắng tìm hiểu nghiên cứu của bản thân cùng sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình và hiệu quả của Th.S Trần Quang Huy cũng như thầy, cô trong khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2. Đây là đề tài nghiên cứu không trùng với kết quả của các tác giả khác. Nếu những lời trên sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, tháng 05 năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Thu Hà MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1 2. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................................... 1 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu. ................................................................................. 2 4. Nhiệm vụ của đề tài..................................................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu đề tài. .................................................................................. 2 6. Cấu trúc kh a luận ...................................................................................................... 2 NỘI DUNG .................................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN ................................................................ 3 1.1. Điện thoại di động .................................................................................................... 3 1.1.1. Cấu tạo cơ bản ....................................................................................................... 3 1.1.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................................. 3 1.2. Tín hiệu DTMF ........................................................................................................ 4 1.2.1. Định nghĩa ............................................................................................................. 4 1.2.2. Phát tín hiệu DTMF thông qua Keypad ................................................................ 4 1.2.3. IC MT8870 thu tín hiệu DTMF ............................................................................ 6 1.3. Quang điện trở .......................................................................................................... 9 1.3.1. Định nghĩa ............................................................................................................. 9 1.3.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................................... 9 1.3.3. Ứng dụng của quang điện trở .............................................................................. 10 1.4. Kỹ thuật cảm biến .................................................................................................. 11 1.4.1. Khái niệm và phân loại cảm biến ........................................................................ 11 1.4.2. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến ..................................................................... 17 1.4.3. Mạch đo ............................................................................................................... 19 1.4.4. Cảm biến quang................................................................................................... 21 1.5. Mạch khuếch đại thuật toán ................................................................................... 31 1.5.1. Tổng quan về mạch khuếch đại thuật toán .......................................................... 31 1.5.2.Các đặc tính kỹ thuật của mạch khếch đại ........................................................... 32 1.5.3. Các dạng mạch cơ bản của mạch khuếch đại ...................................................... 32 1.5.4.Các dạng vi mạch của mạch khuếch đại .............................................................. 34 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG ....................................................................................................................................... 37 2.1. Ý tưởng thiết kế ...................................................................................................... 37 2.2. Sơ đồ khối của mạch .............................................................................................. 37 2.3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 38 2.4. Thiết kế mạch nguyên lý ........................................................................................ 39 2.4.1. Khối nguồn .......................................................................................................... 39 2.4.2. Khối cảm biến ..................................................................................................... 40 2.4.3. Khối khuếch đại .................................................................................................. 40 2.4.4. Khối hiển thị ........................................................................................................ 40 CHƢƠNG 3: THI CÔNG VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN TỬ ................................. 41 3.1. Mục đích thiết kế mạch điện .................................................................................. 42 3.2. Thiết kế phần cứng ................................................................................................. 42 3.3. Mạch điện sau khi lắp ráp ...................................................................................... 42 3.4. Sản phẩm chế tạo ................................................................................................... 43 3.4.1. Hình ảnh hệ thống khi chưa hoạt động ............................................................... 45 3.4.2. Hình ảnh hệ thống khi c người gọi tới .............................................................. 45 3.4.3. Hình ảnh hệ thống khi c tín hiệu báo động ....................................................... 45 3.4.4. Hình ảnh hệ thống khi không c tín hiệu báo động ............................................ 46 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Bàn phím chuẩn 12 nút Hình 1.2: Bàn phím mở rộng 16 phím Hình 1.3: IC thu DTMF MT8870 Hình 1.4: Sơ đồ khối của MT8870 Hình 1.5: Hình dạng của quang điện trở Hình 1.6: Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở Hình 1.7: Mạch báo động Hình 1.8: Mạch mở rộng tự động về đêm dùng AC Hình 1.9: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt Hình 1.10: Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán Hình 1.11: Phổ ánh sáng Hình 1.12: Ảnh hưởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn được giải ph ng Hình 1.13: Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lượng của điện tử Hình 1.14: Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn Hình 1.15: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng Hình 1.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn Hình 1.17: Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle Hình 2.1: Sơ đồ khối của mạch Hình 2.2: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn trong mạch Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại trong mạch điện Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị của mạch Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện sau khi lắp ráp Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống khi chưa hoạt động Hình 3.3: Hình ảnh hệ thống khi chưa hoạt động Hình 3.4: Hình ảnh hệ thống khi c người gọi tới Hình 3.5: Hình ảnh hệ thống khi c tín hiệu báo động Hình 3.6: Hình ảnh hệ thống khi không c tín hiệu báo động MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, công nghệ điện thoại di động ngày một phát triển mạnh. Điện thoại trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con người trong nhịp sống hiện đại chiếc điện thoại gần như lúc nào cũng được chúng ta mang theo bên người. Bởi vậy ngoài khả năng nghe, gọi, nhắn tin, truy cập internet, giải trí … vv thì một câu hỏi được đặt ra là: C thể dùng điện thoại di động để điều khiển các thiết bị điện như tủ lạnh, tivi, điều hoà nhiệt độ, máy tính, lò vi s ng, quạt điện, đèn chiếu sáng, bình n ng lạnh ... vv không?. Trong thực tế cuộc sống c không ít lần chúng ta đi đến công ty hay đi ra ngoài mà quên không tắt máy tính, điều hoà, bình n ng lạnh … vv và nhiều khi chúng ta phải trở về nhà chỉ để tắt các thiết bị này bởi nhiều lý do như: Nguy cơ cháy nổ, nguy hiểm, hỏng h c, tốn điện … . Trong những ngày mùa đông lạnh trước khi đi làm về chúng ta muốn c sẵn nước n ng để tắm cho thoải mái sau một ngày làm việc hay chúng ta muốn ngồi một chỗ để điều khiển công việc từ xa ... vv. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế cuộc sống, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động” để nghiên cứu thu tín hiệu DTMF từ điện thoại di động, để từ đ giải mã và đưa ra được các tín hiệu điều khiển bật/ tắt thiết bị điện.Với khả năng này chúng ta chỉ cần mang điện thoại ra và gọi điện nhập mã điều khiển là c thể yên tâm các thiết bị điện chúng ta đã ở trạng thái tắt/ bật như ý muốn. 2. Mục tiêu của đề tài - Hệ thống h a lý luận và nguyên tắc cấu tạo, hoạt động vào việc chế tạo mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện thoại di động. 1 - Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện thoại di động trong gia đình. - Thí nghiệm, đánh giá, tính khả thi, hiệu quả kinh tế của sản phẩm khi chế tạo. 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu. 3.1. Đối tượng nghiên cứu. Mạch điện tử điều khiển thiết bị điện. 3.2. Phạm vi nghiên cứu. Sử dụng mạng điện thoại di động. 4. Nhiệm vụ của đề tài. - Nghiên cứu về điện thoại di động. - Thiết kế mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện thoại di động. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài. Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. 6. Cấu trúc khóa luận Chương 1: Kiến thức tổng quan Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động Chương 3: Thi công và chế tạo mạch điện tử 2 NỘI DUNG CHƢƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1.1. Điện thoại di động Điện thoại di động (còn gọi là cell phone, điện thoại cầm tay handies hoặc cellular phone) là thiết bị viễn thông liên lạc c gắn anten trong máy với bộ phận phát điện và thu phát tín hiệu. 1.1.1. Cấu tạo cơ bản Gồm ba phần chính sau: - Phần chuyển đổi mạch điện: Phần này gồm hệ thống lá mạ tiếp điểm và c nhiệm vụ đ ng mở mạch điện khi c yêu cầu. - Phần thu và phát tín hiệu gọi: Phần này gồm hai phần chính là máy điện quay tay c nhiệm vụ phát tín hiệu gọi lên đường truyền và phần chuông máy c nhiệm vụ biến dòng tín hiệu gọi thành tín hiệu gọi. - Phần thu phát thoại: Gồm c loa và mic. Loa c nhiệm vụ biến đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện và mic thì c nhiệm vụ ngược lại biến tín hiệu điện thành tín hiệu âm thanh. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động Khi ta thực hiện cuộc gọi dao động âm thanh của tiếng n i sẽ tác động vào màng rung của mic làm xuất hiện dòng điện biến đổi tương ứng trong mạch. Dòng điện biến đổi này được truyền trên đường dây điện thoại và được chuyển mạch đến máy điện thoại được gọi, làm cho màng rung của loa dao động, lớp không khí trước màng sẽ dao động theo phát ra âm thanh tác động đến tai người nghe và quá trình truyền dẫn ngược lại cũng tương tự. 3 1.2. Tín hiệu DTMF 1.2.1. Định nghĩa DTMF (Dual Tone Multi Frequency): Là tín hiệu gồm c hai tần số xếp trồng lên nhau. Mỗi tần số được lựa chọn sao cho c lợi cho việc thiết kế bộ lọc và dễ dàng truyền đi trên đường dây điện thoại c băng thông khoảng chừng 3,5 KHz. DTMF phát ra là 1 tín hiệu âm thanh ghép của 2 tín hiệu trong dải tần số từ 697Hz đến 1633Hz. Phiên bản của DTMF sử dụng cho tín hiệu điện thoại được biết đến như hãng Touch-Tone, và được tiêu chuẩn hoá bởi ITU-T là Q.23. Tín hiệu DTMF c thể được phát hoặc thu bằng một IC chuyên dụng (VD: MTD887X). Hệ thống DTMF đang phát triển và trở thành phổ biến trong hệ thống điện thoại hiện nay. Hệ thống này được hình thành vào năm 1960 nhưng mãi đến năm 1970 mới được phát triển rộng rãi. 1.2.2. Phát tín hiệu DTMF thông qua Keypad Trong DTMF mỗi chữ số chọn lựa c tín hiệu dưới dạng tổ hợp của hai tần số xoay chiều. Khi một nút được bấm, hai tần số mô tả chữ số được phát ra và được gửi một cách đồng thời. Đặc biệt là hai âm thanh này không cùng âm, tức là tần số của âm thanh này không c cùng ước số chung với âm thanh kia, điều này để tránh sự nhầm lẫn vô tình với âm hiệu n i, sự phân tách rõ ràng giữa hai loại này là rất cần thiết. Ví dụ như hai tần số 750 và 500 là hai tần số không thể kết hợp thành tín hiệu DTMF vì c cùng ước số chung là 250, hai tần số này là hai âm thanh cùng âm. Keypad chuẩn là một ma trận chữ nhật gồm ba cột và bốn hàng (3x4) tạo nên tổng cộng là 12 phím nhấn: Trong đ c 10 phím cho chữ số (từ 0 đến 9), hai phím đặc biệt là „*‟ và „#‟. Mỗi hàng trên bàn phím bấm được gán cho một 4 tần số tín hiệu thấp, mỗi cột được gán cho tần số tín hiệu cao. Mỗi một phím sẽ c một tín hiệu DTMF riêng được tổng hợp bởi hai tần số tương ứng với hàng và cột mà phím đ đang đứng. Những tần số này đã được lựa chọn cẩn thận sao cho c lợi cho việc thiết kế bộ lọc và dễ dàng truyền đi trên đường dây điện thoại. Hình 1.1: Bàn phím chuẩn 12 nút Ngày nay, người ta còn cho thêm một vài phím để tạo nên bảng mã được nằm trong một ma trận (4x4) với mỗi hàng miêu tả bằng một tần số thấp và mỗi cột miêu tả bằng một tần số cao. Hình 1.2: Bàn phím mở rộng 16 phím 5 1.2.3. IC MT8870 thu tín hiệu DTMF Hình 1.3: C thu D 8870 Định nghĩa các chân như sau: - PIN 1 (IN+) Non - Investing op - amp: Ngõ vào không đảo. - PIN 2 (IN-) Investing op - amp: Ngõ vào đảo. - PIN 3 (GS) Gain Select: Giúp truy xuất ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai đầu cuối qua điện trở hồi tiếp. - PIN 4 (Vref ) Reference Voltage: Ngõ ra (thông thường bằng VDD/ 2). - PIN 5 (INH) Inhibit: Ngõ vào (khi chân này ở mức logic cao thì không nhận được ký tự A, B, C ở ngõ ra). - PIN 6 (PWDN) Power down: Ngõ vào tác động mức cao (khi chân này tác động thì sẽ cấm mạch dao động và IC 8870 hoạt động). - PIN 7 (OSC 1): Clock ngõ vào MHz - PIN 8 (OSC 2): Clock ngõ ra (nối hai chân 7 và 8 với thạch anh 3.579545 MHz, để tạo một mạch dao động nội). - PIN 9 (VSS): Nối GND. - PIN 10 (TOE) Three Stage Output Enable: Ngõ vào, ngõ ra Q1- Q4 hoạt động khi TOE ở mức cao. 6 - PIN 11-14 từ Q1- Q4: Ngõ ra (khi TOE ở mức cao các chân này cung cấp mã tương ứng với các cặp Tone dò tìm được theo bảng chức năng. Khi TOE ở mức thấp dữ liệu ngõ ra ở trạng thái trở kháng cao). - PIN 15 (STD) Delayed Steering: Ngõ ra, ở mức cao khi gặp tần số Tone đã được ghi nhận và ngõ ra chốt thích hợp, trở về mức thấp khi điện áp trên ST/ GT nhỏ hơn điện áp ngưỡng VTST. - PIN 16 (EST): Early Steering (ngõ ra), chân này lên mức [1] khi bộ thuật toán nhận được cặp Tone và trở về mức [0] khi mất Tone. - PIN 17 (ST/ GT): Steering Input / Guard tune output (ngõ ra), khi điện áp lớn hơn VTST thì ST sẽ điều khiển dò tìm cặp Tone và chốt ngõ ra. - PIN 18 (VDD): Điện áp cung cấp, thường là +5V. IC nhận tín hiệu DTMF từ đường điện thoại qua chân 2 (IN-), sau khi thực hiện giải mã n đưa dữ liệu ra 4 chân (từ chân 11 đến chân 14) dưới dạng 4 bit nhị phân. Hình 1.4: Sơ đồ khối của 7 8870 Mạch Test thử với MT8870: Hình 1.5: Sơ đồ mạch test thử với C 8870 Khi không bấm nút: TOE: Logic 0 Q4: Logic 0 Q3: Logic 0 Q2: Logic 0 Q1: Logic 0 Khi bấm và giữ nút „1‟: Khi bấm và giữ nút „2‟: TOE: Logic 1 TOE: Logic 1 Q4: Logic 0 Q4: Logic 0 Q3: Logic 0 Q3: Logic 0 Q2: Logic 0 Q2: Logic 1 Q1: Logic 1 Q1: Logic 0 8 Thả nút „1‟: Thả nút „2‟: TOE: Logic 0 TOE: Logic 0 Q4: Logic 0 Q4: Logic 0 Q3: Logic 0 Q3: Logic 0 Q2: Logic 1 Q2: Logic 0 Q1: Logic 0 Q1: Logic Khi bấm số điện thoại thì StD c mức logic là „1‟, còn khi ta không bấm thì StD c mức logic là „0‟. Còn các chân Q1, Q2, Q3, Q4 là mã BCD của số điện thoại. 1.3. Quang điện trở 1.3.1. Định nghĩa Là điện trở c trị số càng giảm khi được chiếu sáng mạnh. Điện trở tối (khi không được chiếu sáng – ở trong b ng tối) thường trên 1MΩ, trị số này giảm rất nhỏ c thể dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh. a) b) Hình 1.5: Hình dạng của quang điện trở a) Hình dạng thật b) Ký hiệu 1.3.2. Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (c thể là Cadmium sulfide – Cds, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn. 9 Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo Hình 1.6: ối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở Về phương diện năng lượng, ta n i ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E = hf để các điện tử nhảy từ dãy h a trị lên dãy dẫn điện. Như vậy năng lượng cần thiết phải lớn hơn năng lượng của dãy cấm. 1.3.3. Ứng dụng của quang điện trở Mạch báo động Hình 1.7: ạch báo động Khi quang điện trở được chiếu sáng (trạng thái thường trực) c điện trở nhỏ, điện thế cổng của SCR giảm nhỏ không đủ dòng kích nên SCR ngưng. Khi 10 nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, điện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện qua tải làm cho mạch báo động hoạt động. Người ta cũng c thể dùng mạch như trên, với tải là một b ng đèn để c thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày. Hoặc c thể tải là một relais để điều khiển một mạch báo động c công suất lớn hơn Mạch mở điện tự động về đêm dùng AC Hình 1.8: ạch mở điện tự động về đêm dùng AC Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ. Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A, thông Diac và kích Triac dẫn điện, b ng đèn sáng lên 1.4. Kỹ thuật cảm biến 1.4.1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.4.1.1. Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không c tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện c thể đo và xử lý được. 11 Các đại lượng cần đo (m) thường không c tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = F(m) (1.1) Trong đ : s là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến m là đại lượng đầu vào hay kích thích (c nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m). 1.4.1.2. Phân loại cảm biến Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến c thể được chia thành nhiều loại khác nhau Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Hiện tượng Hiện tượng vật lý Chuyển đổi giữa đáp ứng – kích thích Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Quang đàn hồi Từ điện Nhiệt từ H a học Biến đổi h a học Biến đổi điện h a Phân tích phổ 12 Biến đổi sinh h a Sinh học Biến đổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống Bảng 1.1: Phân loại cảm biến theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Theo dạng kích thích Âm thanh Điện - Biên pha, phân cực – Phổ - Tốc độ truyền s ng - Điện tích, dòng điện – Điện thế, điện áp – Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi … Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường – Độ từ thẩm. - Tốc độ truyền – Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ Quang - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền – Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ Cơ - Vị trí – Lực, áp suất – Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng – Mômen – Khối lượng, tỉ trọng – Vận tốc chất lưu, độ nhớt Nhiệt Bức xạ - Nhiệt độ - Thông lượng – Nhiệt dung, tỉ nhiệt - Kiểu – Năng lượng – Cường độ … Bảng 1.2: Phân loại cảm biến theo dạng kích thích 13 Theo tính năng của bộ cảm biến - Độ nhạy – Độ chính xác – Độ phân - Khả năng quá tải – Tốc độ đáp ứng giải – Độ chọn lọc – Độ tuyến tính – - Độ ổn định – Tuổi thọ - Điều kiện Công suất tiêu thụ - Dải tần môi trường – Kích thước, trọng lượng – Độ trễ Bảng 1.3: Phân loại cảm biến theo tính năng bộ cảm biến Phân loại theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Dân dụng - Nghiên cứu khoa học - Giao thông - Môi trường, khí tượng - Vũ trụ - Thông tin, viễn thông - Quân sự - Nông nghiệp Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế - Cảm biến tích cực c đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng - Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M … tuyến tính hoặc phi tuyến 1.4.2. Các đặc trưng cơ bản 1.4.2.1. Độ nhạy của cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm c sự liên hệ tuyến tính: Δs = S.Δm Đại lượng S xác định bởi biểu thức (1.2) được gọi là độ nhạy của cảm biến. Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại 14 lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đ : (1.3) Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của n không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của n . - Thời gian sử dụng. - Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. 1.4.2.2. Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc. Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh: (1.4) 15 Từ (1.4),ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. 1.4.2.3. Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian. 1.4.3. Giới hạn sử dụng của cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt ... . Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này. 1.4.3.1. Vùng làm việc danh định Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý c liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng c thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến. 1.4.3.2. Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý c liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến c thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng. 16 1.4.3.3. Vùng không phá huỷ Vùng không phá hủy là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý c liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến. 1.4.4. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại: - Cảm biến tích cực: Là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng. - Cảm biến thụ động: Là các cảm biến hoạt động như một trở kháng. Trong đ đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung. 1.4.4.1. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đ (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện. Dưới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến. Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải ph ng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ n i chung) c bước s ng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. 17 - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải ph ng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng c thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường 1.4.4.2. Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng c các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ, hằng số điện môi ε). Vì vậy tác động của đại lượng đo c thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai. Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các cảm biến c phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng, cho nên đo trở kháng c thể xác định được vị trí của đối tượng. Trong cảm biến c phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đ liên quan đến đại lượng cần đo. Xác định trở kháng ta c thể xác định được đại lượng cần đo. Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ...). Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của n chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể. Khi đ c thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến. 18 Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Nhiệt độ Loại vật liệu sử dụng Kim loại (Pt, Ni, Cu) Bán dẫn Bức xạ ánh sáng Biến dạng Bán dẫn Hợp kim Ni, Si pha tạp , Hợp kim sắt từ Vị trí (nam châm) Vật liệu từ điện trở: Bi, InSb Bảng 1.4: Giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến. 1.4.5. Mạch đo 1.4.5.1. Sơ đồ mạch đo Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đ c cảm biến) cho phép xác định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất c thể. Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo gây nên tính hiệu điện mang theo thông tin về đại lượng cần đo. Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang dạng c thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị đầu ra tương ứng với một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào của mạch. Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivôn kế. 19 Hình 1.9: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt 1.4.5.2. Một số phần tử cơ bản của mạch đo Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch đại dòng một chiều c hai đầu vào và một đầu ra chung, thường gồm hàng trăm tranzito và các điện trở, tụ điện ghép nối với nhau. Hình 1.10: Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán - Bộ khuếch đại c hai đầu vào, một đầu đảo (-), một đầu không đảo (+). - Điện trở vào rất lớn, cỡ hàng trăm M đến G . - Điện trở ra rất nhỏ, cỡ phần chục . - Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ, cỡ vài nV. - Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100.000. - Dải tần làm việc rộng. - Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR là tỷ số hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại theo cách 20 nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán. Thông thường CMRR vào khoảng 90 dB. - Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/μs. 1.4.6. Cảm biến quang 1.4.6.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng Như chúng ta đã biết, ánh sáng vừa c tính chất s ng vừa c tính chất hạt. Ánh sáng là một dạng của s ng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy c bước s ng từ 0,4 - 0,75μm. Trên hình 1.11 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải màu của phổ. Hình 1.11: Phổ ánh sáng Vận tốc truyền ánh sáng trong chân không c = 299.792km/s, trong môi trường vật chất vận tốc truyền s ng giảm, được xác định theo công thức: (n - chiết suất của môi trường). Mối quan hệ giữa tần số ν của ánh sáng và bước s ng λ của ánh sáng xác định bởi biểu thức: 21 - Khi môi trường là chân không: - Khi môi trường là vật chất: Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số ν của ánh sáng: (1.5) Trong đ : h là hằng số Planck (h = 6,6256.10-34J.s) Bước s ng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất s ng thể hiện càng rõ, ngược lại khi bước s ng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ. Đơn vị đo năng lượng: - Năng lượng bức xạ (Q): Là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ ; đo bằng Jun (J). - Thông lượng ánh sáng (F): Là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ ; đo bằng oat (W): (1.6) - Cường độ ánh sáng (I): Là lượng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước ứng với một đơn vị g c khối; tính bằng oat/steriadian. (1.7) - Độ ch i năng lượng (L): Là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt c diện tích dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu dAn của phần tử này trên mặt phẳng P vuông g c với hướng đ ; đo bằng oat/Steriadian.m2 22 (1.8) Trong đ : dAn = dA.cosφ (φ là g c giữa P và mặt phẳng chứa dA. - Độ rọi năng lượng (E): Là tỉ số giữa lượng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đ ; đo bằng oat/m2. (1.9) 1.4.6.2. Cảm biến quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải ph ng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Trong chất bán dẫn, các điện tử liên kết với hạt nhân, để giải ph ng điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho n một năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết Wlk. Khi điện tử được giải ph ng khỏi nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới trong vật liệu. Hình 1.12: Ảnh hưởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn được giải phóng Hạt dẫn được giải ph ng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu bị chiếu sáng. Đối với các chất bán dẫn tinh khiết các hạt dẫn là cặp điện tử lỗ trống. 23 Đối với trường hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn được giải ph ng là điện tử nếu là pha tạp dono hoặc là lỗ trống nếu là pha tạp acxepto. Giả sử c một tấm bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại N c nồng độ các donor Nd, c mức năng lượng nằm dưới vùng dẫn một khoảng bằng Wđ đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong tối nồng độ n0 của các donor bị ion hoá do nhiệt là nhỏ. Hình 1.13: ế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lượng của điện tử Khi ở trong tối, nồng độ điện tử được giải ph ng trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với nồng độ các tạp chất chưa bị ion hoá và bằng a (Nd – n0), với hệ số a xác định theo công thức: (1.10) Trong đ : q là trị tuyệt đối của điện tích điện tử, T là nhiệt độ tuyệt đối của khối vật liệu, k là hằng số. 24 Số điện tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hoá trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với các nguyên tử đã bị ion hoá n0 và nồng độ điện tử cũng chính bằng n0 và bằng r. , trong đ r là hệ số tái hợp. Phương trình động học biểu diễn sự thay đổi nồng độ điện tử tự do trong khối vật liệu c dạng: Ở trạng thái cân bằng ta c : . Suy ra: ( (1.11) Độ dẫn trong tối được biểu diễn bởi hệ thức: (1.12) Trong đ : μ là độ linh động của điện tử. Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của điện tử giảm, nhưng sự tăng mật độ điện tử tự do do sự kích thích nhiệt lớn hơn nhiều nên ảnh hưởng của n là nhân tố quyết định đối với độ dẫn. Khi chiếu sáng, các photon sẽ ion hoá các nguyên tử donor, giải ph ng ra các điện tử. Tuy nhiên không phải tất cả các photon đập tới bề mặt vật liệu đều giải ph ng điện tử, một số bị phản xạ ngay ở bề mặt, một số bị hấp thụ và chuyển năng lượng cho điện tử dưới dạng nhiệt năng, chỉ phần còn lại mới tham gia vào giải ph ng điện tử. Do vậy, số điện tử (g) được giải ph ng do bị chiếu sáng trong một giây ứng với một đơn vị thể tích vật liệu, xác định bởi công thức: (1.13) Trong đ : G - số điện tử được giải ph ng trong thể tích V trong thời gian một giây. 25 V=A.L, với A, L là diện tích mặt cạnh và chiều rộng tấm bán dẫn (hình 1.14). η - hiệu suất lượng tử (số điện tử hoặc lỗ trống trung bình được giải ph ng khi một photon bị hấp thụ). R - là hệ số phản xạ của bề mặt vật liệu. λ - bước s ng ánh sáng. Φ - thông lượng ánh sáng. h - hằng số Planck. Phương trình động học của tái hợp trong trường hợp này c dạng: Thông thường bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử được giải ph ng lớn hơn rất nhiều so với điện tử được giải ph ng do nhiệt: và Trong điều kiện trên, rút ra phương trình động học cho mật độ điện tử ở điều kiện cân bằng dưới tác dụng chiếu sáng: (1.14) Độ dẫn tương ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng: (1.15) Tế bào quang dẫn Tế bào quang dẫn được chế tạo các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp. - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe. PbS, PbSe, PbTe. - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In. SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe. 26 Vùng phổ làm việc của các vật liệu này biểu diễn trên hình 1.14. Hình 1.14: Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn Các đặc trưng - Điện trở : Giá trị điện trở tối RC0 của các quang điện trở phụ thuộc rất lớn vào hình dạng hình học, kích thước, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu chế tạo. Các chất PbS, CdS, CdSe c điện trở tối rất lớn (từ 104 - 109 ở 250C), trong khi đ SbIn, SbAs, CdHgTe c điện trở tối tương đối nhỏ (từ 10 - 103 ở 250C). Điện trở RC của cảm biến giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Trên hình 1.15 là một ví dụ về sự thay đổi của điện trở cảm biến theo độ rọi sáng. Hình 1.15: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng 27 Tế bào quang dẫn c thể coi như một mạch tương đương gồm hai điện trở Rc0 và Rcp mắc song song (1.16) Trong đ : Rc0 - điện trở trong tối. Rcp - điện trở khi chiếu sáng: Rcp=aΦ-γ a - hệ số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, nhiệt độ, phổ bức xạ. γ - hệ số c giá trị từ 0,5 - 1. Thông thường Rcp Lúc này ngõ ra của mạch khuếch đại thuật toán ở mức cao => đèn sáng - Khi bị che tối, cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở giảm => điện trở qua quang trở tăng, dòng dương qua CDS giảm nên áp tại ngõ vào dương (+) của mạch khuếch đại giảm theo, giảm đến khi áp tại đây thấp hơn áp tại ngõ vào 37 dương thì ở ngõ ra của mạch khuếch đại thuật toán ở mức thấp => đèn không sáng. 2.4. Thiết kế mạch nguyên lý Dựa trên sơ đồ khối hình 2.1 mạch nguyên lý được thiết kế tổng thể trên 5 khối. Hình 2.2: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống 2.4.1. Khối nguồn Dùng IC 7805 để tạo nguồn +5V ổn định cấp toàn mạch cho mạch. Sơ đồ nguyên lý như hình dưới: 38 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn trong mạch 2.4.2. Khối cảm biến Cảm biến được thực hiện bằng quang trở CDS được mắc nối tiếp với biến trở VR nhờ thế mà việc cảm biến trở nên dễ dàng hơn. Sơ đồ nguyên lý kết nối quang trở CDS trong mạch được trình bày như hình dưới: Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 2.4.3. Khối khuếch đại Khối khuếch đại là IC 741 c 8 chân, với 3 chân vào ra là chân 2 (inverting input), chân 3 (non-inverting input), chân 6 (output). Sơ đồ chi tiết như sau: 39 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại trong mạch điện Chân 1, 5 và 8 của IC là chân không kết nối. IC được cấp nguồn qua chân VSS là chân 4 nối đất và chân VDD là chân 7 nối lên nguồn +5V do bộ nguồn nuôi cung cấp. Các chân 2, 3 thông qua điện trở nối với cảm biến. Chân 6 nối với đèn Led hiển thị 2.4.4. Khối hiển thị Sử dụng Led c điện áp định mức là từ 1,8V – 2,2V và dòng định mức là 10mA được ghép nối với IC 741 thông qua chân 6 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị của mạch 40 CHƢƠNG 3: THI CÔNG VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN TỬ 3.1. Mục đích thiết kế mạch điện Khai thác sử dụng quang trở CDS và các linh kiện điện tử khác để thu nhận ánh sáng từ bàn phím của điện thoại di động được gọi tới. Từ đ đưa ra tín hiệu điều khiển đèn Led sáng. 3.2. Thiết kế phần cứng Mạch điện tử c sử dụng các linh kiện như sau - IC 741: 1 chiếc - Điện trở 10KΩ : 4 chiếc - Biến trở 100K : 1chiếc - Điện trở 330Ω : 1 chiếc - IC 7805 : 1 chiếc - Led : 1 chiếc - Quang trở CDS : 1 chiếc Chức năng các linh kiện - Mạch khuếch đại 741: So sánh tín hiệu - Biến trở VR: Chỉnh độ nhạy - Điện trở R1, R2, R3, R4: Là cầu chia áp cho mạch khuếch đại hoạt động - Điện trở R: Hạn dòng qua đèn Led - IC 7805: Tạo nguồn +5V cho mạch 41 3.3. Mạch điện sau khi lắp ráp Hoạt động của mạch điện tồn tại ở hai trạng thái: Khi cảm biến được chiếu sáng thì đèn Led sáng Khi cảm biến không được chiếu sáng thì đèn Led tắt Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện sau khi lắp ráp 42 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống khi chưa hoạt động 43 3.4. Sản phẩm chế tạo 3.4.1. Hình ảnh hệ thống khi chưa hoạt động Hình 3.3: Hình ảnh hệ thống khi chưa hoạt động 3.4.2. Hình ảnh hệ thống khi có người gọi tới Hình 3.4: Hình ảnh hệ thống khi có người gọi tới 44 3.4.3. Hình ảnh hệ thống khi có tín hiệu báo động Hình 3.5: Hình ảnh hệ thống khi có tín hiệu báo động 3.4.4. Hình ảnh hệ thống khi không có tín hiệu báo động Hình 3.6: Hình ảnh hệ thống khi không có tín hiệu báo động 45 KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mạch điện điều khiển các thiết bị điện từ xa sử dụng s ng điện thoại di động, đề tài “Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động” đã thu được kết quả như sau: - Nắm được nguyên lý hoạt động của điện thoại di động - Nắm được kỹ thuật cảm biến ánh sáng - Nắm được nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại thuật toán - Thiết kế và chế tạo thành công mạch điện tử Đề tài “Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động” đã hoàn thành đúng thời hạn. Tuy nhiên hạn chế của sản phẩm hiện tại là chỉ c thể điều khiển 1 tín hiệu đèn Led sáng và vẫn còn ảnh hưởng bởi nhiều nhiễu bên ngoài. Vì vậy, nếu c cơ hội được nghiên cứu tiếp tôi sẽ nâng cấp sản phẩm để chất lượng tốt hơn và c thể điều khiển được các thiết bị điện gần gũi với cuộc sống hàng ngày, phục vụ nhu cầu con người. Nghiên cứu định hướng ứng dụng này c thể tạo được hứng thú học tập rất lớn cho sinh viên ngành Vật lý – Kỹ thuật n i riêng và sinh viên ngành Vật lý n i chung. Tôi xin chân thành cảm ơn! 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Diên Tập - Vi xử lý trong đo lường và điều khiển - NXB Khoa học và Kĩ thuật Hà Nội – 1991. [2] Ngô Diên Tập - Vi điều khiển với lập trình C – NXB Khoa học và Kĩ thuật Hà Nội – 2001. [3] ThS. Ngô Đức Thiện - Cơ sở kỹ thuật điện, điện tử - NXB Hà Nội – 2006. [4] TS. Nguyễn Viết Nguyên - Giáo trình linh kiện điện tử và ứng dụng – NXB Giáo dục – 2008. [5] Bạch Gia Dương, Chử Đức Trình - Kỹ thuật điện tử thực hành – NXB ĐH Quốc Gia Hà Nội – 2007. 47 [...]... CHƢƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1.1 Điện thoại di động Điện thoại di động (còn gọi là cell phone, điện thoại cầm tay handies hoặc cellular phone) là thiết bị viễn thông liên lạc c gắn anten trong máy với bộ phận phát điện và thu phát tín hiệu 1.1.1 Cấu tạo cơ bản Gồm ba phần chính sau: - Phần chuyển đổi mạch điện: Phần này gồm hệ thống lá mạ tiếp điểm và c nhiệm vụ đ ng mở mạch điện khi c yêu cầu - Phần thu... khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng c thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường 1.4.4.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng c các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ, hằng số điện môi ε) Vì vậy tác động của đại lượng đo... hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng - Cảm biến thụ động: Là các cảm biến hoạt động như một trở kháng Trong đ đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung 1.4.4.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đ (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện. .. ngưng Khi 10 nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, điện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện qua tải làm cho mạch báo động hoạt động Người ta cũng c thể dùng mạch như trên, với tải là một b ng đèn để c thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày Hoặc c thể tải là một relais để điều khiển một mạch báo động c công suất lớn hơn Mạch mở điện tự động về đêm dùng AC Hình 1.8: ạch mở điện tự động về đêm dùng AC Ban... nguyên tử đã bị ion hoá trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với các nguyên tử đã bị ion hoá n0 và nồng độ điện tử cũng chính bằng n0 và bằng r , trong đ r là hệ số tái hợp Phương trình động học biểu di n sự thay đổi nồng độ điện tử tự do trong khối vật liệu c dạng: Ở trạng thái cân bằng ta c : Suy ra: ( (1.11) Độ dẫn trong tối được biểu di n bởi hệ thức: (1.12) Trong đ : μ là độ linh động của điện tử Khi... cường độ ánh sáng và giá trị điện trở Về phương di n năng lượng, ta n i ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E = hf để các điện tử nhảy từ dãy h a trị lên dãy dẫn điện Như vậy năng lượng cần thiết phải lớn hơn năng lượng của dãy cấm 1.3.3 Ứng dụng của quang điện trở Mạch báo động Hình 1.7: ạch báo động Khi quang điện trở được chiếu sáng (trạng thái thường trực) c điện trở nhỏ, điện thế cổng của SCR giảm... Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Quang đàn hồi Từ điện Nhiệt từ H a học Biến đổi h a học Biến đổi điện h a Phân tích phổ 12 Biến đổi sinh h a Sinh học Biến đổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống Bảng 1.1: Phân loại cảm biến theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Theo dạng kích thích Âm thanh Điện - Biên pha, phân cực – Phổ - Tốc độ truyền s ng - Điện tích, dòng điện – Điện thế, điện. .. số của quang điện trở nhỏ Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A, thông Diac và kích Triac dẫn điện, b ng đèn sáng lên 1.4 Kỹ thuật cảm biến 1.4.1 Khái niệm và phân loại cảm biến 1.4.1.1 Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không c tính chất điện cần đo... quang điện trở a) Hình dạng thật b) Ký hiệu 1.3.2 Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (c thể là Cadmium sulfide – Cds, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn 9 Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo Hình... châm) Vật liệu từ điện trở: Bi, InSb Bảng 1.4: Giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến 1.4.5 Mạch đo 1.4.5.1 Sơ đồ mạch đo Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đ c cảm biến) cho phép xác định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất c thể Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng ... 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG 2.1 Ý tƣởng thiết kế Thiết kế mạch điều khiển qua điện thoại di động c chức thực điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua điện thoại di động. .. đề tài Nghiên cứu chế tạo điều khiển thiết bị điện điện thoại di động để nghiên cứu thu tín hiệu DTMF từ điện thoại di động, để từ đ giải mã đưa tín hiệu điều khiển bật/ tắt thiết bị điện. Với... chế tạo Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Mạch điện tử điều khiển thiết bị điện 3.2 Phạm vi nghiên cứu Sử dụng mạng điện thoại di động Nhiệm vụ đề tài - Nghiên cứu điện thoại