Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa

Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Hà Văn Tú Lớp : 48CKCD

Chuyên ngành : Công nghệ Cơ – Điện Tử Mssv: 48132366

Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa

Số trang: 70 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 5

Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD và mô hình đèn trang trí điều khiển từ xa NHẬN XÉT ………

………

………

………

………

………

………

Kết luận………

……….

………

Nha Trang, ngày… tháng … năm…

Cán bộ hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh viên: Hà Văn Tú Lớp : 48CKCD

Chuyên ngành : Công nghệ Cơ – Điện Tử Mssv: 48132366

Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa

Số trang: 70 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 5

Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD và mô hình đèn trang trí điều khiển từ xa NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ………

………

………

………

Kết luận ………

………

………

Điểm phản biện

Điểm chung

Nha Trang, ngày … tháng … năm …

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nha Trang, ngày … tháng … năm …

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ tên)

đã được hoàn thành đúng thời gian quy định

Em xin gửi đến các thầy hướng dẫn cùng toàn thể các quý thầy trong bộ môn Cơ – Điện

tử lời cảm ơn với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc đã hết lòng chỉ bảo và truyền đạt cho

em những kiến thức vô cùng quý báu, làm cơ

sở để em thực hiện tốt đề tài này và đã tạo điều kiện thuận lợi để cho em hoàn tất khóa học

Nhân dịp này, em cũng xin cảm ơn gia đình

và bạn bè những người đã hết lòng giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua, để em hoàn thành Đồ án Tốt nghiệp

Nha Trang, năm 2010

MỤC LỤC

Trang

Nhận xét của cán bộ hướng dẫn i

Phiếu đánh giá chất lượng đề tài ii

Lời cảm ơn iii

Mục lục iv

Danh sách các hình vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 2

1.1 Hệ thống điều khiển từ xa 3

1.1.1 Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa 4

1.1.1.1 Kết cấu tin tức 4

1.1.1.2 Về kết cấu hệ thống 4

1.1.1.3 Các phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa 4

1.1.2 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển từ xa 5

1.2 Tia hồng ngoại 7

1.2.1 Lược sử phát triển tia hồng ngoại 7

1.2.2 Khái niệm về tia hồng ngoại 8

1.2.3 Ứng dụng tia hồng ngoại 9

1.3 Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại 10

1.3.1 Máy phát hồng ngoại 10

1.3.2 Nguồn phát và bức xạ hồng ngoại 12

1.3.3 Lý thuyết mã hóa và điều chế tín hiệu hồng ngoại 13

1.3.3.1 Amplitude Modulation, On-Off Keying, OOK: 13

1.3.3.2 FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation 14

1.3.3.3 Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band (Điều biến xung, dải tần số cơ bản) 15

1.3.4 Một số mã IR thường dùng 15

1.3.4.1 Pulse Distance Protocol (Định ước độ rộng xung) 15

1.3.4.2 Pulse Width Protocol (Định ước bề rộng xung) 16

1.3.4.3 Manchester Protocol (RC5): Định ước Manchester 17

1.3.4.4 Flash Protocol (Định ước Flash) 18

1 3.5 Một số giải thuật giải mã bức xạ IR 20

1.3.5.1 Giải thuật giải mã Manchester Protocol (RC5): 20

1.3.5.2 Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC) 21

1.4 Giới thiệu một số linh kiện thu hồng ngoại 21

1.4.1 Điện trở quang 21

1.4.2 Điôt quang 23

1.4.2.1 Điôt quang loại tiếp xúc P-N 24

1.2.4.2 Điôt quang PIN 25

1.2.4.3 Điôt quang thác (APD) 26

1.2.5 Quang transistor(Photo Transistor) 27

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 29

2.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống 30

2.1.1 Bộ phát hồng ngoại 30

2.1.2 Bộ thu hồng ngoại 33

2.2.3 Bộ điều khiển trung tâm 36

2.2.3.1 Giới thiệu 36

2.2.3.2 Công cụ 38

2.2.3.3 Vi điều khiển ATmega 32 43

2.2.4 Thiết bị đóng ngắt điện 47

2.2 Thiết kế và thi công phần cứng 51

2.2.1 Thiết kế và thi công cơ khí 51

2.2.1.1 Yêu cầu thiết kế 51

2.2.1.2 Các phơng án thiết kế 52

2.2.2 Thiết kế và thi công mạch điện 56

2.2.2.1 Mạch nguyên lý 56

2.2.2.2 Mạch in 59

2.2.3 Mô hình sản phẩm hoàn thiện 60

2.3 Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển 62

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 74

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 76

4.1 Kết luận 77

4.2 Đề xuất 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống điều khiển từ xa 3

Hình 1.2: Các thành phần chính của mạch phát 5

Hình 1.3: Các thành phần chính của mạch thu 6

Hình 1.4: Dải sóng hồng ngoại 8

Hình 1.5: Bức sóng tia hồng ngoại 9

Hình 1.6: Ảnh chụp bằng hồng ngoại 10

Hình 1.7: Cấu tạo của một máy phát hồng ngoại 10

Hinh 1.8: Quang phổ của các nguồn sáng 12

Hình 1.9: Sơ đồ phát và thu hồng ngoại của thiết bị LED hồng ngoại và Photodiode 12

Hình 1.10: Mã hóa khoảng cách xung 13

Hình 1.11: Mã hóa bề rộng xung 14

Hình 1.12: Mã hóa vị trí xung 14

Hình 1.13: Mã hóa Manchester 14

Hình 1.14: FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation 14

Hình 1.15: Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band 15

Hình 1.16: Pulse Distance Protocol, Bit Encoding 15

Hình 1.17: Pulse Distance Protocol, Data Frame Structure 16

Hình 1.18: Pulse Distance Protocol, Repeat Frame Structure 16

Hình 1.19: Pulse Distance Protocol, Full Sequence Structure 16

Hình 1.20: Pulse Width Protocol, Bit Encoding 17

Hình 1.21: Pulse Width Protocol, Data Frame Structure 17

Hình 1.22: Pulse Width Protocol, Full Sequence Structure 17

Hình 1.23: Định ước RC5, ma bit 18

Hình 1.24: Định ước RC5, cấu trúc Frame dữ liệu 18

Hình 1.25: Định ước RC5, cấu trúc dãy đầy đủ 18

Hình 1.26: Flash Protocol, Bit Encoding 19

Hình 1.27: Flash Protocol, Data Frame Structure 19

Hình 1.28: Flash Protocol, Full Sequence Structure 19

Hình 1.29: Giải thuật giải mã Manchester Protocol (RC5) 20

Hình 1.30: Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC) 21

Hình 1.31: a- Cấu tạo của điện trở quang 22

b- Ký hiệu của điện trở quang trong sơ đồ mạch 22

Hình 1.32: Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở .22

Hình 1.33: Ký hiệu của điôt quang 23

Hình 1.34: a- Cấu tạo của điôt quang loại tiếp xúc P-N 24

b- phân bố dải năng lượng của tiếp xúc P-N(b) 24

Hình 1.35: Sơ đồ nguyên lý đấu nối điốt quang 24

Hình 1.36: Đặc tuyến của quang diode .25

Hình 1.37: Cấu tạo của APD và phân bố điện trường trong điôt APD 26

Hình 1.38: Ký hiệu, cấu tạo và đặc tuyến của quang transistor .27

Hình 1.39: Một số loại quang bán dẫn khác .28

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống 30

Hình 2.2: Các máy phát tín hiệu hồng ngoại khác nhau của Sony 30

Hình 2.3: Mã hóa tín hiệu sony 31

Hình 2.4: Định ước bề rộng xung, giải mã bit 31

Hình 2.5: Định ước bề rộng xung, cấu trúc Frame dữ liệu 32

Hình 2.6: Định ước bề rộng xung, cấu trúc dãy đầy đủ 32

Hình 2.7: Mã hóa dữ liệu nhận 33

Hình 2.8: Sơ đồ khối của PIC 1018SCL 33

Hình 2.9: Mạch Schmitt Trigger 34

Hình 2.10: Đồ thị biểu diễn ngưỡng điện áp của mạch Schmitt Trigger 34

Hình 2.11: Biểu diễn tín hiệu qua PIC – 1018SCL 35

Hình 2.12: Mạch chống nhiễu cho PIC – 1018SCL 35

Hình 2.13: Sơ đồ mạch nạp STK200/300 thu gọn 40

Hình 2.14: Sơ đồ mạch nạp STK200/300 có IC đệm 41

Hình 2.15: Mạch nạp STK200/300 .42

Hình 2.16: Mạch nguyên lý AVR910 USB 43

Hình 2.17: a- Cấu tạo của relay điện từ 47

b- Hình dạng một số rơle điện tử 47

Hình 2.18: Động cơ dùng để quay tròn ngang 50

Hình 2.19: Động cơ dùng quay dọc 51

Hình 2.20: Mô hình thiết kế tổng thê .52

Hình 2.21: Bản vẽ chi tiết các kích thước của hệ thống đèn ( Phương án 1) 53

Hình 2.22: Mô hình thiết kế tổng thể 54

Hình 2.23: Bản vẽ chi tiết các kích thước của hệ thống đèn ( Phương án 2) 55

Hình 2.24: Mạch nguyên lý khối nguồn 56

Hình 2.25: Mạch nguyên lý khối vi điều khiển 57

Hình 2.26: Mạch nguyên lý khối thu hồng ngoại 58

Hình 2.28: Mạch nguyên lý mạch điều khiển động cơ 58

Hình 2.29: Mạch in khối điều khiển trung tâm 59

Hình 2.30: Mạch in khối relay 59

Hình 2.31: Hình dạng tổng thể hệ thống 60

Hình 2.32: Động cơ quay ngang và đĩa dẫn điện 60

Hình 2.33: Mạch điều khiển trung tâm 61

Hình 2.34: Mạch rơle 61

Hình 2.35: Giải thuật giải mã tín hiệu sony 62

Hình 2.36: Giải thuật điều khiển mã phím 63

Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực Công – Nông – Lâm – Ngư nghiệp, cho đến các nhu cầu thiết yếu nhất trong hoạt động đời sống hằng ngày Một trong những ứng dụng rất quan trọng của công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa

Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật điều khiển từ xa, cùng với kiến thức học tập chuyên ngành Cơ – Điện tử trong suốt khóa học 2006 - 2010, đặc biệt trong cơ hội được

thực hiện đề tài tốt nghiệp Em xin thực hiện để tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn quay trang trí điều khiển từ xa”

Đề tài gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan phương pháp điều khiển từ xa

Chương 2: Phương pháp và nội dung nghiên cứu

Chương 3: Thử nghiệm và phân tích kết quả

Chương 4: Kết luận và đề xuất

ơSau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và thi công và được sự giúp đỡ tận tình của các thầy hướng dẫn, cùng toàn thể thầy trong bộ môn Cơ – Điện tử Em đã hoàn thành đề tài

Vì thời gian và kiến thức còn có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Mong các quý thầy cô và bạn bè góp ý để để tài được hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện:

Hà Văn Tú

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Các hệ thống điện tử, hệ thống số mang lại cho con người nhiều ứng dụng trong lao động sản xuất và giải trí chẳng hạn khi bạn ở tầng 1 và phát hiện đèn trên sân thượng vẫn quên chưa tắt, bạn muốn đèn chùm giữa phòng khách tối đi một nửa

để bạn xem phim cho có không khí, hay bạn muốn đèn ngủ trong phòng sẽ tự động tắt sau 15 phút, một hệ thống điện tử điều khiển từ xa sẽ cho phép bạn làm tất cả những việc đó chỉ với việc bấm nút điều khiển Chương này sẽ đề cập đến tổng quát một hệ thống điều khiển từ xa, ngoài ra chương sẽ nghiên cứu một phương pháp điều khiển từ xa bằng hồng ngoại Đây là một phương pháp truyền thông tin đã được sử dụng rộng rãi

1.1 Hệ thống điều khiển từ xa

Hệ thống điều khiển từ xa là một trong những hệ thống số, nó mang đầy đủ tính chất của một hệ thống số, cho phép ta điều khiển các thiết bị từ một khoảng cách Khoảng cách này phụ thuộc vào tính chất, độ phức tạp của từng hệ thống, như đối với hệ thống điều khiển các trạm vũ trụ trong không gian thì cần bộ thu và phát sóng mạnh, nhưng với các hệ thống điều khiển dân dụng như: tivi, máy tinh, thì ta chỉ cần bộ thu và phát sóng yếu hơn

Các hệ thống điều khiển từ xa như hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều khiển từ xa bằng hồng ngoại, hệ thống điều khiển bằng cáp quang Mỗi hệ thống có những tính chất, ưu nhược điểm khác nhau,khi sử dụng tùy thuộc đối tượng điều khiển ta sẽ chọn một hệ thống điều khiển phù hợp

Sơ đồ kết cấu chung của hệ thống điều khiển từ xa:

Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống điều khiển từ xa

Máy phát

Máy thu tín hiệu

- Máy phát tín hiệu: Tác dụng phát đi tín hiệu điều khiển

- Đường truyền tín hiệu: Tác dụng đưa tín hiệu phát ra tử máy phát tín hiệu đến máy thu tín hiệu

- Máy thu tín hiệu: Tác dụng nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền tín hiệu

và điều khiển các thiết bị thi hành

1.1.1 Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa

Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta cần phải nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và nhanh chóng theo những yêu cầu sau:

1.1.1.1 Kết cấu tin tức

Trong hệ thống điều khiển từ xa, độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ rất nhiều đến kết cấu tin tức Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần; về lượng và về chất

1.1.1.2 Về kết cấu hệ thống

Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêu cầu sau:

- Tốc độ làm việc nhanh

- Thiết bị phải an toàn tin cậy

- Kết cấu phải đơn giản

Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực đại, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép

1.1.1.3 Các phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa

Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc trong truyền thông tin liên tục nhưng đã được rời rạc hóa tin tức, thường phải được biến đổi thông qua một phép biến đổi thành số (thường là số nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ máy phát Ở máy thu, tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép biến đổi trên: giải mã, liên tục hóa…

- Sai tương quan: Được gây ra bởi nhiều nhiễu tương quan, chúng hay xảy ra trong từng chùm, cụm ký hiệu kế cận nhau

Hiện nay lý thuyết mã hóa phát triển rất nhanh, nhiều loại mã phát triển và sửa sai được nghiên cứu như mã Hamming, mã chu kỳ, mã nhiều cấp

1.1.2 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển từ xa

Mã hóa

Chuyển đổi song song sang nối tiếp

Điều chế và phát

FM

Thiết

bị phát

Chốt

dữ liệu

- Khối chọn phím chức năng và khối mã hóa: Khi người sử dụng bấm vào các phím chức năng để phát lệnh yêu cầu của mình, mỗi phím chức năng tương ứng với một số thập phân Mạch mã hóa sẽ chuyển đổi thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng mã lệnh tín hiệu số gồm các bít 0 và 1 Số bit trong mã lệnh nhị phân có thể là

4 bit hay 8 bit … tùy theo số lượng các phím chức năng nhiều hay ít

- Khối tạo dao động chuẩn: Khi nhấn 1 phím chức năng thì đồng thời khởi động mạch dao động tạo xung đồng hồ, tần số xung đồng hồ xác định thời gian chuẩn của mỗi bit

- Khối chốt dữ liệu và khối chuyển đổi song song ra nối tiếp: Mã nhị phân tại mạch mã hóa sẽ được chốt để đưa vào mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp Mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp được điều khiển bởi xung đồng

hồ và mạch định thời nhằm đảm bảo kết thúc đúng lúc việc chuyển đổi đủ số bit của một mã lệnh

- Khối điều chế và phát FM: mã lệnh dưới dạng nối tiếp sẽ được đưa qua mạch điều chế và phát FM để ghép mã lệnh vào sóng mang có tần số 38Khz đến 100Khz, nhờ sóng mang cao tần tín hiệu được truyền đi xa hơn, nghĩa là tăng cự ly phát

- Khối thiết bị phát: Là một LED hồng ngoại Khi mã lệnh có giá trị bit =’1’ thì LED phát hồng ngoại trong khoảng thời gian T của bit đó Khi mã lệnh có giá trị bit=’0’ thì LED không sáng Do đó bên thu không nhận được tín hiệu xem như bit = ‘0’

Dao động có điều kiện

Giải

mã

Chuyển đổi nối tiếp sang song song

Mạch điều khiển

1.2 Tia hồng ngoại

1.2.1 Lược sử phát triển tia hồng ngoại

Năm 1800, William Hershel đã phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ nhiệt ở ngoài vùng phổ của ánh sáng nhìn thấy và ông đặt tên cho nó là bức xạ hồng ngoại (Infrared - IR) Đây là dải bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng từ 0,75 đến

1000 µm và ông cũng đã chứng minh được rằng, bức xạ này tuân theo những qui luật của ánh sáng nhìn thấy Kể từ mốc lịch sử đó đến nay, trong lĩnh vực này nhân loại đã đạt được những bước phát triển đáng kể: Về nguồn phát xạ, vào nửa đầu thế

kỷ 19 đã tìm ra những định luật đầu tiên về bức xạ nhiệt; đầu thế kỷ 20 đã hoàn thành các qui luật của bức xạ không kết hợp; trong những năm 1920-1930 đã tạo ra các nguồn IR nhân tạo, phát hiện ra hiệu ứng điện phát quang làm cơ sở để tạo ra các nguồn phát xạ IR (các diodes phát quang) Về detectors (dùng để phát hiện IR), năm 1830 các detectors đầu tiên theo nguyên lý cặp nhiệt điện (thermopile) ra đời; năm 1880 ra đời quang trở cho phép tăng đáng kể độ nhạy phát hiện IR; từ năm

1870 đến 1920, các detectors lượng tử đầu tiên theo nguyên lý tương tác bức xạ với vật liệu ra đời (với các detectors này bức xạ được chuyển đổi trực tiếp sang tín hiệu điện chứ không phải thông qua hiệu ứng nhiệt do bức xạ sinh ra); 1930-1944, phát triển các detectors sulfure chì (PbS) phục vụ chủ yếu cho các nhu cầu quân sự;

1930-1950 khai thác vùng IR từ 3 đến 5 µm bằng các detectors Antimonium diIndium (InSb) và từ 1960 bắt đầu khai thác vùng IR từ 8 đến 14 µm bằng các

detectors Tellure de Cadmium Mercure (HgTeCd)

1.2.2 Khái niệm về tia hồng ngoại

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ không thể nhìn thấy được như ánh sáng thường bởi mắt người thông thường do bước sóng hồng ngoại 0.86µm đến 0.98µm

Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Lượng thông tin có thể đạt 3 mega bit /s Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như ánh sáng thu (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 đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt Vì vật liệu bán dẫn

tên lửa không đối không, không đối đất, đất đối không

Hình 1.6: Ảnh chụp bằng hồng ngoại

Hình 1.6 là ảnh của một chú chó chụp dưới hồng ngoại Những chỗ có nhiệt độ cao phát ra tia hồng ngoại tần số cao hơn, thể hiện bằng màu nóng sáng hơn trên hình

1.3 Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại

1.3.1 Máy phát hồng ngoại

Có rất nhiều loại máy phát tín hiệu hồng ngoại cho các thiết bị khác nhau do các hãng sản xuất khác nhau Sử dụng các tiêu chuẩn định dạng và điều chế khác nhau

LED phát hồng ngoại

- Khối tạo dao động chuẩn: Khi nhấn 1 phím chức năng thì đồng thời khởi động mạch dao động tạo xung đồng hồ, tần số xung đồng hồ xác định thời gian chuẩn của mỗi bit

- Quản lý bàn phím và tạo mã: Mã nhị phân ứng với phím chức năng tương ứng của bàn phím sẽ được chốt, sau đó được chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp Mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp được điều khiển bởi xung đồng

hồ và mạch định thời nhằm đảm bảo kết thúc đúng lúc việc chuyển đổi đủ số bit của một mã lệnh, lúc này kết thúc quá trình tạo mã

- Khối khếch đại: Tại đây mã lệnh sẽ được sẽ được khuếch đại và ghép mã lệnh vào sóng mang có tần số 38KhZ đến 100Khz, nhờ sóng mang cao tần tín hiệu được truyền đi xa hơn, tức là tăng cự ly phát

- Khối LED phát: Là một LED hồng ngoại Khi mã lệnh có giá trị bit=”1” thì LED phát hồng ngoại trong thời gian T của bit đó Khi mã lệnh có giá trị bit=”0” thì LED không sáng Do đó, bên thu không nhận được tín hiệu xem như bit=0

Các mạch điện trên được tích hợp trong 1 IC duy nhất với nhiều chân ra, nguồn cung cấp là pin Có 1 số loại trên vỏ có gắn thêm kính lọc hồng ngoại để chống nhiễu và tập trung ánh sáng

1.3.2 Nguồn phát và bức xạ hồng ngoại

Tia hồng ngoại được tao ra từ các nguồn sáng nhân tạo

Hinh 1.8: Quang phổ của các nguồn sáng

IRED: Diode hồng ngoại

Hình 1.9: Sơ đồ phát và thu hồng ngoại của thiết bị LED hồng ngoại và Photodiode

1.3.3 Lý thuyết mã hóa và điều chế tín hiệu hồng ngoại

Sóng hồng ngoại được dùng trong các ứng dụng điều khiển từ xa được điều chế

để cho phía thu dễ cảm nhận mức tín hiệu phát giữa tín hiệu mong muốn và nhiễu hồng ngoại từ nhiều nguồn xung quanh Có nhiều kỹ thuật điều chế và mã hóa được dùng để phân biệt giữa nhiễu không mong muốn và tín hiệu hồng ngoại

Ba kỹ thuật điều chế cơ bản thường được dùng:

- Amplitude Modulation, On-Off Keying, OOK (Điều biến biên độ xung, điều báo đóng mở)

- FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation

(Đánh tín hiệu dịch tần số, điều biến dịch tần số, biến điệu tần số FM)

- Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band (Điều biến xung, dải tần số cơ bản)

1.3.3.1 Amplitude Modulation, On-Off Keying, OOK:

(Điều biến biên độ xung, điều báo đóng mở)

Dùng điều biên AM là một trong các kỹ thuật lâu đời và đơn giản nhất, tia hồng ngoại được nhóm thành các xung quanh tần số trung tâm (thường là 30-60kHz theo dãy tần dân dụng) Máy thu điều chỉnh đến một tần số riêng biệt và tất cả các nhiễu khác nằm ngoài băng thông sẽ không thể đi qua bộ lọc Các máy thu tích hợp từ nhiều nhà sản xuất đáp ứng các chức năng này như Infineon, Vishay, Sharp, … Các linh kiện đơn giản gồm 3 chân tạo ra các tín hiệu giải điều chế ở mức logic, dễ dàng giao tiếp với các vi xử lý của máy thu Chúng thường được điều chỉnh ở một tần số nhất định (30, 33, 36, 38, 40 hay 56kHz)

Các hệ thống điều biên dùng nhiều phương pháp mã hóa khác nhau

- Pulse Distance Encoding (Mã hóa khoảng cách xung)

Hình 1.10: Mã hóa khoảng cách xung

(Đánh tín hiệu dịch tần số, điều biến dịch tần số, biến điệu tần số FM)

Điều tần dùng tần số điều chế khác cho các mức logic Thường không có khoảng cách giữa các xung Điều chế tần số không được dùng rộng rãi vì độ phức

tạp của mạch giải điều chế và hiệu suất không cao về công suất tiêu thụ tại phía phát

Hình 1.14: FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation

1.3.3.3 Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band (Điều biến xung, dải tần số cơ bản)

Điều chế xung không dùng bất cứ dạng điều chế nào ngoài việc dùng các xung ngắn, của việc giải mã và hệ thống hồng ngoại dựa trên PC (IrDA) Có xung ngắn này rất hiệu quả trong việc sử dụng nguồn Một bất lợi có thể là sự phức tạp có thể gây sai ngưỡng kích của máy thu Thông thường, khoảng cách giữa các xung tương ứng định nghĩa log 1 hay log 0 (mã hóa khoảng cách xung)

Hình 1.15: Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band 1.3.4 Một số mã IR thường dùng

1.3.4.1 Pulse Distance Protocol (Định ước độ rộng xung)

Mã hóa khoảng cách xung thường dùng bởi các công ty Nhật (NEC, Sanyo và others)

Kỹ thuật này dùng mã hóa khoảng cách xung và điều chế biên độ Data Payload gồm 8 bit địa chỉ và 8 bit lệnh, tất cả được gởi đi 2 lần để đảm bảo độ tin cậy Lần truyền thứ 2 được lấy bù, vì vậy tổng chiều dài khung là hằng số Dữ liệu được bắt đầu bằng chuỗi xung, 9ms mark và 4 5ms space để cấu hình cho AGC (automatic gain control) của máy thu Dữ liệu được kết thúc bằng xung 560us mark, để hoàn tất bit dữ liệu cuối cùng

Log ‘1’ gồm 1 xung 560 µs mark và 1690 µs space

Log ‘0’ gồm 1 xung 560 µs mark và 560 µs space

Tần số sóng mang 38 kHz

Hình 1.16: Pulse Distance Protocol, Bit Encoding

(Định ước khoảng cách xung, mã hóa bit)

Hình 1.17: Pulse Distance Protocol, Data Frame Structure

(Định ước khoảng cách xung, cấu trúc Frame dữ liệu)

Hình 1.18: Pulse Distance Protocol, Repeat Frame Structure

(Định ước khoảng cách xung, Cấu trúc Frame lặp lại)

Khi một phím được nhấn, một chuỗi bit lệnh được phát ra Tuy nhiên thời gian nhấn một nút thường lâu hơn khoảng thời gian của một khung hoặc do nút được nhấn chìm liên tiếp Giao thức tiếp tục phát ra các khung lặp sau data frame cho đến khi hết thời gian nhấn phím

Hình 1.19: Pulse Distance Protocol, Full Sequence Structure

(Định ước khoảng cách xung, cấu trúc dãy đầy đủ)

1.3.4.2 Pulse Width Protocol (Định ước bề rộng xung)

Giao điều thức chế độ rộng xung, hoặc là SIRC, được phát triển bởi Sony Dùng mã hóa độ rộng xung và điêu chế biên độ Data payload gồm 7 bit lệnh và 5 bit địa chỉ Dữ liệu được khởi đầu bằng chuỗi xung 2 4ms mark và 0 6ms space để cấu hình cho AGC của máy thu

Log ‘1’ gồm 1 xung 1200 µs mark và 600 µs space

Log ‘0’ gồm 1 xung 600 µs mark và 600 µs space period

Tần số sóng mang là 40 kHz

Hình 1.20: Pulse Width Protocol, Bit Encoding

(Định ước khoảng cách xung, Giải mã Bit)

Hình 1.21: Pulse Width Protocol, Data Frame Structure

(Định ước khoảng cách xung, cấu trúc Frame dữ liệu)

Hình 1.22: Pulse Width Protocol, Full Sequence Structure

(Định ước khoảng cách xung, cấu trúc dãy đầy đủ)

1.3.4.3 Manchester Protocol (RC5): Định ước Manchester

Giao thức RC5 được phát triển bởi Philips và là một trong những phương thức phổ biến nhất RC5 dùng mã hóa Manchester (Biphase) và điều chế biên độ Data payload gồm 5 bit địa chỉ và 6 bit lệnh Dữ liệu được khởi đầu bằng 2 start log “1” bit (S1 và S2) và 1 toggle bit (T) Toggle bit thay đổi giữa “1” và “0” giữa các phím được nhấn riêng biệt để cho máy thu phân biệt được phím được nhấn khoảng thời gian dài với nhấn phím ngắn

Log ‘1’ gồm 889 µs space và 1 xung 889 µs mark

Log ‘0’ gồm 1 xung 889 µs mark và 889 µs space

Mỗi bit dài 1778 µs Tần số sóng mang là 36 kHz

Hình 1.23: Định ước RC5, ma bit

Hình 1.24: Định ước RC5, cấu trúc Frame dữ liệu

Hình 1.25: Định ước RC5, cấu trúc dãy đầy đủ 1.3.4.4 Flash Protocol (Định ước Flash)

Giao thức Flash được phát triển bởi ITT Dùng điều chế Flash (“Pulse”) Data địa chỉ và 6 payload gồm 4 bit bit lệnh Dữ liệu được khởi động bằng 1 lead- dài là 10us, khoảng cách giữa các xung là 100us cho log “0”, 200us cho log “1”, và 300us cho lead-in và lead-out pulse, in pulse và 1 start pulse (log “0”), và kết thúc

bằng 1 lead-out pulse Tất cả các xung có chiều là 10us,khoảng cách giữa xung là

100us cho log “1”,và 300us cho lead-in và lead-out pules

Hình 1.26: Flash Protocol, Bit Encoding

Hình 1.27: Flash Protocol, Data Frame Structure

Hình 1.28: Flash Protocol, Full Sequence Structure

1 3.5 Một số giải thuật giải mã bức xạ IR

1.3.5.1 Giải thuật giải mã Manchester Protocol (RC5):

Hình 1.29: Giải thuật giải mã Manchester Protocol (RC5)

Mức logic đúng của chuỗi bit phát

- Tạo độ trễ 4.752ms để bỏ qua 3 bits đầu Từ bit thứ 4 tạo độ trễ 1.728ms ,sau

đó đọc trạng thái ngõ ra mắt thu hồng ngoại nối với MCU để xác định bit thu là 0 hay 1 Thực hiện đến khi hết chuỗi hay chỉ cần lấy các bit lệnh

- Bit thu được đưa vào cờ nhớ, từ đó dịch vào một thanh ghi 8 bits Trong bộ nhớ MCU có lưu sẵn bảng mã lệnh của remote Khi đủ giá trị thanh ghi đem tra vào bảng để xác định lệnh cần thực hiện

- Khi nhận đủ các bit cần thiết tạo trễ một khoảng thời gian để vượt ra khỏi bit cuối cùng của chuỗi và chờ đến chuỗi tín hiệu điều khiển kế tiếp

1.3.5.2 Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC)

Hình 1.30: Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC)

1.4 Giới thiệu một số linh kiện thu hồng ngoại

1.4.1 Điện trở quang

Điện trở quang là một cấu kiện bán dẫn thụ động, không có lớp tiếp xúc P-N Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang thường là Cadmium Sufid (CdS) Cadmium Swlenid (CDSe) Sulfid kẽm (ZnS) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác Tất cả các vật

liệu này được gọi là vật liệu bán dẫn nhạy quag

a Cấu tạo

Điện trở quang gồm một lớp vật liệu bán dẫn nhạy quang, rải lên một tấm vật liệu cách điện và 2 chân dẫn điện Để chống ẩm, người ta bọc bên ngoài quang điện trở một lớp sơn chống ẩm trong suốt với vùng ánh sáng hoạt động của nó Tất cả được bọc trong một vỏ bằng chất dẻo, có cửa sổ cho ánh sáng đi qua

Hình 1.31: a- Cấu tạo của điện trở quang

b- Ký hiệu của điện trở quang trong sơ đồ mạch

b Nguyên lý làm việc

Mạch điện đấu điện trở quang trình bầy ở hình 2.14a

Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu bán dẫn nhạy quang với năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu, do quá trình hấp thụ quang năng, từng cặp điện tử-lỗ trống mới xuất hiện Do vậy, nồng độ hạt dẫn trong chất bán dẫn tăng lên, làm độ dẫn điện của nó tăng, hay nói cách khác là điện trở của chất bán dẫn giảm xuống Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo

Hình 1.32: Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở

Về phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E=h.f

để các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dãi cấm

c Các ứng dụng của quang điện trở

Quang điện trở có nhiều ứng dụng trong thực tế

- Sử dụng trong các mạch báo động:

- Đo độ sáng trong quang phổ:

- Làm mạch cảm biến trong nhiều hệ thống tự động hóa:

…

1.4.2 Điôt quang

a Khái niệm chung

Khi chiếu sáng một tiếp xúc P-N thì trên nó sẽ xuất hiện một điện áp Tùy theo chức năng và cấu trúc có thể chia điôt quang thành nhiều loại như sau:

• Điôt quang loại tiếp xúc P-N

• Điôt quang loại PIN

• Điôt quang thác (APD)

Một số đặc điểm của điôt quang là rất tuyến tính, ít nhiễu, dải tần số làm việc rộng, nhẹ, có độ bền cơ học cao và tuổi thọ cao Điôt quang không nhạy bằng điện trở quang loại CdS nhưng nó làm việc nhanh gấp nhiều lần

b Ký hiệu của điôt quang trong sơ đồ mạch điện

Hình 1.33: Ký hiệu của điôt quang

1.4.2.1 Điôt quang loại tiếp xúc P-N

Lớp chống phản quang

Hình 1.34: a- Cấu tạo của điôt quang loại tiếp xúc P-N

b- phân bố dải năng lượng của tiếp xúc P-N(b)

b Nguyên lý làm việc

Hình 1.35: Sơ đồ nguyên lý đấu nối điốt quang

Như trong sơ đồ hình 1.40, điôt quang được cấp nguồn Ecc sao cho tiếp xúc

P-N phân cực ngược để tạo ra một điện trường dịch chuyển, các hạt dẫn thiểu số sẽ được sinh ra dưới tác dụng của ánh sáng Do đó, khi chưa có tác dụng ánh sáng thì trong điốt thu quang chỉ có dòng điện ngược (dòng điện tối hay dòng rò) rất nhỏ

Khi cho ánh sáng chiếu vào (xem hình 1.35) trong quá trình hấp thụ, ở chất

bán dẫn xuất hiện từng cặp điện tử -lỗ trống Các điện tử và lỗ trống này dưới tác

động của điện trường ở tiếp xúc P-N phân cực ngược sẽ chuyển động trôi qua tiếp xúc P-N và tạo nên dòng điện gọi là dòng quang điện

Hình 1.36: Đặc tuyến của quang diode

Đặc tuyến V-I của quang diode với quang thông là thông số cho thấy ở quang thông nhỏ khi điện thế phân cực nghịch nhỏ, dòng điện tăng theo điện thế phân cực, nhưng khi điện thế phân cực lớn hơn vài volt, dòng điện gần như bão hòa (không đổi khi điện thế phân cực nghịch tăng) Khi quang thông lớn, dòng điện thay đổi theo điện thế phân cực nghịch Tần số hoạt động của quang diode có thể lên đến hàng MHz Quang diode cũng như quang điện trở thường được dùng trong các mạch điều khiển để đóng - mở mạch điện (dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào và ngưng khi tối)

1.2.4.2 Điôt quang PIN

b Nguyên lý hoạt động

Điện áp cung cấp cho điôt phân cực ngược dọc theo linh kiện, vì vậy lớp I bị nghèo hoàn toàn trong suốt thời gian hoạt động của nó

Khi ánh sáng đi vào lớp bán dẫn +

P ,trường hợp lý tưởng mỗi photon sẽ sinh

ra trong miền +

P , I hoặc +

N , một cặp điện tử - lỗ trống Các điện tử và lỗ trống vừa sinh ra sẽ được điện trường mạnh hút về hai phía điện cực, tạo ra một dòng điện

ở mạch ngoài và trên tải Re thu được một điện áp Ura

1.2.4.3 Điôt quang thác (APD)

Để tăng độ nhạy của điôt quang, người ta có thể sử dụng hiệu ứng giống như hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện Cấu tạo của điôt quang sẽ có dạng đặc biệt đó là điôt quang với hiệu ứng quang thác APD-Avalanche Photodiodes

Điôt quang thác giống như điôt quang PIN trừ điện áp phân cực lớn hơn nhiều

để tạo ra sự nhân thác lũ về hạt dẫn và như vậy, APD có khuếch đại dòng điện bởi

sự ion hóa do va chạm và nhân hạt dẫn

a Cấu tạo

Hình 1.37: Cấu tạo của APD và phân bố điện trường trong điôt APD

b Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của APD cơ bản giống như điôt P-I-N

Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong hình 1.38 Theo sơ đồ này, điôt quang thác được phân cực ngược nhờ nguồn Ucc, và tín hiệu điện được lấy ra trên tải Rt

để tạo ra các cặp điện tử-lỗ trống mới Hiện tượng này gọi là hiện tượng ion hóa do

va chạm Do đó, dòng điện qua điôt APD tăng nhanh như được khuếch đại lên với

hệ số khuếch đại M Hệ số khuếch đại M phụ thuộc vào điện áp phân cực cho điôt

và nó có thể đạt tới 200 lần

1.2.5 Quang transistor(Photo Transistor)

Quang transistor là nới rộng của quang diode Về mặt cấu tạo, quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở Quang transistor có một thấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N giữa thu và nền Khi cực nền

để hở, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít do các dòng điện rỉ (điện thế VBE lúc đó khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền được phân cực nghịch nên transistor ở vùng tác động

Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên có dòng rỉ IC0 chạy giữa cực thu và cực nền Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít nên dòng điện cực thu là IC0 (1+β) Đây là dòng tối của quang transistor

Hình 1.38: Ký hiệu, cấu tạo và đặc tuyến của quang transistor

Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền, thì sự xuất hiện của các cặp điện tử

và lỗ trống như trong quang diode làm phát sinh một dòng điện IC do ánh sáng nên dòng điện thu trở thành: IC=(β+1)(IC0+Iλ)

Như vậy, trong quang transistor, cả dòng tối lẫn dòng chiếu sáng đều được nhân lên (β+1) lần so với quang diode nên dễ dàng sử dụng hơn Hình 1.39 trình

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG

NGHIÊN CỨU

2.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống 2.1.1 Bộ phát hồng ngoại

Bộ phát hồng ngoại trong hệ thống em sử dụng là một remote tivi của hãng sony Đây là thiết bị phát hồng ngoại nhỏ gọn, đặc biệt có nhiều nút mã tín hiệu và dễ sử dụng

* Giải mã tín hiệu remote tivi sony

Các máy phát tín hiệu sóng hồng ngoại khác nhau tùy thuộc vào thiết bị điều

khiển và do các hãng sản xuất khác nhau

Đối tượng điều khiển

Bộ thu hồng ngoại

Bộ đóng cắt

Sony sử dụng mã theo tiêu chuẩn IR Sử dụng giao thức chế độ rộng xung, hoặc là SIRC Dùng mã hóa độ rộng xung và điêu chế biên độ Data payload gồm 7 bits lệnh và 5 bits địa chỉ

Dữ liệu được khởi đầu bằng chuỗi xung 2.4ms mark và 0.6ms space để cấu hình cho AGC của máy thu

Tín hiệu sóng mang từ LED hồng ngoại của remote Sony phát ra có tần số khoảng từ 36 Khz đến 38 Khz

Sóng mang này chuyên chở tín hiệu dữ liệu mã hóa có dạng như sau:

Hình 2.3: Mã hóa tín hiệu sony

- Bit 0 được mã hóa bằng một xung ở mức thấp 600 µs và chuyển trạng thái sang mức cao 600 µs

- Bit 1 được mã hóa bằng một xung ở mức thấp 600 µs và chuyển trạng tháng sang mức cao 1200 µs

Hình 2.4: Định ước bề rộng xung, giải mã bit