Niên luận điều khiễn từ xa bằng tia hồng ngoại

Sơ Đồ Khối Hệ Thống Điều Khiển Từ Xa: -Khối phát : có nhiệm vụ phát ra tin tức điều khiển -Đường truyền : là môi trường truyền tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu -Khối thu : thu nhận tín

MỤC LỤC

Trang

PHẦN A 4

LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 4

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 4

I Giới Thiệu Hệ Thống Điều Khiển Từ Xa: 4

II Sơ Đồ Khối Hệ Thống Điều Khiển Từ Xa: 4

III Điều Khiển Từ Xa Dùng Tia Hồng Ngoại : 4

1 Khái niệm về tia hồng ngoại : 4

2 Nguồn phát sáng hồng ngoại và phổ của nó : 5

IV Sơ Đồ Khối Hệ Thống Điều Khiền Từ Xa Dùng Tia Hồng Ngoại : 7

1 Máy Phát : 7

2 Máy thu : 8

PHẦN B 10

THIẾT KẾ & THI CÔNG 10

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN DÙNG TRONG MẠCH 10

I Led thu hồng ngoại: 10

1 Cấu tạo: 10

10

2 Nguyên lý hoạt động: 10

II IC chốt CD4013 : 11

Cấu tạo : 11

2 Nguyên lý hoạt động : 12

III IC phát hồng ngoại BL9148 : 12

1 Giới thiệu : 12

2 Sơ đồ chân : 13

IV IC thu hồng ngoại BL9149 : 16

1 Giới thiệu : 16

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ PHÁT , THU : 19

I Thiết kế mạch phát : 19

1 Sơ đồ khối mạch phát : 19

2 Khối dao động tạo tần số sóng mang : 19

3 Tổ hợp phím nhấn: 20

4 Mạch khuếch đại phát : 21

5 Sơ đồ nguyên lý mạch phát : 23

II Thiết kế mạch thu hồng ngoại: 24

III Thiết kế mạch nguồn : 31

KẾT LUẬN 32

LỜI GIỚI THIỆU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã vàđang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo rahàng lọat những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ lànhững yếu tố rất cần thiết góp phần cho họat động của con người đạt hiệu quả cao

Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòihỏi không ngừng từ các lĩnh vực công–nông-lâm-ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết tronghọat động đời sống hằng ngày

Ơ đây, em xin đề cập tới một khía cạnh của điện tử là điều khiển từ xa Có rất nhiều phươngthức điều khiễn từ xa và có thể nói điều khiễn bằng hồng ngoại là phương thức phổ thông vàđược ứng dụng khá rộng rãi trong lĩnh vực điều khiễn các thiết bị điện dân dụng vì chúng ta đãquá quen thuộc với hình ảnh chiếc Remote Control Sau khi được học qua môn kỹ thuật số, làmquen với nhiều loại vi mạch số tích hợp và xuất phát từ nhu cầu thực tế, em xin chọn đề tài điềukhiễn từ xa bằng tia hồng ngoại để có thể tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật điều khiễn bằng hồngngoại cũng như tìm hiểu về cặp vi mạch tích hợp thu phát hồng ngoại BL9148 và BL9149 Dokiến thức còn hạn chế nên việc thiết kế và thi công chỉ dừng lại ở mức độ điều khiễn các thiết bịđơn giản

Em xin cảm ơn thầy đã hướng dẫn, giúp em hoàn thành đề tài này

Kính mong sự giúp đỡ và góp ý của thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện hơn đề tài này và

có thể tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật điều khiễn bằng tia hồng ngoại

Xin chân thành cảm ơn

PHẦN A

LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

I Giới Thiệu Hệ Thống Điều Khiển Từ Xa:

Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị từ một khoảngcách xa Ví dụ hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều khiển từ

xa bằng tia hồng ngoại, hệ thống điều khiển từ xa bằng cáp quang dây dẫn

II Sơ Đồ Khối Hệ Thống Điều Khiển Từ Xa:

-Khối phát : có nhiệm vụ phát ra tin tức điều khiển

-Đường truyền : là môi trường truyền tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu

-Khối thu : thu nhận tín hiệu từ khối phát để điều khiển thiết bị mong muốn

III Điều Khiển Từ Xa Dùng Tia Hồng Ngoại :

1 Khái niệm về tia hồng ngoại :

Anh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắtthường, có bước sóng khoãng 0,8mm đến 0.9µm, tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc

ánh sáng.

Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu Nó ứng dụng rộng rãi trong Lượng thông tin có thể đạt được 3Mbit/s… Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang dẫn khôngcần các trạm khuếch đại giữa chừng, người ta có thể truyền một lúc 15000 kênh thoại hay12 kênhtruyền hình qua một sợi tơ quang với đường kính 0,13 mm với khoảng cách 10Km đến 20 Km.Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ

mà người ta vẫn dùng

Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém Trong điều khiển từ xa chùm tiahồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó khi thu phải đúng hướng

2 Nguồn phát sáng hồng ngoại và phổ của nó :

Các nguồn sáng nhân tạo thường chứa nhiều sóng hồng ngọai Hình dưới cho ta quang phổcủa các nguồn phát sáng này

Quang phổcủa cácnguồn phátsáng

IR LED:Diode hồngngoại

Phổ của transistor khá rộng Nó không nhạy trong vùng ánh sánh thấy được, nhưng nó cực đại ởđỉnh phổ của LED hồng ngoại.

Sóng hồng ngoại có những đặc tính quang học giống như ánh sánh (sự hội tụ qua thấu kính,tiêu cực…) Ánh sáng và sóng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất Cónhững vật mắt ta thấy “phản chiếu sáng” nhưng đối với tia hồng ngoại nó là những vật “phảnchiếu tối” Có những vật ta thấy nó dưới một màu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trởnên trong suốt Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn so với LED chomàu xanh lá cây, màu đỏ… Vì rằng, vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại,tia hồng ngoại không bị yếu đi khi nó phải vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài

Đời sống của LED hồng ngoại dài đến 100000 giờ (hơn 11 năm), LED hồng ngoại khôngphát sáng cho lợi điểm trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý

IV Sơ Đồ Khối Hệ Thống Điều Khiền Từ Xa Dùng Tia Hồng Ngoại :

1 Máy Phát :

Sơ đồ khối máy phát

Giải thích sơ đồ khối máy phát:

Máy phát có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hóa và phát tín hiệu đến máy thu, lệnh

truyền đi đã được điều chế

* Khối phát lệnh điều khiển: Khối này có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển từ nút nhấn (phímđiều khiển) Khi một phím được ấn tức là một lệnh đã được tạo ra Các nút ấn này có thể là mộtnút (ở mạch điều khiển đơn giản), hay một ma trận nút (ở mạch điều khiển chức năng) Ma trậnphím được bố trí theo cột và hàng Lệnh điều khiển được đưa đến bộ mã hóa dưới dạng các bitnhị phân tương ứng với từng phím điều khiển

* Khối mã hóa: Để truyền các tín hiệu khác nhau đến máy thu mà chúng không lẫn lộn nhau, taphải tiến hành mã hóa các tín hiệu (lệnh điều khiển) Khối mã hóa này có nhiệm vụ biến đổi cáclệnh điều khiển thành các bit nhị phân, hiện tượng biến đổi này gọi là mã hóa Có nhiều phươngpháp mã hóa khác nhau:

- Điều chế biên độ xung

- Điều chế vị trí xung

- Điều chế độ rộng xung

* LED thu :Thu tín hiệu hồng ngoại do máy phát truyền tới và biến đổi thành tín hiệu điều khiển.

* Khối khuếch đại: Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển từ LED thu hồng ngoại để quá trình xử lý tín hiệu được dễ dàng

* Khối tách sóng :Khối này có chức năng triệt tiêu sóng mang, chỉ giử lại tín hiệu điều khiển (tín hiệu gửi đi từ máy phát )

* Khối giải mã: Nhiệm vụ của khối này là giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh điều khiển dưới dạng các bit nhị phân hay các dạng khác để đưa đến khối chấp hành cụ thể Do đó nhiệm vụ của khối này rất quan trọng

* Khối chốt: Có nhiệm vụ giữ nguyên trạng thái tác động khi tín hiệu khiều khiển không còn, điều này có nghĩa là khi phát lệnh điều khiển ta chỉ tác động vào phím ấn một lần, trạng thái mạch chỉ thay đổi khi ta chỉ tác động vào nút khác thực hiện điều khiển lệnh khác.

* Khối khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu điều khiển đủ lớn để tác động được vào mạch chấp hành

* Khối chấp hành: Có thể là role hay một linh kiện điều khiển nào đó, đây là khối cuối cùng tác động trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển mong muốn

PHẦN B

THIẾT KẾ & THI CÔNG

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN DÙNG TRONG MẠCH

I Led thu hồng ngoại:

IC ở mức thấp, tín hiệu ngõ ra tác động ở mức 0, có thể được dùng để điều khiển gián tiếp một tảinào đó

Khi ngăn ánh sáng chiếu vào thì ngược lại transistor không họat động dẫn đến chân số 2 lênmức cao

mã số của nó thích hợp với nhiều qui mô khác, chỉ cần nối ngoài linh kiện LC hoặc bộ daođộng gốm là có thể gây ra dao động.

BL9148 sử dụng 16 chân, vỏ nhựa kiểu cắm thẳng hàng

Chân 1: GND là đầu âm của dòng điện nối với đất

Chân 2: XT là đầu vào của bộ phận dao động bên trong

Chân 3: XTN là đầu ra của bộ phận dao động bên trong, bên trong nó không có điện trởphản hồi

Chân 4 đến chân 9: (k1-k6) là đọan đầu vào tín hiệu của bàn phím kiểu ma trận

Chân 10 đến chân 12: T1 –T3 kết hợp với các chân k1 đến k6 có thể tạo thành 18 phím

Chân 13: (code) là đầu vào của mã số, dùng mã số để truyền tải và tiếp nhận

Chân 14: (TEST) là đầu đo thử, bình thường khi sử dụng có thể bỏ trống

Chân 15:(Txout ) là đầu ra tín hiệu truyền tải tín hiệu 12 bit thành một chu kỳ, sử dụng sóngmang 38kHz để điều chế

Chân 16: (V00) là đầu dương của nguồn điện nối với điện áp một chiều 2,2-5,5 V, điện áplàm việc bình thường 3V

Bên trong IC BL9148 do bộ phân dao động, bộ phân tần, bộ giãi mã, mạch điện đầu vào củabàn phím, bộ phận phát mã số…tạo thành

1 Nguyên lý hoạt động

Trong IC BL9148 có chứa bộ đảo pha CMOS là điện trở định thiên cùng nối bộ dao độngbằng thạch anh hoặc mạch điện dao động cộng hưởng Khi tần số của bộ phận dao động thiết kế

xác định là 455kHz, thì tần số phát xạ sóng mang là 38 kHz Chỉ khi có thao tác nhấn phím mới

có thể tạo ra dao động, vì thế đảm bảo công suất của nó tiêu hao thấp Nó có thể thông qua cácchân k1 đến k6 và đầu ra thứ tự thời gian chân T1 đến T3 để tạo ra bàn phím 6x3 theo kiểu ma trận.Tại t1 sáu phím được sắp xếp có thể tùy chọn để tạo thành 6x3 trạng thái tín hiệu liên tục đưa rađược trình bày ở hình bên dưới

Hai hàng phím ở

T2 và T3 chỉ có thể sửdụng phím đơn, hơnnữa, mỗi khi ấn vàophím một lần chỉ cóthể phát xạ một nhómmạch xung điều khiển

xa Nếu như các phím

ở cùng hàng đồng thờiđược ấn xuống thì thứ

tự ưu tiên của nó là K1

> K2 >K3> K4 > K5>K6 Không có nhiều phím chức năng trên cùng một đường K, nếu như đồngthời nhấn phím thì thứ tự ưu tiên của nó là T1 >T2>T3

Lệnh phát ra của nó do mã 12 bit tạo thành, trong đó C1~C3 (code) là mã số người dùng, cóthể dùng để xác định các mô thức khác nhau, tổ hợp C2, C3 phối hợp với mạch điện IC thuBL9149 Mỗi loại tổ hợp có 3 trạng thái đó là 01, 10, 11 mà không dùng trạng thái 00

IV IC thu hồng ngoại BL9149 :

IC BL9149 có 16chân Có vỏ nhựakiểu cắm thẳng haihàng, hình dạng bên ngoài của nó và chân dẫn được sắp xếp như hình trên

- Chân 1: (GND) là đầu âm của dòng điện nối đất

- Chân 2: (Rxin) là đoạn đầu vào của tín hiệu thu; tín hiệu sau khi được lọc bỏ sóng mang

- Chân 3 đến 7 :HP1 ~HP5 là đầu ra tín hiệu liên tục

- Chân 8 đến 12: SP1 đến SP5 là đầu ra tín hiệu không liên tục

- Chân 13, 14 : Code2, Code1 là đầu so sánh mã truyền đạt Mã số phần thu và mã số người dùng

ở phần phát phải giống nhau thì mới phát và thu hồng ngoại được

- Chân 15: OSC là ngõ vào dao động

- Chân 16 : Vdd nguồn cung cấp khoảng 4.5v -> 5.5v

2 Nguyên lý hoạt động:

Đầu vào của tín hiệu tiếp nhận của mạch IC này do đầu vào linh kiện quang điện đảm nhận,

sau khi qua khuếch đại, tách sóng để loại trừ sóng mang 38kHz, sau đó đưa vào đầu vào mạchđiện IC, đầu tiên tiến hành chỉnh hình đối với tín hiệu đầu vào, sau đó lại làm các xử lý khác Sơ

đồ khối về nguyên lý hoạt động mạch điện đầu vào của nó như Thời gian đo kiểm tra tín hiệu

tiếp nhận của mạch điện này và đồng hồ báo giờ họat động bên trong đều do mạch điện dao độngđảm nhận, lúc dùng chỉ cần linh kiện RC mắc song song đến đất tại đầu dao động OSC của mạchđiện

Từ nguyên lý của BL9148 có thể biết, mỗi nhóm số liệu của tín hiệu phát ra là 12 bit, mỗi lầnphát ra 2 nhóm số, khi kiểm tra tín hiệu nhận được, đầu tiên đem tín hiệu thu của nhóm 1 gởi vàotrong bộ nhớ dịch hàng 12 bit, sau đó tiến hành so sánh từng số của số liệu nhóm 2 và nhóm 1nhận được, nếu như giống nhau thì đầu ra đối ứng pha sẽ từ mức điện thấp sẽ tăng lên mức điệncao; nếu như khác nhau thì gây ra tín hiệu sai sót lập tức làm cho hệ thống trở về trạng thái banđầu Số liệu nhận được của nó so sánh như trong hình 10 trên

Do trong tín hiệu phát ra của IC phát có C1, C2 và C3 cung cấp tín hiệu mã số viết cho ngườidùng, vì vậy đầu tiếp nhận cần phải có tín hiệu mã số tương ứng, máy khác nhau có mã khácnhau để cho có sự khác biệt

Nếu như mỗi khi nhận được tín hiệu phát không liên tục, mức điện đầu CP tương ứng chuyển đổimột lần, lọai mạch xung chu kỳ này(hai trạng thái ổn định) thường dùng trong nguồn chuyển mạch dùng cho điều khiển thiết bị điện, mạch điện làm câm tạp âm…

1 0 1

011

101

* Vì BL9149 không có chân C1 nên chân T1(ứng với C1)của BL9148 sẻ ở mức 1 Qua bảng mã

hệ thống, ta thấy tổ hợp mã của các chân C2,C3 của BL9149 phải giống với C2, C3 của Bl9148 Trong các tổ hợp mã, không tồn tại tổ hợp C2 = C3=0

* Các chân C2, C3 ở mức 1 nếu được nối qua tụ điện rồi nối mass Ngược lại, se ở mức 0 nếu nối trực tiếp xuống mass

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ PHÁT , THU :

-IC mã hóa: Được chọn là IC BL9148

-Khối khuếch đại và phát: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ ngõ ra của IC mã hóa để phát tín hiệu ra ngoài không gian đến thiết bị thu

-Bộ dao động thạch anh :Là phần phối hợp giúp IC mã hóa hoạt động

2 Khối dao động tạo tần số sóng mang :

IC BL9148 phối hợp với mạch bên ngoài là thạch anh hoặc mạch LC để tạo dao động Để tiện lợi cho việc tính toán , thiết kế và tăng độ chính xác ta chọn thạch anh để phối hợp tạo dao động

Tần số thường dùng điều khiển trong hồng ngoại là 38KHz Tần số này do dao động tinh thể Thạch Anh 445KHz sử dụng ở đầu phát xác định

Ơ bộ phát dùng Thạch Anh 455KHz, do IC có hệ số phân tần

là 12 nên tần số phân tần sẽ là :

Cũng có một số hệ thống điều khiển từ xa dùng tần số 36KHz, 40KHz, 56KHz … làm tần sồ sóng mang Nói chung tần số này được quyết định bởi tinh thể Thạch Anh ở phần phát.

Như vậy ta có mạch phối hợp tạo dao động mang như sau:

Trong mạch thiết kế này em chọn IC phối hợp với IC phát BL9148 là IC giải mã BL9149 nên đã được chọn như sau:

sẽ phát đi liên tục các chuỗi xung giống hệt nhau

4 Mạch khuếch đại phát :

Do tín hiệu phát ở ngõ ra của IC phát có dòng bé: -50mA-0.1mA Nên ta phải khuếch đại chúng lên để có thể phát đi xa Ở đây ta dùng mạch 2 Transistor T1,T2 ghép giả Darlington Khuếch đại tín hiệu cấp dòng cho Led hồng ngoại phát đi

-Khi ta nhấn 1 phím ở bàn phím thì :

VOUT = VB1 = 2vVEB1=3 - 2= 1v > V

Q1 dẩn bão hòa VEC1=VEC1 BH = 0.2v

VB2 = VCC – VEC1=3 - 0.2= 2.8v

VE2=VB2 - V= 2.8 - 0.7= 2.1v

-Tính R 2 :

Led hồng ngoại có điện áp cho phép trong khoảng : 1.2v3.3v,dòng làm việc 5mA20mA, điện trở RIRLed = 10 Từ đó ta có biểu thức sau :

1.2V V IR Led 3.3V

Do R2 nhỏ nên có thể không gắn R2 vào mạch

Trong mạch ta dùng thêm Led báo hiệu để báo có tín hiệu hồng ngoại được phát đi

Chọn Led đỏ để báo hiệu Để Led

sáng bình thường thì dòng qua Led là

Và

Ta có :

Vậy chọn

5 Sơ đồ nguyên lý mạch phát :