Phổ hồng ngoại tín hiệu điều khiển bằng hồng ngoại và việc thiết kế, chế tạo thiết bị tăng khoảng cách giữa thiết bị điều khiển và thiết bị được điều khiển

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I K H O A CÔNG NG HỆ BÙI XUÂN SƠN PHỔ HỔNG NGOẠI - TÍN HIỆU Đ lỂ U KHIEN b a n g HỔNG NGOẠI VÀ VIỆC THIẾT KẾ,' CHÊ TẠO THIẾT BỊt TẢNG KHOẢNG CÁCH • • GIỮA THIẾT BỊ Đ lỂ U KHIEN v THIÊT b ị đ ợ c đ iể u k h iể n C H U Y Ê N N G À N H : K Ỹ T H U Ậ T V Ô T U Y Ê N Đ IỆ N T Ử V À T H Ô N G T IN L IÊ N L Ạ C MÃ SỐ: 2.07.00 LUẬN VĂN TH ẠC s ĩ KH OA HỌC • • • NG Ư Ờ I HƯỚNG D Ẫ N K H O A HỌC: TS V Ư Ơ N G Đ Ạ O V Y ĐAI HOC cuoc GIA HA NỌ! TRUNGTẢMTHGMBTIN THƯ Y Ộ •Y - h HÀ NỘI 2002 / :w _ Ị M ỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU LÝ THUYẾT BÚC XẠ H ồN G NGOẠI VÀ ÚNG DỤNG TRONG VIỆC ĐlỀU KHIẺN t h i ế t b ị PHỔ HỒNG NGOẠI 1.1 Cơ SỞ LÝ THUYẾT HồNG NGOẠI 1.1.1 T r n g th i n ă n g lư ợ n g c ủ a p h â n tử 1 Phổ hồng ngoại 1.2 QUANG PHỔ QUAY VÀ QUANG PHổ DAO ĐỘNG QUAY 1.2.1 Đ iề u k iệ n v ề tín h q u a n g h o t 2 Sự q u a y Sự d a o 1.3 CƯỜNG ĐỘ VÀ HÌNH DẠNG CỦA VÂN PHỔ HồNG c ủ a p h â n tử v p h ổ q u a y đ ộng phân tử phổ dao động quay 11 13 17 NGOẠI 1.3.1 Cường độ p h ổ h n g n go ại 17 1.3.2 H ìn h d n g c ủ a v â n p h ổ h n g n g o i 19 1.4 CÁC ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA BỘ CẢM BIÊN HồNG 19 NGOẠI 1.4.1 Đ ặ c tín h d ị n g v p 19 N h iễ u 21 1.4 Đ ộ n h ậ y c ủ a b ộ c ả m b iế n 25 TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BẰNG H ồN G NGOẠI 27 2.1 ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA TÍN HIỆU Đ iề u KHIEN 27 2.2 TÍN HIỆU ĐIỀU KHIEN c ủ a m ộ t s ố HÃNG TIÊU B iểu 28 2.2.1 H ã n g P h illip s v m ã R C 28 2 H ãng SO N Y 31 2 H ãng JV C 33 2 H ã n g N E C , A P E X , H I T A C H I , P IO N E E R 35 Mộ t s ố ú n g d ụ n g c ủ a HồNG n g o i 37 3.1 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG HồNG NGOẠI 37 1 M c h đ iề u k h iể n từ x a b ằ n g h n g n g o i v i ch ứ c 37 CHUƠNG phát đ a m ạch thu dùng vi điều khiển Bộ 3.2 CÔNG NGHỆ KẾT HỢP DỬLIỆU H ồN G NGOẠI IrDA 44 Đặc đ iể m 44 3.2.2 Bảng giới thiệu loại sản phẩm dùng IrDA 46 3.3 MỘT SỐ Sơ ĐỒ ÚNG DỤNG KHÁC 46 3 K hố đóng 3 M ạch 3 M c h p h t - th u â m th a n h b ằ n g tín h iệ u h n g n g o i PHẦN II m d ù n g n h sá ng h n g n g o i tiến k h u y ế c h đại tín h iệ u hồng ngoại THỤC NGHIỆM: THIÊT k ế , chê ' t o t h iế t bị t ả n g 41 46 47 48 50 KHOẢNG CÁCH GIỮA THIÊT BỊ ĐlÊU KHIEN THIẾT BỊ ĐƯỢC ĐIỀU KHIEN CHƯƠNG C SỞ CỦA VIỆC XÂY DỤNG THỤC NGHIỆM 50 4.1 MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA 50 Cơ SỞ ĐỂ XÂY DỤNG THỤC NGHIỆM 52 N g u y ê n lý c h u n g 52 1 B ộ th u 52 2 Bộ phát 53 2 Y ê u cầ u th iế t k ế 53 2 Đ ố i v i đầu th u , p h t 54 2 C p tru y ề n 54 2 L in h k iệ n tr o n g sơ đ 54 M ộ t số C c ưu đ iể m c ủ a h i tiế p 58 K h u y ế c h đ i đảo pha có phản h i âm 60 3 K h u y ế c h đ ại kh ô n g đảo pha có phản h i âm 60 4 K h u y ế c h đ i lặ p lạ i đ iệ n p 61 K h u y ế c h đ i th u ậ t to n v i n g u n n u ô i d u y n h ấ t 62 đặc tính k ỹ th u ậ t c ủ a K Đ T T 55 M c h so sá n h d ù n g k h u y ế c h đ i th u ậ t to n 63 D ả i th n g tố c đ ộ th ă n g g iá n g 64 4 Đ ầ u th u , p h t h n g n g o i 66 4 L E D hồng ngoại 66 4 P h o to d io d e h n g n g o i 67 CHƯƠNG T H IẾ T K Ế , C H Ế T Ạ O T H IÊ T B Ị V À C Á C K Ê T Q U Ả 69 Đ O T H Ử N G H IỆ M PHẦN III •1 THIẾT KẾ VÀ LẮP MẠCH 69 Sơ ĐỒ MẠCH ĐIỆN TỬ 69 B ộ th u 69 2 Bộ phát 72 5.3 KẾT NỐI 74 5.4 KẾT QUẢ ĐO THỤC NGHIỆM 77 Đ iề u k iệ n đ o th ự c n g h iệ m 77 K ế t q u ả đ o th ự c n g h iệ m 77 K ế t đo vớ i kênh th u 78 4 K ế t q u ả đ o v i k ê n h tạ i b ộ th u 79 5 K ế t q u ả đ o v i k ê n h tạ i b ộ th u 79 K ế t q u ả đ o v i tín h iệ u s ó n g m a n g tạ i b ộ th u 80 K ế t q u ả đ o v i k ê n h tạ i b ộ p h t 81 5.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO 81 KẾT LUẬN 84 LỜ I M Ở ĐẦU Khi nghiên cứu cấu trúc hoá học trạng thái chuyển động phân tử, người ta tìm đặc tính xạ hồng ngoại vật chất thường quen gọi tia hồng ngoại hay sóng hồng ngoại Bức xạ hồng ngoại có nhiều tự nhiên, chúng thường xuất nguồn có xạ nhiệt Trong kỹ thuật sóng hồng ngoại tạo nhờ trình biến đổi điện - quang dùng phổ biến xử lý thông tin Tia hồng ngoại dễ dàng tạo lại không bị ảnh hưởng trường điện từ, nhờ sử dụng giao tiếp trao đổi thơng tin điều khiển Úng dụng sóng hồng ngoại điều khiển từ xa thực từ nhiều năm ứng dụng thuộc lĩnh vực điều khiển vơ tuyến Chính cho phép tham gia thực nhiều chức điều khiển, tuỳ thuộc vào đặc tính kỹ thuật thơng tin điều khiển Tuy nhiên điều thực phạm vi khoảng cách ngắn trực tiếp Đó hạn chế lĩnh vực ứng dụng Giải pháp thích hợp để khắc phục nhược điểm cho thiết bị dùng điều khiển từ xa hồng ngoại sử dụng thiết bị tăng khoảng cách dây dẫn kim loại Đây nội dung việc xây dựng thực nghiệm Thiết bị tăng khoảng cách thiết bị điều khiển thiết bị điều khiển luận văn Tôi cho nội dung trình bầy luận văn khơng tránh khỏi thiết sót, tơi mong nhận lượng thứ góp ý người đọc Tôi xin chân thành cảm om tập thể Giáo sư, phó Giáo sư, Tiến sĩ Giảng viên Khoa Công nghệ thuộc Đại hoạc Quốc gia - Hà nội, đặc I biệt Tiến sĩ Vương Đạo Vy trang bị cho kiến thức phương pháp luận, phương pháp nghiên cứu khoa học vô quý báu, định hướng giúp để hoàn thành luận văn Tác giả Bùi Xuân Sơn PHẨN I L Ý T H U Y Ế T BỨC X Ạ H Ổ N G N G O Ạ I V À Ứ N G D Ụ N G T R O N G V IỆ C Đ IỂ U K H IE N t h i ế t b ị CHUƠNG - PHỔ HỔNG NGOẠI 1.1 C SỞ LÝ THUYẾT CỦA P H ổ H ồN G NGOẠI Ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia hồng ngoại, dạng khác xạ điện từ, chúng khác độ dài bước sóng Chẳng hạn xạ có bước sóng cỡ 10 đến cm gọi xạ hồng ngoại, xạ ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 396 đến 760 n m , Tính chất hạt ánh sáng thể qua tương tác ánh sáng với vật chất Ánh sáng gồm hạt photon có lượng phụ thuộc vào tần số co qua biểu thức: w = fleo ln m xạ Gam ma 400nm Röntgen 739nm Hồng ngoại gần sáng nhìn thấy ' 30nm 1|im Hồng ngoại trung bình ^ lm m Hồng ngoại xa vùng hồng ngoại 100m Vệ tinh Radar lkm Vơ tuyến 10.000km Radio I Hình 1.1 Sự phân bố vùng bước sóng sóng điộn từ Phổ hồng ngoại chiếm vùng rộng phổ tần số sóng điện từ (xem hình 1) thường chia thành ba vùng: hồng ngoại gần, hồng ngoại trung bình hồng ngoại xa Hồng ngoại ứng dụng rộng rãi công nghệ thông tin đại, tự động hố q trình điều khiển Trong kỹ thuật truyền tin sợi quang, người ta truyền lúc 15.000 điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua sợi quang dẫn với đường kính 0,13 mm Trong truyền liệu, lượng thông tin truyền xạ hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ Dựa vào bước sóng xạ hồng ngoại mà người ta dị tìm xạ nhiệt vật chất, thể người, cách hàng km với độ xác ,r c , với cách nhìn thấy vật vào ban đêm, thu hình ảnh nhiệt Khi nghiên cứu cấu trúc hoá học trạng thái chuyển động phân tử, người ta tìm đặc tính xạ hồng ngoại vật chất Đó dựa cấu trúc hố học phân tử dao động, chuyển động quay phân tử 1.1.1 Trạng thái lượng phân tử Theo quan điểm hoá học, phân tử phần tử nhỏ chất cịn mang đầy đủ tính chất hố học chất Phân tử cấu tạo từ ngun tử thơng qua liên kết hố học Nguyên nhân liên kết nguyên tử để tạo thành phân tử tương tác điện tử hố trị Các điện tử thường tương đối tự do, khơng bị gắn q chặt vào hạt nhân cố định mà chuyển động quanh hạt nhân hay hạt nhân khác với xác suất khác Đứng mặt học phân tử xem tập hợp gồm hai loại hạt có khối lượng khác nhau, hạt nhân có khối lượng M điện tử có khối lượng m « M Trong phép gần đúng, coi khối lượng phân tử tập trung số điểm riêng biệt hạt nhân Khi phân tử chiếu nguồn xạ đó, xạ bị khuyếch tán bị hấp thụ phân tử Sự khuyếch tán không làm thay đổi tần số xạ gọi khuyếch tán thường, khuyếch tán làm thay đổi tần số xạ gọi khuyếch tán tổ hợp Trong phân tử luôn tồn ba dạng chuyển động: > Chuyển động điện tử > Dao động hạt nhân quanh vị trí cân > Chuyển động quay phân tử khối thống ứng với ba dạng chuyển động này, phân tử có ba loại trạng thái lượng sau: > Năng lượng điện tử: Năng lượng phụ thuộc vào phân bố điện tử vật chất Sự biến thiên lượng điện tử gắn liền với chuyển dời điện tử từ phân tử sang phân tử khác Năng lượng điện tử ký hiệu Ee > Năng lượng dao động: Năng lượng dao động tạo dao động hạt nhân nguyên tử xung quanh vị trí cân chúng phân tử Năng lượng dao động ký hiệu Ed > Năng lượng quay: Năng lượng quay tạo quay phân tử xung quanh trục phân tử Năng lượng quay ký hiệu Eq Các dạng lượng phân tử giá trị gián đoạn, người ta thường coi lượng toàn phần E phân tử tổng lượng điện tử Ee , lượng dao động Ed lượng quay Eq E = Ee + Ed + Eq (1 ) Cơng thức gần ba dạng chuyển động ứng với ba dạng lượng khơng độc lập với mà chúng có tương tác với Chẳng hạn phân tử quay nhanh, lực ly tâm làm cho phân tử dãn xa làm thay đổi đặc trưng chuyển động, hay điện tử chuyển động lực tương tác điện tử hạt nhân thay đổi làm ảnh hưởng đến đặc trưng chuyển động phân tử Khi hấp thụ xạ, phân tử chuyển từ mức lượng lên mức lượng khác cao hơn, chẳng hạn từ trạng thái điện tử lên trạng thái điện tử kích thích Năng lượng mà phân tử bổ sung hấp thụ xạ không giữ lâu Thời gian phân tử giữ lượng hấp thụ ngắn, khoảng 10 đến 10 giây Có nhiều cách để phân tử làm biến đổi phần lượng hấp thụ Sự va chạm phân tử dẫn đến việc phân bố lại lượng chúng Do lượng mà phân tử hấp thụ chuyển thành lượng quay, lượng dao động lượng chuyển động tịnh tiến phân tử khác theo nguyên tắc phân bố Biến thiên lượng điện tử AEe lớn biến thiên lượng dao động AEd khoảng 10 đến 100 lần Biến thiên lượng dao động lớn biến thiên lượng quay AEq khoảng 100 đến 1000 lần Hình 1.2 biểu diễn phân bố lượng phân tử gồm hai nguyên tử, j0, jj, j 2, mức lượng quay, v0, V ị , v2, mức lượng dao động, E(), Eị trạng thái lượng điện tử Vì AEe» AEd » AEq nên ta thấy hình vẽ biểu diễn mức lượng quay phân bố xít nhau, mức lượng dao động phân bố xa hơn, cịn trạng thái lượng điện tử phân bố xa Mỗi trạng thái điện tử hay kích thích bao gồm số trạng thái lượng dao động khác nhau, trạng thái lượng dao động lại gồm số trạng thái lượng quay khác Do có chuyển mức lượng điện tử thường kèm theo biến thiên lượng dao động lượng quay phân tử Khi nhiệt độ không tuyệt đối, lớp vỏ điện tử phân tử khơng bị kích thích, hoạt động quay phân tử không xẩy Mặc dù vậy, phân tử có lượng dao động gọi lượng dao động điểm không Khi tăng dần lượng chuyển động nhiệt phân tử từ 0,03 đến 0,3 kcal/mol trạng thái quay phân tử kích thích trạng thái dao động trạng thái điện tử chưa kích thích Khi lượng chuyển động nhiệt phân tử từ 0,3 đến 12 kcal/mol trạng thái dao động phân tử bắt đầu kích thích photon Page 10 of 13 inifrared KOI B it 097h KO P I P I P I PI B it 096h PI KO B it 95h PI KO B it KI Bit Bit 09 h 093h KI IRDATA DATA 092h 010H K eyboard O u u t K eyboard Input ; Memory to store IR code received P H I L I P S R E M O T E CODE "10" AT AV6 UNIVERSAL PROGRAMMABLE REMOTE CONTROL ORG 00H MAIN: Mov SP,ÖSPVALUE PHO : Mov PI,ftOFFh LED Reset Decoder Output High Turn off IR Indicator PHI : Mov Mov 4,f)022 5,#000h 2MHz 2MHz Time loop Wait for Incomming IR (first D jn z , PH2 This time loop is to keep th* D jn z , PH2 ; pressed key available at P] Jm p PHO ; time in case you press it i PH : last few S e tb Jnb I r l n p u t ,PH3 and avoid glitches at PI PH : Clr Clr A Led I Mov 2, If110 Djnz 2,$ PH4 Mov Setb Mov Clr Rlc l B ,II Scope C,Irlnput Scope A Mov 2, «14 Djnz 2,$ / Time Loop (3/4 bit time) Waste Time to s y n c second bit 2MHz = 1.296ms Scope Gate Indicator Pulse UI Shift IR state to Carry bit Scope Gate Indicator Pulse Dc Insert LEFT Carry Bit into A Waste time for next PIT 2MHz clock, 1.728ms Djnz B,PH4 Rotate bits into A AGC#2, CHKbit, ADDRESS field Anl A,#0F7h Cjne A,#4Oh,PH5 Cut off CHECK Bit (Flipping I lOh means second AGC UP & Adc bits) 00 IR Receiver First Low level Lite IR Indicator fi!e://D:\LUAN VAN\RC-5\infraredl.htm 6/12/02 Page II of 13 infi'rared (PH5) PH4A : ; Not 10h?, wrong sync, go agai Mov Setb Mov Clr Rlc B ,#6 Scope C,Irlnput Scope A Mov 2,#145 Dj nz 2, $ Waste time for n e x t BIT 2MHZ clock = 1.728ms D jnz B ,PH4A / Rotate bits into A (Commanc Here A holds Command bits Mov IRData,A Cjne A,#25h,$+3 Jnc PH5 Save Command at I R D a t a memory Is Command >=2 5h Yes? Wrong everything, go age Call PH Cjne A , #0FFh,PH4B Jmp PH Go get Conversion at Table If conversion FF, is valic Not Expected Command, go ac l t PH5 PH PH4B : train PH : PH 5A : train PH6 : 255) Will Get the COMMAND field Scope Gate Indicator Pulse U! Shift IR state into Carry bit Scope Gate Indicator Pulse Dc Insert LEFT carry bit into A i Mov Jmp PI ,A PHI Valid Command i s p o s t a t PI I Job done, go wait n n x t pulse ! Mov 3,#8 Mov 2,#112 Dj nz 2, $ 2MHz Wait 15 bit time Wasting time to sync ok next Djnz 3,PH5A Jmp PHO Go back and wait for next tr; Inc A Move A,@A+PC Table conversion, Inc skip RE Point to TABLE + Value at A < / Ret The following table bit values at the first column, me the translation from remote control key to the value t be post at PI The program ignores values of "FF" Change those bits accoraing to your needs Bit #7 is "0" when a valid key is pressed, otherwise i It can be used to recognize values as key "zero" press when all bits UP means command ZERO This TV remote uses only Address = "00" PHILIPS TV REMOTE CONTROL DECODING file://D:\LUANVAN\RC-5\infrared 1.him 6/12/02 Page 12 of 13 infrared TABLE: END t DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB VALUE TO PI 01111111b 01111110b 01111101b 01111100b 01111011b 01111010b 01111001b 01111000b 01110111b 01110110b 11111111b 11111111b 01110011b 01110010b 01110001b 01110000b 01101111b 01101110b 01101101b 01101100b 01101011b 01111010b 11111111b 11111111b 11111111b 11111111b 11111111b 11111111b 01100011b 01100010b 11111111b 11111111b 01011111b 01011110b 11111111b 11111111b 01011011b 01010111b 01000001b 01000111b 01001110b 01000101b 01010010b REMOTE KEY ON/OFF MUTE PP OSD Volume+ VolumeBright+ Bright Color+ Color- Contrast+ Contrast ProgramsProgramTimer Special Special Special Special Special Special COMMAND A B C D E F 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1A IB 1C ID IE IF 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 2A I f you want to post here your hardw are/softw are solution with a PI C, email me I am sorry, English was not reviewed, should have zillions of errors No time to th a t tl week Money is more important!!! :) Good Luck file://D:\LU ANY AN\RC-5\infraredl.htm 6/12/02 fi l«://D :\L Ư A N VA N \R C -5\infraredl.htm LF351 Wide Bandwidth JFET Input Operational Amplifier General Description The LF351 Is a low cost high speed JF E T input operational amplifier with an internally trimmed Input offset voltage (BI-FET IItm technology) The device requires a low supply current and yet maintains a large gain bandwidth product and a fast slew rate In addition, well matched high voltage JF E T Input devices provide very low Input bias and offset cunents The LF351 is pin compatible with the standard LM741 and uses the same offset voltage adjustment circuit­ ry This feature allows designers to immediately upgrade the overall performance of existing LM741 designs current Is important, however, the LF351 Is the better choice Features Typical Connection Simplified Schem atic •v T L /H /5 * « -1 C onnection Diagrams Dual-ln-Llne Package TL/H/5648-13 Order Number LF351M or LF351N See NS Package Number M08A or N08E * 1W NetKViel SwmconcMor Oxptvelion TX./H/MM# nnOBX)MiM/P>lnt«dlnU S A Input Operational Am plifier The LF351 may bo used In applications such as high speed integrators, fast D /A converters, sample-and-hold circuits and many other circuits requiring low Input offset voltage, low input bias current, high input impedance, high slew rate and wide bandwidth The device has low noise and offset voltage drift, but for applications where these requirements are critical, the LF356 is recommended If maximum supply 10 mV ■ Internally trimmed offset voltage 50 pA ■ Low input bias current ■ Low input noise voltage 25 n V / ,R i 0.01 p A / m ■ Low input noise currert MHz ■ Wide gain bandwidth 13 V/>.s ■ High slew rate ■ Low supply current 1.8 mA ■ High input Impedance 10'* n ■ Low total harmonic distortion A y “ 10, LF155/LF156/LF256/LF257/LF355/LF356/LF357 A b s o lu te M a x im u m R atings (Note 1) pV/'C pV/'C per mV 50 PA nA (Continued) (Nolo 3) Symbol Parameter Min Input Bias Current In LF256/7 LF155/6 Conditions T j=2 'C , (Notes 3, 5) Typ Max 30 100 T j SThigh R un Avo i T j= 'C Large Signal Voltage VS=±15V, Ta = 25'C Gain Vo =±10V, RL=2k