Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển từ xa vào các thí nghiệm vật lý

Lời cảm ơn Trong thời gian thực hiện đề tài "Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển từ xa vào các thí nghiệm vật lý", tôi đã nhận đợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, hớng dẫn của các thầy giáo, cô giáo. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Tiến sĩ Võ Thanh Cơng - ngời đã tận tình hớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý - Trờng Đại học Vinh đã góp ý, bổ sung để tôi hoàn thiện đề tài. Vì thời gian có hạn nên khóa luận chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi mong tiếp tục nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các bạn sinh viên để có thể hoàn thiện và ứng dụng đề tài vào thực nghiệm giáo dục trong thời gian sớm nhất. Vinh, tháng 5 năm 2005. Tác giả Phần mở đầu Nâng cao chất lợng đào tạo thực hành vật lý là một trong những nhiệm vụ chính của đổi mới phơng pháp giảng dạy ở đại học. Lắp đặt các thí nghiệm mới là một bộ phận trong mảng đề tài đó. Với mục đích đó, thầy giáo Võ Thanh Cơng đã chế tạo thành công máy đếm tần kỹ thuật số. Với thiết bị này cùng với các bộ cảm biến thích hợp, ta có thể đo tần số của các sóng điện từ, sóng âm và dao động cơ học. Máy đếm tần số có nhiều chế độ đếm: hoặc đếm trực tiếp chu kỳ của một dao động (sóng điện từ, sóng âm) hoặc đếm thời gian của một số dao động do ta chọn. Thời gian nhỏ nhất có thể ghi nhận đợc là 10 - 6 s. Các chức năng của máy đếm tần số đợc điều khiển từ xa bằng hồng ngoại. Máy đếm tần kĩ thuật số do TS Võ Thanh Cơng thiết kế và chế tạo đã sử dụng nhiều công nghệ cao nh: công nghệ lập trình CHIP, kỹ thuật điều khiển từ xa. Máy đếm tần số có thể đếm tần tới MHz, có bộ hiển thị là 8 LED (light emited diot) với kích thớc 4cm x 3 cm, các công tắc cơ học chức năng đợc thay thế bằng bộ điều khiển từ xa đảm bảo an toàn cho sinh viên khi thực hành. Ghép nối với máy đếm tần số là các bộ cảm biến đợc chế tạo bằng công nghệ điện tử mới. Máy đếm tần số có thể sử dụng trong nhiều thí nghiệm vật lý nh: đo tần số sóng âm, giao thoa sóng nớc v.v . Hiểu sâu sắc nguyên tắc chế tạo thiết bị để có thể sử dụng, lắp đặt thí nghiệm mới, đó là nội dung của luận văn. Trong luận văn này chúng tôi sẽ nghiên cứu các vấn đề sau: Nguyên lý chế tạo các bộ thu và phát điều khiển từ xa bằng hồng ngoại. Nguyên lý chế tạo các bộ cảm biến cho các thí nghiệm vật lý. Sử dụng thiết bị đã nghiên cứu lắp thành một bài thí nghiệm. Với mục đích trên, khoá luận ngoài phần mở đầu và kết luận đợc chia làm ba chơng. 2 Ch ơng I : kỹ thuật chế tạo điều khiển từ xa. Nội dung của chơng trình bày về nguyên tắc thu phát hồng ngoại. Với điều khiển từ xa của TV Sony, chúng ta tìm phơng pháp "đọc" các tín hiệu hồng ngoại truyền đi từ điều khiển đó. Các thông tin này lu vào các thanh ghi của IC vi xử lí, ta có thể sử dụng vào các chức năng tự động hoá theo ý muốn. Cuối chơng là các kết quả chúng tôi đã thu đợc. Ch ơng II : Các bộ cảm biến quang dùng trong các thí nghiệm vật lý. Trong chơng này chúng tôi đa ra một số giải pháp về các bộ cảm biến quang thờng đợc sử dụng trong các thí nghiệm vật lý. Qua đó chúng tôi đa ra giải pháp thích hợp nhất cho thí nghiệm chúng tôi sẽ trình bày trong chơng III. Ch ơng III : Xác định điện trở và điện dung bằng mạch dao động tích phóng dùng bằng đèn Neôn. Trong chơng này chúng tôi trình bày một thí nghiệm dùng máy đếm tần số để xác định giá trị điện trở và điện dung bằng phơng pháp tích phóng của đèn neôn. Ngoài phần trình bày các nội dung của một bài thí nghiệm, chúng tôi còn trình bày các vấn đề liên quan tới chất lợng của bài thí nghiệm. Ngoài các nội dung trình bày trong luận văn chúng tôi có một số thí nghiệm trình bày theo nh: Thí nghiệm đọc và giải mã tín hiệu của điều khiển từ xa của TV SONY. Thí nghiệm về sử dụng điều khiển từ xa của TV Sony điều khiển tắt mở một số thiết bị dân dụng. Thí nghiệm xác định điện trở và điện dung bằng mạch dao động tích phóng dùng bằng đèn neôn. Các kết quả đạt đợc trong khoá luận là những bớc đầu trong kỹ thuật tự động hoá và điều khiển từ xa, hy vọng sẽ là tài liệu tham khảo cho các bạn đồng nghiệp. Thí nghiệm xác định điện trở và điện dung bằng mạch dao động tích phóng dùng bằng đèn neôn là một bài thí nghiệm thuộc lĩnh vực điện học. Nếu đầu t về chuyên môn sâu hơn nữa, hy vọng có thể đợc nghiệm thu và đem vào sử dụng ở Khoa vật lý. 3 Ch ơng I kỹ thuật chế tạo điều khiển từ xa 1. Giới thiệu công nghệ. Điều khiển từ xa có vai trò quan trọng trong công nghiệp và đời sống. Trong đào tạo, kỹ thuật điều khiển từ xa đã dần dần khẳng định đợc vị trí của mình. Về mặt kỹ thuật, điều khiển từ xa là bộ công tắc điều khiển từ xa không dây các chức năng khác nhau của thiết bị kỹ thuật. Bàn phím, chuột không dây, các bộ điều khiển các thiết bị nghe nhìn là các ví dụ về sản phẩm của thiết bị này. Các bộ điều khiển từ xa có u điểm hơn các bộ công tắc cơ học không chỉ riêng về tiện sử dụng, gọn nhẹ mà u điểm kỹ thuật lớn nhất là xử lý nhanh và không gây nhiễu cho các thiết bị cần độ chính xác cao. Trong đào tạo, đa kỹ thuật điều khiển từ xa vào các thí nghiệm là cần thiết. Thứ nhất, phơng pháp này an toàn khi làm việc với các thiết bị có điện áp cao hoặc thiết bị sử dụng hoá chất độc hại. Thứ hai, với công nghệ điều khiển từ xa các thiết bị dễ bảo quản hơn. Không những thế, với công nghệ lập trình IC vi xử lý, các bộ điều khiển từ xa có giá thành thấp và độ bền cao dễ sử dụng và dễ sửa chữa hơn các bộ công tắc cơ học thông thờng. Để có thể chế tạo các bộ điều khiển từ xa cho các thiết bị thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng đầu phát là bộ điều khiển từ xa của các thiết bị nghe nhìn (remote) có sẵn trên thị trờng và đa ra giải pháp chế tạo đầu thu với công nghệ lập trình các IC vi xử lí. Các remote truyền vô tuyến các thông tin điều khiển dạng số, sau khi các thông tin này đợc điều chế trong sóng mang hồng ngoại. 1.1. Bộ phát hồng ngoại. Tia hồng ngoại là một dạng sóng điện từ có bớc sóng lớn hơn bớc sóng ánh sáng nhìn thấy, do đó ta không thể nhìn thấy và không thể nghe đợc. Vì tần số lớn hơn tần số sóng âm, nên năng lợng của tia hồng ngoại lớn hơn năng lợng của sóng âm, có thể truyền đi xa không cần sử dụng máy phát có công suất lớn. Tia hồng ngoại không thể nghe hoặc nhìn thấy đợc, nên chỉ có thể ghi nhận đợc 4 nó nhờ các bộ cảm biến nhiệt. Đây là một u điểm lớn của bộ điều khiển từ xa hồng ngoại. Các bộ điều khiển từ xa khác dùng cảm biến ánh sáng, cảm biến từ hoặc cảm biến âm dễ gây nhiễu ở các máy đo có độ chính xác cao. Tuy nhiên, kể cả khi sử dụng cảm biến hồng ngoại cũng không thể tránh khỏi các nhiễu. Bất kể một vật gì quanh ta hấp thụ nhiệt đều phát xạ tia hồng ngoại, ngoài ra tia hồng ngoại là một thành phần cơ bản trong ánh sáng mặt trời. Với lý do trên, mặc dù sóng hồng ngoại có nhiều u điểm nhng khi sử dụng ta cũng không thể dùng trực tiếp mà vẫn phải truyền dới dạng đặc biệt để tránh nhiễu. Để có thể sử dụng remote làm đầu phát, ta cần nắm đợc các nguyên tắc điều chế các thông tin chứa đựng trong sóng hồng ngoại đợc remote truyền đi. Nh ta biết, hiện nay các thông tin đợc truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến đều đợc mã hoá dới dạng kỹ thuật số. Có nghĩa là các thông tin đợc truyền đi dới dạng các số nhị phân (không và một tơng ứng với trạng thái tắt hoặc mở công tắc). Trớc đây ta thờng quen với khái niệm trạng thái "không" là lúc tín hiệu có biên độ thấp (B) và trạng thái "một" là trạng thái thông tin chứa tín hiệu có biên độ cao (H). Dĩ nhiên, khi truyền tin vô tuyến kỹ thuật số ta không thể làm nh vậy đợc, bởi vì ta biết khoảng cách cực đại truyền tin tỷ lệ với năng lợng sóng truyền tin hay tỷ lệ với tần số của sóng. Các thông tin điều khiển các thiết bị có tần số rất thấp (chu kỳ cỡ ms) không thể truyền đi xa đợc, muốn truyền đi đợc xa ta phải gửi các thông tin này vào các sóng mang có tần số lớn. Do đó, ở đầu thu ta phải tách các thông tin này ra khỏi sóng mang khôi phục lại dạng ban đầu. Trong các hãng khác nhau, tia hồng ngoại sử dụng trong remote đợc điều chế khác nhau. Điểm khác đáng kể là quy ớc về giá trị "không" và "một " của một bít thông tin điều khiển của các hãng. Ví dụ nh hãng Philips một bít gồm có hai xung vuông. Nếu bít có xung đầu trạng thái H và xung sau ở trạng thái B thì bít đó quy ớc là "một", ngợc lại, bít có xung đầu trạng thái B và xung sau ở trạng thái H thì bít đó quy ớc là "không". Hãng Sony lại quy ớc khác, nếu bít có xung đầu trạng thái H và xung sau ở trạng thái B và hai xung này có chu kỳ bằng nhau, thì bít đó quy ớc là "một". Bít có xung đầu trạng thái H và xung sau 5 ở trạng thái B và hai xung này có chu kỳ khác nhau, thì bít đó quy ớc là "không". Sau khi nghiên cứu nguyên tắc chế tạo remote của một số hãng nổi tiếng về công nghệ cao nh: hãng Sharp, hãng Philips, hãng Sony chúng tôi chọn phơng pháp chế tạo của hãng Philips. Phơng pháp đó nh sau: Để có thể truyền thông tin vô tuyến đi xa, các thông tin này đợc trộn vào các sóng mang. Các sóng mang là các sóng hồng ngoại có dạng xung vuông có tần số 40 kHz. Lúc đó, tín hiệu truyền đi là một chuỗi sóng vuông có chu kỳ là 27 às. Trong khi đó, chu kỳ của xung điều khiển là 1.728 às. Để có thể trộn tín hiệu điều khiển với sóng mang ta chọn biên độ sóng mang có giá trị rất nhỏ so với biên độ của xung điều khiển. Khi nhận các tín hiệu điều khiển này chúng ta cần xử lí các vấn đề sau: Phải phân biệt đợc tín hiệu của remote với các tín hiệu khác do tia vũ trụ, bức xạ các vật đen v.v . hoặc từ remote của các thiết bị khác. Khi đã xác nhận đúng tín hiệu của remote, ta phải tách từ sóng đã điều chế ra các thông tin điều khiển cần thiết. Một bộ thu có chất lợng phải đáp ứng các vấn đề trên. Mỗi thông tin của bộ điều khiển từ xa của hãng Philips chứa 14 bít, trong đó 3 bít dùng để nhận dạng tín hiệu của remote, 5 bít địa chỉ và 6 bít số liệu, mỗi bít có chu kỳ 1.728 às. Khi bộ thu nhận tín hiệu, việc đầu tiên, bộ thu cần phân biệt trong các xung tới xung nào là xung của remote và bít nào là bít đầu tiên của xung điều khiển. Sau khi trộn sóng, trong một bít chứa 64 xung vuông, chu kỳ mỗi xung là 27 às. Nh vậy, nếu tín hiệu truyền tới với 32x27= 864 às đầu có tín hiệu biên độ có giá trị 5V (H) và sau đó 864 às không có tín hiệu 0V (B), ta quy ớc bít truyền tới có giá trị một. Ngợc lại, nếu tín hiệu truyền tới với 32x27= 864 às đầu không có tín hiệu và sau đó 864 às có tín hiệu với biên độ 5V, bít truyền tới có giá trị bằng không. Để phân biệt tín hiệu truyền tới có phải là tín hiệu của bộ điều khiển TV hay không, hãng Philips dùng tới 3 bít. Hai bít đầu làm tín hiệu AGC (auto gain control: mạch tự động điều chỉnh biên độ), hai bít này có nhiệm vụ phục hồi 6 biên độ của tín hiệu. Nếu tín hiệu tới nhỏ hơn nhng gần bằng 5V các bít này nâng biên độ lên 5 V, ngợc lại nếu tín hiện có biên độ xấp xỉ 0 V, hai bít này điều chỉnh biên độ có giá trị 0 V. Bít thứ ba #3 gọi là bít Check (bít kiểm tra). Bít này có chu kỳ đặc biệt với 0,75x1728 = 1296 às ở trạng thái H và với 0,25x1728= 432 às ở trạng thái B, dùng để kiểm tra xem tín hiệu có đúng tín hiệu truyền từ điều khiển từ xa của hãng Philips hay không. Năm bít tiếp theo từ bít # 4 đến bít # 8 là các bít địa chỉ. Mỗi địa chỉ quy định cho một chức năng của điều khiển. Sáu bít tiếp theo từ bít #9 đến bít #14 cho ta các giá trị của câu lệnh dới dạng số thập lục phân (Hex). Thí dụ trong bộ điều khiển từ xa TV của hãng Philips, lệnh Stop tơng ứng là #36 H. 1.2. Chế tạo bộ thu hồng ngoại bằng công nghệ lập trình CHIP. Bộ thu hồng ngoại đợc chế tạo bằng công nghệ lập trình IC vi xử lí (CHIP) MCS 51. Trớc đây chúng tôi đã sử dụng IC MCS 51 để chế tạo các thiết bị đo trong các thí nghiệm vật lý nh: thì kế điện tử hiện số, máy phát tần số, máy đếm tần số, đồng hồ đo điện, đo nhiệt độ. Để nâng cao chất lợng thiết bị chế tạo bằng công nghệ lập trình CHIP MCS 51, các thiết bị này có thể đợc điều khiển từ xa với một remote của TV. Trớc hết, ta cần điểm lại một số thông số kỹ thuật cơ bản của CHIP MCS 51. CHIP MCS 51 hoạt động nh một máy tính mini độc lập có bộ xử lí trung tâm (CPU) 8 Kb với các lệnh ngầm định nh lệnh gán dữ liệu, lệnh lu vào bộ nhớ vv .IC MCS 51 có vùng nhớ trên 128 Kb, có thể giao diện với bộ nhớ ngoài (RAM), 32 cổng I/O song song (parallel port) và cổng nối tiếp (serial port), hai bộ đếm thời gian có chế độ đếm tràn (overflow) hoặc đếm trực tiếp. Bộ tạo dao động (OSC) có thể hoạt động với các dao động thạch anh hoặc dao động ngoài. Nếu dùng thạch anh tần số dao động 24 MHz làm dao động chủ và lu ý để thực hiện một lệnh thờng sử dụng hết 12 xung, nh vậy tốc độ xử lý của CHIP MCS 51 đạt tới 10 6 phép tính trên 1 giây. Ngoài ra IC vi xử lý MCS 51 có 5 ngắt (interrupt) rất thuận tiện cho lập trình. Trong IC MCS 51 bộ nhớ động đợc cấu 7 tạo bởi các thanh ghi (register) có địa chỉ 0FH đến FFH (256 thanh ghi) đợc phân thành 4 dải (banks). IC vi xử lý MCS 51 đợc lập trình với ngôn ngữ assemble hoặc Tubo C, các thông tin truyền từ các cổng của CHIP dới dạng các số nhị phân (BIN) hoặc thập lục phân (HEX), do đó có thể kết nối trực tiếp với máy tính qua cổng COM hoặc các thiết bị kỹ thuật số khác. CHIP vi xử lí MCS 51 đợc rất nhiều hãng chế tạo, mỗi hãng có một đặc thù riêng do đó cách lập trình cũng khác nhau. Để chế tạo bộ thu hồng ngoại chúng tôi chọn IC vi xử lí là IC AT 89C52 thuộc dòng MCS 51 của hãng Intel. Thạch anh dao động chúng tôi chọn thạch anh có tần số 2MHz. Nh vậy thời gian để AT89C52 thực hiên một lệnh là 6às. Đầu tiên ta khai báo các biến và các ngắt ngoài. Chân ngắt ngoài 1 P3.2 của IC (external interrupt1) đợc nối với collector của điốt hồng ngoại thu, địa chỉ ngắt trên đợc gán tên biến là Irinput. Ngắt T0 (timer/counter 0 external input) đợc gán với biến Scope và ngắt T1 (timer/counter 1 external input) đợc gán với biến Led. Trớc hết ta bật các bít của cổng P1 lên giá trị 1 và sau đó thiết lập một vòng lặp chờ tín hiệu đến cho đến khi xung đầu tiên của đầu phát hồng ngoại truyền đến (Irinput = 0) chơng trình di chuyển tới địa chỉ PH3. Lúc đó thanh ghi A (Accumulator) đợc xoá, đồng thời thiết lập một vòng lặp 1296 às. Tiếp tới, từ địa chỉ PH4 chơng trình thiết lập 7 vòng lặp sao cho sau 1728 às số liệu từ biến Irinput đợc ghi vào thanh ghi A. Nh vậy ta đã ghi đợc giá trị của các bít AGC, Check bít và 5 bít số liệu. Sau khi ghi xong các bít này và đã xoá bít thứ 4 trong thanh ghi A (lệnh Anl A, # 0FH) bít ghi trong thanh ghi A nếu có giá trị là #40H thì thông tin của đầu phát không chứa các bít địa chỉ đã phát từ remote. Các bít này có thể là các bít số liệu (Data). Để kiểm tra các bít này là các bít số liệu hay không, ta so sánh giá trị trong thanh ghi A với 1000000B (#40H). Nếu giá trị trong thanh ghi A bằng 40H chơng trình tiếp tục chơng trình từ địa chỉ PH4A. Ta lại tiếp tục thiết lập 6 vòng lặp và cứ sau 1728 às ta lại ghi các giá trị truyền tới vào thanh ghi A. Với chơng trình con PH6 ta có thể kiểm tra các giá 8 trị này có đúng là các giá trị của Data của xung truyền các số liệu hay không. Nếu đúng chơng trình chuyển tới địa chỉ PH4B để ghi các giá trị này vào cổng P1, ngợc lại các xung tới không phải là xung của remote, chơng trình trở về địa chỉ PH0 để tiếp tục chờ tín hiệu từ đầu thu truyền tới. Tám ngõ ra của cổng P1 của IC AT89C52 sẽ cho ta giá trị của biến IrData dới dạng nhị phân hoặc thập lục phân. Nếu nối với tám ngõ ra này với tám điốt Led, điốt nào phát sáng ứng với giá trị 0 ngợc lại điốt nào không sáng ứng với giá trị 1, nên ta có thể đọc các giá trị của P1 dễ dàng. Ví dụ bộ điều khiển của hãng Philips khi bấm nút Power thông tin truyền đi là #74D, nút Enter thông tin có giá trị #202D. Biết đợc các thông tin này việc điều khiển các chức năng của thiết bị đo hoàn toàn đơn giản. Dới đây là sơ đồ nguyên chi tiết đồng hồ hiện số bấm giây điều khiển từ xa do tác giả tự thiết kế và chế tạo (Hình 1.2). Hình 1.1 9 A 4 1 2 3 4 1 0 9 8 7 65 U 9 7 4 H C 2 4 5 2 3 4 5 6 7 8 9 1 9 1 1 8 1 7 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 O E D I R B 0 B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 A 5 V C C _ C I R C L E X 1 2 4 M h z B 2 U 6 A T 8 9 C 5 1 9 1 8 1 9 2 9 3 0 3 1 1 2 3 4 5 6 7 8 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 3 9 3 8 3 7 3 6 3 5 3 4 3 3 3 2 R S T X T A L 2 X T A L 1 P S E N A L E / P R O G E A / V P P P 1 . 0 P 1 . 1 P 1 . 2 P 1 . 3 P 1 . 4 P 1 . 5 P 1 . 6 P 1 . 7 P 2 . 0 / A 8 P 2 . 1 / A 9 P 2 . 2 / A 1 0 P 2 . 3 / A 1 1 P 2 . 4 / A 1 2 P 2 . 5 / A 1 3 P 2 . 6 / A 1 4 P 2 . 7 / A 1 5 P 3 . 0 / R X D P 3 . 1 / T X D P 3 . 2 / I N T O P 3 . 3 / I N T 1 P 3 . 4 / T O P 3 . 5 / T 1 P 3 . 6 / W R P 3 . 7 / R D P 0 . 0 / A D 0 P 0 . 1 / A D 1 P 0 . 2 / A D 2 P 0 . 3 / A D 3 P 0 . 4 / A D 4 P 0 . 5 / A D 5 P 0 . 6 / A D 6 P 0 . 7 / A D 7 A 6 B 3 A 7 A 8 C 1 1 0 u F D 1 4 T I L 3 0 9 _ 2 1 2 3 4 1 0 9 8 7 65 A 5 A 8 R 1 1 0 k A 6 B 1 A 1 B 2 V C C _ C I R C L E B 3 A 2 U 1 0 I R R E C E I V E 1 2 3 G N D D A T A V C C D 1 4 T I L 3 0 9 _ 2 1 2 3 4 1 0 9 8 7 65 A 2 A 3 A 7 V C C _ B A R A 3 B 1 A 4 V C C _ A R R O W Hình 1.2 Chơng trình nhận tín hiệu đầu phát hồng ngoại của hãng Philips nh sau: Mov# SP PH0: Mov P1, #0FFH ; Bật các bit của cổng P1 Setb LED PH1: Mov 4, #022 Mov 5, #000h ; Thiết lập vòng chờ tín hiệu 2MHz Jnb Irinput, PH3 ; Nếu Irinput có tín hiệu nhảy tới PH3 Djnz 5, PH2 Djnz 4, PH2 Jmp PH0 PH3: Clr A ; Xoá thanh ghi A (Accumulary) Clr LED ; Bật đèn báo có tín hiệu. Mov 2, #110 Djnz 2, $ ; Bỏ qua 1.296 às (3/4 bít CHECK) Mov B, #7; Tạo 8 vòng lặp để ghi 8 bit của Irinput PH4: Setb Scope Mov C, Irinput ; Ghi vào thanh ghi C giá trị Irinput 10