Nghiên cứu các bộ điều khiển từ xa của các thiết bị nghe nhìn

Phần mở đầu Điều khiển từ xa từ lâu đã đợc sử trong công nghiệp, trong đời sống và quốc phòng. Với kỹ thuật phát triển, kỹ thuật điều khiển từ xa đã đợc sử dụng ngày càng rộng rãi. Ngày nay, thiết bị điều khiển từ xa đã có mặt mọi nơi, từ các thiết bị nghe nhìn cũng nh các thiết bị điện dân dụng, các thiết bị tự động hoá vv Do đó, việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý họat động của các thiết bị điều khiển từ xa là việc làm cần thiết. Mặt khác với sự phát triển của công nghệ lập trình, các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức năng, gọn nhẹ và giá thành thấp. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng các bộ điều khiển từ xa của các thiết bị nghe nhìn (Remote) để chế tạo các bộ thu phát hồng ngoại điều khiển từ xa, các thiết bị điện phục vụ đời sống là một việc đợc nhiều ngời quan tâm và thực thi. 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 chế tạo. Trong đào tạo đa kỹ thuật điều khiển từ xa vào các thí nghiệm là cần thiết. Bởi 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, 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 sữa chữa hơn các bộ công tắc cơ học thông thờng. Với những lí do trên nên tôi đã chọn đề tài: Nghiên cứu các bộ điều khiển từ xa của các thiết bị nghe nhìn . Với mục đích đó, luận văn ngoài phần kết luận gồm 3 chơng: Ch ơng I: Tổng quan về bức xạ nhiệt, trong chơng này, luận văn trình bày nội dung bức xạ nhiệt, các định luật của bức xạ nhiệt, các đại lợng cơ bản, công thức của Planck và phát xạ vật đen tuyệt đối và các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối từ đó đa ra cơ chế về bức xạ hồng ngoại. Ch ơng II: Thiết bị điều khiển từ xa trong thiết bị nghe nhìn. Trong chơng này chúng tôi trình bày về nguyên lý thu phát hồng ngoại từ xa. Ngoài ra đã trình bày ứng dụng, u điểm, kỹ thuật chế tạo của điều khiển từ xa trong thiết bị nghe nhìn. Trong đó nêu ra cấu tạo và hoạt động của bộ phát tia hồng ngoại, tìm hiểu nguyên 1 lý kỹ thuật của hãng Philips, Sony. Các giá trị của các phím bấm trên điều khiển của thiết bị nghe nhìn. Ch ơng III: Một số ứng dụng của thiết bị với tia hồng ngoại. Trong chơng III chúng tôi đã trình bày sơ đồ về nguyên tắc hoạt động của IC vi xử lý MCS 8051.Trong chơng này, chúng tôi điểm qua một số ứng dụng của kỹ thuật của các bộ thu phát hồng ngoại trong cuộc sống nh: chắn quang (Foker light barie), transitor quang (Photocoupling transitor). Phần cuối chơng là chi tiết về cách sử dụng chế tạo đầu thu sóng hồng ngoại của remote thiết bị nghe nhìn Sony. Với nội dung trên, luận văn đã đặt ra các nhiệm vụ cơ bản là: Nắm đợc bản chất của tia hồng ngoại. Nắm đợc nguyên tắc tia hồng ngoại các bộ remote của thiết bị nghe nhìn. Nắm đợc nguyên tắc lập trình IC vi xử lý chế tạo đầu thu sóng hồng ngoại. Bớc đầu đã tự thiết kế và chế tạo một ứng dụng của điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại đó là bộ: công tắc điện điều khiển từ xa có hẹn giờ. Qua nội dung đã trình bày trong luận văn đã đề cập một trong những kỹ thuật quan trọng cho những ngời làm kỹ thuật. Tuy nhiên, trong khuôn khổ của một đề tài, với thời gian hạn hẹp và kiến thức còn hạn chế nếu đợc đầu t nhiều hơn và đợc sự góp ý tận tình của các Thầy Cô, hy vọng các kết quả của luận văn sẽ bổ ích có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên. Do vậy, tôi rất mong nhận đợc các ý kiến đóng góp từ phía các thầy giáo, cô giáo và các bạn sinh viên để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn Chơng I Tổng quan về Bức xạ nhiệt. 2 1.1.Các bức xạ vì nhiệt: Trong nguyên tử các electron chỉ tồn tại ở các trạng thái dừng, đó là các trạng thái mặc dù chuyển động các electron không hề mất năng lợng, các giá trị năng lợng của các trạng thái dừng của mổi nguyên tử đều có giá trị hoàn toàn xác định. Khi electron nhảy từ trạng thái dừng này sang trạng thái dừng khác nguyên tử sẽ phát xạ hoặc hấp thụ năng lợng. Năng lợng hấp thụ hay phát xạ của electron đợc tính theo công thức: = E n - E m (1. 1) Khi m > n nguyên tử phát xạ năng lợng, ngợc lại khi n > m nguyên tử hấp thụ năng lợng. Tần số và bớc sóng của bức xạ , khi electron khi chuyển từ trạng thái dừng E n sang trạng thái dừng E m đợc tính theo công thức: = h EE mn ; = cT = c (1.2) trong đó h là hằng số Planck h =6,625.10 -34 J.s và c là vận tốc ánh sáng c =3.10 8 m/s. Các trạng thái dừng có giá trị năng lợng xác định. Ngời ta thờng gọi đó là các mức năng lợng. Bình thờng không bị kích thích electron ở mức năng lợng thấp nhất, tồn tại lâu dài gọi là mức cơ bản (Ground State). Khi bị hấp thụ năng lợng, electron nhảy lên mức có năng lợng cao hơn gọi là trạng thái kích thích (Exicted state). Nguyên tử không tồn tại lâu trong các trạng thái kích thích. Thời gian sống của chúng ở trạng thái này khoảng 10 -8 sec. Sau đó nguyên tử phải trở về trạng thái cơ bản và phát ra phát xạ. Bớc sóng và tần số của phát xạ có thể tính đợc, ví dụ nh: khi nguyên tử Hiđro chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản sẽ phát ra tia tử ngoại, bớc sóng phát xạ đợc tính theo công thức: 1 = R( 2 1 1 - 2 1 n ) (1.3) Khi nguyên tử Hiđro chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái lợng tử n =2 sẽ phát ra ánh sáng nhìn thấy đợc, bớc sóng phát xạ đợc tính theo công thức: 3 1 =R ( 2 2 1 - 2 1 n ) (1.4) Khi nguyên tử chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái lợng tử có số lợng tử n =3 sẽ phát ra tia tử ngoại, bớc sóng phát xạ đợc tính theo công thức: 1 = R( 2 3 1 - 2 1 n ) (1.5) Trong các công thức trên R là hệ số Ryberg R = 1,0967 . 1/m. Đối với các nguyên tử khác tơng tự ta cũng có thể tính đợc bớc sóng và tần số của bức xạ. Đối với các phân tử hiện tợng hấp thụ và phát xạ phức tạp hơn nhiều bởi vì ngoài các mức năng lợng dừng phân tử còn có các mức năng lợng dao động và các mức năng lợng quay [Maveev]. Tuy nhiên cơ chế phát xạ năng lợng cũng tơng tự nh vậy. Bằng một cách nào đó kích thích các phân tử , nguyên tử làm cho chúng chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích, sau thời gian ngắn các phân tử, nguyên tử từ trạng thái kích thích nhảy về trạng thái cơ bản phát ra năng lợng dới dạng sóng điện từ. Có nhiều cách cung cấp năng lợng để kích thích các phân tử, nguyên tử. Nếu năng lợng cung cấp ở dạng nhiệt thì sóng điện từ phát ra gọi là bức xạ nhiệt, hiện tợng đó gọi là hiện tợng bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt có đặc tính là trong điều kiện đặ biệt nó có thể tồn tại cân bằng với vật. Nh thế nghĩa là khi đó năng lợng do vật phát ra dúng bằng năng lợng dới dạng nhiệt mà vật thu vào bằng hấp thụ bức xạ. Khi đó vật ở trạng thái cân bằng (động) ứng với một nhiệt độ xác định. 1.2.Các định luật của bức xạ nhiệt a, Các đại lợng cơ bản Ta xét một phần tử điện tích rất nhỏ dS ở mặt ngoài của phát xạ nhiệt. Khi đó vật có nhiệt độ xác định T. Trong quá trình phát xạ vật phát ra từ dS mọi bức xạ điện từ có tần số từ nhỏ đến lớn. Năng lợng bức xạ phát ra từ dS trong một đơn vị thời gian (đợc gọi là năng thông bức xạ phát ra từ dS ) mang đi bởi các bức xạ điện từ có tần số trong khoảng , +d đợc ký hiệu là d p ( , T). 4 Đại lợng này tỉ lệ với dS và d p ( ,T) = r( , T) DSd (1.6) Đại lợng r( , T) đợc gọi là năng suất phát xạ đơn sắc ứng với tần số của vật. Đại lợng R(T) = 0 r( , T) d (1.7) đợc gọi là năng suất phát xạ toàn phần hay độ trng của vật phát xạ. Đối với các vật đen tuyệt đối (thờng các vật quanh ta là các vật đen tuyệt đối), năng suất phát xạ đơn sắc còn đợc gọi là hàm phổ biến và ký hiệu là f( , T). Vậy hàm phổ biến là năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối ứng với bức xạ có tần số và ở nhiệt độ T. b, Công thức của Planck vềphát xạ vật đen tuyệt đối Vào những năm đầu thế kỉ trớc, giới vật lý xôn xao một hiện tợng không thể giải thích đợc về hiện t- ợng bức xạ của vật đen gọi là hiện tơng tai biến vùng tử ngoại. Khi nghiên cứu sự phụ thuộc của hàm phổ biến vào tần số phát xạ tại vùng sóng tử ngoại lý thuyết và thực hành đã không phù hợp nhau. Sở dĩ nh vậy vì thời bấy giờ ngời ta cho rằng năng lợng bức xạ (ánh sáng) truyền liên tục và có năng lợng tỉ lệ với nhiệt độ và hàm phổ biến có dạng: f( , T) = 2 2 2 c E = 2 2 2 c kT (1.8) trong đó k = 1.38.10 -23 J/K là hằng số Boltzman. Năm 1900 M. Planck đã đa ra thuyết lợng tử năng lợng, theo thuyết đó năng lợng bức xạ đơn sắc của một lợng tử phải có dạng: = h (1.9) trong đó h =6.625.10 -34 J.s là hằng số Planck. Khi đó, theo vật lý thống kê, năng lợng của bức xạ sẽ là: E = = = 0 0 )exp( )exp( n n kT nh kT nh nh (1.10) 5 Đặt y = kT và Z = = 0 )exp( n kT nh ta có: E = - y Z Z 1 (1.11) Mặt khác Z = 1 +q + q 2 +q 3 + trong đó q= exp( kT h ) Lu ý ở nhiệt độ bình thờng (khoảng vài chục độ C) và thay các hằng số h và k vào công thức của q ta nhận thấy q luôn luôn nhỏ hơn 1. Do đó: Z = q 1 1 Nh vậy y Z = 2 )1( q y q = 2 )1( )exp( q y yh = 2 )1( q qh (1.12) Thay các kết quả trên vào (1.11) ta thu đợc kết quả: E = )exp(1 )exp( kT h kT h h = 1)exp( kT h h (1.13) Thay (1.13) và (1.8) ta có công của Planck thức về hàm phổ biến của phát xạ đơn sắc: f( , T) = 2 2 2 c 1)exp( kT h h (1.14) c, Các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối Định luật Stefan-Boltzman Từ công thức (1.7), năng suất phát xạ toàn phần R(T) của một vật đen tuyệt đối đợc tính theo công thức: R(T) = 0 r( , T) d = 0 2 2 2 c 1)exp( kT h h dv (1.15) Đặt x = kT h ta có: R(T) = 0 3 32 44 1 2 dx e x hc Tk x = T 4 . (1.16) trong đó = 5.67.10 -8 W/m 2 K gọi là hằng số của Stefan-Boltzman. Công thức đó là nội dung của định luật Stefan-Boltzman: 6 Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật ấy. Định luật Vin Để tìm sự phụ thuộc tần số bức xạ của vật đen vào nhiệt độ để vật đen phát xạ mạnh nhất, ta lấy đạo hàm (1.14) theo . Ngoài ra đối với một vật đen ở nhiệt độ T bớc sóng phát xạ nhiều nhất n đợc tính theo định luật Vin: n T = b (1.17) trong đó b = 2,898782.10 -3 m.K gọi là hằng số Vin. Kết luận chơng I Đối với vật đen tuyệt đối, bớc sóng n của chùm tia bức xạ đơn sắc mang nhiều năng lợng nhất tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của vật. Định luật Vin có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, ví dụ nh để chế tạo máy đo nhiệt độ. Các vật có nhiệt độ khác nhau phát xạ năng lợng với tần số khác nhau. Ví dụ nh một thanh sắt khi ở nhiệt độ bình thờng năng lợng phát xạ ở vùng phổ năng hồng ngoại xa. Khi bị đốt nóng tần số năng lợng bức xạ dần dần tăng, đến một nhiệt độ nào đó tần số phát xạ nằm ở vùng tần số nhìn thấy đợc ta thấy thanh sắt sáng đỏ lên và nhiệt độ càng tăng màu sắc càng sáng trắng lên. Sở dĩ nh vậy vì lúc đó do nhiệt độ không đều, thanh sắt phát ra nhiều bức xạ nhìn thấy với tần số khác nhau tạo ra ánh sáng trắng. Điều lí thú, với các vật có nhiệt độ ổn định ví dụ nh cơ thể con ngời tần số phát xạ khá ổn định. Sử dụng công thức (1.17) ta dễ tính đợc tần số bức xạ từ cơ thể dới dạng sóng hồng ngoại với bớc sóng = 93,480 . Sử dụng giá trị này ngời ta chế tạo các thiết bị bảo vệ, thiết bị kiểm tra bệnh ở sân bay vv . 7 Các vật quanh ta đều phát ra tia hồng ngoại với các bớc sóng khác nhau . Giá trị tần số đó phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Chơng II điều khiển từ xa trong thiết bị nghe nhìn. 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 đợc 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. 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. Trong kỹ thuật chế tạo các thiết 8 bị nghe nhìn nh TV, đầu máy DVD vv các thiết bị đều đợc sử dụng điều khiển từ xa (remote). 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. Để nắm đợc cấu trúc các các loại thiết bị này trớc hết ta phải nắm rõ bản chất điều chế tín hiệu với tia hồng ngoại. 2.1 Bộ phát tia hồng ngoại Tia hồng ngoại là một dạng sóng điện từ có bớc sóng lớn hơn bớc sóng ánh sáng nhìn thấy, nên ta không thể nhìn thấy và không thể nghe đợc. H2.1 Giải tần tia phát xạ nhiệt Vì tần số lớn hơn tần số sóng âm, do đó năng lợng của tia hồng ngoại lớn hơn năng lợng của sóng âm nên 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 tia hồng ngoại 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. Sóng hồng ngoại có thể tạo theo H.2.2. Sóng hồng ngoại là chuỗi xung vuông có chu kỳ 27 às (tần số 36 kHz). Sóng hồng ngoại đợc khuyếch đại nhờ một tranzitor. 9 H 2.2 Bộ phát tia hồng ngoại Các thông tin đợc truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến đều đợc mã hoá dới dạng kỹ thuật số. Các thông tin này có tần số thấp muốn truyền đi xa ta cần trộn các tín hiệu điều khiển vào sóng hồng ngoại. H2.3 là một trong các giải pháp truyền tín hiệu điều khiển. H 2.3 Một giải pháp trộn sóng H. 2.3 Mạch trộn tín hiệu điều khiển vào sóng mang hồng ngoại Trong sơ đồ RX là xung điều khiển. Xung điều khiển có biên độ lớn hơn các xung hồng ngoại. Tín hiệu điều khiển đa vào emitơ của tranzitor, xung hồng ngoại đa vào bazơ của tranzitor đó. Khi Bit điều khiển có giá trị B (0V) điện áp BE (bazơ -emitơ) dơng transitor dẫn. Đầu ra (colectơ) là một chuỗi xung (Ví dụ của hãng Sony là 64 xung) hồng ngoại, ngợc lại khi xung điều khiển âm điện áp emitơ cao hơn điện áp colectơ trantsitor tắt lúc đó điện áp colectơ có giá trị không đổi. Nh vậy khi ta nhận đợc liên tiếp chuổi xung hồng ngoại ta hiểu đó là BIT điều khiển có giá trị H (5 V), ngợc lại khi trong cùng thời gian trên điện áp coleclơ không đổi ta hiểu đó là BIT B (0V). 10 . 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. thiết bị điều khiển từ xa đã có mặt mọi nơi, từ các thiết bị nghe nhìn cũng nh các thiết bị điện dân dụng, các thiết bị tự động hoá vv Do đó, việc nghiên