Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển từ xa bằng sóng hồng ngoại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG 621.36 - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG HỒNG NGOẠI Nghệ An, năm 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG HỒNG NGOẠI Sinh viên thực : Thái Bá Cương Lớp : 51K1 - ĐTVT Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Phúc Ngọc Nghệ An, năm 2015 LỜI CẢM ƠN Một ứng dụng quan trọng công nghệ điện tử kỹ thuật điều khiển từ xa Xuất phát từ ứng dụng đó, tơi lựa chọn đề tài “thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại” Trong suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ thầy cô, anh chị bạn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới quý thầy, trường Đại học Vinh tận tình dạy dỗ suốt năm qua Trong phải kể đến quý thầy cô Khoa Điện Tử - Viễn Thông tạo điều kiện cho thực đồ án tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn người hướng dẫn Th.S Nguyễn Phúc Ngọc tận tình giúp đỡ tơi q trình chọn đề tài thực đề tài Với thời gian thực đề tài ngắn, kiến thức cịn hạn hẹp, dù tơi cố gắng khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận dẫn thêm quý thầy cô Sinh viên thực Thái Bá Cương MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỒ ÁN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 10 1.1 Giới thiệu điều khiển từ xa 10 1.2 Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa 10 1.2.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa 11 1.2.2 Nhiệm vụ hệ thống điều khiển từ xa 11 1.2.3 Một số vấn đề hệ thống điều khiển từ xa 11 1.2.4 Các phương pháp điều chế tín hiệu hệ thống điều khiển từ xa 12 1.3 Điều khiển thiết bị từ xa sóng hồng ngoại 14 1.3.1 Khái niệm ánh sáng hồng ngoại 14 1.3.2 Nguồn phát sáng hồng ngoại phổ 15 1.3.3 Linh kiện thu sóng hồng ngoại 15 1.3.4 Nguyên lý thu phát hồng ngoại 21 1.3.5 Phần phát 22 1.3.6 Phần thu 23 1.4 Điều khiển từ xa dùng sóng vơ tuyến 24 1.4.1 Sơ lược hệ thống thu phát vô tuyến 24 1.4.2 Sơ đồ khối máy phát 25 1.4.3 Sơ đồ khối máy thu 25 1.5 So sánh phương pháp điều khiển từ xa dùng sóng hồng ngoại sóng vơ tuyến 26 1.5.1 Phương pháp điều khiến từ xa dùng sóng vơ tuyến 26 1.5.2 Phương pháp điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại 27 1.5.3 Phân tích tính ưu khuyết điểm 27 1.6 Kết luận 28 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 29 2.1 Giới thiệu chung vi điều khiển 29 2.2 Lịch sử phát triển loại vi điều khiển 29 2.3 Tổng quan vi điều khiển AT89S52 30 2.4 Kết luận chương 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG HỒNG NGOẠI 40 3.1 Các linh kiện sử dụng 40 3.1.1 Remote hồng ngoại 40 3.1.2 Mắt thu hồng ngoại 41 3.1.3 Rơ-le 5v 42 3.1.4 Transistor cl815 43 3.1.5 IC PC817 44 3.1.6 Tụ điện 45 3.1.7 Điện trở 46 3.1.8 DIODE 46 3.2 Sơ đồ khối mạch 47 3.2.1 Sơ đồ khối toàn mạch 47 3.2.2 Sơ đồ khối điều khiển trung tâm 47 3.2.3 Khối động lực 49 3.2.4 Sơ đồ nguyên lí 52 3.2.5 Sơ đồ mạch in 53 3.2.6 Mạch điều khiển thi công 53 3.3 Nguyên lý hoạt động mạch 54 3.4 Kết luận 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa 10 Hình 1.2 Các phương pháp điều chế tín hiệu dạng xung 13 Hình 1.3 Đặc tuyến phổ quang điện trở Sulfit chì 16 Hình 1.4 Đặc tuyến Volt- ampe 17 Hình 1.5 Đặc tuyến ánh sáng 17 Hình 1.6 Diode quang 18 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý transistor quang 19 Hình 1.8 Đặc tính phổ quang transistor MRD 300 20 Hình 1.9 Cấu tạo led thu 21 Hình 1.10 Sơ đồ khối chức phần phát 22 Hình 1.11 Sơ đồ khối chức phần thu 23 Hình 1.12 Sơ đồ khối chức máy phát 25 Hình 1.13 Sơ đồ khối chức máy thu 25 Hình 2.1 Vi điều khiển AT89S52 30 Hình 2.2 Sơ đồ khối AT89S52 31 Hình 3.1 Remote hồng ngoại 40 Hình 3.2 Dạng sóng tín hiệu truyền 41 Hình 3.3 Mắt thu hồng ngoại chân 41 Hình 3.4 Rơ-le 5v 42 Hình 3.5 Transistor cl815 43 Hình 3.6 IC PC817 44 Hình 3.7 Tụ điện 45 Hình 3.8 Điện trở 46 Hình 3.9 Diode 46 Hình 3.10 Sơ đồ khối tồn mạch 47 Hình 3.11 Sơ đồ khối điều khiển trung tâm 47 Hình 3.12 Khối nguồn 48 Hình 3.13 Khối điều khiển 48 Hình 3.14 Khối thu hồng ngoại 49 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 49 Hình 3.16 Khối relay cơng suất 49 Hình 3.17 Sơ đồ mạch in 53 Hình 3.18 hình ảnh mạch chế tạo 53 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án vào nghiên cứu chế tạo điều khiển từ xa thiết bị điện nhà cụ thể bóng đèn dạng on/off, phù hợp với kết cấu ngơi nhà Để đạt u cầu điều khiển thiết bị điện phải thiết kế nhỏ gọn, phải có chuyển đổi nguồn từ 220v sang 5v ứng với cơng tắc điện, tính ổn định cao Trong phạm vi đồ án sử dụng điều khiển trung tâm, đặt trung tâm phòng, sử dụng tia hồng ngoại, qua vi xử lý đưa tín hiệu điều khiển đến bóng đèn nhà ABSTRACT This thesis of research goes into making a remote control home electrical appliances in particular the form of light bulbs on / off, consistent with the structure of the house To meet the requirements, this controller should have a small design and a power converter from 220v into 5v which is suitable with an electrical contact, high stability Within the scope of this project I used a central controller , which is located in the center of the room , using infrared , through the processor takes control signal to the light bulbs in house MỞ ĐẦU Ngày nay, xu cơng nghiệp hóa đại hóa, Điện tử trở thành ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đáp ứng địi hỏi khơng ngừng từ lĩnh vực đời sống xã hội nhu cầu cần thiết họat động đời sống ngày Một ứng dụng quan trọng công nghệ điện tử kỹ thuật điều khiển từ xa Điều khiển từ xa (remote controller) thành phần thiết bị điện tử, thường TV, đầu đĩa, máy phát, máy điều hòa, quạt… sử dụng để điều khiển chúng từ khoảng cách ngắn không qua dây dẫn Điều khiển từ xa liên tục phát triển nâng cấp năm gần có thêm kết nối Bluetooth, cảm biến chuyển động chức điều khiển giọng nói Điều khiển từ xa thường sử dụng tia hồng ngoại giúp người dùng lệnh cho thiết bị thơng qua số nút nhấn để thay đổi thiết lập khác Trong thực tế, tất chức đa số thiết bị điện tử điều chỉnh thơng qua điều khiển từ xa, nút thiết bị có số nút thiết yếu Hầu hết điều khiển từ xa giao tiếp với thiết bị thơng qua tín hiệu hồng ngoại số dùng sóng vơ tuyến Thơng thường tín hiệu từ điều khiển từ xa mã hóa u cầu thiết bị phải thuộc dòng sản phẩm hay thương hiệu cụ thể Nhưng có điều khiển từ xa đa làm việc với hầu hết thiết bị có thương hiệu phổ biến Cơng nghệ sử dụng điều khiển từ xa gia dụng sóng hồng ngoại (IR) Những xung ánh sáng hồng ngoại vơ hình với mắt người nhìn thấy máy ảnh kỹ thuật số hay máy quay phim Đầu phát điều khiển từ xa thường đèn LED (diode phát sáng) Điều khiển từ xa sử dụng rộng rãi ngành điện tử gia dụng giải trí Phần lớn thiết bị điện tử TV, đầu đĩa, máy điều hòa, quạt có điều khiển từ xa kèm Các loại cổng hay cửa vào thường điều khiển từ xa, ứng dụng loại mã thay đổi để tăng an toàn Trong sinh hoạt ngày người trị chơi giải trí (roboot, xe điều khiển từ xa….) thiết bị gần gũi với người cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng đạt mức tiện lợi Điều khiển từ xa xâm nhập vào lĩnh vực cho TIVI, đầu máy Video… Đến thiết bị quạt máy, điều hòa… Xuất phát từ ý tưởng nhu cầu sống nên chọn đề tài “Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại” Đề tài hướng đến mục đích sau : - Nghiên cứu điều khiển từ xa thị trường - Xác định phương pháp thực đề tài - Thiết kế chế tạo điều khiển từ xa thiết bị gia đình dạng on/off theo yêu cầu sau: + Một điều khiển trung tâm nhận nhiệm vụ thu tín hiệu điều khiển người sử dụng, xử lý phát lệnh điều khiển đến tồn khơng gian u cầu + Yêu cầu điều khiển từ xa phải hoạt động ổn định, tính ứng dụng thực tế cao Đề tài thực phương pháp: Tìm hiểu qua sách, trang mạng internet, qua diễn đàn Cấu trúc đồ án, phần mở đầu, kết luận, danh mục hình vẽ, tài liệu tham khảo, nội dung đồ án trình bày chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển từ xa Chương 2: Tổng quan vi điều khiển Chương 3: Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại 3.1.7 Điện trở Hình 3.8 Điện trở [2] Điện trở linh kiện thụ động có tác dụng cản trở dịng áp Điện trở sử dụng nhiều mạch điện tử Điện trở dây dẫn có trị số điện trở lớn hay nhỏ tùy thuộc vào vật liệu làm dây, tỉ lệ thuận với chiều dài tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn Cơng thức tính: R= Pl hay R=U/I S Trong p: điện trở suất vật liệu, Om hay Omm2/m S: tiết diện dây, m2 hay mm2 i: chiều dài dây (m) R : điện trở, Ohm (Q) Điện trở có đơn vị tính Ohm, viết tắt  3.1.8 DIODE Hình 3.9 Diode [2] 46 Diode cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p-n ghép với Diode thơng dụng 1N4007, có chức dùng để đổi điện xoay chiều - thường điện 50Hz đến 60Hz sang điện chiều Tùy loại Diode mà chịu đựng dịng từ vài trăm mA đến loại cơng suất cao chịu đựng đến vài trăm A Diode chỉnh lưu chủ yếu loại Silic Hai đặc tính kỹ thuật Diode chỉnh lưu dòng thuận tối đa dòng ngược tối đa (điện áp đánh thủng) Hai đặc tính nhà sản xuất cho biết 3.2 Sơ đồ khối mạch 3.2.1 Sơ đồ khối tồn mạch Hình 3.10 Sơ đồ khối toàn mạch 3.2.2 Sơ đồ khối điều khiển trung tâm Khối nguồn Khối thu hồng ngoại Khối điều khiển trung tâm Hình 3.11 Sơ đồ khối điều khiển trung tâm 47 - Khối nguồn Hình 3.12 Khối nguồn khối nguồn tạo dòng điện điện ổn định cung cấp an toàn cho mạch Do dùng nguồn 5VDC nên ta dùng IC ổn áp 7805 để tạo nguồn 5v cung cấp cho mạch - Khối điều khiển Hình 3.13 Khối điều khiển 48 - Khối thu hồng ngoại Hình 3.14 Khối thu hồng ngoại 3.2.3 Khối động lực Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực - Khối relay cơng suất Hình 3.16 Khối relay công suất 49 Khối công suất gồm: Rơ-le 5V, BJT 1815 để khuếch đại dòng qua rơ-le Rơ-le công tắc điều khiển từ xa đơn giản, dùng dịng nhỏ để điều khiển dịng lớn dùng để bảo vệ cơng tắc nên xem thiết bị bảo vệ Một rơ-le điển hình điều khiển mạch điều khiển nguồn Kết cấu rơ-le gồm có lõi sắt, cuộn từ tiếp điểm Rơ-le có mạch: mạch điều khiển (1-3) mạch tải (2-4) Mạch điều khiển có cuộn dây nhỏ mạch tải có cơng tắc - Rơ-le mở Dịng điện chạy qua cuộn dây mạch điều khiển (chân số số 3) tạo từ trường nhỏ làm đóng tiếp điểm (chân số số 4) Tiếp điểm, phần mạch tải, dùng để điều khiển mạch điện nối với Dịng chạy qua chân số số rơ-le kích hoạt (trạng thái mở) 50 - Rơ-le ngắt: Khi dòng ngừng chạy qua mạch điều khiển (chân số số 3) rơle trở ngắt Khơng cịn từ trường, tiếp điểm hở dịng bị ngăn khơng chạy qua chân số số Rơ-le ngắt Khi khơng có điện áp đặt lên chân số 1, khơng có dịng chạy qua cuộn dây Khơng có dịng nghĩa khơng có từ trường sinh nên tiếp điểm hở Khi có điện áp đặt lên chân số 1, dòng qua cuộn dây sinh từ trường cần thiết để đóng tiếp điểm cho phép thông mạch chân số số Chọn rơ-le 5V + Điện áp tác động: 5V + Điện trở cuộn dây rơ-le R = 400Q + Dòng điện qua cuộn dây khoảng 300mA + Điện áp đóng mở 220v + Dòng qua tiếp điểm A + Điện áp bật (max) : 4.4Vdc + Điện áp tắt (min) : 1.2Vdc + Thời gian đóng mở : 10ms - Tính tốn chọn BJT điện trở phân cực Chọn Q1 BJT 0815, BJT làm việc chế độ bão hòa dòng điện qua cuộn dây Rơle Il  V cc V ce  0.2   0.012A Rr 400 51 Dòng điện qua Rơle dòng qua cực c BJT Suy Ic = 0.012A Để Transitor dẫn bão hịa Ib  Ic 0.012   70 - Chon Diode: Tác dụng Diode: dùng để tránh dòng Fuco cuộn dây sinh trình hoạt động làm hỏng BJT Việc chọn Diode khơng khó khăn loại Diode chịu dòng tương đối nhỏ Trong mạch ta chọn Diode loại 1N4007 3.2.4 Sơ đồ ngun lí 52 3.2.5 Sơ đồ mạch in Hình 3.17 Sơ đồ mạch in 3.2.6 Mạch điều khiển thi cơng Hình 3.18 hình ảnh mạch chế tạo 53 3.3 Nguyên lý hoạt động mạch Khởi động mạch điều khiển Khi nhấn phím từ 1-4 remoter hồng ngoại led phát remoter có nhiệm vụ biến đổi dòng điện thành quang phát môi trường, led thu điều khiển tâm nhận tín hiệu biến đổi từ quang thành điện đưa vào chân P3.2 (chân 12) vi điều khiển Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu tiến hành xử lí: , hệ thống kiểm tra tín hiệu có hay khơng, tiếp tục giải mã tín hiệu để xác định nút nhấn để điều khiển thiết bị tương ứng lập trình Khi đó, tín hiệu đưa chân P1.0->P.4 Khi chân B ( C1815) có dịng kích mức cao làm cho transistor dẫn (VB > 0.7 V) nên lối chân C mức thấp tạo nguồn cung cấp cho relay bật làm cho thiết bị cần điều khiển bật Ngược lại, chân B ( C1815) khơng có dịng kích làm cho transistor ngưng dẫn ( VB < 0.7 V) nên lối chân C khơng có nguồn cung cấp, relay điện trở vị trí ban đầu tắt thiết bị Việc điều khiển thiết bị đây, sử dụng phím có chức sau: CH- : bật tất thiết bị CH : tắt tất thiết bị 1: bật/tắt thiết bị thứ 2: bật / tắt thiết bị thứ hai 3: bật / tắt thiết bị thứ ba 4: bật / tắt thiết bị thứ tư Nếu phím nhấn tín hiệu khơng ( phím nhấn, loại điều khiển remos mã hóa khác ) khơng điều khiển thiết bị 3.4 Kết luận Trong chương này, tơi trình bày linh kiện sử dụng trình để thiết kế chế tạo mạch điện theo yêu cầu đặt Nhờ đó, kĩ thực hành thực tế cải thiện giúp tơi tích lũy nhiều kiến thức bổ ích 54 KẾT LUẬN Đề tài “Thiết kế chế tạo hệ thống từ xa sóng hồng ngoại” đề tài đề tài lớn, qua phản ánh vận dụng kiến thức học cách khoa học, tinh thần làm việc nghiêm túc, tìm tịi học hỏi, nghiên cứu kiến thức Sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu hồn thành đồ án tốt nghiệp mục đích đề ra, tơi thu kết sau: - Đề tài giúp hiểu rõ nguyền lý thu phát hồng ngoại ứng dụng lý thuyết học vào thực tế - Kết hợp thu phát hồng ngoại với vi điều khiển - Điều khiển tín hiệu dạng on/off thiết bị điện độc lập - Mạch thi công hoạt động tương đối ổn định Do thời gian làm đề tài có hạn nên đề tài tơi cịn có số hạn chế, có điều kiện từ phát triển thêm hướng thiết kế để mạch có nhiều tính hơn, hiệu hơn, tối ưu Qua đó, tơi rút nhiều kinh nghiệm cho thân, nhờ vào dạy nhiệt tình thầy góp ý bạn Nghệ an, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực Thái Bá Cương 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tiến Ban(2010), Bài giảng Phần tử tự động, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam [2] Đặng Văn Đào - Lê Văn Doanh (2006), Giáo trình Kỹ thuật điện, Nhà Xuất Bản khoa học kỹ thuật Hà Nội [3] Tống Văn On - Hoàng Đức Hải (2004), Họ vi điều khiển 8051, NXB Lao động - Xã hội, Hà Nội [4] Phạm Quang Trí (2005), Giáo trình thực hành vi xử lý, Trường ĐHCN TP.HCM [5] Webside diễn đàn điện tử Việt Nam www.dientuvietnam.net [6] Webside www.alldatasheet.com 56 PHỤ LỤC Chương trình mơ #include #include #include unsigned int x,j; sbit DATA_INFR = P3^2; #define d1 P1_0 #define d2 P1_1 #define d3 P1_2 #define d4 P1_3 void delay(unsigned int time) { while(time ) { unsigned char j = 125; while(j ); } } // Ham check xung START unsigned char check_start() { unsigned int soxung; TH0 = 0x00; TL0 = 0x00; //Xoa timer ve TR0 = 1; //Khoi dong timer while(DATA_INFR == 0); //Cho cho den het muc TR0 = 0; //Dung timer TF0 = 0;//xoa co timer soxung = 0; 57 soxung = TH0*256+TL0; if(soxung>8000) return 1; else return 0; } void NgatNgoai0(void) interrupt { unsigned int soxung; unsigned char i=0,j=0,ms=1000; long int DATA_IR = 0x00000000; if(check_start()== 1) { while(DATA_INFR == 1); //Cho cho het phan bit cua START while(i