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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG 621.34 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG HỒNG NGOẠI Người hướng dẫn : ThS Nguyễn Phúc Ngọc Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thủ Đức Lớp : 51K1 - ĐTVT Khóa học : 2010 - 2015 NGHỆ AN - 2015 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv DANH MỤC BẢNG BIỂU .v DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA .3 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa .3 1.1.1 Một số vấn đề hệ thống điều khiển từ xa 1.1.2 Các phương pháp mã hóa điều khiển từ xa 1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa 1.1.4 Các phương pháp điều chế tín hiệu hệ thống điều khiển từ xa 1.2 Điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại 1.2.1 Khái niệm tia hồng ngoại 1.2.2 Nguồn phát hồng ngoại 1.2.3 Linh kiện thu sóng hồng ngoại 1.2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa dùng hồng ngoại 10 CHƯƠNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 13 2.1 Giới thiệu chung vi điều khiển PIC .13 2.1.1 PIC gì? .13 2.1.2 Tại dùng vi điều khiển PIC 13 2.1.3 Kiến trúc PIC .13 2.1.4 RISC CISC .14 2.1.5 PIPELINING .15 2.1.6 Các dòng PIC cách lựa chọn vi điều khiển PIC .15 2.1.7 Ngơn ngữ lập trình cho PIC 16 2.2 Một vài thông số vi điều khiển PIC 16F877A 16 2.2.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A .18 i 2.2.2 Tổ chức nhớ 19 2.2.3 Các cổng xuất nhập PIC16F877A 21 2.2.4 TIMER .22 2.2.5 TIMER1 24 2.2.6 TIMER .25 2.2.7 ADC 26 2.2.8 COMPARATOR 28 2.2.9 Bộ tạo điện áp so sánh 30 2.2.10 CCP 31 2.2.11 Ngắt (interrupt) 35 CHƯƠNG THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG HỒNG NGOẠI .37 3.1 Thiết bị thu, phát rơle 37 3.1.1 Chuẩn giao tiếp thiết bị phát 37 3.1.2 Thiết bị thu 42 3.1.3 Thiết bị đóng ngắt Rơle .42 3.2 Thiết kế mạch .44 3.2.1 Các khối sơ đồ nguyên lý .44 3.2.2 Các linh kiện sử dụng mạch .46 3.2.3 Mạch in 46 3.2.4 Mạch điều khiển mơ hình thi cơng 47 3.3 Lưu đồ thuật toán .47 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cám ơn thầy Nguyễn Phúc Ngọc tận tình hướng dẫn định hướng em thời gian nghiên cứu thực đề tài Em xin chân thành cám ơn thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thơng nhiệt tình dạy dỗ, cung cấp cho em kiến thức vững suốt năm học qua Thời gian thực đồ án có hạn nên cố gắng nhiều đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy khoa tận tình bảo góp ý kiến để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn Sinh viên thực Nguyễn Thủ Đức iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày hệ thống điều khiển từ xa, thành phần hệ thống phương pháp điều chế hệ thống điều khiển từ xa Tìm hiểu vi điều khiển PIC, ngơn ngữ lập trình cho PIC, thơng số vi điều khiển PIC 16F877A Giới thiệu linh kiện điện tử sử dụng hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại, quy trình thiết kế, ngun lý hoạt động chế tạo hoàn thiện hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại ABSTRACT The thesis presentation on a remotely control system, the components of the system and the method of preparing the system remotely Find out about PIC microcontroller, PIC programming language, the parameters of PIC 16F877A microcontroller Introduction of electronic parts used in the system remotely by infrared waves, the process design, operation principles and manufacture complete system remotely control by infrared waves modulation iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Bảng điều chế xung 32 Bảng 3.1 Địa lệnh khung giao tiếp 41 v DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa Hình 1.2 Sơ đồ khối máy phát Hình 1.3 Sơ đồ khối máy thu Hình 1.4 Các dạng xung Hình 1.5 Hệ thống điều chế PAM Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống RAMP Hình 1.7 Dạng sóng hồng ngoại Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống phát 10 Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống thu 11 Hình 2.1 Kiến trúc Havard kiến trúc Von-Neuman 14 Hình 2.2 Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A dạng sơ đồ chân 17 Hình 2.3 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 18 Hình 2.4 Bộ nhớ chương trình 19 Hình 2.5 Sơ đồ nhớ liệu PIC16F877A 20 Hình 2.6 Sơ đồ khối Timer0 23 Hình 2.7 Sơ đồ khối Timer1 25 Hình 2.8 Sơ đồ khối Timer2 25 Hình 2.9 Sơ đồ khối chuyển đổi ADC 27 Hình 2.10 Các cách lưu kết chuyển đổi AD 28 Hình 2.11 Ngun lí hoạt động so sánh đơn giản 29 Hình 2.12 Sơ đồ khối tạo điện áp so sánh 30 Hình 2.13 Sơ đồ khối ccp 32 Hình 2.14 Sơ đồ khối ccp (compare mode) 33 Hình 2.15 Sơ đồ khối ccp (PWM mode) 34 Hình 3.1 Thiết bị phát ( điều khiển từ xa Tivi Sony) 37 Hình 3.2 Xung điều khiển 38 Hình 3.3 Xung điều khiển 39 Hình 3.4 Một xung tín hiệu điều khiển 39 Hình 3.5 Một sóng thiết bị điều khiển sau qua mắt nhận 40 vi Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mắt thu hồng ngoại (irm 56384) 42 Hình 3.7 Một số loại Rơle 43 Hình 3.8 Sơ đồ Rơle chân 43 Hình 3.9 Nguồn 5V 44 Hình 3.10 Mạch tạo xung dao dộng 44 Hình 3.11 Vi điều khiển Pic 16F877A chân vào 45 Hình 3.12 Mạch xuất tín hiệu điều khiển đến Rơle 45 Hình 3.13 Mạch động lực Rơle chân 45 Hình 3.14 Mạch in 46 Hình 3.15 Mạch thi công 47 Hình 3.16 Mơ hình thi cơng hồn chỉnh 47 Hình 3.17 Sơ đồ thuật tốn 48 Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa Hình 1.2 Sơ đồ khối máy phát Hình 1.3 Sơ đồ khối máy thu Hình 1.4 Các dạng xung Hình 1.5 Hệ thống điều chế PAM Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống RAMP Hình 1.7 Dạng sóng hồng ngoại Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống phát 10 Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống thu 11 Hình 2.1 Kiến trúc Havard kiến trúc Von-Neuman 14 Hình 2.2 Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A dạng sơ đồ chân 17 Hình 2.3 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 18 Hình 2.4 Bộ nhớ chương trình 19 Hình 2.5 Sơ đồ nhớ liệu PIC16F877A 20 Hình 2.6 Sơ đồ khối Timer0 23 Hình 2.7 Sơ đồ khối Timer1 25 Hình 2.8 Sơ đồ khối Timer2 25 Hình 2.9 Sơ đồ khối chuyển đổi ADC 27 Hình 2.10 Các cách lưu kết chuyển đổi AD 28 vii Hình 2.11 Nguyên lí hoạt động so sánh đơn giản 29 Hình 2.12 Sơ đồ khối tạo điện áp so sánh 30 Hình 2.13 Sơ đồ khối ccp 32 Hình 2.14 Sơ đồ khối ccp (compare mode) 33 Hình 2.15 Sơ đồ khối ccp (PWM mode) 34 Hình 3.1 Thiết bị phát ( điều khiển từ xa Tivi Sony) 37 Hình 3.2 Xung điều khiển 38 Hình 3.3 Xung điều khiển 39 Hình 3.4 Một xung tín hiệu điều khiển 39 Hình 3.5 Một sóng thiết bị điều khiển sau qua mắt nhận 40 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mắt thu hồng ngoại (irm 56384) 42 Hình 3.7 Một số loại Rơle 43 Hình 3.8 Sơ đồ Rơle chân 43 Hình 3.9 Nguồn 5V 44 Hình 3.10 Mạch tạo xung dao dộng 44 Hình 3.11 Vi điều khiển Pic 16F877A chân vào 45 Hình 3.12 Mạch xuất tín hiệu điều khiển đến Rơle 45 Hình 3.13 Mạch động lực Rơle chân 45 Hình 3.14 Mạch in 46 Hình 3.15 Mạch thi công 47 Hình 3.16 Mơ hình thi cơng hồn chỉnh 47 Hình 3.17 Sơ đồ thuật tốn 48 viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IC integrated circuit Vi mạch tích hợp PIC Programable Intelligent Computer Máy tính thơng minh khả trình LED Light-Emitting Diode Đi ốt phát quang ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đối tương tự sang số TV Television Tivi CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm RAM Random Access Memory Một loại nhớ máy tính/thiết bị LSB least significant bit Bit có trọng số thấp MSB Most significant bit Bít có trọng số cao Header Phần mào đầu Command Lệnh Address Địc In/out Vào/ra I/O ix Hình thể giao thức truyền SIRC Sony Với giao thức bit thấp (LSB) truyền đầu tiên, bit cao (MSB) truyền sau lệnh (command) hay địa thiết bị (address) Với bit start có độ rộng khoảng 2,4ms, khoảng thời gian hai bit truyền 0,6ms Giao thức thường sử dụng để điều chỉnh phận nhận hồng ngoại Đầu tiên truyền bit lệnh, tiếp đến bit địa  Các địa lệnh khung giao tiếp Bảng 3.1 Địa lệnh khung giao tiếp [8] Address 12 16 17 18 Device TV VCR VCR Laser Disc Unit Surround Sound Cassette deck / Tuner CD Player Equalizer Command 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 30 31 38 39 47 41 Function Digit key Digit key Digit key Digit key Digit key Digit key Digit key Digit key Digit key Digit key Channel + Channel Volume + Volume Mute Power Reset Audio Mode Contrast + Contrast Colour + Colour Brightness + Brightness Balance Left Balance Right Standby 3.1.2 Thiết bị thu Mắt thu hồng ngoại Mạch thu thiết kế với mắt thu hồng ngoại sẵn có thị trường Mắt thu thiết kế với lọc dải, cho phép tần số sấp sỉ 36KHz qua Bình thường đầu mắt thu mức cao, nhận tìn hiệu hồng ngoại tần số ~36KHz truyền tới, đầu mắt thu trở về mức logic thấp (0V) Khi hết tín hiệu hồng ngoại đầu trở mức logic cao (mức 1) Nhờ vào việc đo thời gian mức thấp đầu ra, biết thời gian phát xung tương đương bên phát, từ suy mã truyền Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mắt thu hồng ngoại (irm 56384) Ở mắt thu chân (GND),chân (VCC), chân tin hiệu 3.1.3 Thiết bị đóng ngắt Rơle Rơle thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu hay đổi nhảy cấp tín hiệu đầu vào đạt giá trị xác định Rơle thiết bị dùng để đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ điều khiển làm việc mạch động lực Các phận Rơle:  Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu): Có nhiệm vụ trực tiếp nhận tín hiệu đầu vào biến đổi thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian  Cơ cấu trung gian (khối trung gian) Làm nhiệm vụ nhận tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu biến đổi thành đại lượng cần thiết cho rơle tác động 42  Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành) Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển Hình 3.7 Một số loại Rơle Rơle sử dụng mạch lại Rơle chân-12V Chúng ta phân làm phần: Phần điều khiển hai chân cuộn dây Trong hình 3.6 chân 1-5 Phần cơng tắc gồm chân 4-2-3 8-6-7 tạp thành hai công tắc đóng mở đồng thời: + Khi khơng có tín hiệu điện (12V) vào chân 1-5 chân 2-4 6-8 nối với (hình A) + Khi có tín hiệu vào chân 1-5 chân 2-3 6-7 nối với (hình B) [3] Hình 3.8 Sơ đồ Rơle chân 43 3.2 Thiết kế mạch 3.2.1 Các khối sơ đồ nguyên lý  Mạch nguồn Mạch nguồn có chức tạo điện áp 5V từ nguồn 9V cung cấp cho mạch điều khiển Hình 3.9 Nguồn 5V Điện áp từ nguồn acquy pin đưa vào IC7805 tạo điện áp 5V đầu tụ C1, C2, C3, C4 để lọc nhiễu san phẳng điện áp điện áp vào  Mạch cung cấp xung hoạt động Mạch có nhiệm vụ cung cấp xung dao động cho PIC Ở ta dùng thạch anh làm nguồn cấp xung cho PIC Hình 3.10 Mạch tạo xung dao dộng Ở ta dùng thạch anh, tụ C6, C7, tụ có tác dụng tạo xung có giá trị ổn định 44  Sơ đồ mạch nguyên lý Hình 3.11 Vi điều khiển Pic 16F877A chân vào  Mạch động lực Hình 3.12 Mạch xuất tín hiệu điều khiển đến Rơle Hình 3.13 Mạch động lực Rơle chân 45 Mạch động lực mạch điều khiển cách li opto Điện trở M1 giá trị 2k2: để hạn chế dòng qua diot quang opto tránh làm cháy opto Opto dùng để truyền tín hiệu điều khiển từ Pic sang mạch động lực, tránh ảnh hưởng việc đóng cắt, điều chỉnh rơle động làm cháy PIC module mạch điều khiển Transisto Q1 có tác dụng khuyếch đại tín hiệu cho mạch Diode D1 có tác dụng không cho dùng điện truyền ngược từ cuộn dây Rơle vào mạch điều khiển 3.2.2 Các linh kiện sử dụng mạch - PIC16F877A - Transitor C2383 - IC 7805 - Role chân 12V - Opto PC817 - Diode - Led - Trở tụ điện - Các nút nhấn Domino… 3.2.3 Mạch in Hình 3.14 Mạch in 46 3.2.4 Mạch điều khiển mơ hình thi cơng Hình 3.15 Mạch thi cơng Sau hình ảnh mơ hình hồn chỉnh: Hình 3.16 Mơ hình thi cơng hồn chỉnh 3.3 Lưu đồ thuật tốn Để thu bit mã lệnh ta làm sau: 1) Thiết lập ghi chứa command = 2) Khởi đầu cách chờ tín hiệu xuống - Đây bít START (2400 µs) 3) Chờ cho tín hiệu lên - Đây khởi đầu dãy bít 4) Chờ cho tín hiệu xuống 5) Tạo trễ khoảng 900us 6) Đo mức tín hiệu 7) Nếu tín hiệu nhận mức cao bít nhận bít 47 Nếu mức tín hiệu mức thấp bit nhận bit Cộng giá trị command với bít vừa nhận sau dịch phải ghi chứa giá trị command Thực vịng lần để thu bít command Thuật Tốn: Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán 48 Kết luận chương 3: Việc sử dụng thiết bị điều khiển Tivi Sony làm thiết bị phát tín hiệu điều khiển giúp ta giảm bớt phần chế tạo thiết bị phát mà tập trung vào nghiên cứu dạng tín hiệu thiết bị điều khiển Tivi Sony phát sử dụng LED thu hồng ngoại IRM 56384 để giải mã Sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A để giải mã chương trình điều khiển, điều khiển việc đóng ngắt Rơle cách linh hoạt Trong mạch có sử dụng Opto 817 cách ly vi mạch điều khiển với nguồn điện 220V 49 KẾT LUẬN Sau nhiều tháng thực đề tài, thiết kế thi công thành công hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại  Kết đạt - Hệ thống chạy ổn định, hoạt động với thời gian dài - Khoảng cách điều khiển xa (khoảng 10m) - Mạch thi cơng thực tế điều khiển thiết bị điều khiển cách tiện lợi  Những hạn chế đề tài - Sóng hồng ngoại bị ảnh hưởng ánh sáng mặt trời nên tín hiệu dễ bị nhiễu - Hạn chế thời gian nên mô hình chưa hồn mỹ khí - Hạn chế tài nên mạch mơ hình phải sử dụng số thiết bị chưa thực tốt - Mạch đóng ngắt dùng rơ le lên mạch cồng kềnh, cần sử dụng điện áp 12V cho mạch  Hướng phát triển đề tài - Thiết kế điều khiển đóng ngắt dùng triac, thiết kế mạch in lớp cho điều khiển nhỏ gọn - Thiết kế hệ thống điều khiển từ xa sử dụng nhớ ngồi - Tích hợp giải mã nhiều loại điều khiển chip Như người dùng sử dụng nhiều loại điều khiển Khi thay điều khiển cần khai báo lại - Tăng khoảng cách điều khiển cách thiết kế sử dụng sóng vơ tuyến sóng điện thoại để điều khiển 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình: [1] Văn Thế Minh, Kỹ thuật Vi Xử Lý, nhà xuẩt giáo dục, 1997 [2] Nguyễn Hứa Duy Khang, Trần Hữu Danh, Tài liệu lập trình hệ thống, nhà xuất Đại học Cần Thơ, 2008 [3] Đào Thái Diệu, Kỹ thuật cảm biến đo lường điều khiển, nhà xuất Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh, 2008 [4] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử cơng suất, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 [5] Nguyễn Mạnh Giang, Các vi điều khiển PIC, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2009 Trang web: [6] http://www.dientuvietnam.com, truy nhập cuối ngày 15/01/2015 [7] http://www.picvietnam.com, truy nhập cuối ngày 15/01/2015 [8] http://www.microchip.com/PIC 16F, truy nhập cuối ngày 15/01/2015 51 PHỤ LỤC Đây chương trinh nạp cho PIC viết ngôn ngữ lập trinh C chương trình CCS ****** Chương Trình Điều Khiển Xa Bằng Hồng Ngoại ***** #include #fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP #use delay (clock=20000000) //use thach anh #define IR RA2 // Nhan hong ngoai #define TB1 RB0 #define TB2 RB1 #define TB3 RB2 #define TB4 RB3 unsigned int i; unsigned char command; /**************Cac chuong trinh con*******************/ /***********Giai ma**************/ void giai_ma (unsigned char command) { switch (command) { 52 case 0: TB1=~TB1; break; // key case 1: TB2=~TB2; break; // key case 2: TB3=~TB3; break; // key case 3: TB4=~TB4; break; // key case 21: PORTB=0xff; break; //nut' power } } /**********Doc du lieu**********/ void read_data () { command=0; kiemtra: while (IR==0); // timer out, bat dau lai tu dau while (IR==1); // khong nut nao tren remote duoc nhan while (IR==0) // nhan duoc bit START { delay_us (2500); if (IR==0) // neu khong phai la bit Start goto kiemtra; // thi bat dau lai } for (i=0;i