Tài liệu ĐIỀU KHIỂN TỬ XA DÙNG TIA HỒNG NGOẠI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỬ XA DÙNG TIA HỒNG NGOẠI GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải SVTH: Trần Hữu Toàn MSSV: 13141375 TP.Hồ Chí Minh, 5/2016 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỠNG DẪN ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................... . MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... 2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ............................ 3 1.1 . Lí do chọn đề tài .................................................................................................. 3 1.2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................................ 4 1.3. Giới hạn đề tài ....................................................................................................... 4 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI ........................................................................ 5 2.1. Khái niệm về ánh sáng hồng ngoại ......................................................................... 5 2.2. Nguyên lý thu phát hồng ngoại ............................................................................... 5 2.2.1. Phần mạch phát ................................................................................................. 5 2.2.2. Phần mạch thu ................................................................................................... 6 2.3. Giới thiệu cặp ic thu phát PT2248 và PT2249.................................................... 7 2.3.1. IC phát tín hiệu hồng ngoại PT2248 ................................................................ 7 2.3.2. IC thu tín hiệu hồng ngoại PT2249 ................................................................ 10 2.4. Sơ lược về các linh kiện cơ bản khác trong mạch ứng dụng .......................... 11 2.4.1. IC 4013 .............................................................................................................. 11 2.4.2. LED phát hồng ngoại....................................................................................... 12 2.4.3. Mắt thu hồng ngoại (TSOP 1838) .................................................................. 13 2.4.4. Điện trở ............................................................................................................. 13 2.4.5. Tụ điện .............................................................................................................. 15 2.4.6. Diode ................................................................................................................. 15 2.4.7. Relay .................................................................................................................. 16 CHƯƠNG 3: THI CÔNG MẠCH .................................................................................. 18 3.1. Sơ đồ nguyên lý....................................................................................................... 18 3.1.1. Mạch nguyên lý của mạch phát ...................................................................... 18 3.1.2. Mạch nguyên lý của mạch thu .................................................................... 19 3.2. Tính toán thiết kế ................................................................................................... 20 3.2.1. Bộ dao động tần số của mạch phát ................................................................. 20 3.2.2. Khối khuếch đại và phát tia hồng ngoại ........................................................ 21 3.2.3. Khối thu tín hiệu tín hiệu hồng ngoại ............................................................ 23 3.2.4. Cài mã cho mạch phát và mạch thu ............................................................... 24 3.2.5. Khối dao động .................................................................................................. 25 3.2.6. Khối chốt dữ liệu .............................................................................................. 26 3.3. Sơ đồ mạch in ......................................................................................................... 28 3.4. Mạch sau khi hoàn thành ...................................................................................... 29 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ................................................................................................ 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 31 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đối với thầy cô của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM, đặc biệt thầy cô Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện tốt cho em thực hiện đồ án môn học. Đặc biệt, em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thanh Hải đã nhiệt tình hưỡng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án môn học. Trong quá trình thực hiện đồ án môn học, khó tránh khỏi những sai sót, rất mong thầy bỏ qua. Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiến còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự đóng góp của Thầy để em có thể học thêm được nhiều kinh nghiệm. Em xin chân thành cảm ơn! 1 LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có sao chép tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. 2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 . Lí do chọn đề tài Ngày nay, cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến đã góp phần làm cho thế giới của chúng ta đã và đang ngày càng thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Nhờ vào sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, hàng loạt các thiết bị hiện đại, máy móc đã ra đời đã làm tăng năng suất lao động và giảm sức lao động bỏ ra. Ngoài ra, nó còn góp phần làm cho cuộc của con người ngày càng tiến bộ hơn và hiện đại hơn, thoải mái và tiện ích. Vì vậy, ứng dụng kỹ thuật điều từ xa cho các thiết bị, không còn xa lạ đối với mọi người. Chỉ cần một vài thao tác đơn giản có thể điều khiển được hệ thống theo mong muốn mà không phải trực tiếp đến nơi đặt hệ thống. Ứng dụng điều khiển từ xa xuất hiện ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ ứng dụng trong giải trí đến việc điều khiển các máy móc trong sản xuất và nghiên cứu. Từ hệ thống đơn giản đến những các hệ thống có độ phức tạp khác nhau. Việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển từ xa vào lĩnh vực thông tin liên lạc, lĩnh vực vật lý hạt nhân, hóa học, sinh hoc, kỹ thuật đo lường (Ví dụ: Trước đây muốn đo độ phóng xạ của lò hạt nhân thì hết sức khó khăn và phức tạp, nhưng giờ đây con người có thể ở một nơi an toàn có thể đo được độ phóng xạ của lò hạt nhân nhờ kỹ thuật điều khiển từ xa),…. Hệ thống điều khiển từ xa đã hạn chế được mức độ phức tạp của công việc và đảm bảo an toàn cho con người. Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta thương tiếp xúc với nhiều thiết bị điều khiển từ xa như: Tivi, đầu Video, VCD, DVD, máy điều hòa nhiệt độ, …. Những đó chỉ là điều khiển một thành phần riêng lẻ. Trong tương lai, con người hướng đến việc điều khiển tất cả các thiết bị chỉ bằng một bộ điều khiển. Xuất phát từ nhu cầu trên nên em đã chọn đề tài: “Điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại” dùng để điều khiển đóng cắt 4 đến 5 thiết bị (Ví dụ: bóng đèn, …). 3 1.2. Mục tiêu của đề tài Điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại làm tăng năng suất lao động và giảm sức lao động bỏ ra. Hệ thống điều khiển từ xa đã hạn chế được mức độ phức tạp của công việc và đảm bảo an toàn cho con người trong khi điều khiển các máy móc, thiết bị trong công nghiệp. Ứng dụng kiến thức đã học vào thực tiến. 1.3. Giới hạn đề tài Vì lý do thời gian có hạn nên đồ án điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại để điều khiển đóng cắt từ 4 đến 5 thiết bị (Ví dụ: Bóng đèn…). Phạm vi hoạt động: khoảng 2m - 5m. Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém, chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng. Do đó phải thu đúng hướng. 4 CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI 2.1. Khái niệm về ánh sáng hồng ngoại Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có bước sóng khoảng từ 0.86 µm đến 0.98 µm. Tia hồng ngoại có vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. Tia hồng ngoại có thể truyền được nhiều kênh tín hiệu. Lượng thông tin có thể đạt 3 mega bit/s. Lượng thông tin với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ. Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều kiện điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại, chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp và có hướng, do đó khi thu phải đúng hướng. 2.2. Nguyên lý thu phát hồng ngoại 2.2.1. Phần mạch phát  Sơ đồ khối chức năng: Hình 2.1: Sơ đồ khối của mạch phát tia hồng ngoại  Chức năng của từng khối:  Khối nguồn: cum cấp nguồn cho các khối hoạt động (IC, linh kiện,… ). 5  Khối chọn chức năng và khối mã hóa: Khi người sử dụng bấm vào các phím chức năng để phát lệnh yêu cầu, mỗi phím chức năng tương ứng một số thập phân. Lúc này tín hiệu sẽ chuyển đổi thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng mã lệnh tín hiệu số gồm các bit 0 và 1. Số bit trong mã nhị phân có thể là 4 bit hay 8 bit.  Khối dao động có điều kiện: Khi nhấn một phím chức năng thì đồng thời khởi động mạch dao động, tần số xung xác định thời gian chuẩn của mỗi bit.  Khối chốt dữ liệu: Mã nhị phân tại mạch mã hóa sẽ được chốt dữ liệu để đưa vào mạch điều chế và phát. Mạch chốt dữ liệu được điều khiển bởi xung dao dộng nhằm đảm bảo kết thúc đúng lúc việc chuyển đổi đủ số bit của một mã lệnh.  Khối điều chế và phát: Mã lệnh dưới dạng nối tiếp sẽ được đưa qua mạch điều chế và phát để ghép mã lệnh vào sóng mang có tần số 38KHz đến 100KHz, nhờ sóng mang cao tần tín hiệu được truyền đi xa hơn.  Khối thiết bị phát: là một LED hồng ngoại. Khi mã lệnh có giá trị bit = ‘1’ thì LED phát hồng ngoại trong khoảng thời gian T. Khi mã lệnh có giá trị bit = ‘0’ thì LED không sáng. 2.2.2. Phần mạch thu  Sơ đồ khối chức năng: Hình 2.2: Sơ đồ khối của mạch thu tia hồng ngoại và giải mã 6  Chức năng của từng khối:  Khối thiết bị thu: Tia hồng ngoại từ phần phát được tiếp nhận bởi LED thu hồng ngoại.  Khối khuếch đại và Tách sóng: Trước tiên khuếch đại tín hiệu nhận rồi đưa qua mạch tách sóng nhằm triệt tiêu sóng mang và tách lấy dữ liệu cần thiết là mã lệnh.  Khối giải mã: mã lệnh được đưa vào giải mã ra thành số thập phân tương ứng dưới dạng một xung kích tại ngõ ra tương ứng để kích mở mạch điều khiển.  Tần số sóng mang còn được dùng để so pha với tần số dao động bên phần thu giúp cho mạch thu phát hoạt động đồng bộ, đảm bảo cho mạch tách sóng và mạch chuyển đổi nối tiếp sang song song hoạt động chính xác. 2.3. Giới thiệu cặp ic thu phát PT2248 và PT2249 2.3.1. IC phát tín hiệu hồng ngoại PT2248 Đây là bộ truyền phát tia hồng ngoại ứng dụng bởi công nghệ CMOS.  Đặc tính: + Được sản xuất theo công nghệ CMOS. + Tiêu thụ công suất thấp. + Vùng điện áp hoạt động: 2.2V – 5V. + Dòng trạng thái tĩnh chỉ 10 µA + Sử dụng nhiều phím chức năng khác nhau để điều khiển.  Ứng dụng: Bộ phát hồng ngoại dùng trong các thiết bị điện tử như: Tivi, đầu Video,…. 7  Sơ đồ chân của IC PT2248: Hình 2.3: Sơ đồ chân của IC PT2248 + IC PT2248 sử dụng 16 chân vỏ nhựa kiểu cắm thẳng hàng.  Chức năng của các chân dẫn:  Chân 1 (VSS): là chân mass được nối với cực âm của nguồn điện.  Chân 2 và chân 3: là hai chân nối với thạch anh bên ngoài cho bộ tạo dao động ở bên trong IC.  Chân 4 đến chân 9 (K1 – K6): là đầu vào của tín hiệu bàn phím ma trận, các chân từ K1 đến K6 kết hợp với các chân 10 đến 12 (T1 – T3) để tạo thành ma trận phím 18 phím.  Chân 13 (CODE): là chân mã số dùng để kết hợp với các chân T1 – T3 để tạo thành tổ hợp mã hệ thống giữa phần phát và phần thu.  Chân 14 (TEST): là chân dùng để kiểm tra mã của phần phát, bình thường khi không sử dụng có thể bỏ trống.  Chân 15 (TXOUT): là chân ra của tín hiệu đã được điều chế.  Chân 16 (VCC): là chân cấp nguồn dương.  Bộ tạo dao đông và bộ phân tần: Để có thể phát tín hiệu đi xa, ta cần có tần số 38 KHz ở nơi nhận. Nhưng trên thị trường khó tìm được thạch anh đúng tần số, nên ta chọn tần số thạch anh là 455 KHz cho bộ dao động và đưa qua bộ chia nó ra thành 12 lần. 8 Tần số được tính theo công thức: fC = fOSC 12 Theo công thức (2.1), ta có: fC = 455 12 (2.1) ≅ 38 KHz  Các tham số cực hạn của PT2248: Đặc trưng Biểu tượng Tham số Đơn vị Nguồn cum cấp Vcc 5.5 V Điện áp vào/ ra Vin Vss = -0.5V đến Vcc = +0.5V V Tiêu tán điện năng Pd 200 mV Nhiệt độ hoạt động Topr 0 đến 70 °C Nhiệt độ lưu trữ Tstg Dòng điện ngõ ra Iout °C -5 mA Bảng 2.1: Bảng tham số cực hạn của IC PT2248 Mạch điện bàn phím: có tổng cộng 18 được nối từ các chân K1 đến K6 và mạch hoạt động thời gian T1 đến T3 đã tạo ta ra bàn phím ma trận 6x3. Hình 2.4: Sơ đồ bàn phím điều khiển 9  Chức năng của từng phím nhấn:  Phím 1 – 6: là những phím cho ra tín hiệu liên tục khi ấn dữ.  Phím 7 – 18: là những phím cho ra những tín hiệu không liên tục. Tín hiệu sẽ bị mất ngay cả khi nhấn giữ phím. 2.3.2. IC thu tín hiệu hồng ngoại PT2249 IC PT2249 được chế tạo bằng công nghệ CMOS. IC PT2249 đi cặp với IC phát PT2248 để tạo thành mạch thu – phát cho điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại.  Đặc tính: + Tiêu tán công suất thấp. + Khả năng chống nhiễu cao. + Nhận được đồng thời 5 chức năng từ IC phát PT2248. + Cum cấp bộ dao động RC. + Bộ lọc số và Bộ kiểm tra mã ngăn ngừa sự tác động từ nguồn sáng khác. Không ảnh hưởng đến độ nhạy của mắt thu.  Sơ đồ chân của IC PT2249: Hình 2.5: Sơ đồ chân IC PT2249 10  Chân 1 (Vss): là chân mass được nối với cực âm của nguồn điện.  Chân 2 (RXIN): là đầu vào của tín hiệu.  Chân 3 đến chân 7 (HP1 – HP5): là đầu ra của tín hiệu liên tục. Chỉ cần thu được tín hiệu tương ứng với đầu ra đó sẽ luôn duy trì ở mức “1”.  Các chân 8 đến 12 (SP5 – SP1): là đầu ra của tín hiệu không liên tục. Chỉ cần thu được tín hiệu tương ứng với đầu ra đó sẽ duy trì ở mức “1” trong thời gian là 107ms.  Chân 13 (CODE 3) và chân 14 (CODE 2): để tạo tổ hợp mã hệ thống giữa phần phát và phần thu. Mã số của hai chân này phải giống tổ hợp mã hệ thống bên phát thì mới thu được tín hiệu.  Chân 15 (OSC): là chân nối tụ điện và điện trở bên ngoại để tạo dao động cho mạch.  Chân 16 (Vcc): là chân cấp nguồn dương. 2.4. Sơ lược về các linh kiện cơ bản khác trong mạch ứng dụng 2.4.1. IC 4013 IC 4013 tích hợp 2 flip-flop D với 2 trạng thái ổn định. Sử dụng đầu vào kích để thay đổi trạng thái mức 0 và 1. Flip-flop D có các chân: ngõ vào xung clock (CLOCK), tín hiệu ̅ ). vào (DATA), đặt trực tiếp (SET), xóa trực tiếp (RESET), hai ngõ ra tín hiệu (Q và Q  Cấu tạo và sơ đồ chân: Hình 2.6: Sơ đồ chân của IC4013 11 + IC 4013 có 14 chân. Trong đó, có 4 ngõ vào và 2 ngõ ra.  Chức năng của các chân:  D: dữ liệu vào.  CLOCK: ngõ vào xung clock.  SET: chân đặt.  RESET: chân xóa.  Q: ngõ ra chính. ̅ : ngõ ra bổ sung.  Q  Bảng trạng thái của flip flop D CLK D RES SET Q ̅ Q 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 X 0 0 Q ̅ Q X X 1 0 0 1 X X 0 1 1 0 X X 1 1 1 1 Bảng 2.2: Bảng trạng thái Flip Flop D 2.4.2. LED phát hồng ngoại LED là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. cũng giống như diode, LED được cấu tạo từ khối bán dẫn loại Pgheets với một khối bán dẫn loại N.  Tính chất:  Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh Hình 2.7: LED phát hồng ngoại sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường. 12  Có bước sóng trong khoảng 0.8µm đến 0.9µm, tia hồng ngoại cũng có thể truyền bằng vận tốc ánh sáng. LED thường có điện thế phân cực thuận lợi diode thông thường, trong khoảng 1.5V đến 3V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó, LED dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra. 2.4.3. Mắt thu hồng ngoại (TSOP 1838) Đối với modul mắt thu có hai loại mắt thu tín hiệu hồng ngoại. Một loại vỏ bằng sắt và một loại vỏ bằng nhựa. Trong mạch thu tín hiệu hồng ngoại sử dụng mắt nhận tia hồng ngoại vỏ sắt có tên là TSOP 1838. Dùng loại modul này chống được nhiễu bên ngoài và thu được tín hiệu xung quanh nó.  Cách xác định chân của TSOP 1838 rất đơn giản: + Chân 1: là chân Vcc. + Chân 2: là chân GND. + Chân 3: là chân tín hiệu. Hình 2.8: Sơ đồ chân của mắt thu hồng ngoại 2.4.4. Điện trở Điện trở dùng để cản trở dòng điện của một vật dấn điện, nếu vật dấn điện tốt thì điện trở nhỏ và ngược lại vật cách điện có điện trở cực lớn. Hình 2.9: Điện trở 13 Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu và tiết điện của dây dẫn, được tính theo công thức: R= ρ. l S (2.1)  Trong đó: R: là điện trở (Ω). ρ: là điện trở công suất. l: là chiều dài dây dẫn. S: là tiết diện của dây dẫn. Trong thực tế, điện trở là một loại linh kiện điện tử không phân cực, điện trở được làm từ hợp chất cacbon và kim loại, chúng được pha chế theo tỉ lệ mà tạo ra các con điện trở có điện dung khác nhau. Đơn vị đo: Ω, KΩ, MΩ.  Cách đọc giá trị điện trở: Hình 2.10: Bảng màu điện trở 14 2.4.5. Tụ điện Tụ điện là linh kiện thụ động và được sử dụng trong các mạch điện tử (mạch lọc nguồn lọc nhiễu mạch truyền tín hiệu, mạch dao động,… ). Tụ điện là linh kiện dùng để cản trở và phóng nạp khi cần thiết và đặc trưng bởi dung kháng phụ thuộc tần số điện áp. XC = 1 2πfC (2.2)  Tụ điện có 2 loại:  Tụ không phân cực: là tụ có hai cực như nhau và giá trị thường nhỏ (pF).  Tụ phân cực: là tụ có hai cực tính âm và dương không thể lẫn lộn nhau được. có giá trị lớn hơn so với tụ không phân cực. Hình 2.11: (a) Tụ không phân cực (b) Tụ phân cực 2.4.6. Diode Diode được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau. Diode có hai cực là anot (A) và Katot (K). Nó chỉ cho dòng điện một chiều đi từ A sang K nó coi như van một chiều trong dòng điện và được ứng dụng rộng rãi. Diode được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu, ổn định điện áp,…. 15 Hình 2.12: (a) Cấu tạo của Diode 2.4.7. Relay Relay: là một thiết bị dùng để điều khiển đóng, cắt thiết bị điện bằng cách cấp điện áp thấp và công suất nhỏ điều khiển điều khiển đóng mở thiết bị sử dụng điện áp cao và công suất lớn vận hành. Hình 2.13: Relay  Relay có đặc điểm:  Cách ly hoàn toàn giữa mạch xử lý có điện áp cao và công suất tải lớn. An toàn cho bộ xử lý và mạch điều khiển.  Relay có cuộn cảm nên đước điều khiển đóng mở phải sử dụng một diode chống điện áp ngược, khi tắt nguồn cấp cho cuộn cảm. Đặc điểm của cuộn cảm là dòng điện không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian, do đó khi ngắt điện sẽ xuất hiện sự tăng áp 16