Hệ thống chống trộm bằng hồng ngoại dung vi xử lý

  • Số trang: 92 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 11 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA KHOA ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP ÑAÏI HOÏC HEÄ THOÁNG BAÙO TROÄM BAÈNG HOÀNG NGOAÏI DUØNG VI XÖÛ LYÙ SVTH: MSSV: CBHD: Th.S HOÀ TRUNG MYÕ BOÄ MOÂN: ÑIEÄN TÖÛ TP Hoà Chí Minh, 06/2007 LÔØI CAÛM ÔN Trong suoát khoùa hoïc (2002 - 2007) taïi Tröôøng Ñaïi Hoïc Baùch Khoa TP.HCM, vôùi söï giuùp ñôõ cuûa quùy thaày coâ vaø giaùo vieân höôùng daãn veà moïi maët töø nhieàu phía vaø nhaát laø trong thôøi gian thöïc hieän ñeà taøi, neân ñeà taøi ñaõ ñöôïc hoaøn thaønh ñuùng thôøi gian qui ñònh. Em xin chaân thaønh caûm ôn ñeán : Boä moân Ñieän töû cuøng taát caû quùy thaày coâ trong Khoa Ñieän – Ñieän töû ñaõ giaûng daïy nhöõng kieán thöùc chuyeân moân laøm cô sôû ñeå thöïc hieän toát luaän vaên toát nghieäp vaø ñaõ taïo ñieàu kieän thuaän lôïi cho em hoaøn taát khoùa hoïc. Ñaëc bieät, Th.s. Hoà Trung Myõ – giaùo vieân höôùng daãn ñeà taøi ñaõ nhieät tình giuùp ñôõ vaø cho em nhöõng lôøi chæ daïy quùy baùu, giuùp em ñònh höôùng toát trong khi thöïc hieän luaän vaên. Taát caû baïn beø ñaõ giuùp ñôõ vaø ñoäng vieân trong suoát quaù trình laøm luaän vaên toát nghieäp. Tuy nhieân, thôøi gian laøm luaän vaên coù haïn neân quyeån luaän vaên khoâng traùnh khoûi nhöõng thieáu soùt raát mong ñöôïc söï ñoùng goùp cuûa quùy thaày coâ vaø caùc baïn. Bản quyền thuộc về Goccay.vn i TOÙM TAÉT Heä thoáng baùo troäm baèng hoàng ngoaïi duøng Vi xöû lyù laø moät heä thoáng khaù hoaøn chænh vôùi caùc chöùc naêng sau: 1. Phaùt hieän troäm ñoät nhaäp Ñöôïc thieát keá vôùi 5 caëp thu phaùt hoàng ngoaïi coù caùc taàn soá khaùc nhau. Khi chöa coù troäm ñoät nhaäp che phaàn thu phaùt thì ñeøn baùo doø ñuùng taàn soá phaùt ôû phaàn thu seõ saùng vaø caáp tín hieäu möùc 1 cho phaàn vi xöû lyù thoâng qua board 4N35 vì ñieän aùp caáp töø phaàn thu lôùn hôn 5V. Khi coù troäm ñoät nhaäp che khuaát moät trong caùc caëp thu phaùt hoaëc che 2 caëp, 3 caëp, 4 caëp, 5 caëp thì led baùo phaàn thu ôû caùc vò trí seõ taét vaø caáp möùc ñieän aùp thaáp (möùc 0) vaøo vi xöû lyù thoâng qua board 4N35. 2. Xöû lyù xuaát tín hieäu baùo ñoäng vaø hieån thò vò trí xuaát hieän troäm Khi coù caùc tín hieäu töø phaàn thu taùc ñoäng vaøo, caùc tín hieäu naøy seõ laàn löôït ñöôïc ñöa vaøo caùc chaân töø P1.0 – P1.4 cuûa vi ñieàu khieån baùo cho vi ñieàu khieån bieát laø coù troäm ñoät nhaäp. Luùc naøy vi ñieàu khieån seõ ra leänh cho chaân P1.7 leân möùc 1 ñeå taùc ñoäng qua transistor ñoùng relay baùo chuoâng vaø ñoàng thôøi xuaát döõ lieäu ra port 0 ñeå hieån thò vò trí coù xuaát hieän troäm ra LCD vaø giöõ hieån thò vò trí xuaát hieän troäm vaø chuoâng baùo cho ñeán khi ta taét heä thoáng thì chuoâng vaø tín hieäu hieån thò seõ taét Khi coù troäm che ôû caëp thu phaùt 1 thì LCD hieån thò “Coù tín hieäu ôû: 1”, neáu che ôû caëp thu phaùt 2 thì LCD hieån thò “Coù tín hieäu ôû: 2”, neáu che ôû caëp thu phaùt 3 thì LCD hieån thò “Coù tín hieäu ôû: 3”, neáu che ôû caëp thu phaùt 4 thì LCD hieån thò “Coù tín hieäu ôû: 4”, neáu che ôû caëp thu phaùt 5 thì LCD hieån thò “Coù tín hieäu ôû: 5”. Neáu bò che ôû 2 vò trí hoaëc 3 hoaëc 4 hoaëc 5 thì LCD laàn löôït hieån thò leân maøn hình caùc trò trí bò che. Neáu khoâng bò che thì khoâng coù tín hieäu taùc ñoäng vaøo vaø vi ñieàu khieån seõ xuaát tín hieäu möùc 0 caáp cho transistor ñieàu khieån relay taét vaø xuaát tín hieäu ra LCD: “Khoâng coù tín hieäu”. Bản quyền thuộc về Goccay.vn ii MUÏC LUÏC Nhieäm vuï luaän vaên Lôøi caûm ôn......................................................................................................................... i Toùm taét .............................................................................................................................. ii Muïc luïc .............................................................................................................................. iii CHÖÔNG 1: TOÅNG QUAN............................................................................................ 1 CHÖÔNG 2: NGUYEÂN TAÉC IR PHAÙT HIEÄN VAÄT CAÛN ....................................... 3 2.1 Nguyeân taéc thu phaùt soùng hoàng ngoaïi ....................................................................... 3 2.1.1 Khaùi nieäm veà tia hoàng ngoaïi ......................................................................... 3 2.1.2 Nguoàn phaùt soùng hoàng ngoaïi vaø phoå cuûa noù ................................................ 3 2.1.3 Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn................................................................... 5 2.1.4 YÙ töôûng boá trí phaàn thu phaùt ñeå phaùt hieän vaät caûn ...................................... 6 2.2 Khoái thu phaùt tín hieäu hoàng ngoaïi ............................................................................. 7 2.2.1 Caáu taïo, nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa Led hoàng ngoaïi ..................................... 7 2.2.2 Photo diode ..................................................................................................... 7 2.2.2.1 Khaùi quaùt ................................................................................................... 7 2.2.2.2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng ................................................................................ 9 2.2.2.3 Cheá ñoä hoaït ñoäng ..................................................................................... 11 2.2.2.4 Ñoä nhaïy ..................................................................................................... 14 2.3 Khoái dao ñoäng............................................................................................................. 15 2.3.1 Khoái dao ñoäng phaàn phaùt (IC 555)................................................................ 15 2.3.2 Khoái dao ñoäng phaàn thu (IC 567).................................................................. 18 2.4 Khoái xöû lyù.................................................................................................................... 23 2.4.1 Giôùi thieäu caáu truùc phaàn cöùng 8051 .............................................................. 23 2.4.2 Caáu truùc beân trong 8051................................................................................. 26 2.4.3 Hoaït ñoäng thanh ghi Timer............................................................................ 33 2.4.4 Ngaét ................................................................................................................. 37 2.5 Maøn hình hieån thò LCD............................................................................................... 39 CHÖÔNG 3: THIEÁT KEÁ PHAÀN CÖÙNG ...................................................................... 45 3.1 Thieát keá heä thoáng thu phaùt ......................................................................................... 45 3.2 Thieát keá maïch phaùt ..................................................................................................... 46 3.2.1 Thieát keá sô ñoà maïch....................................................................................... 46 3.2.2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng...................................................................................... 46 3.2.3 Tính toaùn vaø thieát keá...................................................................................... 48 3.3 Thieát keá maïch thu....................................................................................................... 53 Bản quyền thuộc về Goccay.vn iv 3.3.1 Thieát keá sô ñoà maïch....................................................................................... 53 3.3.2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng...................................................................................... 53 3.3.3 Tính toaùn vaø thieát keá...................................................................................... 54 3.4 Thieát keá maïch vi xöû lyù vaø hieån thò ............................................................................ 63 3.4.1 Thieát keá sô ñoà nguyeân lyù ............................................................................... 63 3.4.2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng...................................................................................... 64 3.4.3 Tính toaùn vaø thieát keá...................................................................................... 65 3.5 Thieát keá maïch nguoàn .................................................................................................. 67 3.5.1 Thieát keá sô ñoà nguyeân lyù ............................................................................... 67 3.5.2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng...................................................................................... 67 CHÖÔNG 4: THIEÁT KEÁ PHAÀN MEÀM ........................................................................ 68 4.1 Löu ñoà giaûi thuaät ......................................................................................................... 68 4.1.1 Giaûi thuaät chöông trình chính ........................................................................ 68 4.1.2 Giaûi thuaät chöông trình con kieåm tra tín hieäu ñaàu vaøo................................. 70 4.1.3 Giaûi thuaät chöông trình con delay ................................................................. 71 4.2 Chöông trình................................................................................................................ 72 CHÖÔNG 5: THI COÂNG VAØ KEÁT QUAÛ THI COÂNG................................................ 81 CHÖÔNG 6: KEÁT LUAÄN VAØ HÖÔÙNG PHAÙT TRIEÅN ÑEÀ TAØI .............................. 83 6.1 Keát luaän ....................................................................................................................... 83 6.2 Höôùng phaùt trieån ñeà taøi .............................................................................................. 83 Taøi lieäu tham khaûo ............................................................................................................ 85 Bản quyền thuộc về Goccay.vn iv Chöông 1: Toång quan CHÖÔNG 1 TOÅNG QUAN Ngaøy nay, vieäc phaùt hieän keû troäm ñoät nhaäp vaøo nhaø, vaøo caùc kho chöùa haøng, vaøo caùc ngaân haøng, nhöõng nôi caát nhöõng taøi saûn quí hieám, nhöõng taøi lieäu maät . . .laø raát caàn thieát ñoái vôùi moïi ngöôøi daân, caùc cô quan chöùc naêng, caùc ngaân haøng … Khoâng chæ caùc coâng ty lôùn hoaëc ngaân haøng môùi cho laép ñaët maø ngay caû ngöôøi daân vôùi thu nhaäp khaù cuõng baét ñaàu ñeå yù ñeán caùc loaïi thieát bò naøy. Ñôøi soáng daân cö ngaøy moät naâng cao, ngoaøi vieäc chaêm lo ñeán aên maëc, phöông tieän ñi laïi, ngöôøi ta coøn ñaëc bieät quan taâm ñeán an ninh cho gia ñình. Caùc thieát bò choáng troäm vì theá ñöôïc söû duïng ngaøy caøng roäng raõi. Thoâng thöôøng khi chuùng ta ñuïng chuyeän môùi quan taâm ñeán vieäc baûo veä an toaøn cho gia ñình mình ñieàu ñoù laø quaù treå vì vaäy vieäc baûo veä taøi saûn vaø tính maïng cuûa baûn thaân vaø gia ñình cuûa mình phaûi laø öu tieân haøng ñaàu vaø thöôøng xuyeân cuûa moãi gia ñình chuùng ta. Ngoaøi vieäc thöôøng xuyeân phaûi neâu cao caûnh giaùc thì vieäc trang bò cho gia ñình nhöõng thieát bò choáng troäm cuõng laø moät giaûi phaùt toát . Thieát bò choáng troäm thoâng thöôøng goàm : Baùo ñoäng coù daây vaø khoâng daây tuy nhieân chuùng ta neân söû duïng loaïi khoâng daây vì seõ taïo myõ quan cho ngoâi nhaø cuûa chuùng ta hôn. Thieát bò naøy goàm nhöõng boä phaän chính sau: 1- Boä phaùt hieän vaät caûn ( SENSOR) Ñaây laø moät thieát bò söû duïng tia hoàng ngoaïi phaùt hieän troäm ñoät nhaäp vaøo nhaø ñoä xa baûo veä cuûa noù thöôøng laø 3m -6m chuùng ta thöôøng söû duïng thieát bò naøy ôû nhöõng khu vöïc nhö saân thöôïng, saân vöôøn, gara, haønh lang hoaëc nhöõng khu vöïc troáng. Khi coù ngöôøi ñi vaøo khu vöïc naøy boä phaùt hieän vaät caûn seõ chuyeån tín hieäu veà Boä ñieàu khieån trung taâm vaø nôi ñoùseõ phaùt ra tín hieäu baùo ñoäng 2- Boä ñieàu khieån trung taâm : Ñaây laø thieát bò ñeå thu nhaän nhöõng tín hieäu töø caùc thieát bò phaùt hieän vaät caûn. Baùo ñoäng cho ngöôøi nhaø bieát qua coøi huï vaø hieån thò vò trí coù vaät caûn xuaát hieän ñeå tieän cho vieäc baét teân troäm. Bản quyền thuộc về Goccay.vn 1 Chöông 1: Toång quan Xuaát phaùt töø nhöõng yù töôûng vaø tình hình thöïc teá nhö treân, neân em choïn ñeà taøi “Heä thoáng baùo troäm baèng hoàng ngoaïi duøng Vi xöû lyù” cho luaän vaên toát nghieäp cuûa mình. Vôùi ñeà taøi “Heä thoáng baùo troäm baèng hoàng ngoaïi duøng Vi xöû lyù” goàm 6 chöông: Chöông 1: Toång quan Giôùi thieäu veà nhöõng kyõ thuaät vaø öùng duïng cuûa maïch choáng troäm vaøo cuoäc soáng, ñaëc bieät laø vieäc öùng duïng vi xöû lyù ñeå xöû lyù caùc tín hieäu vaøo. Chöông 2: Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Trình baøy nguyeân taéc thu phaùt hoàng ngoaïi, nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn, sô ñoà khoái cuûa toaøn boä heä thoáng choáng troäm Chöông 3: Thieát keá phaàn cöùng Trình baøy söï thieát keá sô ñoà phaàn phaùt, phaàn thu, phaàn doø taàn, phaàn xöû lyù vaø phaàn hieån thò töø caùc phaàn treân ta keát hôïp laïi vôùi nhau taïo thaønh moät heä thoáng hoaït ñoäng hoaøn chænh ñeå thi coâng maïch Chöông 4: Thieát keá phaàn meàm Trình baøy giaûi thuaät vaø chöông trình xöû lyù cuûa heä thoáng. Chöông 5: Phaàn thi coâng vaø keát quaû thi coâng Neâu caùc böôùc thi coâng maïch keát quaû cuûa maïch Chöông 6: Keát luaän vaø kieán nghò Trình baøy nhöõng keát luaän vaø kieán nghò lieân quan ñeán ñeà taøi. Mong raèng heä thoáng choáng troäm baèng hoàng ngoaïi duøng vi xöû lyù maø em thöïc hieän seõ ñöôïc môû roäng theo nhieàu höôùng hoaøn chænh hôn, öùng duïng roäng raõi trong thöïc teá ñeå ngaøy caøng caûi thieän ñôøi soáng vaät chaát , tinh thaàn vaø sinh hoaït cuûa con ngöôøi. Goùp phaàn vaøo söï phaùt trieån chung cuûa xaõ hoäi vaø ñaát nöôùc. Bản quyền thuộc về Goccay.vn 2 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn CHÖÔNG 2 NGUYEÂN TAÉC IR PHAÙT HIEÄN VAÄT CAÛN 2.1 NGUYEÂN TAÉC THU PHAÙT SOÙNG HOÀNG NGOAÏI 2.1.1 Khaùi nieäm veà tia hoàng ngoaïi: Aùnh saùng hoàng ngoaïi (tia hoàng ngoaïi) laø aùnh saùng khoâng theå nhìn thaáy ñöôïc baèng maét thöôøng, coù böôùc soùng khoaûng 0,8µm ñeán 0.9µm, tia hoàng ngoaïi coù vaän toác truyeàn baèng vaän toác aùnh saùng. Tia hoàng ngoaïi coù theå truyeàn ñi ñöôïc nhieàu keânh tín hieäu. Noù öùng duïng roäng raõi trong coâng nghieäp. Löôïng thoâng tin coù theå ñaït ñöôïc 3Mbit/s… Trong kyõ thuaät truyeàn tin baèng sôïi quang daãn khoâng caàn caùc traïm khueách ñaïi giöõa chöøng, ngöôøi ta coù theå truyeàn cuøng moät luùc 15000 ñieän thoaïi hay 12 keânh truyeàn hình qua moät sôïi tô quang vôùi ñöôøng kính 0,13 mm vôùi khoaûng caùch 10Km ñeán 20 Km. Löôïng thoâng tin ñöôïc truyeàn ñi vôùi aùnh saùng hoàng ngoaïi lôùn gaáp nhieàu laàn so vôùi soùng ñieän töø maø ngöôøi ta vaãn duøng. Tia hoàng ngoaïi deã bò haáp thuï, khaû naêng xuyeân thaáu keùm. Trong ñieàu khieån töø xa chuøm tia hoàng ngoaïi phaùt ñi heïp, coù höôùng do ñoù khi thu phaûi ñuùng höôùng. 2.1.2 Nguoàn phaùt soùng hoàng ngoaïi vaø phoå cuûa noù: Caùc nguoàn soùng nhaân taïo thöôøng chöùa nhieàu soùng hoàng ngoaïi. Hình döôùi cho ta quang phoå cuûa caùc nguoàn phaùt saùng naøy. Bản quyền thuộc về Goccay.vn 3 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Hình 2.1 Quang phoå cuûa caùc nguoàn saùng IRED : Diode hoàng ngoaïi. LA : Laser baùn daãn . LR : Ñeøn huyønh quang. Q : Ñeøn thuûy tinh. W : Boùng ñeøn ñieän vôùi daây tieâm wolfram. PT : Phototransistor. Phoå cuûa maét ngöôøi vaø phototransistor(PT) cuõng ñöôïc trình baøy ñeå so saùnh. Ñeøn thuûy ngaân gaàn nhö khoâng phaùt tia hoàng ngoaïi. Phoå cuûa ñeøn huyønh quang bao goàm caùc ñaëc tính cuûa caùc loaïi khaùc. Phoå cuûa phototransistor khaù roäng. Noù khoâng nhaïy trong vuøng aùnh saùnh thaáy ñöôïc, nhöng noù cöïc ñaïi ôû ñænh phoå cuûa LED hoàng ngoaïi. Soùng hoàng ngoaïi coù nhöõng ñaëc tính quang hoïc gioáng nhö aùnh saùnh (söï hoäi tuï qua thaáu kính, tieâu cöïc…). AÙnh saùng vaø soùng hoàng ngoaïi khaùc nhau raát roõ trong söï xuyeân suoát qua vaät chaát. Coù nhöõng vaät maét ta thaáy “phaûn chieáu saùng” nhöng ñoái vôùi tia hoàng ngoaïi noù laø nhöõng vaät “phaûn chieáu toái”. Coù nhöõng vaät ta thaáy noù döôùi moät maøu xaùm ñuïc nhöng vôùi aùnh saùng hoàng ngoaïi noù trôû neân trong suoát. Ñieàu naøy giaûi thích taïi sao LED hoàng ngoaïi coù hieäu suaát cao hôn so vôùi LED cho maøu xanh laù caây, maøu ñoû… Vì raèng, vaät lieäu baùn daãn “trong suoát” ñoái vôùi aùnh saùng hoàng ngoaïi, tia hoàng ngoaïi khoâng bò yeáu ñi khi noù phaûi vöôït qua caùc lôùp baùn daãn ñeå ñi ra ngoaøi. Khoâng nhö aùnh saùng, hoàng ngoaïi khoâng bò khoùi, buïi laøm suy giaûm coâng suaát. Bản quyền thuộc về Goccay.vn 4 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Ñôøi soáng cuûa LED hoàng ngoaïi daøi ñeán 100.000 giôø (hôn 11 naêm!), LED hoàng ngoaïi khoâng phaùt saùng cho lôïi ñieåm trong caùc thieát bò kieåm soaùt vì khoâng gaây söï chuù yù. 2.1.3 Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Ñeå phaùt hieän coù ngöôøi ñi qua thì caûm bieán phaûi coù phaàn phaùt vaø phaàn thu. Phaàn phaùt phaùt ra aùnh saùng hoàng ngoaïi vaø phaàn thu haáp thuï aùnh saùng hoàng ngoaïi vì aùnh saùng hoàng ngoaïi coù ñaëc ñieåm laø ít bò nhieãu so vôùi caùc loaïi aùnh saùng khaùc. Hai phaàn phaùt vaø thu hoaït ñoäng vôùi cuøng taàn soá. Khi coù ngöôøi ñi qua giöõa phaàn phaùt vaø phaàn thu, aùnh saùng hoàng ngoaïi bò che phaàn thu seõ khoâng nhaän ñöôïc tín hieäu töø phaàn phaùt nhö theá taïo ra moät tín hieäu taùc ñoäng tôùi boä phaän xöû lyù. Vaäy phaàn phaùt vaø phaàn thu phaûi coù nguoàn taïo dao ñoäng. Phaàn dao ñoäng taùc ñoäng tôùi coâng taéc ñoùng ngaét cuûa nguoàn phaùt vaø nguoàn thu aùnh saùng. Coù nhieàu linh kieän phaùt vaø thu aùnh saùng hoàng ngoaïi nhöng em choïn led hoàng ngoaïi vaø photodiode laø linh kieän phaùt vaø thu vì photodiode laø linh kieän raát nhaïy vôùi aùnh saùng hoàng ngoaïi. Boä phaän taïo dao ñoäng coù theå duøng maïch LC, coång logic, hoaëc IC dao ñoäng. Vôùi vieäc söû duïng IC chuyeân duøng taïo dao ñoäng, boä taïo dao ñoäng seõ trôû neân ñôn giaûn hôn vôùi taàn soá phaùt vaø thu Vì tín hieäu ôû ngoõ ra photodiode raát nhoû neân caàn coù maïch khuyeách ñaïi tröôùc khi ñöa ñeán boä taïo dao ñoäng. Em duøng Transistor ñeå khueách ñaïi tín hieäu leân ñuû lôùn. Vaäy sô ñoà khoái cuûa phaàn phaùt vaø phaàn thu laø: KHOÁI DAO ÑOÄNG PHOTODIODE KHUEÁCH ÑAÏI KHUYEÁCH ÑAÏI KHOÁI DAO ÑOÄNG KHOÁI XÖÛ LYÙ HIEÅN THÒ Hình 2.2 Sô ñoà khoái phaàn phaùt vaø phaàn thu Bản quyền thuộc về Goccay.vn 5 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn 2.1.4 YÙ töôûng boá trí phaàn thu phaùt ñeå phaùt hieän vaät caûn HEÄ THOÁNG PHAÀN THU 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 HEÄ THOÁNG PHAÀN PHAÙT Bản quyền thuộc về Goccay.vn 6 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn 2.2 KHOÁI THU PHAÙT TÍN HIEÄU HOÀNG NGOAÏI 2.2.1 Caáu taïo, nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa led hoàng ngoaïi: Led ñöôïc caáu taïo töø GaAs vôùi vuøng caám coù ñoä roäng laø 1.43eV töông öùng böùc xaï 900nm. Ngoaøi ra khi pha taïp Si vôùi nguyeân vaät lieäu GaAlAs, ñoä roäng vuøng caám coù theå thay ñoåi. Vôùi caùch naøy, ngöôøi ta coù theå taïo ra daûi soùng giöõa 800 - 900nm vaø do ñoù taïo ra söï ñieàu höôûng sao cho led hoàng ngoaïi phaùt ra böôùc soùng thích hôïp nhaát cho ñieåm cöïc ñaïi cuûa ñoä nhaïy caùc boä thu. Hoaït ñoäng: khi moái noái p - n ñöôïc phaân cöïc thuaän thì doøng ñieän qua noái lôùn vì söï daãn ñieän laø do haït taûi ña soá, coøn khi moái noái ñöôïc phaân cöïc nghòch thì chæ coù doøng ræ do söï di chuyeån cuûa caùc haït taûi thieåu soá. Nhöng khi chieáu saùng vaøo moái noái, doøng ñieän nghòch taêng leân gaàn nhö tyû leä vôùi quang thoâng trong luùc doøng thuaän khoâng taêng. Ñaëc tuyeán volt – ampere cuûa led hoàng ngoaïi nhö sau: I(A) ϕ=4 ϕ=3 ϕ=2 ϕ=1 ϕ=0 U(V) Hình 2.3 Ñaëc tuyeán V – A cuûa Led hoàng ngoaïi 2.2.2 Photo diode 2.2.2.1. Khaùi quaùt Vôùi hieäu öùng quang ñieän, ta coù söï phaùt sinh moät ñieän aùp ôû lôùp chuyeån tieáp pn, khi lôùp chuyeån tieáp naøy ñöôïc chieáu saùng. Cuõng nhö trong maïch toå hôïp vaät lieäu ñeå cheá taïo photodiode laø silic. Nhöng ñeå cheá taïo photodiode ta caàn silic coù ñoä saïch cao hôn. Ñieän trôû caøng cao thì silic caøng saïch. Vaät lieäu silic duøng ñeå cheá taïo linh kieän ñieän töû coù ñoä daãn ñieän töø 10 ñeán 10.000 Ohm/cm. Bản quyền thuộc về Goccay.vn 7 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Photodiode ñöôïc duøng vôùi maïch khueách ñaïi coù toång trôû cao vaø coù caùc ñaëc tính: - Raát tuyeán tính - Ít nhieãu - Thang taàn soá roäng - Nheï, coù söùc beàn cô hoïc cao vaø coù ñôøi soáng daøi Vôùi caùc ñaëc tính treân photodiode ñöôïc duøng ñeå laøm detector söï hieän dieän, cöôøng ñoä, vò trí vaø maøu saéc aùnh saùng. Neáu ta noái moät ñieän theá ngöôïc (H 2.4) vôùi moät diode silic baát kyø, chæ coù moät doøng ñieän roø raát beù chaïy qua diode vaø ñieän aùp ôû R1 gaàn baèng 0. Nhöng neáu voû cuûa diode naøy ñöôïc boùc di caån thaän, vuøng chuyeån tieáp p-n cuûa diode ñöôïc phôi traàn döôùi aùnh saùng, doøng ñieän ngöôïc chaïy qua diode taêng cao ñeán khoaûng 1mA vaø cho ta moät tín hieäu ñaùng keå ôû R1. Taát caû caùc lôùp chuyeån tieáp p-n cuûa diode ñeàu nhaïy saùng. Photodiode khoâng nhaïy saùng baèng moät quang trôû loaïi Cadmium – sulfide nhöng noù laøm vieäc nhanh gaáp nhieàu laàn. VCC D1 PHOTODIODE Vout R1 R Hình 2.4 Photodiode laøm vieäc vôùi ñieän theá ngöôïc Moät photodiode coù hai cöïc: catod vaø anod. Noù coù ñieän trôû beù khi ñieän theá ôû anod döông vaø ñieän trôû khaù lôùn khi anod coù ñieän theá aâm (ñieän theá ngöôïc). Thoâng thöôøng photodiode laøm vieäc vôùi ñieän theá ngöôïc. Maét con ngöôøi nhaïy saùng nhaát vôùi ñoä daøi soùng 550 nm, ñoù laø maøu xanh laù caây. Ñoái vôùi aùnh saùng cöïc tím vaø hoàng ngoaïi ñoâi maét con ngöôøi coù ñoä nhaïy raát keùm. Caùc photodiode coù ñoä nhaïy ôû vuøng saùng thaáy ñöôïc coù quang phoå heïp hôn quang phoå con maét. Photodiode hoàng ngoaïi coù ñoä nhaïy cao nhaát ôû vuøng λ ≈ 1000nm . Hai loaïi photodiiode Si vaø Ge che laáp moät vuøng quang phoå keùo daøi töø 300 ñeán 1800 nm. Chæ coù photodiode loaïi Si laø quan roïng nhaát. Noù nhaïy vôùi aùnh Bản quyền thuộc về Goccay.vn 8 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn saùng thaáy ñöôïc vaø ñoä nhaïy cöïc ñaïi cuûa noù naèm trong vuøng hoàng ngoaïi gaàn, raát thích hôïp cho kyõ thuaät ñieàu khieån töø xa vôùi Led vaät lieäu GaAs . . . 2.2.2.2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng Söï tieáp xuùc cuûa hai baùn daãn loaïi n vaø loaïi p (chuyeån tieáp P-N) taïo neân vuøng ngheøo haït daãn bôûi vì ôû ñoù toàn taïi moät ñieän tröôøng vaø hình thaønh haøng raøo theá Vb Hình 2.5 Chuyeån tieáp P – N vaø haøng raøo theá cuûa noù Khi khoâng coù ñieän theá beân ngoaøi ñaët leân chuyeån tieáp (V = 0), doøng dieän qua chuyeån tieáp I = 0. Thöïc teá I chính laø doøng toång coäng cuûa hai doøng ñieän baèng nhau vaø ngöôïc chieàu: - Doøng do khueách taùn haït daãn cô baûn sinh ra khi ion hoaù taïp chaát (loã troáng trong baùn daãn loaïi P vaø ñieän töû trong baùn daãn loaïi N). Naêng löôïng nhieät cuûa caùc haït daãn cô baûn ñuû lôùn ñeå coù theå vöôït qua haøng raøo theá. - Doøng haït daãn khoâng cô baûn (do keát quaû cuûa söï hình thaønh caùc caëp khi coù söï kích thích nhieät: ñieän töû trong baùn daãn loaïi P vaø loã troáng trong baùn daãn loaïi N), chuùng chuyeån ñoäng döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng trong vuøng ngheøo. Khi ñaët ñieän aùp Vd leân diode, chieàu cao cuûa haøng raøo theá seõ thay ñoåi keùo theo söï thay ñoåi cuûa ñoøng haït daãn cô baûn vaø beà roäng vuøng ngheøo. Ñieän aùp Vd seõ xaùc ñònh ñoøng ñieän chaïy qua chuyeån tieáp: Bản quyền thuộc về Goccay.vn 9 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn I = Io.exp[ qVd ] − Io kT (2.1) Trong ñoù Io laø doøng haït daãn khoâng cô baûn. Khi ñieän aùp ngöôïc ñuû lôùn (Vd << -kT/q = -26mV ôû 3000K), chieàu cao cuûa haøng raøo theá lôùn ñeán möùc doøng khueách taùn haït daãn cô baûn trôû neân raát nhoû coù theå boû qua vaø chæ coøn laïi doøng haït daãn khoâng cô baûn, daây chính laø doøng ngöôïc Ir cuûa diode, Ir=Io. Khi chieáu saùng diode baèng böùc xaï coù böôùc soùng nhoû hôn böôùc soùng ngöôõng ( λ < λ s ), seõ xuaát hieän theâm caùc caëp ñieän töû – loã troáng. Ñeå caùc haït daãn naøy coù theå tham gia vaøo ñoä daãn vaø laøm taêng doøng I, caàn phaûi ngaên caûn quaù trình taùi hôïp cuûa chuùng töùc laø phaûi nhanh choùng taùch caëp ñieän töû – loã troáng döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng. Ñieàu naøy chæ coù theå xaûy ra trong vuøng ngheøo vaø söï chuyeån dôì cuûa caùc ñieän tích ñoù (cuøng höôùng vôùi höôùng chuyeån ñoäng cuûa caùc haït daãn khoâng cô baûn) keùo theo söï gia taêng cuûa doøng ngöôïc Ir. Hình 2.6 Hieäu öùng quang ñieän trong vuøng ngheøo cuûa chuyeån tieáp P - N Ñieàu quan troïng laø aùnh saùng phaûi ñaït tôùi vuøng ngheøo sau khi ñaõ ñi qua moät beà daøy ñaùng keå cuûa chaát baùn daãn vaø tieâu hao naêng löôïng khoâng nhieàu. Caøng ñi saâu vaøo chaát baùn daãn thoâng löôïng φ caøng giaûm: φ (x) = φ 0e- α X (2.2) Trong ñoù α ~105 cm-1 töông öùng vôùi söï giaûm 63% thoâng löôïng khi ñi qua beà daày baèng 103 Å. Bản quyền thuộc về Goccay.vn 10 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Treân thöïc teá phieán baùn daãn ñöôïc laøm raát moûng ñeå söû duïng naêng löôïng aùnh saùng moät caùch höõu hieäu nhaát, ñoàng thôøi vuøng ngheøo cuõng phaûi ñuû roäng ñeå söï haáp thuï ôû ñoù laø cöïc ñaïi. 2.2.2.3 Cheá ñoä hoaït ñoäng 2.2.2.3.1 Cheá ñoä quang daãn Es PHOTODIODE Vd Rm VR 0 Sô ñoà laép raùp cô baûn goàm moät nguoàn Es phaân cöïc ngöôïc diode vaø moät ñieän trôû Rm ñeå ño tín hieäu (H ). Giaû söû ñaët ñieän aùp Vd < 0 leân diode (diode phaân cöïc ngöôïc), doøng ngöôïc Ir chaïy qua diode ñöôïc bieåu dieãn bôûi bieåu thöùc: Ir = − Io.exp[ qVd ] + Io + Ip kT (2.3) Trong ñoù Ip laø doøng quang ñieän hình thaønh khi aùnh saùng ñaït tôùi vuøng ngheøo sau khi ñi qua beà daày X: Bản quyền thuộc về Goccay.vn 11 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Ip = qη (1 − R)λ φ 0 exp(−α X ) (2.4) hc Hình 2.7 Ñaëc tröng I-V öùng vôùi nhöõng thoâng löôïng khaùc nhau Khi ñieän aùp ngöôïc ñaït giaù trò ñuû lôùn , thaønh phaàn exp cuûa (2.3) tieán tôùi 0 vaø ta coù: Ir = Io + Ip (2.5) Nghóa laø Ir ≈ Ip (2.6) Phöông trình maïch ñieän: Es = VR – Vd (2.7) Trong ñoù VR = Rm.Ir cho pheùp veõ ñöôøng thaúng taûi ∆ (H2.7 ) Ir = Es Vd + Rm Rm (2.8) Ñieåm laøm vieäc Q cuûa diode laø ñieåm giao nhau giöõa ñöôøng taûi ∆ vaø ñöôøng ñaëc tuyeán I-V vôùi thoâng löôïng töông öùng. Cheá ñoä laøm vieäc naøy laø tuyeán tính, VR tyû leä vôùi thoâng löôïng. 2.2.2.3.2 Cheá ñoä quang theá Trong cheá ñoä naøy khoâng cho ñieän aùp ngoaøi ñaët vaøo diode. Diode hoaït ñoäng nhö boä chuyeån ñoåi naêng löôïng töông ñöông vôùi moät maùy phaùt vaø ngöôøi ta ño theá hôû maïch Voc hoaëc ño doøng ngaén maïch Isc. Ño theá hôû maïch Voc: Bản quyền thuộc về Goccay.vn 12 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Söï taêng Ip cuûa doøng haït daãn khoâng cô baûn khi chieáu saùng seõ laøm chieàu cao haøng raøo theá giaûm ñi moät löôïng ∆ Vb (do coù söï phaân chia haït taûi). Söï giaûm chieàu cao haøng raøo theá naøy laøm cho doøng haït daãn cô baûn taêng leân ñeå ñaûm baûo caân baèng giöõa hai doøng haït daãn cô baûn vaø khoâng cô baûn sao cho Ir = 0, nghóa laø: − Io exp[ Töø ñaây ruùt ra: q∆Vb ] + Io + Ip = 0 kT (2.9) kT Ip ln[1 + ] q Io (2.10) ∆Vb = Vôùi Ip ñöôïc bieåu dieãn bôûi coâng thöùc (2.4) Söï giaûm chieàu cao ∆ Vb cuûa haøng raøo theá coù theå ñaùnh giaù ñöôïc neáu ño ñieän aùp giöa hai ñaàu cuûa diode trong cheá ñoä hôû maïch: Voc = kT Ip ln[1 + ] q Io (2.11) Khi chieáu saùng yeáu, Ip << Io vaø Voc = kT Ip q Io (2.12) Trong tröôøng hôïp naøy Voc nhoû (kT/q = 26mV ôû 3000K) nhöng phuï thuoäc tuyeán tính vaøo thoâng löôïng. Khi chieáu saùng maïnh, Ip >> Io vaø ta coù: Voc = kT Ip ln q Io (2.13) Trong tröôøng hôïp naøy Voc coù giaù trò töông ñoái lôùn (0,1 – 0,6V) nhöng söï phuï thuoäc cuûa Voc vaøo thoâng löôïng coù daïng haøm logarit (H 2.8 ) Bản quyền thuộc về Goccay.vn 13 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Hình 2.8 Söï phuï thuoäc cuûa theá hôû maïch vaøo thoâng löôïng Ño doøng ngaén maïch Isc: Khi noái ngaén maïch hai ñaàu cuûa diode baèng moät ñieän trôû Rm nhoû hôn ñieän trôû ñoäng rd cuûa chuyeån tieáp, doøng ñoaûn maïch chính baèng doøng Ip vaø tyû leä vôùi thoâng löôïng (H 2.9) Bản quyền thuộc về Goccay.vn 14 Chöông 2 : Nguyeân taéc IR phaùt hieän vaät caûn Hình 2.9 Söï phuï thuoäc cuûa doøng Isc vaøo thoâng löôïng khi diode ôû cheá ñoä ngaén maïch Ñaëc ñieåm quan troïng cuûa cheá ñoä laøm vieäc naøy cuûa diode laø khoâng coù doøng toái. Thöïc vaäy, khi khoâng coù nguoàn ñieän phaân cöïc beân ngoaøi thì seõ khoâng coù doøng toái chaïy qua diode. Nhö vaäy coù theå giaûm nhieãu (Schottky) vaø cho khaû naêng ño thoâng löôïng raát nhoû. 2.2.2.4 Ñoä nhaïy Ñoái vôùi böùc xaï coù phoå xaùc ñònh, doøng quang ñieän Ip tyû leä tuyeán tính vôùi thoâng löôïng trong moät khoaûng thoâng löôïng töông ñoái roäng, côõ 5 – 6 decad. Ñoä nhaïy phoå ñöôïc xaùc ñònh nhhö sau: S (λ ) = ∆Ip qη (1 − R) exp(−α X ) = .λ ∆φ hc (2.14) Vôùi λ ≤ λ s Ñoä nhaïy phuï thuoäc vaøo λ , hieäu suaát löôïng töû η , vaøo heä soá phaûn xaï R vaø heä soá haáp thuï α . Ñoái vôùi moãi loaïi diode, ngöôøi söû duïng phaûi bieát ñoä nhaïy phoå döïa treân ñöôøng cong phoå ñaùp öùng S (λ ) / S (λ p ) , trong ñoù λ p laø ñoä daøi böôùc soùng öùng vôùi cöïc ñaïi ñoä nhaïy phoå (H ), ñoàng thôøi phaûi bieát giaù trò cuûa λ p. Thoâng thöôøng S( λ p) naèm trong khoaûng töø 0,1 ñeán 1 A/W Bản quyền thuộc về Goccay.vn 15
- Xem thêm -