CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu điều khiển từ xa
Điều khiển từ xa cho phép người dùng điều khiển một mô hình từ xa mà không cần có mặt trực tiếp tại vị trí của hệ thống Khoảng cách điều khiển phụ thuộc vào độ phức tạp của từng hệ thống; ví dụ, điều khiển một phi thuyền yêu cầu hệ thống phát và thu mạnh mẽ, trong khi điều khiển một trò chơi điện tử chỉ cần hệ thống phát và thu đơn giản hơn.
Những đối tượng được điều khiển có thể trên không gian, hoặc ở dưới đáy biển sâu hay một vùng xa xôi hẻo lánh nào đó trên mặt điạ cầu
Khi thế giới ngày càng phát triển, khu vực điều khiển cần được mở rộng để đáp ứng nhu cầu Việc ứng dụng công nghệ điều khiển từ xa trong thông tin liên lạc đã mang lại nhiều lợi ích cho xã hội, giúp thông tin được cập nhật nhanh chóng và chính xác hơn thông qua quá trình đo lường từ xa.
Điều khiển từ xa đã được ứng dụng hiệu quả trong kỹ thuật đo lường, đặc biệt trong việc đo độ phóng xạ của lò hạt nhân Trước đây, việc này rất khó khăn và phức tạp, nhưng hiện nay, con người có thể an toàn đo được mức độ phóng xạ từ xa Nhờ vào hệ thống điều khiển từ xa, công việc trở nên đơn giản hơn và đảm bảo an toàn cho người thực hiện.
Trong cuộc sống hàng ngày, các thiết bị giải trí như robot và xe điều khiển từ xa ngày càng được cải tiến để tiện lợi hơn cho người sử dụng Công nghệ điều khiển từ xa đã trở thành một phần quan trọng, với sự xuất hiện của các thiết bị như TV, đầu video, VCD, CD và quạt bàn Xuất phát từ ý tưởng này, tôi đã chọn đề tài điều khiển từ xa cho các thiết bị điện trong nhà Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian, trình độ kỹ thuật và tài chính, tôi chỉ thiết kế và chế tạo mạch điều khiển từ xa cho các bóng đèn trong nhà.
Giới thiệu hệ thống điều khiển tù xa
Hệ thống điều khiển từ xa cho phép người dùng điều khiển thiết bị ở khoảng cách xa, bao gồm các công nghệ như điều khiển vô tuyến, điều khiển hồng ngoại và điều khiển qua cáp quang.
2.2.1 Sơ đồ kết cấu cửa hệ thống điều khiển từ xa bao gồm:
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa
- Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức tín hiệu và phát đi.
- Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu
Thiết bị thu có chức năng nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, sau đó trải qua quá trình biến đổi và biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển, cuối cùng truyền đạt đến các thiết bị thi hành.
2.2.2 Nhiệm vụ cơ bản cảa hệ thống điều khiển từ xa:
- Phát tín hiệu điều khiển
- Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết
- Tổ hợp xung thành mã
- Phát các tổ hợp mã đến điểm chấp hành
Tại điểm chấp hành, thiết bị thu nhận mã sẽ chuyển đổi các mã đã nhận thành lệnh điều khiển và gửi đến các thiết bị liên quan, đồng thời thực hiện kiểm tra tính chính xác của mã mới nhận.
2.2.3 Một sế vấn đề cơ bản trong hộ thống điều khiển từ xa
Hệ thống điều khiển từ xa yêu cầu nghiên cứu kỹ lưỡng về cấu trúc để đảm bảo tín hiệu được truyền đi một cách chính xác và nhanh chóng Việc tối ưu hóa đường truyền dẫn là rất quan trọng nhằm đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Trong hệ thống điều khiển từ xa, độ tin cậy của việc truyền tải tin tức phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của tin tức Cấu trúc tin tức bao gồm hai yếu tố chính: lượng và chất Về lượng, cần xác định cách biến đổi lượng điều khiển thành các loại xung phù hợp, đồng thời áp dụng các phương pháp thích hợp để tổng hợp tin tức, nhằm đạt được dung lượng tối đa và tốc độ truyền dẫn nhanh nhất.
- Về kết cấn hệ thống: Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêu cầu sau:
+ Tốc độ làm việc nhanh
+ Thiết bị phải an toàn và tin cậy
+ Kết cấu phải đơn giản
Hệ thống điều khiển từ xa hiệu quả cao đạt được tốc độ điều khiển tối đa và đảm bảo độ chính xác trong giới hạn cho phép.
- Các phương pháp mã hóa trong điều khiến từ xa:
Trong hệ thống truyền thông, thông tin rời rạc hoặc liên tục cần được chuyển đổi thành dạng số, thường là số nhị phân, trước khi được mã hóa và phát đi từ máy phát Tại máy thu, tín hiệu trải qua các bước ngược lại như giải mã và liên tục hóa để phục hồi thông tin ban đầu.
Mã hóa tín hiệu điều khiển là phương pháp quan trọng để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điều khiển từ xa, giúp tăng tốc độ truyền tải và khả năng chống nhiễu.
Trong điều khiển từ xa ta thưởng dùng mã nhị phân tương ứng với hệ, gồm có hai phần tử [0] và [1]
Do yêu cầu về độ chính xác cao trong các tín hiệu điều khiển được truyền đi để chống nhiễu ta dùng loại mã phát hiện và sửa sai
Mã phát hiện và sửa sai thuộc loại mã đồng đều bao gồm các loại mã: mã phát hiện sai, mã sửa sai, mã phát hiện và sửa sai
Dạng sai lầm của các mã được truyền đi tùy thuộc tính chất của kênh truyền, chúng có thể phân thành 2 lọai:
Sai độc lập: Trong quá trình truyền dữ liệu, có thể xảy ra sai sót ở một hoặc nhiều ký hiệu trong các tổ hợp mã do nhiều yếu tố tác động, nhưng những sai lầm này lại không liên quan đến nhau.
Sai tương quan: Được gây ra bời nhiều nhiễu tương quan, chúng hay xảy ra trong từng chùm, cụm ký hiệu kế cận nhau
Sự lựa chọn của cấu trúc mã chống nhiễu phải dựa trên tính chất phân bố xác suất sai nhẩm trong kênh truyền
Hiện nay, lý thuyết mã hóa đang phát triển mạnh mẽ với nhiều loại mã được nghiên cứu nhằm phát hiện và sửa sai, bao gồm mã Hamming, mã chu kỳ và mã nhiều cấp.
2.2.4 Các phương pháp điều chế tín hiệu trong hệ thống điều khiển từ xa
Trong kỹ thuật điều khiển từ xa, tín hiệu gốc không thể truyền đi xa Do đó, để truyền tín hiệu điều khiển từ máy phát đến máy thu, cần phải thực hiện việc điều chế tín hiệu.
Điều chế tín hiệu dạng xung có nhiều ưu điểm nổi bật so với các phương pháp khác Việc sử dụng linh kiện kỹ thuật số giúp giảm kích thước, tiết kiệm năng lượng và nâng cao khả năng chống nhiễu, mang lại hiệu suất cao trong các ứng dụng truyền thông.
- Các phương pháp điều chế tín hiệu ở dạng xung như
Điều chế biên độ xung (PAM) là phương pháp điều chế tín hiệu đơn giản nhất, trong đó biên độ của mỗi xung tỉ lệ với biên độ tức thời của tín hiệu điều chế Bên cạnh đó, điều chế độ rộng xung (PWM) cũng là một kỹ thuật quan trọng trong việc điều chế tín hiệu ở dạng xung.
Phương pháp điều chế này tạo ra các xung với biên độ không đổi, nhưng bề rộng của mỗi xung thay đổi theo biên độ tức thời của tín hiệu điều chế Trong đó, xung có độ rộng lớn nhất biểu thị biên độ lớn nhất của tín hiệu, trong khi xung hẹp nhất thể hiện biên độ âm nhất của tín hiệu điều chế.
Trong quá trình điều chế độ rộng xung, tín hiệu cần lấy mẫu phải được chuyển đổi thành dạng xung, trong đó độ rộng xung tỷ lệ thuận với biên độ của tín hiệu được lấy mẫu.
+ Điều chế vị trí xung (PPM)
Điều khiển các thiết bị từ xa bằng sóng hồng ngoại
2.3.1 Khái niệm về ánh sáng hồng ngoại (Tia hồng ngoại) Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có bước sóng từ 0.86pm đến 0.98pm Tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng
Tia hồng ngoại có khả năng truyền tải nhiều kênh tín hiệu và được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp Tốc độ truyền thông tin có thể đạt tới 3 megabit/giây, vượt trội hơn nhiều so với sóng điện từ truyền thống.
Tia hồng ngoại có khả năng xuyên thấu kém và dễ bị hấp thụ Khi sử dụng điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại, chùm tia phát ra thường hẹp và có hướng, vì vậy cần phải nhắm đúng hướng để thu nhận tín hiệu hiệu quả.
2.3.2 Nguồn phát sáng hồng ngoại và phổ của nó:
Các nguồn sáng nhân tạo thường chứa nhiều sóng hồng ngọai
Q : Đèn thủy tinh w :Bóng đèn điện với dây wolfram
Phổ ánh sáng của mắt người và phototransistor (PT) được so sánh, cho thấy đèn thủy ngân hầu như không phát ra tia hồng ngoại Đèn huỳnh quang có phổ ánh sáng đa dạng, trong khi phổ của transistor khá rộng nhưng không nhạy với ánh sáng nhìn thấy, chỉ tối ưu ở đỉnh phổ của LED hồng ngoại Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng tương tự như ánh sáng, chẳng hạn như khả năng hội tụ qua thấu kính và tiêu cự Sự khác biệt giữa ánh sáng thường và ánh sáng hồng ngoại thể hiện rõ trong khả năng xuyên suốt qua vật chất; ánh sáng hồng ngoại không bị suy yếu khi đi qua các lớp bán dẫn Đặc biệt, LED hồng ngoại có tuổi thọ lên đến 100.000 giờ (hơn 11 năm) và không phát sáng, mang lại lợi ích cho các thiết bị kiểm soát mà không gây sự chú ý.
2.3.3 Linh kiện thu sóng hồng ngoại:
Để thu sóng hồng ngoại gần, người ta có thể sử dụng quang điện trở, phototransistor và photodiode Đối với sóng hồng ngoại trung bình và xa phát ra từ cơ thể con người hoặc vật nóng, các detector được làm từ vật liệu Liti-titanat hoặc tấm chất dẻo Polyvinylidene fluoride (PVDF) là lựa chọn phù hợp Cơ thể con người phát ra tia hồng ngoại với độ dài sóng từ 8 µm đến 10 µm.
Vỏ chất dẻo có cửa sổ cho ánh sáng chiếu qua, bên trong chứa phím thủy tinh 2 với các điện cực hình lược Khoảng cách giữa các điện cực là lớp bán dẫn, được nối với chân cắm qua vỏ Để bảo vệ vỏ khỏi ẩm ướt, bề mặt được phủ một lớp sơn trong suốt Quang điện trở bề mặt hoạt động trong khoảng từ 0,01 đến 0,04 cm².
Quang điện trở được lựa chọn dựa trên phổ bức xạ của vật chất, trong đó các loại quang điện trở chế tạo từ Sulfit chì thường được sử dụng trong công nghiệp để chỉ thị nhiệt động và tình trạng của vật thể nung nóng ở nhiệt độ tương đối thấp từ 200°C đến 400°C Đặc biệt, đặc tuyến phổ của chúng có cực đại nằm trong khu vực gần bức xạ hồng ngoại.
Hình 2.3 Đặc tuyến phổ của quang điện trở Sulfit chì
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý
Quá trình làm việc của mạch như sau:
Khi chưa chiếu sáng mặt quang điện trở, dòng điện qua nó và mạch ngoài nhỏ nhất gọi là dòng điện tối
Khi ánh sáng có bước sóng phù hợp chiếu vào mặt quang điện trở, điện trở của tinh thể bán dẫn sẽ giảm đáng kể Hiện tượng này phụ thuộc vào loại chất bán dẫn, mức độ tạp chất và chiều dài bước sóng được sử dụng.
Giá trị điện trở phụ thuộc ánh sáng chiếu vào, cố thể thay đổi từ M đến
+ Đặc tuyến Volt- ampere: Đặc tuyến V-A tăng tuyến tính với dòng điện tối cũng như dòng điện sáng.dòng điện tối khá lớn
Dòng điện sáng là dòng qua quang điện trở khi có ánh sáng chiếu vào
Dòng điện tối là dòng qua quang điện trở khi chưa có ánh sáng chiếu vào
Độ nhạy của quang điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt vào nó, do đó, suất độ nhạy k0 thường được sử dụng để đánh giá hiệu suất của quang điện trở.
Hình 2.5 trình bày đặc tuyến Volt-ampere, trong đó K0 thể hiện dòng quang điện trên một đơn vị quang thông với điện áp một Volt Suất độ nhạy của quang điện trở Sulfit chì dao động từ 400 đến 500 µA/mV, trong khi đó loại Sulfit bit muyt có suất độ nhạy đạt 1000 µA/mV Đặc biệt, loại sulfit Catmi có suất độ nhạy cao hơn, nằm trong khoảng 2500 - 3000 µA/mV.
Với độ nhạy tích phân cao và phổ bức xạ hồng ngoại rộng, các thiết bị này được ưa chuộng trong các bộ chỉ thị và bộ chuyển đổi nhiệt.
Quang điện trở có đặc tuyến ánh sáng không tuyến tính, do đó, chế độ điện của mạch sử dụng thường được tính toán dựa trên đồ thị điểm sáng và đặc tuyến V-A.
Hình 2.6 Đặc tuyến ánh sáng
Khi lựa chọn điện áp nguồn cung cấp cho quang điện trở, cần đảm bảo rằng điện áp trên quang điện trở Sulfit chì không vượt quá 15V trong quá trình hoạt động dài hạn, với công suất khoảng vài chục watt Độ nhạy tích phân cũng phải đủ cao và công suất tỏa ra trong quang điện trở cần được hạn chế, vì nếu vượt quá mức cho phép sẽ dẫn đến phản ứng không thuận nghịch Độ nhạy tích phân được xác định bởi cường độ dòng điện phát sinh khi một đơn vị quang thông chiếu vào quang điện trở, tính bằng A/lm.
Dựa vào nguyên lý làm việc quang điện trở được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực kỹ thuật sau:
Phần tử phát hiện Đo độ sáng trong quang phổ
Làm cảm biến trong rất nhiều hệ thống tự động hóa
Diode quang thường được chế tạo bằng gecmani và silic
Hình 2.7 Diode quang Diode quang có thể làm việc trong 2 chế độ:
Chế độ biến đổi quang điện
Chế độ nguồn quang điện
Nguyên lý trong chế độ biến đối quang điện
Lớp p được kết nối với cực âm của nguồn điện, trong khi lớp n nối với cực dương, tạo thành phân cực nghịch Khi không có ánh sáng, chỉ có dòng điện nhỏ chạy qua, được gọi là dòng điện tối Tuy nhiên, khi có ánh sáng chiếu vào, dòng điện qua mối nối p-n tăng lên, được gọi là dòng điện sáng.
Dòng tổng trong mạch gồm có dòng “tối” và dòng “sáng”, càng chiếu lớp n gần tiếp thì dòng sáng càng lớn
Nguyên lý làm việc của diode trong chế độ nguồn phát quang điện (pin mặt trơi)
Khi quang thông, các điện tích tại mối nối p-n được giải phóng, tạo ra sức điện động giữa hai cực của diode, dẫn đến dòng điện chảy trong mạch Trị số sức điện động của nguồn phát quang điện phụ thuộc vào loại nguồn phát và mức độ quang thông.
+ Ứng dụng của diode quang; Đo ánh sáng
Cảm biến quang đo tốc độ
Dùng trong thiên văn theo dõi các ngôi sao đo khoảng cách bằng quang Điều khiển tự dộng trong máy chụp hình
Diode quang Silic có thể làm việc ở -50 °c - +80 °c
Diode quang gecmani cổ thể làm việc ở - 50 °c - +40 °c
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý transistor quang
Điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến
2.4.1 Sơ lược về hệ thống thu phát vô tuyến:
Hệ thống vô tuyến sử dụng sóng điện từ để truyền tín hiệu từ địa điểm này sang địa điểm khác Tín hiệu thông tin tại nơi phát được chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó được mã hóa trước khi truyền đi Tại nơi thu, tín hiệu điện sẽ được giải mã để tái tạo lại thông tin ban đầu.
Quá trình điều chế tín hiệu điện trong hệ thống vô tuyến và truyền tín hiệu bao gồm việc nhúng tín hiệu thông tin vào sóng mang có tần số cao để truyền tải Tại máy thu, thành phần sóng mang sẽ được loại bỏ, cho phép nhận và xử lý để tái tạo lại tín hiệu thông tin Đây chính là quá trình giải mã điều chế.
- Khái niệm về hệ thống điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến:
Hệ thống điều khiển từ xa sử dụng sóng vô tuyến bao gồm hai thành phần chính: máy phát và máy thu Máy phát có nhiệm vụ phát lệnh điều khiển dưới dạng sóng điện từ, trong khi máy thu nhận và xử lý thông tin từ môi trường để truyền lệnh đến mạch chấp hành Đặc điểm nổi bật của hệ thống này là cần sử dụng anten để bức xạ tín hiệu từ máy phát và thu tín hiệu cho máy thu.
2.4.2 Sơ đồ khối máy phát
Hình 2.13 Sơ đồ khối chức năng máy phát
- Giải thích sơ đồ khối.
+ Khối phát lệnh điều khiển: Dùng các phím để phát lệnh điều khiển theo phương thức ma trận phím hay từng phím iêng lẻ.ấn r
Khối mã hóa chuyển đổi sóng dao động điện từ bàn phím lệnh thành sóng điện với tần số đặc trưng cho từng lệnh điều khiển.
+ Khối dao động cao tần: Tạo dao động bên trong máy phát, có nhiệm vụ làm sóng mang để chuyên chở tín hiệu điều khiển trong không gian
Khối điều chế là quá trình kết hợp hai tín hiệu dao động bằng các phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm của hệ thống thu - phát Các phương pháp điều chế phổ biến bao gồm điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM) và điều chế pha (PM).
+ Khối khuếch đại cao tần: Khuếch đại biên độ tín hiệu nhằm tăng cường công suất bức xạ sống điện từ
2.4.3 Sơ đồ khối máy thu
Khối khuếch đại cao tần trong máy thu có chức năng khuếch đại biên độ tín hiệu cao tần nhận từ anten, nhằm bù đắp năng lượng của sóng điện từ bị tiêu hao trong quá trình lan truyền qua môi trường.
Khối dao động nội là một hệ thống dao động cao tần hình sin, chuyển đổi năng lượng dao động một chiều thành xoay chiều với tần số mong muốn Đặc điểm nổi bật của khối dao động nội là khả năng tự kích và duy trì tần số ổn định cao.
Khối trộn tần có chức năng biến đổi tín hiệu cao tần thành tín hiệu trung tần chung, giúp đơn giản hóa thiết kế mạch và nâng cao độ ổn định Ngoài ra, khối này còn đảm nhiệm việc khuếch đại biên độ của tín hiệu trung tần, đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt hơn.
+ Khối tách sóng: có nhiệm vụ triệt tiêu sóng mang cao tần, phục hồi lại tín hiệu điều khiển
+ Khối giải mã: nhận biết tín hiệu vừa phát đi để phát ra lệnh tác dộng đúng thiết bị cần điều khiển
+ Khối lệnh điều khiển: gồm các mạch động lực, đồng nhất nguồn cho thiết bị, hay điều khiển chức năng thiết bị đã đặt
Để sóng điện từ có thể bức xạ và lan truyền hiệu quả, tần số dao động điện cần lớn hơn 100 kHz Bên cạnh đó, việc phối hợp trở kháng giữa các tần số trong máy phát và giữa antena với tần công suất phát đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khoảng cách phát sóng.
So sánh phương pháp điều khiển từ xa dùng sóng hồng ngoại và sóng vô tuyến
2.5.1 Phương pháp điều khiến từ xa dùng sóng vô tuyến:
+ Truyền đạt tín hiệu với khoảng cách xa.
+ Không bị ảnh hưởng nhiễu đối với vật cản
+ Tầm phát rộng nhiều hướng khác nhau nên có thể điều khiển cùng một lúc đối với thiết bị nhận kênh đồng thời
+ Khi phát hay thu đều cần có Anten
+ Làm cho không gian bị báo hòa, gây nhiễu vô tuyến
+ Hay bị ảnh hưởng nhiễu gây méo dạng hoặc sai tín hiệu nên không điều khiển được
Để đảm bảo không gây ảnh hưởng đến các tần số phát sóng chuyên nghiệp, cần tuân thủ quy định của Cục Tần số, theo tiêu chuẩn FCC, yêu cầu phát sóng trong dải tần nghiệp dự Việc dồn kênh theo phương pháp phân đường gặp khó khăn do dải tần hẹp, dẫn đến giới hạn trong việc điều khiển nhiều kênh.
+ Vô tuyến bị nhiễu nên hệ thếng mã hóa phức tạp hơn
2.5.2 Phương pháp điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại
+ Led phát và thu nhỏ, gọn dễ thiết kế lắp đặt và có độ tin cậy cao
+ Điện áp cung cấp thấp, công suất tiêu tán nhỏ
+ Điều khiển được nhiều thiết bị
+ Tính khả thi cao, linh kiện dễ tìm thấy và thi công dễ
+ Tầm xa bị hạn chế
+ Dòng điện cao tức thơi
Nhiễu hồng ngại xuất phát từ các nguồn nhiệt xung quanh, ảnh hưởng đến khả năng phát sóng Vì vậy, thiết bị này chỉ nên được sử dụng trong các không gian như phòng, kho hoặc nơi có nhiệt độ môi trường ổn định và ít ảnh hưởng.
+ Hạn chế khi bị vật chắn nên không thể phát xa được
2.5.3 Phân tích tính ưu khuyết điểm
- Vấn đề tần số sóng mang
Khi cần truyền tin tức đi xa, sóng mang là yếu tố quan trọng Phương pháp vô tuyến sử dụng sóng mang tần số cao, tuy nhiên, việc thi công khá phức tạp và phải tuân thủ quy định của cục tần số Ngược lại, phương pháp sử dụng tia hồng ngoại với tần số thấp dễ thi công hơn và không cần khung cộng hưởng LC như trong hệ thống sóng vô tuyến.
Phương pháp sử dụng sóng vô tuyến gặp khó khăn do kích thước lớn của antena phát và thu, gây bất tiện trong quá trình sử dụng Khoảng cách điều khiển phụ thuộc vào chiều dài antena, điều kiện môi trường và địa hình Bên cạnh đó, cần chú ý đến sự phối hợp giữa antena thu và mạch khuếch đại công suất phát để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Phương pháp điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như thiết kế gọn nhẹ, không cần sử dụng anten thu-phát, kích thước LED hồng ngoại nhỏ gọn dễ dàng bố trí, và giá thành linh kiện tương đối hợp lý.
Để cải thiện khoảng cách điều khiển, cần nâng cao công suất phát và độ nhạy của thiết bị Tuy nhiên, việc sử dụng sóng vô tuyến trong điều khiển gặp khó khăn do khuếch đại cộng hưởng ở tần số công suất, dẫn đến kích thước cồng kềnh của phần phát và tiêu tán công suất lớn trên mạch.
Để tăng cường khoảng cách phát của phương pháp điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại, có thể tăng số lượng LED phát hoặc điều chỉnh phân cực cho các LED hoạt động mạnh hơn Tuy nhiên, việc tăng độ nhạy không được khuyến khích vì dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài.
Hồng ngoại thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị gia đình, tuy nhiên, phạm vi hoạt động của nó hẹp và không hiệu quả khi sử dụng ngoài trời nắng Trong khi đó, sóng vô tuyến có khả năng điều khiển mạnh mẽ hơn so với tia hồng ngoại.
- Kết luận- chọn phương án chế tạo
Sau khi phân tích những thuận lợi và khó khăn, tôi nhận thấy rằng phương án thi công mạch điều khiển từ xa kết hợp tia hồng ngoại và sóng vô tuyến có thể điều khiển nhiều thiết bị điện trong nhà, khắc phục những khuyết điểm của cả hai phương pháp Do đó, trong đề tài này, tôi quyết định sử dụng kỹ thuật điều khiển từ xa kết hợp tia hồng ngoại và sóng vô tuyến để bật tắt các thiết bị trong gia đình.
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH
Giới thiệu linh kiện sử dụng
3.1.1 Tổng quan về vi điều khiển AT89S52
Vi điều khiển AT89S52, do hãng Atmel sản xuất, là một IC lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển Nó hỗ trợ xử lý byte và thực hiện các phép toán số học trên cấu trúc dữ liệu nhỏ thông qua nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội Tập lệnh của AT89S52 bao gồm các lệnh số học 8 bit, bao gồm cả lệnh nhân và chia, cùng với các hỗ trợ mở rộng cho biến một bit, cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp Thiết bị này có các đặc tính nổi bật như 8 KByte bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3 TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt với cấu trúc 2 mức ngắt, một port nối tiếp bán song công, và bộ dao động ON-CHIP.
- Các đặc điểm của chip AT89S52 được tóm tắt như sau:
+ 8 KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xoá + Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz
+ 3 mức khóa bộ nhớ lập trình
+ 64 KB vùng nhớ mã ngoài
+ 64 KB vựng nhớ dữ liệu ngoại.4às cho hoạt động nhõn hoặc chia
Hình 3.2 Sơ đồ khối AT89S52
- Khảo sát sơ đồ chân của vi điều khiển AT89S52
IC 89S52 có 40 chân với nhiều chức năng khác nhau như vào ra 1/0, đọc, ghi, địa chỉ, dữ liệu và ngắt Mặc dù vậy, hầu hết các nhà phát triển thường sử dụng chip trong các thiết kế đóng vỏ.
40 chân với hai hàng chân DIP, nên chúng ta cùng khảo sát chân Vi điều khiển
Hình 3.3 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89S52
+ Chân VCC: Chân số 40 là vcc cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển
+ Chân GND: Chân số 20 nổi GND(hay nối Mass)
Khi thiết kế cần sử đụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản lả sử dựng IC ổn áp 7805
+ Port 0 (P0): Port 0 gồm 8 chân (từ chân 32 đến 39) có hai chức năng:
Chúc năng xuất/nhập: Các chân này được sử dụng để nhận tín hiệu từ bên ngoài nhằm xử lý, hoặc để xuất tín hiệu ra bên ngoài, ví dụ như điều khiển đèn LED đơn sáng và tắt.
Chức năng của bus dữ liệu và bus địa chỉ (AD7-AD0) gồm 8 chân nảy (hoặc Port 0) có nhiệm vụ lấy dữ liệu từ ROM hoặc RAM ngoại khi kết nối với bộ nhớ ngoài, đồng thời Port 0 cũng được sử dụng để xác định địa chỉ của bộ nhớ ngoại.
+ Port (Pl): Port P1 gồm 8 chân, (từ chân 1 đển chân 8), chỉ có chức năng làm các đường xuất nhập, không có chức năng khác
+ Port 2 (P2): Port 2 gồm 8 chân (từ chân 21 đến chân 28) có hai chức năng: Chức năng xuất/nhập
Chức năng của bus địa chỉ cao (A8-A15) là khi kết nối với bộ nhớ ngoài có dung lượng lớn, cần sử dụng 2 byte để định địa chỉ Trong đó, byte thấp được đảm nhận bởi P0, còn byte cao do P2 đảm nhiệm.
+ Port 3 (P3): Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17)
Với mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau :
Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp P3.
Ngõ xuất dữ liệu nổi tiếp P3.
Ngõ vào ngắt cứng thứ 0 P3.
Ngõ vào ngắt cứng thứ 1 P3.
Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0 P3.
Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1 P3.
Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoải P3.
Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bẽn ngoải Pl. o
Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2
Ngõ Nạp lại/thu nhận của Timer/Counter thứ 2
Chân RESET (RST) tại chân 9 là ngõ vào dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển Khi ngõ vào này ở mức 1 trong tối thiểu 2 chu kỳ máy, hệ thống sẽ được khôi phục về các giá trị ban đầu.
Chân XTAL1 và XTAL2, nằm ở vị trí 18 và 19, có nhiệm vụ nhận nguồn xung clock từ bên ngoài, thường kết hợp với thạch anh và các tụ điện để tạo ra nguồn xung clock ổn định cho mạch.
+ Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN
PSEN (Program Store Enable) là tín hiệu được phát ra từ chân 29, có chức năng truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài Chân này thường được kết nối với chân OE (Output Enable) của ROM ngoài.
Khi vi điều khiển tương tác với bộ nhớ chương trình ngoài, chân tín hiệu kích hoạt sẽ phát ra tín hiệu ở mức thấp và được kích hoạt hai lần trong mỗi chu kỳ máy.
Khi thực hiện chương trình trong ROM nội, chân này giữ mức logic không tích cực (logic 1) Nếu không sử dụng, không cần kết nối chân này.
- Tổ chức hộ nhớ bên trong 89S52
Bộ nhớ trong của 89S52 được chia thành hai loại chính: ROM và RAM Trong đó, RAM bao gồm nhiều vùng khác nhau, bao gồm vùng RAM đa dụng, vùng RAM truy xuất từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt.
Vi điều khiển AT89S52 được thiết kế với kiến trúc Harvard, cho phép phân chia bộ nhớ thành hai vùng riêng biệt cho chương trình và dữ liệu Nó không chỉ hỗ trợ bộ nhớ nội bộ mà còn có khả năng kết nối với 64KByte bộ nhớ chương trình và 64KByte bộ nhớ dữ liệu bên ngoài.
RAM bên trong 89S52 được phân chia như sau:
+ Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH
+ RAM truy xuất từng bit 20H đến 2FH.
+ RAM đa dụng từ 30H đến 7FH
+Các thanh ghi có chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH.
RAM đa dụng có địa chỉ từ 30H - 7FH có thể truy xuất mỗi lần 8 bit bằng cách dùng chế độ định địa chỉ trực tiếp hay gián tiếp
Các vùng địa chi từ 00H đến 2FH không chỉ có thể sử dụng cho các mục đích đã nêu, mà còn mang lại những chức năng đặc biệt sẽ được đề cập trong phần sau.
+ RAM có thể định địa chỉ bit
Vùng địa chỉ từ 20H - 2FH bao gồm 16 byte, cho phép hoạt động như một vùng RAM đa dụng, với khả năng truy xuất dữ liệu mỗi lần 8 bit hoặc thực hiện truy xuất từng bit thông qua các lệnh xử lý bit.
Vùng địa chỉ 00H - 1FH bao gồm 4 bank thanh ghi: bank 0 từ 00H - 07H, bank 1 từ 08H - 0FH, bank 2 từ 10H - 17H và bank 3 từ 18H - 1FH, với các thanh ghi được đại diện từ RO đến R7 Sau khi khởi động, hệ thống sẽ chọn sử dụng bank 0.
Sơ đồ khối mạch
3.2.1 Sơ đồ khối toàn bộ mạch
Hình 3.25 Sơ đồ khối toàn bộ mạch
3.2.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm
Hình 3.26 Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm
Hình 3.27 khối nguồn khối nguồn tạo ra dòng điện và điện thế ổn định cung cấp an toàn cho cả mạch
Do đùng nguồn 5VDC nền ta dùng một IC ổn ảp 7805 để tạo nguồn 5v cung cấp cho mạch
Khối dùng để thu tín hiệu hồng ngoại từ khối phát, sau đó đưa về IC AT89S52 để giải mã và đưa đến khối phát tín hiệu RF
3.2.3 Sơ đồ khối các bộ thu
Hình 3.30 Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm
Hình 3.31 Khối relay công suất
Khối Công suất bao gồm Rơle 5V và BJT 01815, có chức năng khuếch đại dòng điện qua Rơle Rơle là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, cho phép sử dụng dòng điện nhỏ để điều khiển dòng điện lớn, do đó nó được coi là thiết bị bảo vệ cho công tắc Một relay điển hình không chỉ điều khiển mạch mà còn điều khiển nguồn Cấu tạo của relay bao gồm một lõi sắt, một cuộn từ và một tiếp điểm.
Rờle có 2 mạch: mạch điều khiển (1-3) và mạch tải (2-4) Mạch điều khiển có một cuộn dây nhỏ ừong khi mạch tải có một công tắc
Dòng điện qua cuộn dây mạch điều khiển (chân số 1 và 3) tạo ra từ trường nhỏ, làm đóng tiếp điểm (chân số 2 và 4) Tiếp điểm này là phần của mạch tải, được sử dụng để điều khiển mạch điện kết nối với nó Khi rờle được kích hoạt (trạng thái mở), dòng điện chạy qua chân số 2 và 4.
Khi dòng điện ngừng chạy qua mạch điều khiển (chân số 1 và số 3), rờle sẽ ngắt Khi không còn từ trường, tiếp điểm sẽ mở ra và dòng điện bị ngăn không chạy qua chân số 2 và số 4.
Khi không có điện áp trên chân số 1, dòng điện không chạy qua cuộn dây, dẫn đến việc không tạo ra từ trường và tiếp điểm sẽ mở Ngược lại, khi có điện áp được áp dụng lên chân số 1, dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường cần thiết để đóng tiếp điểm, cho phép kết nối giữa chân số 2 và số 4.
+ Điện trở cuộn dây Role R = 400Q
+ Dòng điện qua cuộn dây khoảng 300mA
+ Điện áp bật (max) : 4.4Vdc
+ Điện áp tắt (min) : 1.2Vdc
+ Thời gian đóng mở : 10ms
- Tính toán chọn BJT và các điện trở phân cực
Chọn Q1 là BJT 0815, BJT làm việc ở chế độ bão hòa dòng điện qua cuộn dây của Rơle
Dòng điện qua Rơle cũng là dòng qua cực c của BJT Suy ra Ic 0.012A Để Transitor dẫn bão hòa thì
Tác dụng của Diode: đùng để tránh dòng Fuco trong cuộn dây sinh ra trong quá trình hoạt động làm hỏng BJT
Việc chọn Diode không khó khăn chỉ là loại Diode chịu được dòng tương đổi nhỏ Trong mạch này ta chọn Diode là loại 1N4007
Sơ đồ nguyên lý
3.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm
Hình 3.34 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm
3.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu
Hình 3.35 Sơ đồ nguyên lý mạch thu
Sơ đồ mạch in
3.4.1 Sơ đồ mạch in bộ điều khiển trung tâm
Hình 3.36 Sơ đồ mạch in bộ điều khiển trung tâm
3.4.2 Sơ đồ mạch in bộ thu
Hình 3.37 Sơ đồ mạch in bộ thu
Nguyên lý hoạt động của mạch
3.5.1 Nguyên lý hoạt động của phần phát
Khi nhấn phím từ 1-6 trên remote hồng ngoại, đèn LED phát ra ánh sáng để truyền tín hiệu Tín hiệu này được bộ điều khiển nhận và chuyển đổi từ dạng quang thành điện, sau đó vi điều khiển xử lý và gửi tín hiệu điều khiển đến bộ phát sóng RF, giúp điều khiển các thiết bị trong nhà.
- Trong đồ án này ta sử dụng 2 cặp thu phát 2262 và 2272
+ Cặp IC thứ nhất để trống tất cả các chân địa chỉ của 2262 và 2272 gán với các thiết bị từ 1 4
+ Cặp IC thứ hai ta tiến hành hàn chân 8 xuống mass cả 2262 và 2272 gán với các thiết bị 5 6
3.5.2 Nguyên lý hoạt động của phần thu
Mạch PT 2272 T4 là bộ giải mã điều khiển từ xa, có chức năng chốt dữ liệu, tức là khi dữ liệu được đưa vào lần đầu, chân D0 sẽ được đặt ở mức 1 và giữ nguyên trạng thái này Khi dữ liệu được đưa vào lần thứ hai, chân D0 sẽ trở về mức 0.
Mạch PT 2272 kết hợp với PT 2262 sử dụng công nghệ CMOS, cho phép thiết lập 8 địa chỉ mã hóa và 4 địa chỉ dữ liệu Điều này mang đến nhiều cách để cấu hình chân 3*8, giúp sản xuất nhiều mã mà không lo bị trùng lặp Để đảm bảo hoạt động đồng bộ, việc thiết lập chân từ 1 đến 8 trên mạch thu 2272 cần phải giống hệt với cách thiết lập trên mạch phát 2262.
Khi cấp nguồn cho mạch, chân 10 đến 13 của IC 2272 ở mức 0, dẫn đến tín hiệu ra tại khối điều khiển cũng bằng 0 Điều này khiến không có dòng kích để transistor dẫn (VB < 7V), do đó chân C của transistor C1815 ở mức cao và không có điện thế qua, làm cho relay không bật.
Khi nhấn phím 1 ở chân 17 của IC 2272, tín hiệu sẽ được truyền qua chân 14, làm cho chân 13 của IC 2272 tăng lên mức 1 Điều này kích hoạt chân B của transistor C1815, cho phép dòng điện cao đi qua (VB > 0.7 V), dẫn đến mức thấp ở chân C Kết quả là, nguồn cung cấp cho relay được bật, kích hoạt thiết bị cần điều khiển thứ nhất.
Khi nhấn phím 2 trên remos chân 17 của 2272, tín hiệu mạch thu sẽ truyền vào chân 14 của 2272, khiến chân 12 của 2272 đạt mức 1 Điều này làm cho chân B của transistor C1815 có dòng kích cao, dẫn đến transistor hoạt động (VB > 0.7V) và tạo ra mức thấp ở chân C Kết quả là nguồn cung cấp cho relay bật, kích hoạt thiết bị điều khiển thứ hai.
Khi nhấn phím số 3 trên chân 17 của 2272, tín hiệu mạch thu sẽ truyền vào chân 14, làm cho chân 11 của 2272 lên mức 1 Chân B của transistor C1815 có dòng kích cao, khiến transistor dẫn (VB > 0.7 V), dẫn đến mức thấp ở chân C Điều này tạo ra nguồn cung cấp cho relay, kích hoạt thiết bị cần điều khiển thứ ba.
Khỉ ta nhấn phím số 4 ở remos chân 17 của 2272 cỏ tín hiệu mạch thu sẽ nhận tm hiệu truyền qua vào chần 14 của 2272 làm cho chân 10 của 2272 lên mức 1, chân
Transistor B (C1815) hoạt động khi có dòng kích ở mức cao (V B > 0.7 V), dẫn đến chân c có mức thấp Điều này tạo ra nguồn cung cấp cho relay bật, từ đó kích hoạt thiết bị thứ 4 cần điều khiển.
Để kích hoạt thiết bị thứ 5, người dùng cần nhấn phím số 5 trên remos cặp IC 2262/2272, đồng thời hàn chân 8 xuống mass Khi chân 17 của IC 2272 nhận tín hiệu, nó sẽ truyền vào chân 14, làm cho chân 10 của IC 2272 tăng lên mức 1 Điều này dẫn đến việc chân B của transistor C1815 có dòng kích cao, cho phép transistor dẫn khi VB > 0.7 V Kết quả là chân c của transistor sẽ ở mức thấp, cung cấp nguồn cho relay bật và điều khiển thiết bị mong muốn.
Khi nhấn phím số 6 trên remote sử dụng IC 2262/2272, chân 8 được hàn xuống mass sẽ kích hoạt mạch Tín hiệu thu tại chân 17 của IC 2272 sẽ được truyền vào chân 14, làm cho chân 11 của IC 2272 lên mức 1 Chân B của transistor C1815 nhận dòng kích cao (V B > 0.7 V), khiến transistor dẫn, dẫn đến mức thấp ở chân C và cung cấp nguồn cho relay, từ đó điều khiển thiết bị thứ 6 bật lên.
Khi nhấn phím 1 lần nữa trên chân 17 của IC 2272, tín hiệu mạch thu sẽ được truyền vào chân 14, khiến chân 13 của IC 2272 giảm xuống mức 0 Điều này dẫn đến việc chân B của transistor C1815 không nhận dòng kích, làm cho transistor ngưng dẫn (VB < 0.7V) Kết quả là, đầu ra ở chân C trở thành mức cao mà không có nguồn cung cấp, khiến relay mất điện và trở về vị trí ban đầu, tắt thiết bị thứ nhất.
Khi nhấn phím 2 lần nữa trên chân 17 của IC 2272, tín hiệu được thu nhận và truyền vào chân 14, khiến chân 12 của IC 2272 giảm về mức 0 Điều này dẫn đến việc chân B của transistor C1815 không nhận dòng kích, làm cho transistor ngưng dẫn (V B < 0.7 V) Kết quả là đầu ra ở chân C trở thành mức cao mà không có nguồn cung cấp, làm cho relay mất điện và thiết bị thứ hai tắt trở về vị trí ban đầu.
Khi nhấn phím 3 lần nữa trên chân 17 của IC 2272, tín hiệu mạch thu sẽ được nhận vào chân 14, khiến chân 11 của 2272 trở về mức 0 Điều này dẫn đến việc chân B của transistor C1815 không có dòng kích, làm cho transistor ngưng dẫn khi VB < 0.7V Kết quả là, lối ra ở chân C trở thành mức cao không có nguồn cung cấp, khiến relay mất điện và trở về vị trí ban đầu, tắt thiết bị thứ ba.
Khi nhấn phím 4 lần thứ hai trên remos chân 17 của 2272, tín hiệu mạch thu được sẽ truyền vào chân 14 của 2272, dẫn đến chân 10 của 2272 giảm về mức 0 Điều này làm cho chân B (C1815) không có dòng kích, khiến transistor ngưng dẫn (V B < 0.7 V), dẫn đến đầu ra ở chân C đạt mức cao mà không có nguồn cung cấp Kết quả là relay mất điện và trở về vị trí ban đầu, tắt thiết bị thứ tư.
Khi nhấn phím 5 trên remote, chân 8 của cặp IC 2262/2272 sẽ được hàn xuống mass, kích hoạt chân 17 của 2272 nhận tín hiệu từ mạch thu Tín hiệu này sẽ được truyền vào chân 14 của 2272, làm cho chân 10 trở về mức 0 Khi đó, chân B của transistor C1815 không có dòng kích, dẫn đến transistor ngưng dẫn (VB < 0.7 V), khiến chân C không có nguồn cung cấp, relay mất điện và thiết bị thứ năm tắt Tương tự, khi nhấn phím 6, chân 8 tiếp tục hàn xuống mass, và chân 17 của 2272 lại nhận tín hiệu từ mạch thu.
Code chương trình hoạt động
#include unsigned int x,j; sbit DATA_INFR = P3^2; void delay(unsigned int time) // Hàm delay
}; unsigned char check_start() // Hàm check xung START
TR0 = 1; //Khoi dong timer while(DATA_INFR == 0); //Cho cho den khi het muc 0
TF0 = 0;//xoa co timer 0 soxung = 0; soxung = TH0*256+TL0; if(soxung>8000) return 1; else return 0;
}; void NgatNgoai0(void) interrupt 0 // Chương trình con ngắt ngoài 0 { unsigned int soxung; unsigned char i=0,j=0,ms00; long int DATA_IR = 0x00000000; if(check_start()== 1)
{ while(DATA_INFR == 1); //Cho cho het phan bit 1 cua START while(i>|| case 0x1F: break; // - case 0x57: break; // + case 0x6F: break; // EQ case 0x97: break; // 0 case 0x67: break; // 100+ case 0x4F: break; // 200+
*/case 0xcf: P1_0=1; P2_4=0; delay(1000); P1_0=0; P2_4=1; break; // 1 case 0xE7: P1_1=1; P2_4=0; delay(1000); P1_1=0; P2_4=1; break; // 2 case 0x85: P1_2=1; P2_4=0; delay(1000); P1_2=0;
P2_4=1; break; // 3 case 0xEF: P1_3=1; P2_4=0; delay(1000); P1_3=0; P2_4=1; break; // 4 case 0xC7: P3_4=1; P2_4=0; delay(1000); P3_4=0; P2_4=1; break; //5 case 0xA5: P3_5=1; P2_4=0; delay(1000); P3_5=0; P2_4=1; break; //6 case 0x2D: P3_6=1; P2_4=0; delay(1000); P3_6=0; P2_4=1; break; //7 case 0x25: P3_7=1;
EA = 1; //Cho phep ngat toan cuc EX0=1; //Cho phep ngat ngoai 0 IT0 = 1; //Ngat o suon xuong P1=0x00;
