Luận văn tốt nghiệp hệ thống báo trộm bằng tia hồng ngoại dùng vi xử lý ( đại học bách khoa) khao điện, điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ





LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC



HỆ THỐNG BÁO TRỘM BẰNG HỒNG NGOẠI
DÙNG VI XỬ LÝ








SVTH:
MSSV:


CBHD: Th.S HỒ TRUNG MỸ
BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ

TP Hồ Chí Minh, 06/2007
Bản quyền thuộc về Goccay.vn i
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt khóa học (2002 - 2007) tại Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM,
với sự giúp đỡ của qúy thầy cô và giáo viên hướng dẫn về mọi mặt từ nhiều phía
và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài đã được hoàn thành đúng
thời gian qui đònh. Em xin chân thành cảm ơn đến :
Bộ môn Điện tử cùng tất cả qúy thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử đã giảng
dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp và
đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học.
Đặc biệt, Th.s. Hồ Trung Mỹ – giáo viên hướng dẫn đề tài đã nhiệt tình
giúp đỡ và cho em những lời chỉ dạy qúy báu, giúp em đònh hướng tốt trong khi
thực hiện luận văn.
Tất cả bạn bè đã giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm luận văn tốt
nghiệp.
Tuy nhiên, thời gian làm luận văn có hạn nên quyển luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót rất mong được sự đóng góp của qúy thầy cô và các bạn.

Bản quyền thuộc về Goccay.vn ii
TÓM TẮT

Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý là một hệ thống khá hoàn
chỉnh với các chức năng sau:
1. Phát hiện trộm đột nhập
Được thiết kế với 5 cặp thu phát hồng ngoại có các tần số khác nhau. Khi

chưa có trộm đột nhập che phần thu phát thì đèn báo dò đúng tần số phát ở phần
thu sẽ sáng và cấp tín hiệu mức 1 cho phần vi xử lý thông qua board 4N35 vì điện
áp cấp từ phần thu lớn hơn 5V.
Khi có trộm đột nhập che khuất một trong các cặp thu phát hoặc che 2 cặp, 3
cặp, 4 cặp, 5 cặp thì led báo phần thu ở các vò trí sẽ tắt và cấp mức điện áp thấp
(mức 0) vào vi xử lý thông qua board 4N35.
2. Xử lý xuất tín hiệu báo động và hiển thò vò trí xuất hiện trộm
Khi có các tín hiệu từ phần thu tác động vào, các tín hiệu này sẽ lần lượt được
đưa vào các chân từ P1.0 – P1.4 của vi điều khiển báo cho vi điều khiển biết là có
trộm đột nhập. Lúc này vi điều khiển sẽ ra lệnh cho chân P1.7 lên mức 1 để tác
động qua transistor đóng relay báo chuông và đồng thời xuất dữ liệu ra port 0 để
hiển thò vò trí có xuất hiện trộm ra LCD và giữ hiển thò vò trí xuất hiện trộm và
chuông báo cho đến khi ta tắt hệ thống thì chuông và tín hiệu hiển thò sẽ tắt
Khi có trộm che ở cặp thu phát 1 thì LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 1”, nếu che
ở cặp thu phát 2 thì LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 2”, nếu che ở cặp thu phát 3 thì
LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 3”, nếu che ở cặp thu phát 4 thì LCD hiển thò “Có tín
hiệu ở: 4”, nếu che ở cặp thu phát 5 thì LCD hiển thò “Có tín hiệu ở: 5”. Nếu bò che
ở 2 vò trí hoặc 3 hoặc 4 hoặc 5 thì LCD lần lượt hiển thò lên màn hình các trò trí bò
che.
Nếu không bò che thì không có tín hiệu tác động vào và vi điều khiển sẽ xuất
tín hiệu mức 0 cấp cho transistor điều khiển relay tắt và xuất tín hiệu ra LCD:
“Không có tín hiệu”.
Bản quyền thuộc về Goccay.vn iv
MỤC LỤC
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn i
Tóm tắt ii
Mục lục iii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1
CHƯƠNG 2: NGUYÊN TẮC IR PHÁT HIỆN VẬT CẢN 3

2.1 Nguyên tắc thu phát sóng hồng ngoại 3
2.1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại 3
2.1.2 Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của nó 3
2.1.3 Nguyên tắc IR phát hiện vật cản 5
2.1.4 Ý tưởng bố trí phần thu phát để phát hiện vật cản 6
2.2 Khối thu phát tín hiệu hồng ngoại 7
2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Led hồng ngoại 7
2.2.2 Photo diode 7
2.2.2.1 Khái quát 7
2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 9
2.2.2.3 Chế độ hoạt động 11
2.2.2.4 Độ nhạy 14
2.3 Khối dao động 15
2.3.1 Khối dao động phần phát (IC 555) 15
2.3.2 Khối dao động phần thu (IC 567) 18
2.4 Khối xử lý 23
2.4.1 Giới thiệu cấu trúc phần cứng 8051 23
2.4.2 Cấu trúc bên trong 8051 26
2.4.3 Hoạt động thanh ghi Timer 33
2.4.4 Ngắt 37
2.5 Màn hình hiển thò LCD 39
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 45
3.1 Thiết kế hệ thống thu phát 45
3.2 Thiết kế mạch phát 46
3.2.1 Thiết kế sơ đồ mạch 46
3.2.2 Nguyên lý hoạt động 46
3.2.3 Tính toán và thiết kế 48
3.3 Thiết kế mạch thu 53
Bản quyền thuộc về Goccay.vn iv
3.3.1 Thiết kế sơ đồ mạch 53

3.3.2 Nguyên lý hoạt động 53
3.3.3 Tính toán và thiết kế 54
3.4 Thiết kế mạch vi xử lý và hiển thò 63
3.4.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 63
3.4.2 Nguyên lý hoạt động 64
3.4.3 Tính toán và thiết kế 65
3.5 Thiết kế mạch nguồn 67
3.5.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 67
3.5.2 Nguyên lý hoạt động 67
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 68
4.1 Lưu đồ giải thuật 68
4.1.1 Giải thuật chương trình chính 68
4.1.2 Giải thuật chương trình con kiểm tra tín hiệu đầu vào 70
4.1.3 Giải thuật chương trình con delay 71
4.2 Chương trình 72
CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ THI CÔNG 81
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 83
6.1 Kết luận 83
6.2 Hướng phát triển đề tài 83
Tài liệu tham khảo 85
Chương 1: Tổng quan
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
Ngày nay, việc phát hiện kẻ trộm đột nhập vào nhà, vào các kho chứa hàng,
vào các ngân hàng, những nơi cất những tài sản q hiếm, những tài liệu mật . . .là
rất cần thiết đối với mọi người dân, các cơ quan chức năng, các ngân hàng …
Không chỉ các công ty lớn hoặc ngân hàng mới cho lắp đặt mà ngay cả người
dân với thu nhập khá cũng bắt đầu để ý đến các loại thiết bò này.
Đời sống dân cư ngày một nâng cao, ngoài việc chăm lo đến ăn mặc, phương

tiện đi lại, người ta còn đặc biệt quan tâm đến an ninh cho gia đình. Các thiết bò
chống trộm vì thế được sử dụng ngày càng rộng rãi.
Thông thường khi chúng ta đụng chuyện mới quan tâm đến việc bảo vệ an
toàn cho gia đình mình điều đó là quá trể vì vậy việc bảo vệ tài sản và tính mạng
của bản thân và gia đình của mình phải là ưu tiên hàng đầu và thường xuyên của
mỗi gia đình chúng ta. Ngoài việc thường xuyên phải nêu cao cảnh giác thì việc
trang bò cho gia đình những thiết bò chống trộm cũng là một giải phát tốt .
Thiết bò chống trộm thông thường gồm : Báo động có dây và không dây tuy
nhiên chúng ta nên sử dụng loại không dây vì sẽ tạo mỹ quan cho ngôi nhà của
chúng ta hơn. Thiết bò này gồm những bộ phận chính sau:
1- Bộ phát hiện vật cản ( SENSOR)
Đây là một thiết bò sử dụng tia hồng ngoại phát hiện trộm đột nhập vào nhà
độ xa bảo vệ của nó thường là 3m -6m chúng ta thường sử dụng thiết bò này ở
những khu vực như sân thượng, sân vườn, gara, hành lang hoặc những khu vực
trống. Khi có người đi vào khu vực này bộ phát hiện vật cản sẽ chuyển tín hiệu về
Bộ điều khiển trung tâm và nơi đósẽ phát ra tín hiệu báo động

2- Bộ điều khiển trung tâm :
Đây là thiết bò để thu nhận những tín hiệu từ các thiết bò phát hiện vật cản.
Báo động cho người nhà biết qua còi hụ và hiển thò vò trí có vật cản xuất hiện để
tiện cho việc bắt tên trộm.
Chương 1: Tổng quan
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 2
Xuất phát từ những ý tưởng và tình hình thực tế như trên, nên em chọn đề tài
“Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý” cho luận văn tốt nghiệp của
mình.
Với đề tài “Hệ thống báo trộm bằng hồng ngoại dùng Vi xử lý” gồm 6
chương:
Chương 1: Tổng quan
Giới thiệu về những kỹ thuật và ứng dụng của mạch chống trộm vào cuộc

sống, đặc biệt là việc ứng dụng vi xử lý để xử lý các tín hiệu vào.
Chương 2: Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Trình bày nguyên tắc thu phát hồng ngoại, nguyên tắc IR phát hiện vật cản,
sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống chống trộm
Chương 3: Thiết kế phần cứng
Trình bày sự thiết kế sơ đồ phần phát, phần thu, phần dò tần, phần xử lý và
phần hiển thò từ các phần trên ta kết hợp lại với nhau tạo thành một hệ thống hoạt
động hoàn chỉnh để thi công mạch
Chương 4: Thiết kế phần mềm
Trình bày giải thuật và chương trình xử lý của hệ thống.
Chương 5: Phần thi công và kết quả thi công
Nêu các bước thi công mạch kết quả của mạch
Chương 6: Kết luận và kiến nghò
Trình bày những kết luận và kiến nghò liên quan đến đề tài.
Mong rằng hệ thống chống trộm bằng hồng ngoại dùng vi xử lý mà em thực
hiện sẽ được mở rộng theo nhiều hướng hoàn chỉnh hơn, ứng dụng rộng rãi trong
thực tế để ngày càng cải thiện đời sống vật chất , tinh thần và sinh hoạt của con
người. Góp phần vào sự phát triển chung của xã hội và đất nước.
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 3
CHƯƠNG 2
NGUYÊN TẮC IR PHÁT HIỆN VẬT CẢN

2.1 NGUYÊN TẮC THU PHÁT SÓNG HỒNG NGOẠI
2.1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại:
nh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được
bằng mắt thường, có bước sóng khoảng 0,8µm đến 0.9µm, tia hồng ngoại có vận
tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng.
Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu. Nó ứng dụng rộng
rãi trong công nghiệp. Lượng thông tin có thể đạt được 3Mbit/s… Trong kỹ thuật

truyền tin bằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại giữa chừng, người ta
có thể truyền cùng một lúc 15000 điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua một sợi
tơ quang với đường kính 0,13 mm với khoảng cách 10Km đến 20 Km. Lượng thông
tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ
mà người ta vẫn dùng.
Tia hồng ngoại dễ bò hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều khiển từ
xa chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó khi thu phải đúng hướng.
2.1.2 Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của nó:
Các nguồn sóng nhân tạo thường chứa nhiều sóng hồng ngoại. Hình dưới cho
ta quang phổ của các nguồn phát sáng này.
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 4















IRED : Diode hồng ngoại.
LA : Laser bán dẫn .
LR : Đèn huỳnh quang.

Q : Đèn thủy tinh.
W : Bóng đèn điện với dây tiêm wolfram.
PT : Phototransistor.
Phổ của mắt người và phototransistor(PT) cũng được trình bày để so sánh. Đèn
thủy ngân gần như không phát tia hồng ngoại. Phổ của đèn huỳnh quang bao gồm
các đặc tính của các loại khác. Phổ của phototransistor khá rộng. Nó không nhạy
trong vùng ánh sánh thấy được, nhưng nó cực đại ở đỉnh phổ của LED hồng ngoại.
Sóng hồng ngoại có những đặc tính quang học giống như ánh sánh (sự hội tụ
qua thấu kính, tiêu cực…). Ánh sáng và sóng hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự
xuyên suốt qua vật chất. Có những vật mắt ta thấy “phản chiếu sáng” nhưng đối
với tia hồng ngoại nó là những vật “phản chiếu tối”. Có những vật ta thấy nó dưới
một màu xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên trong suốt. Điều này
giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn so với LED cho màu xanh
lá cây, màu đỏ… Vì rằng, vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối với ánh sáng hồng
ngoại, tia hồng ngoại không bò yếu đi khi nó phải vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra
ngoài. Không như ánh sáng, hồng ngoại không bò khói, bụi làm suy giảm công suất.

Hình 2.1 Quang phổ của các nguồn sáng
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 5
Đời sống của LED hồng ngoại dài đến 100.000 giờ (hơn 11 năm!), LED hồng
ngoại không phát sáng cho lợi điểm trong các thiết bò kiểm soát vì không gây sự
chú ý.
2.1.3 Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Để phát hiện có người đi qua thì cảm biến phải có phần phát và phần thu.
Phần phát phát ra ánh sáng hồng ngoại và phần thu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại vì
ánh sáng hồng ngoại có đặc điểm là ít bò nhiễu so với các loại ánh sáng khác. Hai
phần phát và thu hoạt động với cùng tần số. Khi có người đi qua giữa phần phát và
phần thu, ánh sáng hồng ngoại bò che phần thu sẽ không nhận được tín hiệu từ phần
phát như thế tạo ra một tín hiệu tác động tới bộ phận xử lý. Vậy phần phát và phần

thu phải có nguồn tạo dao động. Phần dao động tác động tới công tắc đóng ngắt
của nguồn phát và nguồn thu ánh sáng. Có nhiều linh kiện phát và thu ánh sáng
hồng ngoại nhưng em chọn led hồng ngoại và photodiode là linh kiện phát và thu
vì photodiode là linh kiện rất nhạy với ánh sáng hồng ngoại. Bộ phận tạo dao động
có thể dùng mạch LC, cổng logic, hoặc IC dao động. Với việc sử dụng IC chuyên
dùng tạo dao động, bộ tạo dao động sẽ trở nên đơn giản hơn với tần số phát và thu
Vì tín hiệu ở ngõ ra photodiode rất nhỏ nên cần có mạch khuyếch đại trước
khi đưa đến bộ tạo dao động. Em dùng Transistor để khuếch đại tín hiệu lên đủ lớn.
Vậy sơ đồ khối của phần phát và phần thu là:













KHỐI
DAO
ĐỘNG
KHUẾCH
ĐẠI
Hình 2.2 Sơ đồ khối phần phát và phần thu
KHỐI
DAO

ĐỘNG
KHUYẾCH
ĐẠI
PHOTODIODE
KHỐI XỬ
LÝ
HIỂN
THỊ
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 6
2.1.4 Ý tưởng bố trí phần thu phát để phát hiện vật cản
1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

HỆ THỐNG
PHẦN PHÁT

HỆ THỐNG
PHẦN THU

Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 7
2.2 KHỐI THU PHÁT TÍN HIỆU HỒNG NGOẠI
2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của led hồng ngoại:
Led được cấu tạo từ GaAs với vùng cấm có độ rộng là 1.43eV tương ứng bức
xạ 900nm. Ngoài ra khi pha tạp Si với nguyên vật liệu GaAlAs, độ rộng vùng cấm
có thể thay đổi. Với cách này, người ta có thể tạo ra dải sóng giữa 800 - 900nm và
do đó tạo ra sự điều hưởng sao cho led hồng ngoại phát ra bước sóng thích hợp nhất
cho điểm cực đại của độ nhạy các bộ thu.
Hoạt động: khi mối nối p - n được phân cực thuận thì dòng điện qua nối lớn vì
sự dẫn điện là do hạt tải đa số, còn khi mối nối được phân cực nghòch thì chỉ có
dòng rỉ do sự di chuyển của các hạt tải thiểu số. Nhưng khi chiếu sáng vào mối nối,
dòng điện nghòch tăng lên gần như tỷ lệ với quang thông trong lúc dòng thuận
không tăng. Đặc tuyến volt – ampere của led hồng ngoại như sau:

2.2.2 Photo diode
2.2.2.1. Khái quát
Với hiệu ứng quang điện, ta có sự phát sinh một điện áp ở lớp chuyển tiếp p-
n, khi lớp chuyển tiếp này được chiếu sáng. Cũng như trong mạch tổ hợp vật liệu
để chế tạo photodiode là silic. Nhưng để chế tạo photodiode ta cần silic có độ sạch
cao hơn. Điện trở càng cao thì silic càng sạch. Vật liệu silic dùng để chế tạo linh
kiện điện tử có độ dẫn điện từ 10 đến 10.000 Ohm/cm.
ϕ
= 4


ϕ = 3

ϕ = 2

ϕ = 1

ϕ = 0


U(V)
I(A)
Hình 2.3 Đặc tuyến V – A của Led hồng ngoại
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 8

Photodiode được dùng với mạch khuếch đại có tổng trở cao và có các đặc
tính:
- Rất tuyến tính
- Ít nhiễu
- Thang tần số rộng
- Nhẹ, có sức bền cơ học cao và có đời sống dài
Với các đặc tính trên photodiode được dùng để làm detector sự hiện diện,
cường độ, vò trí và màu sắc ánh sáng. Nếu ta nối một điện thế ngược (H 2.4) với
một diode silic bất kỳ, chỉ có một dòng điện rò rất bé chạy qua diode và điện áp ở
R1 gần bằng 0. Nhưng nếu vỏ của diode này được bóc di cẩn thận, vùng chuyển
tiếp p-n của diode được phơi trần dưới ánh sáng, dòng điện ngược chạy qua diode
tăng cao đến khoảng 1mA và cho ta một tín hiệu đáng kể ở R1. Tất cả các lớp
chuyển tiếp p-n của diode đều nhạy sáng.
Photodiode không nhạy sáng bằng một quang trở loại Cadmium – sulfide
nhưng nó làm việc nhanh gấp nhiều lần.
R1
R
D1
PHOTODIODE
VCC


Một photodiode có hai cực: catod và anod. Nó có điện trở bé khi điện thế ở
anod dương và điện trở khá lớn khi anod có điện thế âm (điện thế ngược). Thông
thường photodiode làm việc với điện thế ngược.
Mắt con người nhạy sáng nhất với độ dài sóng 550 nm, đó là màu xanh lá
cây. Đối với ánh sáng cực tím và hồng ngoại đôi mắt con người có độ nhạy rất
kém. Các photodiode có độ nhạy ở vùng sáng thấy được có quang phổ hẹp hơn
quang phổ con mắt. Photodiode hồng ngoại có độ nhạy cao nhất ở vùng
1000

nm
λ
≈
. Hai loại photodiiode Si và Ge che lấp một vùng quang phổ kéo dài từ
300 đến 1800 nm. Chỉ có photodiode loại Si là quan rọng nhất. Nó nhạy với ánh
Vout
Hình 2.4
Photodiode làm việc với điện thế ngược
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 9
sáng thấy được và độ nhạy cực đại của nó nằm trong vùng hồng ngoại gần, rất
thích hợp cho kỹ thuật điều khiển từ xa với Led vật liệu GaAs . . .
2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Sự tiếp xúc của hai bán dẫn loại n và loại p (chuyển tiếp P-N) tạo nên vùng
nghèo hạt dẫn bởi vì ở đó tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb












Hình 2.5 Chuyển tiếp P – N và hàng rào thế của nó
Khi không có điện thế bên ngoài đặt lên chuyển tiếp (V = 0), dòng diện qua
chuyển tiếp I = 0. Thực tế I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng nhau

và ngược chiều:
- Dòng do khuếch tán hạt dẫn cơ bản sinh ra khi ion hoá tạp chất (lỗ trống
trong bán dẫn loại P và điện tử trong bán dẫn loại N). Năng lượng nhiệt của các hạt
dẫn cơ bản đủ lớn để có thể vượt qua hàng rào thế.
- Dòng hạt dẫn không cơ bản (do kết quả của sự hình thành các cặp khi có sự
kích thích nhiệt: điện tử trong bán dẫn loại P và lỗ trống trong bán dẫn loại N),
chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường trong vùng nghèo.
Khi đặt điện áp Vd lên diode, chiều cao của hàng rào thế sẽ thay đổi kéo theo
sự thay đổi của đòng hạt dẫn cơ bản và bề rộng vùng nghèo. Điện áp Vd sẽ xác
đònh đòng điện chạy qua chuyển tiếp:
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn 10
.exp[ ]
qVd
I Io Io
kT
= −
(2.1)
Trong đó Io là dòng hạt dẫn không cơ bản.
Khi điện áp ngược đủ lớn (Vd << -kT/q = -26mV ở 300
0
K), chiều cao của
hàng rào thế lớn đến mức dòng khuếch tán hạt dẫn cơ bản trở nên rất nhỏ có thể
bỏ qua và chỉ còn lại dòng hạt dẫn không cơ bản, dây chính là dòng ngược I
r
của
diode, I
r
=Io.
Khi chiếu sáng diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng

(
s
λ λ
<
), sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống. Để các hạt dẫn này có thể
tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng I, cần phải ngăn cản quá trình tái hợp của
chúng tức là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện
trường. Điều này chỉ có thể xảy ra trong vùng nghèo và sự chuyển dơì của các điện
tích đó (cùng hướng với hướng chuyển động của các hạt dẫn không cơ bản) kéo
theo sự gia tăng của dòng ngược I
r
.









Hình 2.6 Hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo của chuyển tiếp P - N
Điều quan trọng là ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đã đi qua một bề
dày đáng kể của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng không nhiều. Càng đi sâu
vào chất bán dẫn thông lượng
φ
càng giảm:
φ
(x) =
φ

0
e
-
α
X
(2.2)
Trong đó
α
~10
5
cm
-1
tương ứng với sự giảm 63% thông lượng khi đi qua bề
dầy bằng 10
3
Å.
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
11
Trên thực tế phiến bán dẫn được làm rất mỏng để sử dụng năng lượng ánh
sáng một cách hữu hiệu nhất, đồng thời vùng nghèo cũng phải đủ rộng để sự hấp
thụ ở đó là cực đại.
2.2.2.3 Chế độ hoạt động
2.2.2.3.1 Chế độ quang dẫn

VR
PHOTODIODE
Vd
0
Rm

Es

Sơ đồ lắp ráp cơ bản gồm một nguồn Es phân cực ngược diode và một điện
trở Rm để đo tín hiệu (H ). Giả sử đặt điện áp Vd < 0 lên diode (diode phân cực
ngược), dòng ngược I
r
chạy qua diode được biểu diễn bởi biểu thức:
.exp[ ]
qVd
Ir Io Io Ip
kT
= − + +
(2.3)
Trong đó Ip là dòng quang điện hình thành khi ánh sáng đạt tới vùng nghèo
sau khi đi qua bề dầy X:
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
12
0
(1 )
exp( )
q R
Ip X
hc
η λ
φ α
−
= −
(2.4)

Hình 2.7 Đặc trưng I-V ứng với những thông lượng khác nhau
Khi điện áp ngược đạt giá trò đủ lớn , thành phần exp của (2.3) tiến tới 0 và ta
có:
Ir = Io + Ip (2.5)
Nghóa là Ir
≈
Ip (2.6)
Phương trình mạch điện: Es = V
R
– Vd (2.7)
Trong đó V
R = Rm.Ir
cho phép vẽ đường thẳng tải
∆
(H2.7 )
Es Vd
Ir
Rm Rm
= +

(2.8)
Điểm làm việc Q của diode là điểm giao nhau giữa đường tải
∆
và đường đặc
tuyến I-V với thông lượng tương ứng. Chế độ làm việc này là tuyến tính, V
R
tỷ lệ
với thông lượng.
2.2.2.3.2 Chế độ quang thế
Trong chế độ này không cho điện áp ngoài đặt vào diode. Diode hoạt động
như bộ chuyển đổi năng lượng tương đương với một máy phát và người ta đo thế hở
mạch Voc hoặc đo dòng ngắn mạch Isc.
Đo thế hở mạch Voc:
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
13
Sự tăng Ip của dòng hạt dẫn không cơ bản khi chiếu sáng sẽ làm chiều cao
hàng rào thế giảm đi một lượng
∆
Vb (do có sự phân chia hạt tải). Sự giảm chiều
cao hàng rào thế này làm cho dòng hạt dẫn cơ bản tăng lên để đảm bảo cân bằng
giữa hai dòng hạt dẫn cơ bản và không cơ bản sao cho Ir = 0, nghóa là:
exp[ ] 0
q Vb
Io Io Ip
kT
∆
− + + =
(2.9)
Từ đây rút ra:

ln[1 ]
kT Ip
Vb
q Io
∆ = +
(2.10)
Với Ip được biểu diễn bởi công thức (2.4)
Sự giảm chiều cao
∆
Vb của hàng rào thế có thể đánh giá được nếu đo điện
áp giưa hai đầu của diode trong chế độ hở mạch:
ln[1 ]
kT Ip
Voc
q Io
= +
(2.11)
Khi chiếu sáng yếu, Ip << Io và
kT Ip
Voc
q Io
=
(2.12)
Trong trường hợp này Voc nhỏ (kT/q = 26mV ở 300
0
K) nhưng phụ thuộc
tuyến tính vào thông lượng.
Khi chiếu sáng mạnh, Ip >> Io và ta có:
ln
kT Ip

Voc
q Io
=
(2.13)
Trong trường hợp này Voc có giá trò tương đối lớn (0,1 – 0,6V) nhưng sự phụ
thuộc của Voc vào thông lượng có dạng hàm logarit (H 2.8 )


Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
14

Hình 2.8 Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào thông lượng
Đo dòng ngắn mạch Isc:
Khi nối ngắn mạch hai đầu của diode bằng một điện trở Rm nhỏ hơn điện trở
động rd của chuyển tiếp, dòng đoản mạch chính bằng dòng Ip và tỷ lệ với thông
lượng (H 2.9)
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
15

Hình 2.9 Sự phụ thuộc của dòng Isc vào thông lượng khi diode ở chế độ ngắn mạch
Đặc điểm quan trọng của chế độ làm việc này của diode là không có dòng tối.
Thực vậy, khi không có nguồn điện phân cực bên ngoài thì sẽ không có dòng tối
chạy qua diode. Như vậy có thể giảm nhiễu (Schottky) và cho khả năng đo thông
lượng rất nhỏ.
2.2.2.4 Độ nhạy
Đối với bức xạ có phổ xác đònh, dòng quang điện Ip tỷ lệ tuyến tính với thông
lượng trong một khoảng thông lượng tương đối rộng, cỡ 5 – 6 decad. Độ nhạy phổ
được xác đònh nhhư sau:
(1 )exp( )
( ) .
Ip q R X
S
hc
η α
λ λ
φ
∆ − −
= =
∆
(2.14)
Với
s
λ λ
≤

Độ nhạy phụ thuộc vào
λ

, hiệu suất lượng tử
η
, vào hệ số phản xạ R và hệ
số hấp thụ
α
. Đối với mỗi loại diode, người sử dụng phải biết độ nhạy phổ dựa
trên đường cong phổ đáp ứng
( ) / ( )
S S p
λ λ
, trong đó
λ
p là độ dài bước sóng ứng với
cực đại độ nhạy phổ (H ), đồng thời phải biết giá trò của
λ
p. Thông thường S(
λ
p)
nằm trong khoảng từ 0,1 đến 1 A/W
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
16

Hình 2.10 Phổ độ nhạy của photodiode (loại 5082 – 4200)

Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, cực đại
λ
p của đường cong độ nhạy phổ bò dòch
chuyển. Khi nhiệt độ tăng,
λ

p dòch chuyển về phiá bước sóng dài như biểu diễn
trên hình (h ). Hệ số nhiệt độ của dòng quang dẫn
1
.
dIp
Ip dT
có giá trò trong khoảng
0,1 %/
0
C.
2.3 KHỐI DAO ĐỘNG
2.3.1 Khối dao động phần phát (IC dao động 555)











Hình 2.11 Sơ đồ chân IC 555
NE 555
1 2 3 4

8 7 6 5

Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản

Bản quyền thuộc về Goccay.vn
17


T2
GND
R
OUTPUT
5K
Dirchage
OUTPUT
Vr = 1,4V
2
5K
-
+
S
Reset
Threshold
Trigger Input
2/3 Vcc
-
+
Control
Voltage
Vcc
F/F
5K
1
1/3 Vcc

T1



Chức năng của các chân

Đây là vi mạch đònh thời chuyên dùng, có thể mắc thành dạng mạch đơn ổn
hay phi ổn.
Điện áp cung cấp từ 3V đến 18V.
Dòng điện ra đến 200mA (loại vi mạch BJT) hay 100mA (loại CMOS).
Chân 1: Nối với masse.
Chân 2: Nhận tín hiệu kích thích (trigger).
Chân 3: Tín hiệu ra (output).
Chân 4: Phục nguyên về trạng thái ban đầu (preset).
Chân 5: Nhận điện áp điều khiển (control voltag).
Chân 6: Mức ngưỡng ( threshold ).
Chân 7: Tạo đường phóng điện cho tụ.
Chân 8: Cấp nguồn Vcc.
Bên trong vi mạch 555 cóhơn 20 Transistor và nhiều điện trở thực hiện các
chức năng như hình 2.6 gồm có:
Hình 2.12
Sơ đồ khối bên trong IC 555
1

5

8

6

3

7

2

4

Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
18
1) Cầu phân áp gồm 3 điện trở 5K nối từ nguồn Vcc xuống mass cho ra 2 áp
thế chuẩn là 1/3 Vcc và 2/3 Vcc.
2) OPAMP (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In
-
nhận điện áp chuẩn 2/3
Vcc còn ngõ In
+
thì nối ra ngoài chân 6. Tuỳ thuộc điện áp của chân 6 so với điện
áp chuẩn 2/3 Vcc mà Opamp (1) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu R
(Reset) điều khiển Flip-Flop (F/F).
3) OPAMP (2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In
+
nhận điện áp chuẩn 1/3
Vcc còn ngõ In
-
thì nối ra ngoài chân 2. Tuỳ thuộc điện áp của chân 2 so với điện
áp chuẩn 1/3 Vcc mà Opamp (2) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S
(Set) điều khiển Flip-Flop (F/F).
4) Mạch F/F là loại mạch lưỡng ổn kích một bên. Khi chân Set có điện áp cao

thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F l2 ngõ Q lên mức cao và ngõ
Q
xuống
mức thấp. Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng
thái. Khi chân Reset (R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F
làm ngõ
Q
lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Reset đang ở mức cao
xuốn gthấp thì mạch F/F không đổi trạng thái.
5) Mạch OUTPUT là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp
cho tải. Đây là mạch khuếch đại đảo có ngõ vào là chân
Q
của F/F nên khi
Q
ở
mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (≈ 0V) và ngược lại.
6) Transistor T1 có chân E nối vào một điện áp chuẩn khoảng 1,4V và loại
Transistor PNP nên khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4V thì
T1 ngưng dẫn nên T1 không bò ảnh hưởng đến hoạt động của mạch: Khi chân 4 có
điện trở trò số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hoà đồng thời làm mạch
Output cũng dẫn bão hoà và ngõ ra xuống thấp. Chân 4 được gọi là chân Reset có
nghóa là nó Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác, do đó chân Reset
dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần. Nếu không dùng chức năng Resetthì nối
chân 4 lên Vcc để tránh mạch bò Reset do nhiễu.
7) Transistor T2 là transistor có cực C để hở nối ra chân 7 (Discharge = xả).
Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra
Q
của F/F nên khi
Q
ở mức cao thì T2

bão hoà và cực C của T2 coi như nối mass, lúc đó ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp;
Khi
Q
ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn cực C của T2 bò hở, lúc đó ngõ ra chân 3 có
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
19
điện áp cao. Theo nguyên lý trên cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ có
mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 3.
2.3.2 Khối dao động phần thu (IC 567)
IC 567 (TONE DECODER): IC 567 Bộ giải mã âm sắc.










IC chứa một vòng khóa pha. Khi tần số phù hợp với tần số trung tâm thì chân 8 có
mức áp thấp. Do đó tín hiệu từ transistor qua tầng khuyếch đại đưa đến ngõ vào
của IC 567. Tần số hiện nay được xác lập theo mạch đònh thời R và C hay 1,1/(RC).
R lấy khoảng 2K đến 20K. 567 có thể tách dò tần số ngã vào từ 0,01Hz đến
500KHz
Ghi chú: các ngõõ vào trong mạch lọc thấp qua tính theo µF sẽ được xác đònh bởi
n/F
0
. Trong đó n trong khoảng 1300 đến 62000. Tụ ngõõ ra lấy trò số gấp đôi tụ trong

mạch lọc thấp qua ở ngõõ vào.


Ngõ ra
GND
Tụ đònh thời
Điện trở đònh thời


567


8
7
6
5


1

2
3
4

Tụ ngõ ra

Tụ lọc thôngthấp
Ngõvào
+4,75-9,0V
Hình 2.13 Sơ đồ chân IC 567

Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
20


Hình 2.14 Sơ đồ khối LM 567