thiết kế bộ thu hồng ngoại để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình

Phần I: Giới thiệu tổng quan về đề tài
I. Lý do chọn đề tài
Ngày nay khoa học công nghệ phát triển nhu cầu của con ngời ngày càng
cao. Việc nghiên cứu khoa học ngày càng đợc đầu t để đáp ứng nhu cầu đó, các
ngành công nghệ kỹ thuật điện tử đã có sự phát triển vợt bậc đa khoa học vào kỷ
nguyên mới. Kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển là một ứng dụng lớn của khoa học
kỹ thuật vào cuộc sống phục vụ trực tiếp cho con ngời.
Ví dụ: Lập trình cho vi xử lý vi điều khiển điều khiển mạch đèn giao thông, hệ
thống quản lý mạng, các thiết bị điện tử dân dụng
ở nhóm ngành điện tử dân dụng thì vi xử lý, vi điều khiển đã thâm nhập
khá nhiều vào lĩnh vực này. Điều khiển từ xa là một ứng dụng điển hình của vi
xử lý, vi điều khiển trong cuộc sống của con ngời: trong kinh doanh, trong
chăm sóc sức khoẻ, trong sinh hoạt thờng ngày Ban đầu con ngời chỉ điều
khiển các thiết bị điện, điện tử thông qua việc đóng tắt các công tắc và hiện nay
với sự hỗ trợ của vi điều khiển ngời ta đã tạo ra các mạch điện để điều khiển các
thiết bị từ xa mà không cần phải đi lại, giảm bớt lao động chân tay. Với mong
muốn góp phần nhỏ vào lĩnh vực này nhóm em đã chọn đề tài:
Thiết kế bộ thu hồng ngoại (thiết bị phát hồng ngoại là bộ điều khiển tivi từ
xa xủa hãng sony) để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình.
II. Mục đích
- Tìm hiểu nguyên lý làm việc của bộ thu phát hồng ngoại.
- ứng dụng viết chơng trình và giao tiếp với tải.
III. Đối tợng nghiên cứu
- Họ vi điều khiển 89C51 ứng dụng trong ngành vi xử lý, vi điều khiển để
tạo ra những ứng dụng trong đời sống xã hội hiện nay.
- Thiết bị phát hồng ngoại là điều khiển từ xa của hãng Sony.
1
- Phần mền lập trình Pinnacle 52, phần mền mô phỏng Protues, phần
mềm vẽ mạch CircuitMaker.
- Phần mềm mô phỏng và viết chơng trình trên máy.

IV. Phạm vi nghiên cứu
- Hệ thống cấu trúc của vi điều khiển 89C51 và tập lệnh của nó.
- Các phần mềm mô phỏng và vẽ mạch.
- Nguyên lý chung của bộ thu phát hồng ngoại.
2
Phần II: Nội dung
Chơng 1: cơ sở lý thuyết
1.1. Khái quát về điều khiển từ xa
điều khiển từ xa là quá trình điều khiển một đối tợng trong kỹ thuật mà
con ngời có thể đứng từ xa điều khiển lại trong một khoảng cách nhất định bằng
nút bấm hay phím bấm.
Có rất nhiều phơng pháp điều khiển từ xa, nhng nguyên tắc chung của nó
là phải mã hoá thông tin dới dạng số hoặc điều tần. Sau đó thông tin đợc gửi đi
bằng cách dùng sóng vô tuyến, sóng điện từ, sóng hồng ngoại . Về lý thuyết ta
có sơ đồ khối của mạch điều khiển từ xa chung nh sau:
Hình 1-1: sơ đồ khối chung của mạch điều khiển từ xa
Nh vậy việc truyền thông tin sẽ không bị mất đi trong quá trình truyền nhờ
các sóng mang để đa thông tin. Muốn đạt đợc điều này, thông tin phải đợc mã
hoá và giải mã một cách chính xác. Nếu không thông tin sẽ bị nhiễu hoặc
không thu đợc.
Sử dụng sóng hồng ngoại có những u điểm sau:
+ Tính kinh tế.
+ Mạch điện đơn giản, không cồng kềnh.
+ Tính chống nhiễu cao.
3
Tớn hiu
iu khin
Trn tớn
hiu
khuych i

tớn hiu
khuych
i thu
sa
dng
gii
mó
OSC
Khuếch
đại
Mã hoáTạo dao
động
Khuếch
đại
Sửa
dạng
đồng bộ
Giải mã
Hình 1-2: Sơ đồ khối của điều khiển từ xa dùng hồng ngoại
1.2. Giới thiệu về hồng ngoại.
1.2.1. Hồng ngoại là gì?
Hồng ngoại là sự bức xạ năng lợng với tần số thấp hơn tần số mà mắt ta
nhìn thấy, vì vậy chúng ta không thể nhìn thấy đợc. Bớc sóng hồng ngoại vào
khoảng 0,8
à
m
ữ
0,9
à
m và có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng.

1.2.2. Nguồn phát sóng hồng ngoại. Thu sóng hồng ngoại.
1. Nguồn phát sóng hồng ngoại.
Thông thờng nguồn phát sóng hồng ngoại rất nhiều nh: Led hồng ngoại,
lazer bán dẫn. Tuy nhiên hiện nay led hồng ngoại đang đợc sử dụng rộng rãi nhất
là trong lĩnh vực điều khiển từ xa vì nó có hiệu suất lợng tử cao.
*Led hồng ngoại:
- Cấu tạo: Vật liệu dùng để chế tạo led hồng ngoại là GaAs với độ rộng
vùng cấm là 1,43 eV, tơng ứng với bức xạ khoảng 900 nm. Cấu tạo của led hồng
ngoại đợc thể hiện ở hình 1.4. Trong một lớp fa epitaxy lỏng một lớp tinh thể
hoàn hảo đợc mọc lên từ lớp nền N-GaAs với tính chất lỡng tính( amphotric) của
tạp chất silic, lớp chuyển tiếp PN đợc hình thành tự động trong quá trình epitaxy
lỏng. Bằng sự pha tạp với silic, ta có sự bức xạ với =950 nm. Mặt dới của diode
đợc chế tạo sao cho nh một chiếc gơng phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ
chuyển tiếp PN.
4
Với cách này ngời ta có thể chế tạo ra thang sóng giữa 850 và900nm. Và
do đó có thể tao ra sự điều hởng sao cho led hồng ngoại phát ra bớc sóng thích
hợp nhất cho diểm cực đại của các detector ( thiết bị thu sóng hồng ngoại).
Hình 1-3: Cấu tạo led hồng ngoại
-- Một số ứng dụng của led hồng ngoại:
+ Dùng để làm thiết bị diều khiển từ xa.
+ Truyền tin vô tuyến.
+ Dùng làm công tắc hồng ngoại.
+ Trong làm thiết bị truyền dữ liệu.
-- Đặc trng kỹ thuật của led hồng ngoại:
+ Bớc sóng phát xạ:
P
+ Công suất phát xạ: P
+ Điện áp chịu đựng: Vt
+ Bớc sóng trung bình:

+ Dòng điện chịu đựng: I
F
+Công suất tiêu tán: P
* Một số Led hồng ngoại :
5
P
n- GaAs Silic
n- GaAs
Bảng 1-1: Một số led hồng ngoại thông dụng
2. Thiết bị thu sóng hồng ngoại:
Hiện nay trên thị trờng có nhiều thiết bị thu sóng hồng ngoại nh: Photo
diode, cds. Tuy nhiên với việc điều khiển từ xa thì hiện nay ngời ta sử dụng chủ
yếu là: Photo diode.
Photo diode đợc dùng với tầng khuyếch đại có tổng trở cao. Nó có đặc tính
sau:
+ Rất tuyến tính.
+ Có ít nhiễu.
+ Dải tần số rộng.
+ Nhẹ và có sức bền cơ khí cao.
+ Tuổi thọ cao.
- Với các đặc tính trên Photo diode đợc làm các bộ cảm nhận( detector) sự
hiện diện cờng độ vị trí màu sắc, ánh sáng.
- Nếu ta mắc một điện thế ngợc( hình 1.5) với diode silic bất kỳ chỉ có một dòng
điện rất bé chạy qua diode và điện áp trên R gần bằng 0. Nhng nếu vỏ của diode
này đợc bọc cẩn thận, vùng chuyển tiếp PN đợc phơi trần dới ánh sáng thì dòng
điện ngợc chảy qua diode đến 1mA và cho ta một tín hiệu đáng kể ở R1. Tất cả
các lớp chuyển tiếp PN của diode đều nhạy sáng.
Photo diode với điện thế ngợc.
Chủng loại V
T

(v) I
F
(mA P(mw)

P
(nm)
LD271 5 130 210 950
LD273 10 100 260 950
LD274 5 100 165 950
SFH435 5 100 165 950
6
U
R
+V
V1
R1
D1
Hình 1-4 Điện áp ngợc trên photo diode.
- Tuy photo diode không nhạy sáng bằng quang trở CDS (Cadimiumsunfide),
nhng nó làm việc nhanh gấp nhiều lần. Chính vì các đặc điểm trên mà Photo diode
luôn đợc dùng làm bộ thu phát điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại .
* Cơ chế hoạt động của Phôt diode.
Tuỳ theo chế độ làm việc Photo diode có thể làm việc nh một diode bình th-
ờng hay là một tế bào quang điện (Phôto cell). Với chế độ làm việc nh một tế bào
quang điện ta có thể coi nh một nguồn dòng với dòng quang điện Ip và mắc song
song với một tải R1 ta có sự liên hệ giữa điện áp và dòng điện nh sau:
.
( 1)
V
n Vt

S
I I e
=
.
Trong đó:
+ Ip là dòng quang điện.
+ Is là dòng bão hoà.
+ V là điện áp rơi trên diode.
+ Vt=kT/e (điện áp tơng ứng với nhiệt độ).
+ n là hệ số Diode.
Trong trờng hợp không đợc chiếu sáng I
p
= 0. Phơng trình trên đợc rút gọn
thành một phơng trình cho một diode bình thờng nh là đặc tuyến sau:
7
I
V
break
down
V

Hình 1-5: Đặc tuyến diode
**Độ nhạy của Photo diode với quang phổ
- Photo diode loại Germani và Silic có vùng quang phổ kéo dài từ 300
đến 1800 nm. Chỉ có photo diode silic là quan trọng nhất. Nó nhạy với ánh
sáng thấy đợc và độ nhạy của nó nằm trong vùng hồng ngoại gần, rất phù hợp
cho điều khiển từ xa với led loại GaAs.
Ranh giới độ nhạy của photo diode bán dẫn bị hạn chế trong vùng sóng
dài với g bởi độ rộng vùng cấm Eg:
g (nm) = hc/Eg = 1,24/Eg (Ev)

Vơí nhiệt độ phòng Si có Eg = 1,2eV. Do vậy g = 1100 (nm) đờng phổ
của Photo diode giảm theo bớc sóng ngắn, sóng ngắn bị hấp thụ mạnh, trong
lớp sóng ngắn các đôi mang điện tích chỉ đợc sinh ra ở gần bề mặt của photo
diode. Tại đó vận tốc tái hợp rất lớn, các đôi hạt mang điện tích không thể góp
phần vào dòng quang điện, do đó photo diode có lớp khuyếch tán càng mỏng
và lớp chuyển tiếp PN càng gần bề mặt thì nó càng nhạy với sóng ngắn.
- Photo diode loại PN và PIN :
Vơí cấu trúc PN ta có vùng điện tích không gian rất hẹp, ánh sáng phần
lớn đợc hấp thụ bởi vùng P và N. Nh vậy dòng quang điện chỉ là dòng khuyếch
tán, sự khuyếch tán của các điện tích tơng đối chậm. Một hạt điện tử cần
khoảng thời gian 3ns để khuyếch tán qua một lớp P dày 5àm và lỗ trống cần
đến 15ns để khuyếch tán qua một lớp N có cùng độ dày. Photo diode PN đợc
dùng với các công việc không cần vận tốc nhanh và dòng tơng đối thấp nh: đo
cờng độ nhạy sáng, ngay cả dòng ánh sáng của các vì sao cần một dòng tối
8
thấp hơn 10
-11
A/mm
2
. Tế bào quang điện nằm trong nhóm Photo diode loại
PN.
Với Photo diode loại PIN ánh sáng đợc hấp thụ phần lớn trong vùng
điện tích không gian. Photo diode loại này dùng làm vận tốc nhanh, để có
vùng điện tích không gian có độ rộng lớn ta cần bán dẫn loại tinh khiết -
intrinsic- (có độ pha tạp P hay N yếu) nh là vật liệu chính.
- Để Phôto diode làm việc nhanh cần phải gia tăng điện áp ngợc để các hạt
mang điện tích bị kéo đi trong vùng điện tích không gian với điện tích bão hoà
V.
- Trong Si và Ge với điện trờng khoảng 20000 V/cm ta có vận tốc bão hoà V
từ 5.10

6
đến 1.10
7
cm/s các hạt điện tích xuyên qua.
- Lớp điện tích dầy 5àm chỉ cần 50ps .
Chơng 2: Giới thiệu và lựa chọn linh kiện
2.1.Giới thiệu về vi điều khiển 89XX- 89C2051.
2.1.1 Giới thiệu chung về họ vi diều khiển 89xx .
9
Bộ vi điều khiển 89xx là phiên bản của họ 8051. Phiên bản này do hãng
Atmel Coporation sản xuất. Phiên bản này có ROM trên chip là bộ nhớ Flash(
Vi mạch nhớ lập trình ). Phiên bản này rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh
vì bộ nhớ Flash có thể xoá trong vài giây( không phải mất 20 phút nh 8751).
Dĩ nhiên là để dùng 89xx cần phải có một bộ đốt ROM hỗ trợ bộ nhớ Flash,
song lại không cần bộ xoá ROM vì bộ nhớ Flash đợc xoá bằng bộ đốt PROM.
Tuy nhiên để tiện sử dụng hiên nay hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên
bản của họ 89xx có thể lập trình qua cổng COM của máy vi tính IBM PC và
nh vậy sẽ không cần bộ đốt PROM.
Ký hiệu Rom Ram Chân
I/O
Time Ngắt Vcc Đóng
vỏ
AT89C51 4K 128 32 2 6 5 40
AT89CV51 4K 128 32 2 6 3 40
AT89C1051 1K 64 15 1 3 3 20
AT89C2051 2K 128 15 2 6 3 20
AT89C52 8K 128 32 3 8 5 40
AT89LV52 8K 128 32 3 8 3 40
Bảng 2.1:Các phiên bản của 8051 do hãng At mel sản xuất
Nh vậy có thể thấy rằng các thành viên của họ 89xx hoàn toàn giống với họ

8051 chỉ khác nhau về số chân (số cổng) và dung lợng bộ nhớ.(dung lợng bộ
nhớ ROM, RAM) .
Thông số kĩ thuật của 8051:
Đặc tính Số lợng
ROM 4 K byte
RAM 128 byte
Bộ định thời 2
Chân vào/ra 32
Cổng nối tiếp 1
Nguồn ngắt 6
10
Bảng 2.2: Các đặc tính của 8051
** Sơ đồ khối của 8051:
Ngắt ngoài
Hình 2-1 : Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển 8051
Do sự phát triển của kĩ thuật ngày càng đòi hỏi các sản phẩm ngày càng nhỏ
gọn và tinh vi. Vì vậy các phiên bản của 8051 ra đời trong đó có phiên bản
AT89XX với tính năng u việt hơn so với 8051:
+ AT98XX rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh. Đặc biệt AT89C51-12PC rất
thích hợp cho các thử nghiệm của học sinh, sinh viên.
+ AT89XX có thể xoá và lập trình lại.
+ AT89XX có nhiều loại phù hợp thị hiếu của ngời dùng.
11
đk ngắt
cpu
osc
Rom
Onchip
Chương
Trình

Bus điều
khiển
Ram
onchip
4 cổng vào
ra
Cổng nối
tiếp
P
0
P
1
P
2
P
3
Etc
Time0
Time1
- Với yêu cầu của đồ án cũng nh cách thức lựa chọn bộ vi điều khiển sao cho phù
hợp với việc thiết kế cũng nh cách thức sử dụng của một sản phẩm bất kì ta phải
chú ý những tiêu chuẩn sau:
a. Đáp ứng yêu cầu tính toán một cách hiệu quả và đảm bảo tính kinh tế chứa trong
sản phẩm của mình nh: tốc độ của vi điều khiển, kiểu đóng vỏ, công suất tiêu thụ,
dung lợng, số chân, khả năng dễ dàng mà hiệu quả, giá thành.
b. Nó phải có sẵn các công cụ phát triển phần mềm nh: Trình biên dịch, trình hợp
ngử và gỡ rối.
c. Nguồn cung cấp bộ vi điều khiển phải có nhiều và tin cậy.
* Từ tiêu chuẩn trên mà nhóm chúng em đã quyết định sử dụng vi điều khiển
AT98C2051 để viết mã nguồn trơng trình cho bộ điều khiển từ xa mà nhóm đang

thực hiện với những lý do sau:
+ AT89C2051 có thể xoá và lập trình lại, thích hợp cho việc thử nghiệm, giá
thành phù hợp.
+ AT89C2051 dung lợng, tốc độ phù hợp với yêu cầu của đồ án.
+ Số lợng chân và kiểu đóng vỏ nhỏ gọn phù hợp cho việc chế tạo phần cơ khí.
+ Số lợng lu thông trên thị trờng nhiều.
Nếu ta sử dụng AT89C51 thì mạch điện sẽ cồng kềnh( 40 chân), dung lợng bộ
nhớ lớn dẫn đến lãng phí( ảnh hởng kinh tế). Còn nếu sử dụngAT89C1051 thì số l-
ợng trên thị trờng lại ít dẫn đến khó áp dụng vào thực tế.
2.1.2. Giới thiệu về AT89C2051.
2.1.2.1. Những đặc tính cơ bản.
Hình 2.2: Hình dáng bên ngoài của AT89C2051
12
AT98C2051 là loại vi điều khiển đợc chế tạo theo công nghệ CMOS tức là: nó
có khả năng làm việc nhanh, tiêu thụ rất ít năng lợng, có khả năng chống nhiễu
cao.
+ ROM : 2Kbyte Flash ROM.
+ Chu trình đọc ghi là 1000 lần.
+ Điện áp làm việc: 2,7 V 6 V.
+ Tần số làm việc từ 0 đến 24 kHz.
+ Điều khiển đầu vào và đầu ra bởi 2 mức điện áp là mức 0 và 1.
+ Nó dùng 6 nguồn ngắt.
+ Hai bộ time/counter.
+ Trực tiếp điều khiển các led ở đầu ra bởi các bit định sẵn.
+ RAM nội: 128 x 8- bit.
+ Có 15 đờng xuất nhập.
+ Khả năng lập trình tuần tự bằng kênh UART.
+ Có 2 bộ so sánh Analog tích hợp sẵn trê chíp.
+ Chế độ nguồn thấp Idle v chế độ nguồn giảm.
+ Trong bộ nhớ có chứa thớc đo so sánh tín hiệu tơng tự.

2.1.2.2. Cấu hình chi tiết.
a . Sơ đồ chân
Hình 2.3: Sơ đồ chân AT89C2051
Chip có 20 chân.
13
Vcc: ( chân số 20) điện áp vào ( khoảng 2,7V đến 6V ).
GND : (chân số 10 ) chân nối mass.
Port 1 : ( từ chân 12 đến 19 ) port 8 bit, định hớng xuất nhập dữ liệu, từ P1.2 đến
P1.7 đợc dùng pull-ups nội.
P1.0 v P1.1 t ơng ứng tích cực mức logic cao v thấp cho đầu v o ( AIN0 v AIN
1 ) tơng ứng của bộ so sánh chính xác trên chip. Port1 nhận đợc mã dữ liệu từ ch-
ơng trình lu trong bộ nhớ và thực hiện.
Port 3: ( gồm chân 2, 3 , 6, 7, 8, 9, 11 ) Port 3 các chân từ 3.0 đến P3.5, P3.7 l 7
chân đã có điện trở kéo lên. P3.6 đợc nối cố định giữa I/O trên bọ so sánh của chip
v không thể truy cập nh một mục đích tổng quan trên chân I/O. Port 3 cũng phục
cho các chức năng của nhiều tính năng đặc biệt của AT89C2051 nh liệt kê dới đây:
Bảng 2.3: Các cổng của AT89C2051
Port 3 cũng nhận đợc tín hiệu điều khiển từ Flash.
RST : Xác lập lại trạng thía ban đầu. Tất cả các chân I / O đợc thiết lập lên mức 1
sau khi RST ở mức cao. Mỗi chu kỳ cần 12 dao động.
XTAL1 : Ngõ vào bộ khuếch đại đảo chiều và ngõ vào mạch tạo xung clock trong
chip.
XTAL2: Ngõ ra từ bộ khuếch đại đảo chiều.
b.Các đặc tính mạch dao động.
XTAL1v XTAL2 lần l ợt là đầu vào và đầu ra của 1 bộ khuếch đại đảo đợc cấu
14
hình làm mạch dao động trên chip, đợc chỉ ra trong hình minh họa. Hoặc 1 tinh thể
thạch anh hoặc mạch cộng hởng gốm đợc sử dụng. Để điều khiển thiết bị này từ 1
nguồn xung clock bên ngo i, XTAL2 đ ợc thả nổi (không kết nối) trong khi
XTAL1 đợc điều khiển.(nh hình 2.4). Không có yêu cầu nào về chu kỳ nhiệm vụ

của tín hiệu xung clock bên ngo i, vì để đầu vào này đến đ ợc mạch tạo xung clock
bên trong chip phải đi qua 1 flip-flop chia-2, nhng các chi tiết kỹ thuật về thời gian
mức cao v mức thấp, điện áp cực tiểu và cực đại phải đ ợc xem xét.
Hình 2.4: Mạch dao động của AT89C2051
c. Sơ đồ khối của chip
15
16
Hình 2.5: Sơ đồ chân của
d. Tập lệnh AT89C2051 :
- Vì 89c2051 là phiên bản của 8051 nên tệp lệnh của nó hoàn toàn giống với
8051: Có 255 lệnh , 139 lệnh 1 byte, 92 lệnh 2 byte và 24 lệnh 3 byte.
- AT98C2051 có thể lập trình trên các ngôn ngữ lập trình khác nhau cùng với
các trình biên dịch của nó. Thông dụng nhất là ngôn ngữ assembly,
basic(Bascom), pinnacle.
17
- Sau khi tiến hành soạn thảo và biên dịch trên phần mềm ta tiến hành nạp trơng
trình từ máy xuống IC vi điều khiển .
2.2. Các tập lệnh bộ vi xử lý 8051
2.2.1. Nhóm lệnh di chuyển dữ liệu
Quy ớc: # Data: toán hạng định địa chỉ tức thời.
Direct : Toán hạng định địa chỉ trực tiếp.
@Ri : Toán hạng định đia chỉ gián tiếp.
Rn : Toán hạng định địa chỉ thanh ghi.
Lệnh Mov.
Lệnh Movx.
Lệnh Movc.
Lệnh trao đổi nội dung thanh ghi A với toán hạng 2.
Lệnh XCHD.
Lệnh PUSH.
Lệnh POP.

2.2.2. Nhóm lệnh số học.
Lệnh cộng không nhớ ADD.
Lệnh cộng có nhớ ADDC.
Lệnh tăng toán hạng một đơn vị.
Lệnh trừ .
Lệnh giảm một đơn vị DEC.
Lệnh nhân MUL.
Thực hiện nhân nội dung thanh ghi A với nội dung thanh ghi B.
Kết quả: Byte thấp lu trên thanh ghi A.
Byte cao lu trên thanh ghi B.
Lệnh chia DIV.
Thực hiện chia nội dung thanh ghi A với nội dung thanh ghi.
Kết quả: Phần nguyên lu trên thanh ghi A.
18