Thiết kế bộ thu hồng ngoại (thiết bị phát là bộ điều khiển tivi từ xa của hãng sony) để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình

Mục Lục
Lời nói đầu…………………………………………………………………….2
Chương I.Tổng quan về đề tài…………...……………………………………4
I.Khái niệm ánh sáng hồng ngoại…………………………………4
II.Nguyên lý thu phát hồng ngoại…………………………………4
III.Cấu tạo các linh kiện trong đề tài……………………………..8
Chương II: Tính toán và thiết kế mạch……………………….……………….20
I.Sơ đồ khối của mạch…………………….…….……………... 20
II. Mạch nguyên lý và mạch in.
Chương III:Thực hiện mạch ứng dung

1


Lời Nói Đầu.
Trong giai đoạn hiện nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển và được ứng
dụng nhiều hơn trong cuộc sống nhằm mang lại sự thuận tiện và hiệu quả nhất.Với
đề tài “Thiết kế bộ thu hồng ngoại (thiết bị phát là bộ điều khiển Tivi từ xa của
hãng Sony) để điều khiển bật tắt các bóng đèn trong gia đình.”giúp sinh viên thực
hiện có cơ hội được vận dụng các kiến thức đã được học trên giảng đường , đồng
thời được tiếp cận với những linh kiện điện tử, có được những kỹ năng sử dụng
phần mềm hỗ trợ thuẩn thục hơn cũng như tư duy lập trình và thiết kế mạch điển
tử ứng dụng.
Sau đây xin giới thiệu bố cục của bản báo cáo:
Chương I : Tổng quan về đề tài
Trong chương này chủ yếu giới thiệu về nguyên lý thu phát hồng ngoại và
giới thiệu về cấu trúc phần cứng cũng như tính năng của một số linh kiện cơ bản sử
dụng trong đề tài.

Chương II : Tính toán và thiết kế mạch
Chương này trình bày mạch nguyên lý và nguyên lý hoạt động cùng các linh kiện

với các thông số đã được tính toán.

Chương III: Thực hiện mạch.
Đưa ra kết quả thực hiện mạch trong thực tế, đánh giá ưu nhược điểm và
những ứng dụng trong thực tế.

2


Do có phần hạn chế về kinh nghiệm thực tế và kiến thức chuyên sâu nên đồ
án này không thể tránh khỏi những thiếu sót . Mong các Thầy cùng các bạn góp ý
kiếp nhận xét để chúng em có thể hoàn thiện hơn những kỹ năng cũng như kiến
thức chuyên môn.
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của các
Thầy trong khoa Kỹ Thuật Điều Khiển – Trường Kỹ Thuật Quân Sự cũng như sự
giúp đỡ nhiệt thành của các bạn trong lớp.
Xin Chân thành cảm ơn!

3


Chương I: Tổng Quan Về Đề Tài.
I.

Khái niệm ánh sáng hồng ngoại.
Ánh sáng hồng ngoại là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt
thường, có bước sóng từ 0.86um đến 0.98um. Tia hồng ngoại có vận tốc
bằng vận tốc ánh sáng.
Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu , nó được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp.Lượng thông tin truyền đi với ánh sáng

hồng ngoại lớn hơn rất nhiều so với sóng điện từ mà ta vẫn dùng có thể
lên tới 3 Mega bit/s.
Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều
khiển từ xa bằng tia hồng ngoại, tia hồng ngoại phát đi hẹp,có hướng do
đó khi thu phải đúng hướng.
Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như sóng ánh
sáng ( sự hội tụ qua thấu kính, tiêu cự..) Ánh sáng thường và ánh sáng
hồng ngoại khác nhau rất rõ trong sự xuyên thấu qua vật chất.
Có những vật ta thấy nó dưới một màu xám đục nhưng với ánh sáng
hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt. Vì vật liệu bán dẫn “trong suốt” đối
với anh sáng hồng ngoại , tia hồng ngoại không bị yếu đi khi nó vượt qua
các lớp bán dấn để đi ra ngoài.

II.

Nguyên lý thu phát hồng ngoại.
Tia hồng ngoại được ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển từ xa khá lâu.
Mỗi nhà sản xuất thiết lập một chuẩn giao tiếp khác nhau. Ví dụ : RC80
của Panasonic, RC5 của Philips, SIRC của SONY. Đó là một số chuẩn
đơn giản nhất để giải mãi.
Để hạn chế các nhiễu từ môi trường xung quanh ảnh hưởng tới các dữ
liệu mang trong tia hồng ngoại ta sử dụng modul phát. Modul này có
chức năng phát ra chùm tia hồng ngoại tập trung với tần số khác nhau tùy
thuộc vào nhà sản xuất, thường thay đổi từ 32kHz đến 56Khz. Trong đề
4


tài sử dụng điều khiển SONY để điều khiển bóng đèn trong gia đình thì
Modul phát là điều khiển hồng ngoại với tần số 40kHz ( ánh sáng hồng
ngoại truyền đi 40 lần/1s ) Có nghĩa chúng ta cũng cần một IR nhận

tương ứng để có thể điều chế ánh sáng hồng ngoại thành tín hiệu TTL
cho PIC.
1.

Modul phát.
a. Sơ đồ khối.
Thiết Bị
Phát

Chọn
Chức
Năng

Mã Hóa

Chốt Dữ
Liệu

Điều Chế
và
Phát

Bộ Dao
Động

b.

Giải thích.
- Khối chọn chức năng và khối mã hóa : Khi người dung bấm
vào các phím chức năng để phát lệnh điều khiển, mỗi phím

5


-

-

-

-

2.

tương ứng với một số thập phân, mạch mã hóa sẽ chuyển đổi
thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng mã lệnh số bao gồm
các bit 0 và 1. Số bit trong mã lệnh nhị phân có thể là 4 bits,
8 bits hoặc nhiều hơn phụ thuộc vào số phím chức năng và
chuẩn giao tiếp của nhà sản xuất.
Khối dao động có điều kiện: Khi nhấn một phím chức năng
thì đồng thời khởi động mạch dao động tạo xung đồng hồ,
tần số xung đồng hồ xác định thời gian chuẩn của mỗi bit.
Khối chốt dữ liệu: Mã nhị phân tại mạch mã hóa sẽ được
chốt và chuyển đổi dữ liệu. Khối chốt dữ liệu được điều
khiển bởi xung đồng hồ và mạch định thời nhằm đảm bảo
kết thúc đúng lúc việc chốt đủ số bit của một mã lệnh.
Khối điều chế và phát: Mã lệnh được đóng gói sẽ được đưa
qua mạch điều chế và phát để ghép mã lệnh với sóng mang
có tần số từ 32kHz đến 56kHz . Nhờ sóng mang cao tần tín
hiệu đước truyền đi xa hơn ( tăng khoảng cách phát).
Khối thiết bị phát: là một LED hồng ngoại . Khi mã lệnh có

giá trị bit = 1 thì LED sẽ phát hồng ngoại trong khoảng thời
gian T của bit đó. Khi mã lệnh có giá trị bit = 0 thì LED
không sáng do đó bên thu không nhận được và được coi
như bit 0.

Modul thu.

a.Sơ đồ khối.

Thiết Bị
Thu

Khuếch
Đại
&Tách
Sóng
Dao
động có
điều kiện

Giải Mã

Mạch
Điều
Khiển
6


b. Giải thích:
-Khối thiết bị thu: Tia hồng ngoại từ modul phát được

tiếp nhận bởi LED thu hồng ngoại.
- Khối khuếch đại và tách sóng: Khuếch đại tín hiệu
nhận rồi đưa qua mạch tách sóng nhằm triệt tiêu sóng mang và
tách lấy dữ liệu cần thiết là mã lệnh.
-Khối giải mã: Giải mã tín hiệu nhận được thành gói mã
nhị phân tương ứng dưới dạng một xung kích tại đầu ra để kích
mở mạch điều khiển.
Tần số sóng mang còn được dùng để so pha với tần số
dạo động bên phần thu giúp cho mạch thu phát hoạt động đồng
bộ, đảm bảo cho mạch chốt và mạch giải mã hoạt động chính
xác.
III.

Cấu tạo các linh kiện sử dụng trong đề tài.
1. Tổng quan về PIC16F877A
a. Giới thiệu:
- PIC16F877A có 40 chân với cấu trúc như sau:
. Có 5 port xuất/ nhập
. Có 8 kênh chuyển đồi A/D
. Được bổ sung các port tử song song
. Có bộ nhớ ghép nối so với PIC 16F873A/PIC 16F874A
7


-

Bảng tóm tắt các đặc điểm của PIC 16F877A.

Đặc Điểm
PIC16F877A

Tần số hoạt động
DC – 20 Mhz
Reset ( và Delay)
POR, BOR ( PWRT, OST)
Bộ nhớ chương trình Flash ( 14 – bit 8K
word)
Bộ nhớ dữ liệu (byte)
368
Bộ nhớ dữ liệu EEPROM ( byte)
256
Các nguồn ngắt
15
Các port xuất nhập
Các port A B C D E
Timer
3
Các module Capture/Compare/PWM
2
Giao tiếp nối tiếp
MSSP, USART
Giao tiếp song song
PSP
Module A/D 10 bits
8 kênh ngõ vào
Bộ so sánh tương tự
2
Tập lệnh
35 lệnh
Số chân
40 chân PDIP

44 chân PLCC
44 chân TQFP
44 chân QFN
Bảng 1-1: Bảng tóm tắt các đăch điểm của PIC 16F877A
b.

Sơ đồ khối.
Hình 1 trình bày sơ đồ khối của PIC 16F877A , sơ đồ khối của PIC
bao gồm các khối.
- Khối ALU - Arithmetic Logic Unit
- Khối bộ nhớ chương trình – Flash program memory
- Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EEPROM – Data EPROM
- Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM File Register
- Khối giải mã lệnh và điều khiển – Intruction Decode Control
- Khối thanh ghi đặc biệt
- Khối ngoại vi timer
- Khối giao tiếp nối tiếp
- Khối chuyển đổi tương tự sang số - ADC
- Khối các port xuất nhập
8


Hình 1: Sơ đồ khối của PIC 16F877A
9


c.

Sơ đồ chân và chức năng các chân của PIC16F877A.

Hình 2: Sơ đồ chân của PIC16F877A
-

Chức năng của các chân như sau:
10


+ Chân 1 ( MCLR/Vpp) : Có 2 chức năng
-MCLR là ngõ vào reset tích cực mức thấp.
- Vpp khi lập trình cho PIC đóng vai trò là ngõ vào nhận
điện áp lập trình.
+ Chân 2 ( RA0/ AN0) : có 2 chức năng
- RA0 Xuất nhập số
- AN0 Ngõ vào tương tự của kênh thứ 0
+ Chân 3 ( RA1/AN1) :
- RA1 xuất nhập số
- AN1 ngõ vào tương tự của kênh thứ 1
+ Chân 4 ( RA2/AN2/VREF-/CVREF) :
- RA2 xuất nhập số
- AN2 ngõ vào tương tự của kênh thứ 2
- VREF- : ngõ vào điện áp chuẩn ( thấp) của bộ A/D
-CVREF điện áp tham chiếu VREF ngõ ra của bộ so sánh
+ Chân 5 (RA3/AN3/VREF+):
- RA3 xuất nhập số
- AN3 ngõ vào tương tự kênh thứ 3
- VREF+ ngõ vào điện áp chuẩn cao của bộ A/D
+ Chân 6 ( RA4/TOCKI/C1OUT):
- RA4 xuất nhập số - mở khi được cấu tạo làm ngõ ra
11

- TOCKI: ngõ vào xung clock bên ngoài cho timer 0
- C1OUT: ngõ ra cho bộ so sánh 1
+ Chân 7( RA5/AN4/SS/C2OUT):
- RA5 xuất/nhập số
- AN4 ngõ vào tương tự kênh thứ 4
- SS ngõ vào chọn lựa SPI phụ
- C2OUT ngõ ra bộ so sánh 2
+ Chân 8 ( RE0/RD/AN5):
- RE0: xuất nhập số
- RD: điều khiển đọc port song song
- AN5: ngõ vào tương tự 5
+ Chân 9 ( RE1/WR/AN6):
-RE1:xuất/nhập số
-WR: điều khiển ghi port tớ song song
-AN6: ngõ vào tương tự thứ 6
+Chân 10 ( RE2/CS/AN7):
-RE2: xuất/ nhập số
-CS: Chip chọn lựa điều khiển port tớ song song
-AN7: ngõ vào tương tự thứ 7
+ Chân 11,32 ( Vdd) và 12.31(Vss) : các chân nguồn của PIC

12


+ Chân 13 ( OSC1/CLKI ): là ngõ vào kết nối với dao động
thạch anh hoặc ngõ vào nhận xung clock bên ngoài.
-OSC1: Ngõ vào dao động thạch anh hoặc ngõ vào nguồn
xung bên ngoài . Ngõ vào có mạch Schitt Trigger nếu sử dụng dao
động RC

-CLKI: ngõ vào nguồn xung bên ngoài.
+Chân 14 ( OSC2/CLKO) : ngõ ra dao động thạch anh hoặc
ngõ ra cấp xung clock
-OSC2: ngõ ra dao động thạch anh, kết nối đến thạch anh
hoặc bộ cộng hưởng.
-CLKO: ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2 bằng ¼ tần số
của OSC1 và chình là tốc độ của chu kỳ lệnh.
+ Chân 15 ( RC0/T1OCO/T1CKI ):
-RCO: xuất/ nhập số.
-T1OCO: ngõ vào bộ dao động timer 1
-T1CKI: ngõ vào xung clock bên ngoài timer 1
+ Chân 16 ( RC1/T1OSI/CCP2) :
-RC1: xuất/nhập số
-T1OSI: ngõ vào bộ dao động timer 1
-CCP2: ngõ vào capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra
PWM 2.
+Chân 17 ( RC2/CCP1) :
-RC2: xuất/ nhập số
13


-CCP1: ngõ vào capture 1, ngõ ra compare 1, ngõ ra
PWM1.
+ Chân 18 ( RC3/SCK/SCL):
-RC3: xuất/nhập số
- SCK: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ ra của
chế độ SPI
+ Chân 19 ( RD0/PSP0) :
-RD0: xuất/nhập số
- PSP0: dữ liệu port tớ song song

+Chân 20 ( RD1/PSP1 ):
-RD1: xuất/nhập số.
-PSP1: dữ liệu port tớ song song
+ Các chân 20 ( RD2/PSP2) , 21 ( RD3/PSP3), 27 ( RD4/PSP4)
28 (RD5/PSP5), 29 ( RD6/PSP6), 30 (RD7/PSP7) tương tự
chân 19,20.
+Chân 23 ( RC4/SDI/SDA) :
-RC4: xuất/nhập số
-SDI: dữ liệu vào SPI
-SDA: xuất/nhập dữ liệu I2C
+Chân 24 ( RC5/SDO):
-RC5: xuất/nhập số
-SDO: dữ liệu ra SPI
+Chân 25 ( RC6/TX/CK) :
14


-RC6: xuất/nhập số
-TX: truyền bất đồng USART
-CK: xung đồng bộ USART
+Chân 26( RC7/RX/DT) :
-RC7: xuất/nhập số
-RX: nhận bất đồng USART
-DT: dữ liệu đồng bộ USART
+Chân 33 ( RB0/INT)
-RB0: xuất nhập số
- INT: ngõ vào nhận tín hiệu ngắt ngoài
+Chân 34 (RB1), 35 ( RB2): xuất/nhập số
+Chân 36 ( RB3/PGC) :
-RB3: xuất nhập số

-PGC: chân cho phép lập trình điện áp thấp
+ Chân 37 (RB4), 38 ( RB5) : xuất/nhập số
+ Chân 39 ( RB6/PGC) :
-RB6: xuất/nhập số
-PGC:mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP
+Chân 40 (RB7/PGD ):
-RB7: xuất/nhập số
-PGD: mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP
2. IC thu tín hiệu và mã hóa hồng ngoại PT2249
15


a. Giới thiệu:
-PT 2249 được chế tạo bởi công nghệ CMOS, nó có thể điều
khiển tối đa 10 thiết bị.
- Tiêu tán công suất thấp
- Khả năng chống nhiễu cao
- Cung cấp bộ dao động RC
- Bộ lọc và bộ kiểm tra mã ngăn sự tác động từ những nguồn
ánh sáng khác nhau do đó không ảnh hưởng đến mắt thu.
b. Sơ đồ chân và chức năng của các chân.
- Chân 1 (Vss): là chân mass được nối với cực âm của nguồn
điện.
- Chân 2 (R) : là đầu vào tín hiệu thu.
- Các chân 3 – 7 (H1 - H5) : là đầu ra tín hiệu liên tục. Chỉ
cần thu được tín hiệu tương ứng với đầu ra nào thì đầu ra đó sẽ
luôn
duy
trì
ở

mức
logic
“1”.
- Các chân 8 – 12 (S5 – S1): là đầu ra tín hiệu không liên tục.
Chỉ cần thu được tín hiệu tương ứng với đầu ra nào thì đầu ra
đó sẽ duy trì ở mức logic “1” trong khoảng thời gian là 107ms.
- Chân 14 và 13 (CODE 2 và CODE 3): để tạo ra các tổ hợp
mã hệ thống giữa phần phát và phần thu. Mã số của hai chân
này
phải
giống
tổ
hợp mã hệ thống của phần phát thì mới thu được tín hiệu.
- Chân 15 (OSC): dùng để nối với tụ điện và điện trở bên
ngoài
tạo
ra
dao
động
cho
mạch.
- Chân 16 (Vcc): là chân được nối với cực dương của nguồn
cung cấp

16


Hình 3: Sơ đồ chân của IC PT2249
3.LED thu hồng ngoại RPM 7140
a. Giới thiệu

- Là một thiết bị thu hồng ngoại kích cỡ nhỏ, có dòng tiêu thụ thấp.
- Tần số hoạt động : 40 kHz
-Bảng các thông số cơ bản của RPM 7140

17


Bảng 1-2: Các thông số của RPM 7140
c.

Sơ đồ khối
-Đầu ra ( Rout) luôn ở mức cao , từ sơ đồ khối có thể thấy
đầu ra được treo bởi một điện trở nhằm duy trì mức logic
cao khi không có tín hiệu. Khi nhận tín hiệu hồng ngoại đầu
ra sẽ ở tích cực mức thấp.

Hình 4: Sơ đồ khối của RPM 7140

18


Chương II: Tính toán và thiết kế mạch
I.

Sơ đồ khối của mạch.
1. Sơ đồ khối mạch phát.

Hình 5: Sơ đồ khối phát.
2.

Sơ đồ khối mạch thu.

19


Hình 6: Sơ đồ khối thu
3.Giải thích.
- Khối bàn phím: có nhiệm vụ tạo ra lệnh cho khối điều khiển phát tín
hiệu tương ứng với một thiết bị cần điều khiển thông qua khối phát tín hiệu.
- Khối điều khiển: sẽ xử lý những thông tin từ khối bàn phím gởi đến
để đưa ra lệnh điều khiển thích hợp cho khối phát, phát chuoãi tín hiệu theo
dạng
xung nhị phân.
- Khối tạo dao động: có nhiệm vụ tạo ra tần số xung nhịp cho các khối
điều khiển làm việc.
- Khối phát: có nhiệm vụ nhận chuoãi tín hiệu từ khối điều khiển dưới
dạng điện áp, sau đó chuyển chuoãi tín hiệu điện này thành ánh saùng hồng
ngoại
và phát đi qua môi trường không gian đến khối thư (trên máy thu).
- Khối nhận: có nhiệm vụ nhận tín hiệu (chuỗi ánh sáng hoàng ngoại)
20


từ khối phát gởi đến, chuyển chuỗi tín hiệu này thành tín hiệu điên trở lại
như
ban đầu, rồi khuếch đại lên sau đó gởi đến khối giải mã.
- Khối giải mã: sau khi đã nhận được chuỗi tín hiệu điện từ khối nhận
gởi đến, khối này sẽ giải mã ra bằng cách so sánh với những chuỗi tín hiệu
đã
được quy định sẵn trong khối, và đưa ra lệnh để điều khiển khối chấp

hành
(thông qua bộ đệm).
- Bộ đệm: có nhiệm vụ là giữ mức điện ổn định cho khối chấp hành
thực thi lệnh, khi có phím nào được nhấn thì tín hiệu ở ngõ ra chi được duy
trì
trong một không thời gian nhất định (170 ms đối với phím đơn), cho nên
muốn
tín hiệu được duy trì khi không còn tác động từ bàn phím thì cần phải có
khối
đệm.
- Khối chấp hành: chỉ có nhiệm vụ là nhận lệnh từ khối giải mã rồi thi
hành lệnh đó (đóng hoặc ngắt một thiết bị nào đó).
- Khối nguồn: cung cấp điện năng cho các khối trong mạch làm việc.
II. Mạch nguyên lý và mạch in.
1.

Sơ đồ mạch nguyên lý

21


Hình 7: Sơ đồ mạch nguyên lý
22


2.

Sơ đồ mạch in.

Hình 8: Sơ đồ mạch in.

23


3.

Các linh kiện sử dụng trong mạch
Các linh kiện sử dụng được thống kê dưới bảng 2-1.

Số lượng
1
1
2
2
1
2
2
3
1
4
1
1
3
1
1
3
1
2
1
1

1

Ký hiệu
BR1
C1
C2,C4
C3,C5
C6
C44,C55
D1,D3
D2,D4,D5
J1
J2,J3,J4,J5
J33
PT2249
Q1,Q2,Q3
R2
R3
R6,R8,R9
RESET
RL1,RL2
U1
U2
X1

Loại linh kiện
2W005G
10n
100n
100u

10u
33p
1N4007
LED-BLUE
Mắt thu hồng ngoại
TBLOCK-I2
CONN-DIL10
BC141
2k2
39k
330r
TEXTELL-KBE-12V
PIC16F877A
7805
CRYSTAL

Bảng 2-1: Bảng thống kê các linh kiện sử dụng trong mạch

4.

Giải thích.
-Khi mắt thu nhận được tín hiệu hồng ngoại đưa vào chân 2 của PT2249, IC
sẽ giải mã và đưa ra chuỗi bit tương ứng với chuỗi xung mà mạch phát gửi
đi. Chuỗi bit này được đưa tới các chân 21,22,,27,28,29,30 của PIC. PIC
24


thực hiện so sánh và xuất tín hiệu kích mở các transistor cho dòng chạy qua
các rơ le đóng mở các bóng đèn cần điều khiển.
-Khối nguồn: ổn nguồn cho toàn bộ board mạch

-Khối dao động: tạo xung cho mạch hoạt động đồng bọ với module phát.

Chương III: Thực hiện mạch ứng dụng
I.

II.

Mô tả
-Board mạch có 2 rơ le điều khiển bóng đèn, các Led hiển thị quá
trình nhận tín hiệu và đóng cắt các rowle.
-Nguồn nuôi mạch 5v
Ứng dụng
-Dùng điều khiển tắt mở các bóng đèn, quạt, máy bơm nước, cánh

cửa…
-Có thể mở rộng điều khiển các thiết bị khác có công suất lớn hơn
trong công nghiệp.
III. Hình ảnh mạch thực tế.

NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN

Ưu điểm của mạch: có thể ứng dụng điều khiển nhiều thiết bị trong thực tế..
Hạn chế: Do thực hiện thủ công nên tính ổn định chưa cao, chưa thực hiện điều
khiển theo thời gian….

25