Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa

- i -
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Hà Văn Tú Lớp : 48CKCD
Chuyên ngành : Công nghệ Cơ – Điện Tử Mssv: 48132366
Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa
Số trang: 70 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 5
Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD và mô hình đèn trang trí điều khiển từ xa.
NHẬN XÉT
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

Kết luận………………………………………………………………………...

……………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………….


Nha Trang, ngày… tháng … năm…
Cán bộ hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)


- ii -

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI


Họ và tên sinh viên: Hà Văn Tú Lớp : 48CKCD
Chuyên ngành : Công nghệ Cơ – Điện Tử Mssv: 48132366
Đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống đèn trang trí điều khiển từ xa
Số trang: 70 Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 5
Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02 đĩa CD và mô hình đèn trang trí điều khiển từ xa

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Kết luận …………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

Điểm phản biện
Bằng số Bằng chữ

Điểm chung
Bằng số Bằng chữ

Nha Trang, ngày … tháng … năm …
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)
Nha Trang, ngày … tháng … năm …
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)


- iii -

LỜI CẢM ƠN

Sau một khoảng thời gian với sự cố gắng
của bản thân và được sự giúp đỡ của mọi
người, đồ án tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo hệ
thống đèn trang trí điều khiển từ xa” của em
đã được hoàn thành đúng thời gian quy định.
Em xin gửi đến các thầy hướng dẫn cùng
toàn thể các quý thầy trong bộ môn Cơ – Điện
tử lời cảm ơn với sự trân trọng và lòng biết ơn
sâu sắc đã hết lòng chỉ bảo và truyền đạt cho
em những kiến thức vô cùng quý báu, làm cơ
sở để em thực hiện tốt đề tài này và đã tạo điều
kiện thuận lợi để cho em hoàn tất khóa học.

Nhân dịp này, em cũng xin cảm ơn gia đình
và bạn bè những người đã hết lòng giúp đỡ,
động viên và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt
thời gian qua, để em hoàn thành Đồ án Tốt
nghiệp.


Nha Trang, năm 2010


- iv -
MỤC LỤC
Trang
Nhận xét của cán bộ hướng dẫn................................................................................i
Phiếu đánh giá chất lượng đề tài ..............................................................................ii
Lời cảm ơn .............................................................................................................iii
Mục lục............................................................................................................................ iv
Danh sách các hình................................................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU.........................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỪ XA..............2
1.1. Hệ thống điều khiển từ xa .............................................................................3
1.1.1. Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa ............................4
1.1.1.1. Kết cấu tin tức..................................................................................4
1.1.1.2. Về kết cấu hệ thống..........................................................................4
1.1.1.3. Các phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa..............................4
1.1.2 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển từ xa..........................................5
1.2. Tia hồng ngoại ..............................................................................................7
1.2.1. Lược sử phát triển tia hồng ngoại............................................................7
1.2.2. Khái niệm về tia hồng ngoại ...................................................................8
1.2.3. Ứng dụng tia hồng ngoại ........................................................................9

1.3. Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại ...............................................................10
1.3.1. Máy phát hồng ngoại ............................................................................10
1.3.2. Nguồn phát và bức xạ hồng ngoại.........................................................12
1.3.3. Lý thuyết mã hóa và điều chế tín hiệu hồng ngoại ...............................13
1.3.3.1. Amplitude Modulation, On-Off Keying, OOK: ..............................13
1.3.3.2. FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation ...................14
1.3.3.3. Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band (Điều biến xung, dải tần số
cơ bản)........................................................................................................15
1.3.4. Một số mã IR thường dùng ...................................................................15
1.3.4.1. Pulse Distance Protocol (Định ước độ rộng xung) ..........................15


- v -
1.3.4.2. Pulse Width Protocol (Định ước bề rộng xung) ..............................16
1.3.4.3. Manchester Protocol (RC5): Định ước Manchester ........................17
1.3.4.4. Flash Protocol (Định ước Flash)....................................................18
1 3.5. Một số giải thuật giải mã bức xạ IR ......................................................20
1.3.5.1. Giải thuật giải mã Manchester Protocol (RC5): .............................20
1.3.5.2. Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC).............................21
1.4. Giới thiệu một số linh kiện thu hồng ngoại..................................................21
1.4.1. Điện trở quang......................................................................................21
1.4.2 Điôt quang.............................................................................................23
1.4.2.1 Điôt quang loại tiếp xúc P-N........................................................... 24
1.2.4.2 Điôt quang PIN ...............................................................................25
1.2.4.3 Điôt quang thác (APD)....................................................................26
1.2.5. Quang transistor(Photo Transistor) ......................................................27
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..........................29
2.1. Sơ đồ tổng quát của hệ thống ......................................................................30
2.1.1. Bộ phát hồng ngoại...............................................................................30
2.1.2. Bộ thu hồng ngoại ................................................................................33

2.2.3. Bộ điều khiển trung tâm........................................................................36
2.2.3.1. Giới thiệu.......................................................................................36
2.2.3.2. Công cụ..........................................................................................38
2.2.3.3. Vi điều khiển ATmega 32 ..............................................................43
2.2.4. Thiết bị đóng ngắt điện .........................................................................47
2.2. Thiết kế và thi công phần cứng....................................................................51
2.2.1. Thiết kế và thi công cơ khí....................................................................51
2.2.1.1. Yêu cầu thiết kế .............................................................................51
2.2.1.2. Các phơng án thiết kế.....................................................................52
2.2.2. Thiết kế và thi công mạch điện .............................................................56
2.2.2.1. Mạch nguyên lý..............................................................................56
2.2.2.2. Mạch in..........................................................................................59


- vi -
2.2.3. Mô hình sản phẩm hoàn thiện...............................................................60
2.3. Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển ..............................................62
CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ...................................74
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.............................................................. 76
4.1. Kết luận ......................................................................................................77
4.2. Đề xuất .......................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................78


- vii -
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống điều khiển từ xa ...........................................3
Hình 1.2: Các thành phần chính của mạch phát .......................................................5
Hình 1.3: Các thành phần chính của mạch thu .........................................................6

Hình 1.4: Dải sóng hồng ngoại ................................................................................8
Hình 1.5: Bức sóng tia hồng ngoại...........................................................................9
Hình 1.6: Ảnh chụp bằng hồng ngoại ....................................................................10
Hình 1.7: Cấu tạo của một máy phát hồng ngoại....................................................10
Hinh 1.8: Quang phổ của các nguồn sáng ..............................................................12
Hình 1.9: Sơ đồ phát và thu hồng ngoại của thiết bị LED hồng ngoại và
Photodiode ............................................................................................................12
Hình 1.10: Mã hóa khoảng cách xung....................................................................13
Hình 1.11: Mã hóa bề rộng xung ...........................................................................14
Hình 1.12: Mã hóa vị trí xung................................................................................14
Hình 1.13: Mã hóa Manchester..............................................................................14
Hình 1.14: FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation.........................14
Hình 1.15: Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band..................................................15
Hình 1.16: Pulse Distance Protocol, Bit Encoding.................................................15
Hình 1.17: Pulse Distance Protocol, Data Frame Structure ....................................16
Hình 1.18: Pulse Distance Protocol, Repeat Frame Structure.................................16
Hình 1.19: Pulse Distance Protocol, Full Sequence Structure ................................16
Hình 1.20: Pulse Width Protocol, Bit Encoding..................................................... 17
Hình 1.21: Pulse Width Protocol, Data Frame Structure ........................................17
Hình 1.22: Pulse Width Protocol, Full Sequence Structure ....................................17
Hình 1.23: Định ước RC5, ma bit..........................................................................18
Hình 1.24: Định ước RC5, cấu trúc Frame dữ liệu.................................................18
Hình 1.25: Định ước RC5, cấu trúc dãy đầy đủ......................................................18
Hình 1.26: Flash Protocol, Bit Encoding................................................................19


- viii -
Hình 1.27: Flash Protocol, Data Frame Structure...................................................19
Hình 1.28: Flash Protocol, Full Sequence Structure...............................................19
Hình 1.29: Giải thuật giải mã Manchester Protocol (RC5).....................................20

Hình 1.30: Giải thuật giải mã Pulse Width Protocol (SIRC) ..................................21
Hình 1.31: a- Cấu tạo của điện trở quang...............................................................22
b- Ký hiệu của điện trở quang trong sơ đồ mạch ..................................22
Hình 1.32: Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở. ......................22
Hình 1.33: Ký hiệu của điôt quang ........................................................................23
Hình 1.34: a- Cấu tạo của điôt quang loại tiếp xúc P-N..........................................24
b- phân bố dải năng lượng của tiếp xúc P-N(b) ....................................24
Hình 1.35: Sơ đồ nguyên lý đấu nối điốt quang .....................................................24
Hình 1.36: Đặc tuyến của quang diode. .................................................................25
Hình 1.37: Cấu tạo của APD và phân bố điện trường trong điôt APD....................26
Hình 1.38: Ký hiệu, cấu tạo và đặc tuyến của quang transistor. .............................27
Hình 1.39: Một số loại quang bán dẫn khác. ..........................................................28
Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống .................................................................30
Hình 2.2: Các máy phát tín hiệu hồng ngoại khác nhau của Sony ..........................30
Hình 2.3: Mã hóa tín hiệu sony..............................................................................31
Hình 2.4: Định ước bề rộng xung, giải mã bit........................................................31
Hình 2.5: Định ước bề rộng xung, cấu trúc Frame dữ liệu......................................32
Hình 2.6: Định ước bề rộng xung, cấu trúc dãy đầy đủ ..........................................32
Hình 2.7: Mã hóa dữ liệu nhận ..............................................................................33
Hình 2.8: Sơ đồ khối của PIC 1018SCL ................................................................33
Hình 2.9: Mạch Schmitt Trigger............................................................................34
Hình 2.10: Đồ thị biểu diễn ngưỡng điện áp của mạch Schmitt Trigger .................34
Hình 2.11: Biểu diễn tín hiệu qua PIC – 1018SCL.................................................35
Hình 2.12: Mạch chống nhiễu cho PIC – 1018SCL ..............................................35
Hình 2.13: Sơ đồ mạch nạp STK200/300 thu gọn.................................................. 40
Hình 2.14: Sơ đồ mạch nạp STK200/300 có IC đệm..............................................41


- ix -
Hình 2.15: Mạch nạp STK200/300. .......................................................................42

Hình 2.16: Mạch nguyên lý AVR910 USB...........................................................43
Hình 2.17: a- Cấu tạo của relay điện từ..................................................................47
b- Hình dạng một số rơle điện tử..........................................................47
Hình 2.18: Động cơ dùng để quay tròn ngang........................................................50
Hình 2.19: Động cơ dùng quay dọc .......................................................................51
Hình 2.20: Mô hình thiết kế tổng thê. ....................................................................52
Hình 2.21: Bản vẽ chi tiết các kích thước của hệ thống đèn ( Phương án 1)...........53
Hình 2.22: Mô hình thiết kế tổng thể .....................................................................54
Hình 2.23: Bản vẽ chi tiết các kích thước của hệ thống đèn ( Phương án 2)...........55
Hình 2.24: Mạch nguyên lý khối nguồn.................................................................56
Hình 2.25: Mạch nguyên lý khối vi điều khiển ......................................................57
Hình 2.26: Mạch nguyên lý khối thu hồng ngoại ...................................................58
Hình 2.28: Mạch nguyên lý mạch điều khiển động cơ ...........................................58
Hình 2.29: Mạch in khối điều khiển trung tâm.......................................................59
Hình 2.30: Mạch in khối relay ...............................................................................59
Hình 2.31: Hình dạng tổng thể hệ thống ................................................................60
Hình 2.32: Động cơ quay ngang và đĩa dẫn điện....................................................60
Hình 2.33: Mạch điều khiển trung tâm...................................................................61
Hình 2.34: Mạch rơle.............................................................................................61
Hình 2.35: Giải thuật giải mã tín hiệu sony............................................................62
Hình 2.36: Giải thuật điều khiển mã phím .............................................................63


- 1 -
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của
chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của
kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự
chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ đó cũng là những yếu tố rất cần thiết góp phần
cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao.

Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng
được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực Công – Nông – Lâm – Ngư
nghiệp, cho đến các nhu cầu thiết yếu nhất trong hoạt động đời sống hằng ngày.
Một trong những ứng dụng rất quan trọng của công nghệ điện tử là kỹ thuật
điều khiển từ xa. Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa.
Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật điều khiển từ xa, cùng với kiến thức học tập chuyên
ngành Cơ – Điện tử trong suốt khóa học 2006 - 2010, đặc biệt trong cơ hội được
thực hiện đề tài tốt nghiệp. Em xin thực hiện để tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống
đèn quay trang trí điều khiển từ xa”.
Đề tài gồm có 4 chương:
Chương 1: Tổng quan phương pháp điều khiển từ xa
Chương 2: Phương pháp và nội dung nghiên cứu
Chương 3: Thử nghiệm và phân tích kết quả
Chương 4: Kết luận và đề xuất
ơ
Sau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và thi công và được sự giúp đỡ tận tình
của các thầy hướng dẫn, cùng toàn thể thầy trong bộ môn Cơ – Điện tử. Em đã hoàn
thành đề tài.
Vì thời gian và kiến thức còn có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót và
hạn chế. Mong các quý thầy cô và bạn bè góp ý để để tài được hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện:

Hà Văn Tú


- 2 -

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN TỪ XA


- 3 -
Các hệ thống điện tử, hệ thống số mang lại cho con người nhiều ứng dụng
trong lao động sản xuất và giải trí chẳng hạn khi

bạn ở tầng 1 và phát hiện đèn trên
sân thượng vẫn quên chưa tắt, bạn muốn đèn chùm giữa phòng khách tối đi một nửa
để bạn xem phim cho có không khí, hay bạn muốn đèn ngủ trong phòng sẽ tự động
tắt sau 15 phút, một hệ thống điện tử điều khiển từ xa sẽ cho phép bạn làm tất cả
những việc đó chỉ với việc bấm nút điều khiển. Chương này sẽ đề cập đến tổng quát
một hệ thống điều khiển từ xa, ngoài ra chương sẽ nghiên cứu một phương pháp
điều khiển từ xa bằng hồng ngoại. Đây là một phương pháp truyền thông tin đã
được sử dụng rộng rãi.

1.1. Hệ thống điều khiển từ xa
Hệ thống điều khiển từ xa là một trong những hệ thống số, nó mang đầy đủ tính
chất của một hệ thống số, cho phép ta điều khiển các thiết bị từ một khoảng cách.
Khoảng cách này phụ thuộc vào tính chất, độ phức tạp của từng hệ thống, như đối
với hệ thống điều khiển các trạm vũ trụ trong không gian thì cần bộ thu và phát
sóng mạnh, nhưng với các hệ thống điều khiển dân dụng như: tivi, máy tinh,... thì ta

chỉ cần bộ thu và phát sóng yếu hơn.
Các hệ thống điều khiển từ xa như hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống
điều khiển từ xa bằng hồng ngoại, hệ thống điều khiển bằng cáp quang. Mỗi hệ
thống có những tính chất, ưu nhược điểm khác nhau,khi sử dụng tùy thuộc đối
tượng điều khiển ta sẽ chọn một hệ thống điều khiển phù hợp.
Sơ đồ kết cấu chung của hệ thống điều khiển từ xa:





Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống điều khiển từ xa


Máy phát
tín hiệu


Đường truyền

Máy thu
tín hiệu


- 4 -
- Máy phát tín hiệu: Tác dụng phát đi tín hiệu điều khiển.
- Đường truyền tín hiệu: Tác dụng đưa tín hiệu phát ra tử máy phát tín hiệu đến
máy thu tín hiệu.
- Máy thu tín hiệu: Tác dụng nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền tín hiệu
và điều khiển các thiết bị thi hành.

1.1.1. Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa
Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta cần phải
nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và
nhanh chóng theo những yêu cầu sau:

1.1.1.1. Kết cấu tin tức
Trong hệ thống điều khiển từ xa, độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ rất
nhiều đến kết cấu tin tức. Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần; về lượng và về
chất.
1.1.1.2. Về kết cấu 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 tin cậy.
- Kết cấu phải đơn giản.
Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực
đại, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép.

1.1.1.3. Các phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa
Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc trong truyền thông tin liên tục
nhưng đã được rời rạc hóa tin tức, thường phải được biến đổi thông qua một phép
biến đổi thành số (thường là số nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ máy phát. Ở
máy thu, tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép biến đổi
trên: giải mã, liên tục hóa…


- 5 -
Sự mã hóa tín hiệu điều khiển nhằm tăng tính hữu hiệu và độ tin cậy của hệ
thống điều khiển từ xa, nghĩa là tăng tốc độ truyền và khả năng chống nhiễu.

Trong điều khiển từ xa, ta thường dùng mã nhị phân tương ứng vời hệ thống,
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 nhầm của các mã được truyền đi tùy thuộc tính chất của kênh truyền,
chúng có thể phân thành 2 loại sau:
- Sai độc lập: Trong quá trình truyền do nhiều tác động, một hoặc nhiều ký hiệu
trong các tổ hợp mã có thể bị sai nhầm, nhưng những sai nhầm đó không liên quan
nhau.
- Sai tương quan: Được gây ra bởi nhiều nhiễu tương quan, chúng hay xảy ra
trong từng chùm, cụm ký hiệu kế cận nhau.
Hiện nay lý thuyết mã hóa phát triển rất nhanh, nhiều loại mã phát triển và sửa
sai được nghiên cứu như mã Hamming, mã chu kỳ, mã nhiều cấp.
1.1.2 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển từ xa
a) Sơ đồ phát







Hình 1.2: Các thành phần chính của mạch phát


Chọn
phím
chức

năng
Tạo dao động
chuẩn
Mã
hóa
Chuyển
đổi song
song
sang nối
tiếp
Điều
chế và
phát
FM
Thiết
bị
phát
Chốt
dữ
liệu


- 6 -
- Khối chọn phím chức năng và khối mã hóa: Khi người sử dụng bấm vào các
phím chức năng để phát lệnh yêu cầu của mình, mỗi phím chức năng tương ứng với
một số thập phân. Mạch mã hóa sẽ chuyển đổi thành mã nhị phân tương ứng dưới
dạng mã lệnh tín hiệu số gồm các bít 0 và 1. Số bit trong mã lệnh nhị phân có thể là
4 bit hay 8 bit … tùy theo số lượng các phím chức năng nhiều hay ít.
- Khối tạo dao động chuẩn: Khi nhấn 1 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 và khối chuyển đổi song song ra nối tiếp: Mã nhị phân tại
mạch mã hóa sẽ được chốt để đưa vào mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối
tiếp. Mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp được điều khiển bởi xung đồng
hồ và mạch định thời nhằm đảm bảo kết thúc đúng lúc việc chuyển đổi đủ số bit của
một mã lệnh.
- Khối điều chế và phát FM: mã lệnh dưới dạng nối tiếp sẽ được đưa qua mạch
điều chế và phát FM để ghép mã lệnh vào sóng mang có tần số 38Khz đến 100Khz, nhờ
sóng mang cao tần tín hiệu được truyền đi xa hơn, nghĩa là tăng cự ly phát.
- Khối thiết bị phát: Là một LED hồng ngoại. Khi mã lệnh có giá trị bit =’1’ thì
LED 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 tín hiệu xem như bit = ‘0’.
b) Sơ đồ thu:







Hình 1.3:
Các thành phần chính của mạch thu

Thiết bị
thu
Khuếch
đại và tách
sóng
Dao động có
điều kiện

Giải
mã
Chuyển
đổi nối
tiếp sang
song

song
Mạch
điều
khiển


- 7 -
- Khối thiết bị thu: Tia hồng ngoại từ phần phát được tiếp nhận bởi LED thu
hồng ngoại hay các linh kiện quang khác.
- Khối khuếch đại và tách sóng: trước tiên, 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 chuyển đổi nối tiếp sang song song và Khối giải mã: mã lệnh được đưa
vào mạch chuyển đổi nối tiếp sang song song và đưa tiếp qua khối giải mã ra thành
số thập phân dưới dạng một xung kích tại ngõ ra tương ứng để kích mở mạch điều
khiển.
- Tần số sóng mang còn được dùng để so pha với tần số dao động bên phần thu
giúp cho mạch thu phát hoạt động đồng bộ, đảm bảo cho mạch tách sóng và mạch
chuyển đổi nối tiếp sang song song hoạt động chính xác.

1.2. Tia hồng ngoại
1.2.1. Lược sử phát triển tia hồng ngoại
Năm 1800, William Hershel đã phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ nhiệt ở ngoài

vùng phổ của ánh sáng nhìn thấy và ông đặt tên cho nó là bức xạ hồng ngoại
(Infrared - IR). Đây là dải bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng từ 0,75 đến
1000 µm và ông cũng đã chứng minh được rằng, bức xạ này tuân theo những qui
luật của ánh sáng nhìn thấy. Kể từ mốc lịch sử đó đến nay, trong lĩnh vực này nhân
loại đã đạt được những bước phát triển đáng kể: Về nguồn phát xạ, vào nửa đầu thế
kỷ 19 đã tìm ra những định luật đầu tiên về bức xạ nhiệt; đầu thế kỷ 20 đã hoàn
thành các qui luật của bức xạ không kết hợp; trong những năm 1920-1930 đã tạo ra
các nguồn IR nhân tạo, phát hiện ra hiệu ứng điện phát quang làm cơ sở để tạo ra
các nguồn phát xạ IR (các diodes phát quang). Về detectors (dùng để phát hiện IR),
năm 1830 các detectors đầu tiên theo nguyên lý cặp nhiệt điện (thermopile) ra đời;
năm 1880 ra đời quang trở cho phép tăng đáng kể độ nhạy phát hiện IR; từ năm
1870 đến 1920, các detectors lượng tử đầu tiên theo nguyên lý tương tác bức xạ với
vật liệu ra đời (với các detectors này bức xạ được chuyển đổi trực tiếp sang tín hiệu
điện chứ không phải thông qua hiệu ứng nhiệt do bức xạ sinh ra); 1930-1944, phát
triển các detectors sulfure chì (PbS) phục vụ chủ yếu cho các nhu cầu quân sự;


- 8 -
1930-1950 khai thác vùng IR từ 3 đến 5 µm bằng các detectors Antimonium
diIndium (InSb) và từ 1960 bắt đầu khai thác vùng IR từ 8 đến 14 µm bằng các
detectors Tellure de Cadmium Mercure (HgTeCd).
1.2.2. Khái niệm về tia hồng ngoại
Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ không thể nhìn thấy được như ánh sáng
thường bởi mắt người thông thường do bước sóng hồng ngoại 0.86µm đến 0.98µm
là quá lớn.


Hình 1.4: Dải sóng hồng ngoại

Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều khiển từ xa

bằng tia hồng ngoại, chùm tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng, do đó khi thu phải
đúng hướng.
Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu, được ứng dụng rộng
rãi trong công nghiệp. Lượng thông tin có thể đạt 3 mega bit /s. Lượng thông tin
được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ.
Sóng hồng ngoại có những đặc tính quan trọng giống như ánh sáng thu (sự hội
tụ qua thấu kính, tiêu cự …) Ánh sáng thường và ánh sáng hồng ngoại khác nhau rất
rõ trong sự xuyên suốt qua vật chất. Có những vật chất ta thấy nó dưới một màu
xám đục nhưng với ánh sáng hồng ngoại nó trở nên xuyên suốt. Vì vật liệu bán dẫn


- 9 -
“trong suốt” đối với ánh sáng hồng ngoại, tia hồng ngoại không bị yếu đi khi nó
vượt qua các lớp bán dẫn để đi ra ngoài.


Hình 1.5: Bức sóng tia hồng ngoại

1.2.3. Ứng dụng tia hồng ngoại
Trên thế giới IR đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, như ứng dụng trong chế
tạo các thiết bị quang điện tử trong đo lường - kiểm tra; các thiết bị chẩn đoán và
điều trị trong y tế; trong các hệ thống truyền thông; các hệ chỉ thị mục tiêu trong
thiên văn, trong điều khiển các thiết bị vũ trụ và trong những năm gần đây, chúng
còn được sử dụng để thăm dò tài nguyên thiên nhiên của trái đất và các hành tinh
khác, để bảo vệ môi trường. Đặc biệt, nó có những ứng dụng rất quan trọng trong
lĩnh vực quân sự. Các ứng dụng quân sự của IR, đòi hỏi các detectors phải có độ
nhậy cao, đáp ứng nhanh, phải mở rộng dải phổ làm việc của detectors và dải truyền
qua của vật liệu quang học. Cuối chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhờ ứng dụng IR
người ta đã chế tạo được bom quang - điện tự điều khiển, các hệ thống điều khiển
hỏa lực trên cơ sở biến đổi quang - điện, các thiết bị nhìn đêm cho vũ khí bộ binh,

các bộ điện đàm IR và sau thế chiến lần thứ hai đã tạo ra nhiều hệ thống điều khiển
tên lửa không đối không, không đối đất, đất đối không.. .


- 10 -


Hình 1.6: Ảnh chụp bằng hồng ngoại

Hình 1.6 là ảnh của một chú chó chụp dưới hồng ngoại. Những chỗ có nhiệt độ
cao phát ra tia hồng ngoại tần số cao hơn, thể hiện bằng màu nóng sáng hơn trên
hình.

1.3. Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại
1.3.1. Máy phát hồng ngoại
Có rất nhiều loại máy phát tín hiệu hồng ngoại cho các thiết bị khác nhau do
các hãng sản xuất khác nhau. Sử dụng các tiêu chuẩn định dạng và điều chế khác
nhau.








Hình 1.7: Cấu tạo của một máy phát hồng ngoại.

Bàn phím
Bộ tạo dao động chuẩn

Quản lý bàn
phím và tạo mã

Khuếch đại
công suất
LED
phát
hồng
ngoại


- 11 -

Đây là các kỹ thuật đơn giản, chi phí thấp thường được ứng dụng trong các
thiết bị gia đình.
- Bàn phím: Tác dụng phát ra các yêu cầu khi người sử dụng bấm phím. Mỗi
phím chức năng tương ứng với một số thập phân. Khi nhấn phím chức năng, qua
mạch mã hóa sẽ chuyển đổi thành mã nhị phân tương ứng dưới dạng mã lệnh tín
hiệu số gồm các bit 0 và 1. Số bit trong mã lệnh nhị phân có thể là 4 bit hay 8
bit…tùy theo số lượng các phím chức năng nhiều hay ít.
- Khối tạo dao động chuẩn: Khi nhấn 1 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.
- Quản lý bàn phím và tạo mã: Mã nhị phân ứng với phím chức năng tương
ứng của bàn phím sẽ được chốt, sau đó được chuyển đổi dữ liệu song song ra nối
tiếp. Mạch chuyển đổi dữ liệu song song ra nối tiếp được điều khiển bởi xung đồng
hồ và mạch định thời nhằm đảm bảo kết thúc đúng lúc việc chuyển đổi đủ số bit của
một mã lệnh, lúc này kết thúc quá trình tạo mã.
- Khối khếch đại: Tại đây mã lệnh sẽ được sẽ được khuếch đại và ghép mã

lệnh vào sóng mang có tần số 38KhZ đến 100Khz, nhờ sóng mang cao tần tín hiệu
được truyền đi xa hơn, tức là tăng cự ly phát.
- Khối LED phát: Là một LED hồng ngoại. Khi mã lệnh có giá trị bit=”1” thì
LED phát hồng ngoại trong 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 tín hiệu xem như bit=0.
Các mạch điện trên được tích hợp trong 1 IC duy nhất với nhiều chân ra,
nguồn cung cấp là pin. Có 1 số loại trên vỏ có gắn thêm kính lọc hồng ngoại để
chống nhiễu và tập trung ánh sáng.


- 12 -
1.3.2. Nguồn phát và bức xạ hồng ngoại
Tia hồng ngoại được tao ra từ các nguồn sáng nhân tạo.

Hinh 1.8: Quang phổ của các nguồn sáng
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
Sử dụng led hồng ngoại để phát tín hiệu IR (Infrared Ray). Led thông thường
phát ánh sáng nhìn thấy. IR LED phát ra bức xạ mà mắt người không thể thấy được.
Thu và giải mã tín hiệu hồng ngoại tùy theo kỹ thuật được dùng ở thiết bị phát. Ánh
sáng IR được cảm nhận qua một photodiode với phổ hoạt động quang 950nm.

Hình 1.9: Sơ đồ phát và thu hồng ngoại của thiết bị LED hồng ngoại và Photodiode


- 13 -

1.3.3. Lý thuyết mã hóa và điều chế tín hiệu hồng ngoại
Sóng hồng ngoại được dùng trong các ứng dụng điều khiển từ xa được điều chế
để cho phía thu dễ cảm nhận mức tín hiệu phát giữa tín hiệu mong muốn và nhiễu
hồng ngoại từ nhiều nguồn xung quanh. Có nhiều kỹ thuật điều chế và mã hóa được
dùng để phân biệt giữa nhiễu không mong muốn và tín hiệu hồng ngoại.
Ba kỹ thuật điều chế cơ bản thường được dùng:
- Amplitude Modulation, On-Off Keying, OOK (Điều biến biên độ xung,
điều báo đóng mở).
- FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation
(Đánh tín hiệu dịch tần số, điều biến dịch tần số, biến điệu tần số FM).
- Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band (Điều biến xung, dải tần số cơ bản).
1.3.3.1. Amplitude Modulation, On-Off Keying, OOK:
(Điều biến biên độ xung, điều báo đóng mở)
Dùng điều biên AM là một trong các kỹ thuật lâu đời và đơn giản nhất, tia hồng
ngoại được nhóm thành các xung quanh tần số trung tâm (thường là 30-60kHz theo
dãy tần dân dụng). Máy thu điều chỉnh đến một tần số riêng biệt và tất cả các nhiễu
khác nằm ngoài băng thông sẽ không thể đi qua bộ lọc. Các máy thu tích hợp từ
nhiều nhà sản xuất đáp ứng các chức năng này như Infineon, Vishay, Sharp, … Các
linh kiện đơn giản gồm 3 chân tạo ra các tín hiệu giải điều chế ở mức logic, dễ dàng
giao tiếp với các vi xử lý của máy thu. Chúng thường được điều chỉnh ở một tần số
nhất định (30, 33, 36, 38, 40 hay 56kHz).
Các hệ thống điều biên dùng nhiều phương pháp mã hóa khác nhau.
- Pulse Distance Encoding (Mã hóa khoảng cách xung)


Hình 1.10: Mã hóa khoảng cách xung



- 14 -

- Pulse Width Encoding ( Mã hóa bề rộng xung)

Hình 1.11: Mã hóa bề rộng xung

- Pulse Position Encoding (NRZ) (Mã hóa vị trí xung)

Hình 1.12: Mã hóa vị trí xung

- Manchester (Biphase) Encoding (Mã hóa Manchester)

Hình 1.13: Mã hóa Manchester

1.3.3.2. FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation
(Đánh tín hiệu dịch tần số, điều biến dịch tần số, biến điệu tần số FM)
Điều tần dùng tần số điều chế khác cho các mức logic. Thường không có
khoảng cách giữa các xung. Điều chế tần số không được dùng rộng rãi vì độ phức
tạp của mạch giải điều chế và hiệu suất không cao về công suất tiêu thụ tại phía phát.

Hình 1.14: FSK, Frequency Shift Keying, Frequency Modulation



- 15 -
1.3.3.3. Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band (Điều biến xung, dải tần số cơ bản)
Điều chế xung không dùng bất cứ dạng điều chế nào ngoài việc dùng các xung
ngắn, của việc giải mã và hệ thống hồng ngoại dựa trên PC (IrDA). Có xung ngắn
này rất hiệu quả trong việc sử dụng nguồn. Một bất lợi có thể là sự phức tạp có thể
gây sai ngưỡng kích của máy thu. Thông thường, khoảng cách giữa các xung tương
ứng định nghĩa log. 1 hay log. 0 (mã hóa khoảng cách xung).

Hình 1.15: Flash, ‘Pulse’ Modulation, Base Band

1.3.4. Một số mã IR thường dùng
1.3.4.1. Pulse Distance Protocol (Định ước độ rộng xung)
Mã hóa khoảng cách xung thường dùng bởi các công ty Nhật (NEC, Sanyo và others).
Kỹ thuật này dùng mã hóa khoảng cách xung và điều chế biên độ. Data Payload gồm 8 bit
địa chỉ và 8 bit lệnh, tất cả được gởi đi 2 lần để đảm bảo độ tin cậy. Lần truyền thứ 2 được
lấy bù, vì vậy tổng chiều dài khung là hằng số. Dữ liệu được bắt đầu bằng chuỗi xung, 9ms
mark và 4. 5ms space để cấu hình cho AGC (automatic gain control) của máy thu. Dữ liệu
được kết thúc bằng xung 560us mark, để hoàn tất bit dữ liệu cuối cùng.
Log. ‘1’ gồm 1 xung 560 µs mark và 1690 µs space.
Log. ‘0’ gồm 1 xung 560 µs mark và 560 µs space
Tần số sóng mang 38 kHz.

Hình 1.16: Pulse Distance Protocol, Bit Encoding
(Định ước khoảng cách xung, mã hóa bit)


- 16 -

Hình 1.17: Pulse Distance Protocol, Data Frame Structure
(Định ước khoảng cách xung, cấu trúc Frame dữ liệu)


Hình 1.18: Pulse Distance Protocol, Repeat Frame Structure
(Định ước khoảng cách xung, Cấu trúc Frame lặp lại)

Khi một phím được nhấn, một chuỗi bit lệnh được phát ra. Tuy nhiên thời gian
nhấn một nút thường lâu hơn khoảng thời gian của một khung hoặc do nút được
nhấn chìm liên tiếp. Giao thức tiếp tục phát ra các khung lặp sau data frame cho đến

khi hết thời gian nhấn phím.

Hình 1.19: Pulse Distance Protocol, Full Sequence Structure
(Định ước khoảng cách xung, cấu trúc dãy đầy đủ)

1.3.4.2. Pulse Width Protocol (Định ước bề rộng xung)
Giao điều thức chế độ rộng xung, hoặc là SIRC, được phát triển bởi Sony.
Dùng mã hóa độ rộng xung và điêu chế biên độ. Data payload gồm 7 bit lệnh và 5
bit địa chỉ. Dữ liệu được khởi đầu bằng chuỗi xung 2. 4ms mark và 0. 6ms space để
cấu hình cho AGC của máy thu.
Log. ‘1’ gồm 1 xung 1200 µs mark và 600 µs space.