Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC Trang LỜI CÁM ƠN 1 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 2 LỜI MỞ ĐẦU 3 Chương 1 4 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN XA 4 1.1GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 4 1.1.1Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa 4 1.1.2Các phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa 5 1.1.3Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển từ xa 6 1.1.4 Các phương pháp điều chế tín hiệu trong hệ thống điều khiển từ xa 7 Kết Luận : 10 1.2 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA DÙNG TIA HỒNG NGOẠI 10 1.2.1 Khái niệm về tia hồng ngoại 10 1.2.2 Nguồn phát hồng ngoại 11 1.2.3 Linh kiện thu sóng hồng ngoại 11 1.2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa dùng hồng ngoại 11 Chương 2 15 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 15 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 15 2.1.1 PIC là gì? 15 2.1.2 Tại sao dùng vi điều khiển PIC 15 2.1.3 Kiến trúc PIC 16 2.1.4 RISC và CISC 17 2.1.5 PIPELINING 17 2.1.6Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC 18 2.1.7 Ngôn ngữ lập trình cho PIC 18 2.2 MỘT VÀI THÔNG SỐ VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 18 2.2.1Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 20 2.2.2 Tổ chức bộ nhớ 21 2.2.3Các cổng xuất nhập của PIC16F877A 24 2.2.4TIMER 0 26 2.2.5 TIMER1 28 2.2.6 TIMER 2 29 2.2.7 ADC 30 2.2.8 COMPARATOR 32 2.2.9 Bộ tạo điện áp so sánh 34 2.2.10 CCP 35 2.2.11 Ngắt (interrupt) 39 Chương 3 41 THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG SÓNG HỒNG NGOẠI 41 3.1 THIẾT BỊ THU, PHÁT VÀ RƠ LE 43 3.1.2Chuẩn giao tiếp của Remote TV Sony 45 3.1.3Thiết bị thu 47 3.1.4 Thiết bị đóng ngắt rơ le 48 3.2THIẾT KẾ MẠCH 50 3.2.1 Các khối và sơ đồ nguyên lý 50 3.2.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch 52 3.2.3 Mạch in 53 3.2.4Mạch điều khiển và mô hình đã thi công 53 PHỤ LỤC 58
LỜI CÁM ƠN Em xin gửi lời cám ơn thầy Nguyễn Phúc Ngọc tận tình hướng dẫn định hướng em thời gian nghiên cứu thực đề tài Em xin chân thành cám ơn thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông nhiệt tình dạy dỗ, cung cấp cho em kiến thức vững suốt năm học qua Thời gian thực đồ án có hạn nên cố gắng nhiều đồ án không tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy khoa tận tình bảo góp ý kiến để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn Sinh viên thực TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đồ án chia thành chương chính: Chương 1: Lý thuyết điều khiển từ xa Chương 2: Tổng quan vi điều khiển PIC Chương 3: Thiết kế, thi công hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa sóng hồng ngoại thơng qua việc phát sóng hồng ngoại từ remote TV Sony, nhận sóng hồng ngoại mắt thu irm 56384, xử lý tín hiệu Pic 16f877A, thiết bị ngắt rơ le để điều khiển tắt/mở thiết bị gia đình như: đèn, Tivi, quạt… Với việc thiết kế, thi công hồn thiện hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại thảnh công, hy vọng đồ án góp phần tiện nghi hố sống tạo niềm tin cho tạo dựng tương lai nghiệp ABSTRACT The content of this plan is divided into three main parts: Part 1: Far-distance controlling theories Part 2: Overview about programmable controller’s theory PIC Part 3: Design and execute the far-distance controlling by Infrared radiation The far-distance controlling system by Infrared radiation is used by radiating Infrared from Sony remote control, receiving infrared receiver led by irm 56384, signal processing of the pic 16f877A, breaker relays to control on / off household appliances such as lights, TV, fan Through designing, executing and completing this Far-distance controlling system successfully, I hope that this plan will help our lives conveniently and build up my own career in the future LỜI MỞ ĐẦU Do yêu cầu lĩnh vực tự động hóa sinh hoạt cao Các thiết bị sinh hoạt ngày đại, việc điều khiển từ xa ngày trở nên cần thiết yêu cầu thiếu xã hội Điều khiển từ xa việc điều khiển mơ hình khoảng cách mà người không cần thiết đến trực tiếp nơi đặt hệ thống Khoẳng cách tùy thuộc vào hệ thống có mức phức tạp khác nhau, chẳng hạn để điều khiển từ xa phi thuyền ta cần phải có hệ thống phát thu mạnh, ngược lại, để điều khiển trò chơi điện tử từ xa ta cần hệ thống phát thu đơn giản công suất nhỏ…Những đối tượng điều khiển khơng trung, đáy biển hay vùng xa xơi Thế giới phát triển lĩnh vực điều khiển cần mở rộng Việc ứng dụng điều khiển từ xa vào thông tin liên lạc mang lại nhiều thuận lợi cho xã hội lồi người, thơng tin cập nhập nhờ xác nhanh chóng q trình điều khiển từ xa Ngồi ra, điều khiển từ xa ứng dụng kỹ thuật đo lường Trước muốn đo độ phóng xạ lò hạt nhân khó khăn, phức tạp nguy hiểm, người nơi an tồn đo độ phóng xạ lò phản ứng hạt nhân Như vậy, hệ thống hệ thống điều khiển từ xa hạn chế mức độ phức tạp công việc đảm bảo an toàn cho người Trong sinh hoạt ngày người trò chơi giải trí (robot, xe điều khiển từ xa….) thiết bị gần gũi với người cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng đạt mức tiện lợi Điều khiển từ xa xâm nhập vào lĩnh vực cho Tivi, đầu máy Video… Đến thiết bị quạt máy, điều hòa… Xuất phát từ ý tưởng nhu cầu sống nên em chọn đề tài “thiết kế hệ thống điều khiển từ xa sóng hồng ngoại” Chương LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN XA 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA Hệ thống điều khiển từ xa hệ thống cho phép ta điều khiển thiết bị từ khoảng cách xa Ví dụ, hệ thống điều khiển sóng vơ tuyến, hệ thống điều khiển hồng ngoại, hệ thống điều khiển xa cáp quang dây dẫn… Ở đây, khuôn khổ đề tài giao ta nói đến hệ thống điều khiển xa hồng ngoại Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa bao gồm: - Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tín hiệu phát - Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu - Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua trình biến đổi, biến dịch để tái lại lệnh điều khiển đưa đến thiết bị thi hành Thiết bị phát Đường truyền Thiết bị thu Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa Nhiệm vụ hệ thống điều khiển từ xa: - Phát tín hiệu điều khiển - Sản sinh xung hình thành xung cần thiết - Phát tổ hợp mã đến điểm chấp hành - Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau nhận mã phải biến đổi mã nhận thành lệnh điều khiển đưa đến thiết bị, đồng thời kiểm tra xác mã nhận.[3] 1.1.1 Một số vấn đề hệ thống điều khiển từ xa Do hệ thống điều khiển từ xa có đường truyền dẫn xa nên ta cần phải nghiên cứu kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu truyền xác nhanh chóng theo yêu cầu sau: Kết cấu tin tức Trong hệ thống điều khiển từ xa độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ nhiều đến kết cấu tin tức Nội dung kết cấu tin tức có hai phần: lượng chất Về lượng có biến lượng điều khiển lượng điều khiển thành loại xung cho phù hợp, xung cần áp dụng phương pháp để hợp thành tin tức, để có dung lượng lớn tốc độ truyền dẫn nhanh Về kết cấu hệ thống Để đảm bảo yêu cầu kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có 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 cao hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực đại đồng thời đảm bảo độ xác phạm vi cho phép.[3] 1.1.2 Các phương pháp mã hóa điều khiển từ xa Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc truyền thông tin liên tục rời rạc hóa tin tức thường phải biến đổi thông qua phép biến đổi thành số (thường số nhị phân) mã hóa phát từ máy phát Ở máy thu, tín hiệu phải thơng qua phép biến đổi ngược lại với phép biến đổi trên: giải mã, liên tục hóa… Sự mã hóa tín hiệu điều khiển nhằm tăng tính hữu hiệu độ tin cậy hệ thống điều khiển từ xa, nghĩa tăng tốc độ truyền khả chống nhiễu Trong điều khiển từ xa ta thường dùng mã nhị phân tương ứng với hệ gồm có phần tử [0] [1] Do yêu cầu độ xác cao tín hiệu điều khiển truyền để chống lại nhiễu ta dùng loại mã tín hiệu sữa sai Mã phát tín hiệu sữa sai thuộc loại mã đồng bao gồm loại mã: mã phát sai, mã sữa sai, mã phát sữa sai Dạng sai nhầm mã truyền tùy thuộc tính chất kênh truyền, chúng phân thành loại: - Sai độc lập: Trong trình truyền, nhiều tác động, nhiều ký hiệu tổ hợp mã bị sai nhầm, sai nhầm khơng liên quan - Sai tương quan: Được gây nhiều nhiễu tương quan, chúng hay xẩy chùm, cụm ký hiệu kế cận Sự lựa chọn cấu trúc mã chống nhiễu phải dựa tính chất phân bố xác suất mắc sai nhầm kênh truyền Hiện lý thiết mã hóa phát triển nhanh, nhiều loại mã phát sữa sai nghiên cứu như: mã Hamming, mã chu kỳ, mã nhiều cấp 1.1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa Sau sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa Tín hiệu điều khiển Tín hiệu sóng mang Khuyếch đại thu Điều chế Khuyếch đại phát Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát Giải điều chế Khuyếch đại Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu Chấp hành 1.1.4 Các phương pháp điều chế tín hiệu hệ thống điều khiển từ xa Trong kỹ thuật điều khiển từ xa, tín hiệu gốc khơng thể truyền xa Do đó, để thực việc truyền tín hiệu điều khiển từ máy phát đến máy thu ta cần phải điều chế (mã hóa) tín hiệu Có nhiều phương pháp điều chế tín hiệu Tuy nhiên điều chế tín hiệu dạng xung có nhiều ưu điểm Vì sử dụng linh kiện kỹ thuật số nên linh kiện gọn nhẹ, công suất tiêu tán nhỏ có tính chống nhiễu cao Các phương pháp điều chế tín hiệu dạng xung như: - Điều chế biên độ xung (PAM) - Điều chế độ rộng xung (PWM) - Điều chế vị trí xung (PPM) - Điều chế mã xung (PCM) Hình 1.4 : Các dạng xung Điều chế biên độ xung (PAM) Sơ đồ khối Tín hiệu điều chế Dao động đa hài trạng thái bền Bộ phát xung Hình 1.5: Hệ thống điều chế PAM Điều chế biên độ xung dạng điều chế đơn giản dạng điều chế xung Biên độ xung tạo tỉ lệ với biên độ tức thời tín hiệu điều chế Xung lớn biểu thị cho biên độ dương tín hiệu mẫu lớn Giải thích sơ đồ khối -Khối tín hiệu điều chế : Tạo tín hiệu điều chế đưa vào khối dao động đa hài -Dao động đa hài trạng thái bền :Trộn xung với tín hiệu điều chế -Bộ phát xung : Phát xung với tần số không đổi để thực việc điều chế tín hiệu điều chế có biên độ tăng giảm thay đổi theo tín hiệu điều chế Điều chế độ rộng xung (PWM) Phương pháp điều chế tạo xung có biên độ khơng đổi, bề rộng xung thay đổi tương ứng với biên độ tức thời tín hiệu điều chế Trong cách điều chế này, xung có độ rộng lớn biểu thị phần biên độ dương lớn tín hiệu điều chế, xung có độ rộng hẹp biểu thị phần biên độ âm tín hiệu điều chế Trong điều chế độ rộng xung, tín hiệu cần lấy mẫu phải chuyển đổi thành dạng xung có độ rộng xung tỉ lệ với biên độ tín hiệu lấy mẫu Để thực điều chế độ rộng xung, ta thực theo sơ đồ khối sau: Tín hiệu điều chế So sánh Bộ phát hàm RAMP Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống RAMP Trong sơ đồ khối, tín hiệu điều chế đưa đến khối so sánh điện áp với tín hiệu phát từ phát hàm RAMP Điều chế vị trí xung (PPM) Với phương pháp điều chế vị trí xung xung điều chế có biên độ độ rộng xung khơng thay đổi theo biên độ tín hiệu điều chế Hình thức đơn giản điều chế vị trí xung q trình điều chế độ rộng xung Điều chế vị trí xung có ưu điểm sử dụng lượng điều chế độ rộng xung có nhược điểm q trình giải điều biến máy thu phức tạp dạng điều chế khác Điều chế mã xung (PCM) Phương pháp điều chế mã xung xem phương pháp xác hiệu phương pháp điều chế xung Trong điều chế mã xung, mẫu biên độ tín hiệu điều chế biến đổi số nhị phân-số nhị phân biến đổi nhóm xung Sự diện xung biểu thị mức [1] thiếu xung biểu thị mức [0] Chỉ biểu thị 16 biên độ khác biên độ tín hiệu (mã bít) khơng xác Độ xác cải thiện cách tăng số bít Mỗi mã n bít biểu thị 2n mức riêng biệt tín hiệu Trong phương pháp điều chế mã xung, tần số định tín hiệu cao trình xử lý Điều cho thấy mẫu thử lấy mức lớn hai lần tần số tín hiệu tần số tín hiệu mẫu phục hồi Tuy nhiên thực tế thường lấy tín hiệu mức độ nhỏ khoảng 10 lần so với tín hiệu lớn Vì tần số cao thời gian lấy mẫu nhỏ (mức lấy mẫu nhiều) dẫn đến linh kiện chuyển mạch có tốc độ xử lý cao Ngược lại sử dụng tần số lấy mẫu thấp thời gian lấy mẫu rộng,nhưng độ xác khơng cao Thơng thường người ta sử dụng khoảng 10 lần tín hiệu nhỏ Kết Luận : Điểm thuận lợi phương pháp điều biến xung tín hiệu AM yếu, chúng hẳn nhiễu ồn xung quanh Nếu phương pháp điều chế PPM, PWM, PCM tín hiệu điều chế cách tách khỏi tiếng ồn Với phương pháp vậy, điều chế mã xung PCM cho kết tốt nhất,vì cần định xung diện, xung không diện Các phương pháp điều chế xung PWM, PPM, PAM phần theo kiểu tương tự Vì dạng xung sau điều chế có thay đổi biên độ, độ rộng xung, vị trí xung theo tín hiệu lấy mẫu Đối với phương pháp biến đổi mã xung PCM dạng xung dạng nhị phân có mức [0] [1] Để mã hóa tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta chia trục thời gian khoảng biên độ trục 2n khảng cho bít Nếu số mức nhiều thời gian nhỏ, độ xác cao Tại thời điểm lấy mẫu biên độ đo, lấy mức tương ứng với biên độ chuyển đổi mã nhị phân Kết ngỏ thu chuổi xung (dạng nhị phân) [1] 1.2 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA DÙNG TIA HỒNG NGOẠI 1.2.1 Khái niệm tia hồng ngoại Hình 1.7: Dạng sóng hồng ngoại Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) ánh sáng nhìn thấy mắt thường, có bước sóng khoảng 0,8µm đến 0,9µm tia hồng ngoại có vận tốc truyền vận tốc ánh sáng Tuy nhiên biết khơng nhìn thấy tần số âm biết tồn nhận biết chúng từ cảm ứng nhiệt da Khi bạn đưa tay đến gần lửa vật nóng, bạn cảm thấy nhiệt bạn khơng nhìn thấy Bạn nhìn thấy lửa phát nhiều loại xạ, mắt ta nhìn thấy,đồng thời phát hồng ngoại mà cảm nhận qua da 10 Hình 3.10 : Mạch tạo xung dao dộng Ở ta dùng thạch anh, tụ C1, C2, tụ có tác dụng tạo xung có giá trị ổn định đồ mạch nguyên lý Hình 3.11: Vi điều khiển Pic 16F877A chân vào Mạch động lực 51 Hình 3.12: Mạch xuất tín hiệu điều khiển đến Rơle Hình 3.13 : mạch động lực Relay chân Mạch động lực mạch điều khiển cách li opto Điện trở R11 giá trị 2k2: để hạn chế dòng qua diot quang opto tránh làm cháy opto Opto dùng để truyền tín hiệu điều khiển từ Pic sang mạch động lực, tránh ảnh hưởng việc đóng cắt, điều chỉnh rơle động làm cháy PIC module mạch điều khiển Transisto Q11 có tác dụng khuyếch đại tín hiệu cho mạch Diode D11 có tác dụng khơng cho dùng điện truyền ngược từ cuộn dây Rơle vào mạch điều khiển 3.2.2 Các linh kiện sử dụng mạch 52 - PIC16F877A - Transitor C2383 - IC 7805 - Role chân 12V - Opto PC817 - Diode - Led - Trở tụ điện - Các nút nhấn Domino… 3.2.3 Mạch in Hình 3.14: Layout mạch thi cơng 3.2.4 Mạch điều khiển mơ hình thi cơng 53 Hình 3.15: Mạch thi cơng Sau hình ảnh mơ hình hồn chỉnh Hình 3.16: Mơ hình thi cơng hồn chỉnh 3.3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN Để thu bit mã lệnh ta làm sau : 1) thiết lập ghi chứa command = 2) khởi đầu cách chờ tín hiệu xuống – Đây bít START (2400 µs ) 54 3) chờ cho tín hiệu lên – Đây khởi đầu dãy bít 4) chờ cho tín hiệu xuống 5) tạo trễ khoảng 900us 6) đo mức tín hiệu 7) Nếu tín hiệu nhận mức cao bít nhận bít Nếu mức tín hiệu mức thấp bit nhận bit Cộng giá trị command với bít vừa nhận sau dịch phải ghi chứa giá trị command Thực vòng lần để thu bít command Thuật Tốn: 55 Hình 3.17: Sơ đồ thuật toán KẾT LUẬN 56 Kết đạt - Mạch chạy ổn định, hoạt động với thời gian dài - Khoảng cách điều khiển xa ( Khoảng 10m) - Mạch thi cơng thực tế điều khiển thiết bị nút ấn Remote nên tiện lợi Những hạn chế đề tài - Hạn chế thời gian nên mơ hình chưa hồn mỹ khí - Hạn chế tài nên mạch mơ hình phải sử dụng số thiết bị chưa thực tốt - Mạch đóng ngắt dùng rơ le lên mạch cồng kềnh, cần sử dụng điện áp 12V cho mạch Hướng phát triển đề tài Thiết kế điều khiển đóng ngắt dùng triac, thiết kế mạch in lớp cho điều khiển nhỏ gọn Một đặc điểm hệ thống điều khiển xa điện sau có điện lại tất thiết bị trạng thái tắt Điều có tác dụng bảo vệ hệ thống thiết bị điện có điện mà tất thiết bị hoạt động gây nên tượng tải Tuy vậy, khơng thực tiện lợi Có thể khắc phục điều cách sử dụng nhớ (EFROM NV RAM) để lưu trạng thái thiết bị trước điện Khi có điện, vi điều khiển đọc nhớ điều khiển thiết bị linh hoạt Tích hợp giải mã nhiều loại điều khiển chip Như người dùng sử dụng nhiều loại điều khiển Khi thay điều khiển cần khai báo lại Tăng khoảng cách điều khiển cách thiết kế sử dụng sóng RF sóng điện thoại để điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 [1] Văn Thế Minh - Kỹ thuật Vi Xử Lý [2] Phạm Hùng Kim Khánh – Tài liệu lập trình hệ thống [3] Khoa Điện –ĐHBK Đà Nẵng – Giáo trình Đo Lường Điều Khiển Xa [4] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005 [5] Nguyễn Mạnh Giang,Các vi điều khiển PIC, NXB Khoa học Kỹ Thuật, 2009 [6] Microchip technology Inc - PIC16F877A datasheet [7] Hope microelectronic Co.ltd – HMTR Transparent Wireless datalink module [8] Trang web www.dientuvietnam.com www.picvietnam.com [9] trang web diễn đàn khác PHỤ LỤC 58 Đây chương trinh nạp cho PIC viết ngơn ngữ lập trinh C chương trình CCS ****** Chương Trình Điều Khiển Xa Bằng Hồng Ngoại ***** #include #fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP #use delay(clock=20000000) //use thach anh #define IR RA2 // Nhan hong ngoai #define TB1 RB0 #define TB2 RB1 #define TB3 RB2 #define TB4 RB3 unsigned int i; unsigned char command; /**************Cac chuong trinh con*******************/ /***********Giai ma**************/ void giai_ma(unsigned char command) { switch (command) { case 0: TB1=~TB1; break; // key case 1: TB2=~TB2; break; // key 59 case 2: TB3=~TB3; break; // key case 3: TB4=~TB4; break; // key case 21: PORTB=0xff; break; //nut' power } } /**********Doc du lieu**********/ void read_data() { command=0; kiemtra: while(IR==0); // timer out, bat dau lai tu dau while(IR==1); // khong nut nao tren remote duoc nhan while(IR==0) // nhan duoc bit START { delay_us(2500); if(IR==0) // neu khong phai la bit Start goto kiemtra; // thi bat dau lai } for(i=0;i