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
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
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
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
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
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
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
= 4ϕ = 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
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
(
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
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)
(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:
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
, 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
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
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
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
Chương 2 : Nguyên tắc IR phát hiện vật cản
Bản quyền thuộc về Goccay.vn
20 Hình 2.14 Sơ đồ khối LM 567
Copyright: Tài liệu đại học ©