Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta thường tiếp xúc với nhiều thiết bị điều khiển từ xa như: tivi, đầu video, VCD… Nhưng đó chỉ là điều khiển một thành phần riêng lẻ. Trong tương lai con người hướng đến việc điều khiển tất cả các thiết bị chỉ dùng một bộ điều khiển để phục vụ cho cuộc sống tiện lợi hơn.
Trong phạm vi gia đình, việc điều khiển tất cả các thiết bị điện trong nhà bằng điều khiển từ xa đã và đang phát triển vì tính linh hoạt và tiện lợi của nó. Con người có thể điều khiển được các thiết bị điện ở mọi nơi trong nhà chỉ bằng một bộ điều khiển.
Bài viết này hướng dẫn các bạn thiết kế mạch điều khiển từ xa các thiết bị điện trong gia đình bằng sóng hồng ngoại thông qua việc sử dụng 1 cặp IC thu (PT2249) và phát (PT2248). Các bạn có thể dùng mạch này để điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, tivi, motor….
Tổng quan về hệ thống thu phát hồng ngoại
Ánh sáng hồng ngoại
Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có bước sóng khoảng từ 700 nm – 1 mm.
Tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng và có thể truyền được nhiều kênh tín hiệu. Nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ mà người ta vẫn dùng.
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.
Nguyên lý thu phát hồng ngoại
Tia hồng ngoại được sử dụng rất phổ biến và không bị ảnh hưởng bởi từ trường, vì thế nó được sử dụng tốt trong truyền thông và điều khiển. Nhưng nó vẫn có một số khuyết điểm, một số vật phát hồng ngoại mạnh làm ảnh hưởng đến truyền thông và điều khiển như quang phổ mặt trời.
Để truyền tia hồng ngoại tốt phải tránh xung nhiễu, bắt buộc phải dùng mã phát và nhận ổn định để xác định xem đó là xung truyền hay nhiễu. Tần số làm việc tốt nhất là từ 30 kHz đến 60 kHz, nhưng thường sử dụng khoảng 36 kHz.
Dùng tần số 36 kHz để truyền tín hiệu thì dễ, nhưng khó thu và giải mã, phải sử dụng bộ lọc để tín hiệu ngõ ra là xung vuông, nếu ngõ ra có xung nghĩa là đã nhận được tín hiệu ngõ vào.
Phần phát
Hình 1-1: Sơ đồ khối chức năng phần phát.
Khối chọn 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 số 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 hay 8 bit… tùy theo số lượng phím chức năng nhiều hay ít.
Khối dao động có điều kiện: khi nhấn một phím chức năng thì đồng thời khởi động mạch dao động tạo xung clock, tần số xung clock 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 clock 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 từ 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.
Phần thu
Hình 1-2: Sơ đồ khối chức năng phần thu.
Khối thiết bị thu: tia hồng ngoại từ phần phát được tiếp nhận bởi LED thu hồng ngoại hay các linh kiện thu 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 được hoạt động chính xác.
Giới thiệu IC thu phát hồng ngoại
IC phát tín hiệu hồng ngoại PT2248
IC PT2248 là một bộ truyền phát tia hồng ngoại được ứng dụng công nghệ CMOS, phạm vi điện áp nguồn điện là 2,2V~5V. Vì sử dụng công nghệ CMOS để chế tạo nên công suất tiêu hao cực thấp. Nó có thể nhấn giữ nhiều phím cùng 1 lúc (tối đa 6 phím), linh kiện bên ngoài rất ít.
Thông số kỹ thuật
- Điện áp làm việc: 2.2V đến 5V
- Dòng điện chờ: 1mA
- Mức áp cao/thấp: 5V/0.5V
- Tần số hoạt động: 400~600kHz
- Tổng trở dao động: 4500 kΩ
- Dải nhiệt độ: -65°C ~ 150°C
Hình 1-3: Sơ đồ chân PT2248
Chức năng của các chân:
- Chân 1 (Vss): Chân mass được nối với cực âm của nguồn điện.
- Chân 2 và chân 3: Hai đầu nối với thạch anh bên ngoài cho bộ tạo dao động ở bên trong IC.
- Chân 4 – 9 (K1-K6): Đầu vào của tín hiệu bàn phím kiểu ma trận, các chân từ K1 đến K6 kết hợp với các chân 10 đến 12 (T1-T3) để tạo thành ma trận 18 phím.
- Chân 13 (CODE): Chân mã số dùng để kết hợp với các chân T1-T2 để tạo ra tổ hợp mã hệ thống giữa phần phát và phần thu.
- Chân 14 (TEST): Chân dùng để kiểm tra mã của phần phát, bình thường không sử dụng có thể bỏ trống.
- Chân 15 (TXOUT): Đầu ra của tín hiệu đã được điều chế FM.
- Chân 16 (Vcc): Chân cấp nguồn dương.
Nguyên lý hoạt động
Trong IC PT2248 chứa bộ đảo pha có điện trở định thiên cùng kết nối bộ dao động bằng thạch anh hoặc mạch dao động. Khi tần số của bộ phận dao động thiết kế xác định là 455kHz thì tần số phát xạ sóng mang là 38kHz. Chỉ khi có thao tác nhấn phím mới có thể tạo ra dao động, vì thế ta có thể kết nối các chân từ K1 đến K6 và đến các chân từ T1 đến T3 để tạo ra bàn phím 6×3 theo kiểu ma trận 18 kênh được trình bày ở hình dưới:
Hình 1-4: Sơ đồ bàn phím điều khiển
- Hàng chân T1 kết nối với các chân từ K1 đến K6 là hàng chân có thể gửi tín hiệu liên tục khi giữ phím.
- Hai hàng chân T2 và T3 kết nối các chân từ K1 đến K6 là hàng chân gửi tín hiệu không liên tục khi giữ phím.
- Nếu như các phím ở cùng hàng đồng thời được ấn xuống thì thứ tự được ưu tiên là K1>K2>K3>K4>K5>K6. Còn đồng thời nhấn phím trên cùng một đường ngang thì thứ tự ưu tiên của nó là T1>T2>T3.
Lệnh phát ra của nó do mã 12 bit tạo thành. Trong đó C1-C3 (CODE) là mã số người dùng, tổ hợp C2, C3 phối hợp với mạch IC thu PT2249. Mỗi loại tổ hợp có 3 trạng thái đó là 01, 10, 11 và không dùng trạng thái 00.
Dữ liệu của 3 bit mã T1, T2, T3 sẽ là “1” nếu một diode được nối giữa chân CODE và chân Tn (n=1,2,3); và là “0” khi không nối diode.
Vì IC thu PT2249, chỉ có 2 bit mã (CODE 2, CODE 3), nên chân T1 của PT2248 sẽ luôn ở mức “1”.
- C1, C2, C3: mã người dùng
- H: mã tín hiệu liên tục
- S1, S2: mã tín hiệu không liên tục
- D1-D6: mã tín hiệu ngõ vào
- Dạng sóng truyền:
Hình 1-5: Dạng sóng truyền
Thời gian của bit “a” phụ thuộc vào tần số dao động và được tính bởi công thức:
- Tín hiệu không liên tục
Hình 1-6: Dạng sóng của tín hiệu không liên tục
Khi ấn bất kì một phím không liên tục, tín hiệu không liên tục chỉ truyền hai từ lệnh đến ngõ ra.
- Tín hiệu liên tục:
Hình 1-7: Dạng sóng của tín hiệu
Khi nhấn bất kỳ một phím liên tục, tín hiệu liên tục sẽ lặp lại chu kỳ sau khi truyền hai từ lệnh và thời gian dừng cho đến khi phím không được nhấn nữa.
Hình 1-8: Mạch ứng dụng của PT2248
IC thu tín hiệu hồng ngoại PT2249.
IC PT2249 cũng được chế tạo bởi công nghệ CMOS, nó đi cặp với IC phát PT2248 để tạo thành bộ IC thu – phát trong điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại.
Hình 1-9: Sơ đồ chân IC PT2249
Chức năng các chân:
- Chân 1 (Vss): Chân mass được nối với cực âm của nguồn điện.
- Chân 2 (RXIN): Đầu vào tín hiệu thu.
- Các chân 3 – 7 (HP1 – HP5): Đầu ra tín hiệu liên tục. Chỉ cần thu được tín hiệu tương ứng với đầu ra nào thì đầu ra đó luôn duy trì ở mức logic “1”.
- Các chân 8 – 12 (SP5 –SP1): 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 2 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) : Chân được nối với cực dương của nguồn điện.
Nguyên lý hoạt động
Sau khi IC phát PT2248 phát tín hiệu (2 chu kỳ) đi, tín hiệu sẽ được mắt thu tiếp nhận rồi đưa nó đến chân Rxin. Chân Rxin có nhiệm vụ sẽ chỉnh lại dạng sóng của tín hiệu cho chuẩn. Sau đó, tín hiệu được đưa tới bộ lọc số. Bộ lọc số có nhiệm vụ lọc lấy các dữ liệu rồi đưa đến thanh ghi. Dữ liệu đầu tiên được lưu vào thanh ghi 12 bit. Tiếp đến, dữ liệu thứ hai sẽ được nạp vào thanh ghi. Dữ liệu đầu tiên sẽ được đưa qua bộ đệm ngõ ra nếu mã của nó khớp với mã của phần phát. Trường hợp, mã của dữ liệu không khớp với mã của phần phát thì quá trình sẽ được lặp lại. Khi các dữ liệu nhận đã được thông qua, ngõ ra sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao
Do trong tín hiệu phát ra của IC phát có C1, C2 và C3 cung cấp tín hiệu mã số cho người dùng, vì vậy đầu tiếp nhận phải có tín hiệu mã số tương ứng.
Hình 1-10: Mạch ứng dụng của PT2249
Mạch điều khiển thiết bị từ xa bằng ngoại
Sơ đồ nguyên lí mạch phát
Hình 1-11: Sơ đồ mạch phát
Nguyên lí hoạt động:
- Để mạch gửi tín hiệu liên tục. Nối K1 qua 1 đầu của nút nhấn SW1, K2 qua 1 đầu của nút nhấn SW2, K3 qua 1 đầu của nút nhấn SW3. Các chân còn lại của nút nhấn SW1, SW2, SW3 nối vào T1. Từ T1 nối diode vào chân CODE mục đích cho mã người dùng lên mức 1.
- Để mạch gửi tín hiệu không liên tục. Nối K1 qua 1 đầu của nút nhấn SW4, K2 qua 1 đầu của nút nhấn SW5, K3 qua 1 đầu của nút nhấn SW6. Các chân còn lại của nút nhấn SW4, SW5, SW6 nối vào T2. Từ T2 nối diode vào chân CODE mục đích cho mã người dùng lên mức 1.
- Chân T3 ta không dùng nên ta để hở. Vậy mã người dùng là: 110.
- Khi nhấn nút SW1, K1 thông với T1 mạch sẽ gửi kênh 1.
- Khi nhấn nút SW2, K2 thông với T1 mạch sẽ gửi kênh 2.
- Khi nhấn nút SW3, K3 thông với T1 mạch sẽ gửi kênh 3.
- Khi nhấn nút SW4, K1 thông với T2 mạch sẽ gửi kênh 7.
- Khi nhấn nút SW5, K2 thông với T2 mạch sẽ gửi kênh 8.
- Khi nhấn nút SW6, K3 thông với T2 mạch sẽ gửi kênh 9.
- Lúc này PT2248 sẽ xuất chuỗi tín hiệu xung điện liên tục ra chân TX đi qua A1013 nhằm khuếch đại tần số để cho led phát thành tia sáng hồng ngoại.
- Khi nhấn nút SW4 ( SW5, SW6 tương tự), K1 thông với T2 lúc này PT2248 sẽ xuất chuỗi tín hiệu không liên tục ra chân TX đi qua A1013 nhằm khuếch đại tần số để cho led phát thành tia sáng hồng ngoại.
Sơ đồ nguyên lí mạch thu.
Hình 1-12: Sơ đồ mạch thu
Nguyên lí hoạt động:
- Khi tín hiệu từ mạch phát gửi qua mạch thu. Led thu nhận được và xuất chuỗi tín hiệu ra chân số 1 của led thu. Chuỗi tín hiệu này sẽ đi qua transistor C1815 và khôi phục lại thành chuỗi xung điện y như ban đầu của mạch phát khi gửi. Sau đó chuỗi xung điện này được đưa vào RXIN của mạch thu.
- Lúc này chuỗi tín hiệu sẽ nhận mã người dùng là 110, đúng mã người dùng mạch sẽ tiếp tục nhận. Để PT2249 nhận với mã người là 110. Chân CODE1 mặc định trong PT2249 là mức 1, Chân CODE2 để hở là mức 1, chân CODE3 nối xuống đất là mức 0. Nếu nhận được:
- Kênh 1 sẽ cho chân HP1 lên mức 1.
- Kênh 2 sẽ cho chân HP2 lên mức 1.
- Kênh 3 sẽ cho chân HP3 lên mức 1.
- Kênh 7 sẽ cho chân SP1 lên mức 1.
- Kênh 8 sẽ cho chân SP2 lên mức 1.
- Kênh 9 sẽ cho chân SP3 lên mức 1.
Hình ảnh thực tế
Hình 1-13: Mạch phát hồng ngoại
Hình 1-14: Mạch thu hồng ngoại
cảm ơn bài viết của bạn