Embed Size (px)
Citation preview
i
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân em tìm tòi, đúc
kết, thực hiện dưới sự hướng dẫn của Ths. Phạm Thị Thu Hà.
Nếu sai em xin chịu mọi hình thức kỉ luật theo quy định.
Người thực hiện
Phạm Xuân Tâm
LỜI CẢM ƠN
ii
Người thực hiện đề tài xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô
trong khoa Điện – Điện Tử Trường đại học kinh tế kỹ thuật công nghiêp và
nhất là quý Thầy, Cô thuộc bộ môn Điện Tử Viễn Thông đã giảng dạy và
truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em để thực hiện đồ án trong thời gian
vừa qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Th.s Phạm Thị Thu Hà vì sự tận
tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho em để co
thể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này.
Đồng thời em cũng không quên cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi, gop ý
để người thực hiện hoàn thành đề tài này một cách tốt đẹp và đúng thời gian.
Mặc dù đã co nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũng
như khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài
không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sot…Rất mong nhận được sự gop
ý, chỉ dẫn từ nơi quý thầy cô và các bạn sinh viên.
Người thực hiện đê tai
Phạm Xuân Tâm
iii
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến . Thế
giới đã và đang dần thay đổi văn minh, hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ
thuật điện tử tạo ra hàng loạt thiết bị với những đặc điểm nổi bật như độ chính
xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ, nhiều tính năng giúp ích nhiều cho người sử
dụng.
Điện tử đang trở thành một ngành công nghiệp đa nhiệm vụ. Điện tử
đã đáp ứng những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công nông ngư nghiệp
cho đến các thiết bị phục vụ đời sống hàng ngày của mỗi con người.
Một trong những ứng dụng quan trọng đo là kỹ thuật điều khiển từ xa.
No gop phần rất lớn trong việc điều khiển thiết bị mà con người không thể
chạm trực tiếp vào để vận hành.
Xuất phát từ ứng dụng đo em đã chọn đề tài :
”Thiết kế và thi công mạch điều khiển một số thiết bị gia đình thông qua
sóng vô tuyến” làm đề tài tốt nghiệp.
MỤC LỤC
iv
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................I
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................II
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................III
MỤC LỤC.....................................................................................................IV
LIỆT KÊ HÌNH :.......................................................................................VIII
LIỆT KÊ BẢNG :.........................................................................................XI
BẢNG TRA CỨU THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...........................................XII
CHƯƠNG 1: GIƠI THIỆU............................................................................1
1.1. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI..................................................................................1
1.2. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI.................................................................................1
1.3. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÁC CHƯƠNG.........................................1
CHƯƠNG 2: CƠ SƠ LY THUYẾT..............................................................2
2.1. SÓNG VÔ TUYẾN...................................................................................2
2.1.1. Khái niệm sóng vô tuyến (RF).........................................................2
2.1.2. Phân loại sóng vô tuyến.....................................................................2
2.1.3. Đặc điểm của sóng vô tuyến.............................................................2
2.1.4. Sự truyền sóng vô tuyến trong khí quyển........................................3
2.1.5. Cách tạo ra sóng vô tuyến.................................................................4
2.2. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG VÔ TUYẾN...........................................5
2.2.1. Kỹ thuật điều chế tương tự...............................................................5
2.2.1.1. Điêu chế AM.................................................................................5
2.2.1.2. Điêu chế tần số FM.......................................................................6
2.2.1.3. Điêu chế phase (PM)....................................................................7
2.2.2. Kỹ thuật điều chế số..........................................................................8
2.2.2.1. Điêu chế ASK................................................................................8
2.2.2.1.1. Khái niệm...............................................................................8
2.2.2.1.2. Nguyên lý điêu chế.................................................................9
2.2.2.1.3. Biểu thức toán học...............................................................10
2.2.2.1.4. Giải điêu chế........................................................................10
2.2.2.1.5. Ưu va nhược điểm :..............................................................11
v
2.2.2.2. Điêu chế FSK..............................................................................11
2.2.2.2.1. Khái niệm.............................................................................11
2.2.2.2.2. Nguyên lý điêu chế FSK......................................................11
2.2.2.2.3. Biểu thức toán học...............................................................11
2.2.2.2.4. Giải điêu chế........................................................................13
2.2.2.2.5. Ưu va nhược điểm :..............................................................13
2.2.2.3. Điêu chế PSK..............................................................................14
2.2.2.3.1. Định nghĩa............................................................................14
2.2.2.3.2. Nguyên lý điêu chế...............................................................14
2.2.2.3.3. Biểu thức toán học...............................................................14
2.2.2.3.4. Điêu chế pha 2 trạng thái 2-PSK (BPSK)............................15
2.2.2.3.5. Điêu chế pha 4 trạng thái 4-PSK (QPSK)...........................17
2.2.2.3.6. Điêu chế pha 8 trạng thái 8-PSK.........................................19
2.3. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH THU PHÁT
SÓNG VÔ TUYẾN.........................................................................................20
2.3.1. Suy hao..............................................................................................20
2.3.2. Nhiễu.................................................................................................21
2.3.2.1. Khái niệm nhiễu thông tin vô tuyến............................................21
2.3.2.2. Các loại nhiễu trong thông tin vô tuyến.....................................21
2.3.3.Fading trong thông tin vô tuyến......................................................24
2.3.3.1 Tổng quát vê Fading....................................................................24
2.3.3.2 Phân loại fading...........................................................................25
2.3.3.3. Khắc phục Fading.......................................................................25
2.4. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG VÔ
TUYẾN...........................................................................................................26
2.4.1. Máy phát...........................................................................................26
2.4.2. Máy thu.............................................................................................27
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ .............................................................................28
3.1. PHÂN TÍCH BÀI TOÁN VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ......................28
3.1.1. Phân tích bài toán............................................................................28
vi
3.1.2. Phương án thiết kế...........................................................................28
3.2. SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT...................................................................29
3.3. THIẾT KẾ TỪNG KHỐI.........................................................................30
3.3.1. Khối mã hóa và phát sóng vô tuyến...............................................30
3.3.1.1. Tìm hiểu IC PT2262....................................................................30
3.3.1.1.1. Chức năng các chân IC PT2262.........................................30
3.3.1.1.2. Mô tả chức năng :................................................................32
3.3.1.1.3. Hoạt động :..........................................................................32
3.3.1.1.4 . Lưu đồ thuật toán................................................................35
3.3.1.2. Sơ đồ mạch mã hóa va phát sóng vô tuyến.............................36
3.3.1.3. Tính toán.....................................................................................37
3.3.2. Khối thu và giải mã sóng vô tuyến.................................................37
3.3.2.1. Ic PT2272....................................................................................37
3.3.2.1.1 Chức năng các chân IC PT2272...........................................38
3.3.2.1.2 Mô tả chức năng, hoạt động :...............................................39
3.3.2.1.3. PT2272 loại chốt va loại tạm thời (Latch - Momentary).....40
3.3.2.1.4. Lưu đồ thuật toán.................................................................41
3.3.2.2. Sơ đồ mạch thu va giải mã sóng vô tuyến...................................42
3.3.2.3. Tính toán.....................................................................................43
3.3.3. Khối xử lý trung tâm.......................................................................44
3.3.3.1.Giới thiệu Vi Điêu Khiển AT89S52..............................................44
3.3.3.2. Sơ đồ chân AT89S52...................................................................45
3.3.3.3. Chức năng của các chân AT89S52.............................................46
3.3.4. Khối hiển thị.....................................................................................49
3.3.5. Khối chấp hành................................................................................53
3.3.6. Khối nguồn.......................................................................................54
CHƯƠNG 4 : THI CÔNG MẠCH.............................................................55
4.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH.....................................................55
4.2. SƠ ĐỒ MẠCH IN....................................................................................56
4.2.1. Mạch Phát........................................................................................56
vii
4.2.2. Mạch thu, giải mã, hiển thị, chấp hành và nguồn.........................58
4.3. PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN.....................62
4.4. KIỂM TRA...............................................................................................71
CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ, HẠN CHÊ VÀ HƯƠNG PHÁT TRIỂN........72
5.1. KẾT QUẢ................................................................................................72
5.2 HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................73
viii
Hình 2.1: Sự lan truyên của sóng điện từ
Hình 2.2: Phương lan truyên của sóng điện từ
Hình 2.3: Cách tạo ra sóng RF
Hình 2.4: Thu va phát sóng RF
Hình 2.5: Điêu chế AM
Hình 2.6: Điêu chế tần số
Hình 2.7: Điêu chế phase
Hình 2.8: Nguyên lý điêu chế ASK
Hình 2.9: Dạng sóng ASK khi điêu chế bằng phương pháp OOK
Hình 2.10: Giải điêu chế ASK
Hình 2.11: Phương pháp điêu chế FSK
Hình 2.12: Quá trình giải điêu chế FSK
Hình 2.13: Dạng sóng điêu chế BPSK
Hình 2.14: Giải điêu chế BPSK
Hình 2.15: Điêu chế QPSK
Hình 2.16: Dạng sóng điêu chế QPSK
Hình 2.17: Giải điêu chế QPSK
Hình 2.18: Nguyên lý điêu chế tín hiệu 8-PSK
Hình 2.19: Giải điêu chế 8-PSK
Hình 2.20: Một tín hiện nhiễu trắng
Hình 2.21: Nhiễu xuyên âm
Hình 2.22: Nhiễu xuyên kênh giữa hai sóng mang kê nhau
Hình 2.23: Nhiễu đồng kênh
Hình 2.24: Sơ đồ máy phát sóng vô tuyến
Hình 2.25: Sơ đồ máy thu sóng vô tuyến
Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát mạch điêu khiển thiết bị điện bằng sóng vô
tuyến
Hình 3.2: Sơ đồ chân IC PT2262
Hình 3.3: Cấu tạo IC PT2262
ix
Hình 3.4: dạng sóng Bit AD
Hình 3.5: Dạng sóng Bit SYNC
Hình 3.6: Một mã word hoan chỉnh
Hình 3.7: Truyên một mã Frame
Hình 3.8: Điện trở dao động của cặp IC PT2262 –PT2272
Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán của PT2262
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch mã hóa va phát sóng vô tuyến
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý module phát RF 315MHz
Hình 3.12: Module phát RF 315MHz thực tế
Hình 3.13: IC PT2272 loại M4 va L4
Hình 3.14: Cấu tạo IC PT2272
Hình 3.15: Hoạt động của PT2272
Hình 3.16: Hoạt động của PT2272 loại MX va LX
Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán PT2272
Hình 3.18: Khối thu RF
Hình 3.19: Module thu RF thực tế
Hình 3.20: Khối thu RF kết nối với vi điêu khiển
Hình 3.21: Sơ đồ khối AT89S52
Hình 3.22: Sơ đồ các chân AT89S52
Hình 3.23: Mạch Reset vi điêu khiển
Hình 3.24: Mạch kết nối thạch anh cho vi điêu khiển
Hình 3.25: Khối hiển thị
Hình 3.26: Hình dạng va sơ đồ chân LCD 16x2
Hình 3.27: Khối chấp hanh
Hình 3.28: Khối hiển thị
Hình 4.1: Sơ đồ toan mạch
Hình 4.2: Mạch in khối phát RF
Hình 4.3: Mô phỏng 3D khối phát RF
Hình 4.4: Mạch phát thực tế
Hình 4.5: Mạch in khối thu, giải mã, hiển thị, chấp hanh va khối nguồn
x
Hình 4.6: Mô phỏng 3D khối thu, giải mã, hiển thị, chấp hanh va khối nguồn
Hình 4.7: Khối thu, giải mã, chấp hanh va nguồn thực tế
Hình 4.8: Lưu đồ thuật toán khối xử lý
xi
LIỆT KÊ BẢNG :
Bảng 2.1: Phân loại tần số
Bảng 3.1: Giá trị điện trở dao động tương ứng
Bảng 3.2 : Chức năng các chân của Port 3
Bảng 3.3: Chức năng chân LCD 16x2
Bảng 3.4: Tập lệnh LCD 16x2
B ả ng 4.1 : Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch phát
B ả ng 4.2 : Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch thu
xii
BẢNG TRA CỨU THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt
VCO Voltage-controlled oscillatorBộ điều khiển dao động theo điện áp.
PLL Phase lock loop Vòng khoa pha.
LPF Low-Pass Filter Bộ lọc thông thấp.
TDMA Time division multiple accessĐa truy nhập phân chia theo thời gian.
FDMA Frequency Division Multiple AccessĐa truy nhập phân chia theo tần số.
CDMA Code Division Multiple AccessĐa truy nhập phân chia theo mã.
DS CDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp.
MAI Multiple Access InterferenceKhả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập.
BER Bit error rate) Tỉ lệ lỗi bít.
OFDMOrthogonal frequency-division
multiplexingGhép kênh phânchia theo tần số trực giao
CMOSComplementary Metal-Oxide-Semiconductor
Công nghệ dùng để chế tạo vi mạch tích hợp
1
CHƯƠNG 1
GIƠI THIỆU
1.1. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Từ cơ sở lý thuyết cơ bản về song vô tuyến, quá trình thu phát song vô
tuyến. Từ đo ứng dụng để thiết kế, lắp ráp mạch điện “ điều khiển một số
thiết bị gia đình thông qua sóng vô tuyến” . Đưa sản phẩm vào dùng thí
nghiệm vào thực tiễn cuộc sống. Từ đo đưa ra các kết luận cho đề tài, đưa ra
hướng phát triển cho đề tài và rút kinh nghiệm cho bản thân.
1.2. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu cơ cở lý thuyết.
- Xây dựng thiết kế mô hình mạch điện và đưa ra các thuật toán.
- Thi công, lắp ráp mạch.
- Thu thập các thông số kỹ thuật.
1.3. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÁC CHƯƠNG
Nội dung đề tài được chia thành 5 chương và được sắp xếp như sau:
Chương 1 Giơi thiệu
Trình bày tổng quan nội dung chính trong đề tài, những vấn đề se được đề
cập đến trong toàn bộ bài viết.
Chương 2 Cơ sơ lý thuyết
Chương này se đi sâu về lý thuyết thu, phát song vô tuyến, cơ chế mã hoa
và giải mã của cặp IC PT2262/PT2272, lý thuyết LCD 16x2, đồng thời trình
bày sơ lược về vi điều khiển AT89S52.
Chương 3 Thiết kế
Đưa ra phương án thiết kế, đề cập đến những tính toán cụ thể để thiết kế
phần cứng cho hệ thống bao gồm các thông tin về sơ đồ khối, chức năng, hoạt
động các khối.
Chương 4 Thi công Thi công mạch thực tế, viết code cho vi điều khiển.
Chương 5 Kết quả, hạn chế và hương phát triển
Bao gồm kết quả thi công hệ thống, những điều đạt được, hạn chế và hướng
phát triển đề tài.
2
CHƯƠNG 2
CƠ SƠ LY THUYẾT
2.1. SÓNG VÔ TUYẾN
2.1.1. Khái niệm sóng vô tuyến (RF)
Sóng vô tuyến ( Radio Frequency ) là một kiểu bức xạ điện từ với bước
song trong phổ điện từ dài hơn ánh sáng hồng ngoại. Song vô tuyến co tần số
từ 3 KHz tới 300 GHz, tương ứng bước song từ 100 km tới 1 mm.
Các tần số khác nhau của song vô tuyến co đặc tính truyền lan khác nhau
trong khí quyển trái đất. Song dài truyền theo đường cong của trái đất, song
ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên co thể truyền rất xa, các bước song ngắn
hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trên đường nhìn thẳng.
2.1.2. Phân loại sóng vô tuyến
Bảng 2.1: Phân loại sóng vô tuyến
Loại sóng Tần số Bươc sóng
Song dài và cực dài
Song trung
Song ngắn
Song cực ngắn
3-300 KHz
0,3-3 MHz
3-30 MHz
30-3000 MHz
100Km - 1Km
1000m - 100 m
100m - 10 m
10m - 0,01 m
2.1.3. Đặc điểm của sóng vô tuyến
Song vô tuyến là song điện từ nên co các đặc điểm sau:
- Song điện từ lan truyền được trong chân không với tốc độ lớn nhất (bằng
vận tốc ánh sáng ) c = 3.108m/s.
Hình 2.1: Sự lan truyền của song điện từ
zOyx
v
E
B
3
- Trong song điện từ thì dao động của điện trường và từ trường tại một điểm
luôn luôn đồng pha với nhau.
- Song điện từ là song ngang, nghĩa là no là sự lan truyền của các dao động
liên quan đến tính chất co hướng (cụ thể là cường độ điện trường và cường độ
từ trường) của các phần tử mà hướng dao động vuông goc với hướng lan
truyền song.
Hình 2.2: Phương lan truyền của song điện từ
- Khi song điện từ gặp mặt phân cách giữa hai môi trường thì no bị phản xạ và
khúc xạ như ánh sáng. Nếu song vô tuyến đập vào vật thể dẫn điện co kích
thước bất kỳ, no se đi chậm lại phụ thuộc vào độ từ thẩm và hằng số điện môi.
- Song điện từ mang năng lượng
Năng lượng của một hạt photon co bước song λ là hc/λ, với h là hằng số
Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không.
2.1.4. Sự truyền sóng vô tuyến trong khí quyển
Các vùng sóng ngắn ít bị hấp thụ
Không khí hấp thụ rất mạnh các song dài, song trung và song cực ngắn.
Không khí cũng hấp thụ mạnh các song ngắn. Tuy nhiên trong một vùng
tương đối hẹp, các song co bước song ngắn hầu như không bị hấp thụ. Các
vùng song này gọi là các dải song vô tuyến.
4
Vai trò của tần điện li trong việc thu và phát sóng vô tuyến
- Tần điện li: là tầng khí quyển ở độ cao từ 80-800km co chứa nhiều hạt mang
điện tích là các electron, ion dương và ion âm.
- Sóng dai: co năng lượng nhỏ nên không truyền đi xa được. Ít bị nước hấp
thụ nên được dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất và trong nước.
- Sóng trung: Ban ngày song trung bị tần điện li hấp thụ mạnh nên không
truyền đi xa được. Ban đêm bị tần điện li phản xạ mạnh nên truyền đi xa
được. Được dùng trong thông tin liên lạc vào ban đêm.
- Sóng ngắn: Co năng lượng lớn, bị tần điện li và mặt đất phản xạ mạnh. Vì
vậy từ một đài phát trên mặt đất thì song ngắn co thể truyền tới mọi nơi trên
mặt đất. Dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất.
- Sóng cực ngắn: Co năng lượng rất lớn và không bị tần điện li phản xạ hay
hấp thụ. Được dùng trong thôn tin vũ trụ.
2.1.5. Cách tạo ra sóng vô tuyến
Để co song vô tuyến dùng trong điều khiển, khởi đầu người ta dùng mạch
dao động cộng hưởng LC được kết nối bởi một cuộn dây và một tụ điện. Khi
mạch LC bị kích thích, trong cuộn dây se xuất hiện từ trường và trong tụ điện
se xuất hiện điện trường. Khi vào trạng thái cộng hưởng, từ trường trong cuộn
dây L và điện trường trong tụ C se kết hợp tạo ra dạng song điện từ . Dùng
dây anten phù hợp cho phát song trong mạch LC vào không gian, đến đây
song RF dùng cho công việc điều khiển vô tuyến đã được tạo ra.
Hình 2.3: Cách tạo ra song RF
B
E
E E
B B
f max=1
2 π √LC
5
L1C1 L2 L4 L3C2
Hình 2.4: Thu và phát song RF Dùng mạch cộng hưởng LC tạo song mang co tần số lớn, sau đo tạo ra các
mã lệnh điều khiển, gắn các mã lệnh điều khiển này vào song mang bằng các
phương pháp điều chế rồi phát chúng vào không gian.
2.2. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG VÔ TUYẾN
2.2.1. Kỹ thuật điều chế tương tự
2.2.1.1. Điêu chế AM
Biên độ của song mang được thay đổi bởi biên độ của tín hiệu được truyền
đi. Tín hiệu cần được truyền đi là ‘nguồn’ để điều chế và được gọi là song
điều chế (Modulating Wave). Thông tin cần truyền se được ‘gửi’ vào trong
một song co tần số lớn hơn để co thể truyền đi xa này được gọi là Song
mang (Carrier)
Hình 2.5: Điều chế AM
6
Sóng mang
Xc = Acos(ω + t)
Trong đo:
Xc: Giá trị (cường độ) tức thời của Song mang;
A: Biên độ (cường độ cực đại) của Song mang;
t: Thời gian biểu kiến (thời gian được xem xét hiện tại kể từ thời điểm gốc ban
đầu được xác định trước) của song mang.
ω: Tần số goc của song mang và được xác định bởi hệ thức dưới đây:
ω = 2πf Với f là Tần số của Song mang
Tín hiệu đã được điêu chế (AM Signal)
S = Acos(ω + t) + m(t) = A[1 + m(t)]cos(ωt)
m(t): Hàm phụ thuộc thời gian t của tín hiệu điều chế.
Ưu điểm
- Dễ hiện thực (điều chế và giải điều chế)
- Dễ biến đổi tín hiệu sang các giải băng tần khác nhau
Nhược điểm
- Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu
- Không sử dụng hiệu quả năng lượng
2.2.1.2. Điêu chế tần số FM
Điều Tần – Frequency Modulation(FM) là một phương thức điều chế làm
thay đổi tần số song mang theo tín hiệu cần truyền, trong khi biên độ của song
mang cao tần không thay đổi.
Hình 2.6: Điều chế tần số
7
Giả sử tín hiệu dữ liệu băng gốc (bản tin) cần được truyền là và song
mang cao tần hình sin , ở đây fc là tần số song mang cao
tần và Ac là biên độ song mang cao tần. Bộ điều chế kết hợp song mang với
tín hiệu băng gốc để co được tín hiệu truyền là:
Trong phương trình này, f (τ )là tần số tức thời của bộ tạo dao động và f ∆ là độ
lệch tần số đặc trưng cho độ lệch cực đại so với fc trên một hướng, giả sử xm(t)
co giới hạn trong khoảng (-1, +1).
Ưu điểm
- Kho bị ảnh hưởng của nhiễu.
- Sử dụng hiệu quả năng lượng.
Nhược điểm
- Tín hiệu được điều chế yêu cầu băng thông rộng hơn nhiều tín hiệu truyền đi
ban đầu (dữ liệu).
- Hiện thực mạch điều chế và giải điều chế phức tạp hơn so với phương pháp
điều biên.
2.2.1.3. Điêu chế phase (PM)
Tín hiệu truyền đi không ảnh hưởng đến thành phần biên độ và tần số mà chỉ
làm thay đổi pha của song mang.
Phổ tần số của tín hiệu được điều chế theo phương pháp điều pha tương tự
như phương pháp điều tần, phương pháp điều pha cũng co các đặc điểm
tương tự phương pháp điều tần.
Tuy nhiên, co hai lý do phương pháp điều pha được dễ chấp nhận hơn
- Đối với bên nhận: tần số của tín hiệu nhận được là cố định, chỉ co pha thay
đổi nên chỉ cần thiết kế bộ lọc tần số chỉ cho một tần số duy nhất thay vì
nhiều tần số như trong phương pháp điều tần giảm chi phí thiết kế và hiện
thực mạch
8
- Trong trường hợp tín hiệu điều chế chỉ nhận một số giá trị (như tín hiệu số),
mạch điều chế và giải điều chế hiện thực theo phương pháp điều pha được
đơn giản rất nhiều
Hình 2.7: Điều chế phase
Dạng tín hiệu PM:y PM (t )=Ycos [ωt+k p x (t ) ]
Trong đo:
x(t) tín hiệu tức thời
kp là hằng số tỉ lệ
Ưu điểm:
- Khả năng chống nhiễu cao.
- Băng thông tín hiệu rộng.
- Chi phí thấp.
2.2.2. Kỹ thuật điều chế số
2.2.2.1. Điêu chế ASK
2.2.2.1.1. Khái niệm
ASK (Amplitude Shift Keying) là kỹ thuật điều chế số theo biên độ tín
hiệu. Tín hiệu ASK co dạng song dao động co tần số f, mỗi bit đặc trưng bởi
biên độ khác nhau của tín hiệu.
Ví dụ: Tín hiệu ASK co tần số 100 KHz, biên độ tín hiệu = 1 cho bit 0
và biên độ tín hiệu = -1 cho bit 1.
9
2.2.2.1.2. Nguyên lý điêu chế
Dùng hai mức biên độ khác nhau của song mang để biểu diễn cho mức 0 và
1, sử dụng 1 tần số song mang duy nhất
Hình 2.8: Nguyên lý điều chế ASK
Ngoài ra co thể điều chế ASK theo phương pháp OOK (on-off-keying)
Hình 2.9: Dạng song ASK khi điều chế bằng phương pháp OOK
10
2.2.2.1.3. Biểu thức toán học
Giả sử tín hiệu song mang:
Tín hiệu điều chế:
Tín hiệu sau khi qua bộ điều chế ASK:
2.2.2.1.4. Giải điêu chế
Giải điều chế ASK co thể là kết hợp hoặc không kết hợp trong trường hợp
thứ nhất thì mạch phức tạp nhưng chống nhiễu tốt. Trong trường hợp thứ hai
thì mạch đơn giản và thường sử dụng mạch tách song hình bao.
Hình 2.10: Giải điều chế ASK
11
2.2.2.1.5. Ưu va nhược điểm :
Ưu điểm :
- Đơn giản :
Dùng 2 biên độ khác nhau của song mang để biểu diễn 0 và 1
Sử dụng một tần số song mang duy nhất.
- Phương pháp này phù hợp trong truyền số liệu tốc độ thấp
(~1200bps trên kênh truyền thoại).
Nhược điểm :
- Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
- Không phù hợp đối với các tín hiệu được truyền trong các kênh truyền
yêu cầu tốc độ cao.
2.2.2.2. Điêu chế FSK
2.2.2.2.1. Khái niệm
FSK (Frequency Shift Keying) là kỹ thuật điều chế số theo tần số tín hiệu.
Tín hiệu FSK co dạng song dao động với tần số khác nhau, mỗi bit được đặc
trưng bởi tần số khác nhau của tín hiệu.
2.2.2.2.2. Nguyên lý điêu chế FSK
Là phương pháp điều chế dùng 2 tần số khác nhau của song mang để biểu
diễn bit 1 và 0. Tần số cao ứng với mức 1 và tần số thấp ứng với mức 0
2.2.2.2.3. Biểu thức toán học
Giả sử co song mang :
x (t )=acos [ωc t +φ (t ) ]=acos [θ (t ) ] v ớ iθ (t )=ωc t +φ (t )
Giữ nguyên biên độ, pha chỉ thay đổi tần số:
ωi=dθ ' ( t )
dt=ωc+
dφ(t)dt
Trong đo :
ωil a t ầ n số t ứ c thờ i
d φ(t)dt
la sự thay đổ i t ầ n số v ớ it ầ ns ố só ng mang
Ta gọi điều tần khi :d φ(t)
dt=kfs(t)
12
s(t) là tín hiệu sin
kf là hệ số điều tần
Suy ra:
φ ( t )=∫0
t
kfs ( λ ) dλ
Suy ra:
y (t )=acos ¿
Trong trường hợp điều chế số FSK thì s(t) = { 1bit 1−1 bit 0
Khi đo
y (t )=acos ( ωc t ± kft )=acos (ωc ± kf )t
Tần số ứng với một bit nào đo :
- Đối với bit “0” tần số song mang là f 1 , ta co ω1=ωc−∆ ω
- Đối với bit “1” tần số song mang là f 2 , ta co ω2=ωc+∆ ω
Phương pháp điều chế FSK cho phép tạo ra tín hiệu FSK dạng sin với 2 tần
số:
- Khi bit data = 1, điều khiển khoa K ở vị trí nối song mang tần số f 1 với
lối ra FSK.
- Khi bit data = 0, điều khiển khoa K ở vị trí nối song mang tần số f 2 với
lối ra FSK.
Hình 2.11: Phương pháp điều chế FSK
2.2.2.2.4. Giải điêu chế
13
Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế tín hiệu FSK là vòng khoa pha
(PLL). Tín hiệu FSK ở lối vào vòng khoa pha lấy ra 2 giá trị tần số. Điện thế
lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những dịch chuyển tần số này
và cho ta 2 mức thấp và cao của tín hiệu lối vào FSK.
Bộ PLL là một hệ thống hồi tiếp gồm 3 bộ phận chính: Mạch so pha, mạch
lọc hạ thông và một bộ điều khiển dao động VCO. PLL là một vòng kín, tín
hiệu ra từ VCO tự động khoa bởi tín hiệu vào. Bằng cách so sánh pha của tín
hiệu ra từ VCO và tín hiệu vào, sự sai pha se được biến đổi thành điện thế 1
chiều, điện thế này se điều khiển VCO để tạo ra một tín hiệu ra luôn luôn co
cùng pha và tần số với tín hiệu vào.
Bộ PLL kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi những thành phần còn
dư của song mang mà một mạch tạo lại dạng xung để khôi phục dạng xung
chính xác nhất cho tín hiệu điều chế.
Hình 2.12: Quá trình giải điều chế FSK
2.2.2.2.5. Ưu va nhược điểm :
Ưu điểm:
- Dùng nhiều hơn hai tần số.
- Dùng để truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn trên mạng điện
thoại.
- Băng thông được dùng hiệu quả hơn.
- Ít lỗi hơn so với ASK.
- Co thể dùng tần số cao (3-30Mhz) để truyền song radio hoặc cáp đồng
trục .
Nhược điểm:
- Truyền số liệu tốc độ thấp.
14
- Hiệu quả phổ thấp.
- Khả năng đáp ứng tần số của môi trường còn hạn chế.
- Tần số tín hiệu cao gây nhiễu ngoài và hạn chế khả năng tăng tốc độ
truyền.
- Công nghệ chế tạo phức tạp hơn ASK.
2.2.2.3. Điêu chế PSK
2.2.2.3.1. Định nghĩa
Điều chế số theo phase tín hiệu PSK (Phase Shift Keying) là một dạng điều
chế goc pha tín hiệu với biên độ không đổi.
Điều chế PSK là phương pháp hiệu quả nhất để truyền tín hiệu số, co thể
noi đây là phương pháp điều chế triệt để song mang do đo băng thông của tín
hiệu PSK nhỏ hơn băng thông của tín hiệu FSK nếu dùng cùng một tín hiệu
dải nền, nhưng máy thu phải co mạch dao động để tạo song mang để thực
hiện việc giải điều chế, tín hiệu dao động này phải co cùng tần số và phase
của song mang ở máy phát.
2.2.2.3.2. Nguyên lý điêu chế
Tín hiệu PSK co dạng song dao động co tần số f, mỗi bit đặc trưng bởi goc
pha khác nhau của tín hiệu.
Ví dụ: pha= 90° cho bit 0 và pha = -90° cho bit 1.
2.2.2.3.3. Biểu thức toán học
Giả sử tín hiệu song mang được biểu diễn : f 0 ( t )=cos (ω0 t+φ)
Tín hiệu băng gốc : s(t) là tín hiệu nhị phân (0,1) hay là 1 dãy NRZ
Khi đo tín hiệu pha PSK co dạng
P (t )=cos {ω0 t+φ+[s (t ) ∆∅ ]
2}
Trong đo s (t)∆∅
2=2 π
n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu
Biểu diễn tín hiệu : P (t )=cos{ω0t+φ+[s (t ) ∆∅ ]
2 }¿cos
[s (t ) ∆∅ ]2
.cos ( ω0 t+φ )−sin[ s ( t ) ∆∅ ]
2. sin (ω0t +φ)
15
Đặt { a (t )=cos[s (t ) ∆∅ ]
2
b ( t )=−sin[s (t ) ∆∅ ]
2
P ( t )=a ( t ) . cos ( ω0 t+φ )+b (t) .sin (ω0t +φ)
Vậy tín hiệu điều pha là tổng của hai tín hiệu điều biên vuông goc
2.2.2.3.4. Điêu chế pha 2 trạng thái 2-PSK (BPSK)
Điều chế
Từ biểu thức :
P (t )=cos {ω0 t+φ+[s (t ) ∆∅ ]
2}
Trong đo:s (t)∆∅
2=2 π
n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu
Nếu n=2, ∆∅=π thì ta co kiểu điều chế 2-PSK hay gọi là điều chế nhị phân
BPSK. Tín hiệu BPSK co dạng:
PBPSK ( t )=cos {ω0t +φ+s (t) π2
}
Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực
Với bit 1
P1 ( t )=cos {ω0 t+φ+ π2
}
Với bit -1
P−1 (t )=cos {ω0 t+φ−π2
}
Như vậy biên độ của tín hiệu không đổi trong quá trình truyền dẫn, nhưng
bị chuyển đổi trạng thái.
Trong BPSK, ứng với tín hiệu vào là các điện thế biểu diễn mức logic -1,1
thì các tín hiệu ra là song mang hình sin co pha lệch nhau 180 độ.
16
Hình 2.13: Dạng song điều chế BPSK
Giải điều chế BPSK
Tín hiệu BPSK được tổng hợp với song mang chuẩn thông qua bộ lọc thông
thấp (LPF – Low-Pass Filter) để loại bỏ các thành phần hài bậc cao cho thu
được tín hiệu ban đầu.
Hình 2.14: Giải điều chế BPSK
Pha tín hiệu song mang chuẩn bằng pha của tín hiệu nhận được.
17
2.2.2.3.5. Điêu chế pha 4 trạng thái 4-PSK (QPSK)
Điều chế
Từ biểu thức :
P (t )=cos {ω0 t+φ+[s (t ) ∆∅ ]
2}
Trong đo:s (t)∆∅
2=2 π
n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu
Nếu n=4, ∆∅=π /2 thì ta co kiểu điều chế 4-PSK hay gọi là điều chế BPSK.
Tín hiệu QPSK co dạng:
PBPSK ( t )=cos {ω0t +φ+s (t) π4
}
Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực 4 giá trị
Hình 2.15: Điều chế QPSK
Tín hiệu băng gốc đưa qua bộ biến đổi nối tiếp thành song song (SPC), đầu
ra chia làm 2 luồng số liệu co tốc độ bit giảm đi một nửa, đồng thời biến đổi
tín hiệu đơn cực thành tín hiệu ± 1. Hai song mang đưa tới bộ trộn làm lệch
pha nhau 90 độ, tổng hợp tín hiệu đầu ra 2 bộ trộn được tín hiệu QPSK.
M 1 ( t )=a (t ) cosω0t ; M 2 (t )=b ( t )sin ω0 t
vớ i a ( t )=±1 ;b ( t )=± 1
Tín hiệu ra QPSK : P ( t )=a (t )cos ω0 t+b ( t ) sin ω0t
BitCombiner S(t)
18
Hình 2.16: Dạng song điều chế QPSK
Giải điều chế QPSK
Hình 2.17: Giải điều chế QPSK
Tín hiệu giải điều chế được đưa chia làm 2 ngã và được làm lệch pha 90 độ,
tín hiệu sau các mạch nhân đưa vào mạch lọc thông thấp loại bỏ các thành
phần tần số cao, sau đo đưa qua bộ so và mạch logic tạo ra 2 tín hiệu nhị
phân bằng cách xử lý logic thích hợp. 2 tín hiệu này qua bộ tổng hợp ta được
tín hiệu ban đầu.
19
2.2.2.3.6. Điêu chế pha 8 trạng thái 8-PSK
Điều chế
Từ biểu thức :
P (t )=cos {ω0 t+φ+[s (t ) ∆∅ ]
2}
Trong đo:s (t)∆∅
2=2 π
n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu
Nếu n=8, ∆∅=π /4 thì ta co kiểu điều chế 8-PSK. Tín hiệu 8-PSK co dạng:
PBPSK ( t )=cos {ω0t +φ+s (t) π8
}
Tín hiệu băng gốc s(t) nhận 8 giá trị.
Bộ điều chế 8-PSK là sự kết hợp tín hiệu của 2 bộ 4-PSK. Song mang của 2
bộ điều chế co sự sai pha 45 độ. Một bộ mã hoa biến đổi tín hiệu được tạo ra
từ tín hiệu băng gốc s(t) sau khi đi qua bộ SPC( bộ biến đổi nối tiếp thành
song song) thành tín hiệu điều chế.
Hình 2.18: Nguyên lý điều chế tín hiệu 8-PSK
BitCombiner S(t)
20
Giải điều chế:
Hình 2.19: Giải điều chế 8-PSK
Tín hiệu giải điều chế được đưa qua bộ nhân và được làm lệch pha 135 độ,
90 độ, 45 độ, sau đo được đưa qua bộ lọc thông thấp loại bỏ thành phần tần số
cao, tín hiệu ra cho qua mạch so sánh và mạch logic lấy ra 3 tín hiệu nhị phân.
Cuối cùng 3 tín hiệu này qua mạch tổng hợp ta được tín hiệu ban đầu.
2.3. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH THU PHÁT
SÓNG VÔ TUYẾN
2.3.1. Suy hao
Suy hao là một tác động của môi trường truyền tới việc truyền tín hiệu.
Cường độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trường truyền nào đều bị suy giảm
theo khoảng cách.
Suy hao co thể do:
- Sự phân tán năng lượng bức xạ khi lan truyền (suy hao khoảng cách)
- Sự hấp thụ của môi trường (tốn hao nhiệt)
- Sự nhiễu xạ song (tán xạ )
- Sự tán sắc
Tín hiệu suy giảm se tác động đến các yếu tố sau :
Tín hiệu tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu co thể phát hiện và khôi
phục tín hiệu
21
Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu co thể phát
hiện và khôi phục không bị sai lỗi
Độ suy giảm thường là một hàm tăng theo tần số
Để phát tín hiệu đi xa thì người ta se sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu và
chuyển tiếp.
2.3.2. Nhiễu
2.3.2.1. Khái niệm nhiễu thông tin vô tuyến
Nhiễu thông tin vô tuyến là ảnh hưởng của năng lượng không cần thiết bởi
một hoặc nhiều nguồn phát xạ, bức xạ hoặc những cảm ứng trên máy thu
trong hệ thống thông tin vô tuyến, dẫn đến làm giảm chất lượng, gián đoạn
hoặc bị mất hẳn thông tin mà co thể khôi phục được nếu không co những
năng lượng không cần thiết đo
2.3.2.2. Các lo i nhi u trong thông tin vô tuy nạ ễ ế
Nhiễu trắng (White Gaussian Noise)
Nhiễu trắng là quá trình xác xuất co mật độ phổ công suất phẳng ( không
đổi ) trên toàn bộ dải tần
Hình 2.20: Một tín hiện nhiễu trắng
Qui luật phân bố xác xuất của nhiễu trắng tuân theo hàm phân bố Gaussian:
Nguồn nhiễu trắng:
- Nhiễu sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các điện tử trong các linh kiện
bán dẫn
- Những âm thanh như tiếng gio, tiếng nước cũng là những nguồn nhiễu trắng
y= 1σ √2 π
e− x2
σ2
22
Nhiễu xuyên âm ( Intersymbol Inteference)
Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín
hiệu phản xạ co thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến
thu là điều không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này se làm biến dạng hoàn toàn
mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu.
Hình 2.21: Nhiễu xuyên âm
Một trong những phương pháp để loại bỏ nhiễu ISI là dùng bộ lọc cos nâng
và bộ lọc ngang ép không (phương pháp Nyquist I).
Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference)
Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau Nhiễu
liên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây
can nhiễu sang các kênh kề no. Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải co
khoảng bảo vệ (guard band) giữa các dải tần.
Hình 2.22: Nhiễu xuyên kênh giữa hai song mang kề nhau
23
Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải co khoảng bảo vệ (guard band )
giữa các dải tần
Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference)
Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên
cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này se thu được cả hai tín hiệu với
cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát.
Hình 2.23: Nhiễu đồng kênh
Khắc phục :
Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này. Chỉ co thể tối thiểu hoa
nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp. Tức là thiết kế sao
cho các cell trong mạng co sử dụng cùng nhom tần số không ảnh hưởng tới
nhau, khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn
Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference).
Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau,
là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống.
Trong các hệ thống đa truy nhập:
- TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe
thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra. Người ta phải co
khoảng bảo vệ (guard time) để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng
cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ
- FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số
Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến co sự giao thoa giữa các
24
dải tần con Guard band để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau làm
giảm hiệu suất sử dụng phổ
- CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã
Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không co
nhiễu giữa các user.
- DS - CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp.
Theo những nghiên cứu gần đây, phương thức đa truy nhập phân chia theo
mã chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiplexing
Access) dựa vào việc trải phổ dòng dữ liệu bằng cách sử dụng một mã trải
phổ được ấn định cho mỗi người sử dụng trong miền thời gian.Khả năng giảm
thiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tính
tương quan chéo của mã trải phổ. Trong trường hợp truyền đa đường đòi hỏi
rất khắt khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành
phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởi
tính tự tương quan của mã trải phổ. Máy thu RAKE co chứa nhiều bộ tương
quan, mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn co khả năng phân giảỉ
khác nhau. Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA se phụ thuộc nhiều vào
số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánh
được dùng trong máy thu RAKE. Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệ
thống se bị hạn chế do nhiễu nội (self-interference) và MAI mà nguyên nhân
là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéo
của mã trải phổ. Điều này gây ra kho khăn cho hệ thống DS-CDMA trong
việc sử dụng đầy đủ năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian.
2.3.3 Fading trong thông tin vô tuyến
2.3.3.1 Tổng quát vê Fading
Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với
các hệ thống vô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn. Các yếu tố gây
ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:
- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống song ngắn
- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù…sự
hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao
(>10Ghz).
- Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí.
25
- Sự phản xạ song từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp co bề măt
nước và sự phản xạ song từ các bất đổng nhất trong khí quyển. Đây cũng là
môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường.
- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan
song điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa song tại điểm thu do tín
hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường. Hiện
tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tin di động
2.3.3.2 Phân loại fading
- Fading phẳng
Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như là
hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu.
Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến co dung lượng nhỏ
và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường
và do mưa gần như là xem không co chọn lọc theo tần số.
- Fading lựa chọn tần số (selective fading)
Xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đo
hệ thống tốc độ vừa và lớn co độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng
kênh) se chịu nhiều tác động của selective fading.
Noi chung là đối toàn bộ băng thông kênh truyền thì no ảnh hưởng không
đều, chỗ nhiều chỗ ít, chỗ làm tăng chỗ làm giảm cường độ tín hiệu. Loại này
chủ yếu do fading đa đường gây ra.
- Fading nhanh (fast fading): hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân
là co sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu
được se bị dịch tần đi 1 lượng delta_f so với tần sô phát tương ứng
- Fading chậm (slow fading): Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường
truyền. VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đồi…làm cho biên độ tín hiệu suy
giảm, do đo còn gọi là hiệu ứng bong râm (Shadowing) Tuy nhiên, hiện tượng
này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Hay sự
không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy
hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading)
2.3.3.3. Khắc phục Fading
- Phân tập (diversity): không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và thời gian
(truyền tại nhiều thời điểm khác nhau).
Mạch biến điệu
Mạch Khuếch đại
Tín hiệu vào
Mạch tạo sóng cao tần
Anten phát
26
- Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time
Domain Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là Cưỡng ép
không ZF (Zero Forcing) và Sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS
(Least Mean Square error).
- Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn co thể lớn do selective fading gây
nên).
- Trải phổ tín hiệu (pha-đinh chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa
đường (multipath propagation) gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với
máy thu RAKE, co khả năng tách các tia song và tổng hợp chúng lại, loại bỏ
ảnh hưởng của multipath propagation).
- Sử dụng điều chế đa song mang mà tiêu biểu là OFDM (cái này ngày nay
được ứng dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong
truyền hình số mặt đất DVB-T...).
2.4. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG VÔ
TUYẾN
2.4.1. Máy phát
Hình 2.24: Sơ đồ máy phát song vô tuyến
- Tín hiệu vào : tín hiệu âm tần cần truyền đi.
- Mạch tạo song điện từ cao tần: Phát dao động điện từ tần số cao (cỡ MHz).
- Mạch biến điệu : Trộn dao động điện từ cao tần với dao động điện từ âm tần
- Mạch khuyếch đại : Khuyếch đại dao động điện từ cao tần đã được biến điệu
- Anten phát : Tạo ra song điện từ cao tần lan truyền trong không gian.
Anten thu Mạch tách sóng
Khuếch đại âm tần
Khuếch đại cao tần
Giải mã tín hiệu
Xử lý và chấp hành
27
2.4.2. Máy thu
Hình 2.25: Sơ đồ máy thu song vô tuyến
- Anten thu: thu song điện từ cao tần biến điệu.
- Mạch khuếch đại cao tần: Khuyếch đại dao động điện từ cao tần từ an ten
gửi tới.
-Mạch tách song: Tách dao động điện từ âm tần ra khỏi dao động điện từ cao
tần.
-Mạch khuyếch đại âm tần: Khuyếch đại dao động điện từ cao tần đã tách
song.
- Giải mã tín hiệu : Giải mã các tín hiệu được mã hoa từ bên phát.
- Xử lý và chấp hành : tín hiệu được giải mã se được xử lý để điều khiển thiết
bị.
28
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ
3.1. PHÂN TÍCH BÀI TOÁN VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
3.1.1. Phân tích bài toán
- Thiết kế mạch điều khiển ( trong phạm vi đề tài này điều khiển 4 thiết bị
điện 220v ) thông qua song vô tuyến.
- 4 thiết bị phải được điều khiển độc lập với nhau.
- Hệ thống se bao gồm một mạch phát và một mạch thu kết hợp với giải mã
và xử lý.
3.1.2. Phương án thiết kế
Phương án 1: Thiết kế mạch điều khiển thiết bị thông qua sóng GSM bằng
module sim 300cz (hoặc module sim900)
Sử dụng module sim 300cz (hoặc module sim900) giao tiếp với vi điều
khiển (8051, Pic…). Điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn SMS
Ưu điểm :
- Sử dụng băng tần di động 900Mhz/1800Mhz ít bị nhiễu, khoảng cách điều
khiển xa hơn.
- Nhận được tin nhắn thông báo trạng thái các thiết bị đang hoạt động.
Nhược điểm:
- Kho giao tiếp giữa module và vi điều khiển.
- Giá thành cao.
Phương án 2: Mạch điều khiển thiết bị thông qua sóng vô tuyến sử dụng
module thu phát PT2262 - PT2272
Sử dụng module thu phát RF 315Mhz giao tiếp với vi điều khiển 8051 điều
khiển thiết bị
Ưu điểm:
- Sử dụng IC thu phát chuyên dụng nên dễ mã hoa và giải mã.
- Dễ thi công lắp đặt
Nhược điểm:
- Chỉ điều khiển trong khoảng cách gần < 50m.
- Không biết được trạng thái các thiết bị khi ở xa.
KHỐI MÃ HÓA VÀ PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN
KHỐI THU SÓNG VÀ GIẢI MÃ VÔ TUYẾN
KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂMKHỐI NGUỒN
KHỐI HIỂN THỊ KHỐI CHẤP HÀNH
29
Do điêu kiện thời gian, kinh tế va thi công nên người thực hiện quyết định
chọn phương án 2 : Mạch điêu khiển thiết bị thông qua sóng vô tuyến sử dụng
module thu phát PT2262-PT2272 để thực hiện.
3.2. SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT
Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển thiết bị điện bằng song vô
tuyến
30
3.3. THIẾT KẾ TỪNG KHỐI
3.3.1. Khối mã hóa và phát sóng vô tuyến
3.3.1.1. Tìm hiểu IC PT2262
PT2262 là một IC mã hoa sử dụng trong điều khiển từ xa kết hợp với IC
giải mã PT2272. Hai IC này được sản xuất trên công nghệ CMOS. No mã hoa
dữ liệu và địa chỉ dạng song song thành tín hiệu nối tiếp phù hợp cho điều
khiển từ xa dùng tia hồng ngoại hoặc song vô tuyến dựa trên các phương pháp
điều chế. IC PT2262 co tối đa 12 chân địa chỉ nên se co 531441 (3^12) mã địa
chỉ, do đo giảm đáng kể khả năng trùng lặp mã và giải mã trái phép.
Hình 3.2: Sơ đồ chân IC PT2262
3.3.1.1.1. Chức năng các chân IC PT2262
- A0 – A5 (1-6): dùng nhập mã địa chỉ, trên mỗi chân co thể co 3 trạng
thái, cho nối masse là bit ‘0’, cho nối vào nguồn dương là bit ‘1’ và bỏ
trống là bit ‘F’.
31
- A6/D5 – A11/D0 (7-13): co thể dùng như các chân địa chỉ từ A6 đến
A11, nhưng khi dùng như chân nhập dữ liệu thì chỉ xác lập theo mức 0
và mức 1, chỉ co 2 trạng thái ‘0’ hoặc ‘1’.
- /TE (14): dùng cho xuất nhom xung mã lệnh, no co tác dụng ở mức áp
thấp ( nối masse). Nghĩa là khi chân này ở mức áp thấp, no se cho xuất
ra xung mã lệnh trên chân Dout.
- OSC1(15) và OSC2(16): dùng gắn điện trở R để định tần cho xung
nhịp, dùng tạo ra các dãy xung mã lệnh. Tần số xung nhịp phải lấy
tương thích giữa bên phát và bên nhận. Tần số song mang dao động
được quyết định bởi R chân 15 và 16 và được tính bằng : f = R/12 .
Ví dụ : Mắc điện trở 470k vào chân 15 và 16 đầu ra chân 17 se co
470/12 = khoảng 39Khz
- Dout(17): là chân ngõ ra của nhom tín hiệu mã lệnh, các tín hiệu mã
lệnh đều ở dạng xung, nghĩa là lúc ở mức áp thấp, lúc ở mức áp cao.
- Vcc(18) nối với nguồn (3v-15v).
- Vss(9) nối masse.
Các chân từ A0 đến A7 được sử dụng như là các chân mã hoa. Nếu các
chân này ở mạch PT2262 được dùng như thế nào thì ở mạch PT2272 cũng
được dùng như vậy. Khi đo thì các mạch phát và mạch thu se hiểu nhau, còn
các mạch phát khác se không nhận ra.
Các chân 10 đến 13 là các chân data khi truyền. Như vậy IC này co thể
truyền song song 4 bit.
32
Hình 3.3: Cấu tạo IC PT2262
3.3.1.1.2. Mô tả chức năng :
PT2262 mã hoa các mã địa chỉ và dữ liệu đặt ở A0 ~ A5 và A6/D5 ~
A11/D0 thành một dạng song đặc biệt và kết quả đầu ra no ở chân DOUT khi
chân / TE được kéo về “0” (mức thấp). Dạng song này được đưa vào bộ điều
biến RF hoặc máy phát hồng ngoại để truyền. Song vô tuyến hoặc tia hồng
ngoại được giải điều chế RF hoặc IR bằng IC PT2272
3.3.1.1.3. Hoạt động :
Mã bit
Một Mã Bit là thành phần cơ bản của các dạng song được mã hoa, co thể
được phân loại là một Bit AD (Địa chỉ / dữ liệu) hoặc Bit SYNC (đồng bộ).
33
- Dạng song của Bit AD (Bit địa chỉ/ dữ liệu)
Hình 3.4: dạng song Bit AD
Một Bit AD có thể được chỉ định la Bit “0”, “1” hoặc “f” nếu nó ở trạng
thái thấp, cao hoặc trống.
- Dạng song của Bit SYNC (Bit đồng bộ)
Dạng song Bit đồng bộ là 4 bit dài với chu kì dao động bằng 1/8 độ rộng bit.
Hình 3.5: Dạng song Bit SYNC
Mã WORD
Một nhom các Mã bit được gọi là Mã Word. Một Mã Word bao gồm 12 bit
AD và theo sau là một Bit Sync. 12 bit AD được xác định bởi chân tương ứng
A0 ~ A5 và A6/D5 ~ A11/D0. Khi kiểu dữ liệu của PT2262 được sử dụng,
các bit địa chỉ se giảm cho phù hợp.
Ví dụ: Trong khi truyền 3 bit dữ liệu và 9 bit địa chỉ thì dạng mã như sau:
PT2262 / PT2272 co tối đa là 12 Bit địa chỉ trong đo co 6 bit AD
Hình 3.6: Một mã word hoàn chỉnh
α : chu kì dao động
1 bit = 32α
34
Mã Frame
Một Mã Frame bao gồm 4 mã Word liên tục. Khi PT2262 phát hiện / TE ở
mức thấp, no tạo ra mã Frame tại chân DOUT. Nếu / TE vẫn ở mức thấp tại
thời điểm truyền Mã Frame kết thúc, PT2262 se tiếp tục truyền một mã Frame
khác. Mã Frame được tổng hợp trong khi truyền.
Hình 3.7: Truyền một mã Frame
Điện trơ dao động
Mạch dao động của PT2262 cho phép tạo dao động chính xác bằng cách kết
nối một điện trở bên ngoài giữa chân OSC1 và chân OSC2. Cho PT2272 để
giải mã chính xác nhận dạng song, tần số dao động của PT2272 phải gấp
2,5 ~ 8 lần so với tần số truyền của PT2262.
Hình 3.8: Điện trở dao động của cặp IC PT2262 –PT2272
Bảng 3.1: Giá trị điện trơ dao động tương ứng
* - PT2272 hoạt động trong dải điện áp = 5V-15V
** - PT2272 hoạt động trong dải điện áp = 3V-15V
Bắt đầu
/TE cho phép(chân /TE ơ mức thấp)
Trạng Thái Chờ
Kết thúc
35
3.3.1.1.4 . Lưu đồ thuật toán
Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán của PT2262
Yes
Trạng thái chờ
Mã hóa và xuất tín hiệu
No
36
3.3.1.2. Sơ đồ mạch mã hóa va phát sóng vô tuyến
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch mã hoa và phát song vô tuyến
Khối mã hoa sử dụng IC PT2262 nhận tín hiệu từ 4 nút bấm, sau đo điều
chế tín hiệu theo phương pháp ASK rồi đưa ra bộ phát song vô tuyến.
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý module phát RF 315MHz
37
Mạch phát được mắc theo kiểu khuếch đại E chung. Cryst1 là thạch anh tạo
dao động, tần số 315Mhz, khi được cấp điện no tự dao động tạo ra song hình
sin.
Transistor S9018 là transistor khuếch đại cao tần, khuếch đại tín hiệu từ
thạch anh và tín hiệu đầu ra lấy ở chân C của transistor.
R2 là điện trở tạo điện áp chuẩn cho thạch anh, R3 định dòng cho chân E
của transistor.
Hình 3.12: Module phát RF 315MHz thực tế
3.3.1.3. Tính toán
Điện áp : DC 3 ~ 5V
Dòng điện 3 mA (DC 5V)
Công suất phát 10mW
Tần số hoạt động f=315Mhz
Công suất máy phát (công suất co ích) :Pi=10 mW
Công suất tiêu thụ : P0=U . I=5.3 .10−3=15. 10−3 (W )=15 mW
Hiệu suất máy phát : H=Pi
P0
.100 % ≈ 67 %
Bước song :
λ= cf= 3.108
315. 106 ≈ 0.95 (m)
Chọn anten co độ dài bằng 1/4 bước song là 0,23m (23cm)
3.3.2. Khối thu và giải mã sóng vô tuyến
3.3.2.1. Ic PT2272
PT2272 là IC giải mã điều khiển từ xa kết hợp với IC mã hoa PT2262. Số
chân địa chỉ cũng giống như PT2262 là co tới 12 chân địa chỉ và 531411 mã
38
địa chỉ. PT2272 co sẵn nhiều lựa chọn để phù hợp với nhu cầu ứng dụng: thay
đổi số lượng các chân dữ liệu đầu ra, loại co chốt (L) ngõ ra hoặc loại tạm
thời (M) ở đầu ra.
Các loại PT2272:
PT2272-M2; PT2272-L2 PT2272-M3; PT2272-L3
PT2272-M4; PT2272-L4 PT2272-M5; PT2272-L5
PT2272-M6; PT2272-L6
Hình 3.13: IC PT2272 loại M4 và L4
3.3.2.1.1 Chức năng các chân IC PT2272
- A0 – A7 (1-8): dùng nhập mã địa chỉ, trên mỗi chân co thể co 3 trạng
thái, cho nối masse là bit ‘0’, cho nối vào nguồn dương là bit ‘1’ và bỏ
trống là bit ‘F’.
- D3 – D0 (10-13): co thể dùng như các chân địa chỉ, nhưng khi dùng
như chân nhập dữ liệu thì chỉ xác lập theo mức 0 và mức 1.
- DIN (14): Tín hiệu nhận được sau khi loại bỏ song mang thành tín hiệu
điều khiển se được đưa vào chân này.
- OSC1 (15) và OSC2 (16): dùng gắn điện trở để định tần cho xung nhịp,
xung nhịp này cần thiết cho hoạt động của IC.
- VT (17): khi chân này ở mức cao thì tín hiệu nhận được là hợp lệ.
- Vcc (18): nối với nguồn (4v-15v).
- Vss (9): nối masse.
Như vậy chân 17 PT 2272 se lên mức 1 khi nhận được dữ liệu đúng. Các
chân 10 đến 13 se nhận data và thể hiện mức logic tương ứng khi nhận.
39
Hình 3.14: Cấu tạo IC PT2272
3.3.2.1.2 Mô tả chức năng, hoạt động :
PT2272 giải mã các dạng song được nhận và đưa vào chân DIN. Các dạng
song được giải mã gồm các mã word co chứa địa chỉ, dữ liệu và các bit đồng
bộ. Các bit địa chỉ giải mã được so sánh sự thiết lập tại địa chỉ chân đầu vào.
Nếu cả hai địa chỉ phù hợp , PT2272 se xuất dữ liệu ra chân tương ứng với bit
dữ liệu sau đo đưa đầu ra VT lên mức cao.
ta = 8 chu kì dao động tc = thời gian truyền 2 mã word
tb = 1 chu kì dao động
Hình 3.15: Hoạt động của PT2272
40
3.3.2.1.3. PT2272 loại chốt va loại tạm thời (Latch - Momentary)
PT2272 gồm loại chốt dữ liệu đầu ra hoặc loại giữ dữ liệu đầu ra tạm thời.
- Loại chốt (PT2272-LX) xuất các dữ liệu ra trong quá trình truyền và dữ
liệu này được duy trì trong bộ nhớ cho đến khi dữ liệu khác được nhập
hoặc nhập vào.
- Loại tạm thời (PT2272-MX), xuất các dữ liệu ra chỉ trong quá trình
truyền. các dữ liệu không còn trong bộ nhớ sau khi truyền xong.
T = thời gian truyền 2 mã word
Hình 3.16: Hoạt động của PT2272 loại MX và LX
Bắt đầu
Kết thúc
41
3.3.2.1.4. Lưu đồ thuật toán
Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán PT2272
Trạng thái chờ
Có tín hiệu?
Yes
So sánh địa chỉ bitNo
Vô hiệu hóa chân VT
No
Yes
Đưa chân VT lên mức caoXuất tín hiệu ra các chân
DATA out
42
3.3.2.2. Sơ đồ mạch thu va giải mã sóng vô tuyến
Hình 3.18: Khối thu RF
Khối thu sử dụng mạch thu song cao tần (mạch thu siêu tái sinh) tín hiệu thu
được đưa qua IC LM358 để khuếch đại và so sánh điện áp để lấy ra mức tín
hiệu 0,1 đưa vào PT2272 để giải mã.
Hình 3.19: Module thu RF thực tế
43
Hình 3.20: Khối thu RF kết nối với vi điều khiển
3.3.2.3. Tính toán
Module thu RF 315Mhz:
Hoạt động điện áp: DC 3 ~ 5V.
Dòng điện 3 mA (DC 5V).
Hoạt động ở tần số: 315Mhz
Chế độ điều chế: ASK / OOK.
Độ nhạy: -105 dBm
Độ nhạy máy thu là khả năng thu được tín hiệu nhỏ nhất ở đầu vào mà máy
thu cho ra được mức tín hiệu ở bộ chỉ thị bình thường.
Phạm vi thu 100m đối với không gian mở.
Anten sử dụng là loại anten rút, độ dài 23cm.
44
3.3.3. Khối xử lý trung tâm
Các loại vi điều khiển PIC hay AVR co nhiều ưu điểm hơn so với 8051 như
hỗ trợ kết nối ngoại vi tốt hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn, lập trình đơn giản hơn.
Tuy nhiên người thực hiện đồ án đã sử dụng vi điều khiển AT89S52-chíp lập
trình chuyên dụng, phổ thông, phù hợp với yêu cầu đề tài. Đồng thời giúp
người thực hiện đề tài ứng dụng một cách thiết thực kiến thức được học vào
thực tế.
3.3.3.1.Giới thiệu Vi Điêu Khiển AT89S52
AT89S52 là họ IC vi điều khiển 8051 do hãng Atmel sản xuất. Các sản
phẩm AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển. Việc xử lý trên
byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế
độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội. Tập lệnh cung cấp một bảng tiện
dụng của những lệnh số học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia. No cung cấp
những hổ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ
liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều
khiển.
AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 KByte bộ nhớ chỉ đọc co
thể xoa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O,
3TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt co cấu trúc 2 mức ngắt, một Port
nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động
ON-CHIP.
Các đặc điểm của chip AT89S52 được tom tắt như sau:
8 KByte bộ nhớ co thể lập trình nhanh, co khả năng tới 1000 chu
kỳ ghi/xoá
Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz
3 mức khoa bộ nhớ lập trình
3 bộ Timer/counter 16 Bit
128 Byte RAM nội.
4 Port xuất /nhập I/O 8 bit.
Giao tiếp nối tiếp.
64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại.
4µs cho hoạt động nhân hoặc chia
45
Hình 3.21: Sơ đồ khối AT89S52
3.3.3.2. Sơ đồ chân AT89S52
Mặc dù các thành viên của họ 8051 (ví dụ 8751, 89S52, 89C51, DS5000)
đều co các kiểu đong vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân DIP (Dual
In-Line Pakage), dạng vỏ dẹt vuông QPF (Quad Flat Pakage) và dạng chip
không co chân đỡ LLC (Leadless Chip Carrier) thì chúng đều co 40 chân cho
các chức năng khác nhau như vào ra I/O, đọc RD\, ghi WR\, địa chỉ, dữ liệu
và ngắt. Cần phải lưu ý một số hãng cung cấp một phiên bản 8051 co 20 chân
với số cổng vào ra ít hơn cho các ứng dụng yêu cầu thấp hơn. Tuy nhiên vì
46
hầu hết các nhà phát triển sử dụng chip đong vỏ 40 chân với hai hàng chân
DIP nên người thực hiện đề tài chỉ tập trung mô tả phiên bản này.
Hình 3.22: Sơ đồ các chân AT89S52
3.3.3.3. Chức năng của các chân AT89S52
Port 0: Từ chân 32 đến chân 39 (P0.0_P0.7). Port 0 co 2 chức năng: trong
các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng no co chức năng như các
đường IO, đối với thiết kế lớn co bộ nhớ mở rộng no được kết hợp giữa bus
địa chỉ và bus dữ liệu.
Port 1: Từ chân 1 đến chân 9 (P1.0 _ P1.7). Port 1 là port IO dùng cho giao
tiếp với thiết bị bên ngoài nếu cần.
Port 2: Từ chân 21 đến chân 28 (P2.0 _P2.7). Port 2 là một port co tác dụng
kép dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với
các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.
Port 3: Từ chân 10 đến chân 17 (P3.0 _ P3.7). Port 3 là port co tác dụng
kép.Các chân của port này co nhiều chức năng, co công dụng chuyển đổi co
liên hệ đến các đặc tính đặc biệt của 89S52 như ở bảng 2.2:
47
Bang 3.2 : Chưc năng các chân cua Port 3
Chân Tên Chức năng
P3.0 RxD Ngõ vào Port nối tiếp
P3.1 TxD Ngõ ra Port nối tiếp
P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt ngoài 0
P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt ngoài 1
P3.4 T0 Ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 1
P3.5 T1 Ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 0
P3.6 WR Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài
P3.7 RD Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài
PSEN (Program store enable): PSEN là tín hiệu ngõ ra co tác dụng cho phép
đọc bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE của
Eprom cho phép đọc các byte mã lệnh.PSEN ở mức thấp trong thời gian
89S52 lấy lệnh. Các mã lệnh của chương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ
liệu, được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 89S52 để giải mã lệnh. Khi
89S52 thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN ở mức cao.
ALE (Address Latch Enable): Khi 89S52 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0
co chức năng là bus địa chỉ vàdữ liệu do đo phải tách các đường dữ liệu và địa
chỉ. Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa
hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt. Tín hiệu ở
chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đong vai trò là địa chỉ
thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động.
EA (External Access): Tín hiệu vào EA (chân 31) thường được mắc lên mức
1 hoặc mức 0. Nếu ở mức 1, 89S52 thi hành chương trình từ ROM nội. Nếu ở
mức 0, 89S52 thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân EA được lấy
làm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 89S52.
RST (Reset): Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất 2 chu kỳ
máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động
hệ thống. Khi cấp điện mạch phải tự động reset.
48
Hình 3.23: Mạch Reset vi điều khiển
Các ngõ vao bộ dao động X1, X2: Bộ tạo dao động được tích hợp bên trong
89S52. Khi sử dụng 89S52, người ta chỉ cần nối thêm thạch anh và các tụ.
Tần số thạch anh tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng, giá trị tụ thường
được chọn là 33p.
Hình 3.24: Mạch kết nối thạch anh cho vi điều khiển
49
3.3.4. Khối hiển thị
LCD để hiển thị được nhiều thông tin, dễ kết nối với vi điều khiển. Trong
hệ thống này sử dụng LCD 16x2.
Hình 3.25: Khối hiển thị
LCD là từ viết tắt của Liquid Crystal Display (màn hình tinh thể lỏng). Co
nhiều loại màn hình LCD với các kích cỡ khác nhau, ví dụ như LCD 16x1 (16
cột và 1 hàng), LCD 16x2 (16 cột và 2 hàng), LCD 20x2 (20 cột và 2 hàng)…
Trong đồ án này sử dụng loại LCD 16x2- loại bán phổ biến trên thị trường.
50
D7
14D6
13D5
12D4
11D3
10D2
9D1
8D0
7
E6
RW
5RS
4
VSS
1
VDD
2
VEE
3
A15
K16
LCD1LCD16X2
Hình 3.26: Hình dạng và sơ đồ chân LCD 16x2
51
Bang 3.3: Chưc năng chân LCD 16x2
Chân Kí hiệu I/O Chức năng
1 VSS - Nguồn (GND)
2 VDD - Nguồn (+ 5V)
3 VEE - Chỉnh độ tương phản
4 RS I 0 : nhập lệnh
1: nhập dữ liệu
5 RW I 0 : ghi dữ liệu
1 : đọc dữ liệu
6 E I/O Tín hiệu cho phép
7 D0 I/O Bus dữ liệu 0
8 D1 I/O Bus dữ liệu 1
9 D2 I/O Bus dữ liệu 2
10 D3 I/O Bus dữ liệu 3
11 D4 I/O Bus dữ liệu 4
12 D5 I/O Bus dữ liệu 5
13 D6 I/O Bus dữ liệu 6
14 D7 I/O Bus dữ liệu 7
15 A - Nguồn đèn LCD
(+5V)
16 K - Nguồn đèn LCD
(GND)
52
Bang 3.4: Tập lệnh LCD 16x2
Mã (HEX) Lệnh thanh ghi LCD 16x2
1 Xoa màn hình hiển thị
2 Trở về đầu dòng
4 Giảm con trỏ (dịch con trỏ sang trái)
6 Tăng con trỏ (dịch con trỏ sang phải)
5 Dịch hiển thị sang phải
7 Dịch hiển thị sang trái
8 Tắt con trỏ, tắt hiển thị
A Tắt hiển thị, bật con trỏ
C Bật hiển thị, tắt con trỏ
E Bật hiển thị, nhấp nháy con trỏ
F Tắt con trỏ, nhấp nháy con trỏ
10 Dịch vị trí con trỏ sang trái
14 Dịch vị trí con trỏ sang phải
18 Dịch toàn bộ hiển thị sang trái
1C Dịch toàn bộ hiển thị sang phải
80 Ép con trỏ về đầu dòng thứ nhất
C0 Ép con trỏ về đầu dòng thứ hai
38 Hai dòng và ma trận 5x7
53
3.3.5. Khối chấp hành
Trong phạm vi đồ án môn học này, đã sử dụng 4 relay để đảm nhận chức
năng đong ngắt 4 thiết bị điện . Relay loại 12V DC với ưu điểm: dễ sử dụng,
thông dụng trên thị trường, phù hợp với mức điện áp khối nguồn và co thể
chịu được dòng làm việc lớn. Co sử dụng thêm cách ly quang OPTO cách ly
khối chấp hành và khối VĐK
Hình 3.27: Khối chấp hành
54
3.3.6. Khối nguồn
Khối nguồn dùng biến áp loại 220VAC- 12VAC, 1A.Sử dụng IC ổn áp
7812 và 7805 tạo điện áp 12V DC ổn định cấp Role và 5V DC cấp cho vi
điều khiển AT89S52, LCD,… hoạt động.
Hình 3.28: Khối nguồn
55
CHƯƠNG 4
THI CÔNG MẠCH
4.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH
Hình 4.1: Sơ đồ toàn mạch
56
4.2. SƠ ĐỒ MẠCH IN
Mạch nguyên lý và mạch in được thiết kế trên phần mềm Protues 7.8 sp2
4.2.1. Mạch Phát
Hình 4.2: Mạch in khối phát RF
Mạch co kích cỡ (6.1435 x 4.953) cm
Hình 4.3: Mô phỏng 3D khối phát RF
57
Bảng 4. 1 : Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch phát
Số thứ
tựTên linh kiện
Số
lượng
1 Module RF 315M 1
2 Nút nhấn 4
3 Diode 1N4148 4
4 Điện trở 2,7K 4
5 Điện trở 4,7M 1
6 Điện trở kéo 10K 1
7 PT2262 1
8 Led đơn 1
9 Thạch anh 12 MHz 1
10 Pin 12V DC 23A 1
11 Anten 1
Hình 4.4: Mạch phát thực tế
58
4.2.2. Mạch thu, giải mã, hiển thị, chấp hành và nguồn
Hình 4.5: Mạch in khối thu, giải mã, hiển thị, chấp hành và khối nguồn
Mạch co kích cỡ (12.446 x 10.922) cm
59
Hình 4.6: Mô phỏng 3D khối thu, giải mã, hiển thị, chấp hành và khối nguồn
60
Bảng 4.2: Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch thu
Số thứ
tựTên linh kiện
Số
lượng
1 Module thu RF 315Mhz 1
2 PT 2272 1
3 VDK AT89S52 1
4 LCD 16x2 1
5 Role 12V DC 4
6 IC 7805 1
7 IC 7812 1
8 OPTO 4
9 Led đơn 5
10 Transistor C1815 5
11 Loa chip 1
12 Anten 1
13 Diode 1N4007 8
14 Tụ hoa 2200uF 16v 1
15 Tụ hoa 470uF 16v 1
16 Tụ gốm 104 2
17 Tụ gốm 33 2
18 Chiết áp vi chỉnh 1
19 Điện trở 10 ohm 1
20 Điện trở 100 ohm 4
21 Điện trở 330 ohm 3
22 Điện trở 1K ohm 4
23 Điện trở 10K ohm 1
24 Điện trở công suất 33 ohm 2W 1
25 Jum 2 5
61
Hình 4.7: Khối thu, giải mã, chấp hành và nguồn thực tế
62
4.3. PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu chương trình đối vơi vi điều khiển:
Nhận tín hiệu điều khiển từ khối thu RF. Xuất tín hiệu điều khiển thiết bị tương ứng thông qua mạch Relay Cập nhật và hiển thị trạng thái thiết bị trên LCD.
Khơi tạo LCD
Begin
RL1=off; RL2=off; RL3=off; RL4=offcount1= count2= count3= count4= 0
sign1; sign2; sign3; sign 4
No (sign1=0; sign2=0; sign3=0; sign4=0) ?
Yes
No
Yes
No
Yes
No
Yes
No
End
63
Lưu đồ:
Hình 4.8: Lưu đồ thuật toán khối xử lý
RL1; RL2; RL3; RL4
count1; count2; count3; count4
64
Code chương trình cho vi điều khiển :
#include <regx52.h>
#define on 0
#define off 1
#define RS P2_5 //RS=0 => code //RS=1 => data
#define RW P2_6 //RW=0 => ghi //RW=1 => doc
#define EN P2_7
#define LCD_PORT P0
sbit sign1=P1^0;
sbit sign2=P1^1;
sbit sign3=P1^2;
sbit sign4=P1^3;
sbit lamp1=P3^0;
sbit lamp2=P3^1;
sbit lamp3=P3^2;
sbit lamp4=P3^3;
int count1=0,count2=0,count3=0,count4=0;
//==========================
void delay_time(unsigned int time) // Thoi gian time ms
{
while (time--)
{
TH1=0xFC;
TL1=0x17;
TF1=0;//Xoa co tran
TR1=1;// Starting count
65
while(!TF1);
TR1=0;//Ngung timer 1
}
}
//================================
void delay_5ms()
{
int i,j;
for(i=0;i<250;i++)
for(j=0;j<4;j++){}
}
//===========================
void delay_15ms()
{
int i,j;
for(i=0;i<250;i++)
for(j=0;j<100;j++){}
}
//=========================== LCD ===============
//============================== GUI LENH CHO LCD
void LCD_CODE(unsigned char c)
{
RS=0;//code
RW=0;//ghi
LCD_PORT=c;
EN=1;
EN=0;
delay_5ms();
}
66
//=============================== KHOI TAO LCD
void LCD_INIT()
{
delay_15ms();
LCD_CODE(0x38); //che do 8bit,2 hang,kieu ky tu 5x8 diem anh.
LCD_CODE(0x0C); //hien thi man hinh,có con tro, con tro nhâp'
nháy.
LCD_CODE(0x01); // Xoa man hinh LCD
}
//============================== IN KY TU
void LCD_DATA(unsigned char c)
{
RS=1;//data
RW=0;//ghi
LCD_PORT=c;
EN=1;
EN=0;
delay_5ms();
}
//=============================== IN CHUOI KY TU
void LCD_STRING(unsigned char *s)
{
while(*s) //den NULL thi thoi
{
LCD_DATA(*s);
s++;
}
}
///// chuong trinh chinh
void main(void)
{
67
sign1=0;sign2=0;sign3=0;sign4=0;
lamp1=off;
lamp2=off;
lamp3=off;
lamp4=off;
TMOD=0x10;//Timer 1 che do 1
LCD_INIT();
LCD_CODE(0x80);
LCD_STRING("DO AN TOT NGHIEP");
///// TAO DAU 3 CHAM NHAY
LCD_CODE(0xC0);
LCD_STRING(" .");
delay_time(500);
LCD_CODE(0xC0);
LCD_STRING(" ..");
delay_time(500);
LCD_CODE(0xC0);
LCD_STRING(" ...");
delay_time(500);
////
LCD_CODE(0x01);/// xoa man hinh
LCD_CODE(0x80);
LCD_STRING("D.KHIEN THIET BI");
LCD_CODE(0xC0);
LCD_STRING(" BANG SONG RF");
delay_time(2000);
LCD_CODE(0x01);/// xoa man hinh
LCD_CODE(0x80);
68
LCD_STRING("GVHD: THAC SI");
LCD_CODE(0xC0);
LCD_STRING(" PHAM THI THU HA");
delay_time(2000);
LCD_CODE(0x01);/// xoa man hinh
LCD_CODE(0x80);
LCD_STRING("Sinh Vien:");
LCD_CODE(0xC0);
LCD_STRING(" PHAM XUAN TAM");
delay_time(2000);
LCD_CODE(0x01);/// xoa man hinh
LCD_CODE(0x80);
LCD_STRING("TRANG THAI CUA 4");
LCD_CODE(0xC0);
LCD_STRING(" THIET BI : ");
delay_time(500);
LCD_CODE(0X01);
LCD_STRING(" 1 2 3 4 ");
LCD_CODE(0xC0);
LCD_STRING(" OFF OFF OFF OFF");
while(1)
{
while(sign1==0&&sign2==0&&sign3==0&&sign4==0);
if(sign1==1)
{
if(count1==0)
69
{
lamp1=on;
count1=count1+1;
LCD_CODE(0xc1);
LCD_STRING("ON ");
delay_time(350);
}
else
{
lamp1=off;
count1=count1-1;
LCD_CODE(0xc1);
LCD_STRING("OFF");
delay_time(350);
}
while(sign1==1);
}
if(sign2==1)
{
if(count2==0)
{
lamp2=on;
count2=count2+1;
LCD_CODE(0xC5);
LCD_STRING("ON ");
delay_time(350);
}
else
{
lamp2=off;
70
count2=count2-1;
LCD_CODE(0xC5);
LCD_STRING("OFF");
delay_time(350);
}
while(sign2==1);
}
if(sign3==1)
{
if(count3==0)
{
lamp3=on;
count3=count3+1;
LCD_CODE(0xC9);
LCD_STRING("ON ");
delay_time(350);
}
else
{
lamp3=off;
count3=count3-1;
LCD_CODE(0xC9);
LCD_STRING("OFF");
delay_time(350);
}
while(sign3==1);
}
if(sign4==1)
{
if(count4==0)
71
{
lamp4=on;
count4=count4+1;
LCD_CODE(0xCD);
LCD_STRING("ON ");
delay_time(350);
}
else
{
lamp4=off;
count4=count4-1;
LCD_CODE(0xCD);
LCD_STRING("OFF");
delay_time(350);
}
while(sign4==1);
}
}
}
4.4. KIỂM TRA
Các thông số đo được ở mạch thu:
Uv1 (điện áp xoay chiều khi qua biến áp) = 12V AC
Uv2 (điện áp 1 chiều khi qua cầu diode và tụ lọc ) = 16V DC
Uv3 (điện áp 1 chiều khi qua IC 7812 ) = 12V DC
Dòng điện : I = 250mA
Công suất tiêu thụ của toàn mạch : P = Uv3.I = 12.0,25 = 3W
72
CHƯƠNG 5
KẾT QUẢ, HẠN CHẾ VÀ HƯƠNG PHÁT TRIỂN
5.1. KẾT QUẢ
Quá trình tìm hiểu và nghiên cứu để hoàn thành đồ án đã giúp người thực
hiện củng cố lại kiến thức đã được học và mở rộng thêm nhiều kiến thức mới,
đồng thời co dịp cọ sát với thực tế và rút ra được nhiều kinh nghiệm bổ ích.
Dưới sự hướng dẫn của Ths Phạm Thị Thu Hà đã giúp người thực hiện hoàn
thiện đề tài “Thiết kế và thi công mạch điều khiển một số thiết bị gia đình
thông qua sóng vô tuyến”
Sau nhiều tuần tích cực tìm hiểu và nỗ lực thực hiện, người thực hiện đề tài
đã hoàn thành đồ án đúng theo yêu cầu và thời gian quy định. Dưới đây là
những kết quả đã đạt được cũng như ưu điểm của mạch đồ án:
Điều khiển đong, ngắt thiết bị điện từ xa thông qua song vô tuyến
315Mhz.
LCD gắn trên board hiển thị trạng thái thiết bị một cách trực quan.
Board mạch được thiết kế gọn và sắp xếp hợp lý, dễ dàng sử dụng và
mang tính thẩm mĩ khá cao.
5.2 HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Hạn chế:
- Mới chỉ điều khiển được 4 thiết bị điện
- Chỉ điều khiển được thiết bị ở 2 trạng thái tắt và mở
- Chưa co tính năng báo động khi co sự cố thiết bị điều khiển.
- Phạm vi hoạt động ngắn.
Hương phát triển :
- Co thể phát triển để điều khiển nhiều thiết bị hơn .
- Ưng dụng điều khiển thiết bị tự động hoa trong công nghiệp .
- Xây dựng sản phẩm hoàn thiện hơn cả về phần cứng và phầm mềm.
- Phát triển lên quy mô điều khiển lớn hơn, ứng dụng ngôi nhà thông minh.
73
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Datasheet PT2262 http://www.alldatasheet.com/
2. Datasheet PT2272 http://www.alldatasheet.com/
3. Datasheet module thu phát RF 315 MHz http://www.datasheetarchive.com
4. Datasheet LCD 16x2 http://www.alldatasheet.com/
5. Họ Vi Điều Khiển 8051, Tống Văn On NXB Lao động – Xã hội, 2005
6. Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051, Nguyễn Tăng Cường - Phan
Quốc Thắng NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
7. Bài giảng lý thuyết hệ thống thông tin / Dương Trần Đức - Hà Nội : Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2009.
8. Bài giảng lý thuyết trường điện từ và siêu cao tần / Ngô Đức Thiện,
Nguyễn Quý Sỹ- Hà Nội : Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2009
9. Bài giảng xử lý tín hiệu số : Dùng cho sinh viên hệ Đại học ngành Điện tử
- Viễn thông, Điện tử và Công nghệ thông tin / Hà Thu Lan - Hà Nội : Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 2010
10. Tài liệu tham khảo từ Internet:
http://www.scribd.com
http://www.dientu4u.com
http://www.dientuvietnam.net/
