Điều khiển từ xa bằng vi điều khiển 8051

Phần này giới thiệu vi điều khiển 89C51 (hay VĐK8051), một microcontroller tích hợp bộ nhớ, mạch giao tiếp ngoại vi và vi xử lý trong một chip duy nhất. VĐK8051 có khả năng tương tự vi xử lý nhưng với cấu trúc phần cứng đơn giản hơn nhiều cho người dùng, giảm thiểu lượng kiến thức cần thiết và đơn giản hóa thiết kế mạch. Việc sử dụng vi điều khiển 8051 trở nên phổ biến nhờ giá thành rẻ và dễ sử dụng, thích hợp cho các ứng dụng không đòi hỏi tính phức tạp cao. Intel được đề cập là công ty tiên phong với chip 8051 vào năm 1980, đánh dấu sự ra đời của họ vi điều khiển MCS-51. Sau đó, nhiều phiên bản cải tiến hơn như 8052, 8053, và 8055 đã được phát triển. Intel cho phép các nhà sản xuất khác cùng nghiên cứu và sản xuất các phiên bản của 8051, dẫn đến sự đa dạng về tốc độ và dung lượng ROM, nhưng vẫn đảm bảo tính tương thích về tập lệnh. Các hãng sản xuất khác như Atmel (sử dụng bộ nhớ Flash), Philips (với nhiều tùy chọn tích hợp ADC, DAC, cổng I/O mở rộng), và Dallas Semiconductor (sử dụng NV-RAM) cũng được nhắc đến.

Phần này định nghĩa hệ thống điều khiển từ xa, cho phép điều khiển thiết bị từ xa thông qua nhiều phương tiện như sóng vô tuyến, mạng internet, hoặc tia hồng ngoại. Hệ thống bao gồm cơ cấu chấp hành, nhận lệnh từ khối xử lý tín hiệu và thực hiện điều khiển. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại được nhấn mạnh là phương pháp phổ biến hiện nay trong các thiết bị gia đình, như điều khiển TV, quạt, máy điều hòa, đầu đĩa, và thiết bị chiếu sáng. Mô tả chi tiết về các thành phần của hệ thống điều khiển từ xa, đặc biệt tập trung vào công nghệ hồng ngoại, bao gồm nguồn phát (Mặt trời, cơ thể người, đèn dây tóc, bếp gas, lò sưởi), bộ phát tín hiệu (LED hồng ngoại, thường sử dụng vật liệu bán dẫn Gallium Arsenide), và bộ thu tín hiệu (như PIC 1018SCL). Đặc điểm khác biệt giữa ánh sáng và sóng hồng ngoại về sự suy giảm khi truyền qua vật chất được nêu rõ. Cấu trúc chung của chuỗi mã lệnh điều khiển gồm bit Start, bit địa chỉ, bit dữ liệu, và bit Stop cũng được giải thích, cùng với ví dụ về remote của các hãng Sharp, Sony, Samsung, Hitachi, Toshiba. Phương pháp giải mã tín hiệu mã bit sử dụng Oscilloscope hoặc phần mềm Scope 1.30 trên môi trường Windows cũng được đề cập, bao gồm cả cách kết nối thiết bị và cài đặt phần mềm để phân tích tín hiệu từ remote TV Sharp, nhấn mạnh vào việc phân tách chuỗi 8 bit dữ liệu để điều khiển.

Mô hình phần cứng được thiết kế nhỏ gọn, ban đầu minh họa bằng việc điều khiển 4 bóng đèn, nhưng có khả năng mở rộng lên đến 31 thiết bị dân dụng. Mô hình hướng đến tính ứng dụng cao trong thực tế, sử dụng các thiết bị và linh kiện dễ tìm, giá thành rẻ, đảm bảo độ chính xác và an toàn. Một chương trình kiểm tra mạch được đề cập, trong đó, nếu một phím được nối đất (GND), các bit cổng P0 sẽ được bật hoặc tắt, hiển thị qua LED đơn và LED 7 đoạn. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống điều khiển từ xa các thiết bị gia đình đơn giản, hiệu quả và kinh tế.

Khối thu tín hiệu hồng ngoại sử dụng PIC 1018SCL, hoặc các lựa chọn thay thế như TSOP1838 và TSOP1738. Tín hiệu hồng ngoại (IR) được thu nhận, khuếch đại qua ba tầng (Amplifiter), lọc băng thông (Band Pass Filter), và sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông bởi mạch Schmitt Trigger trước khi đưa vào vi điều khiển. PIC 1018SCL thực hiện việc nhận tín hiệu từ remote, khuếch đại, lọc và chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu số để vi điều khiển xử lý. Cụ thể, tín hiệu từ chân OUT (1) của PIC 1018SCL được đưa đến chân P3.2 của vi điều khiển 8051. Vi điều khiển thu nhận 8 bit dữ liệu và so sánh với mã lệnh đã được lập trình sẵn. Nếu khớp, tín hiệu điều khiển sẽ được gửi đến các bit cổng P0.

Khối điều khiển sử dụng ULN2803, một vi mạch đệm gồm 8 bộ đệm, mỗi bộ có một diode. Anode của diode được nối với ngõ ra của IC, và cathode được nối chung. Ngõ ra của vi mạch là các cực góp hở, tín hiệu ngõ vào bị đảo chiều so với tín hiệu ngõ ra. LED đơn và LED 7 đoạn được sử dụng để hiển thị trạng thái hoạt động. Anode của LED đơn và anode chung của LED 7 đoạn được nối với +5V. Khi có tín hiệu âm, LED đơn sẽ sáng báo hoạt động của hệ thống, và LED 7 đoạn hiển thị số 1, 2, 3, 4 tương ứng với các thiết bị đang hoạt động. Việc lựa chọn LED đơn và điện trở dựa trên thông số kỹ thuật của LED: Vled = 1.9 - 2.2V, Iled = 15 - 25mA, với nguồn cấp 5VDC. Điện áp trung bình qua LED là 2V, dòng điện trung bình là 15mA (0.015A).

Hệ thống hoạt động dựa trên việc thu nhận tín hiệu hồng ngoại từ remote TV, xử lý tín hiệu và điều khiển các thiết bị. PIC 1018SCL nhận tín hiệu IR, khuếch đại, lọc và chuyển đổi thành xung vuông, đưa vào vi điều khiển 8051. Vi điều khiển so sánh mã nhận được với mã đã lập trình, điều khiển các bit cổng P0 để bật/tắt thiết bị. Hình ảnh mô hình thực tế cho thấy sự tích hợp chặt chẽ giữa các khối chức năng, với tín hiệu ngõ ra của một khối là tín hiệu ngõ vào của khối khác, đảm bảo độ chính xác cao trong hoạt động. Mô hình phần cứng được đánh giá là sự tổng hợp của các hệ thống nhỏ, có liên kết logic chặt chẽ và độ chính xác cao.

Phần này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc viết chương trình phù hợp với phần cứng đã thiết kế. Việc lập trình đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cấu tạo phần cứng và các yêu cầu hoạt động của mạch điện. Chương trình được định nghĩa là một tập hợp các lệnh được sắp xếp theo trình tự logic để đáp ứng các yêu cầu của người lập trình. Nó cần phải giải mã tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa, xử lý thông tin nhận được và gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị. Hệ thống này được thiết kế để điều khiển tối đa 31 thiết bị dân dụng, và việc viết chương trình cần phải đáp ứng được khả năng này.

Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ hợp ngữ Assembly, một ngôn ngữ lập trình cấp thấp. Sự lựa chọn này được giải thích là do tính hiệu quả và khả năng kiểm soát trực tiếp phần cứng. Ngôn ngữ hợp ngữ Assembly sử dụng các từ và từ viết tắt dễ nhớ, giúp đơn giản hóa việc lập trình các chỉ thị phức tạp. Phần mềm Raisonance Kit 6.1 được sử dụng như công cụ hỗ trợ chính để soạn thảo và biên dịch chương trình cho vi điều khiển 8051. Việc lựa chọn phần mềm này cho thấy sự chú trọng đến việc tối ưu hóa hiệu suất và khả năng tương thích với vi điều khiển 8051. Tài liệu không đi sâu vào chi tiết các câu lệnh hoặc thuật toán cụ thể trong chương trình, chỉ đề cập đến ngôn ngữ và công cụ mà người lập trình sử dụng.

Chương trình phần mềm có chức năng chính là nhận tín hiệu từ bộ thu hồng ngoại (ví dụ như PIC 1018SCL), giải mã tín hiệu này và so sánh với mã lệnh đã được định nghĩa trước đó. Quá trình giải mã tín hiệu hồng ngoại được thực hiện để tách chuỗi 8 bit dữ liệu từ tín hiệu nhận được từ remote (ví dụ remote TV Sharp). Chuỗi mã lệnh này bao gồm bit Start, bit địa chỉ, bit dữ liệu và bit Stop. Khi mã nhận được trùng khớp với mã lệnh đã được lập trình sẵn, chương trình sẽ gửi tín hiệu điều khiển tương ứng đến các bit cổng P0 của vi điều khiển, từ đó điều khiển các thiết bị được kết nối. Chương trình được thiết kế để bật/tắt các thiết bị dựa trên tín hiệu từ các nút bấm trên remote. Ví dụ, tài liệu đề cập đến việc điều khiển 4 bóng đèn.

Kết luận khẳng định sự thành công trong việc thiết kế và xây dựng mô hình điều khiển từ xa thiết bị dân dụng bằng vi điều khiển. Mô hình đã được thử nghiệm và hoạt động hiệu quả, cụ thể là khả năng bật/tắt 4 bóng đèn. Điều này cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao của mô hình, phù hợp với việc điều khiển các thiết bị điện dân dụng trong các căn hộ. Việc sử dụng vi điều khiển 8051 và công nghệ hồng ngoại đã được chứng minh là hiệu quả trong việc tạo ra một hệ thống điều khiển từ xa đơn giản, đáng tin cậy và kinh tế.

Trong quá trình thực hiện đề tài, người viết đã nghiên cứu và làm rõ nhiều vấn đề quan trọng liên quan đến vi điều khiển 8051, bao gồm cấu trúc phần cứng bên trong và bên ngoài, chế độ hoạt động, và chức năng bộ định thời. Bên cạnh đó, người viết cũng đã tìm hiểu về tín hiệu hồng ngoại, bao gồm tính chất, đặc trưng, và các thiết bị phát hiện tia hồng ngoại. Một trọng tâm của nghiên cứu là tìm hiểu về bộ điều khiển TV Sharp của Nhật Bản, bao gồm cấu trúc tín hiệu điều khiển. Việc sử dụng phần mềm PROTEL 99SE để thiết kế mạch nguyên lý và mạch in, cũng như Raisonance Kit 6.1 để lập trình vi điều khiển bằng hợp ngữ Assembly, đã được đề cập và đánh giá hiệu quả.

Mô hình điều khiển từ xa được xây dựng có tính ứng dụng cao và dễ dàng mở rộng. Mặc dù được minh họa với 4 bóng đèn, nhưng mô hình có thể điều khiển tối đa 31 thiết bị dân dụng khác nhau. Điều này chứng tỏ tính linh hoạt và tiềm năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống trong nhiều bối cảnh thực tiễn. Việc sử dụng các linh kiện dễ tìm kiếm và giá thành thấp, cùng với độ chính xác cao của hệ thống, đảm bảo tính khả thi và kinh tế của mô hình. Kết luận khẳng định mô hình đáp ứng tốt các yêu cầu về hiệu quả, chi phí và độ tin cậy.