Đề tài “NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN, ỨNG DỤNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN QUANG” pot

Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính 1.2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu r

Trang 1

- -

ĐỀ TÀI

“NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN, ỨNG DỤNG

THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ

DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM

BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN QUANG”

- -

Trang 2

Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 6

1.1 Khái niệm và phân loại cảm biến 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Phân loại cảm biến 6

1.2 Đường cong chuẩn của cảm biến 6

1.2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến 7

1.3 Các đặc trưng cơ bản 8

1.3.1 Độ nhạy của cảm biến 8

1.3.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh 8

1.3.3 Độ nhạy trong chế độ động 9

1.4 Độ tuyến tính 9

1.4.1.1 Đường thẳng tốt nhất 10

1.4.1.2 Độ lệch tuyến tính 10

1.4.2 Sai số và độ chính xác 10

1.4.3 Độ nhanh và thời gian hồi áp 11

1.4.4 Giới hạn sử dụng của cảm biến 12

1.5 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến 12

1.5.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực 12

1.5.2 Hiệu ứng nhiệt điện 13

1.5.2.1 Hiệu ứng hoả điện 13

1.5.2.2 Hiệu ứng áp điện 14

1.5.2.3 Hiệu ứng cảm ứng điện từ 14

1.5.2.4 Hiệu ứng quang điện 15

Trang 3

1.5.2.5 Hiệu ứng quang - điện - từ 15

1.5.2.6 Hiệu ứng Hall 15

1.5.3 Nguyên tắc chế tạo cảm biến thụ động 16

1.6 Mạch đo 17

1.6.1 Sơ đồ mạch đo 17

1.6.2 Một số phần tử cơ bản của mạch đo 18

1.6.2.1 Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) 18

1.6.2.2 Bộ khuếch đại đo lường IA 18

1.6.2.3 Khử điện áp lệch 19

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 22

2.1 VI ĐIỀU KHIỂN 22

2.1.1 Tổng quan về 8051 22

2.1.1.1 Bộ vi điều khiển 8051 23

2.1.1.2 Sơ đồ khối chung của họ vi điều khiển 8051 23

2.1.2 Khảo sát họ vi điều khiển AT89XX 24

2.1.2.1 Giới thiệu chung 24

2.1.3 Cấu trúc bên trong vi điều khiển AT89S52 29

2.1.3.1 Hoạt động định thời của AT89S52 30

2.1.3.2 Các thanh ghi của bộ định thời 30

2.1.3.3 Các chế độ định thời của timer 1 và timer 0 33

2.1.3.4 Tổ chức ngắt của AT89S52 34

2.2 HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ BẰNG LCD 37

2.2.1 Phân loại LCD 37

2.2.3 Khả năng hiển thị của LCD 40

2.2.4 Nguyên tắc hiển thị kí tự trên LCD 41

2.3 GIAO TIẾP VỚI BỘ HIỂN THỊ TƯƠNG TỰ-SỐ(ADC) 42

2.3.1 Giới thiệu về ADC 42

2.3.2 Tìm hiểu về ADC 0804 42

2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 44

2.4.1 Phân loại cảm biến nhiệt 44

2.4.2 Cặp nhiệt điện ( Thermocouples ) 45

2.4.3 Thermistor 46

2.4.4 Cảm biến nhiệt độ LM35 47

2.4.5 Dải nhiệt độ và sự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ của LM35 49

2.4.5 Các bộ cảm biến nhiệt họ LM35 49

Trang 4

2.4.6 Phối hợp tín hiệu và sơ đồ khối phối ghép LM35 với 8051 50

2.5 CẢM BIẾN QUANG 50

2.5.1 Khái quát 50

2.5.2 Diode Cảm Quang ( photo diode ) 55

2.5.3 Ánh sang hồng ngoại 58

2.6 CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG 60

2.6.1 PIR 60

2.6.2 Kính hội tụ 63

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 65

3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 65

3.1.1 Khối nguồn 65

3.1.2 Khối đo nhiệt độ 65

3.1.3 Khối vi điều điều khiển 66

3.1.4 Khối hiển thị LCD 67

3.1.5 Khối điều khiển thiết bị 68

3.1.6 Khối reset và tạo dao động 69

3.1.7 Sơ đồ mạch nguyên lý 70

3.1.8 Sơ đồ mạch in 71

3.1.9 Mô hình thực tế 72

3.2 ỨNG DỤNG 72

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 77

Trang 5

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1 1 Đường cong chuẩn cảm biến 7

Hình 1 2 Phương pháp chuẩn cảm biến 7

Hình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ 11

Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 13

Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 13

Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện 14

Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 14

Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện- từ 15

Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall 16

Hình 1.10 Sơ đồ mạch đo nhiệt độ băng cặp nhiệt 17

Hình 1.11 Mạch đo điện thế bề mặt 17

Hình 1.12 Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán 18

Hình 1.13 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 19

Hình 1.14 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 20

Hình 1.15 Mạch lặp lại điện áp 20

Hình 1.16 Sơ đồ mạch cầu 21

Hình 2.1 Bố trí bên trong sơ đồ khối của 8051 24

Hình 2.2 Sơ đồ chân IC AT89S52 26

Hình 2.3 Mạch dao động Thạch Anh XTAL 1 và XTAL 2 28

Hình 2.4 Mạch dao động 29

Hình 2.5 Cấu trúc bên trong VĐK AT89s52 29

Hình 2 6 Hình ảnh LCD.2.2.2 Giới thiệu sơ đồ chân LCD 38

Hình 2.7 Sơ đồ chân LCD 38

Hình 2.8 Sơ đồ chân ADC 42

Hình 2.9 Cặp nhiệt điện 45

Hình 2.10 Thermistor 46

Hình 2.11 Họ cảm biến nhiệt độ LM35 47

Hình 2.12 cảm biến nhiệt độ LM35 48

Hình 2.13 Sơ đồ bước sóng của ánh sáng 52

Hình 2.14 Cấu tạo của quang trở điện 58

Hình 2.15 Cấu tạo của Diode 59

Trang 6

Hình 2.16 Đầu dò PIR 60

Hình 2.17 Nguyên lý làm việc của loại đầu dò PIR như hình sau 61

Hình 1.18 Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt 62

Hình 2.19 Nguyên lý làm việc của đầu dò PIR đối với người qua lại 62

Hình 2.20 Dùng vật liệu pyroelectric để cảm ứng với tia nhiệt 63

Hình 2.21 Kính hội tụ 64

Hình 3.1 Khối nguồn 65

Hình 3.2 Khối đo nhiệt độ 65

Hình 3 3 Khối vi điều điều khiển 66

Hình 3.4 Khối hiển thị LCD 67

Hình 3.5 Khối điều khiển thiết bị 68

Hình 3.6 Khối reset 69

Hình 3.7 Khối dao động thạch anh 69

Hình 3.8 Sơ đồ mạch nguyên lý 70

Hình 3.9 Sơ đồ mạch in 71

Trang 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Đặc tính của 8051 đầu tiên 23

Bảng 2.2 Chức năng của các chân ở PORT 3 27

Bảng 2.3 Thanh ghi TMOD 31

Bảng 2.4 Thanh ghi điều khiển Timer (TCON) 32

Bảng 2.4 Thanh ghi điều khiển Timer (TCON) 33

Bảng 2.5 Tóm tắt các ngắt trong AT89S52 35

Bảng 2.6 Cho phép ngắt và cấm ngắt 35

Bảng 2 1 Giới thiệu sơ đồ chân LCD 39

Bảng 2.8 Tập lệnh của LCD 40

Bảng 2.9 Tập lệnh của LCD 41

Bảng 2.10 Trở kháng của bộ cảm biến nhiệt theo nhiệt độ 49

Bảng 2.11 Hướng dẫn chọn loạt các cảm biến nhiệt họ LM35 49

Bảng 2.13 Đơn vị đo quang 54

Trang 8

IP Interrupt Priority Thanh ghi ngắt

PSEN Program store enable Tín hiệu ngõ ra

PSW Program Status Word Thanh ghi từ trạng thái chương trình RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc

RST Reset

SFR Special Function Register thanh ghi có chức

Trang 9

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp này, em xin đảm bảo bài báo cáo tốt nghiệp này là do chính em thực hiện, không có sự sao chép nguyên văn của bất

kì tài liệu nào Nếu sai em xin chịu mọi hình thức kỷ luật của nhà trường

Hà Nội, Ngày 13 tháng 6 năm 2012

Người cam đoan

(Ký, ghi rõ họ tên)

Đỗ Thị Thu Trang

Trang 10

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa học công nghệ nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và văn minh hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ và hoạt động ổn định

Là những yếu tố cần thiết làm cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao Từ lâu cảm biến được sử dụng như những thiết bị để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong

kỹ thuật và công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và điều

khiển tự động Chính vì vậy em đã chọn đề tài : “NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN,

ỨNG DỤNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN QUANG” cho

đồ án tốt nghiệp của mình Nội dung báo cáo này gồm 3 chương:

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

CHƯƠNG 2 : CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÔ HÌNH

Mặc dù rất cố gắng hoàn thành bài báo cáo này nhưng vẫn không tránh khỏi thiếu sót mong quý thầy, cô và các bạn đóng ghóp ý kiến để em có thể hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Trang 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

1.1 Khái niệm và phân loại cảm biến

1.1.1 Khái niệm

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và

xử lý được

Đặc trưng điện S là hàm của đại lượng cần đo m: s = f(m)

Quan hệ giữa s và m có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến Song thực tế để dễ sử dụng thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho nó có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra và biến thiên đầu vào

∆s = S ∆m (1.1)

Trong đó: S gọi là độ nhạy của cảm biến

1.1.2 Phân loại cảm biến

Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:

Theo nguyên lý người ta chia cảm biến làm hai loại:

+ Cảm biến tích cực : là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng

+ Cảm biến thụ động : là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung

1.2 Đường cong chuẩn của cảm biến

Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m ) , hoặc bằng đồ thị như hình sau:

(Đại lượng cần đo) Cảm biến s (đặc trưng điện)

Trang 12

Hình 1 1 Đường cong chuẩn cảm biến

a Dạng đường cong chuẩn

b Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

1.2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn

Hình 1 2 Phương pháp chuẩn cảm biến

Trang 13

Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử 1.3 Các đặc trưng cơ bản

1.3.1 Độ nhạy của cảm biến

Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm

có sự liên hệ tuyến tính

Δs = S.Δm (1.2) Đại lượng S xác định bởi biểu thức S=s/m được gọi là độ nhậy của cảm biến, Trong trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhậy S của cảm biến xung quanh giá trị mi của đại lườn đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên S của đại lượng đầu ra và biến thiên m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị

đó

(1.3)

1.3.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh

Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh

Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc

Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:

(1.4)

Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ

Trang 14

s(t) = s0 + s1 cos(ωt +φ) (1.6) Trong đó :

S là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh

S1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây

ra

φ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra

Trong chế độ động độ nhậy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biên độ của đầu ra s1 và biến thiên của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc được xét q0, theo công thức:

(1.7)

Độ nhậy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo S=S(f)

1.4 Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế

độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo

Trang 15

còn nằm trong vùng này

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại lượng đó)

1.4.1.1 Đường thẳng tốt nhất

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng Tuy nhiên, do sai

số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng

1.4.2 Sai số và độ chính xác

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo.Gọi x là giá trị tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x(sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

(1.9) Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá

Trang 16

trị thực và giá trị đo được Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:

1 Do nguyên lý của cảm biến

2 Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn

cảm biến

1.4.3 Độ nhanh và thời gian hồi áp

Độ nhanh Tr là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp

là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh

Hình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ

Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá

về thời gian hồi đáp của nó

Trang 17

1.4.4 Giới hạn sử dụng của cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này

a.Vùng làm việc danh định

Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến

b.Vùng không gây nên hư hỏng

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng

c.Vùng không phá huỷ

Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật

lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy

1.5 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến

Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại:

1.Cảm biến tích cực

2.Cảm biến thụ động

1.5.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực

Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện Dưới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến

Trang 18

1.5.2 Hiệu ứng nhiệt điện

Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2

Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0oC

1.5.2.1 Hiệu ứng hoả điện

Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện

Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện

Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng Khi

ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể Đo điện áp V

Trang 19

ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng Φ

1.5.2.2 Hiệu ứng áp điện

Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng dước tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng

áp điện Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F

Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện

1.5.2.3 Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây

Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng

Trang 20

1.5.2.4 Hiệu ứng quang điện

- Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định

- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường

1.5.2.5 Hiệu ứng quang - điện - từ

Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng,trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với

VH = K H I.B sin θ

Trong đó Kh là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu

Trang 21

Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động.Vật cần xác định vị trí lien kết cơ học với thanh nam châm ở mọi thời điểm , vị trí thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian

1.5.3 Nguyên tắc chế tạo cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo ( điện trở suất , độ từ thẩm, hằng số điện môi ).Vì vậy tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học ,tính chất điện hay đồng thời cả hai

Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến Xác định trở kháng ta có thể xác định được đại lượng cần đo

Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ) Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến

Trang 22

Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử 1.6 Mạch đo

1.6.1 Sơ đồ mạch đo

Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến) cho phép xác định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể

Mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivôn kế

Hình 1.10 Sơ đồ mạch đo nhiệt độ băng cặp nhiệt

Trang 23

1.6.2 Một số phần tử cơ bản của mạch đo

1.6.2.1 Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT)

Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch đại dòng một chiều có hai đầu vào và một đầu ra chung, thường gồm hàng trăm tranzito và các điện trở, tụ điện ghép nối với nhau Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán biểu diễn trên hình

Hình 1.12 Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán

Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán :

+ Bộ khuếch đại có hai đầu vào: một đầu đảo (-), một +

đầu không đảo (+)

+ Điện trở rất lớn cỡ hàng trăm MΩ đến GΩ + Điện trở ra rất nhỏ cỡ hàng chục Ω

+ Điện áp chênh lệch đầu vào rất nhỏ cỡ vài nV + Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100 000 + Giải tần làm việc rộng

+ Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR là tỷ số

hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại theo cách nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán Thông thường CMRR vào khoảng 90 bB

1.6.2.2 Bộ khuếch đại đo lường IA

Bộ khuếch đại đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra Tín hiệu đầu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp đầu vào:

U ra = A(U + −U − ) = AΔU (1.8)

Trang 24

Hình 1.13 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở

Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung

và tăngđiện trở vào của KĐTT Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào

ΔU và tạo nên dòng điện i=U/Ra.Các điện áp ra từ KDTT U1và U2 phải băng nhau về biên độ nhưng ngược pha nhau Điện áp U3 của tầng thứ hai biến đổi đầu

ra vi sai thành đầu ra đơn cực Hệ số khuếch đại tổng của IA bằng:

Trang 25

Hình 1.14 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở

Trang 26

hoạt động như cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu

Hình 1.16 Sơ đồ mạch cầu

Trong mạch cầu, điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng đối với biến đổi nhỏ(< 0,05)

có thể coi là tuyến tính Khi R1=R2, và R3=R4 độ nhậy của cầu là cực đại Trường hợp R1>>R2 hay R1<< R2 điện áp ra của cầu giảm Đặt K =R1/R2 độ nhậy của cầu

là

(1.11)

Trang 27

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG

TRONG MÔ HÌNH

2.1 VI ĐIỀU KHIỂN

2.1.1 Tổng quan về 8051

Vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip

có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó

Năm 1981, hãng Intel giới thiệu bộ vi điều khiển 8051 Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4 kbyte ROM, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và bốn cổng vào ra song song (độ rộng 8 bit) và tất cả đều được đặt trên một chip Lúc ấy

nó được coi là một “hệ thống trên chip”

8051 là một bộ sử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ liệu 8 bit để

cả các lệnh đều tương thích với 8051 gốc

Trang 28

2.1.1.2 Sơ đồ khối chung của họ vi điều khiển 8051

+ Interrupt control : Điều khiển ngắt

+ Other registers : Các thanh ghi khác

+ 128 Byte RAM : RAM 128 Byte

+ Timer 2, 1 , 0 : Bộ định thời 2 , 1 , 0

+ CPU : Đơn vị điều khiển trung tâm

+ Oscillator : Mạch dao động

+ Bus control: Điều khiển Bus

+ I/O ports: Các ports vào/ ra

+ Serial port: port nối tiếp

+ Address/data : địa chỉ/ dữ liệu

Trang 29

Hình 2.1 Bố trí bên trong sơ đồ khối của 8051

2.1.2 Khảo sát họ vi điều khiển AT89XX

2.1.2.1 Giới thiệu chung

Bộ vi điều khiển AT89S52 gồm các chức năng chính sau đây :

CPU (Central Processing Unit) bao gồm :

1 Thanh ghi tích lũy A

2 Thanh ghi tích lũy B, dùng cho phép nhân và phép chia

3 Đơn vị logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit)

4 Thanh ghi từ trạng thái chương trình (PSw : Program Status Word)

5 Bộ nhớ chương trình (bộ nhớ ROM) gồm 8kbyte Flash

Trang 30

6 Bộ nhớ dữ liệu (bộ nhớ RAM) gồm 256 byte

7 Bộ UART (Universal Ansynchronous Receiver and Tranmistter) có

chức năng truyền nhận nối tiếp, AT89S52 có thể giao tiếp với cổng nối tiếp của máy tính thông qua bộ UART

8 Ba bộ Timer/Counter 16 bit thực hiện các chức năng định thời và đếm

sự kiện

9 WDM (Watch Dog Timer) : WDM được dùng để phục hồi lại hoạt

động của của CPU khi nó bị treo bởi một nguyên nhân nào đó.WDM ở AT89S52 gồm 1 bộ timer 14 bit , 1 bộ 7 bit ,thanh ghi WDTPRG (WDT programable) Timer 14 bit của WDT sẽ đếm tăng dần sau mỗi chu kỳ đồng hồ cho đến giá trị 16383 thì xảy ra tràn Khi xảy ra tràn , chân Reset sẽ được đặt ở mức cao trong khoảng thời gian 98*TOSC (TOSC = 1/FOSC) và AT89S52 sẽ được reset Khi WDT hoạt động , ngoại trừ Reset phần cứng và Reset cho WDT tràn thì không có cách nào

để cấm được WDT

10 Khối điều khiển ngắt với 2 nguồn ngắt ngoài và 4 nguồn ngắt trong

11 Bộ lập trình(ghi chương trình lên Flash ROM) cho phép người sử

dụng có thể nạp các chương trình cho chíp mà không cần đến bộ nạp chuyên dụng

12 Bộ chia tần số với hệ số chia là 12

13 Bốn cổng xuất nhập với 32 chân

Trang 31

Sơ đồ chân , chức năng của các chân của AT89S52

Hình 2.2 Sơ đồ chân IC AT89S52

-PORT 0(P0.0 – P0.7) : Nằm trên các chân từ 32 đến 39 có 2 công dụng Xuất/nhập

và có thể trở thành Bus địa chỉ và Bus dữ liệu đa hợp

-PORT 1 (P1.0 – P1.7) : Nằm trên các chân 1 đến 8, có chức năng xuất nhập theo bit và theo byte, để giao tiếp với thiết bị ngoài khi có yêu cầu Bên cạnh đó 3 chân P1.5 , P1.6 , P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP , 2 chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2

-PORT 2(P2.0 – P2.7) : Nằm trên các chân 21 đến 28 có 2 công dụng hoặc làm nhiệm vụ xuất/nhập hoặc là Byte địa chỉ cao của BUS địa chỉ

-PORT 3(P3.0 – P3.7) : Nằm trên các chân 10 đến 17 có 2 công dụng một là chức năng xuất/nhập bình thường còn khi không hoạt động xuất nhập các chân của PORT

3 có nhiều chức năng riêng

Trang 32

Bảng 2.2 Chức năng của các chân ở PORT 3

- Chân /PSEN (Program Store Enable)

Là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được phép đọc các byte

mã lệnh trên ROM ngoài

/PSEN = 0 đọc mã lệnh

/PSEN = 1 khi thực hiện chương trình ROM nội

- Chân ALE (Address Latch Enable)

Chân này nằm trên chân 30 của 8051 là chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE (Address Latch Enable) để giải đa hợp Bus dữ liệu và Bus địa chỉ ALE là tín hiệu điều khiển chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của vi điều khiển.Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như 74373,

74573 chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ/dữ liệu (Port 0)

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối

tiếp P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0

P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/counter 0 P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/counter 1 P3.6 /WR Xung ghi nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu

ngoài

Trang 33

- Chân /EA(External Access)

Tín hiệu cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển Nếu /EA ở mức cao (nối với VCC), thì vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội Nếu /EA ở mức thấp(nối GND)thì vi điều khiển thi hành chương trình bộ nhớ ngoài

Hình 2.3 Mạch dao động Thạch Anh XTAL 1 và XTAL 2

Hoặc ta cũng có thể dùng một nguồn xung CLOCK TTL để tạo dao động cho

8051 như mạch sau :

Trang 34

Hình 2.4 Mạch dao động

VCC,GND : AT89S52 dùng nguồn một chiều có dải điện áp từ 4V đến 5,5V được cấp qua chân 40 và 20

2.1.3 Cấu trúc bên trong vi điều khiển AT89S52

Hình 2.5 Cấu trúc bên trong VĐK AT89s52

Trang 35

2.1.3.1 Hoạt động định thời của AT89S52

Vi điều khiển AT89S52 có 3 bộ định thời 16 bit trong đó 2 bộ timer 0 và 1 có 4 chế độ hoạt động, timer 2 có 3 chế độ hoạt động Các bộ định thời dùng để định khoảng thời gian(hẹn giờ), đếm sự kiện xảy ra bên ngoài bộ vi điều khiển hoặc tạo tốc độ baud cho công nối tiếp của vi điều khiển

2.1.3.2 Các thanh ghi của bộ định thời

+ Các thanh ghi của Timer 0 và Timer 1

+ Thanh ghi chế độ định thời(TMOD)

+ Thanh ghi TMOD chứa 2 nhóm 4 bit dùng để đặt chế độ làm việc cho Timer 0 và Timer 1

 Thanh ghi TMOD

7 6 5 4 3 2 1 0

GATE1 C/#T1 M1 M0 GATE0 C/#T0 M1 M0

Trang 36

Bảng 2.3 Thanh ghi TMOD

Bit Ký hiệu Chức năng

3 GATE0 Bit điều khiển cổng cho bộ định thời 0

2 C/#T0 Bit chọn chức năng đếm hoặc định thời cho bộ định

thời 0

1 M1 Bit chọn chế độ thứ nhất cho bộ định thời 0

0 M0 Bit chọn chế độ thứ 2 cho bộ định thời 0

 Thanh ghi điều khiển Timer (TCON)

Thanh ghi TCON chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển cho Timer

0, Timer1

TCON.7 TCON.6 TCON.5 TCON.4 TCON.3 TCON.2 TCON.1 TCON.0

TF1 TR1 TF0 TR0 IT1 IE1 IT0 IE0

Trang 37

Bảng 2.4 Thanh ghi điều khiển Timer (TCON)

Bit Ký hiệu Chức năng

TCON Điều khiển bộ định thời

TCON.7 TF1

Cờ tràn của bộ định thời 1.Cờ này được set bởi phần cứng khi có tràn,được xóa bởi phần mềm,hoặc bởi phần cứng khi bộ vi xử lý trỏ đến trình phục vụ ngắt

TCON.6 TR1

Bit điều khiển hoạt đong của bộ định thời 1.Bit này được set hay xóa bằng phần mềm để điều khiển bộ định thời hoạt động hay ngưng

TCON.5 TF0 Cờ tràn của bộ định thời 0

TCON.4 TR0 Bit điều khiển hoạt động của bộ định thời

TCON.3 IE1

Cờ ngắt bên ngoài 1(kích khởi cạnh).Cờ này được set bởi phần cứng khi có cạnh âm (cuống) xuất hiện trên chan INT1,được xóa bởi phần mềm,hoặc phần cứng khi CPU trỏ đến trình phục vụ ngắt

TCON.2 IT1

Cờ ngắt bên ngoài 1(kích khởi cạnh hoặc mức).Cờ này được set hay xóa bởi phần mềm khi xảy ra cạnh âm hoặc mức thấp ở chân ngắt ngoài

TCON.1 IE0 Cờ ngắt bên ngoài 0(kích khởi cạnh)

TCON.0 IT0 Cờ ngắt bên ngoài 0(kích khởi cạnh hoặc mức)

Thanh ghi điều khiển Timer (TCON)

Thanh ghi TCON chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển cho Timer 0, Timer1

TCON.7 TCON.6 TCON.5 TCON.4 TCON.3 TCON.2 TCON.1 TCON.0

Trang 38

Bảng 2.4 Thanh ghi điều khiển Timer (TCON)

TCON Điều khiển bộ định thời

Cờ tràn của bộ định thời 1.Cờ này được set bởi phần cứng khi có tràn,được xóa bởi phần mềm,hoặc bởi phần cứng khi bộ vi xử lý trỏ đến trình phục vụ ngắt

Bit điều khiển hoạt đong của bộ định thời 1.Bit này được set hay xóa bằng phần mềm để điều khiển bộ định thời hoạt động hay ngưng

TCON.5 TF0 Cờ tràn của bộ định thời 0

TCON.4 TR0 Bit điều khiển hoạt động của bộ định thời

Cờ ngắt bên ngoài 1(kích khởi cạnh).Cờ này được set bởi phần cứng khi có cạnh âm (cuống) xuất hiện trên chan INT1,được xóa bởi phần mềm,hoặc phần cứng khi CPU trỏ đến trình phục

vụ ngắt

Cờ ngắt bên ngoài 1(kích khởi cạnh hoặc mức).Cờ này được set hay xóa bởi phần mềm khi xảy ra cạnh âm hoặc mức thấp ở chân ngắt ngoài

TCON.1 IE0 Cờ ngắt bên ngoài 0(kích khởi cạnh)

TCON.0 IT0 Cờ ngắt bên ngoài 0(kích khởi cạnh hoặc mức)

2.1.3.3 Các chế độ định thời của timer 1 và timer 0

- Chế độ 0 : là chế độ định thời 13 bit , chế độ này tương thích với các bộ vi điều khiển trước đó Trong chế độ này bộ định thời dùng 13 bit(8 bit của TH và 5 bit cao của TL) để chứa giá trị đếm, 3 bit thấp của TL không được sử dụng

Trang 39

- Chế độ 1 : Trong chế độ này , bộ timer dùng cả 2 thanh ghi TH và TL để chứa giá trị đếm , vì vậy chế độ này còn được gọi là chế độ định thời 16 bit Bit MSB sẽ là bit D7 của TH còn bit LSB là D0 của TL

- Chế độ 2 : Trong chế độ 2 , bộ định thời dùng TL để chứa giá trị đếm và TH để chứa giá trị nạp lại vì vậy chế độ này còn gọi là chế độ tự nạp lại 8 bit Sau khi đếm đến 255 sẽ xảy ra tràn,khi đó TF được đặt bằng 1 đồng thời giá trị của timer tự động được nạp lại bằng nội dung của TH

- Chế độ 3 : Trong chế độ 3 , Timer 0 được tách thành 2 bộ Timer hoạt động độc lập , chế độ này sẽ cung cấp cho bộ vi điều khiển thêm một Timer nữa.Bộ timer thứ nhất với nguồn xung clock được lấy từ bộ chia tần trên chip hoặc từ bộ tạo xung bên ngoài qua chân T0 tùy thộc vào giá trị của bit C-/T0 Việc điều khiển hoạt động của

bộ thứ nhất do bit GATE , bit TR0 và mức logic trên chân INT0 (giống chế độ 0 , 1 ,2)

Giá trị đếm của Timer được chứa trong TL0, khi xảy ra tràn cờ TF0 được đặt bằng một và gây ngắt do Timer 0 (nếu được đặt)

Bộ Timer thứ hai với nguồn xung clock lấy từ bộ chia tần trên chip Việc hoạt động của bộ thứ hai chỉ là việc đặt giá trị của bit TR0 Giá trị đếm của Timer được chứa trong TH0, khi xảy ra tràn cờ TF1 được đặt bằng một và gây ra ngắt do Timer

1 (nếu được đặt)

2.1.3.4 Tổ chức ngắt của AT89S52

AT89S52 chỉ có 6 nguồn ngắt

Ngắt ngoài đến từ chân #INT0

Ngắt ngoài đến từ chân #INT1

Trang 40

Bảng tóm tắt các ngắt trong AT89S52 như sau

Bảng 2.5 Tóm tắt các ngắt trong AT89S52

ngắt

Thanh Ghi chứa

cờ

Vector ngắt