Giáo trình nghiên cứu ứng dụng quy trình cảm biến hóa với khối xử lý vi mạch tần số p9 ppt

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 97 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội b) Duy trì hiển thị chân INTR . Nếu INTR xuống thấp thì việc chuyển đổi đợc hoàn tất và ta có thể sang bớc kế tiếp. Nếu INTR cao tiếp tục thăm dò cho đến khi nó xuống thấp. c) Sau khi chân INTR xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung cao - xuống - thấp đến chân RD để lấy dữ liệu ra khỏi chíp ADC 804. Phân chia thời gian cho quá trình này đợc trình bày trên hình 3.14. Hình 3.14: Phân chia thời gian đọc và ghi của ADC 804. Mặt khác, chúng ta có thể kiểm tra ADC 804 bằng cách sử dụng sơ đồ mạch trên hình 3.15. thiết lập này đợc gọi là chế độ kiểm tra chạy tự do và đợc nhà sản xuất khuyến cao nên sử dụng. Hình 3.15 trình bày một biến trở đợc dùng để cắp một điện áp tơng tự từ 0 đến 5V tới chân đầu vào. V in (+) của ADC 804 các đầu ra nhị phân đợc hiển thị trên các đèn LED của bảng huấn luyện số. Cần phải lu ý rằng trong chế độ kiểm tra chạy tự do thì đầu vào CS đợc nối tới đất và đầu vào WR đợc nối tới đầu ra INTR . Tuy nhiên, theo tài liệu của hãng National Semiconductor nút WR và INTR phải đợc tạm thời đa xuống thấp kế sau chu trình cấp nguồn để bảo đảm hoạt động. CS D0 Data out Read it End Start WR INT R RD 8051 A DC804 P2.5 P2.6 P1.0 D0 CLK IN CLK R V CC Vin ( + ) Vin ( - ) 150 p F 5V 10k 10k POT RD WR . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 98 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội Hình 3.15: Nối ghép ADC 804 với nguồn đồng hồ riêng. 3.2.2. Cảm biến quang Định nghĩa. Các cảm biến quang đợc sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện. 3.2.2.1. Tế bào quang dẫn Đặc trng của các cảm biến điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lợng bức xạ và phổ của bức xạ đó. Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tợng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng điện nôi: hiện tợng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu. 3.2.2.1.1. Vật lý quang dẫn Dới đây xét mô hình đơn giản để rút ra các mối quan hệ định lợng giữa các đại lợng. Giả sử có một tấm bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại n với nồng độ các donor N d có mức năng lợng nằ dới vùng dẫn một khoảng bằng W d ( hình 2.2.1 ). Giả sử năng lơng ion hóa nguyên tử donor W d đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong bóng tối nồng độ n 0 của các donor bị ion hóa do nhiệt là nhỏ. ở trong tối, nồng độ điện tử đợc giải phóng trong một đơn vị thời gian nào do kích . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 99 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội thích nhiệt từ các nguyên tử donor tỷ lệ thuận với nồng độ của các tạp chất cha bị ion hóa(N d -n 0 ) trong đó: a exp(-q W d /k.T) (3.17) Biểu thức của a cho ta thấy nhiệt độ có vai trò ảnh hởng quan trọng. Số điệ tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hóa trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với nồng độ các nguyên tử đã bị ion hóa n 0 và với nồng độ điện tử cũng chính bằng n 0 , nghĩa là tỷ lệ với r.n 0 . Trong đó r là hệ số tái hợp. Hình 2.16.: Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lợng của điện tử Phơng trình độnh học của quá trinh tái hợp biểu diễn sự thay đổi của mật độ điên tử tự do có dạng: d t dn0 = a(N d - n 0 ) r.n 0 . (3.18) ở trạng thái cân bằng ta có: d t dn0 = 0 (3.19) . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 100 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội Kết hợp với (2.2) ta đợc: n 0 = - r a 2 + 2 1 2 2 4 + r aN r a d (3.20) Độ dẫn trong tối đợc biểu diễn bởi biểu thức: 0 = qn 0 (3.21) Trong đó là độ linh động của điện tử và q là giá trị tuyệt đối của điện tích của điện tử. Khi nhiệt độ tăng độ linh động giảm nhng mật độ n 0 tăng bởi vì sự kích thích nhiệt rất lớn và ảnh hởng của nó là quyết định đối với độ dẫn. Khi chất bán dẫn bị chiếu sáng, các photon (năng lợng h W d ) sẽ ion hóa các nguyên tử donor giải phóng ra g điện tử trong một giây trong một đơn vị thể tích. Các điện tử này sẽ bổ sung thêm vào số các điện tử đợc giải phóng do kích thích nhiệt. Số điện tử g đợc tính theo biểu thức: g = V G = L A . 1 . h )1( R . (3.22) Trong đó V = A.L, ý nghĩa của A và L thể hiện trên hình 2.16, G là số điện tử đợc giải phóng trong một đơn vị thời gian. Phơng trình động học của tái hợp trong trờng hợp này có dạng: d t dn = a(N d n) + g - r.n 2 (3.23) Thông thờng bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử do các photon giải phóng sẽ lớn hơn rất nhiều so với số điện tử đợc giải phong do nhiệt: g >> a(N d n) và n >> n 0 (3.24) Trong những điều kiện nh vậy có thể rút ra phơng trình động học cho mật độ của điện tử ở điều kiện cân bằng dới tác dụng của chiếu sáng: n = 2 1 r g (3.25) Độ dẫn tơng ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng 0 = qn 0 . . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 101 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội Nếu tính đến biểu thức của g có thể nhận thấy rằng độ dẫn là hàm không tuyến tính của thông lợng ánh sáng: nó thay đổi theo 1/2 . Kết quả này rất quan trọng, thực nghiệm đã chứng minh số mũ của nằm giữa 0,5 và 1. Nếu tính toán kỹ lỡng hơn thì cần phải xét đến ảnh hởng của các tâm bắt hạt dẫn trên thực tế các tâm này luôn tồn tại trong vật liệu. 3.2.2.1.2. Vật liệu để chế tạo cảm biến Cảm biến quang thờng đợc chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ: - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe PbS, PbSe, PbTe. - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe. 3.2.2.1.3. Các đặc trng 3.2.2.1.3.1.Điện trở Giá trị điện trở tối R C 0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích thớc, nhiệt độ và bản chất hóa lý của vật liệu quang dẫn. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn (từ 10 4 ữ 10 9 ở 25 0 C ), trong khi đó SbIn, SbAs, CdHgTe lại có điện trở tối tơng đối nhỏ (từ 10 ữ 10 3 ở 25 0 C ). Điện trở R C của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Trên hình 2.2.1.3.1 là một thí dụ cu thể về sự thay đổi của điện trở của một tế bào quang dẫn nh là hàm của độ rọi sáng. . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 102 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội Hình 2.17: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng Các tính chất của một tế bào quang dẫn có thể đợc biểu diễn bằng một mạch tơng đơng, trong đó điện trở tối R C 0 mắc song song với một điện trở R C P xác định bởi hiệu ứng quang điện do chiếu ánh sáng và có dạng: R C P = a. (3.26) Trong đó a phụ thuộc mạnh vào vật liệu, nhiệt độ và phổ bức xạ ánh sáng, có giá trị từ 0,5 ữ 1. Vì vậy khi chiếu sáng điện trở sẽ là: R C = PRC 0 RC P 0.RC RC + = - - a. 0RC .a. 0 RC + (3.27) Thông thờng R CP << R C 0 cho nên R C = a. . Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lợng ánh sáng không tuyến tính . Tuy nhiên có thể tuyến tính hóa nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn. Điện trở R C (khi bị chiếu sáng) phụ thuộc vào nhiệt độ:Độ nhạy nhiệt của tế bào quang dẫn càng nhỏ khi bị độ rọi sáng càng lớn. Giá trị của điện trở sẽ bị giảm tuy rất chậm ở những đièu kiện làm việc giới hạn khi độ rọi sáng và điện áp đặt vào quá lớn. Ngời ta rút ra kết luận rằng hiệu ứng già hóa này tơng đối rõ ràng ở những vật liệu có hệ số nhiệt cao. 3.2.2.1.3.2.Độ nhạy . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 103 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội Theo sơ đồ tơng đơng của một tế bào quang dẫn, độ dẫn điện của tế bào là tổng thể của độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng: G C =G C 0 + G C P (3.28) Trong đó: + G C 0 =1/R C 0 là độ dẫn trong tối. + G C P =1/R C P =1/ a. là độ dẫn quang. Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, sẽ có dòng điện I chạy qua nó: I = G C .V = G C 0 .v + G C P .V = I 0 + I P (3.29) Trong điều kiện sử dụng thông thờng thì I 0 << I P do đó dòng quang điện của tế bào quang dẫn đợc xác định bởi biểu thức: I P = a V . (3.30) Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỷ lệ chuyển đổi tĩnh: 1 = a V . 1 y (3.31) Và độ nhạy: I = a V . 1 y (3.32) Từ hai biểu thức này ta có thể thấy: + Nếu tính đến các giá trị của thì tỷ lệ chuyển đổi tĩnh và độ nhay có cùng độ lớn. + Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy của nó giảm khi bức xạ tăng( trừ trờng hợp đặc biệt khi = 1). + Độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào quang dẫn.Điều này chỉ đúng khi điện áp đủ nhỏ để hiệu ứng joule không làm thay đổi nhiệt độ (vì nhiệt độ cao sẽ làm giảm độ nhạy) 3.2.2.1.4. ứng dụng của tế bào quang dẫn Tế bào quang dẫn đợc chú ý sử dụng bởi chúng có tỷ lệ chuyển đổi tĩnh và độ nhạy cao cho phép đơn giản hóa trong việc ứng dụng. Nhng tế bào quang dẫn cung có một số nhợc điểm nh: . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 104 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội - Hồi áp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào thông lợng . - Thời gian hồi đáp lớn. - Các đặc trng không ổn định(già hóa). - Một số loại đòi hỏi phải làm nguội. Trong thực tế, các tế bào quang dẫn thờng đợc ứng dụng trong hai trờng hợp : - Điều khiển rơ le: Khi có thông lợng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở R của nó giảm xuống đáng kể đủ để cho dòng điện I chay qua tế bào. Dòng điện này đợc sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuếch đại để đóng mở rơ le. a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua Tranzito khuếch đại Hình 3.18: Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển RơLe - Thu tín hiệu quang: tế bào quang dẫn có thể đợc sử dụng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ đợc phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, do vậy các thông tin mà xung ánh sáng mang đến sẽ đợc thể hiện trên xung điện. Ngời ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa. 3.2.2.1.5. ứng dụng của cảm biến quang để đo cờng độ ánh sáng. . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 105 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội Hình 3.19: Sơ đồ mạch nguyên lý mạch đo cờng độ ánh sáng. Nguyên lý mạch do: Dựa vào nguyên lý thay đổi điện trở của quang trở R1 theo cờng độ ánh sáng chiếu vào bề mặt ta có thể xác định đợc cờng độ ánh sáng thông qua thông số điện trở của quang trở. Các linh kiện D1,C1,C2,C3,U3 7805 nhằm tạo ra một điện áp 5V từ nguồn 24V để cung cấp cho mạch so sánh. Trong mạch so sánh, một điện áp biến đổi từ 0 ữ 5V ứng với cờng độ ánh sáng đợc tạo ra nhờ R2,R3,R1 Điện trở R2,R3 nhằm giảm dòng qua quang trở. Điện áp lấy ra giữa R1,R2 đợc đa vào một đầu so sánh thuật toán LM324 khi không có ánh sáng chiếu vào thì điện áp ở chân 3 của thuật toán ~5V, khi có ánh sáng chiếu vào thì R1 tiến dần tới 0 , do đó áp tại chân 3 tiến dần tới 0 V tùy vào cờng độ ánh sáng. Biến trở R6 để tạo ra một điện áp (0 ữ 5V), là điện áp đặt để so sánh với điện áp tạo ra từ chân của quang trở. Nh vậy để xác định một điểm cờng độ sáng nào đó thì ta đặt một điện áp tơng ứng trên chân 2, khi ánh sáng xuống dới ngỡng . Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Tú _ Lớp TĐH46 Khoa cơ điện - 106 - Trờng ĐHNNI_ Hà Nội thì trên chân 3 sẽ có một điện áp lớn hơn điện áp đặt, ở đầu ra của so sánh thuật toán sẽ có mức điện áp cao (5V). Điện áp này sẽ kích mở transistor C828 qua điện trở bảo vệ R4, khi transistor mở sẽ có một điện áp 24V vào cuộn dây Relay, ở chân tiếp điểm của Relay ta có thể cấp nguồn 24V để đa vào PLC xử lý Phần mạch in: Hình 3.20: Sơ đồ mạch in mạch đo cờng độ ánh sáng. 3.2.2.1.6. Kết quả thí nghiệm với cảm biến quang. Dụng cụ thí nghiệm: + Cảm biến quang. + Máy đo cờng độ ánh sáng EXTECH. - Máy có thể đo cờng độ ánh sáng từ 0 ữ 100000 lux. - Máy có hai thang đo: Nếu ta đo từ 0 ữ 19999 lux thì đặt ở thang đo x10. Nếu ta đo từ 20000 ữ 500000 lux thì ta đặt ở thang đo x 100. + Đồng hồ vạn năng. (Chỉ thị số). + ổn áp, có thể điều chỉnh điện áp từ 0 ữ 220 V. Để điều chỉnh sự sáng tối của bóng đèn làm thí nghiệm. + Đèn sợi đốt công suất 60 W. Do trong bài ta cần đo ánh sáng từ 30000 ữ 80000 lux nên ở máy đo cờng độ ánh sáng ta đặt ở thang đo x 100. Trong quá trình làm thí nghiệm ta thu đợc kết quả cho ở bảng sau: Số lần t hí n ghiệm Điện áp ra Đơn vị (mV) Cờng độ ánh sáng x 100 Đơn vị (lux) ố lần h í ghiệm Điện áp ra Đơn vị (mV) Cờng độ ánh sáng x100 Đơn vị (lux) 1 574 8 13 49 526 . [...]... 44,9 686 78,5 360 22 44,4 700 76 392 23 44,2 710 73 400 24 44 720 Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm với cảm biến quang Từ bảng kết quả trên ta tổng hợp và xử lý số liệu ta tổng hợp hàm số về sự phụ thuộc của điện áp vào cờng độ sáng: Để vi c tìm hàm phụ thuộc đợc đơn giản ta xử lý và lấy 10 số liệu nh ở bảng sau đây: Số lần thí nghiệm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Điện áp ra (y) Đơn vị (mV) 574 473 242 196 91.2 76 49... Tính toán hệ số tơng quan ta có: = Khoa cơ điện Nội 11 x y (3.33) - 107 - Trờng ĐHNNI_ Hà Đồ án tốt nghiệp TĐH46 Nguyễn Văn Tú _ Lớp 1 n n với 11 = ( xk yk x y ) (3.34) 1 Thay số vào ta có: 11 = 1 (247076,8 65111,65) 10 11 =18196,51 Và x y =263,77.183,19 = 48320,02 Vậy hệ số tơng quan là: = 18196,,51 = 0,37 48320 02 Nh vậy ta thấy giữa x và y có quan hệ không tuyến tính Qua số liệu ta thu... giữa x và y có quan hệ không tuyến tính Qua số liệu ta thu đợc ta dự báo hàm của hai đại lợng x và y trên có dạng hyperbol với x>0 và y>0 a , với x>0 và y>0 x 1 Đặt Y = y và X = ta có: Y = a.X x 1 Tính toán với Y = y và X = ta đợc số liệu cho ở bảng 2.3.1.6c sau: x Hàm có dạng y = Số lần thí nghiệm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Điện áp ra Đơn vị y (mV) 574 473 242 196 91.2 76 49 46 45 44 Y = 1836,2 Y = 183,62... Y2 =672756,44 Y = 183,19 Y 2 =33716,3 Cờng độ ánh sáng x 100 Đơn vị x (lux) 0,125 0,043 0,01 0,0054 0,0039 0,006 0,002 0,0015 0,0048 0,0014 X = 0,203 X = 0,0203 X2 = 0,0177 X =0,037 X 2 =0,00041 áp dụng phơng pháp bình phơng cực tiểu ta có điều kiện: Khoa cơ điện Nội - 108 - Trờng ĐHNNI_ Hà . 24V để đa vào PLC xử lý Phần mạch in: Hình 3.20: Sơ đồ mạch in mạch đo cờng độ ánh sáng. 3.2.2.1.6. Kết quả thí nghiệm với cảm biến quang. Dụng cụ thí nghiệm: + Cảm biến quang. + Máy. nghiệm với cảm biến quang. Từ bảng kết quả trên ta tổng hợp và xử lý số liệu ta tổng hợp hàm số về sự phụ thuộc của điện áp vào cờng độ sáng: Để vi c tìm hàm phụ thuộc đợc đơn giản ta xử lý. mang đến sẽ đợc thể hiện trên xung điện. Ngời ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa. 3.2.2.1.5. ứng dụng của cảm biến quang để đo cờng độ ánh sáng. . Đồ án tốt