Hệ thống khiển tự động phục vụ trong công nghiệp

Tài liệu tham khảo Hệ thống khiển tự động phục vụ trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

-oOo -

BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

CẤP BỘ NĂM 2005-2006

Tên đề tài: Hệ điều khiển tự động

phục vụ trong nông nghiệp

Mã số: 2005-29-35

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hữu Lộc

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng và các nước trên thế giới đang ngày càng áp dụng các kỹ thuật tiên tiến vào tất cả các lĩnh vực như: kinh tế, công nghiệp, nông nghiệp v.v…

Với những quốc gia có nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu, người ta luôn luôn tìm mọi cách để nâng cao năng suất đồng thời cố gắng giảm chi phí đầu tư đến mức có thể Để đạt được hiệu quả trên, cần phải chủ động trong quá trình sản xuất nghĩa là nhà sản xuất phải làm chủ được các yếu tố tác động trực tiếp đến quá trình sinh trưởng của cây trồng mà trước đây chúng hoàn toàn phụ thuộc vào thiên nhiên

Những nông dân trước đây chỉ dừng ở “nước, phân, cần, giống” để đạt được năng suất cao, các yếu tố liên quan khác chỉ biết nhờ “trời” Ngày nay, với việc ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghệ, nông dân càng có nhiều điều kiện hơn để chủ động trong quá trình sản xuất Vì vậy một trong những biện pháp để giải quyết vấn đề phụ thuộc quá nhiều vào các yếu tố do thiên nhiên tác động lên cây trồng là áp dụng nhà kính để sản xuất nông sản

Xu hướng này đang ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới do ưu điểm là làm chủ được các yếu tố tác động lên cây trồng như: nhiệt độ, độ ẩm, lượng thông gió, cường độ ánh sáng, v.v….Vấn đề được đặt ra là cần xây dựng hệ thống điện tử điều khiển tự động quá trình vận hành trong nhà kính sao cho các yếu tố tác động đến cây trồng đảm bảo được quá trình sinh trưởng một cách tối ưu

Vấn đề này đã được nông dân Đà lạt quan tâm trong thời gian gần đây Hiện nay “nhà kính” làm bằng vật liệu polyme đang được đưa vào sử dụng song các hệ thống điện tử tự động đáp ứng các yêu cầu cần thiết chưa được triển khai do nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan Bộ môn Điện tử Khoa Vật lý đã triển khai một đề tài nghiên cứu thiết kế một hệ điều khiển tự động phục vụ trong nhà kính

Trong báo cáo này, tôi xin trình bày hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp mà cụ thể là thiết kế một hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính theo 4 phần sau:

Phần 1: Tổng quan về nhà kính và hệ điều khiển tự động

Phần 2: Sơ lược về những linh kiện đã chọn để tạo hệ điều khiển tự động Phần 3: Thực hiện hệ điều khiển tự động

Phần 4: Xây dựng phần mềm

PHẦN 1 : TỔNG QUAN VỀ NHÀ KÍNH VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

I) ĐẶT VẤN ĐỀ:

Đà Lạt là một địa phương trồng rau và hoa nổi tiếng trong cả nước Để có thể xuất khẩu và cung cấp cho cả nước những loại hoa đẹp và rau xanh cao cấp, các nhà vườn tại Đà lạt đã không ngừng áp dụng các biện pháp hữu hiệu, trong đó việc sử dụng nhà kính là một biện pháp được sử dụng nhằm khắc phục những yếu tố môi trường không có lợi tác động đến cây trồng như mưa đá, sự khác biệt nhiệt độ giữa ngày và đêm, độ ẩm cao trong những tháng mùa mưa Vấn đề đặt ra: làm sao chúng ta có thể làm chủ được các chế độ trồng trọt hợp lý cho từng loại cây trồng một cách chính xác?

Ngày nay, với sự phát triển của các vi mạch điện tử số, các bộ vi xử lý, các vi mạch logic lập trình được v.v… người ta đã tạo ra các hệ thống điều khiển tự động đáp ứng các yêu cầu đảm bảo môi trường trồng trọt phù hợp trong nhà kính Đây là một bước phát triển mới trong việc áp dụng các thành tựu kỹ thuật công nghệ trong nông nghiệp Những hệ thống thô sơ, trước đây chỉ sử dụng một số thiết bị cơ khí điều khiển bằng tay với tốc độ xử lý chậm, dần dần được thay thế bằng những hệ thống điều khiển tự động đạt tốc độ xử lý nhanh vớiø những hệ điện tử điều khiển bằng các chương trình Một trong những thiết bị đáp ứng được yêu cầu đó là hệ thống điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính

II) GIỚI THIỆU VỀ NHÀ KÍNH:

1 Khái niệm nhà kính:

Nhà kính là nơi có thể trồng một loại cây, một loại hoa, một loại rau nào đó theo ý muốn của người trồng Đây là một nơi tương đối đặc biệt để trồng những hoa, quả trong môi trường do ta làm chủ Có thể nói đây là một nơi người nông dân có thể trồng trọt tuỳ ý nghĩa là có thể trồng trọt bất cứ loại cây trồng nào ở bất cứ thời điểm nào và bằng cách riêng nào đó Khi sử dụng nhà kính người ta có thể điều khiển được nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và lượng thông gió là những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình sinh trưởng của cây trồng

Nhà kính thường được cấu tạo bằng các hợp chất trong suốt cho phép ánh sáng chiếu đến vùng đất trồng trọt, nhờ đó người ta có thể khống chế độ sáng đến cây trồng nhờ điều khiển bộ phận che chắn trong những ngày có nắng to Ngược lại, người ta cũng có thể tạo sáng theo yêu cầu nhờ dàn đèn

trong những thời điểm thiếu sáng Như vậy bất kể ngày đêm, ngày nắng cũng như ngày mưa người nông dân đều có được độ sáng thích hợp cho loại cây đang trồng (xem hình 1.1)

Hình 1.1: Mô hình một nhà kính

2 Phân loại nhà kính:

Có rất nhiều cách phân loại nhà kính, tuy nhiên đa số người ta chọn phân loại nhà kính theo nhiệt độ và cách sử dụng

Có thể phân chia thành 3 loại nhà kính sử dụng cơ bản dựa vào nhiệt độ cần thiết cho cây trồng phát triển Đó là các nhà kính mát (the cool greenhouse), nhà kính ấm (the warm greenhouse) và nhà kính nóng(the hot greenhouse )

Nhà kính nóng thường giữ nhiệt độ thấp nhất là 18oC Người ta có thể chọn giữ nhiệt độ cao cần thiết, loại nhà kính này thường dùng để trồng các cây miền nhiệt đới Ở đây cần phải nâng nhiệt độ làm nóng môi trường cũng như tăng độ chiếu sáng đáp ứng các đòi hỏi của các loại cây miền nhiệt đới

Nhà kính ấm thường có nhiệt độ nằm trong vòng 13 oC Trong điều kiện ấm này, có thể thấy hầu hết các cây trồng ôn đới đều phát triển giống như trong tự nhiên Với nhà kính này thường nhu cầu cần thiết là giữ độ sáng cũng là đảm bảo nhiệt độ phù hợp trong những mùa mưa (hoặc mùa đông)

Nhà kính mát thường có nhiệt độ nằm trong khoảng từ 4oC đến 8oC Nhiệt độ trong khoảng này cần thiết cho nuôi cấy cây giống hoặc những giống cây trồng không đòi hỏi nhiệt độ cao hơn để phát triển Để giữ môi

trường này ổn định cần thiết phải giảm độ sáng cũng như nhiệt độ trong những tháng mùa nắng nóng (hoặc mùa hè)

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng:

™ Nhiệt độ: là một nhân tố giữ vai trò quyết định các hoạt động

sinh lý như: quang hợp, hô hấp, thoát hơi nước v.v…Nhiệt độ là nhân tố hoạt động quan trọng kích thích hạt giống nảy mầm

™ Độ ẩm: ảnh hưởng trực tiếp đến nảy mầm hạt giống, sinh

trưởng và chất lượng cây tái sinh.v.v… Nếu độ ẩm cao cũng có thể gây ra nấm mốc, ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng (úng thối, héo lá )

™ Ánh sáng: tác động đến khả năng quang hợp và sự sinh trưởng

của cây trồng

Hình 1.2: Quang hợp trong nhà kính

™ Thông gió: Các cửa sổ hoặc thông gió giúp đẩy hơi nóng ra

ngoài nhờ các quạt hoặc tận dụng hướng gió Ngay cả khi không được mát, không khí lưu thông trong nhà kính vẫn khiến cho cây trồng tươi hơn và có khả năng sinh trưởng tốt hơn Nếu không khí không được lưu thông thì cây trồng cũng có thể bị cháy hoặc héo do nắng nóng Độ ẩm cũng thay đổi do thông

gió

Hình 1.3: Thông gió trong nhà kính

Do đó khi xây dựng nhà kính và hệ thống điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính cần phải quan tâm đến các yếu tố trên

3 Đại lượng vật lý cần đo:

™ Nhiệt độ: Trong những thời điểm khác nhau, nhiệt độ trong

nhà kính thay đổi Nhiệt độ trong nhà kính có thể lên đến 60

-70oC trong mùa nắng (mùa hè) nếu không thông gió Sử dụng hệ đo nhiệt độ giúp điều khiển được môi trường trong nhà kính Khi biết nhiệt độ trong những ngày mưa lạnh (mùa đông), người ta sẽ biết lúc nào cần làm nóng lên môi trường trong nhà kính

Nông dân có thể sử dụng rất nhiều hệ đo nhiệt khác nhau Có loại chỉ đo nhiệt độ chung trong nhà kính, có loại đo nhiệt độ lẫn độ ẩm và cũng có loại vừa đo nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp của nhà kính Nông dân có thể điều khiển môi trường trồng cây thông qua hệ đo nhiệt

Hệ đo nhiệt độ tốt nhất là hệ cho ta biết nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp, nó có thể giúp ta biết khi nào cần thông gió nhiều hơn và cho ta biết khi nào thì sức nóng chưa đủ

Vị trí đặt hệ đo cũng rất quan trọng Nếu cây trồng đặt trên giàn giá thì tốt nhất hệ đo nhiệt được đặt ngay trên giàn giá Đôi khi nhiệt độ ở trên mái nhà kính sẽ lớn hơn nhiều nhiệt độ trên giàn giá, tại đây nhiệt độ thường điều hoà hơn Do vậy thường người ta dùng hai cảm biến đo nhiệt độ: một đặt gần mái nhà và một đặt tại giàn giá

™ Độ ẩm: Hoạt tính của động thực vật bao giờ cũng phụ thuộc

vào hàm lượng nước hay hơi nước trong không khí rất lớn, thay đổi nhiều khi cho thu nhận hay cho thoát bớt hơi nước Hàm lượng hơi nước này được gọi là độ ẩm, có diễn biến rất lớn

trong thiên nhiên

Độ ẩm cao của không khí có thể có hậu quả nghiêm trọng đối với các quá trình lý hoá và sinh lý Trong đời sống, độ ẩm tương đối cần phải duy trì để đảm bảo cảm giác dễ chịu cho con người thay đổi trong khoảng tương đối rộng: từ 35% đến 70% Nếu độ ẩm tương đối thấp hơn 35%, bộ máy tiêu hoá bị kích thích, còn nếu lớn hơn 70% thì sự ra mồ hôi sẽ bị giảm nghiêm trọng Nói chung độ ẩm ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng: độ ẩm càng cao thì càng tốn phí năng lượng để có cùng điều kiện môi trường

Trong công nghiệp thực phẩm, độ ẩm cao quá làm cho thực phẩm bị hỏng và thấp quá làm giảm trọng lượng do bay hơi nước

™ Thông lượng ánh sáng (Φ): là năng lượng phát xạ, lan truyền

hay hấp thụ dưới dạng bức xạ trong một đơn vị thời gian Thông lượng được đo bằng watt Trong những thời điểm khác nhau, thông lượng ánh sáng thay đổi, ảnh hưởng đến nhiệt độ và độ ẩm trong nhà kính Có thể sử dụng màn che trong nhà kính để làm thay đổi thông lượng ánh sáng

4 Các chức năng cần điều khiển:

™ Mở/đóng cửa:

Các cửa liếp đặt gần mái nhà kính có khả năng mở/đóng giúp điều hoà nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính cũng như giúp thông gió trong nhà kính mà không tiêu thụ quá nhiều năng lượng

™ Mở/đóng quạt:

Một khi nhiệt độ tăng quá cao, độ ẩm vượt mức giới hạn, cần thiết phải có sự điều chỉnh tích cực hơn, mở/đóng quạt sẽ là phương án hợp lý tuy có phải tiêu tốn năng lượng nhiều hơn

™ Tưới nước:

Trong môi trường được điều khiển, cần phải tưới nước để cây trồng phát triển Thông thường, nông dân sẽ dùng vòi tưới 'sương' để tưới cây trồng tại những vị trí cần thiết

Nên biết rằng mỗi loại cây trồng có một chế độ tưới cần thiết: khi nào, tại đâu và mức độ nào Có loại cây trồng cần tưới định kỳ mỗi ngày 1 lần, có loại chỉ tưới rễ mà không được tưới lá vì khi lá dính nước sẽ bị thối rữa hoặc bị nấm mốc Đôi khi thời điểm cần tưới nước là lúc đất mặt quanh cây trồng bắt đầu khô v.v

Tuy vậy thông thường trong nhà kính, người ta thường tưới một lần trong mỗi năm đến bảy ngày tuỳ theo mùa trong năm và cũng tuỳ theo độ ẩm của đất

™ Chắn sáng:

Để tạo ra môi trường tuyệt hảo cho cây trồng, người ta cần biết điều tiết không khí mát, sức nóng, lượng nước có trong nhà kính

Trong những ngày nắng nóng (mùa hè), ánh sáng mặt trời được chiếu thẳng vào nhà kính làm nhiệt độ trong nhà kính tăng lên Khi ấy cần phải che chắn nhà kính để làm giảm nhiệt độ trong nhà kính đồng thời kết hợp với việc thông gió và sử dụng quạt sẽ làm mát môi trường trồng trọt Việc che sáng có thể giúp cho nhiệt độ giảm xuống hai mươi phần trăm

™ Sưởi ấm:

Trong những ngày mưa lạnh (mùa đông), chỉ có thể nâng nhiệt độ lên nhờ hệ thống sưởi hoặc một dàn đèn (Số lượng đèn sử dụng phụ thuộc vào loại đèn và kích thước nhà kính)

III GIỚI THIỆU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG TRONG NHÀ KÍNH:

Trong những hệ thống tự động hoá công nghiệp ngày nay, để đo lường và điều khiển tự động các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm v.v , người ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng điện (điện áp, dòng điện ) bằng những bộ "chuyển đổi" hoặc cảm biến chính xác và tin cậy trong lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động

Có 2 loại biến đổi cơ bản là chủ động và thụ động

Chủ động là trực tiếp biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng khác không cần nguồn năng lượng bên ngoài kích thích Thí dụ: cặp nhiệt điện, photodiode v.v

Thụ động là không trực tiếp biến đổi năng lượng mà phải được điều khiển từ nguồn năng lượng khác Thí dụ là cảm biến nhiệt bán dẫn, cầu điện trở v.v

Trong một hệ điều khiển, cảm biến thường nằm ở phần đầu của hệ

1 Chức năng hệ điều khiển tự động:

Hầu hết các hệ điều khiển tự động có hai chức năng chính:

™ Cung cấp cho ta kết quả đo được đại lượng đang khảo sát (kết quả này được chỉ thị hoặc được ghi lại trong suốt quá trình đo)

™ Kết quả ấy được dùng để tự động điều khiển đại lượng nào đó

2 Sơ đồ khối của hệ đo cơ bản:

Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó, tuỳ thuộc vào đặc tính của đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau

1

Chuyển đổi

Mạch

Hình 1.4: Sơ đồ khối của một hệ thống đo cơ bản

¾ Khối chuyển đổi: nhận trực tiếp các đại lượng vật lý (không điện)

đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi các đại lượng đó thành các đại lượng vật lý (điện) thống nhất (dòng điện hay điện áp) để thuận lợi cho việc xử lý

¾ Mạch đo: tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi

sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị

¾ Khối chỉ thị: biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể

hiện kết quả

3 Tổng quan về hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính:

Hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính gọi đầy đủ là hệ thống

đo và điều khiển sử dụng trong nhà kính, ngoài ra còn có thể nói ngắn gọn là hệ điều khiển tự động (automatic controller)

Hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính gồm có bộ phận chính là một hệ đo cơ bản (nhiệt độ, độ ẩm, thông lượng ánh sáng) và kế tiếp là phần điều khiển tác động đến các phần tử như khoá đóng/mở cửa, màn chắn, quạt, sưởi nóng và tưới

Dựa trên công dụng của hệ, người ta có thể chia ra làm 2 loại: chuyên dụng (specific) và đa dụng nghĩa là có khả năng lập trình được (programmable)

Trong ba đại lượng vật lý cần đo, nhiệt độ là đại lượng đo tiêu biểu nhất, do vậy thay vì phải trình bày cả ba đại lượng đo trong phần tiếp này chỉ cần đưa nhiệt độ là đại lượng đo đại diện cho các đại lượng cần đo

Tùy theo mức độ thực hiện, người ta còn phân biệt hệ điều khiển loại đơn giản nhất là hệ điều khiển mở- đóng (on-off controller) Ngõ ra hoặc đóng hoặc mở (khoá) và đương nhiên không có trang thái trung gian Hệ điều khiển mở/đóng chỉ chuyển khoá khi nhiệt độ vượt qua một giá trị đạt trước Tuy nhiên hệ điều khiển sẽ mở đóng liên tục khi nhiệt độ tăng giảm quanh giá trị đặt trước, lúc ấy cần phải thêm vào hệ điều khiển bộ phận vi sai mở-đóng (on-off differential) Nhờ đó nhiệt độ sẽ vượt qua điểm đặt trước một khoảng đáng kể trước khi ngõ ra đóng hoặc mở trở lại Điều khiển đóng-mở thường được sử dụng khi không cần độ chính xác quá cao Một hệ điều khiển nhiệt đóng mở đặc biệt là hệ điều khiển giới hạn (limit controller), thường được sử dụng để dừng một quá trình khi nhiệt độ đạt đến một giá trị nào đó

Hệ điều khiển nhiệt độ tỷ lệ (Proportional temperature controller) được thiết kế để khử sự nhập nhằng gặp phải như đã nêu trong điều khiển mở-đóng Thí dụ khi nhiệt độ đạt đến giá trị nào đó thì giảm nguồn nuôi cho phần sưởi nóng Lúc ấy nhiệt độ sẽ giữ ổn định Quanh giá trị nhiệt độ đặt trước (set point) là vùng tỷ lệ (proportional zone) Ngoài vùng này, hệ điều khiển hoạt động như hệ mở-đóng, dưới vùng này là vùng mở (fully on) còn trên vùng này là vùng đóng (fully off) Tuy vậy trong vùng tỷ lệ này, ngõ ra hệ điều khiển nhiệt độ mở và đóng tỷ lệ với sai phân từ giá trị nhiệt độ đặt trước nghĩa là tại điểm giữa của vùng tỷ lệ, thời gian mở và thời gian đóng bằng nhau và như vậy nhiệt độ ổn định Nếu nhiệt độ ở dưới giá trị đặt trước, ngõ ra mở lâu hơn, còn nếu nhiệt độ quá cao thì ngõ ra đóng lâu hơn

Hệ điều khiển nhiệt độ PID kết hợp điều khiển tỷ lệ với 2 phần điều chỉnh được gọi là tích phân (integral) và đạo hàm (derivative) Chúng giúp điều chỉnh tự động các thay đổi của hệ Hệ điều khiển nhiệt độ PID là hệ ổn

định và chính xác nhất Người ta thường chọn sử dụng hệ điều khiển nhiệt độ PID khi có yêu cầu cao về chất lượng

Khối xử lý

Khối hiển thị

Khối Điều khiển

Khối chuyển đổi

Hình 1.5: Sơ đồ khối của hệ điều khiển

PHẦN 2: SƠ LƯỢC VỀ NHỮNG LINH KIỆN ĐÃ CHỌN

ĐỂ TẠO HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

I GIỚI THIỆU CHUNG

Bộ vi điều khiển (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, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó

Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng

Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công ty bán dẫn hàng đầu thế giới chế tạo Đứng đầu là công ty Intel và rất nhiều công ty khác như : Atmel, AMD, Siemens, Philips, Dallas, OKI …

Ngoài việc chọn sử dụng bộ vi điều khiển 89C51 là chính để điều khiển và giải mã, chúng tôi còn chọn các cảm biến nhiệt LM35, cảm biến độ ẩm NH3, cảm biến quang CdS, chip ADC0809 và các IC ổn áp 7812,

7805 để xây dựng hệ thống, chúng tôi chỉ sơ lược trình bày những thông số kỹ thuật của các linh kiện này đồng thời nêu 1 số mạch sử dụng trong quá trình thiết kế cũng như các đồ thị, đáp tuyến liên quan

II KHẢO SÁT BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 89C51

o 4 cổng vào/ra 8bit

o Hai bộ định thời 16bit

o Giao tiếp nối tiếp

o 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

o 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

o Một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn)

o 210 bit được địa chỉ hóa

™ Các thông số kỹ thuật

cần quan tâm khi sử dụng 89C51

o Điện áp nguồn nuôi: Vcc = 5,0V± 20%

o Khoảng nhiệt độ hoạt động được: -550C đến 1250C

o Điện áp ra ở mức thấp(cổng 1,2,3)là Vol = 0,45V với điều kiện

Iol = 1,6mA

o Điện áp ra ở mức thấp (cổng 0, ALE,PSEN ) là Vol1 = 0,45V

với điều kiện Iol = 3,2mA

o Điện áp ra ở mức cao(cổng 1,2,3,ALE, PSEN ) là

- VOH = 2,4V;với điều kiện IOH = -60μA,VCC=5V ± 10%

- VOH = 0,75VCC; với điều kiện IOH = -25 μA

- VOH = 0,9VCC ; với điều kiện IOH = -10 μA

o Điện áp ra ở mức cao(cổng 0):

- VOH1 = 2,4V với điều kiện IOH = -800 μA,VCC = 5V± 10%

- VOH1 = 0,75VCC với điều kiện IOH = -300μA

- VOH1 = 0,9VCC với điều kiện IOH = -80 μA

o Dòng điện cung cấp nguồn:

- ICC = 20mA với điều kiện ở chế độ hoạt động, tần số 12MHZ

- IC C = 50mA với điều kiện ở chế độ không hoạt động, tần số 12MHZ

o Dòng điện tiêu thụ:

- ICC = 100 μA vời điều kiện VCC = 6V

- ICC = 40 μA vời điều kiện VCC = 5V

o Dòng điện ở lối ra( cổng 1,2,3) IOL=15 mA

o Dòng điện ở lối ra (cổng 0) IOL = 26mA

2 CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA 89C51

Phần chính của vi điều khiển là bộ xử lí trung tâm (CPU: central processing unit) bao gồm :

o Thanh ghi tích lũy A

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

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

o Từ trạng thái chương trình (PSW : Program Status Word)

o Bốn băng thanh ghi đặc biệt

o Con trỏ ngăn xếp

o Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic

Đơn vị xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài

Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt

ai bộ định thời 16 bit hoạt động như một bộ đếm

ác cổng vào/ra (port0, port1, port2, port3 ): Sử dụng vào mục đích điều

rong vi điều khiển 89C51 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ v

ộ nhớ gồm có bộ nhớ RAM và bộ nhớ EEPROM dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình

INT1

TIMER2 TIMER1

Hình 2.1 : Sơ Đồ Khối 89C51

ở bên trong Các nguồn ngắt có thể là : các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm định thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp

H

C

khiển Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớù bên ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài

EA\ RST PSEN ALE

Các thanh ghi khác

128 byte RAM

Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí Khi CPU làm việc, nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi

29 30

31

1 2 3 4 5 6 7 8

21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17

39 38 37 36 35 34 33 32

RST

XTAL2 XTAL1

PSEN

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0

P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7

P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD ALE/PROG EA/VPP

Hình 2.2 – Sơ đồ chân logic của 89C51

- Port 0 : là cổng có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 Trong

các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) có chức năng vào hoặc ra Đối với các thiết kế cỡ lớn (có sử dụng bộ nhớ mở rộng tức là có sử dụng các đường địa chỉ và dữ liệu bên ngoài bộ

vi điều khiển) cổng này sử dụng cho các đường địa chỉ thấp hoặc các đường dữ liệu Đây là cổng cực thoát D để hở (open-drained bidirectional I/O port)

- Port1 : cổng vào/ra trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu

1.0, P1.1, P1.2 … có thể dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần

PCổng 1 không có chức năng nào khác ngoài vào/ra, vì vậy chúng

ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bị ngoài

- Port2 : cổng có công dụng kép trên các chân 21 – 28 được dùng

hư các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với

ncác thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng

- Port3 : cổng có công dụng kép trên các chân 10 – 17 Các chân

ủa cổng này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các chức năng đặc biệt của 89C51 như ở bảng sau : c

Bit Tên Chức năng chuyển đổi

Chức na ủa ca chân điề ển

êng c ùc chân trên cổng 3

™ PSEN (Program Storage Enable )

Tín hiệu ra trên chân 29 Nó là tín hiệu điều khiển để cho

và thường được nối ột EPROM để cho phép đọc c

của 89C51 để giải mã lệnh Khi thi

™

phép sử dụng bộ nhớ chương trình mở rộng đến chân OE (Output Enable) của mác bytes mã lệnh

PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh Các mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh

hành chương trình trong EEPROM nội (89C51) PSEN sẽ ở mức không tác động (mức cao)

ALE (Address Latch Enable ) :

Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một

ùc kênh các bus địa chỉ và dữ

™

cách tương tự cho làm việc giải caliệu khi Port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi của nó: vừa là bus dữ liệu vừa là byte thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó, các đường Port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nửa sau chu kỳ của bộ nhớ

ác ngõ vào bộ dao động:

ư đã thấy trong các h

ip Nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19

hư đã vẽ Tần số thạch anh thông

chCác tụ giữa cũng cần thiết nthường là 12MHz

- Các chân nguồn :

89C51 vận hành với nguồn đơn +5V Vcc được nối vào chân 40 và

ss (GND) được nối vào chân 20

4

V

TỔ CHỨC BỘ NHỚ :

51 có bộ nhớ theo cấu trúc Harv

cho chương trình và dữ liệu Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ

liệu có thể ở bên trong 89C51, dù vậy chúng có thể được mơ ûrộng bằèng

các

nhiều phần : phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc

bie

thành phần ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộ nhớ chương trình và 64

Kbytes bộ nhớ dữ liệu

Bộ nhớ bên trong bao gồm EEPROM (89C51) và RAM trên chip,

RAM trên chip bao gồm

ät

Hình 2.3 : Tóm tắt các vùng bộ nhớ của 89C51

• Hai đặc tính cần lưu ý là :

o Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được xếp trong bộ nhớ và có thể được truy xuất trực tiếp như các địa chỉ bộ nhớ khác

o Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với RAM ngoài như trong các bộ vi xử lí khác

• Chi tiết về bộ nhớ RAM trên chip :

Như ta đã thấy ở hình sau, RAM bên trong 89C51 được phân chia giữa các bank thanh ghi (00H – 1FH), RAM địa chỉ hóa từng bit (20H – 2FH), RAM đa dụng (30H – 7FH) và các thanh ghi chức năng đặc biệt (80H – FFH)

RAM đa dụng:

Bảng tóm tắt bản đồ vùng nhớ trên chip data 89C51

RAM địa chỉ hóa từng bit :

89C51 chứa 210 bit được địa chỉ hóa, trong đó 128 bit là ở các địa chỉ byte 20H đến 2FH, và phần còn lại trong các thanh ghi chức năng đặc biệt

Ý tưởng truy xuất từng bit riêng rẽ bằng mềm là một đặc tính tiện lợi của vi điều khiển nói chung Các bit có thể được đặt, xóa, AND,OR …với một lệnh đơn Đa số các chi xử lí đòi hỏi một chuổi lệnh đọc – sữa – ghi để đạt được hiệu quả tương tự Hơn nữa, các port I/0 cũng được địa chỉ từng bit làm đơn giản phần mềm xuất nhập từng bit

Có 128 bit được địa chỉ hóa đa dụng ở các byte 20H đến 2FH Các địa chỉ này được truy xuất như các byte hoặc các bit phụ thuộc vào lệnh được dùng

Các bank thanh ghi :

32 byte thấp nhất của bộ nhớ nội là dành cho các bank thanh ghi Bộ lệnh của 89C51 hổ trợ 8 thanh ghi (R0 đến R7) và theo mặc định (sau khi Reset hệ thống) các thanh ghi này ở các địa chỉ 00H-07H

Bank thanh ghi tích cực có thể chuyển đổi bằng cách thay đổi các bit chọn bank thanhghi trong từ trạng thái chương trình (PSW)

Ýù tưởng dùng “các bank thanh ghi” cho phép “chuyển hướng” chương trình nhanh và hiệu qủa

CÁC THANH GHI CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT:

Các thanh ghi trong 89C51 được định dạng như một phần của RAM trên chip Vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một địa chỉ (ngoại trừ thanh ghi trực tiếp, sẽ không có lợi khi đặt chúng vào trong RAM trên chip)

-Thanh ghi A:

Thanh ghi A ở địa chỉ E0H được dùng cùng với thanh ghi tích lũy B cho các phép toán nhân và chia Thanh ghi A có thể được xem như thanh ghi đệm đa dụng Nó được địa chỉ hóa từng bit bằng các địa chỉ bit E0H đến E7H.

-Thanh ghi B:

Thanh ghi B ở địa chỉ F0H được dùng cùng với thanh ghi tích lũy A cho các phép toán nhân và chia Thanh ghi B cũng có thể được xem như thanh ghi đệm đa dụng Nó được địa chỉ hóa từng bit bằng các địa chỉ bit F0H đến F7H

-Con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer):

Con trỏ ngăn xếp (SP) là một thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H Nó chứa địa chỉ của byte dữ liệu hiện hành trên đỉnh của ngăn xếp Các lệnh trên ngăn xếp bao gồm các thao tác cất dữ liệu vào ngăn xếp và lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp Lệnh cất dữ liệu vào ngăn xếp sẽ làm tăng SP trước khi ghi dữ liệu, và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp sẽdọc dữ liệu và làm giảm SP Trên 89C51, ngăn xếp bị giới hạn 32 byte vì địa chỉ cao nhất của RAM trên chip là 7FH

Ngăn xếp được truy xuất trực tiếp bằng các lệnh PUSH và POP để lưu giữ tạm thời và lấy lại dữ liệu hoặc được truy xuất ngầm bằng các lệnh gọi chương trình con (ACALL, LCALL) và các lệnh trở về (RET,RETI) để cất và lấy lại thanh đếm chương trình

F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B

FF F0 E0 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC

D0 B8 B0 A8 A0

99

98

90

8D 8C 8B 8A

TH1 TH0

TL1 TL0 TMOD

Không được địa chỉ hóa

Không được địa chỉ hóa Không được địa chỉ hóa Không được địa chỉ hóa

PCON

DPH DPL

Tóm tắt bộ nhớ dữ liệu trên chip

-Từ trạng thái chương trình:

Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word) ở địa chỉ D0H chứa các bit trạng thái như bảng tóm tắt sau:

• Cờ nhớ (Carry viết tắt là CY) có công dụng kép Thông thường nó

được dùng cho các lệnh toán học: nó sẽ được đặt (set) nếu có một số nhớ phát sinh ra từ phép cộng hoặc có một số mượn từ phép trừ Cờ nhớ cũng có thể xem như một thanh ghi 1 bit cho các lệnh luận lý thi hành trên bit

Bit Ký hiệu Địa chỉ Ýù nghĩa PSW.7

PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3

PSW.2 PSW.1 PSW.0

CY

AC F0 RS1 RS0

OV

P

D7H D6H D5H D4H D3H

D2H D1H D0H

Cờ nhớ Cờ nhớ phụ Cờ 0

Bit 1 chọn bank thanh ghi Bit chọn bank thanh ghi 00=bank 0; địa chỉ 00H-07H 01=bank 1: địa chỉ 08H-0FH 10=bank 2:địa chỉ 10H-17H 11=bank 3:địa chỉ 18H-1FH Cờ tràn

Dự trữ Cờ Parity chẵn

• Cờ nhớ phụ (auxiliary carry):

Khi cộng các số BCD, cờ nhớ phụ (AC) được set nếu kết qủa của

4 bit thấp trong khoảng 0AH đến 0FH

• Cờ Zero

Cờ 0 (F0)là một bit cờ đa dụng dành các ứng dụng của người dùng

• Các bit chọn bank thanh ghi

Các bit chọn bank thanh ghi (RS0 và RS1) xác định bank thanh ghi được tích cực Chúng được xóa sau khi reset hệ thống và được thay đổi bằng phần mềm nếu cần

• Cờ Tràn (Overflow)

Cờ tràn (OV) được set một lệnh cộng hoặc trừ nếu có một phép toán bị tràn Khi các số có dấu được cộng hoặc trừ với nhau, phần mềm có thể kiểm tra bit này để xác định xem kết qủa của nó có nằm trong tầm xác định không Khi các số không dấu được cộng, bit

OV có thể được bỏ qua Các kết qủa lớn hơn +127 hoặc nhỏ hơn –

128 sẽ set bit OV

-Con trỏ dữ liệu (Data pointer):

Con trỏ dữ liệu (DPTR) được dùng để truy xuất bộ nhớ ngoài là một thanh ghi 16 bit ở địa chỉ 82H (DPL: byte thấp) và 83H (DPH:byte cao)

-Các thanh ghi port xuất nhập:

Các port của 89C51 bao gồm Port 0 ở địa chỉ 80H, Port 1 ở địa chỉ 90H, Port 2 ở địa chỉ A0H và Port 3 ở địa chỉ B0H Tất cả các Port đều được địa chỉ hóa từng bit Điều đó cung cấp một khả năng giao tiếp thuận lợi

-Các thanh ghi timer:

89C51 chứa 2 bộ định thời đếm 16 bit được dùng trong việc đếm thời hoặc đếm sự kiện Timer 0 ở địa chỉ 8AH (TL0:byte thấp) và 8CH (TH0:byte cao) Timer 1 ở địa chỉ 8BH (TL1:byte thấp) và 8DH (TH1: byte cao)

-Các thanh ghi port nối tiếp:

89C51 chứa một port nối tiếp trên chip dành cho việc trao đổi thông tin với các thiết bị nối tiếp như máy tính, modem hoặc cho việc giao tiếp với các IC khác có giao tiếp nối tiếp (có bộ chuyển đổi A/D, các thanh ghi dịch )

-Các thanh ghi điều khiển ngắt:

89C51 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên Các ngắt bị cấm sau khi reset hệ thống và sẽ được cho phép bằng việc ghi thanh ghi cho phép ngắt (IE) ở địa chỉ 8AH Cả hai thanh ghi được địa chỉ hóa từng bit

-Các thanh ghi điều khiển công suất:

Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) ở địa chỉ 87H chứa nhiều bit điều khiển

Chúng được tóm tắt trong bảng sau:

PD IDL

Bit gấp đôi tốc độ baud, nếu được set thì tốc độ baud sẽ tăng gấp đôi trong các mode 1, 2 và 3 của port nối tiếp Không định nghĩa

Không định nghĩa Không định nghĩa Bit cờ đa dụng 1 Bit cờ đa dụng 0 Giảm công suất, được set để kích hoạt mode giảm công suất, chỉ thoá khi reset Mode chờ, set để kích hoạt mode chờ, chỉ thoát khi có ngắt hoặc reset hệ thống

Thanh ghi điều khiển công suất (PCON)

5 RESET:

89C51 được reset bằng cách giữ chân RST ở mức cao ít nhất trong 2 chu kỳ máy và trả nó về múc thấp RST có thể được kích khi cấp điện dùng một mạch R-C

+5V

100

8,2K 10UF

Hình 2.4: Mạch Reset hệ thống

Trạng thái của tất cả các thanh ghi của 89C51 sau khi reset hệ thống được tóm tắt trong bảng sau:

Đếm chương trình Tích lũy

B PSW

SP DPTR Port 0-3

IP

IE Các thanh ghi định thời

SCON SBUF PCON(HMOS) PCON(CMOS)

0000H 00H 00H 00H 07H 0000H FFH XXX00000B 0XX00000B 00H 00H 00H 0XXXXXXB 0XXX0000B

Quan trọng nhất là thanh ghi đếm chương trình, nó được đặt lại 0000H Khi RST trở lại mức thấp, việc thi hành chương trình luôn bắt đầu ở địa chỉ đầu tiên trong bộ nhớ trong chương trình: địa chỉ 0000H Nội dung của RAM trên chip không bị thay đổi bởi lệnh reset

6 TẬP LỆNH CỦA 89C51

Tập lệnh gồm 255 lệnh chia ra làm 139 lệnh 1 byte, 92 lệnh 2 byte và 24 lệnh 3 byte

Tập lệnh của 89C51 còn được chia thành 4 nhóm:

- Số học

- Luận lý

- Chuyển dữ liệu

- Chuyển điều khiển

Các chi tiết thiết lập lệnh:

Rn :Thanh ghi R0 đến R7 của bank thanh ghi được chọn

Data : 8 bit địa chỉ vùng dữ liệu bên trong Nó có thể là vùng RAM dữ liệu trong (0-127) hoặc các thanh ghi chức năng đặc biệt

@Ri : 8 bit vùng RAM dữ liệu trong (0-125) được đánh giá địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi R0 hoặc R1

#data : Hằng 8 bit chức trong câu lệnh

#data16: Hằng 16 bit chứa trong câu lệnh

Addr16 : 16 bit địa chỉ đích được dùng trong lệnh LCALL và LJMP Addr11: 11 bit địa chỉ đích được dùng trong lệnh ACALL và AJMP Rel : Byte offset 8 bit có dấu được dùng trong lệnh SJMP và những lệnh nhảy có điều kiện

Bit : Bit được định địa chỉ trực tiếp trong RAM dữ liệu nội hoặc các thanh ghi chức năng đặc biệt

Các kiểu định vị địa chỉ:

Trong tập lệnh có 8 kiểu định vị địa chỉ

III CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35:

1 Sơ lược về cảm biến nhiệt :

Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất

vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất Người

ta chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ dựa trên nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau và đưa ra các loại cảm biến nhiệt như sau:

ƒ IC cảm biến

ƒ Cặp nhiệt điện

ƒ Nhiệt kế điện kế kim loại

ƒ Nhiệt điện trở kim loại

ƒ Nhiệt điện trở bán dẫn

ƒ Cảm biến thạch anh

v.v

2 IC đo nhiệt độ LM35:

Cảm biến nhiệt độ LM35 là một đầu đo nhiệt độ đơn giản và chính xác, có điện áp lối ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ đầu đo, tính ra độ Celsius(0C)

Đầu đo này không cần linh kiện ở mạch ngoài để bù trừ điểm zero, vì vậy không cần chuẩn lại ở nhiệt độ khác nhau Trong vùng nhiệt độ phòng, độ chính xác đạt cỡ 0,250C

Đầu đo LM35 có thể hoạt động với nguồn nuôi đối xứng cũng như không đối xứng Dòng tiêu thụ cỡ 60μA nên có thể bỏ qua sự tăng nhiệt độ đầu đo do dòng nuôi tạo ra

LM 35 có 4 loại vỏ bọc TO – 46 (vỏ kim loại), TO – 92(vỏ nhựa), SO –

8 và TO – 202

Hình 2.5 – Sơ đồ chân của LM35

¾ Các thông số kĩ thuật của đầu đo LM35:

‰ Ngõ ra là điện áp

‰ Định thang trực tiếp theo nhiệt độ Celsius(0C)

‰ Độ nhạy 10mV/0C

‰ Phạm vi sử dụng – 550C đến +1500C

‰ Điện áp cấp có thể thay đổi từ 4V đến 30V

‰ Dòng điện tiêu thụ 60μA

‰ Độ chính xác trong vùng nhiệt độ phòng: 0.25V

‰ Độ chính xác được bảo đảm : không kém hơn 0,50C

‰ Mức độ không tuyến tính : loại 0,250C

Để có thể đo được điện trở âm cần phải có một điện trở down” giữa ngõ ra và điện áp âm

“pull-+4V … +30 V

+4V … +30V

Hình 2.8 - Đặc tuyến giữa điện thế và nhiệt độ

IV CẢM BIẾN ĐỘ ẨM :

1 Sơ lược:

Hoạt tính của động thực vật bao giờ cũng phụ thuộc vào hàm lượng nước hay hơi nước trong không khí rất lớn, thay đổi nhiều khi cho thu nhận hay cho thoát bớt hơi nước Hàm lượng hơi nước này được gọi là độ ẩm, có diễn biến rất lớn trong thiên nhiên

2 Các đại lượng khác nhau để diễn tả độ ẩm:

Độ ẩm tuyệt đối A abs là hàm lượng hơi nước có thật sự trong không khí

Aabs = Khối lượng của nước (g)

Thể tích của không khí (m3)

Độ ẩm bảo hoà (A sat ): là hàm lượng nước cao nhất có thể có trong một thể

tích không khí nhất định, đại lượng này sẽ tăng rất nhanh khi nhiệt độ tăng

Asat = Khối nước lớn nhất (g)

Độ ẩm tương đối (A rel ):dùng để xác định lượng hút ẩm của các nguyên vật

liệu, sản phẩm và được cho bởi biểu thức sau:

3 Cảm biến độ ẩm có điện trở thay đổi:

Cảm biến có điện trở thay đổi theo độ ẩm được dùng để đo và nhận biết độ ẩm cao

Trong cảm biến điện trở, người ta dùng một lượng nhất định chất hút ẩm phủ lên đế có kích thước nhỏ (vài mm2) Trên đế này cũng đồng thời phủ thêm hai điện cực bằng kim loại không

bị oxy hoá Giá trị của điện trở đo được giữa hai điện cực phụ thuộc vào hàm lượng nước và vào nhiệt độ

Hình 2.9: Hàm lượng nước trong chất hấp thụ là

hàm của độ ẩm và nhiệt độ

Sự ngưng đọng nước với không khí khô ráo cảm biến có tổng trở thấp, khi độ ẩm tương đối dưới 75% cảm biến có tổng trở nhỏ, khi độ ẩm cao thì tổng trở của nó sẽ tăng theo hàm logarith

Các đặc trưng đo lường chủ yếu của cảm biến loại này là:

- Dải đo độ ẩm : 5% đến 95%

- Dải nhiệt độ : -10oC đến 60oC

- Thời gian hồi đáp : 10s

Hình 2.10: Ẩm kế điện trở

Sự phụ thuộc của điện trở vào độ ẩm tương đối

1 Sơ lược:

Các cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy thành tín hiệu điện

2 Các đơn vị đo:

Các đơn vị đo quang thường

được xét qua 2 loại đơn vị đo:

- Đơn vị đo năng lượng

- Đơn vị đo thị giác

Năng lượng bức xạ (Q) là năng

lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp

Thông lượng ánh sáng (Φ) là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp

Trong bảng sau liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản:

Đơn vị đo thị giác Đơn vị đo năng lượng Năng lượng

Thông lượng

Độ rọi

lumen.s (lm.s) lumen (lm) lumen/m2 hay lux (lx)

joule (J) watt (W) watt/m2 (W/m2)

3 Vật liệu để chế tạo cảm biến:

Cảm biến quang thường được 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, CdHgTe

Các đặc trưng:

- Điện trở: Giá trị điện trở tối Rco phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu quang dẫn Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn (từ 104Ω đến 109Ω ở 25oC) trong khi đó SbIn, SbAs, CdHgTe lại có điện trở tối tương đối nhỏ (từø 10Ω đến 103Ω ở

25oC) Điện trở Rc của cảm biến khi bị chiếu sáng giam rất nhanh khi độ rọi tăng lên Trên hình 2.12 là một thí dụ về sự thay đổi của điện trở của một tế bào quang dẫn như là hàm của độ rọi sáng

Hình 2.12: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng

Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến tính Tuy nhiên có thể tuyến tính hoá nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn

Điện trở Rc (khi bị chiếu sáng) phụ thuộc vào nhiệt độ: độ nhạy nhiệt của tế bào quang dẫn càng nhỏ khi độ rọi sáng càng lớn Giá trị của điện trở sẽ bị giảm (tuy rất chậm) ở những điều kiện làm việc giới hạn khi độ rọi sáng và điện áp đặt vào quá lớn

VI BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ SANG SỐ :

1 – Sơ lược:

Ngày nay việc truyền đạt tín hiệu cũng như quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn được thực hiện theo phương pháp số Trong khi đó tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự như: nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh…Để kết nối giữa nguồn tín hiệu tượng tự với các hệ thống xử lý số, người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự sang số(ADC) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang số

2 –ADC 0809

Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số 8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bộ logic điều khiển tương thích Bộ chuyển đổi AD 8 bit này dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp Bộ chọn kênh có thể truy xuất bất kì kênh nào trong các ngõ vào tương tự một cách độc lập

Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỷ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các họ TTL, CMOS và các bộ vi xử lý

IN3 IN4 IN5 IN6 EOC 2 -5 OE CLK VCC REF GND 2 -7

Hình 2.13 : sơ đồ chân của ADC0809

9 Ý nghĩa các chân:

o IN0 đến IN7 : 8 ngõ vào tương tự

o A, B, C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào

o 2-1 đến 2-8 : ngõ ra song song 8 bit

o ALE : cho phép chốt địa chỉ

o START : xung bắt đầu chuyển đổi

o REF (+) : điện thế tham chiếu (+)

o REF (-) : điện thế tham chiếu (-)

9 Các đặc điểm củaADC 0809:

o Độ phân giải 8 bit

o Có 8 ngõ vào từ IN0 đến IN7 được chọn bởi 3 ngõ vào địa chỉ ABC

o Công suất tiêu tán ở 250C là 875mW

o Ngõ ra 3 trạng thái có chốt

o Tổng sai số chưa chỉnh định ± ½ LSB; ± 1 LSB

o Thời gian chuyển đổi: 100μs ở tần số 640 kHz

o Nguồn cung cấp + 5V

o Điện áp ngõ vào 0 +5V

o Tần số xung clock 10kHz – 1280 kHz

o Nhiệt độ hoạt động - 40oC đến 85oC

o Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng

o Không cần điều chỉnh zero

• Nguyên lý hoạt động:

ADC 0809 có 8 ngõ vào tương tự, 8 ngõ ra 8 bit có thể chọn 1 trong 8 ngõ vào tương tự để chuyển đổi sang số 8 bit

Trước tiên phải nối đúng các ngõ VCC (đến Vcc), GND, REF+(đến Vcc), REF-(xuống đất), CLK (đến dao động bên ngoài)

Các ngõ vào được chọn bằng cách giải mã Chọn 1 trong 8 ngõ vào tương tự được thực hiện nhờ 3 chân ADDA, ADDB, ADDC như bảng trạng thái sau:

A B C Ngõ vào được chọn

IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

Aùp một xung dương ở chân ALE (Address Latch Enable- cho phép chốt địa chỉ) để chốt địa chỉ vào thanh ghi đa hợp địa chỉ bên trong

Sau khi kích xung start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnh xuống của xung start, ngõ ra EOC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xung clock (tính từ cạnh xuống của xung start) Lúc này bit có trọng số lớn nhất (MSB) được đặt lên mức 1, tất cả các bit còn lại ở mức 0, đồng thời tạo ra điện thế có giá trị Vref/2, điện thế này được so sánh với điện thế vào in

o Nếu Vin > Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 1

o Nếu Vin < Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 0

Tương tự như vậy bit kế tiếp MSB được đặt lên 1 và tạo ra điện thế có giá trị Vref/4 và cũng so sánh với điện áp ngõ vào Vin Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi xác định được bit cuối cùng Khi đó chân EOC lên mức 1 báo cho biết đã kết thúc chuyển đổi

Trong suốt quá trình chuyển đổi chân OE được đặt ở mức 1, muốn đọc dữ liệu ra chân OE xuống mức 0

Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADC sẽ ngưng chuyển đổi

Khi mạch chuyển đổi xong chân EOC (End Of Conversion_kết thúc chuyển đổi) lên cao để báo hiệu kết thúc chuyển đổi và dữ liệu chuyển đổi xong sẽ chốt ở ngõ ra 3 trạng thái

Aùp 1 xung dương ở chân OE (Output Enable-cho phép ra) thì dữ liệu nhị phân D0-D7( trong đó D0 là LSB, D7 là MSB) được xuất ra ngoài

Mã ra N cho một ngõ vào tùy ý là một số nguyên

) ( ) (

) ( ).(

256

− +

ref IN

V V

V V N

Trong đó Vin: điện áp ngõ vào hệ so sánh

o Vref(+): điện áp tại chân REF(+)

o Vref(-): điện áp tại chân REF(-)

Nếu chọn Vref(-) = 0 thì N = 256

) (+

ref

in

V V

Vref(+) = Vcc = 5V thì đầy thang là 256

o Giá trị bước nhỏ nhất

1 LSB =

1 2

5

8 − = 0,0196 V/byte Vậy với 256 bước Vin = 5V

Điện áp vào lớn nhất của ADC 0809 là 5V

VII ỔN ÁP NGUỒN NUÔI:

1 Sơ lược:

Để tạo ra nguồn nuôi điện áp nhỏ cho các mạch thí nghiệm, việc sử dụng IC ổn áp là một phương pháp thích hợp IC họ 78XX có thể lắp ráp dễ dàng, cho điện thế ra ổn định

2 IC 7812 : là một IC ổn áp của họ 78XX có thế lối ra +12V, gồm

ba chân, vào(in) – đất(gnd) – ra(out)

Hình 2.14:Sơ đồ chân của IC7812

9 Các thông số kỹ thuật của 7812:hoạt động ở nhiệt độ

250C

o Điện thế lối vào:từ 14,5V đến 27V

o Điện thế lối ra :12V± 0.6V

o Dòng điện ra: từ 5,0 mA đến 1,0A

3 IC 7805: là ổn áp IC của họ 78XX , thế lối ra của Ic là +5V

IC gồm ba chân vào (in) – đất(gnd) – ra(out)

Hình 2.15: Sơ đồ chân của IC 7805

9 Các thông số kỹ thuật: hoạt động ở nhiệt độ 250C

o Điện thế lối vào:từ 7V đến 20V

o Điện thế lối ra:5V±0.2V

o Dòng điện ra: từ 5,0mA đến 1,0A