Kĩ thuật số ,một lĩnh vực không còn mang tính thời sự nóng bỏng nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đã đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta .Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượng thường ở dạng tương tự .Do đó muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số . Xuất phát từ ý tưởng đó, em đã thưc hiện việc xây dựng một mạch điện đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED .Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm thưc tế về vấn đề chuyển đổi ADC , vấn đề xử lí tín hiệu số và vấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện . Để thưc hiện được đề tài này ,dưới sự hướng dẫn của cô giáo THÚY ANH , em đã tham khảo một số sách như: • KỸ THUẬT SỐ THỰC HÀNH của tác giả ĐẮC THẮNG • ĐO LƯỜNG CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN BẰNG ĐIỆN • ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ
ĐẦU
Vấn đề giải mã để hiển thị số
Giả sử sau khi đã biến đổi điện áp tương tự thành tín hiệu số mã nhị phân BCD , ta lại phải tiếp tục chế biến tín hiệu này để hiển thị được bằng đèn LED 7 thanh
Ta lập được bảng chân lý sau:
Ta coi các thanh đèn sang là biểu thị cho mức 1 ,tối là biểu thị cho mức 0.Như vậy , giá trị sáng tối củacác thanh đèn là các hàm logic đối với các biến mã nhị phân BCD Ta sẽ tiến hành tối thiểu hoá các hàm logic này ,rồi xây dựng mạch giải mã (chỉ xét hàm a(A,B,C,D) lấy làm tiêu biểu ).
Căn cứ vào bảng trên và sử dụng bảng CACNO để tối thiểu hoá ta có :
Từ phương trình trên ta xây dựng được một mach logic dựa trên các phần tử cơ bản như sau :
Tương tự như vậy đối với các thanh b,c,d,e,f,g Như vậy , ta đã xây dựng xong mạch giải mã tín hiệu nhị phân BCD thành tín hiệu đèn LED 7 thanh.Sau đó , ta chỉ việc sử dụng những ÍC tích hợp sẵn các cổng logic cơ bản để thiết kế sơ đồ mạch giải mã thực tế
Lưa chọn phương pháp biến đổi điện áp tương tự thành tín hiệu số
Ta lựa chọn phương pháp ADC kiểu đếm vì các lí do sau:
• Vi mạch sử dụng phương pháp biến đổi này rất thông dụng ,dễ kiếm và rẻ còn tiền
• Tương đối thoả mãn các yêu cầu về kỹ thuật,cho phép cho ra được kết quả tương đối chính xác , sai số ở trong mức giới hạn cho phép
• Có cả IC biến đổi ADC kiểu đếm được chế tạo kết hợp với bộ giải mã để cho ra ở đầu ra là mã 7thanh tương thích với hiển thị(IC7017)đèn LED (cũng là loại đèn hiển thị số rất thông dụng ,dễ kiếm và rẻ tiền)
• Có thể sử dụng trực tiếp vi mạch này như một Milivonmet nên rất thuận tiện cho việc thiết kế mạch đo
VẤN ĐỀ BIẾN ĐỒI NHIỆT ĐIỆN
L ựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng
Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ đang là một phương pháp rất phổ biến , tiện lợi Do đó , em đã lựa chọn phương pháp này áp dụng vào trong đề tài của mình.Hơn nữa , như em đã nói ở trên phần tử bán dẫn rất nhạy nhiệt nên nó đảm bảo được độ chuẩn xác tương đối cao ,thoả mãn được tiêu chuẩn yêu câu, chấp nhận được Đặc tính của một số IC thông dụng :
Ngõ ra là dòng điện Độ nhạy là 1A/độ K Độ chính xác là +4độ C
Dải nhiệt độ từ -55độ C đến 150 độ C
Ngõ ra là điện áp Độ nhạy là 10mV/độ K
Dải nhiệt độ :-55độ C đến 150 độ C
Ngõ ra là điện áp Độ nhạy là 10mV/độ K
Dải nhiệt độ :-55độ C đến 150 độ C
Sai số cực đại là 1,5 độ C khi nhiệt độ đo lớn hơn 100 độ C
XEM XÉT VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO TỪNG BỘ PHẬN
Sơ đồ nguyên lí chức năng
Nguyên lý hoạt động của mạch :
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện Dựa vào đặc tính rất nhạy của chất bán dẫn với nhiệt độ ,tạo radòng điện hay điện áp tỉ lệ thuận theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ vì sự tác động của nhiệt độ tạo ra các điện tử tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn Đo tín hiệu điện ra ,ta biết được nhiệt độ cần xác định.
Sau khi đã biến đổi nhiêt năng thành điện năng dưới dạng điệnthế , tín hiệu đo được đưa đến đầu vào Uv của mạch đo Mạch đo này có chức năng đo đạc tín hiệu điện thế đầu vào ,biến đổi tín hiệu tương tự này thành tín hiệu số(mã BCD ) rồi giải mã hiển thị kết quả ra đèn LED 7thanh kết quả hiển thị này chính là giá trị nhiệt độ đo được
Mạch đo này sử dung bộ biến đổi ADC kiểu đếm Mỗi tầng bộ đếm BCD còn kích thích
1 thanh ghi 4 bit , để nuôi bộ giải mã và bộ hiển thị nôi dung của bộ BCDđược chuyển tới thanh ghi ở mỗi cuối chu kỳ chuyển đổi , sao cho bộ hiển thị chỉ hiển thị số đếm cuối cùng biểu diễn mức điện thế cần đo.
Lúc ban đầu , khi UdacUv một khoảng giá trị nào đó thì Us trở về mức điện thế thấp dẫn đến việc cổng
AND bị khoá , không có xung nhịp vào bộ đếm ,do đó bộ đếm ngưng lại thôi không đếm nữa Quá trình chuyển đổi kết thúc
Tín hiệu ra của bộ so sánh lúc này ở mức thấp biểu thị cho mức logic 0 do đó nó sẽ làm khởi độmg mạch đơn ổn số 1(OS1)phát xung 1 micro giây tại Q1 làm cho Q1ở mức logic 1 chuyển đến kích thích các thanh ghi tương ứng để lưu trữ và hiển thị Q1ở mức logic 1 qua cổng đảo đến khởi động bộ đơn ổn 2(OS2) phát xung tái lập mọi bộ đếm về 0 suy ra đầu ra bộ so sánh lên cao trở lại cho phép xung vào bộ đếm bắt đầu chu kỳ chuyển đổi mới
Thanh ghi lưu trữ sẽ cho phép đèn hiển thị không hiện lên những chi tiết của tiến trình chuyển đổi Màn hình chỉ thay đổi khi Uv thay đổi , để nội dung của các bộ đếm được chuyển đến thanh ghi vào cuối mỗi chu kỳ chuyển đổi
Như vậy , chỉ cần xác định giá trị điện áp vào mạch đo , ta sẽ xác định được nhiệt độ cần đo, và giá trị hiển thị trên đèn LED chính là giá trị nhiệt độ này
Sơ đồ thực tế của các bộ phận tương ứng
Bộ cảm biến nhiệt Bộ biến đổi nhiệt
Bộ khuếch đại Bộ biến đổi
Bộ chỉ thị kết quả (LED , LCD)
Bộ xử lí tín hiệu(vi điều khiển)
Dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế ta dùng IC cảm biến nhiệt độ để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng để đo.Các ICcảm biến có độ chính xác cao , dễ kiếm và rẻ tiền Trong đó ,em thấy IC LM35 là loại thông dụng trên thị trường hiện nay , rất phù hợp với sơ đồ thiết kế chi tiết mạch.
- Một số tính chất cơ bản của LM35 :
+Có độ biến thiên theo nhiệt độ là : 10mV/độ C.
+Độ chính xác cao , rất nhạy nhiệt , ở nhiệt độ 25 độ C co sai số không vượt quá
1% Với tầm đo từ 0 128 độ C, tín hiệu điện áp đầu ra tuyến tính với sự thay đổi của nhiệt độ đầu vào
+Các thông số kỹ thuật :
• Tiêu tán công suất thấp
• Dòng làm việc từ 400micro A đến 5mA.
• Độ chính xác :khi làm việc ở 25 độ C với dòng điện làm việc là 1mA thì điện áp ngõ ra là từ 2.94V đến 3,04V.
• Theo thông số của nhà sản xuất LM35 , quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra như sau:
Uout=0,01 x (Tđộ K)=2,73+0,01 x (T độ C) Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0 đến 100 độ C thì giá trị điện áp tương ứng là:
Với nhiệt độ là 0 độ C thì điện áp ra là 2,73 V Với nhiệt độ là 5 độ C thì điện áp ra là 2,78 V.
Với nhiệt độ là 100 độ C thì điện áp ra là 3,73 V.
- Thiết kế mạch cảm biến dùng LM35 :
+Sơ đồ mạch như hình bên:
+Tính toán và lựa chọn linh kiện: ta có: Ira thuộc khoảng từ 400microA đến 5mA
Mà Vout lại thuộc khoảng từ 2,73 đến 3,73 V
Mặt khác ,theo thông số nhà sản xuất LM35, tại nhiệt độ 25 độ C , Ira=1mA thì Vout =2,98V,ta có:
Vậy ta chọn R=2,2k Chọn biến trở chỉnh offset VRk b)Bộ khuếch đại :
*Các tính chất cơ bản:
Giữa bộ khuếch đại thuật toán và các bộ khuếch đại thông thường về cơ bản không có sự khác nhau Cả hai loại này đều được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất Trong khi các bộ khuếch đại thông thường phụ thuộc vào các kết cấu bên trong của mạch thì tác dụng của bộ khuếch đại thuật toán có thể thay đổi được và chỉ phụ thuộc vào các linh kiện mắc ở mạch ngoài Để thực hiện được điều đó, bộ khuếch đại thuật toán phải có hệ số khuếch đại rất lớn, trở kháng vào rất lớn, trở kháng ra rất nhỏ.
Bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn ở hình trên Trong đó: Ud: điện áp vào hiệu; UP, IP: điện áp vào và dòng điện vào của thuận; UN,IN : điện áp vào và dòng vào của đảo; Ur , Ir : điện áp ra và dòng điện ra
Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp U d = U P –U N với hệ số khuếch đại K0 >
0 Do đó điện áp ra : U r = K 0 U d = K 0 ( U P - U N )
-Nếu U N = 0 thỉ U r = K 0 U P lúc này điện áp ra Ur đồng pha với điện áp vào UP, vì vậy người ta gọi cửa P là cửa vào không đảo hoặc cửa vào thuận của bộ khuếch đại thuật toán và được ký hiệu bởi dấu “+”.
-Nếu UP = 0 thì U r = -K 0 U N Vì điện áp ra ngược pha với điện áp vào nên N được gọi là đầu vào đảo của bộ khuếch đại thuật toán và ký hiệu bởi dấu “—“.
Ngoài ra bộ khuếch đại thuật toán còn có hai cửa để đấu với một nguồn cung cấp đối xứng ± U cc và các cửa để chỉnh lệch không và bù tần số sẽ được nói ở phần sau.
Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng có các tính chất sau:
Trong thực tế không có bộ khuếch đại lý tưởng, để đánh giá bộ khuếch đại thuật toán thực so với bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng người ta căn cứ vào các tham số của nó.
*Hệ số khuếch đại hiệu K0
K0 là hệ số khuếch đại hiệu khi không tải, được xác định theo biểu thức sau:
HìnhA.I.1: bộ khuếch đại thuật toán
Ur vài mV -vài mV
Hình A.II.1:Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán ứng với tần số thấp
K0 = Ur / Ud Ở tần số thấp, K0 = K∞ thường lấy các giá trị trong khoảng10 3 đến 10 6 Điện áp ra tỷ lệ với Ud trong dải điện áp Ur min đến Ur max nào đó, dải điện áp này gọi là dải biến đổi điện áp ra của bộ khuếch đại thuật toán Ngoài dải đó, điện áp ra không đổi và không phụ thuộc vào điện áp vào, tương ứng bộ khuếch đại làm việc ở trạng thái bão hoà. Đối với điện áp một chiều và điện áp có tần số thấp thì hệ số khuếch đại không phụ thuộc vào tần số Khi tần số tăng đến một giá trị nào đó thì K0 giảm Ở tần số giới hạn K 0 = K ∞ /
2 Vì tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại thuật toán f d = 0 nên tần số giới hạn trên của nó đúng bằng độ rộng dải tần B Khi hệ số khuếch đại K0 giảm theo tần số thì giữa Ur và Ud cũng xuất hiện một góc lệch pha phụ thuộc tần số Trong những điều kiện nhất định, góc lệch pha này sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định của bộ khuếch đại.
*Đặc tính biên độ – tần số:
Các tầng khuếch đại nằm trong bộ khuếch đại thường có tần số giới hạn khác nhau Đặc tính tần số của bộ khuếch đại thuật toán là đặc tính tần số thành phần của từng tầng Để xét đặc tính tần số ta dùng mô hình của bộ khuếch đại thuật toán trên hình dưới đây Đây là bộ khuếch đại thuật toán gồm một tầng khuếch đại lý tưởng có hệ số khuếch đại K0
=K ∞ không phụ thuộc tần số và ba khâu lọc riêng rẽ đặc trưng cho các điện trở và tụ điện tạp tán của mạch Ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc của K0 theo tần số:
= ∞ trong đó f1 , f2 , f3 tần số giới hạn của ba khâu lọc thông thấp
*Hệ số khuếch đại đồng pha:
Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán các điện áp bằng nhau, nghĩa là Up = UN
HìnhA.III.1: Mô hình bộ khuếch đại thuật toán
HìnhA.III.2:Đặc tính biện độ tần số của bộ khuếch đại thuật toán(f
= Ucm ≠ 0 thì Ud =0 Gọi Ucm là điện áp vào đồng pha Lúc này Ur = 0tuy nhiên thực tế không như vậy.
Hệ số khuếch đại đồng pha Kcm được xác định theo biểu thức sau: cm cm UÛ
Hệ số khuếch đại đồng pha Kcm luôn luôn nhỏ hơn hệ số khuếch đại hiệu K ∞
*Hệ số nén đồng pha: Để đánh giá khả năng làm việc của bộ khuếch đại thực so với bộ khuếch đại lý tưởng người ta dùng hệ số nén đồng pha G (còn ký hiệu là: CMRR) hệ số này được định nghĩa bởi biểu thức:
* Điện trở vào hiệu, điện trở vào đồng pha và điện trở ra: Điện trở vào hiệu rd và điện trở vào đồng pha rcm được định nghĩa theo các biểu thức sau: r d =
∆ khi UN = UP =Ucm Điện trở ra của bộ khuếch đại thuật toán rra cho khả năng đánh giá sự biến thiên của điện áp ra theo tải và được xác định theo biểu thức: r ra =
* Dòng vào tĩnh, điện áp vào lệch không
Dòng vào tĩnh là giá trị trung bình của dòng vào cửa thuận và dòng vào cửa đảo:
Dòng vào lệch không là hiệu các dòng vào tĩnh ở hai cửa của bộ khuếch đại thuật toán :
I0 = IP –IN với UP = UN = 0 Dòng vào lệch không phụ thuộc nhiệt độ, do đó khi nhiệt độ thay đổi, trị số của dòng lệch không thay đổi theo Hiện tượng này gọi là hiện tượng trôi dòng lệch không Để đánh giá mức độ trôi dòng lệch không, người ta dùng hệ số nhiệt của dòng lệch không 0 0 t
∂ có thứ nguyên là nA/ 0 C.
VẤN ĐỀ PHỐI HỢP GIỮA CÁC BỘ PHẬN
1 Phối hợp giữa bộ biến đổi tương tự số và bộ vi điều khiển AT89S52:
Các bước lập trình cho ADC 0809 chuyển dữ liệu vào đầu vào vi điều khiển :
-Chọn một kênh tương tự đầu vào ADC bằng cách dùng các chân địa chỉ A , B, C theo bảng sau:
C B A Kênh lối vào được kích hoạt
-Kích hoạt chân cho phép chốt địa chỉ ALE bằng cách đưa 1 xung thấp lên cao để chốt địa chỉ
-Kích hoạt chân SC bằng xung cao xuống thấp để bắt đầu chuyển đổi
-Giám sát EOC để báo kết thúc chuyển đổi Đầu ra cao xuống thấp báo hiệu rằng dữ liệu đã được chuyển đổi xong và cần được lấy đi
-Kích hoạt chân đọc dữ liệu ra OE của ADC bằng xung cao xuống thấp Đối với ADC0809 , các điện áp Vref(+) và Vref(-) thiết áp điện áp tham chiếu Nếu Vref(-) = GND và Vref(+) = 5V thì độ phân giải là 5V/256 = 19,53 mV Do vậy , để có độ phân giải là 10mV thì ta cần đặt Vref(+) = 2,56V và Vref(-) = GND
Các chân địa chỉ A,B,C được dùng để chọn kênh đầu vào IN0 – IN7 và kích hoạt chân ALE chốt địa chỉ Chân SC dùng để bắt đầu chuyển đổi ( start conversion) Chân EOC dùng để kết thúc chuyển đổi ( End of conversion) và chân OE cho phép đọc đầu ra (output enable ).
Lưu ý rằng ADC0809 không đồng hồ riêng và do vậy phải cấp xung đồng hồ ngoài đến chân CLK , mặc dù tốc độ chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được nối đến CLK nhưng tốc độ này không thể vượt quá 100 ms. Ở đây sử dụng LM336-2.5 để cố định điện áp 2,5 V trên triết áp 10 kilô Ôm ,có thể khắc phục được sự thăng giáng của nguồn nuôi
2.Phối hợp giữa bộ cảm biến và bộ vi điều khiển :
Hầu hết các bộ cảm biến đều đưa ra tín hiệu dạng điện áp , dòng điện , dung kháng hoặc trở kháng Tuy nhiên , ta cần đưa đưa tín hiệu này về dạng điện áp hoặc khuếch đại điện áp để đưa đến đầu vào bộ chuyển đổi ADC Sự chuyển đổi này gọi là phối hợp tín hiệu
Ví dụ , bộ cảm biến nhiệt thay đổi trở kháng theo nhiệt độ Sự thay đổi trở kháng cần được chuyển thành sự biến đổi đáp để bộ biến đổi ADC có thể sử dụng được Với trường hợp nối LM35 với ADC0809 , ta thấy bộ cảm biến có độ phân giải 8 bit với tối đa là 256 mức và LM35 tạo ra điện áp 10 mV ứng với sự thay đổi nhiệt độ 1 độ C , nên ta có thể phối hợp đầu vào ADC để tạo ra đầy thang đo là 2,56V Để tạo ra Vout đầy thang đo là 2,56 V của đầu ra bộ cảm biến ta cần đặt các điện áp vào 2 đầu Vref (+)= 2,56 V và Vref(-) = 0 V Bảng dưới đây cho thấy sự tương ứng giữa các đại lượng nhiệt độ ở đầu vào của bộ cảm biến , điện áp vào bộ biến đổi ADC và tín hiệu đầu ra bộ ADC :
Nhiệt độ C Vin của ADC (mV) Vout (D0 – D7)
3.Phối hợp bộ vi điều khiển với đèn LED 7thanh :
Ta phải nối thông qua bộ giải mã nhị phân 4 bit (IC 7447) theo sơ đồ sau với cổng PORT 2 là đầu ra :
IC7447 là 1 vi mạch giải mã tín hiệu nhị phân 4bit thành tín hiệu để đưa đến hiển thị đèn LED 7 thanh rất tiện lợi và dễ sử dụng
LED chỉ thị hàng đơn vị
CHƯƠNG 6 TỔNG THỂ TOÀN MẠCH
Nguyên lý hoạt động của mạch trên:
-Nhiệt độ thay đổi ở bộ cảm biến LM35 sẽ biến thành sự thay đổi điện áp ở đầu Vout của bộ cảm biến Nếu nhiệt độ được đo là 0 độ C thì đầu Vout sẽ có điện áp là 0 V Nhiệt
R độ cứ thay đổi 1 độ C thì đầu Vout sẽ thay đổi 10 mV Điều này do hiệu điện thế giữa 2 đầu điện áp so sánh Vref(+) và Vref(-) của IC0809 quyết định Điều trên xảy ra nếu ta cấp điện áp 2,56V cho đầu Vref(+) và đầu Vref(-) nối đất Ta nối tới chân Vref(+) thông qua bộ khuếch đại 741 Vậy nên chỗ điện trở 1,5 k ta có thể thay vào 1 biến trở 10 k để điều chỉnh đến mức điện áp chuẩn xác cấp cho chân Vref(+)
-Tín hiệu điện áp vào ADC0809 qua chân 26 , chính là đầu IN0 Qua bộ ADC sẽ được chuyển thành tín hiệu nhị phân 8 bit cho ra ở đầu ra dữ liệu D0 đến D7 Ta muốn chọn chân IN0 làm đầu vào bộ biến đổi ADC này thì phải cho 3 chân xác định địa chỉ đầu vào A,B,C của nó có mức logic 0 ,tức là 3 chân 23,24,25 nối đất Chân 10 là đầu vào xung đồng bộ ngoài , tần số của nó xác định tốc độ hoạt động của vi mạch này hay chính là tốc độ chuyển đổi của bộ ADC ( mặc dù vậy tốc độ chuyển đổi này không thể vượt quá 100ms ) Chân 16 chính là Vref(-) ta cho nối đất Chân 11 là chân nguồn nuôi Vcc , ta nối với điện áp 5 V còn chân 13 chính là chân GND ta nối đất
-Chân 7 của ADC0809 là chân EOC (End Of Convesion) báo hiệu kết thúc chuyển đổi ta nối đến đầu P3.2(chân 12 của AT89S52) để sau này dùng vi điều khiển lập trình cho chân này điều khiển quá trình chuyển dữ liệu từ đầu vào ADC đến bộ vi điều khiển Tương tự như vậy , lần lượt các chân SC( chân 6), ALE( chân22), OE (chân 9) của IC0809 được nối đến các chân P2.2(chân 23 ), P2.1 (chân 22) , P2.0 (chân 21) của IC89S52 cũng chức năng trên Trình tự thực hiện như sau :
• Kích hoạt chân cho phép chốt địa chỉ ALE bằng cách đưa 1 xung thấp nên cao
• Kích hoạt chân SC bằng xung cao xuống thấp để bắt đầu chuyển đổi
• Giám sát EOC để kết thúc chuyển đổi Đầu ra cao xuống thấp báo rằng dữ liệu đã được chuyển đổi và cần được lấy đi
• Kích hoạt chân đọc dữ liệu ra bằng xung cao xuống thấp Trên là những công việc mà vi điều khiển chỉ thị cho ADC chuyển dữ liệu vào nó Muốn vậy ta phải lập trình cho IC vi điều khiển Công việc lập trình sẽ được đề cập đến rõ hơn ở phần sau
-Các đầu ra dữ liệu D0 đến D7 ( lần lượt là các chân 17, 14,15,8,18,19,20,21) của
ADC0809 được nối tới cổng PORT 1 làm đầu vào bộ vi điều khiển PORT 1 có 8chân là từ P1.0 đến P1.7(lần lượt là các chân từ 1 đến 8 ) Ta sẽ lập trình cho PORT 1 là cổng nhận dữ liệu vào bộ vi điều khiển này bằng cách cho các chân ở cổng đó có mức logic 1.
- Ta cũng phải cấp nguồn 5V cho đầu Vcc(chân 40) của IC89S52 và nối đất chân GND của nó (chân20) của nó Ngoài ra chân Reset (chân 9) ta có thể nối thông qua mạch như sau : Để đảm bảo Reset có hiệu quả , chân RST cần được duy trì trạng thái tích cực tối thiểu 2 chu kì máy ( một chu kì máy bằng 12 chu kì dao động xung đồng hồ ) Lưu ý rằng khi reset giá trị của bộ đếm chương trình PC bằng 0 và như vậy CPU nhận mã lệnh đầu tiên tại địa chỉ 0000 của bộ nhớ ROM Ngoài ra 2 chân 18 , 19 ta nối với bộ dao động thạch anh 11 Mhz để tạo xung đồng bộ cho IC vi điều khiển Khi mắc dao động thạch anh , phải cú 2 tụ 30 àF , một đầu mỗi tụ nối tới XTAL 1(chõn 19) và XTAL 2 (chõn 18 ) còn đầu kia nối đất Chân EA được nối tới dương nguồn vì IC 89S52 là vi mạch có ROM trên chip Lưu ý chân EA không bao giờ để hở
-Cổng PORT 0 được chọn làm cổng đầu ra của bộ vi điều khiển để đưa tín hiệu tới chỉ thị cho bộ hiển thị Sau khi đã chuyển đổi xong điện áp tương tự ỏ đầu vào , tín hiệu nhị phân cho ra ở đầu ra dữ liệu của ADC0809 được đưa tới cổng PORT 1 của AT89S52 Đến đây , bộ vi điều khiển có nhiệm vụ chủ yếu là biến đổi số nhị phân ở đầu vào (PORT 1)thành tín hiệu ra( PORT 0) chỉ thị cho bộ giải mã (IC7447) hiển thị kết quả theo kiểu số thập phân ra đèn LED 7thanh Ví dụ đầu vào bộ cảm biến là 1 mức nhiệt độ 30°C, qua LM35 sẽ cho ra ở đầu ra Vout là 300 mV đưa đến đầu vào ADC qua chân 26 Căn cứ vào điện áp so sánh là hiệu điện thế giữa 2 đầu Vref(+) và Vref(-) ta đã chọn là 2,56 V đầu (+) và nối đất đầu (-) thì tín hiệu số ở đầu ra dữ liệu của ADC sẽ là 0001 1110
Theo mã Hexa thì tín hiệu đó có thể viết là 1E(H) Như vậy có thể viết cổng PORT 1 có giá trị là 1E (H) Ta sẽ lập trình cho 89S52 để nó có thể biến số Hexa này thành tín hiệu chỉ thị cho bộ giải mã hiển thị số 30 ra đèn LED ( phần lập trình ta sẽ đi sâu vào hơn ở phần sau ) tức là sẽ làm cho 4 bit đầu P0.0, P0.1 , P0.2, P0.3 biểu thị giá trị 0(H) :0000 và
4 bít sau P0.4,P0.5 , P0.6 ,P0.7 biểu thị giá trị 3(H): 0011 Giá trị được hiển thị trên đèn LED chính là giá trị nhiệt độ ở đầu vào bộ cảm biến Kết quả thu được là ta đã hiển thị được giá trị điện áp cần đo ra đèn LED 7 thanh thông qua mạch điện tử trên
VẤN ĐỀ LẬP TRÌNH CHO IC VI ĐIỀU KHIỂN
TRAO ĐỔI VỚI CÁC ĐƯỜNG DẪN TÍN HIỆU
- Tất cả các đường dẫn tín hiệu vừa được giới thiệu cho phép trao đổi qua các địa chỉ bộ nhớ của máy tính: ghi dữ liệu, ghi trạng thái và ghi điều khiển Hình 8 sẽ cho ta thấy rõ hơn sự sắp xếp của các đường dẫn tín hiệu tới các bit dữ liệu riêng biệt của thanh ghi.
- Địa chỉ đầu tiên đạt đến được của cổng máy in được xem như là địa chỉ cơ sở ( basic address) Ở các máy tính PC được chế tạo gần đây địa chỉ cơ sở của cổng máy in được sắp xếp như sau:
- Địa chỉ cơ bản đồng nhất với thanh ghi dữ liệu Thanh ghi trạng thái được đạt tới dưới địa chỉ cơ bản +1 Ở đây cần chú ý rằng mức logic của BUSY (PIN 11) được sắp xếp
Hình8b.thanh ghi trạng thái ( địa chỉ cơ bản +1)
Hình 8c thanh ghi điều khiển ( địa chỉ cơ bản +2).
Thanh ghi điều khiển với 4 đường dẫn lối ra của nó đặt dưới địa chỉ cơ bản +2 Ở đây lại cần chú ý tới sự đảo ngược của các tín hiệu STROBE, AUTOFEED, SLCTIN.
ƯU ĐIỂM CỦA VIỆC TRAO ĐỔI DỮ LIỆU BẰNG CỔNG SONG SONG
- Cổng song song được sử dụng trong nhiều ứng dụng như hệ thống thu thập dữ liệu, ghép nối với các thiết bị ngoại vi với máy tính Nó có ưu điểm là không phải tháo máy để lắp các card vào như ghép nối với máy tính qua Slot trên mainboard và ưu điểm nổi bật nữa là có thể ghép nối với các loại máy tính khác nhau Sau đây là một số các ứng dụng cơ bản.
- Ứng dụng 1: Dùng để ghép nối hai máy tính với nhau hay giữa các thiết bị ngoại vi với máy tính qua cổng LPT Cổng này cho ghép việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị nhanh và phần cứng, phần mềm điều khiển đơn giản.
- Ứng dụng 2: Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển qua cổng LPT Mạch điều khiển động cơ bước, hệ thống điều khiển từ xa sóng radio và tia hồng ngoại, kết hợp với ADC và các bộ dồn kênh được ghép nối với máy tính qua cổng LPT.
- Ứng dụng 3: Kết nối với các mạch đo các thông số tương tự như : nhiệt độ, tốc độ gió, hướng gió, độ sáng, độ ẩm.
*Ghép nối IC với cổng máy in để nạp chương trình dưới dạng file HEX cho IC:
Bảng sơ đồ chân ghép nối giữa cổng máy in và vi điều khiển AT89S52 :
Mạch ghép nối giữa cổng máy in và vi điều khiển AT89S52 :
VẤN ĐỀ ĐO LƯỜNG
Các đại lượng ảnh hưởng đến tín hiệu đo
Trong khi dùng cảm biến để xác định một đại lượng cần đo ,không chỉ có một đại lượng này tác động đến cảm biến Trên thực tế ngoài đại lượng đo còn có nhiều đại lượng khác có thể tác động gây ảnh hưởng đến tín hiệu đo Những đại lượng như vậy gọi là đại lượng ảnh hưởng hoặc đại lưưọng gây nhiễu s s s 2 s 1 s 2 s 1 m 1 m 2 m m 1 m 2 m
Hình 2 : đường cong chuẩn cảm biến a) dựng đường cong từ các giá trị đã biết của m b) khai thác đường cong chuẩn để xác định m từ giá trị s đo được
Các đại lượng gây nhiễu thường gặp và tác động của chúng có thể được liệt kê như sau:
* Nhiệt độ làm thay đổi các đặc trưng điện cơ và kích thước của cảm biến
* Aùp suất , gia tốc , dao động rung có thể gây nên biến dạng và ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu hồi đáp
* Độ ẩm có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu như hằng số điện môi , điện trở suaát.
* Từ trường có thể gây nên suất điện động cảm ứng chồng lên tín hiệu có ích Ngoài ra nó còn làm thay đổi tính chất điện của vật liệu cấu thành cảm biến
* Biên độ và tần số của điện áp nuôi ví dụ trường hợp biến thế vi sai ảnh hưởng đến đại lượng điện ở đầu ra
Nếu gọi các đại lưọng ảnh hưỏng là n1 , n2 ,n3…thì mối quan hệ s = F(m) được viết lại một cách đầy đủ như sau: s = F (m, n 1 , n 2 ,n 3… ) Kết luận Để có thể rút ra giá trị cần đo m từ các giá trị đo được của s cần phải áp dụng một trong những biện pháp sau:
* Giảm ảnh hưởng của các đại lượng n1 , n2 ,n3…đến mức thấp nhất bằng cách sử dụng các biện pháp hữu hiệu như cách điện , chống rung , chống từ trường
* Ổn định các đại lượng ảnh hưởng ở những giá trị biết trước và chuẩn cảm biến trong những điều kiện đó (bình ổn nhiệt , nguồn điện áp có bộ phận điều chỉnh …)
* Sử dụng các sơ đồ ghép nối cho phép bù trù ảnh hưởng của đại lượng gây nhiễu
3.S ơ đồ khối tổng quát của một m ạch đo
Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo (trong đó kể cả cảm biến ) cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể
Dạng đơn giản nhất của mạch đo bao gồm cảm biến , bộ biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị Tuy nhiên trên thực tế do yêu cầu đòi hỏi của việc khai thác tín hiệu , mạch đo thường bao gồm nhiều thành phần trong đó có các khối để tối ưu hoá việc thu thập dữ liệu và để xử lý dữ liệu
Bộ phận biến đổi tín hieọu
Thieỏt bũ chổ thị và xử lý dữ liệu
Hình 3: sơ đồ khối tổng quát của một mạch đo Đại lượng caàn ủo
Sai soỏ cuỷa pheựp ủo
Kết quả của mọi phép đo đều được ghi lại ở dạng này hay dạng khác ,có khi là một con số hoặc có khi là một đường cong…Song bất luận trong trường hợp nào thì kết quả của nó cũng đều chứa đựng sai số
Giá trị thực = giá trị đo được ± giá trị sai số
Khi đánh giá sai số người ta thường phân chúng làm hai loại: sai số hệ thống & sai số ngaãu nhieân.
Giả sử ta đo một đại lượng đã biết trước giá trị thực của nó Nếu như giá trị trung bình của các giá trị đo được luôn luôn lệch khỏi giá trị thực mà không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp thì ta nói trong trường hợp này có sai số hệ thống.
Sai số hệ thống có nguyên nhân do sự hiểu biết sai lệch hoặc không đầy đủ về hệ đo hay do điều kiện sử dụng không tốt.Sau đây ta sẽ nêu một số sai số hệ thống thường gặp:
* Sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng: thí dụ điểm 0 của thiết bị đo lệch khỏi vị trí , giá trị điên áp nuôi cầu đo không chính xác…
* Sai số do đặc tính của cảm biến : sai số độ nhạy hoặc của đường cong chuẩn là nguyên nhân thường gặp dẫn đến sai số hệ thống Thí dụ: đặc tuyến điẹân trở_nhiệt độ của cảm biến nhiệt trong một lô sản phẩm là đường thẳng , tuy nhiên một cảm biến đặc biệt nào đó lại có đặc tuyến khác đi đôi chút dẫn đến sai số hệ thống khi đo Để tránh sai số ta cần phải thường xuyên chuẩn lại cảm biến
* Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng : Tốc độ hồi đáp củ cảm biến và các thiết bị phụ trợ thường có hạn Bởi vậy tất cả phép đo được thiết lập đều chứa sai số Thí dụ đầu đo nhiệt có tốc độ hồi đáp rất khác nhau phụ thuộc vào việc nó đặt trong chất lỏng đứng yên hay chuyể động, lại còn phải kể đến quán tính nhiệt của nó nữa…
* Sai số do xử lý kết quả đo : sai số dạng này thường do sự nhậân xét đánh giá không chính xác kết quả đo chứa những điểm có độ lệch lớn để nhận được giá trị chính xác hôn
Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà sự xuất hiện cũng như dấu và biên độ của chúng mang tính không xác định Một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên có thể dự đoán được nhưng độ lớn của chúng thì không thể biết trước Sau đây là một số nguyên nhân dẫn đến sai số ngẫu nhiên:
* Sai số do tính không xác định của đặc trưng thiết bị: Nguyên nhân đầu tiên có thể gặp là tính lịnh động của thiết bị Ở dưới một giá trị ngưỡng nhất định, sự thay đổi của đại lượng đo không dẫn đến sự thay đổi có thể phát hiện được của tín hiệu điện do cảm biến cung cấp Nguyên nhân gây sai số cũng có thể là do đọc sai số liệu Thí dụ độ mảnh của kim chỉ thị của đồng hồ đo cũng có thể gây nên sai số
Kết hợp sai số độ linh độngαm và sai số đọc số liệu αl sẽ xác định sai số độ phân giảαr Sai số độ phân giải là biến thiên nhỏ nhất có thể đo được của đại lượng đo
* Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên: Nhiễu nền gây nên kích thích nhiệt cảu hạt dẫn trong các điện trở hoặc trong các linh kiện tích cực làm suất hiện thăng giáng điên áp chồng lên tín hiệu có ích ở đầu ra.Cảm ứng ký sinh do bức xạ điện từ.Thăng giáng điện áp nguồn làm thay đổi hoạt động của thiết bị do đó làm thay đổi biên độ của tín hiệu cần xử lý…
* Sai số do các đại lượng ảnh hưởng : Hậu quả của sự thay đổi các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến Bởi vậy sự đóng góp của chúng trong kết quả đo được xem như sai số ngẫu nhiên
4.3 Tính trung thực tính đúng đắn và độ chính xác
Sai số ngẫu nhiên làm kết quả đo bị tản mạn khi đo lặp lại Tuy nhiên bằng phương pháp xử lý thống kê có thể xác định được giá trị xác suất của đại lượng đo và giới hạn của sai số Khi đo lặp lại n lần cùng một giá trị của đại lượng cần đo ta nhận được các kết quả m1 , m2 , …,mn Giá trị trung bình sau n lần đo là : m n m m m 1 + 2 + + n
Chỉ số độ tản mạn của kết quả của n lần đo được biểu diễn thông qua độ lệch ( ) ( ) ( )
Các sai số ngẫu nhiên tác động đến các lần đo một cách hoàn toàn không phụ thuộc lẫn nhau Bởi vậy xác suất xuất hiện các kết quả khác nhau sẽ tuân theo định luật phân bố Gaus Xác suất P(m1,m2) nhận được giá trị đo nằm trong khoảng giữa m1, m2 được viết dưới dạng biểu thức :
( 1 2 m m dm m p m m P trong đó p(m) là mật độ xác suất của giá trị m của đại lượng đo
Tính trung thực là chất lượng của thiết bị đo có sai số ngẫu nhiên nhỏ thể hiện ở chỗ kết quả của các lền đo tập trung xung quanh giá trị trung bình m
Chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến có mục đích diễn giải tường minh dưới dạng đồ thị hoặc đại số, mối quan hệ giữa giá trị m của đại lượng đo và giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số ảnh hưởng. p(m) m p(m) m p(m) m p(m) m
Hình4 :Các dạng kết quả đo khác nhau
(a)Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên lớn , thiết bị không đúng đắn và không trung thực
(b) Sai số hệ thống lớn sai số ngẫu nhiên nhỏ, thiết bị trung thực nhưng không đúng đắn
(c) Sai số hệ thống nhỏ , sai số ngẫu nhiên lớn , thiết bị đúng đắn nhưng không trung thực
(d) Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên nhỏ , thiết bị đúng đắn trung thực và chính xác.
Giá trị thực:mật độ xác suất
Các thông số ảnh hưởng này có thể là các đại lượng vật lý liên quan đến đại lượng đo (mà cảm biến rất nhạy với những biến thiên của chúng), thí dụ như chiều và tốc độ biến thiên của đại lượng đo Chúng cũng có thể là các đại lượng không liên quan đến đại lượng đo nhưng tác động đến cảm biến trong quá trình sử dụng và làm thay đổi hồi đáp, thí dụ các đại lượng ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm hay các đại lượng ảnh hưởng của nguồn nuôi như biên độ, tần số, điện áp làm việc của cảm biến.
Chuẩn đơn giản chính là kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của đại lượng đo với giá trị tương ứng của đại lượng điện ở đầu ra Việc chuẩn đoán được tiến hành bằng một trong các cách sau:
* Chuẩn trực tiếp : các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.
* Chuẩn gián tiếp : sử dụng kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc.
Khi cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ (trễ cơ hoặc trễ từ ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo mà cònphụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này Trong những trường hợp như vậy cần phải áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và được tiến hành như sau:
* Đặt lại điểm 0 của cảm biến : đai lượng cần đo và đại lượng đầu ra có các giá trị tương đương với điểm gốc, m = 0 và s = 0.
* Đựng lại đại lượng đầu ra : bằng cách lúc đầu tăng giá trị của đại lượng cần đo ở đầu vào đến cực đại, sau đó giảm giá trị đo Các giá trị biết trước của đại lượng cần đo cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và giảm dần
6 Độ nhạy Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi mi của đại lượng đo được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của đại lượng ở đầu ra và biến thiên ∆m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào: m i m m
Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện nhất định của cảm biến Điều này cho phép ta lựa chọn được cảm biến thích hợp với điều kiện đặt ra của mạch. Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại
Ω/ 0 C đối với nhiệt điện trở àV/ 0 C đối với cặp nhiệt điện Đối với các cảm biến khác nhau cùng dựa trên một nguyên lý vật lý, trị số của độ nhạy
S có thể phụ thuộc vào vật liệu, kích thước, hay kiểu lắp ráp Ngoài ra độ nhạy còn là hàm của các thông số bổ sung nếu như các thông số này ảnh hưởng đến hồi đáp của cảm biến Đây là trường hợp của điện áp và tần số của nguồn nuôi, nhiệt độ môi trường, tần số biến thiên của đại lượng đo.
Độ nhanh – thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo không Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh Cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp của nó càng nhỏ Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng ra s của cảm biến chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn qui ủũnh ε %.
Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang dẫn đến sự tăng lên của đại lượng đầu ra, khoảng thời gian trễ khi tăng lên, tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra s tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra s tăng từ 10% đến 90% của biến thiên tổng cộng của nó. t 57 t t
Giới hạn sử dụng cảm biến
Trong quá trình sử dụng, cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt tác động lên chúng Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi các đặc trưng làm việc của cảm biến Bởi vậy ngưòi sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến và tuân thủ chúng trong khi sử dụng cảm biến.
Vùng làm việc danh định
Vùng này tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến Biên giới của nó là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.
Vùng không gây nên hư hỏng
Là vùng mà giá trị các đại lượng đo hoặc các đại lượng liên quan vượt quá ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn trong phạm vi của vùng không gây hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có nguy cơ bị thay đổi nhưng những thay đổi này có tính chất thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định thì các đặc trưng của cảm biến cũng phục hồi lại được giá trị ban đầu của chúng.
Nằm ngoài vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn nằm trong vùng không phá huỷ Tại vùng này các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi mà không thể hồi phục lại được khi trở về vùng làm việc danh định
Vùng làm việc danh ủũnh
Vuứng khoõng gaõy nên hư hỏng
THI CÔNG MẠCH ĐIỆN
-Sau khi đã tính toán thiết kế trên cơ sở lí thuyết chúng em tiến hành thi công mạch điện.
-Liệt kê các linh kiện cần mua
-Đầu tiên , lắp ráp thử trên testboard thí nghiệm số để kiểm tra linh kiện
-Viết chương trình điều khiển theo ngôn ngữ C trên máy tính trong phần mềm biên dịch ngôn ngữ C ra ngôn ngữ HEXA để có được file chương trình HEX , rồi sau đó dùng phần mềm nạp bộ nhớ cho IC 89S52 thông qua cổng máy in
- Để đảm bảo không gặp sự cố khi lắp mạch , chúng em chọn phương pháp lắp ráp rồi kiểm tra từng bộ phận , sau khi bộ phận đó hoạt động tốt rồi mới lắp ráp bộ phận tiếp theo
