4. Ph−ơng pháp nghiên cứu
2.2.4.2. Mạch chỉ thị số
Là khâu thu thập, gia công tín hiệu đo từ khâu chuyển đổi đ−a tới, nó có nhiệm vụ tính toán, biến đổi tín hiệu nhận đ−ợc từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị số. Mạch đo ở đây có thể là mạch đo l−ờng số sử dụng vi điều khiển, cũng có thể là mạch đo sử dụng các IC số.
+ Đối với mạch đo sử dụng vi điều khiển: có sơ đồ khối nh− hình 2.8 d−ới đây:
Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống đo l−ờng số dùng vi điều khiển
Hoạt động của sơ đồ này nh− sau: đối t−ợng cần đo là đại l−ợng vật lý, dựa vào đặc tính của đối t−ợng cần đo mà chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại l−ợng vật lý cần đo thành đại l−ợng điện, sau đó đ−a vào mạch chế biến chuyển đổi tín hiệu (bao gồm bộ cảm biến, hệ thống khuếch đại, xử lý tín hiệu). Bộ chuyển đổi tín hiệu sang tín hiệu số ADC (Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số để kết nối với vi điều khiển. Bộ vi điều khiển có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành đã đ−ợc thực hiện tr−ớc đó, rồi đ−a ra bộ hiển thị.
+ Đối với mạch đo sử dụng IC số: đ−ợc thể hiện trên sơ đồ khối nh− hình 2.9 sau đây:
Hình 2.9. Sơ đồ khối của mạch đo sử dụng IC số
Hoạt động của khối này là: ph−ơng pháp đo bằng IC số này cũng gần giống với ph−ơng pháp đo sử dụng vi điều khiển chỉ khác nhau ở chỗ là thay vì phải lập trình và mua bộ nạp cho con vi điều khiển thì có thể sử dụng ngay các con IC giải mã.
* Bộ chuyển đổi t−ơng tự - số: trong sinh hoạt và sản xuất ngày nay thì
công việc truyền tin cũng nh− là trong điều khiển và hiển thị phần lớn đều đ−ợc thực hiện theo ph−ơng pháp số. Trong khi đó các đối t−ợng mà ta nghiên cứu đều có dạng tín hiệu t−ơng tự (nh− nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh…). Vì vậy để kết nối giữa nguồn tín hiệu t−ơng tự với các hệ thống xử lý số thì phải dùng các mạch chuyển đổi t−ơng tự sang số
nhằm chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số hoặc ng−ợc lại khi cần biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu t−ơng tự thì phải dùng mạch chuyển đổi DAC (Digital Analog converter).
Nguyên tắc thực hiện chuyển đổi ADC là chuyển đổi tín hiệu ngõ vào t−ơng tự (nh− dòng điện hay điện áp) thành mã số nhị phân có các giá trị t−ơng ứng.
Bộ chuyển đổi ADC có rất nhiều ph−ơng pháp khác nhau, mỗi ph−ơng pháp đều có những thông số cơ bản khác nhau nh−: độ chính xác, tốc độ chuyển đổi, giải biến đổi của hiệu ứng t−ơng tự ngõ vào. Nh−ng chúng đều xuất phát từ một nguyên lý chung và đ−ợc thể hiện trên sơ đồ tổng quát hình 2.10 d−ới đây:
Hình 2.10. Sơ đồ khối tổng quát của mạch ADC
Hoạt động: đầu tiên kích xung điều khiển (Startcommand) để bộ ADC hoạt động. Tại một tần số đ−ợc xác định bằng xung đồng hồ (clock) bộ điều khiển làm thay đổi thành số nhị phân đ−ợc l−u trữ trong thanh ghi (Register). Số nhị phân trong thanh ghi đ−ợc chuyển thành điện áp UB bằng bộ chuyển đổi
DAC. Bộ so sánh sẽ so sánh điện áp UB với điện áp ngõ vào UA. Nếu UA>UB thì ngõ ra của bộ so sánh vẫn giữ ở mức cao. Khi UA<UB ngõ ra của bộ so sánh
xuống mức thấp và quá trình thay đổi số của thanh ghi ng−ng, lúc này UB gần bằng UA, và những số trong thanh ghi là những số chuyển đổi.
* Bộ hiển thị số: là khâu cuối cùng của hệ thống đo l−ờng, nó có nhiệm vụ thể hiện kết quả đo l−ờng d−ới dạng những con số t−ơng ứng với đơn vị cần đo sau khi qua mạch đo. Thiết bị hiển thị số th−ờng là hiển thị bằng tinh thể lỏng hoặc là hiển thị bằng LED 7 thanh.
Đối với thiết bị hiển thị bằng tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display) loại phản xạ gồm có hai tấm thuỷ tinh xếp song song với nhau, ở giữa là lớp tinh thể lỏng. Một điện thế xoay chiều đ−ợc áp ngang qua chất lỏng này, cụ thể là giữa đoạn (đã phủ kim loại) cần hiển thị và mặt sau (Back plane-BP) phủ kim loại. Khi không có hiệu điện thế thì đoạn phủ kim loại phản xạ ánh sáng (ánh sáng đến từ xung quanh), lớp tinh thể lỏng trong suốt nên ánh sáng cũng phản xạ ở mặt sau BP nên ta không thấy đ−ợc đoạn mà chỉ thấy toàn mặt của hiển thị màu sáng bạc yếu. Khi có hiệu thế, đoạn và mặt sau BP tác động nh− một tụ điện, tiêu thụ một dòng điện nhỏ. Tần số của điện thế phải thấp và dòng điện này nhỏ tuy nhiên không đ−ợc thấp d−ới 25Hz vì sẽ tạo sự nhấp nháy khó chịu cho mắt. Điện tr−ờng bên trong tụ phá vỡ sự sắp xếp trật tự của các phân tử của chất tinh thể lỏng làm chất lỏng giữa đoạn và mặt sau BP không còn trong suốt nên ánh sáng không phản xạ đ−ợc từ mặt sau ở vùng t−ơng ứng với đoạn trở nên đen, xuất hiện rõ ràng trên nền sáng bạc còn lại của màn hiển thị. Nếu nhiều đoạn cùng tối ta sẽ có các số, các ký tự,… Màn hình tinh thể lỏng đ−ợc bố trí các điểm ảnh thành một ma trận và mỗi điểm ảnh của nó có một địa chỉ. ở một số loại màn hình LCD loại dẫn xạ, tấm điện phát quang đ−ợc đặt mặt sau để rọi sáng nó thay vì chỉ dùng ánh sáng của môi tr−ờng xung quanh đến từ phía tr−ớc. Thiết bị hiển thị này tốn rất ít năng l−ợng nên hiện nay đ−ợc dùng rất phổ biến. Làm sáng một đoạn của LCD 7 thanh, hay một hình dạng nào khác của một LCD nói chung, thật ra là làm tối đoạn hay hình dạng đó. Nó khác với LED 7 thanh ở chỗ là khi sử dụng LCD cần phải có tín hiệu mặt sau dạng sóng vuông với tần số từ 30Hz đến 200Hz. Để
biểu diễn các chữ cái hay ký hiệu thì ng−ời ta dùng đèn 16 thanh và ma trận điểm.
Đối với thiết bị hiển thị bằng LED 7 thanh: đây là một linh kiện quang điện tử. −u điểm của nó là tần số hoạt động cao, thể tích nhỏ, công suất tiêu hao không lớn lắm, không làm sụt áp khi khởi động… Đặc điểm quan trọng của LED là không cần kính lọc vẫn cho ra mầu sắc (th−ờng là mầu xanh, vàng hoặc đỏ) sự phát sáng của LED khác với đèn th−ờng. ở đây chất phát sáng đ−ợc nung nóng làm cho phôton đ−ợc giải phóng. Điều kiện để nó đ−ợc giải phóng là do có sự tập chung cao độ của electron và lỗ trống. Ngoài ra LED cũng có cấu trúc đặc tr−ng của những Diode thông th−ờng tức là cũng có dạng một mặt ghép P-N, có chiều dẫn điện và chiều không dẫn điện, vì nó có thể tích nhỏ, công suất tiêu thụ thấp. Do đó nó rất thích hợp với các mạch logic nên LED đ−ợc ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực chỉ báo và hiển thị kết quả đo (nh− nhiệt độ, độ ẩm, điện áp, dòng điện, thời gian…) hoặc một trạng thái của mạch logic. Đối với LED 7 thanh hiện nay trên thị tr−ờng có hai loại là: loại anôt chung và loại catôt chung nh− hình 2.11.
Hình 2.11. LED 7 đoạn loại anôt (b) và catôt (a) chung
ở loại catôt chung thì catôt của đèn đ−ợc nối đất còn đầu anôt đ−ợc nối qua các điện trở lên đầu ra của mạch giải mã, mạch giải mã làm công việc cấp điện áp Vcc cho LED (th−ờng là 5V). ở loại anôt chung, anôt của các LED đ−ợc nối đến điện áp Vcc (th−ờng là 5V), muốn đoạn này sáng ta nối đầu catôt của đoạn đó xuống mức thấp thông qua điện trở để giới hạn dòng điện, R có
giá trị trong khoảng 180Ω≤R≤390Ω nếu Vcc là 5V. Còn cổng giải mã làm nhiệm vụ nối các đầu catôt xuống mát.