Bộ chuyển đổi ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu ở dạng tương tự sang dạng số để có thể làm việc được với CPU.
dây và anten Ứng dụng này chủ yếu mô tả cách thức tối ưu hóa ADC (Analog to Digital Convertor) trong các phần cứng để không làm thay đổi bản chất của nó và làm cho nó hoạt động tốt nhất. Phương pháp này phụ thuộc vào các nhiễu bên trong của ADC và các nhiễu bên ngoài như : trở kháng , nguồn , các vòng...
2.3.2 Tìm hiểu về ADC 0804
Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãng National Semiconductor. Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất. Chip có điện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit. Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN và không bé hơn 110µs.
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử
Các chân khác của ADC0804 có chức năng như sau:
CS (Chip select)
Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt chip ADC0804. Để truy cập ADC0804 thì chân này phải ở mức thấp.
RD (Read)
Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp. Các bộ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong. RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chuyển đổi tới đầu ra của ADC0804. Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7).
WR (Write)
Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra từ xung cao xuống xung thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bit. Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp.
CLK IN và CLK R
CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo thời gian. Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồ riêng. Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) được nối với một tụ điện và một điện trở (như hình vẽ).
Ngắt INTR (Interupt)
Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp. Bình thường chân này ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết l à dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi INTR xuống thấp, cần đặt CS = 0 v à gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữ liệu ra.
Vin (+) và Vin (-)
Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong đó Vin = Vin (+) Vin (-). Thông thường Vin (-) được nối tới đất và Vin (+) được dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số.
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử Vcc
Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V. Chân này còn được dùng làm điện áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở.
Vref/2
Chân số 9, là điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu. Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 - +5V. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0 - +5V. Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 - +5V.
D0 - D7
D0 - D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp nhất LSB). Các chân này được đệm ba trạng thái và dữ liệu đã được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xuống mức thấp
2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà các bạn trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu ( 1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt ).
Một nguyên tắc đặt ra là: Tăng cường trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường cần đo.
2.4.1 Phân loại cảm biến nhiệt
- Cặp nhiệt điện (Thermocouple).
- Nhiệt điện trở (RTD-resitance temperature detector). - Thermistor.
- Bán dẫn (Diode,IC,….).
- Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dùng hồng ngoại hay lazer.
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử 2.4.2 Cặp nhiệt điện ( Thermocouples )
- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. - Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). -Ưu điểm : Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. - Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C
Hình 2.9 Cặp nhiệt điện
- Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò. - Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó vàbộ điều khiển cho thích hợp.( offset trên bộ điều khiển ).
Lưu ý khi sử dụng:
- Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ). Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ). Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.
- Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử 2.4.3 Thermistor
- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… - Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
- Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. - Tầm đo: 50 <150 D.C.
Cấu tạo Thermistor
- Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC. - Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.
Lưu ý khi sử dụng:
- Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC ( gọi nôm na là thường đóng/ thường hở ) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM.
- Nên ép chặt vào bề mặt cần đo. - Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.
- Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây.
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử 2.4.4 Cảm biến nhiệt độ LM35
LM35 là một họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa trên các chất bán dẫn dễ bị tác động bởi sự thay đổi của nhiệt độ , đầu ra của cảm biến là điện áp(V) tỉ lệ với nhiệt độ mà nó được đặt trong môi trường đo.
Họ LM35 có rất nhiều loại và nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau.
Hình 2.11 Họ cảm biến nhiệt độ LM35
Đặc điểm nổi bật:
Đo nhiệt độ với thang đo nhiệt bách phân (0 C) Độ phân giải : 10mV/10C
Khả năng đo nhiệt độ trong khoảng: - 55 đến +150 (0 C) Nguồn áp hoạt động : 4V đến 30V
Điện áp đầu ra : +6V đến -1V
Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo,chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản. Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử
Hình 2.12 cảm biến nhiệt độ LM35
* LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ : 10mV/1(0C)
* Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25(0C) nó có sai số không quá 1%. Với tầm đo từ 0(0C) đến 128(0C) , tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
* Thông số kỹ thuật: - Tiêu tán công suất thấp .
- Dòng làm việc từ 400µA đến 5mA. - Dòng ngược 15mA.
- Dòng thuận 10mA.
- Độ chính xác: khi làm việc ở nhiệt độ 25(0C) với dòng làm việc 1mA thì điện áp ngõ ra từ 2,94V đến 3,04V.
* Đặc tính điện:
- Theo thông số của nhà sản xuất LM35, quan hệ giữa điện áp và ngõ ra như sau: Vout =0.01*T(0K)=2,73+0,01*T(0C).
Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0(0C) đến 100(0C) ta có sự biến thiên điện áp ngõ ra là
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử 2.4.5 Dải nhiệt độ và sự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ của LM35
Các bộ biến đổi (Transducer) chuyển đổi các đại lượng vật lý ví dụ như nhiệt độ, cường độ ánh sáng, lưu tốc và tốc độ thành các tín hiệu điện phụ thuộc vào bộ biến đổi mà đầu ra có thể là tín hiệu dạng điện áp, dòng, trở kháng hay dung kháng. Ví dụ, nhiệt độ được biến đổi thành về các tín hiệu điện sử dụng một bộ biến đổi gọi là Thermistor (bộ cảm biến nhiệt), một bộ cảm biến nhiệt đáp ứng sự thay đổi nhiệt độ bằng cách thay đổi trở kháng nhưng đáp ứng của nó không tuyến tính.
Bảng 2.10 Trở kháng của bộ cảm biến nhiệt theo nhiệt độ
Nhiệt độ (0C) Trở kháng của cảm biến (k) 0 29.490 25 10.000 50 3.893 75 1.700 100 0.817 2.4.5 Các bộ cảm biến nhiệt họ LM35
Loạt các bộ cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh. Chúng đưa ra điện áp 10mV cho mỗi sự thay đổi 10C. Bảng 3.2 hướng dẫn ta chọn c
ác cảm biến họ LM35.
Bảng 2.11 Hướng dẫn chọn loạt các cảm biến nhiệt họ LM35
Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra
LM35A -55 C to + 150 C + 1.0 C 10 mV/F LM35 -55 C to + 150 C + 1.5 C 10 mV/F LM35CA -40 C to + 110 C + 1.0 C 10 mV/F LM35C -40 C to + 110 C + 1.5 C 10 mV/F LM35D 0 C to + 100 C + 2.0 C 10 mV/F
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử
2.4.6 Phối hợp tín hiệu và sơ đồ khối phối ghép LM35 với 8051
Xét trường hợp nối một LM35 tới một ADC 0804 Sự thay đổi trở kháng phải được chuyển thành điện áp để có thể được sử dụng cho các, ADC 804 có độ phân dải 8 bít với tối đa 256 bước (28) và LM35 (hoặc ML34) tạo điện áp 10mV cho mỗi sự thay đổi nhiệt độ 10C nên ta có thể tạo điều kiện Vin của ADC 804 tạo ra một Vout = 2560mV (2,56V) cho đầu ra đầu thang đo. do vậy, nhằm tạo ra Vout đầy thang 2,56V cho ADC 804 ta cần đặt điện áp Vref/2 = 1,28V. Điều này làm cho Vout của ADC 804 đáp ứng trực tiếp với nhiệt độ được hiển thị trên LM35 . Các giá trị của Vref/2 được cho ở bảng 2.12
Bảng 2.12 Mối quan hệ giữa điện áp vào và ra với nhiệt độ
Nhiệt độ (0C) Vin (mV) Vout (D7 – D0) 0 0 0000 0000 1 10 0000 0001 2 20 0000 0010 3 30 0000 0011 10 100 0000 1010 30 300 0001 1110 2.5 CẢM BIẾN QUANG 2.5.1 Khái quát a.Tính chất ánh sáng: Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt . Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng nguyên tử của nguồn sáng .
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử
trong đó : c vận tốc trong chân không c = 299792km/s. n chiết suất của môi trường truyền sóng.
Sự liên hệ giữa tần số f và bước sóng :
f V
Trong chân không: f c
. Dãy phổ ánh sáng được biểu diễn như hình :
Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất . Ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng lượng W phụ thuộc vào tần số . W = hf
Trong đó h là hằng số Planck h = 6,6256.10-34Js
Trong vật chất các hạt điện tử luôn có xu hướng trở thành điện tử tự do . Để giải phóng được các hạt điện tử khỏi nguyên tử thì cần 1 năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết WL . Do đó nếu photon cần hấp thụ 1 hạt điện tử thì cần 1 điều kiện là W ≥ WL . Khi đó ta có ;
h W
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử ) (m ) (Hz v 16 10 . 3 3.1015 3.1014 Hình 2.13 Sơ đồ bước sóng của ánh sáng
Bước sóng ngưỡng ( bước sóng lớn nhất ) của ánh sáng là bước sóng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính từ biểu thức :
l s W hc
Hiện tượng giải phóng hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu . Đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang.
Dưới tác dụng của ánh sáng , hiệu ứng quang điện tỉ lệ thuận với số lượng hạt dẫn được giải phóng trong 1 đơn vị thời gian . Ngay cả khi > S thì không thể giải phóng tất cả các hạt dẫn bởi vì 1 số sẽ phản xạ từ bề mặt và số khác sẽ chuyển năng lượng của chúng thành năng lượng của dao động nhiệt. Đối với vật liệu có hệ số phản xạ R lớn và bị chiếu bởi ánh sáng đơn sắc có công suất thì :
Trường : ĐHCN Hà Nội Khoa : Điện Tử
Số photon chiếu đến trong 1 giây : ninc hv hc
Số photon hấp thụ trong 1 giây : na R ninc R hc
) 1 ( ) 1 (
Số hạt điện tử và lổ trống được giải phóng trong 1 giây :
hc R n G a . (1 )
Trong đó là hiệu suất lượng tử ( số điện tử hoặc lổ trống trung bình được giải