b) Giới thiệu về CCS
3.3. Các bộ biến đổi dữ liệu
3.3.1. Bộ chuyển đổi tương tự - số sử dụng MCP3204
này có bốn chân đầu vào Analog (CH0÷CH3) cho phép tín hiệu vào/ra nối tiếp. Ngồi ra MCP3204 cịn hỗ trợ giao thức SPI (Serial Peripheral Interface) nên rất thuận tiện cho việc giao tiếp với vi điều khiển PIC16F877A.
• Sơ đồ chân
Hình 3.14: Sơ đồ chân MCP3204
VDD: chân cấp nguồn 2.7÷5.5V. AGND: nối mass tín hiệu tương tự. DGND: nối mass tín hiệu số.
CH0÷CH3: bốn kênh đầu vào tương tự. CLK: chân cấp xung clock từ vi điều khiển. Din: chân dữ liệu vào.
Dout: chân dữ liệu ra.
/SHDN: chân chọn chip.
VREF: điện áp tham chiếu (VREF = 4.096V). • Sơ đồ khối
Hình 3.13: Sơ đồ khối MCP3204
Input Chanel Mux: khối chọn kênh đầu vào. Sample and Hold: khối lấy mẫu tín hiệu tương tự. Comparator: khối so sánh.
DAC: khối chuyển đổi DAC hồi tiếp. Control Logic: khối điều khiển Logic. Shift Register: thanh ghi đệm.
3.3.2. Bộ chuyển đổi số - tương tự sử dụng DAC0808
DAC0808 do hãng National Semiconducter sản xuất, là bộ chuyển đổi 8 bit số sang tương tự đầu ra có đặc tính thời gian đúng bằng kích thước của tín hiệu vào trong khoảng 150ns với công suất tiêu thụ là 33mW khi điện áp cung cấp là 5V. khơng cần phải điều chỉnh dịng điện IREF cho tất cả các úng dụng, từ đó đầu ra hiện tại là LSB của 255 (IREF/256). Nguồn cung cấp của DAC0808 độc lập với “bit code” và đưa ra những đặc điểm nổi bật của thiết bị phụ thuộc vào mức điện áp vào.
DAC0808 giao tiếp trực tiếp với TTL, DTL hay CMOS ở mức logic, và dung thay thế cho MC1580/MC1408.
Hình 3.14: Sơ đồ chân DAC0808
• Sơ đồ khối
Hình 3.15: Sơ đồ khối DAC0808
KẾT QUẢ THỰC TIỄN THẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ ÁP SUẤT 4.1. Sơ đồ khối thiết kế hệ thống
a) Sơ đồ khối hệ thống
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt độ
b) Chức năng các khối
• Khối nguồn ni:
Hình 4.2: Sơ đồ khối nguồn ni
Khối nguồn ni có chức năng tạo ra các mức điện áp cung cấp cho mạch. Cụ thể như sau:
- 5V cấp cho vi điều khiển, LCD, VDD của ADC, DAC.
- ( ±12V ) cấp cho khối DAC ( LF351 ), khối mạch đo ( RCV420)
- 4.096V cấp cho khối ADC làm điện áp tham chiếu ( MCP1541 or MAX6241). • Khối cảm biến
Bao gồm cảm biến nhiệt độ có chức năng đo các đại lượng sơ cấp đầu vào là nhiệt độ.
- Cảm biến nhiệt: Cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ. Cảm biến dùng là loại pt100 nhiệt điện trở nên trở kháng cảm biến sẽ tỉ lệ với nhiệt độ đầu vào. Gía trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ sẽ được lấy làm đại lượng xử lý ở mạch đo.
• Khối mạch đo nhiệt độ
- Sơ đồ chi tiết mạch đo nhiệt độ
Hình 4.3: Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ
- Nguyên tắc làm việc
*/ Khối cấp dòng cho cảm biến và tạo dòng ra ổn định : Khối này được xử lý bởi 1 IC chủ là XTR105, có 2 nhiệm vụ chính:
1. Cấp dịng ni cho cảm biến nhiệt ( pt100) hoạt động. Dòng cấp cho cảm biến nhiệt là 0.8mA, được lấy trực tiếp từ nguồn dịng có trong XTR105.
2. Cho dịng ra ổn định 4mA to 20mA. Đây là dịng ra ổn định tương thích với đầu vào khối tiếp theo. Do vậy việc xử lý sẽ dễ dàng hơn.
*/ Khối chuyển dòng thành áp: Có nhiệm vụ chuyển dịng 4mA to 20mA thành điện áp cố định 0V to 5V. Với IC chủ xử lý của khối này là RCV420. IC RCV420 cần đầu vào 4mA to 20mA, cho điện áp ra ổn định từ 0V to 5V. Điện áp này phù hợp với đầu vào khối tiếp theo.
• Khối DAC
Hình 4.5: Sơ đồ khối DAC
Đầu vào số của DAC được lấy từ vi điều khiển, đây là dãy số được tạo từ VDK nhằm tạo điện áp mẫu do không tạo được mẫu đại lượng sơ cấp. Khối chuyển đổi tương tự - số được xử lý bởi IC DAC 12bit 0808. Đầu ra của DAC0808 là dạng dòng nên phải qua mạch chuyển đổi thành áp để lấy điện áp ra tương thích với đầu vào khối tiếp theo là ADC. Khối chuyển dòng thành áp được xử lý bởi LF351.
• Khối ADC :
- Sơ đồ khối chi tiết :
Hình 4.6: Sơ đồ khối ADC
- Nguyên tắc làm việc
Khối ADC có chức năng chuyển đổi tương tự - số. Tín hiệu analog các kênh đầu vào được lấy từ khối mạch đo và khối DAC,dải điện áp đầu vào phải nằm trong khoảng 0V – 4.096V để so sánh với điện áp tham chiếu.Do đầu ra khối mạch đo và khối DAC có dải 0V – 5V nên phải dùng cầu phân áp để lấy được dải điện áp trên. Các giá trị điện trở mắc làm cầu phân áp được tính tốn có giá trị như trên sơ đồ nguyên lý. Đầu ra số được đưa tới khối xử lý theo kiểu truyền nối tiếp 12 bit. Điện áp nguồn nuôi là 5V, điện áp tham chiếu Vref là 4.096V được cung cấp từ khối nguồn nuôi.
- Sơ đồ chi tiết
Hình 4.7: Sơ đồ khối xử lý
- Nguyên tắc làm việc
Khối xử lý có nhiệm vụ làm trung tâm xử lý. Xử lý các tín hiệu đầu vào tử ADC và phím nhấn sau đó xuất tín hiệu điều khiển ra hiển thị LCD, máy tính, LED cảnh báo. Ngồi ra, vi xử lý còn tạo ra các điện áp mẫu dạng bit đưa tới khối DAC để thực hiện biến đổi quay về để nội suy.
• Khối cảnh báo
- Sơ đồ chi tiết
Hình 4.8: Sơ đồ khối cảnh báo
- Nguyên tắc làm việc
Hệ thống phím nhấn cảnh báo bao gồm phím nhấn set cảnh báo nhiệt, set cảnh báo áp suất và các nút tăng giảm. Nút nhấn được đưa tới VDK để xử lý và đưa ra hiển thị cảnh báo.
- Sơ đồ chi tiết
Hình 4.9: Sơ đồ khối hiển thị
- Nguyên tắc làm việc
Khối hiển thị bao gồm hiển thị trên LCD ,LED đơn và hiển thị trên lên máy tính. Hiển thị trên LCD được điều khiển từ VDK hiển thị kết quả đo nhiệt độ và áp suất. Led đơn được hiển thị để cảnh báo quá nhiệt hay quá áp. Khi ấn nút set nhiệt độ hay áp suất, cảm biến đo được đến nhiệt độ set đèn led đơn sẽ nhấp nháy cảnh báo quá nhiệt hay quá áp.
Lưu đồ thuật tốn chương trình chính.
Hình 4.10: Lưu đồ thuật tốn chương trình chính
b) Lưu đồ thuật tốn chương trình con
Thuật tốn này được hỗ trợ bởi trình dịch CCS nên người dung khơng cần phải viết thuật toán cho việc đọc dữ liệu trên ADC, mà chỉ khi nào cần đọc điện áp đầu vào bộ ta gọi hàm đó ra và dữ liệu sẽ tự động được đưa ra.
• Lưu đồ thuật tốn đo nhiệt độ bằng phương pháp nội suy Spline
Hình 4.11: Lưu đồ thuật tốn đo nhiệt độ bằng phương pháp nội suy Spline
• Cảnh báo nhiệt độ
Hình 4.16: Lưu đồ thuật tốn chương trình cảnh báo nhiệt độ
• Giao tiếp máy tính
4.3. Tính tốn và thiết kế4.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý tổng thể
4.3.2. Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc làm việc các khốia) Khối nguồn nuôi a) Khối nguồn nuôi
- Sơ đồ nguyên lý
- Nguyên tắc làm việc
Do yêu cầu độ ổn định nguồn cao cộng với kinh phí hợp lý cho bộ nguồn nên chúng em quyết định dung bộ nguồn máy tính để lấy ra nguồn ±12VDC. Nguồn +5VDC dùng để nuôi cho ADC và vi xử lý yêu cầu độ chính xác và ổn định cao nên +5VDC sẽ được tạo từ nguồn +12VDC qua IC7805 cùng mạch lọc nguồn. Tụ lọc nguồn bao gồm tụ lá 104 dùng lọc tần số cao và tụ 2200uF dùng lọc tần số thấp ( san phẳng điện áp ).
Điện áp tham chiếu cho ADC là 4.096V do đó phải tạo một nguồn riêng. Nguồn này làm điện áp tham chiếu nên rất quan trọng, yêu cần sự ổn định và chính xác rất cao. Có thể dùng các IC tạo nguồn chuyên dụng để đạt được điều này. Trong phạm vi đề tài chúng em đã test thử với 2 IC là MAX6341 và MCP1541 đều là IC chuyên dụng tạo nguồn 4.096V. Kết quả đo bằng đồng hồ số cho điện áp ra để tham chiếu là 4.06V. Với MAX6341 hiện tại ở thị trường Việt Nam khơng có IC dạng xuyên lỗ nên chúng em dùng với dạng linh kiện dán. Với MCP1541 thì hiện tại thị trường Việt Nam cũng khơng có chúng em phải đặt hàng từ nước ngồi nên phải mất một thời gian mới có để test thử. Trong sơ đồ nguyên lý trên chúng em vẽ với MAX6341 có các tụ lọc tần số cho nguồn nuôi và điện áp ra. Chi tiết về IC MAX6341 đã được trình bày ở trên.
b) Khối biến đổi
- Sơ đồ nguyên lý
- Nguyên tắc làm việc
Khối mạch đo có nhiệm vụ biến đổi xử lý các đại lượng sơ cấp thành tín hiệu điện đưa tới khối ADC.
Với mạch đo nhiệt độ, mạch được thiết kế cho cảm biến pt100 loại 3 dây. Mạch dùng 2 IC chính là XTR105 và RCV420. IC XTR105 có nhiệm vụ cấp nguồn dịng ni cho cảm biến và cho dòng ra ổn định 0 – 4mA phù hợp với dải đo nhiệt độ đầu vào. Các giá trị điện trở mắc vào mạch được tính tốn để thực hiện được dải đo trên.
Trước hết, dòng cấp cho cảm biến là 0.8mA lấy từ chân số 14 của IC XTR105. Gía trị điện trở RZ được lấy tương ứng với giá trị điện trở của pt100 ở nhiệt độ nhỏ nhất, trong phạm vi đề tài dải dải nhiệt độ đo là 0 – 4000C, giá trị RZ là 100Ω . Chân số 1 và chân số 14 của XTR105 là 2 chân nguồn dòng 0.8mA. Dòng từ chân 14 cấp cho pt100, dòng từ chân số 1 cấp cho RZ. Hai chân số 2 và số 13 chính là 2 chân đầu vào 2 bộ khuyêchs đại thuật toán bên trong XTR105, dùng để nhận biết sai lệch áp trên pt100 và RZ. Do vậy để điều chỉnh cảm biến đo nhiệt độ thấp nhất thì ta điều chỉnh RZ. Điện trở RG mắc vào chân số 3 và 4 là điện trở dùng để điều chỉnh offset zero đầu ra về 0 mA đầu ra. RG cùng với RLIN1 và RLIN2 được tính theo cơng thức dưới đây để phù hợp với dải cần đo ( RG được tính cho loại 2 hoặc 3 dây kết nối ).
R1 và R2 được tính theo cơng thức:
Cụ thể các giá trị điện trở được tính với dải đo 00C – 6000C như sau: RG = 471.112Ω
RLIN1= 4.86KΩ RLIN2= 7.153KΩ
Do yêu cầu độ chính xác cao và các giá trị điện trở này là số lẻ nên chúng em dùng biến trở vi chỉnh để điều chỉnh.Ngay cả điện trở 5 vạch màu đo bằng đồng hồ số cũng không đạt yêu cầu, hơn nữa nếu mắc nối tiếp hoặc song song các điện trở này cũng không đạt yêu cầu. Dùng đồng hồ số để đo và vặn vi chỉnh để đạt được giá trị trên là giải pháp tốt hơn cả.
Với các giá trị điện trở mắc với XTR105 được tính tốn như trên sẽ cho dòng ra chân số 7 XTR105 là 0mA – 20mA. Dòng này là đầu vào chân số 3 RCV420, RCV420 chuyển đổi dải dòng này thành dải áp 0V – 5V ở đầu ra. Để áp ra ổn định trước khi vào đầu vào ADC cần lọc tín hiệu do nhiễu sinh ra trên mạch. Có nhiều phương pháp lọc : bởi tụ lá, tụ gốm, tụ tan tan, lọc thông RC, lọc bởi xử lý số phần mềm. Ở đây, thực tế chúng em dùng tụ lọc tần số để thu được tín hiệu tốt nhất.
Do việc dùng điện áp tham chiếu ngoài cho ADC là 4.096V nên điện áp đầu ra cần điều chỉnh từ dải 0V – 5V về dài 0V – 4.096V. Trên thực tế, ADC dùng chỉ tạo được điện áp tham chiếu là 4.05V ( đo bằng đồng hồ số ), do đó thay vì đưa về dải từ 0V – 4.096V ta đưa về dải 0V – 4.05V. Giải pháp ở đây là dùng 1 cầu phân áp với giá trị điện trở vi chỉnh đủ lớn để tránh sụt áp.
c) Khối ADC
Hình 4.21: Sơ đồ nguyên lý khối ADC
- Nguyên tắc làm việc
ADC có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ các kênh đầu vào tương tự thành tín hiệu số dạng chuỗi bit nối tiếp tới vi điều khiển. ADC ở đây dùng là loại nối tiếp IC MCP3204 có 4 kênh đầu vào : Kênh 0 làm đầu vào mạch đo nhiệt độ, kênh 1 làm đầu vào mạch đo áp suất, kênh 3 làm đầu vào mạch DAC. Với nguồn ni là 5VDC thì tần số lấy mẫu ADC là 100kp/s, với nguồi ni là 2.7V thì tần số lấy mẫu là 50kp/s. Trong đề tài chúng em dùng nguồn 5V đồng nghĩa với việc tần số lấy mẫu là100kp/s. Sau khi lấy mẫu và thực hiện chuyển đổi, dãy bít số ra đưa tới vi điều khiển theo giao thức giao tiếp kiểu SPI. Nguồn điện áp tham chiếu là 4.096V, đây là điện áp để tín hiệu đầu vào tương tự dùng để tham chiếu tới. Cụ thể về ADC MCP3204 đã được trình bày ở trên.
d) Khối DAC
Hình 4.22: Sơ đồ nguyên lý khối DAC
- Nguyên tắc làm việc
Khối DAC có nhiệm vụ chuyển đổi DAC, đầu vào lấy từ vi điều khiển, đầu ra tới kênh CH3 của ADC. DAC dùng là ADC0808 đầu vào 8 bit, từ chân số 5 tới chân số 12 của DAC. 8 bít số được lấy từ 1 cổng vi điều khiển, được tạo từ vi điều khiển chính là các điện áp mẫu tạo từ phần mềm do không tạo được mẫu đại lượng sơ cấp. Đầu ra DAC là dạng dòng phải qua mạch chuyển đổi dòng thành áp để đưa tới vi điều khiển. IC khuyếch đại thuật toán LF351 thực hiện nhiệm vụ chuyển dòng thành áp. Sơ đồ được nối theo sơ đồ trong datasheet của DAC0808.
e) Khối giao tiếp máy tính
Hình 4.23: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp máy tính
- Nguyên tắc làm việc
Thực hiện nhiệm vụ giao tiếp với máy tính PC theo chuẩn RS232. IC thực hiện việc truyền nhận giao tiếp là MAX232. Cụ thể về phương thức truyền nhận đã được nêu rõ ở chương 3. Ở đây, trong phạm vi đề tài chỉ hiển thị kết quả đo được lên máy tính mà khơng thực hiện điều khiển từ máy tính nên có thể chỉ cần truyền dữ liệu về máy tính là được. Dữ liệu được đưa từ chân TXD của vi điều khiển tới chân TIN của MAX232, dữ liệu ra chân TOUT đưa tới chân số 2 cổng com và truyền lên máy tính. Theo lý thuyết, sự chập ở mạch ngồi có thể làm chết cổng com máy tính do khơng có cách ly điện mạch ngồi và máy tính. Để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể dùng oppto để cách ly. Nhưng trên thực tế chưa có hiện tượng làm chết cổng com do chập mạch ngồi. Nếu cẩn thận chúng ta có tham khảo theo mạch sau:
Hình 4.25: Giao diện máy tính
Khối giao diện được thiết kế với các nút nhấn, đèn led và 2 hộp text nhận như trên hình vẽ. Kết quả đo được hiển thị lên 2 hộp text nhiệt độ và áp suất, nhiệt độ hiển thị ở text có lable nhiệt độ, áp suất hiển thị ở text có lable áp suất. Nút nhấn để set nhiệt độ hay áp suất cảnh báo, led đơn được tạo nhấp nháy mỗi khi quá nhiệt hay quá áp. Khi nhấn set nhiệt độ hay áp suất thì đó là giá trị ngưỡng để cảnh báo, nhiệt độ hay