2.2. Thiết kế thiết bị đo
2.3.3. Các mô đun của thiết bị đo - ghi áp suất
2.3.3.1. Khối nguồn cung cấp
Nguồn điện sử dụng trên xe thí nghiệm là nguồn điện một chiều 12 VDC hoặc 24VDC (nguồn điện của Ắc qui) và nguồn điện 220V cung cấp cho máy tính (hoặc pin nếu sử dụng Laptop). Trong khi đó, nguồn điện cung cấp cho các linh kiện IC hoạt động trên thiết bị chế tạo là nguồn 5VDC.
Như vậy để các linh kiện IC hoạt động ổn định, cần sử dụng mô đun biến đổi nguồn điện từ 12VCD (hoặc 24VDC) xuống 5VDC hoặc sử dụng nguồn điện lấy trực tiếp từ máy tính. Trong luận văn sử dụng nguồn điện trực tiếp lấy từ máy tính thông qua cổng USB mang lại sự tiện và dễ dàng, hơn nữa tận dụng quá trình sử dụng máy tính trong suốt quá trình thí nghiệm.
Sơ đồ mạch nguồn như hình vẽ.
0
P(bar)
I(mA)
4 20
10
Hình 2.13. Khối cung cấp nguồn
Khi được cấp nguồn cho thiết bị thì đèn chỉ thị LED D1 bật sáng báo hiệu có nguồn. Trên mạch cứng bố trí công tắc SW1 để đóng cắt thiết bị khi cần thiết.
2.3.3.2. Khối thu nhận và xử lý tín hiệu.
Hình 2.14. Khối xử lý tín hiệu cảm biến áp suất bầu phanh và bình chứa khí nén.
250
250
Tín hiệu từ cảm biến là tín hiệu dòng điện (từ 4 - 20 mA) nên chúng ta cần biến đổi tín hiệu đầu vào đó thành tín hiệu điện áp để có thể đưa vào vi điều khiển để xử lý và tính toán. Tín hiệu đầu ra tương ứng từ 1 - 5V. Để thực hiện điều đó ta sử dụng mạch điện biến đổi tín hiệu từ dòng điện sang điện áp như trên hình 2.13.
Trên hình là cách gia công tín hiệu từ cảm biến áp suất tại bình chứa khí và tại cảm biến tại bầu phanh sau.
Dải điện áp sau khi qua điện trở R2 (R = 250Ω) là Vin = (1 ÷ 5)V. Như vậy, sau khi qua điện trở R2, tín hiệu dòng điện ban đầu, đã được biến đổi thành tín hiệu điện áp có thể đưa vào VXL để xử lý số liệu thông qua chân AD0 và AD1.
2.3.3.3. Khối vi điều khiển
VXL (VXL) có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng chính của VXL là xử lý dữ liệu, chẳng hạn như cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v... VXL không có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi, nó chỉ có khả năng nhận và xử lý dữ liệu.
Để VXL hoạt động cần có chương trình kèm theo, các chương trình này điều khiển các mạch lô gíc và từ đó VXL xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu.
Chương trình là tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ, công việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện lệnh sau khi đã giải mã.
Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình .... đòi hỏi phải kết hợp VXL với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi. Bản thân các VXL khi đứng một mình không có nhiều hiệu quả sử dụng, nhưng khi là một phần của một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của VXL là rất lớn. VXL kết hợp với các thiết bị khác được sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lượng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ nhanh.
Chẳng hạn như các hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp, các tổng đài điện thoại, hoặc ở các rô bốt có khả năng hoạt động phức tạp v.v...
Về cơ bản kiến trúc của một VXL gồm những phần cứng sau:
- Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit).
- Các bộ nhớ (Memories).
- Các cổng vào/ra song song (Parallel I/O Ports).
- Các cổng vào/ra nối tiếp (Serial I/O Ports).
- Các bộ đếm/bộ định thời (Timers).
Hệ VXL được đóng gói cùng với các phần cứng như trên được gọi là vi điều khiển.
Hiện nay có rất nhiều họ vi điều khiển trên thị trường với nhiều ứng dụng khác nhau, cụ thể như:
- VXL AVR - VXL PIC
- VXL MCUs của Philips
- Các loại VXL chuyên dụng của các hãng sản xuất khác: Các loại VXL này được sử dụng chuyên dụng theo chức năng cần điều khiển.
Với thiết bị này chúng ta sử dụng dòng VXL ATmega8 với nhiều chức năng để lựa chọn, và tốc độ xử lý cao hơn các loại khác.
Hình 2.15. Sơ đồ chân và bố trí các tín hiệu Reset của VXL
Vi điều khiển ATmega8 là dòng vi điều khiển AVR của nhà sản xuất Atmel.
Đây là dòng vi điều khiển 8 bit với những tính năng thông dụng được tích hợp sẵn làm các module riêng biệt. Nó có phạm vi ứng dụng lớn trong lĩnh vực điều khiển, song song với các dòng vi điều khiển khác như PIC và dsPIC. Trong các họ vi điều khiển của Atmel còn có vi điều khiển 8051 hay 89xx, tuy nhiên dòng vi điều khiển AVR ra đời sau nên có nhiều tính năng nổi trội hơn, làm việc ổn định hơn, đặc biệt tiện lợi hơn trong việc lập trình cho người sử dụng.
Các tính năng thông dụng của vi điều khiển ATmega8:
- Là dòng vi điều khiển tính năng cao, công suất bé, sử dụng bộ xử lý 8bit.
- Bộ nhớ chương trình 8Kbyte, bộ nhớ trong SRAM 1Kbyte.
- Điện áp hoạt động: 4.5V - 5.5V - Tốc độ bộ dao động: tới 16MHz
- Giao tiếp vào ra (I/O) lập trình được với 3 PORT B, C và D.
Các module ngoại vi như:
- Hai bộ Timer/Counter 8 bit với tính năng nâng cao tần số làm việc (Prescale) và một chế độ so sánh.
- Một bộ Timer/Counter 16 bit, chế độ so sánh và chế độ Capture.
- Bộ đếm thời gian thực.
- Ba kênh PWM.
- 8 kênh ADC 10 bit, có thể hoạt động ở 8 bit.
- Giao tiếp UART.
- Giao tiếp SPI Master/Slave.
- Bộ so sánh tín hiệu tương tự.
Để vi điều khiển hoạt động ta cần sử dụng bộ dao động thạch anh nội với tần số 8MHz. Ngoài ra, để khởi động lại vi điều khiển ta dùng mạch reset nối vào chân /RESET, để nạp chương trình cho vi điều khiển ta sử dụng bo mạch chuyên dụng.
Vi điều khiển thực hiển chức năng thu nhận tín hiệu điện áp tương đương của cảm biến từ các chân AD0 và AD1, xử lý, tính toán và giao tiếp với bộ hiển thị ở các chân TxD và RxD.
2.3.3.4. Khối giao tiếp với máy tính
Vi điều khiển được ứng dụng ngày càng rộng rãi, vi điều khiển có thể thực hiện nhiều chức năng riêng biệt như điều khiển động cơ, chuyển đổi tín hiệu, giao tiếp máy tính thông qua các chuẩn truyền thông nối tiếp và truyền thông song song… Các họ vi điều khiển được sử dụng nổi bật trong ứng dụng giao tiếp máy tính là các học vi điều khiển 8051, atmega , pic, dspic…
Hiện nay, có một số dạng truyền thông chính của vi điều khiển như: SPI, I2C, UART... Với những ưu việt nổi trội của dạng truyền thông UART với lượng dữ liệu lớn, cần truyền trực tiếp dữ liệu trong quá trình thí nghiệm, giao tiếp cổng COM rất thông dụng trên máy tính cá nhân. Như vậy ta chọn phương thức giao tiếp UART.
Thiết bị kết nối với máy tính thông qua chuẩn kết nối RS232. Module giao tiếp máy tính như hình dưới đây.
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối với máy tính theo chuẩn RS232 Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính. Đây là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt. Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo đường truyền.
Có hai chuẩn giao tiếp RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là RS232B và RS232C. Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS232B cũ thì ít được dùng còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi là tên ngắn gọn là chuẩn RS232.
Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232C được gọi là cổng COM. Chúng được dùng ghép nối cho chuột, môđem, thiết bị đo lường...Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc lại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính. Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp.
Max232 là IC chuyên dùng cho giao tiếp giữa RS232 và thiết bị ngoại vi.
Max232 là IC của hãng Maxim. Đây là IC chạy ổn định và được sử dụng phổ biến trong các mạch giao tiếp chuẩn RS232. Max232 tích hợp trong đó hai kênh truyền cho chuẩn RS232. Dòng tín hiệu được thiết kế cho chuẩn RS232 . Mỗi đầu truyền ra và cổng nhận tín hiệu đều được bảo vệ chống lại sự phóng tĩnh điện.
Ngoài ra Max232 còn được thiết kế với nguồn +5V cung cấp nguồn công suất nhỏ.
Tín hiệu truyền từ vi điều khiển ra các chân TxD và RxD được đưa vào IC Max232 để mã hóa với các dạng phù hợp, sau đó truyền lên máy tính thông qua cổng COM. Lúc này trên phần mềm giao diện sẽ đọc và giải mã các tín hiệu này và hiển thị lên màn hình.
Như vậy luận văn thiết kế, chế tạo được phần cứng của thiết bị đo ghi áp suất khí nén gồm mạch biến đổi áp suất sử dụng vi điều khiển để tính toán và truyền nhận dữ liệu với máy tính PC.
Sơ đồ nguyên lý tổng thể của thiết bị đo – ghi áp suất hệ thống phanh khí nén sau khi thiết kế như sơ đồ hình 2.17
Căn cứ vào sơ đồ nguyên lý ta chế tạo bo mạch thu nhận và xử lý tín hiệu thiết bị như hình 2.18.
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý tổng thể của bo mạch
Hình 2.18. Bo mạch thu nhận và xử lý tín hiệu