Luận văn tốt nghiệp Đo lực và áp suất, ứng dụng trong công nghệ, sinh vien Hà Thanh Lâm - Nguyễn Trọng Quỳnh

Đo lực và ứng suất Trang 1
LỜI GIỚI THIỆU
Ngày nay việc đo lường và điều khiển được ứng dụng trong sản xuất
công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm rất hữu dụng. Lợi dụng việc
đo ứng suất biến dạng từ đó mà ta có thể xác đònh được những thông số vật
lý cơ học khác như: độ võng tónh, moment, lực tác dụng, …
Hiện nay đã có những máy đo như loại dùng đồng hồ chỉ thò số P3500
được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Khi khoa học công nghệ thông tin đã
và đang phát triển thì máy vi tính bắt đầu thay thế các thiết bò đo lường
thông thường mà cho ta kết quả nhanh và chính xác. Các thiết bò, hệ thống
đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian
thu thập số liệu ngắn nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hóa
trong việc thu thập và xử lý các kết quả đó.
Tuy nhiên để hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính
hoạt động được thì ngoài phần mạch điện khuếch đại và chuyển đổi AD thì
cần có chương trình được nạp vào máy tính để xử lý kết quả.
Bài luận văn này cũng là một đề tài xử lý tín hiện điện tử bộ cảm biến
cho phép máy tính có thể giao tiếp thông qua cổng máy in.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 2
PHẦN A
DẪN NHẬP
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 3
I. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Để hiểu được và làm chủ được các hiện tượng vật lý hóa học, y, sinh
học trong đời sống chúng ta, đòi hỏi chúng ta phải có phương pháp đo và
thiết bò đo lường sẽ giúp chúng ta đạt được mục đích này.
Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử và công nghệ
thông tin chúng ta có thêm các thiết bò đo lường điện tử ngày càng chính xác
hơn, sử dụng thuận lợi hơn, hoạt động ở chế độ tự động hóa hoàn toàn. Để

phục vụ cho việc tự động hóa trong công nghiệp, chúng ta phải đề cập đến
các phương pháp và cảm biến đo các đại lượng không điện.
Ví dụ như: lực, áp suất, nhiệt độ v.v Từ những đại lượng không điện
này được cảm biến chuyển đổi thành đại lượng điện rồi xử lý tín hiệu bằng
những mạch điện tử.
Với mục đích là xác đònh độ biến dạng, ứng suất khi tác dụng một lực
vào một đầu của một dầm ngang. Tức là đặt một vật có khối lượng vào đầu
dầm, trên dầm có gắn Strain Gage (miếng đo biến dạng) mà từ đó ta có thể
xác đònh được khối lượng mà vật đặt vào. Thông qua đại lượng trung gian
này mà ta có thể xác đònh được: độ biến dạng ứng suất, độ võng và đề tài
này sẽ được tìm hiểu kỹ về cách thức xác đònh được các đại lượng này.
Với đề tài “ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT” này có thể dùng làm thiết bò
đo lường ở phòng thí nghiệm. Do đó nhiệm vụ chủ yếu là phải hiển thò được
kết quả với sai số càng nhỏ càng tốt.
II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:
Đo lực và ứng suất bằng máy tính. Nhờ sự trợ giúp của máy tính cộng
với phần mềm Pascal cho phép người lập trình có thể hiển thò kết quả dưới
nhiều hình thức khác nhau (hiển thò chế độ văn bản, ở chế độ đồ thò).
Với thời gian ngắn chỉ có 10 tuần mà có nhiều vấn đề cần giải quyết,
hơn nữa kiến thức về lập trình có giới hạn. Do đó trong khoảng thời gian đó,
nhóm sinh viên thực hiện tập trung vào giải quyết những vấn đề sau:
- Thiết kế phần cứng.
- Viết chương trình xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến để hiển thò kết
quả trên màn hình.
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC THI ĐỀ TÀI:
Với những yêu cầu đó ta có thể đưa ra phương pháp để thực thi đề tài
như sau:
• Sử dụng kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển.
• Dùng máy tính để xử lý.
Với kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển nếu dùng led 7 đoạn để hiển thò

1 loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng thì sẽ trở nên gặp khó khăn
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 4
và hiển thò dưới đồ thò sẽ không thực hiện được. Do đó ở đây nhóm sinh viên
thực hiện chọn máy tính để xử lý thông qua cổng máy in. Sở dó chọn phương
pháp này có ưu điểm là:
- Có thể hiện thò cùng một lúc các thông số và đồ thò.
- Tính toán và lập trình trên phần mềm Pascal so với xử lý và vi
điều khiển.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 5
CHƯƠNG I
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG
I. KHÁI NIỆM VỀ BIẾN DẠNG:
Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bò thay đổi hình dạng. Trong
trường hợp tổng quát, sự thay đổi này gọi là biến dạng. Ở đây chúng ta hiểu
biến dạng như là sự thay đổi hình dạng trên 1 đơn vò dài hay là độ thay đổi
chiều dài tương đối.
II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG:
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đầu dò, đặc biệt
từ những năm 1970, người ta đã chế tạo ra rất nhiều dụng cụ đo biến dạng
dựa trên các nguyên lý cơ khí, quang, điện âm thanh và nguyên lý khí nén
Tuy nhiên không có một nguyên lý nào có thể thỏa mãn mọi yêu cầu kỹ
thuật đặt ra. Do đó có rất nhiều hệ thống đo khác nhau để đáp ứng mọi yêu
cầu đo trong phạm vi giải quyết những vấn đề khác nhau, sau đây là các
phương pháp đo:
1. Phương pháp cơ khí:
Phương pháp cơ khí đo biến dạng ngày nay ít được sử dụng, bởi vì đo
biến dạng bằng điện trở chính xác hơn và dễ sử dụng. Tuy nhiên, dụng cụ
đo cơ khí được gọi là Extensometer vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong hệ

thống kiểm tra vật liệu.
2. Phương pháp âm thanh:
Phương pháp âm thanh đo biến dạng hiện nay hầu hết được thay đổi
bằng phương pháp đo điện. Phương pháp đo biến dạng bằng âm thanh có nét
độc đáo riêng, ổn đònh không mất độ chính xác theo thời gian. Phương pháp
đo biến dạng bằng âm thanh vẫn được sử dụng dựa trên nguyên lý do ông
R.S.Jerrett sáng chế vào năm 1944.
3. Phương pháp biến dạng bằng điện trở:
Phương pháp đo biến dạng bằng điện trở này được xem là hoàn hảo
nhất, chỉ trừ một số trường hợp đạêc biệt phương pháp này không sử dụng
được. Phương pháp này được xem là phổ biến nhất hiện nay dựa trên
nguyên lý do ông Kelvin phát hiện năm 1856.
4. Phương pháp đo biến dạng bằng chất bán dẫn:
Ưu điểm có độ nhạy cao nhưng giá thành lại cao. Phạm vi đo chòu ảnh
hưởng nhiều về yếu tố nhiệt độ. Phương pháp này dùng để đo biến dạng rất
nhỏ vì nó cực nhạy (với điều kiện nhiệt độ ổn đònh) song rất ít sử dụng.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất Trang 6
5. Phương pháp đo biến dạng bằng phương pháp lưới:
Phương pháp này có từ lâu đời, đặt lưới lên mẫu thử chụp hình trước và
sau khi đạt tải trọng, lưới sẽ bò biến dạng. Phương pháp này có điểm khó
khăn là các biến dạng thường nhỏ do đó hầu hết các trường hợp sự dòch
chuyển các mắt lưới không bảo đảm tính chính xác. Để sử dụng phương
pháp biến dạng đủ lớn (cho chất dẻo cao su) rất hiệu quả.
6. Phương pháp tạo mẫu Hickson (phương pháp lưới):
Đặt tờ giấy nhám lên vật mẫu kéo theo 2 phương để tạo vết trầy. Để
đo biến dạng trên mẫu thử rất khó nên người ta lấy tấm hợp kim mỏng dán
lên chỗ trầy, để in lên tấm phim đó, thay vì đo vật mẫu người ta đo vết trầy
lên tấm phim.
Trong suốt 50 năm qua phương pháp đo biến dạng bằng điện trở đã

được sử dụng rộng rãi vì sự đơn giản cũng như kết quả đáng tin cậy của
chúng.
Do đó trong đề tài này nhóm sinh viên thực hiện đo biến dạng bằng điện
trở.
III. ĐO BIẾN DẠNG BẰNG STRAIN GAGE:
Miếng đo biến dạng (strain - gage) là một cấu kiện điện trở được dùng
để dán lên một bộ phận biến dạng. Mức biến dạng của bộ phận thông qua
lớp keo được truyền sang miếng đo. Miếng đo như vậy phải chòu một sự
biến động tỷ lệ với điện trở của nó.
Strain Gage (SG-miếng đo biến dạng) là một trong những công cụ
quan trọng của kỹ thuật đo lường điện tử được áp dụng đo các đại lượng cơ
học. Đúng như tên gọi, nó được sử dụng để đo biến dạng. Biến dạng của
một vật thể được gây ra bởi tác nhân bên ngoài hoặc bên trong, làm sinh ra
ứng suất. Do vậy trong phân tích ứng suất thực nghiệm người ta sử dụng
rộng rãi phương pháp xác đònh biến dạng.
Các thiết bò biến dạng cho đến nay đã được nhiều hãng chế tạo như:
Hottinger Baldwin, Messttechnik, Micromesures Vishay
Strain Gage được tạo ra với 2 kết cấu là lưới phẳng và dạng ống trụ.
a. Dạng lưới phẳng b. Dạng ống trụ
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
W i n d i n g C o r d
Đo lực và ứng suất Trang 7
1. Hệ số miếng đo (Gage factor):
Sự thay đổi điện trở của một cấu kiện có điện trở biến đổi được tùy
thuộc vào quan hệ sau:
Với R: là điện trở ban đầu của cấu kiện.

L: chiều dài ban đầu của cấu kiện.
F : hệ số miếng đo.
Một miếng đo lý tưởng phải có một điện trở rất lớn, một hệ số đo

cực đại và một mức giới hạn đàn hồi cao, đồng thời lại không bò ảnh hưởng
nhiệt độ cao tác động. Thêm vào đó, hệ số miếng đo luôn luôn bất biến cho
dù mức biến dạng có lớn đến đâu đi chăng nữa.
Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo sức căng
cũng như sức nén, sợi điện trở phải càng mỏng để cho lớp keo có thể truyền
hoàn toàn mức biến dạng của bộ phận sang miếng đo.
2. Chất keo dán:
a) Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình
thường trong thời gian ngắn, nhiệt độ áp dụng dưới 100
0
C. Sẽ khô cứng
trong vài giây dưới tác dụng của sức ép.
b) Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn đònh trong thời gian lâu với
nhiệt độ đến 300
o
c.
c) Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bò đặt biệt có vẻ mong
manh yếu ớt, không cho phép dùng với những biến dạng lớn.,sử dụng
được đến 600
o
c.
d) Hàn: Đây là cách thức thực tế nhất để dùng ở nhiệt độ cao cho
các miếng đo trong vỏ bọc kim loại rất đặc.
Cần chú ý là bề mặt để dán phải được tẩy sạch dầu mỡ và sau đó được
trung hòa bằng hóa chất. Để tạo ra bề mặt có tính chất lý tưởng đối với loại
keo này, bề mặt phải được làm sạch vết rỉ để tạo ra bề mặt nhẵn nhưng
không quá bóng.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
E.F
L

L
F
R
R
=
∆
=
∆
trở điện đổi biếnđộ:
R
R∆
Đo lực và ứng suất Trang 8
IV. MẠCH CẦU WHEATSTONE:
Cầu Wheatstone là mạch cầu được chọn nhiều nhất trong việc đo
những biến dạng điện trở nhỏ (tối đa 10%) như trong việc dùng các miếng
đo biến dạng.
1. Nguyên lý:
Đối cầu Wheatstone của hình 1:
Tín hiệu đầu ra E
m
qua thiết bò đo với trở kháng Z
m
:
R: điện trở danh nghóa ban đầu của các điện trở R
1
, R
2
, R
3
& R

4
(thường là
120Ω nhưng là 350Ω cho các bộ biến cảm).
V: điện áp cung cấp cho cầu.
Điện áp cung cấp cho cầu là một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn
đònh.
Phần lớn Z
m
lớn hơn R rất nhiều (ví dụ như:Vôn kế, bộ khuếch đại với liên
kết trực tiếp) do đó thì phương trình (1) trở thành:
Từ (2) có nhận xét là: sự thay đổi đơn vò điện trở của 2 điện trở nghòch
nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính
ổn đònh nhiệt của mạch đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
trở. điện của vò đơn đổi Biến:
(1)
4
4
3
3
2
2
1
1
14
R
R
R
R
R

R
R
R
R
R
Zm
R
V
Em
∆






∆
−
∆
+
∆
−
∆






+

=
( )
2
4
4
3
3
2
2
1
1
4






∆
−
∆
+
∆
−
∆
=
R
R
R
R

R
R
R
RV
Em
m
E
Z m
m
H ì n h 1 : M a ïc h c a àu W h e a t s t o n e
R 1
R 2
R 4
R 3
V
Đo lực và ứng suất Trang 9
2. Cân bằng ban đầu:
Trước khi bắt đầu việc thử nghiệm, điều quan trọng là nên nhớ đem tất
cả các số ghi trên thiết bò trở lại số không. Điều này sẽ làm đơn giản cho
việc thể hiện đo đạc và cho phép dùng thiết bò tốt hơn. Hình trên cho thấy
một phương pháp thường dùng để đảm bảo cho việc cân bằng ban đầu. R
a
là
điện trở cố đònh, R
b
là một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường sử
dụng R
a
=20kΩ, R
b

=40kΩ đủ thích hợp cho việc cân bằng.
Trong trường hợp của các bộ biến cảm, việc cân bằng có thể thực hiện
trực tiếp lên bộ cảm biến bằng cách thêm những điện trở vào mạch các
miếng đo.
3. Các đặc tính của cầu:
a) Bù nhiệt:
Phần lớn các miếng đo biến dạng hiện nay đều có khả năng tự động
cân bằng. Thí dụ, một miếng đo được cân bằng cho phép về lý thuyết sẽ
không cho thấy sự thay đổi điện trở nào khi miếng thép mà miếng đo được
dán lên sẽ giãn nở khi nhiệt độ thay đổi. Đặc tính tự cân bằng này có được
là nhờ việc xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại dùng để chế tạo ra miếng đo.
Cách xử lý nhiệt này chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt độ giới hạn nào
đó.
Bằng cách dùng cầu Wheatstone ta cũng có thể chế tạo mạch cân bằng
nhiệt độ. Như đã biết, sự thay đổi nhiệt độ của 2 nhánh cầu kề nhau sẽ tự
triệt tiêu nên miếng đo cân bằng D được nối vào mạch cầu Wheatstone với
miếng đo hữu công A.
(xem hình vẽ).
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
M a ïc h c a àu c a ân b a èn g b a n đ a àu
E m
R 1
R 2
R 3
R 4
V
R a
R b
Đo lực và ứng suất Trang 10

Mạch cân bằng nhiệt độ.
Miếng đo D cũng có cùng tính chất như miếng đo A và cũng được dán
lên khối vật liệu; trong khi dán các miếng đo, khối vật liệu thử nghiệm này
không bò chòu một lực tác động nào. Ngoài ra 2 miếng đo A&D nên được đặt
gần với nhau càng tốt; tất cả sự thay đổi nhiệt độ chung cả hai miếng đo này
sẽ được triệt tiêu và nó sẽ tự cân bằng nhiệt độ.
b) Sự kết hợp các miếng đo:
Cầu Wheatstone cho phép kết hợp nhiều miếng đo hữu công. Hình trên
cho thấy bốn miếng đo được dán lên thanh mẫu. Khi thanh mẫu bò kéo ra
khỏi bởi lực P, những biến dạng tương tự sẽ là:
ν: hệ số Poisson.
A: tiết diện ngang.
E: Modun đàn hồi.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
ευεε
εεε
. Và
.
42
21
−==
===
EA
P


R 3
R 4
R 2
R 1

E
V
D
A
Active
Dumm
R3
R4
R2
R1
V
Đo lực và ứng suất Trang 11
Bốn miếng đo như vậy tạo thành cầu Wheatstone nên điện áp ở đầu ra sẽ
là:
Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận vì các
miếng đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng có dấu nghòch với
nhau và như thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt độ. Đây là nguyên lý được dùng
thường xuyên trong việc thiết kế các bộ cảm biến.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
( )
[ ]
.12
εν
+==∆
KEmE
2)&1 thức biểucác lại(xem
4
VF
K
=

Đo lực và ứng suất Trang 12
CHƯƠNG II
KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN
BỘ ADC 12 BIT & VÀ CÁC LINH KIỆN CÓ LIÊN QUAN
Giao tiếp với máy tính là việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính với một
hay nhiều thiết bò ngoại vi. Hai thiết bò ngoại vi quen thuộc của máy tính là
bàn phím và màn hình. Ngoài ra máy tính còn được bố trí thêm các đường
giao tiếp đa năng khác nhau: giao tiếp nối tiếp (thông qua cổng COM), giao
tiếp song song (cổng LPT) giao tiếp qua khe cắm (SLOT).
Ghép nối nối tiếp cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bò với nhau
theo từng bit một. Số liệu thường được gởi theo từng nhóm bit SDU (Serial
Data Unit) mà nó tạo thành một byte hay một từ Các thiết bò ngoại vi như
Plotter, modem, mouse và printer có thể được ghép nối với PC qua cổng nối
tiếp COM. Các ghép nối của PC cho trao đổi nối tiếp đều theo tiêu chuẩn
RS232C của EIA hoặc CCITT ở châu u. Về mặt kinh tế việc trao đổi
thông tin qua cổng nối tiếp là ít tốn kém nhưng về mặt kỹ thuật thì khá phức
tạp.
Giao tiếp qua khe cắm SLOT cũng phức tạp không kém đòi hỏi việc
gia công thiết bò phải chính xác, hơn nữa việc tháo vỏ máy để gắn SLOT
Card sau mỗi lần đo là vấn đề khó chấp nhận.
Giao tiếp qua cổng song song, dữ liệu truyền song song vì vậy tốc độ
truyền song song thường cao hơn truyền nối tiếp (khoảng từ 40kB/s đến
1MB/s). Hầu hết các máy tính đều trang bò cổng này. Việc trao đổi thông tin
một cách dễ dàng.
I. KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN:
Cổng này để dùng giao tiếp với máy in. Đầu cắm có 25 chân và còn
gọi là DB25. Bên trong có 3 thanh ghi có thể truyền số liệu và điều khiển
máy in, mỗi thanh ghi 8 bit. Ba thanh ghi gồm:
• Thanh ghi dữ liệu (Data register):
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

D 7 D 6
D 5 D 4
D 3
D 2 D 1 D 0
D 0
D 1
D 2
D 3
D 4
D 5
D 6
D 7
( P I N 2 )
( P I N 3 )
( P I N 4 )
( P I N 5 )
( P I N 6 )
( P I N 7 )
( P I N 8 )
( P I N 9 )
Đo lực và ứng suất Trang 13
Có đòa chỉ bằng đòa chỉ cơ bản của máy in=378H.
• Thanh ghi trạng thái (Status register).(chỉ đọc):
D
0
,D
1
,D
2
: không sử dụng (thường để ở mức [ 1])

Có đòa chỉ bằng đòa chỉ cơ bản +1=379H.
• Thanh ghi điều khiển :
D
5
,D
6
,D
7
: không sử dụng(thường để ở mức [ 1]).
Đòa chỉ bằng đòa chỉ cơ bản + 2=37AH.
Việc nối máy in với máy tính được thực hiện qua lỗ cắm DB25 ở phía
sau máy tính. Nhưng đây không chỉ la øchỗ nối với máy in mà khi sử dụng
máy tính vào mục đích đo lường và điều khiển thì việc ghép nối cũng thực
hiện qua ổ cắm này. Qua cổng này dữ liệu được truyền đi song song nên đôi
khi còn được gọi là cổng ghép nối song song và tốc độ truyền dữ liệu cũng
đạt đến mức là đáng kể. Tất cả các đường dẫn của cổng này đều tương thích
TTL, nghóa là chúng đều cung cấp một mức điện áp nằm giữa 0V và 5V.
Bên cạnh 8 bit dữ liệu còn có những đường dẫn tín hiệu khác, tổng
cộng người sử dụng có thể trao đổi 1 cách riêng biệt với 17 đường dẫn, bao
gồm 12 đường dẫn ra và 5 đường dẫn vào. Bởi vì 8 đường dẫn dữ liệu. D
0
-D
7
không phải là đường dẫn 2 chiều trong tất cả các loại máy tính, nên sau đây
ta sẽ thấy là D
0
-D
7
chỉ sử dụng như là lối ra, các lối ra khác nữa là STROBE,
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH

D 5
A C K
( P I N 1 1 )
( P I N 1 5 )
B U S Y
D 7
( P I N 1 2 )
D 2
D 3
D 1
( P I N 1 0 )
( P I N 1 3 )
D 4
D 0D 6
P E
E R R O R
S L C T
12
D 5
D 7 D 2
D 3
D 1
D 4
D 0D 6
S T R O B E ( P I N 1 )
A F ( P I N 4 )
I N I T ( P I N 1 6 )
S L C T I N ( P I N 1 7 )
I R Q
Đo lực và ứng suất Trang 14

AUTOFEED (AF), INIT và SELECTIN (SLCTIN). Khi trao đổi thông tin
với máy in các đường này đều có chức năng xác đònh.
• Các tín hiệu của đầu cắm DB25:
Chân Tín hiệu Môtả
1 STR Mức tín hiệu thấp truyền dữ liệu tới máy in.
2 D
0
Bit dữ liệu D
0
.
3 D
1
Bit dữ liệu D
1
4 D
2
Bit dữ liệu D
2
.
5 D
3
Bit dữ liệu D
3
.
6 D
4
Bit dữ liệu D
4
.
7 D

5
Bit dữ liệu D
5
.
8 D
6
Bit dữ liệu D
6
.
9 D
7
Bit dữ liệu D
7
.
10 ACK Mức thấp chỉ rằng máy in đã nhận 1 ký tự.
BUSY
PE Báo hết giấy.
SLCT Báo lựa chọn máy in.
AF Tự nạp giấy.
ERROR Báo lỗi máy in.
INIT Reset máy in.
SCLTIN Chọn máy in.
18-25 GND Đất.
II. KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC – KHẢO SÁT ADC ICL 7109:
A. Kỹ thuật biến đổi ADC:
Biến đổi Analog – Digital là thành phần cần thiết trong việc xử lý
thông tin và các chức năng điểu khiển sử dụng phương pháp số, tín hiệu thực
tế thì ở dạng Analog. Một hệ thống tiếp nhận dữ liệu giao tiếp A/D để
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý.
1. Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:

a. Độ chính xác bất đònh do lượng tử hóa:
Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2
n
khoảng gián đoạn ở mỗi
mạch đổi n bit. Các giá trò tương tự cùng một khoảng được biểu thò cùng nhò
phân. Do có một độ chính xác bất đònh ± ½ LSB (Least significant bit).
b. Độ chính xác:
Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trò thực tế của
điện áp tương tự vào cho 1 mã nhò phân ra. Vì một mã số ra tương tứng với 1
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
C O N N E C T O R D B 2 5
1
1 3
1 4
2 5
Đo lực và ứng suất Trang 15
khoảng hẹp của điện áp tương tự vào ở đònh nghóa trên được xem như là
điểm giữa khoảng.
Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyệt đối như đònh
nghóa trong điều kiện tràn khung đã được lấy chuẩn, vì các điểm rời trên đặc
tính chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối
cũng là độ phi tuyến.
c. Thời gian và tốc độ chuyển đổi:
Thời gian chuyển đổi: Thời gian chuyển đổi cần cho 1 lần chuyển đổi
hoàn toàn. Đối với phần lớn mạch đổi, thời gian này gọi là nghòch đảo của
tốc độ đổi, nếu không có thêm các trì hoãn của hệ thống. Tuy nhiên trong
mạch đổi có tốc độ cao, lần đổi mới được lệch bắt đầu trước khi lần đổi
trước kết thúc nên thời gian đổi và tốc độ đổi khác nhau.
2. Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC):
a. Nguyên tắc mạch ADC:

Mạch biến đổi ADC (Analog Digital Converter) có bộ phận chính là
mạch so sánh:
Do đó nhiệm vụ của mạch tạo ra mã số và mạch điều khiển logic là
thử một bộ hệ số nhò phân a
i
sao cho hiệu số điện áp vào chưa biết V
a
và trò
nguyên lượng tử hóa sau cùng nhỏ hơn 1 LSB.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
M a ïc h
t a ïo m a õ
s o á
M a õ s o á r a
Đ i e än a ùp v a øo V
R
Đ i e än a ùp
t ư ơ n g t ư ï v a øo
V
a
1 2 3
4
5 6 7
T ư ơ n g t ư ï v a øo
V
F S
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1

1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
1 / 2 L S B
Đo lực và ứng suất Trang 16
Chuyển đổi điện áp tương tự liên tục sang mã nhò phân rời rạc:

Sự khác nhau giữa các mạch đổi là cách thức thay đổi điện áp mẫu V
R
để xác đònh hệ số nhò phân a
i
.
Điện áp tương tự chưa biết là V
a
và điện áp chuẩn là V
R
được nối ở hai
ngõ vào của mạch so sánh. Khi V
R
tăng từ 0 đến điện áp tương tự vào với sai
số bằng sai số lượng tử hóa, lúc đó mạch tạo mã số ra có giá trò tương ứng
với điện áp vào chưa biết.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
+ 1 / 2 L S B
- 1 / 2 L S B
M a ïc h
t a ïo m a õ
s o á
M a õ s o á r a

Đ i e än a ùp m a ãu V
R
Đ i e än a ùp
t ư ơ n g t ư ï v a øo
V
a
s o s a ùn h
LSB
n
i
i
i
a
FS
V
a
V
2
1
1
)2 (
<
∑
=
−
−
Đo lực và ứng suất Trang 17
b. Mạch ADC dùng điện áp mẫu V
R
hình nấc thang:

• Dạng mạch cơ bản:
Để tạo điện áp mẫu nấc thang so sánh với điện áp vào dùng mạch
ADC mà số nhò phân vào được lấy từ một mạch đếm lên như hình vẽ.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
+
-
D A C n b i t
M a ïc h đ e ám
n b i t
S
R
Q
Q
F F
E O C
C K x u n g đ o àn g h o à
t a àn s o á f c
S T A R T
d o ác l e ân
V = V
R D A C
V
a
( + )
M a õ
s o á r a
T c
T h ơ øi g i a n c h u y e ån đ o åi
K e át t h u ùc
c h u y e ån đ o åi

V
V ( t )
= V
R
D A C
R
t
t
t
t
Đo lực và ứng suất Trang 18
• Mạch ADC dùng mạch đếm lên xuống:
Nếu ngã ra của mạch so sánh cho thấy V
R
<V
a
mạch logic sẽ điều khiển
mạch đếm lên, còn ngược lại sẽ được điều khiển đếm xuống. Nếu điện áp
V
a
không đổi, V
R
sẽ tự dao động xung quanh V
a
với 2 trò số khác nhau 1 LSB.
Khi V
a
thay đổi chậm, V
R
theo kòp V

a
khi đó số đếm của mạch là mã nhò
phân tương ứng với trò tức thời của điện áp vào. Nhưng nếu V
a
biến đổi
nhanh, V
R
sẽ không theo kòp V
a
thì số đếm của mạch đếm không phải là mã
nhò phân mong muốn.
c. Mạch ADC lấy gần đúng kế tiếp SAR:
Các mạch đếm ở trên đều không được dùng trong thực tế. Ở đây xét
mạch đổi lấy gần đúng kế tiếp dùng cách đổi điện áp mẫu một cách hiệu
quả hơn khiến số lần chuyển đổi ra mã số n bit chỉ mất n chu kỳ xung CK.
Mạch đổi gồm mạch so sánh, mạch ghi chuyển đặc biệt và mạch ADC.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
+
-
D A C n b i t
C o u n t e r
U p / D o w n
C K
C o n t r o l L i g i c
V = V
R D A C
V
a
( + )
M a õ s o á

r a
R
R
V
K h o ân g t h a ây đ o åi k ò p s o
v ơ ùi V a ( t )
V
V a ( t )
Đo lực và ứng suất Trang 19
Mạch ghi chuyển đặc biệt được gọi là mạch ghi lấy gần đúng kế tiếp
(Successive Approximation Register: SAR) là mạch có hợp luôn phần điều
khiển logic.
Khi có xung bắt đầu mạch SAR được đặt lệch về 0. Ngã ra của DAC
được làm lệch ½ LSB để tạo đặc tính chuyển đổi, kế đến SAR đưa bit có
nghóa lớn nhất (MSB) lên 1, các bit khác bằng 0. Số nhò phân ra ở SAR được
đưa vào mạch DAC.
Nếu V
R
>V
a
(điện áp tương tự vào) ngã ra V
c
của mạch so sánh mức [0]
khiến SAR bỏ đi MSB (làm cho nó bằng 0).
Nếu V
R
<V
a
thì V
c

ở mức cao khiến SAR giữ lại bit

MSB (làm cho nó
vẫn bằng 1). Tiếp theo, SAR đưa bit có nghóa kế tiếp

lên 1 và được quyết
đònh bởi cách thức như bit MSB ở trên. Tiếp tục như vậy cho đến bit cuối
cùng của SAR, lúc đó V
a
gần V
R
nhất.
d. Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đơn. (Single ramp converter) :
Tín hiệu chuẩn từng nấc được tạo bởi mạch ADC có thể được thay thế
bởi điện áp chuẩn dốc liên tục do mạch tạo tín hiệu dốc lên liên tục tạo ra.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
C K
R D A C
+
S A R
-
V = V
D A C n b i t
M a õ s o á
r a
V c
V a ( t )
S T A R T
F F
M a ïc h t a ïo

t í n h i e äu
d o ác l e ân
M a õ s o á
r a
Q
S
+
S T A R T
E O C
Q
M a ïc h đ e ám
n b i t
-
R
-
+
V c ( t )
V c ( t )
V a ( t )
V
R
2
1
CK
Đo lực và ứng suất Trang 20
Ban đầu:
Mạch so sánh SS
1
có V
(-)

=V
a
>V
(+)
=V
offset
 ngã ra của SS
1
là V
C1
=[0].
Mạch so sánh SS
1
có V
(+)
=V
offset
< V
(-)
=0  ngã ra của SS
1
là V
C2
=[0].
• Khi cho xung START đặt vào mạch đếm n bit về 0 và khởi động mạch
tạo tín hiệu dốc lên, V
R
từ giá trò hơi âm tăng đến khi đường dốc cắt trục
0V.
Trong khoảng thời gian t

1
– t
2
.
Mạch SS
2
: V
(+)
=V
R
> V
(-)
=0  V
C2
=[1].
Mạch SS
1
: V
(+)
=V
R
< V
(-)
=V
a
 V
C1
=[0].
Tại FF S=0 Q=0


R=START =1 Q=1.
Tại cổng AND
Q =1
 Đưa xung CK vào bộ đếm.
V
C2
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
h i g h
h i g h
t
t
t
t
t
t
E O C
C K
V c
V c
V a , V
S T A R T
V o f f s e t
1
2
R
T c
H ì n h a .
-
+
V

R O Ån đ ò n h v a øo
V r ( t )
H ì n h b .
R
R
C
Đo lực và ứng suất Trang 21
• Khi V
R
>V
a
:
Mạch SS
1
: V
R
=V
(+)
> V
(-)
=V
a
 V
C1
=[1].
Tại FF: S=V
C1
=[1]. Q=1=EOC
R= hết xung START =[0] Q=0Đóng cổng AND lại không
cho xung CK vào mạch đếm, tạo tín hiệu EOC.

Tín hiệu dốc lên thường được tạo bởi mạch tích phân nối đến điện áp mẫu
V
R
(hình b).
e. Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đôi:
Mạch đổi này dùng cách lấy tích phân để giải quyết khuyết điểm của
mạch đổi dùng tín hiệu dốc đơn. Mạch này gồm mạch lấy tích phân, mạch
so sánh, mạch logic điều khiển và mạch đếm n bit.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
-
E O C
+
M a ïc h
đ e ám n b i t
+
-
M a ïc h l o g i c
đ i e àu k h i e ån
Đ e äm n g o õ r a
M a ïc h s o s a ùn h
M a ïc h t í c h
p h a ân
M a õ s o á r a
V a < 0
V
R
S T A R T
V i
C K
V c

S I
C
R
S 1
S 2
Đo lực và ứng suất Trang 22
Mạch điều khiển logic sau khi nhận xung START sẽ mở S
I
, đóng S
1
và
mở S
2
. Khi chuyển mạch S
1
đóng đưa tín hiệu V
a
(giả sử âm) vào mạch tích
phân để lấy tích phân theo V
a
. Khi đó ngã ra mạch tích phân sẽ là:
 V
I
(t) =V
(-)SS
>0. Vì thế ngã ra của mạch so sánh có V
C
=1.
Do đó mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm.
Khi mạch đếm tràn (hết cỡ rồi tự động quay về 0).

Mạch logic điều khiển mở S
1
, đóng S
2
. Chuyển mạch S
2
đóng đưa V
R
vào
mạch tính phân để lấy tích phân theo V
R
(V
R
>0). Vì thế ngã ra V
I
giảm từ
V
Imax
về 0.
- Giá trò V
Imax
không đổi trong suốt 2 giai đoạn lấy tích phân t
1
,t
2
.
Giả sử R,C không đổi trong suốt thời gian chuyển đổi.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
)0(V .)(V
chậm. đổi thay )(V sử Giả

0
).(.
1
)(
<−=
=
−=
∫
a
t
RC
a
V
t
I
a
Vt
a
t
dtt
a
V
RC
t
I
V
∫ ∫
+
−=−
1 21

0 0
.

1

1
t tt
Ra
dtV
RC
dtV
RC
E O C
V c
V m a x
I
t
t
t
t
d o ác l e ân l a áy t í c h p h a ân V a
d o ác x u o án g l a áy t í c h p h a ân V a
t 1
t 2
T c
S T A R T
Đo lực và ứng suất Trang 23
3. Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:
a. Độ chính xác bất đònh do lượng tử hóa:
-Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2

n
khoảng gián đoạn. Ở mạch
đổi n bit. Các trò tương tự cùng một khoảng được biểu thò cùng một mã số
nhò phân. Do đó có một độ chính xác bất đònh ± ½ LSB bên cạnh các sai số
chuyển đổi khác. Trong mạch tín hiệu dốc đơn sai số này thường được phát
biểu như ± một số đếm.
b.Độ chính xác:
Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trò thực tế của
điện áp tương tự vào cho một mã nhò phân ra. Vì 1 mã số ra tương ứng với
một khoảng hẹp của điện áp tương tự vào nên điện áp tương tự vào ở đònh
nghóa trên được xem như là điểm giữa khoảng.
Sai số tuyệt đối gồm :sai số về độ lợi, về không, độ phi tuyến và do
nhiễu.
Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyêt đối như đònh
nghóa trong điều kiện trò tràn khung đã được lấy chuẩn vì các điểm rời trên
đặc tính chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương
đối cũng chính xác là độ phi tuyến.
c. Chỉnh không và chỉnh độ lợi:
Điểm không của mạch đổi ADC được chỉnh sao cho sự chuyển tiếp từ
các bit đầu bằng 0 lên LSB xảy ra ở ½.2
-n
trò tràn khung danh đònh.
Độ lợi được chỉnh cho chuyển tiếp cuối cùng lên các bit đều bằng 1
xảy ra tràn khung (1-3/2.2
-n
).
Điểm 0 của mạch chuyển đổi ADC lưỡng cực được chỉnh sao cho
chuyển tiếp đầu trên xảy ra ở toàn khung (1-2
-n
) và chuyển tiếp cuối xảy ra

0
_+

tràn khung (1-3.2
-n
).
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
khung)tràn trò giá đến 0 từđếm hmạc (trong

2
cùng); saếm số là N (với
2
.
2

n
12
1
2
21
cc
n
Ra
n
R
a
Ra
f
t
f

N
t
N
VV
N
t
t
V
V
tVtV
==
==>==
=
Đo lực và ứng suất Trang 24
B.Khảo sát ADC ICL 7109:
Sơ đồ chân:
Các thông số về nhiệt độ:
Họ IC TẦM NHIỆT ĐỘ HOẠT ĐỘNG
ICL 7109MDL -55
0
C  +125
0
C
ICL 7109 IDL -25
0
C  +85
0
C
ICL 7109CPL 0 +70
0

C
ICL 7109
MDL/883
-55
0
C  +125
0
C
ICL 7109 IPL -25
0
C +85
0
C
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
G N D
S T A T U S
P O L
B 1 2
B 1 1
B 1 0
V +
R E F C A P +
R E F I N +
I N H I
O R
I N L O
1
2
4
5

6
7
3 7
3 6
3 3
3
I C L
7 1 0 9
8
B 9
4 0
3 5
3 9
3 4
C O M M O N
R E F I N -
R E F C A P -
1 6
9
2 4
2 3
2 2
2 5
2 6
2 7
2 9
3 0
3 1
1 7
1 0

1 1
1 2
1 3
1 4
1 5
2 1
1 8
1 9
2 0
3 2
2 8
3 8
B 8
B 7
B 6
B 5
B 4
B 3
B 2
B 1
T E S T
L . B E N
H . B E N
C E / L O A D
I N T
A Z
B U F
R E F O U T
V -
S E N D

R U N / H O L D
B U F O S C O U T
O S C S E L
O S C O U T
O S C I N
M O D E
I C L 7 1 0 9
( P D I P )
T O P V I E W
P I N O U T S
Đo lực và ứng suất Trang 25
Đặc điểm:
+ ADC 12 bit nhò phân (cộng với bit cực tính và bit tràn) hoạt động
theo phương pháp tích phân hai độ dốc.
+Ngõ ra 3 trạng thái tương thích TTL và với kiểu giao tiếp UART thì
phù hợp với giao tiếp song song hoặc giao tiếp với hệ thống vi xử lý.
+Ngõ vào Run/Hold và Status được dùng để theo dõi và kiểm tra sự
chuyển đổi .Mức nhiễu thấp khoảng 15 µV
p-p
.
+ Dòng ngõ vào khoảng 1pA.
+Hoạt động có thể lêâøn đến 30 lần biến đổi trong 1 giây.
+Vi mạch bên trong sử dụng dao động thạch anh 3,58MHz sẽ cho 7,5
lần chuyển đổi trong 1 giây. Ngoài ra nó có thể sử dụng dao động RC hoặc
bất cứ tần số xung đồng hồ khác để tạo dao động.
MÔ TẢ:
ICL 7109 thuộc họ CMOS, chuyển đổi nhanh, nguồn nuôi thấp và được
thiết kế dễ dàng giao tiếp với vi xử lý.
Ngõ ra dữ liệu(12 bit cộng 1 bit cực tính và 1 bit tràn) sẵn sàng giao
tiếp song song thông qua sự điều khiển của 2 ngõ vào ENABLE và CHIP

SELECT, kiểu giao diện UART sẽ cho phép ICL7109 làm việc với tiêu
chuẩn công nghiệp mà ở đó UART sẽ đóng vai trò truyền dữ liệu.
Vi mạch ICL7109 có những ưu điểm như: độ chính xác cao, nhiễu
không đáng kể và trôi áp thấp đặc biệt rất kinh tế. Ngoài ra nó còn có
những thông số khác như: trôi áp thấp hơn 1µV/
o
c, dòng vào tối đa 10pA và
công suất tiêu thụ 20mW… làm cho vi mạch này càng trở nên hấp dẫn.
CHỨC NĂNG CÁC CHÂN:
CHÂN KÝ HIỆU CHỨC NĂNG
1 GND Chân Mass
2 STATUS Ngõ ra lên mức cao trong suốt quá trình biến đổi cho đến khi
dữ liệu được chốt lại. Ngõ ra xuống thấp khi tín hiệu được
chuyển đổi xong
3 POL Báo cực tính – Mức 1 khi tín hiệu tương tự vào dương
4 OR Bit tràn - Mức 1 nếu tràn.
5
6
7
8
9
10
B12
B11
B10
B9
B8
B7
Bit 12 Bit có trọng số lớn nhất
Bit 11

Bit 10
Bit 9
Bit 8
Bit 7
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng thái
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH