hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh

Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Chương Mở Đầu: Tổng quan đề tài
1. GIỚI THIỆU
Ngày nay, các ứng dụng của lĩnh vực đo lường và điều khiển được áp dụng
trong sản xuất công nghiệp và đời sống rất đa dạng. Một trong những ứng dụng thể
hiện qua việc thu thập số liệu của các thông số ứng suất biến dạng của vật liệu mà ta
có thể xác định được những thông số vật lý, cơ học khác nhau: lực tác dụng,
moment… hay để thu thập các số liệu về các hiện tượng vật lý nhiệt độ, độ ẩm, áp
suất, lưu lượng… để giám sát và điều khiển các hoạt động sản xuất được tốt nhất.
Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối máy tính cho phép
thực hiện các giải pháp thu thập dữ liệu và điều khiển chính xác và hiệu suất cao.
Các hệ thống thu thập dữ liệu đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự bền
chặt, toàn vẹn trong các hệ thống tự động điều khiển trong công nghiệp và sự đảm
bảo chất lượng cho các thiết bị điện tử công nghiệp.
Để có một hệ thống đồng bộ thông qua với máy tính, ngoài các cảm biến đo,
hệ thống điều khiển ghép nối,chúng ta cần có những công cụ phần mềm chuyên
dụng để xử lý và làm việc với các giá trị thu được thông qua hệ thống đo và kết nối
máy tính.
2. NỘI DUNG
Hệ thống thu thập dữ liệu quá trình tập hợp thông tin hay phân tích hiện
tượng nào đó. Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển của
một hay nhiều đối tượng. Mục đích của hệ thống thu thập dữ liệu nói chung là phân
tích dữ liệu thu thập vào, xử lý, lưu trữ dữ liệu và thực hiện mục đích muốn đo. Hệ
thống thu thập dữ liệu thường là dựa trên cơ sở điện tử học, nó được làm từ phần
cứng và phần mềm. Phần cứng thì được làm từ cảm biến, bộ chuyển đổi tín hiệu,
linh kiện điện tử (ở giữa với bộ nhớ dùng để tồn trữ thông tin). Phần mềm được làm
bằng phần mềm phân tích (vài tiện ích khác có thể sử dụng để di chuyển dữ liệu từ
bộ nhớ dữ liệu thu thập được đến một laptop hoặc tới một máy tính lớn ).
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
1
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp

Một hệ thống thu thập dữ liệu bao gồm ba phần: một hệ thống mức dưới I/O,
một máy tính chủ (host computer) và phần mềm để người vận hành điều khiển các
quá trình hoạt động của hệ thống.
Đề tài được bố cục như sau:
 Chương 1: Cơ sơ lý thuyết
 Chương 2: Thiết kế và thi công
 Chương 3: Kết luận
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
2
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
1.TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ VÀ RỜI RẠC
1.1 Tín hiệu
Tín hiệu là sự biến thiên của biên độ theo thời gian. Biên độ có thể là điện áp,
dòng điện, công suất,… nhưng thường được hiểu là điện áp.
1.2 Tín hiệu tương tự
Tín hiệu tương tự (analog signal) : Là tín hiệu liên tục cả về biên độ lẫn thời
gian.
1.3 Tín hiệu rời rạc
Tín hiệu rời rạc (Discrete Time Signal) : Là tín hiệu được lấy rời rạc theo thời
gian nhưng biên độ vẫn giữ liên tục. Hàm tín hiệu chỉ có giá trị xác định ở những
thời điểm xác định. Ta có thể thu nhận được tín hiệu rời rạc bằng cách lấy mẫu tín
hiệu tương tự (sampling). Vì vậy tín hiệu rời rạc còn được gọi là tín hiệu được lấy
mẫu (sampled signal).
Hình1.1: biểu diễn tín hiệu tương tự và tín hiệu rời rạc
2. LÝ THUYẾT LẤY MẪU TÍN HIỆU
Vì tín hiệu có thể biến đổi liên tục, việc lấy mẫu cần được tiến hành sau
những khoảng thời gian xác định. Tốc độ lấy mẫu tín hiệu tuỳ thuộc vào tốc độ biến
đổi của tín hiệu. Để mã hoá một tín hiệu số, thường người ta mã hoá nó ở những
khoảng thời gian không đổi. Việc lấy mẫu phải đảm bảo giữ đủ thông tin cho quá

trình tái tạo hay xử lý lại tín hiệu sau đó.
Lấy mẫu là quá trình biến một tín hiệu tương tự thành một tín hiệu rời rạc
theo thời gian.
Định lý lấy mẫu( định lý Shanon): Tín hiệu x(t) có phổ tín hiệu giới hạn trong
khoảng (-ω
max
, ω
max
) được xác định hoàn toàn từ tín hiệu lấy mẫu chỉ trong điều kiện
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
3
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
nếu tần số lấy mẫu lớn hơn 2ω
max
. Chỉ trong trường hợp này mới khôi phục được tín
hiệu sau khi đã rời rạc hóa ω
s
>2ω
max
, với ω
s
là tần số của các mạch lọc (cao, thấp)
Ví dụ : tín hiệu audio chất lượng cao có tần số cao nhất cỡ 20KHz, tín hiệu
này cần lấy mẫu ít nhất 40000 lần trong 1 s
Hình1.2: vẽ biểu diễn một tín hiệu được lấy mẫu sau mỗi Ts giây
2.1 Mạch lấy mẫu và giữ
Để biến đổi một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta không thể biến
đổi mọi giá trị của tín hiệu tương tự mà chỉ có thể biến đổi một số giá trị cụ thể bằng
cách lấy mẫu tín hiệu đó theo một chu kỳ xác định nhờ một tín hiệu có dạng xung.
Ngoài ra, mạch biến đổi cần một khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1µs - 1ms) do đó

cần giữ mức tín hiệu biến đổi trong khoảng thời gian này để mạch có thể thực hiện
việc biến đổi chính xác.
2.2 Lượng tử hoá
Đây là quá trình chuyển từ một tín hiệu rời rạc về thời gian nhưng liên tục về
giá trị sang tín hiệu rời rạc về biên độ của tín hiệu. Mỗi giá trị của mẫu được biểu
diễn lại bằng một giá trị được lựa chọn từ một tập hữu hạn các giá trị thích hợp. Khi
đã lượng tử hoá, các giá trị tức thời của tín hiệu tương tự không bao giờ có thể khôi
phục lại chính xác nữa. Điều này dẫn đến các lỗi ngẫu nhiên còn gọi là lỗi lượng tử
hoá.
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
4
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình1.3: vẽ biểu diễn quá trình lượng tử hoá
2.3 Mã hóa
Trong quá trình này thì mỗi tín hiệu rời rạc được biểu diễn bằng một chuỗi
các số nhị phân b bits. Càng nhiều mức lượng tử càng giảm khoảng trống giữa các
mức và tăng độ chính xác của giá trị mã hoá sau cùng. Mã hoá đơn cực tín hiệu luôn
luôn dương khác với lưỡng cực mã hoá cả 2 nửa biên độ dương và âm của tín hiệu.
Cả thang lối vào của tín hiệu giữa 0 và FS ( toàn thang ) với đơn cực và -FS/2 đến
FS/2 với hai cực. Điển hình là giữa 0 với 5, 10,15 V trường hợp đơn cực và +-5V, +-
15V với trường hợp hai cực. Số mức lượng tử phụ thuộc vào số bít sử dụng. Trong
trường hợp 3 bít sẽ có 8 mức lượng tử từ 000 đến 111.
Hình1.4: vẽ 3 bít mã hóa đơn cực và lưỡng cực
2.4 Lỗi lượng tử
Lỗi cực đại giữa mức tín hiệu gốc và mức lượng tử xuất hiện khi mức gốc rơi
đúng vào giữa hai mức lượng tử. Do vậy mức sai số cực đại sẽ là một nửa của bề
rộng một mức hay : lỗi = +- (1/2)*(FS)/2
N

3. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

3.1 Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối:
Thang Kelvin: đơn vị là
0
K. Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt
độ của điểm cân bằng của 3 trạng thái nước-nuớc đá- hơi một giá trị số bằng 273.15
0
K.
Thang Celcius: đơn vị là
0
C. Quan hệ giữa nhiệt độ Celcius và Kelvin được
xác định bởi công thức: T(
0
C)=T(
0
K)-273.15
Thang Fahrenhiet: đơn vị là
0
F
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
5
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
9
5
}32)({)(
00
−= FTCT
;
32)(
9
5

)(
00
+= CTFT
3.2 Các Phương Pháp Đo Nhiệt Độ
Đo nhiệt độ là một phương thức đo lường không điện, đo nhiệt độ được chia
thành nhiều dãi:
Đo nhiệt độ thấp, đo nhiệt độ trung bình, đo nhiệt độ cao.
Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hổ trợ chuyên biệt như:
Cặp nhiệt điện, nhiệt kế điện kế kim loại, nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán
dẫn, cảm biến thạch anh.
Việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một phương pháp thông
dụng được sử dụng trong tập luận văn này, nên ở đây chỉ giới thiệu về IC cảm biến
nhiệt.
Nguyên lý hoạt động chung của IC đo nhiệt độ
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu
điện dưới dạng dòng điện hay điện áp.Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với
nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.Đo tín hiệu
điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo.Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích
tự do và các lổ trống trong chất bán dẫn. Bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các
electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất
hiện các lỗ trống. Làm cho tỉ lệ điện tử tự do và lổ trống tăng lên theo qui luật hàm
mũ với nhiệt độ .
3.3 Cảm biến LM35
LM35 là ic cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao:10mv/
o
c.Ở 25
o
C nó có sai
số là không quá 1%.Với tầm đo từ -55
o

C – 150
o
C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục
với những thay đổi nhiệt độ ở ngõ vào.
3.3.1.Hình dạng và cách kết nối LM35
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
6
Hình1.5 Hình dạng LM35
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
3.3.2.Thông số kỹ thuật:
+ LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV / 1
o
C.
+ Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25
o
C nó có sai
số không quá 1%.Với tầm đo từ -55
o
C – 150
o
C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục
với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
+ Thông số kỹ thuật:
 Ngõ ra điện áp
 Độ nhạy là 10 mV/
0
C
 Phạm vi hoạt động: -55
0
C  150

0
C
 Ở nhiệt độ 25
0
C sai số không quá 1%.
 Áp làm việc từ 4 đến 30 volt
3.3.3. Đặc tính điện:
Theo thông số của nhà sản xuất LM35, quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ
ra như sau: V
out
= 0,01*T
o
C.
Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0
o
C – 100
o
C ta có sự biến thiên điện áp ngõ ra là:
Ở 0
o
C thì điện áp ngõ ra V
out
= 0 (V).
Ở 5
o
C thì điện áp ngõ ra V
out
= 0.05 (V).
……………………………………
Ở 100

o
C thì điện áp ngõ ra V
out
= 1 (V).
3.4 cảm biến PT100 (E52MY-PT10C)
3.4.1 Hình dạng PT100
Hình1.6: hình dạng của PT100(E52MY)
3.4.2 Thông số kỹ thuật
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
7
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
• Cảm biến nhiệt độ E52MY-PT10C
• Dải đo: 0 - 400 độ C.
• Loại can: DIN PT 100W.
• Chiều dài can: 10 cm
• Cấp chính xác: B.
• Cách điện cho dây dẫn bên trong: ceramic.
• Vật liệu đầu bao dây: Khuôn nhôm đúc màu xanh.
• Vật liệu ống bảo vệ: SUS 316 ống đúc.
• Nhiệt độ môi trường cho đầu đấu dây: 0 - 80 độ C
• Loại dây dẫn: hệ thống 3 dây dẫn
• Tiếp xúc nhiệt: loại không nối đất.
3.4.3 Cách đo PT100
Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại platinum dựa trên nguyên tắc thay
đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ(phương trình Callendar –van dusen) như sau:
Với: R
T
: điện trở ở nhiệt độ T
R
0

= 100 ohms điện trở ở 0
o
C
α: hệ số nhiệt độ ở T=0
o
C ( kiểu +0.00385 Ω/Ω/ºC)
δ=1.499( kiểu +0.00385 Ω/Ω/ºC)
β=0 khi T>0
+Cảm biến Pt100 hoạt động ở 0
o
C
thì điện trở là 100 ohms.
+Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100
o
C
ta tính như sau:
R
T
=R
0
(1+0.385%T) với sai số
nhiệt độ ±0.5
o
C. Tức là cứ tăng 1
o
C
thì điện trở Pt100 tăng 0.385 Ω
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
8
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình1.7: bảng thông số giá trị điện trở và nhiệt độ của Pt100
Ta có ba cách đo Pt100 như sau:
Sơ đồ mạch hai dây:
Sơ đồ mạch 2 dây kết nối theo kiểu cầu Wheatstone.
Ở 0
o
C thì thì giá trị điện trở của PT100 là RT=100 Ω, nên để cầu Wheatstone
cân bằng thì các điện trở R1, R2, R3 ta chọn là 100 Ω. L là điện trở dây nối. Es là
điện áp nguồn cung cấp, Eo là điện áp ngõ ra.
Ta tính được :
2 2
( )
3 2 2 1
Rg L R
Eo Es
Rg R L R R
+
= −
+ + +
Trong trường hợp dây nối dài thì ta dùng sơ đồ 3 dây hay 4 dây để bù trừ điện trở
dây nối.
Sơ đồ mạch ba dây:
Sơ đồ 3 dây có độ chính xác cao hơn sơ đồ 2 dây.
Ta tính được :
2
( )
3 2 2 1
Rg L R
Eo Es
Rg R L R R

+
= −
+ + +
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
9
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Với sơ đồ mạch 3 dây có thể nối dây dài tới 30.48m.
Sơ đồ mạch bốn dây nguốn dòng:
+Is là nguồn dòng cung cấp cho mạch, Eo
là điện áp ngõ ra, L là điện trở dây nối, RT
là cảm biến nhiệt PT100.
+Eo phải có trở kháng cao để ngăn lưu
lượng dòng trong điện thế dây dẫn. Mạch 4
dây có thể sử dụng ở khoảng cách dài hơn ba dây nhưng phải sử dụng máy phát
nguồn dòng trong môi trường nhiễu về điện.
+Sơ đồ bốn dây nguồn dòng cho độ chính xác tốt nhất:
.Eo Is RT
=
3.5 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 <thermocouple<1400 D.C
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 một sức điện động khác nhau: E,
J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
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
( offset trên bộ điều khiển ).
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
10
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
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.
Hình1.8: cặp nhiệt điện
4. CHUYỂN ĐỔI A/D VÀ D/A
Tín hiệu tương tự từ thực nghiệm đưa vào bộ lọc thông thấp, được lấy mẫu
qua bộ trích và giữ mẫu S&H (sample and hold) thành tín hiệu rời rạc. Sau đó được
đưa qua bộ biến đổi tương tự số ADC (Analog – digital-converter) để thành tín hiệu
số và đưa vào máy tính PC để xử lý. Tín hiệu số sau khi đã xử lý được biến đổi trở
lại thành tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi số tương tự DAC (Digital-analog-
converter) rồi lại đưa qua bộ lọc thông thấp để thành tín hiệu lối ra. Tuy nhiên tín
hiệu số khi đưa vào máy tính xử lý không nhất thiết phải lấy ra từ ADC mà có thể
được lấy trực tiếp từ các quá trình số khác. Cũng như vậy, tín hiệu số sau khi xử lý
không bắt buộc phải qua bộ biến đổi DAC để chuyển đổi lại thành tín hiệu tương tự
mà có thể được lấy ra ngay để điều khiển các quá trình số khác.
4.1 CHUYỂN ĐỔI A/D
4.1.1 Nguyên tắc thực hiện chuyển đổi ADC
Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, chuyển một tín hiệu ngõ vào
tương tự (dòng điện hay điện áp) thành dạng mã số nhị phân có giá trị tương ứng.
Chuyển đổi ADC có rất nhiều phương pháp.Tuy nhiên, mỗi phương pháp điều có
những thông số cơ bản khác nhau:
• Độ chính xác của chuyển đổi AD.
• Tốc độ chuyển đổi .

• Dãi biến đổi của tín hiệu tương tự ngõ vào
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
11
+
Startcommand
V
A
V’
A
Control
Unit
Register
D/A
converter
Comparator
clock
Digital output
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Đầu tiên kích xung start để bộ ADC hoạt động
Tại một tần số được xác định bằng xung clock bộ điều khiển làm thay đổi
thành số nhị phân được lưu trữ trong thanh ghi(Register). Số nhị phân trong thanh
ghi được chuyển thành dạng điện áp V’
a
bằng bộ chuyển đổi DA.
Bộ so sánh,so sánh V’
a
với điện áp ngõ vào V
a
.Nếu V’
a

< V
a
thì ngõ ra của
bộ so sánh vẫn giữ mức cao. Khi V’
a
> V
a
ngõ ra của bộ so sánh xuống mức thấp và
quá trình thay đổi số của thanh ghi ngưng. Lúc này V’
a
gần bằng V
a
, những số trong
thanh ghi là những số cần chuyển đổi .
4.1.2 Các phương pháp chuyển đổi A/D
4.1.2.1 Phương pháp tích phân
Phương pháp tích phân cũng giống như phương pháp chuyển đổi ADC dùng tín
hiệu dốc đôi (Dual-Slope-ADC). Cấu trúc mạch điện đơn giản hơn nhưng tốc độ
chuyển đổi chậm.

GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
12
Mạch so sánh
Mạch tích phân
R
Ngõ ra số
• •
•
•
Start

Clock
Điện áp
chuẩn
V
ref
V
in
C
_
+
_
+
Mạch logic điều
khiển
Bộ đếm
Hình 1.21:

Sơ đồ khối
tổng quát của
mạch ADC
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý của mạch chuyển đổi AD dùng phương pháp tích phân
Khi có xung start mạch đếm đưa về trạng thái reset. Mạch logic điều khiển
khóa K ở vị trí 1, điện áp tương tự V
in
được nạp vào tụ điện C với thời hằng t
1
tín
hiệu ngõ ra của mạch tích phân giảm dần, và cho đến khi nhỏ hơn 0V thì ngõ ra của
bộ so sánh lên mức 1, do đó mạch logic điều khiển mở cổng cho xung clock vào

mạch đếm. Sau khoảng thời gian t
1
mạch đếm tràn mạch logic điều khiển khóa K ở
vị trí 0, khi đó điện áp âm V
ref
được đưa vào ngõ vào của mạch tích phân, tụ điện C
xả điện với tốc độ không đổi, sau khoảng thời gian t
2
tín hiệu ngõ ra của mạch tích
phân tăng dần, do đó ngõ ra của mạch so sánh xuống, mức thấp làm cho mạch logic
điều khiển đống cổng và báo kết thúc chuyển đổi. Trong suốt khoảng thời gian xả
điện t
2
mạch đếm vẫn tiếp tục đếm kết quả của mạch đếm cũng chính là tín hiệu số
cần chuyển đổi tương ứng với điện áp tương tự ngõ vào V
in
.
Mối quan hệ giữa điện áp ngõ vào V
in
và điện áp chuẩn V
ref
với t
1
,t
2
t
1
=2
n
/f

ck
:thời gian mạch đếm từ 0 đến khi tràn
t
2
=N/f
ck
: thời gian mạch đếm từ khi tràn đến kết quả sau cùng
Biểu thức này không phụ thuộc vào thời hằng RC,cũng như số xung clock(nếu mạch
làm việc ổn định).
Các tín hiệu tương tự V
in
qua mạch tích phân nên các tín hiệu nhiểu đều bị loại bỏ.
Nhược điểm của mạch này là thời gian chuyển đổi chậm, giữa 2
n
chu kỳ xung
clock trong lần lấy tích phân trong thời gian t
1
va N chu kỳ trong lần lấy tích phân
trong thời gian t
2
. Thời gian chuyển đổi lớn nhất khi t
1
=t
2
.
Thời gian chuyển đổi: T = t
1
+t
2
4.1.2.2 Phương pháp ADC xấp xỉ liên tiếp

Đây là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên,
mạch điện có phức tạp nhưng thời gian chuyển đổi ngắn hơn. Phương pháp chuyển
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
13
t
2
=t
1
.v
in
/v
ref
Clock
Start
EOC
V
A
V’
A
+
_
DAC
Thanh ghi điều khiển
Logic điều khiển
MSB LSB
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
đổi ADC xấp xỉ liên tiếp có thời gian chuyển đổi cố định không phụ thuộc vào điện
áp ngõ vào.
Hình 1.23: Sơ đồ khối chuyển đổi ADC dùng phương pháp xấp xỉ liên tiếp.
Khi tác động cạnh xuống của xung start thì ADC bắt đầu chuyển đổi .

Mạch logic điều khiển đặt bit có nghĩa lớn nhất(Most Signifi cant Bit )của thanh
ghi điều khiển lên mức cao và tất cả các bit còn lại ở mức thấp.Số nhị phân ra ở
mạch thanh ghi điều khiển được qua mạch DAC để tạo ra điện áp tham chiếu V’
a
.
Nếu V’
a
>V
a
thì ngõ ra bộ so sánh xuống mức thấp, làm cho mạch logic điều
khiển xóa bit MSB xuống mức thấp.
Nếu V’
a
<V
a
thì ngõ ra của bộ so sánh vẫn ở mức cao và làm cho mạch logic điều
khiển giữ bit MSB ở mức cao.
Tiếp theo mạch logic điều khiển đưa bit có nghĩa kế bit MSB lên mức cao và tạo
ở ngõ ra khối DAC một điện áp tham chiếu v’
a
rồi đem so sánh tương tự như bit
MSB ở trên .Quá trình này cứ tiếp tục cho đến bit cuối cùng trong thanh ghi điều
khiển. Lúc đó v’
a
gần bằng V
a
ngõ ra của mạch logic điều khiển báo kết thúc chuyển
đổi.
Như vậy mạch đổi ra n bit chỉ mất n chu kỳ xung clock nên có thể đạt tốc độ rất
cao. Tuy nhiên mạch ADC xấp xỉ liên tiếp lại không thể đáp ứng với tín hiệu tương

tự vào biến đổi cực nhanh .
4.2 Chuyển đổi D/A
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
14
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Chuyển đổi số sang tương tự là tiến trình lấy một giá trị được biểu diễn dưới
dạng mã số (digital code ) và chuyển đổi nó thành mức điện thế hoặc dòng điện tỉ lệ
với giá trị số
Hình1.24: Sơ đồ khối một DAC
4.2.1 Độ Phân giải DAC
Độ phân giải (resolution) của bộ biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi
nhỏ nhất có thể xảy ra ở đầu ra tương tự bởi kết quả của một thay đổi ở đầu vào số.
Độ phân giải của DAC phụ thuộc vào số bit, do đó các nhà chế tạo thường ấn
định độ phân giải của DAC ở dạng số bit. DAC 10 bit có độ phân giải tinh hơn DAC
8 bit. DAC có càng nhiều bit thì độ phân giải càng tinh hơn.
Độ phân giải luôn bằng trọng số của LSB. Còn gọi là kích thước bậc thang
(step size), vì đó là khoảng thay đổi của Vout khi giá trị của đầu vào số thay đổi từ
bước này sang bước khác.
Hình 1.25: dạng song bậc
thang của DAC
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
15
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Độ phân giải bằng với hệ số tỷ lệ trong mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của
DAC. Đầu ra tương tự = K x đầu vào số
Với K là mức điện thế (hoặc cường độ dòng điện) ở mỗi bậc.
Như vậy ta có công thức tính độ phân giải như sau:
Với A
fs
là đầu ra cực đại ( đầy thang )

N là số bit
Nếu tính theo phần trăm ta có công thức như sau:
4.2.2 Độ chính xác
Có nhiều cách đánh giá độ chính xác. Hai cách thông dụng nhất là sai số
toàn thang (full scale error) và sai số tuyến tính (linearity error) thường được biểu
biễn ở dạng phần trăm đầu ra cực đại (đầy thang) của bộ chuyển đổi.
Sai số toàn thang là khoảng lệch tối đa ở đầu ra DAC so với giá trị dự kiến
(lý tưởng), được biểu diễn ở dạng phần trăm.
Sai số tuyến tính là khoảng lệch tối đa ở kích thước bậc thang so với kích
thước bậc thang lý tưởng. Điều quan trọng của một DAC là độ chính xác và độ phân
giải phải tương thích với nhau.
4.2.3 Thời gian ổn định
Thời gian ổn định (settling time) là thời gian cần thiết để đầu ra DAC đi từ zero
đến bậc thang cao nhất khi đầu vào nhị phân biến thiên từ chuỗi bit toàn 0 đến chuổi
bit toàn là 1. Thực tế thời gian ổn định là thời gian để đầu vào DAC ổn định trong
phạm vi ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) của giá trị cuối cùng.
4.2.4 Các phương pháp chuyển đổi DAC
4.2.4.1 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân và bộ khuếch đại cộng.
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
16
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình1.26: mạch biến đổi DAC dùng điện trở
Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op Amp) được dùng làm
bộ cộng đảo cho tổng trọng số của bốn mức điện thế vào. Ta thấy các điện trở đầu
vào giảm dần 1/2 lần điện trở trước nó. Nghĩa là đầu vào D (MSB) có R
IN
= 1k, vì
vậy bộ khuếch đại cộng chuyển ngay mức điện thế tại D đi mà không làm suy giảm
(vì R
f

= 1k). Đầu vào C có R = 2k, suy giảm đi 1/2, tương tự đầu vào B suy giảm 1/4
và đầu vào A giảm 1/8. Do đó đầu ra bộ khuếch đại được tính bởi biểu thức:
Dấu âm (-) biểu thị bộ khuếch đại cộng ở đây là khuếch đại cộng đảo.
.
Hình1.27: Đầu ra ứng với điều kiện các
đầu vào thích hợp ở 0V hoặc 5V
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
17
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
4.2.4.2. DAC R/2R ladder
Hình bên dưới ta thấy được cách sắp xếp các điện trở chỉ có hai giá trị được
sử dụng là R và 2R. Dòng I
OUT
phụ thuộc vào vị trí của 4 chuyển mạch, đầu vào nhị
phân B
0
B
1
B
2
B
3
chi phối trạng thái của các chuyển mạch này. Dòng ra I
OUT
được
phép chạy qua bộ biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện thế
ra V
OUT
. Điện thế ngõ ra V
OUT

được tính theo công thức:
Với B là giá trị đầu vào nhị phân, biến thiên từ 0000 (0) đến 1111(15)
Hình1.28: DAC R/2R ladder cơ bản
4.2.4.3 DAC với đầu ra dòng
Trong các thiết bị kỹ thuật số đôi lúc cũng đòi hỏi quá trình điều khiển bằng
dòng điện. Do đó người ta đã tạo ra các DAC với ngõ ra dòng để đáp ứng yêu cầu
đó. Hình bên dưới là một DAC với ngõ ra dòng tương tự tỷ lệ với đầu vào nhị phân.
Mạch DAC này 4 bit, có 4 đường dẫn dòng song song mỗi đường có một chuyển
mạch điều khiển. Trạng thái của mỗi chuyển mạch bị chi phối bởi mức logic đầu vào
nhị phân.
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
18
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình1.29: DAC có đầu ra dòng cơ bản
Dòng chảy qua mỗi đường là do mức điện thế quy chiếu V
REF
và giá trị điện
trở trong đường dẫn quyết định. Giá trị điện trở có trọng số theo cơ số 2, nên cường
độ dòng điện cũng có trọng số theo hệ số 2 và tổng cường độ dòng điện ra I
OUT
sẽ là
tổng các dòng của các nhánh.
DAC với đầu dòng ra có thể chuyển thành DAC có đầu ra điện thế bằng cách
dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op Amp) như hình sau:
Hình 1.30: biến đổi từ dòng sang áp
I
OUT
ra từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” của bộ khuếch đại thuật toán. Hồi
tiếp âm của bộ khuếch đại thuật toán buộc dòng I
OUT

phải chạy qua R
F
và tạo điện áp
ngõ ra V
OUT
và được tính theo công thức:
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
19
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Do đó V
OUT
sẽ là mức điện thế tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân của DAC.
5. HỆ THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH
5.1 Thu thập dữ liệu
Mục đích của thu thập dữ liệu là thu thập thông tin của các hiện tượng hay
các đại lượng vật lý như là điện áp, dòng điện, nhiệt độ, áp suất hoặc âm thanh. Sự
thu thập dữ liệu trên PC sử dụng một sự kết hơp giữa mô đun phần cứng, phần mềm
ứng dụng và một máy tính để thực hiện việc thu thập. Trong khi mỗi hệ thống thu
thập dữ liệu được định nghĩa bởi yêu cầu ứng dụng của nó. Mỗi hệ thống chia sẽ
một mục đích chung thu được, phân tích và nhận thông tin hiện có. Những hệ thống
thu thập dữ liệu hợp nhất những tín hiệu, các cảm biến, những cơ cấu chấp hành,
những trạng thái tín hiệu, những thiết bị thu thập dữ liệu và phần mềm ứng dụng.
Hình1.31 : sơ đồ hệ
thống thu thập dữ liệu
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
20
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình1.32 : Tổng quan về vào ra của máy tính
5.2 Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh
Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh là hệ thống có thể thực hiện việc thu

thập dữ liệu, giám sát và điều khiển của nhiều đối tượng cùng một lúc, các đối tượng
có thể giống nhau hay khác nhau. Các đối tượng đó có thể là nhiệt độ, áp suất, lưu
lượng,… Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh là sự thu thập dữ liệu trên máy tính
PC sử dụng một sự kết hợp giữa mô đun phần cứng, phần mềm ứng dụng và một
máy tính đo thực hiện việc thu thập.
Hệ thu thập dữ liệu thực hiện các năng năng như sau:
 Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm
biến.
 Phân tích, xử lý và thực hiện các phép tính toán trên các dữ liệu
thu thập được.
 Hiển thị các dữ liệu thu thập được, kết quả đã xử lý, lưu trữ
thông tin thu thập được lên máy tính.
 Viết chương trình giao tiếp, giám sát và điều khiển trên máy
tính.
 Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các
thiết bị điều khiển.
Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu 1 kênh:
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
21
Quá
trình
Cảm biến Gia công
tín hiệu
S/H ADC
Hệ vi
xử lý
và
Máy
tính
Gia công

tín hiệu
Ngõ vào máy tính
Lọc
tương
tự
Đa
hợp
ADC
Máy tính
Kiểm tra
tín hiệu
Lọc số
Xử lý
Kiểm tra
ngõ ra
Ngõ ra máy tính
DACLọc
Gia
công
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình1.33 : Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu 1 kênh
S/H:lấy mẫu và giữ, ADC chuyển đổi tương tự sang số, DAC chuyển đổi số
sang tương tự
Chúng ta có thể thiết kế một card thu thập dữ liệu 8 bit hoặc12 bit giao tiếp
với máy tính hoặc sử dụng card thu thập dữ liệu và điều khiển của hãng sản xuất
như là card PLC 818L, PCI 1711/1718 HDU của hãng Advantech.
Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu nhiều kênh
Hình 1.34 : Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu nhiều kênh
S/H:lấy mẫu và giữ
ADC chuyển đổi tương tự sang số,

DAC chuyển đổi số sang tương tự
6. VI ĐIỀU KHIỂN 89V51
6.1. Họ Vi điều khiển 8051 và IC 89V51RB2/RC2/RD2
6.1.1 Giới thiệu khái quát họ vi điều khiển MSC – 51
MCS – 51 là một họ vi điều khiển do Intel phát triển và sản xuất. Một số nhà sản
xuất được phép cung cấp các IC tương thích với các sản phẩm MCS – 51 của Intel là
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
22
DACKhuếch đại
Chấp hành
Quá
trình
Cảm biến
Cảm biến
Khuếch
đại
Khuếch
đại
S/H ADC
Mul
tiple
xer
Hệ vi
xử lý
và
Máy
tính
DAC
Demu
ltiple

xer
Khuếch
đại
Khuếch
đại
Chấp
hành
Chấp
hành
.
.
.
.
.
.
.
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Siemens, Advanced Micro Devices, Fujitsu, Philips, Atmel… Vi mạch tổng quát của
họ MSC – 51 là chip 8051
Chip 8051 có một số đặt trưng cơ bản sau:
+Bộ nhớ chương trình bên trong: 4KB (ROM)
+Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 byte (RAM)
+Bộ nhớ chương trình bên ngoài: 64KB (ROM)
+ Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài: 64KB (RAM)
+ 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit
+ 2 bộ định thời 16 bit.
+ Mạch giao tiếp nối tiếp.
+ Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẻ)
+ 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit.
+ Nhân / chia trong 4µs

Ngoài ra, tùy theo số hiệu sản xuất mà chúng có những khác biệt về bộ nhớ và bộ
định thời/bộ đếm như trong bảng so sánh dưới đây:
Số hiệu sản
xuất
Bộ nhớ chương
trình trên chip
Bộ nhớ dữ liệu
trên chip
Số bộ định thời
(bộ đếm)
8031
8051
8751
8951
0KB
4KB PROM
4KB UV – EPROM
4KB FLASH ROM
128 byte
128 byte
128 byte
128 byte
2
2
2
2
8032
8052
8752
8952

0KB
8KB PROM
8KB UV – EPROM
8KB FLASH ROM
256 byte
256 byte
256 byte
256 byte
3
3
3
3
6.1.2. Vi điều khiển 89V51RB2/RC2/RD2
6.1.2.1 Khái quát chung
Các tính năng:
+ CPU 80C51
+Hoạt động ở 5VDC trong tầm tần số dao động đến 40MHz.
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
23
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
+16/32/64 kB bộ nhớ chương trình trên chip với tính năng ISP (In-System
Programming) và IAP (In-Application Programming)
+ Sử dụng chế độ 12 chu kì xung nhịp (mặc định) hoặc 6 chu kỳ xung nhịp được
chọn bằng phần mềm hoặc ISP
+ SPI (Serial Peripheral Interface) và tăng cường UART
+ 5 PCA (Programmable Counter Array) với chức năng PWM / capture/
compare 16bits.
+ 4 Port I/O (xuất nhập) 8 bit. 3 Port có dòng lớn (16mA trên mỗi chân)
+ 3 Timers/Couters 16 bit
+ Watchdog Timer có thể lập trình được

+ 8 nguồn ngắt với 4 mức độ ưu tiên.
+ 2 thanh ghi DPTR
+ Chế độ IEM mức thấp
+ Thích hợp mức Logic của TTL và CMOS
+ Phát hiện nguồn yếu
+ Chế độ nguồn yếu
Hình 1.35 – Sơ đồ khối của 89V51RB2/RC2/RD2
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
24
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình 1.36 – Sơ đồ chân của 89V51RB2/RC2/RD2 như sau:
6.1.2.2 Chức năng của các chân
Port 0: (P0.0 đến P0.7) có số chân từ 39 đến 32, Port xuất / nhập.
Port 1: (P1.0 đến P1.7) có số chân từ 1 đến 8, Port xuất / nhập.
P1.0 – T2 (Chân xuất / nhập): Ngõ vào đếm của Timer/ Counter 2 hoặc ngõ ra
xung (Clock out) từ Timer/ Counter 2.
P1.1 – T2EX (Chân nhập): Điều khiển hướng và khởi động timer/ Counter 2 ở
chế độ Capture/reload.
P1.2 – ECI (Chân nhập): Ngõ vào xung nhịp. Tín hiệu này là nguồn xung nhịp
ngoài cho chức năng PCA.
P1.3 – CEX0 (Chân xuất / nhập): Ngõ xuất nhập (I/O) bên ngoài của
Capture/compare cho PCA Module 0.
P1.4 (Chân xuất / nhập):
+
SS
: Chọn cổng phụ vào cho SPI.
+ CEX1: Ngõ xuất nhập (I/O) bên ngoài của Capture/compare cho PCA Module 1.
P1.5 (Chân xuất / nhập):
+ MOSI: Ngõ ra chính, ngõ vào phụ cho SPI.
+ CEX2: Ngõ xuất nhập (I/O) bên ngoài của Capture/compare cho PCA Module 2.

P1.6 (Chân xuất / nhập):
+ MISO: Ngõ vào chính, ngõ ra phụ cho SPI.
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
25