Đồ án tốt nghiệp môn trang bị điện tử

đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Mục lục
Trang
Phần I: Đặt vấn đề
C h ơng I : Mục tiêu của đề tài 3
Ch ơng II: Đối t ợng nghiên cứu . 4
Ch ơng III :H ớng giải quyết . 6
Phần II :Nội dung đề tài
Ch ơngI : Thiết bị phần cứng 7
1 .1 Sensor cảm nhận quang 7
1.1.a: Lựa chọn thiết bị thu, phát quang 7
1.1.b: Lựa chọn dải sóng làm việc của bộ phát và bộ thu 7
1.1.c: Số l ợng và cách bố trí các sensor quang 8
1.1.d: Tính tần số quét của các sensor quang 8
1.2 Mạch phân tích thông tin 9
1.2.a: Sơ đồ mạch điện 9
1.2.b: Mạch biến đổi t ơng tự số( ADC) 10
1.2.b.1: Khâu chuyển đổi t ơng tự số 10
1.2.b.2: Giới thiệu chung về ADC0804 13
1.2.b.3:Hoạt động của ADC0804 17
1.2.c: Bộ phân kênh MC14051 . 8
1.2.c.1: Chức năng Hoạt Động 0
1.2.d: Bộ vi xử lý 89C51 18
1.2.d.1: Sơ đồ khối chức năng 19
Trang bị điện - điện tử 1 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::

1.3 Truyền thông Máy tính Vi xử lý
1.3.a: Các cơ sở của truyền thông nối tiếp.

1.3.b: Các chuẩn RS232
1.3.c: Các cổng COM của IBM PC và t ơng thích .
1.3.d: Nối ghép 8051 tới RS232.
Ch ơng II: Phần Mềm
II.1 Phân tích các thông tin trả về từ sensor quang 26
2.1.a: Một số phơng pháp có thể sử dụng 26
2.1.a.1:Ph ơng pháp phản hồi bằng cụm 4 sensorvà
điều khiển bằng bộ biến trạng thái. 26
2.1.a.2:Ph ơng pháp điều khiển bằng mạng noron nhân tạo 27
2.1.a.2.1: Một số khái niệm cơ bản về mạng Noron 27
2.1.a.2.2: Đánh giá về mạng Noron 41
2.1.a.3: Ph ơng pháp tìm kiếm sensor trung tâm 41
2.1.b: Kết luận về ph ơng pháp sử dụng 42
2.2: Ph ơng pháp tìm sensor trung tâm 42
2.2.a: Nhận dạng đối t ợng 42
2.2.b: Thuật toán thực hiện 47
2.3: Các ch ơng trình : 49
2.3.a: Ch ơng trình mạch đầu vào sử dụng ADC 49
2.3.b: Ch ơng trình tìm sensortrung tâm
và xác định vạch ngang 52
Phần III Kết Luận 74
Trang bị điện - điện tử 2 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Phần I: Đặt vấn đề
Chơng I: Mục tiêu của đề tài :
Trong đề tài này ta nghiên cứu phơng pháp định vị cho rôbốt tự hành trên lới
toạ độ ô vuông để từ đó đa ra quyết định về hớng chuyển động tiếp theo của
rôbôt trên lới tọa độ.
để định vị cho rôbốt tự hành trên lới toạ độ thì ta có thể dùng 1 trong

các cách sau:
1. Dùng encoder để xác định quãng đờng đi đợc của 2 bánh rồi từ đó xuy
ra vị trí của xe trên lới toạ độ.
2. Dúng các phơng pháp cơ khí để xác định toạ độ của xe (ví dụ dùng
dây quấn ).
3. Dúng các bộ cảm nhận quang để nhận biết các vạch trắng ngang dọc
của lới toạ độ, từ đó tính toán ra toạ độ chính xác của rôbôt.
Ta thấy với phơng pháp xác định toạ độ bằng cơ khí thì ta chỉ xác định đợc 1
số ít các quỹ đạo cố định, và độ chính xác không cao do ma sát mặt sàn, độ
trợt bánh xe. Với phơng pháp dùng encoder thì có độ linh hoạt cao hơn nhng
cũng rất khó khăn trong việc thay đổi quỹ đạo và độ chính xác cũng không
cao.
Với phơng pháp dùng các bộ cảm nhận quang để nhận biết các vạch trắng
ngang dọc của lới toạ độ thì ta có thể tính toán chính xác toạ độ của robot
trên lới toạ độ mà không chịu ảnh hởng của việc trợt bánh do ma sát.
Trang bị điện - điện tử 3 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Từ phân tích trên ta thấy chỉ với phơng pháp dùng các bộ cảm nhận quang để
nhận biết các vạch trắng ngang dọc của lới toạ độ là có thể đáp ứng mục đích
xác định toạ độ chính xác của robot tự hành lới toạ độ .
Trang bị điện - điện tử 4 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Chơng II : Đối tợng nghiên cứu:
Đối tợng nghiên cứu của bài toán này là tọa độ của rôbôt tự hành trong quá
trình chuyển động trên lới toạ độ ô vuông.
Lới toạ độ là những đờng kẻ màu trắng rộng 30mm song song và cách
nhau 500mm, đợc vẽ đan xen để tạo nên 1 mạng lới ô vuông trên nền
màu xanh lá cây xẫm ,nh hình vẽ trên đây:

Những vạch kẻ trắng đợc gián bằng giấy trắng bóng có thể phản quang.
Khi robot di chuyển trên lới toạ độ thì nó phải tự phân tích đợc vạch dọc
và vạch ngang để từ đó tính đợc toạ độ của robot xo với lới toạ độ. Vì
robot di chuyển dựa chủ yếu vào việc phân tích lới toạ độ nên phải làm
sao để không bị nhầm lẫn hay bỏ sót các vạch dọc và ngang nếu không
robot sẽ không thể đi đợc tới vị trí mong muốn.
Trang bị điện - điện tử 5 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Có thể nó việc phân tích đợc chính xác vạch dọc và ngang có ý nghĩa
quyết định tới việc định vị rôbốt trên lới toạ độ.
Chơng III: Hớng nghiên cứu
Ta xử dụng hệ thống sensor cảm nhận quang để xác định các vạch trắng trên
nền sân, ta phân biệt các vạch trắng dựa theo sự khác biệt vể mức độ phản xạ
ánh sáng của vạch màu trắng và nền màu xanh.
Ta phát ánh sáng xuống nền sân và dùng sensor quang để thu ánh sáng phản
xạ về, từ cờng độ ánh sáng phản xạ về mà ta sẽ phân biệt đợc vạch trắng và
nền xanh.
Để so sánh, đánh giá chính xác cờng độ ánh sáng phản xạ về ta sử
dụng bộ biến đổi ADC00804 để chuyển đổi điện áp trả về từ các sensor ra
dạng số, sau đó xử dụng bộ vi xử lý 89C51 để xử lý các thông tin đa về.
Trang bị điện - điện tử 6 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Do cờng độ sáng, phản xạ ở các mặt sân là khác nhau nên ta sẽ phải
xử dụng chơng trình tự động bắt mức sáng của sân để lấy đó làm giá trị so
sánh.
Phần II : Thực hiện đề tài
Chơng I : Thiết bị phần cứng
I.1: Sensor cm nhn quang:

I.1.a: Lựa chọn thiết bị quang
Về sensor quang ta có 3 loại thông dụng có bán trên thị trờng là
phôtôdiode, phôtôtransistor và quang trở.
Với phôtôdiode hồng ngoại và phôtôtransistor hồng ngoại
thì độ nhạy rất lớn nhng chỉ thu ánh sáng hồng ngoại nhng mặt sàn sân làm
bằng những chất liệu phản xạ tốt ở dải sóng ánh sáng nhìn thấy đợc thế nên
nếu dùng đèn phát và thu hồng ngoại thì cờng độ ánh sáng phản xạ về là
không thể tốt bằng việc dùng cụm đèn phát và thu ở dải sóng ánh sáng nhìn
thấy đợc. Vì vậy trong trờng hợp này ta chọn cụm led phát ánh sáng trắng và
quang trở để thu ánh sáng phản xạ là hợp lý.
Một vài nét về điện trở quang
Điện trở quang là một linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp
pn. Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang là Cds (Cadmium Sulfid), CdSe
(Cadmium Selenid), ZnS (Zinc Sulfid) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác.
Khi bị chiếu sáng, độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn gia tăng do các hạt mang
điện tích sinh ra thêm. Độ dẫn điện của bán dẫn có thể đợc diễn tả bằng ph-
ơng trình:
)(
pn
pne
àà
+=
e: điện tích của electron= 1,602.10
-19
C
n và p : mật độ electron và lỗ trống
Trang bị điện - điện tử 7 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
n

à
và
p
à
: độ linh động của electron và lỗ trống
Trong cơ chế gia tăng các hạt mang điện tích do sự chiếu sáng, ta có chiều
dài sóng giới hạn
c

. Các photon có độ dài sóng lớn hơn
c

không làm sản
sinh ra thêm các hạt mang điện tích.
)(
24,1.
eVEE
ch
gg
c
==

)( m
c
à
:chiều dài sóng giới hạn tuỳ theo độ rộng vùng cấm E
g
c: vận tốc ánh sáng trong chân không
h: hằng số Planck
bán dẫn có thể hấp thụ bức xạ có độ dài sõng bé hơn

c

, khi đó một cặp
electron- lỗ trống đợc sinh ra.
Với phơng trình (10.1) độ dẫn điện có thể gia tăng nhờ 2 cách:
1.Ga tăng mật độ các hạt mang điện tích.
2.Gia tăng độ linh động hiệu dụng.
Quang trở đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực:
- tắt mở đèn đờng
- autofocus trong các máy chiếu phim slide
- đo ánh sáng với các máy chụp hình bỏ túi (flash enable)
- công tắc ánh sáng
- điều chỉnh độ contrast của TV
- điều chỉnh độ chiếu sáng cho các mặt hiện số LED và LCD
- trò chơi điện tử
- end stop trong các máy ghi âm
- công tắc tự động bật sáng trong nhà
- bật sáng tự động đèn bảo vệ hiên nhà
- opto- coupler
- detetor các ngọn lửa trong các lò
Trang bị điện - điện tử 8 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
I.1.b: Dải sóng làm việc:
Vì thiết bị thu của ta là quang trở nên ta chọn giải sóng làm việc là dải
sóng ánh sáng nhìn thấy đợc từ 650nm(đỏ) tới 400 nm(tím).
Để có dải sóng này ta dùng nguồn phát là đèn led rọi ánh sáng trắng. Với
nguồn phát này ta có đợc dải sóng đều từ 650nm tới 400nm. Vì tính chất
phản xạ và hấp thụ của mặt sân nên khi ở vùng màu xanh chỉ có ánh sáng
màu xanh phản xạ lên nên cờng độ ánh sáng phản xạ chỉ bằng 1 phần 7 ánh

sáng phát, còn khi ở dải trắng thì ánh sáng phản xạ gần nh hoàn toàn cờng độ
ánh sáng phản xạ về sensorthu là rất lớn gần nh tơng đơng với cờng độ phát.
Từ sự khác biệt này ta sử dụng ADC00804 để biến đổi điện áp thu đợc từ
quang trở thành dạng số từ đó xử dụng chíp 89C51 để phân tích, so sánh ta
sẽ xác định đợc vạch trắng và nền xanh.
I.1.c : Số lợng và cách bố trí sensor
Để thuận tiện nhất cho việc xác định vạch trắng trong lúc xe di
chuyển cũng nh phân biệt vạch ngang và dọc trong lúc xe rôbôt di chuyển
với tốc độ cao thì ta xử dụng mô hình dàn senser gồm 12 quang trở thu và
13 led phát theo hành ngang ở phía trên của robot. Mỗi quang trở cách nhau
25mm, xen giữa 2 quang trở là 1 led phát. Độ dài của cả dãy sensorlà
300mm. Với dãy sensorcó độ dài nh thế này thì khi di chuyển rôbôt đợc phép
lệch tâm sang mỗi bên là 150mm, đây là khoảng cách khá an toàn cho rôbôt
có thể bám vạch tốt khi đi tốc độ cao cũng nh khi bị va chạm với chớng ngại
vật hay rôbôt khác. Việc bố trí dãy sensor nh thế này sẽ tạo thuận lợi rất
nhiều cho việc lập trình quỹ đạo đi của robot.
Trang bị điện - điện tử 9 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
I.1.d: Tần số quét của dãy sensor quang:
Vì độ rộng của vạch ngang là 30mm thế nên ta phải tính toán sao cho
rôbôt di chuyển không quá nhanh để đủ thời gian cho các sensor nhận biết đ-
ợc vạch ngang.
Tần số biến đổi của ADC00804 là 100 s nên để biến đổi xong tín hiệu từ 12
sensor ta cần ít nhất là 1200s rồi cộng thêm thời gian phân tích và tính toán
thì vào khoảng 2000s. Vậy vận tốc tối đa của robot mà dãy sensor còn có
thể đếm đợc đúng số vạch ngang là 15m/s.
Tuy nhiên để robot đi ổn định thì ngoài chuyện bắt vạch còn phải tính đến
quán tính của xe. Từ quá trình thử nghiệm ta chọn vận tốc cho robot di
chuyển ổn định là 1,92m/s. Vận tốc này là khá nhanh khi so với tốc độ

1,2m/s là vận tốc nhanh nhất mà các rôbôt tự động trong cuộc thi rôbôcon
2005 có thể di chuyển.
I.2 Mạch phân tích thông tin
I.2.a: Sơ đồ mạch điện
Do tín hiệu trả về từ các sensor ở dạng điện áp nên để nhận biết đợc sự
khác nhau của điện áp trả về từ sensor ta phải có 1 khâu so sánh điện áp.
Để thực hiện khâu so sánh điện áp ta có thể có hai cách:
Thứ nhất là sử dụng IC so sánh HA17741, LF356, .
Thứ hai sử dụng ADC để chuyển đổi điện áp ra số sau đó so sánh bằng
vi xử lý.
Trang bị điện - điện tử 10 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
- Với cách thứ nhất thì gặp 1 trở ngại rất lớn là giá trị điện áp dùng để so
sánh phải đặt cố định và việc tính toán mức điện áp này rất phức tạp. Khi
gặp môi trờng làm việc khác thì việc thay đổi mức so sánh là khó khăn và
thiếu chính xác.
- Còn với cách thứ hai việc so sánh bằng phần mềm khiến cho bài toán so
sánh trở nên đơn giản và có độ chính xác cao hơn nhiều. Với giá trị so sánh
có thể đợc cập nhật thờng xuyên việc thay đổi môi trờng làm việc không còn
là trở ngại quá lớn. Trong đề tài này ta sẽ bàn tới cách thứ 2 này.
- Vì số lợng sensor là lớn nên ta khó có thể chọn 1 loại ADC nào có đủ
kênh đầu vào, thế nên trong mạch ta sẽ sử dụng thêm 2 bộ phân kênh
MC14051. Mỗi bộ phân kênh này cho ta thêm 8 kênh đầu vào.
- Ngoài ra do ánh sáng các sensor thu về chủ yếu là ánh sáng của các
LED phát phản xạ về. Nên để ổn định cờng độ ánh sáng của sensor thu thì la
phải ổn định cờng độ ánh sáng phát của các đèn LED , cũng chính là ổn định
cờng độ dòng điện qua LED phát trong suốt quá trình robôt làm việc. Để ổn
định cờng độ dòng cấp cho các LED phát ta sử dụng mạch ổn định dòng
dùng Transistor 468.

Trang bị điện - điện tử 11 đhgtvt-k42
®å ¸n tèt nghiÖp Lª anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::

S¬ ®å nghuyªn lý cña bo m¹ch :
1 2 3 4 5 6
A
B
C
D
654321
D
C
B
A
Title
Number RevisionSize
B
Date: 21-Apr-200 6 Sheet of
File: E:\DATA\Do an tot ng hiep\thiet ke mach\machmat.ddbDrawn By:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
M13

M19
CAP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
M14
RST
XTAL1
XTAL2
A
A
B
B
C
C
AS1
AS2
AS3
AS4
AS1
1
2
3

4
5
6
7
8
M15
CON8
TD0
TD1
TD2
TD3
TD4
TD5
TD6
TD7
TD0
TD1
TD2
TD3
TD4
TD5
TD6
TD7
VCC5V
P1.0
1
P1.1
2
P1.2
3

P1.3
4
P1.4
5
P1.5
6
P1.6
7
P1.7
8
RST
9
P3.0/RXD
10
P3.1/TXD
11
P3.2/INT0
12
P3.3/INT
13
P3.4/T0
14
P3.5/T1
15
P3.6/WR
16
P3.7/RD
17
XTAL1
19

P2.0/A8
21
P2.1/A9
22
P2.2/A10
23
P2.3/A11
24
P2.4/A12
25
P2.5/A13
26
P2.6/A14
27
P2.7/A15
28
PSEN
29
ALE
30
EA
31
P0.7/AD7
32
P0.6/AD6
33
P0.5/AD5
34
P0.4/AD4
35

P0.3/AD3
36
P0.2/AD2
37
P0.1/AD1
38
P0.0/AD0
39
XTAL2
18
GND
20
VCC
40
M10
8051
TD0
TD1
TD2
TD3
TD4
TD5
TD6
TD7
D0
D1
D2
D3
D4
D5

D6
D7
INTR1
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
VCC5V
VCC5V
VCC5V
GND
GND
GND
GND
GND
GND
GND
INTR0
INTR1
A
B
C
AS2
VCC5V
GND
GND

E0
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E9
E10
E11
E12
E13
E14
E15
E0
E1
E2
E3
E4
E5
E6
E7
E8
E9
E10
E11
E12
E13

E14
E15
VCC12V
VCC12V
VCC5V
INTR0
XTAL1
XTAL2
WR
WR
M17
RES1
M2
RES1
M20
RES1
M21
RES1
M28
RES1
M1
M22
CAP
M27
CAP
M26
CAP
VCC5V
VCC5V
GND

GND
LED
RST
ANLIN
VREF/2
GND
VREF/2
VCC5V
ANLIN
ANLIN
M18
CAP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
M24
TD0
TD1
TD2
TD3
TD4
TD5
TD6

TD7
GND
INTR0
LED
M6 M7M5
CAP
M8
VCC5V
GND
1
2
3
M3
CON3
M9
VCC12V
1
2
3
4
5
6
M16
CON6
CSUP1
CSUP2
CSUP3
1
2
3

4
5
6
7
8
9
M25
CS
1
RD
2
WR
3
CLKIN
4
INTR
5
+IN
6
- IN
7
AGND
8
VREF/2
9
GND
10
D7
11
D6

12
D5
13
D4
14
D3
15
D2
16
D1
17
D0
18
CLKR
19
VCC/VREF
20
M23
ADCO804
X4
1
X6
2
X
3
X7
4
X5
5
EN

6
VEE
7
GND
8
C
9
B
10
A
11
X3
12
X0
13
X1
14
X2
15
VDD
16
M11
X4
1
X6
2
X
3
X7
4

X5
5
EN
6
VEE
7
GND
8
C
9
B
10
A
11
X3
12
X0
13
X1
14
X2
15
VDD
16
M12
M33
RES1
M34
NPN
M37

RES1
M38
NPN
M41
RES1
M42
NPN
M29
RES1
CSUP1 CSUP2 CSUP3
M4
DIODEVCC5V
VCC5V
RXD
TXD
M31
RES1
M32
RES1
M35
RES1
M36
RES1
M39
RES1
M40
RES1
VCC5V
CE0
1

CE1
2
CE2
3
SDA
5
SCL
6
WC
7
VCC
8
GND
4
M30
ST24E64B6(8)
VCC5V
P34
P37
P34
P37
Trang bÞ ®iÖn - ®iÖn tö 12 ®hgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
I.2.b: Mạch chuyển đổi tơng tự số
(Analog Digital Converter ADC)
I.2.b.1:Tìm hiều chung về Mạch chuyển đổi tơng tự sang số
Nguyên tắc làm việc của ADC
Trớc hết tín hiệu tơng tự đợc đa đến một mạch lấy mẫu, mạch này có hai
nhiệm vụ :

- lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều
nhau( rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian)
- giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong
quá trình chuyển đổi tiếp theo (nghĩa là trong quá trình lợng tử hoá và
mã hoá).
Trang bị điện - điện tử 13 đhgtvt-k42
Mạch lấy
mẫu
ADC
L~ợng tử
hoá
Mã hoá
U
M
U
A
U
D
Hình 2.4:Sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của ADC
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Tín hiệu ra mạch lấy mẫu đợc đa đến mạch lợng tử hoá để thực hiện làm
tròn với độ chính xác Q/2 . Mạch lợng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc hoá tín
hiệu tơng tự về mặt biên độ. Nh vậy nhờ quá trình lợng tử hoá một tín hiệu t-
ơng tự bất kỳ đợc biểu diễn bởi một số nguyên lần mức lợng tử, nghĩa là:

Q
X
Q
X

Q
X
Z
AiAiAi
Di

== int
trong đó : X
Ai
tín hiệu tơng tự ở thời điểm i;
Z
Di
tín hiệu số ở thời điểm i;
Q mức lợng tử;
X
Ai
số d trong phép chia lợng tử hoá;
int(integer) phần nguyên
Trang bị điện - điện tử 14 đhgtvt-k42
U
M
U
A
t
0
t
1
t
2
t

3
t
4
t
5
t
6
t
7

Hình 2.5: Đồ thị điện áp vào và điện áp ra mạchlấy mẫu
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
trong phép chia theo biểu thức chỉ lấy phần nguyên của kết quả, phần d còn
lại( không chia hết cho Q) chính là sai số lợng tử hoá. Vậy quá trình lợng tử
hoá thực chất là quá trình làm tròn số. Lợng tử hoá đợc thực hiện theo
nguyên tắc so sánh. Tín hiệu cần chuyển đổi đợc so sánh với một loạt các
đơn vị chuẩn Q.
Sau mạch lợng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, kết quả lợng
tử hoá đợc sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào lại mã yêu
cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi.
Trong nhiều loại ADC, quá trình lợng tử hoá và mã hoá xẩy ra đồng thời,
lúc đó không thể tách rời hai quá trình đó.
Phép lợng tử hoá và phép mã hóa đợc gọi chung là phép biến đổi AD.
Các ph ơng pháp chuyển đổi t ơng tự số
Có nhiều cách phân loại ADC. Cách phân loại hay dùng hơn cả là phân
loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian. Nó cho phép phán đoán một
cách tổng quát tốc độ chuyển đổi. Theo cách phân loại này, ngời ta phân biệt
4 phơng pháp biến đổi AD sau đây:
- Biến đổi song song: trong phơng pháp biến đổi song song, tín hiệu đợc

so sánh cùng lúc với nhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả các bit đợc xác định
đồng thời và đa đến đầu ra.
- Biến đổi nối tiếp theo mã đếm: ở đây quá trình so sánh đợc thực hiện lần
lợt từng bớc theo quy luật của mã đếm. Kết quả chuyển đổi đợc xác định
bằng cách đếm số lợng giá trị chuẩn có thể chứa đợc trong giá trị tín hiệu t-
ơng tự cần chuyển đổi.
- Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân: quá trình so sánh đợc thực hiện lần
lợt từng bớc theo quy luật mã nhị phân, do đó các bit đợc xác định lần lợt từ
bit có nghĩa lớn nhất(MSB) đến bit có nghĩa nhỏ nhất(LSB).
- Biến đổi song song nối tiếp kết hợp: trong phơng pháp này, qua mỗi
bớc so sánh có thể xác định đợc tối thiểu là 2 bit đồng thời.
Trang bị điện - điện tử 15 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
hiệu chung về chuyển đổi tín hiệu tơng tụ sang số
I.2.b.2 Mô tả Sơ đồ chân của ADC0804
Chíp ADC 0804 là bộ chuyển đổi tơng tự số trong họ các loạt ADC 800 từ
hãng National Semiconductor. Nó cũng đợc nhiều hãng khác sản xuất, nó
làm việc với +5v và có độ phân giải là 8 bít. Ngoài độ phân giải thì thời gian
chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC.
Thời gian chuyển đổi đợc định nghĩa nh là thời gian mà bộ ADC cần để
chuyển một đầu vào tơng tự thành một số nhị phân. Trong ADC 0804 thời
gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ đợc cấp tới chân CLK
và CLK IN nhng không thể nhanh hơn 110às.
Các chân của ADC 0804 đợc mô tả nh sau:
1. Chân
CS
- chọn chíp:
Là một đầu vào tích cực mức thấp đợc sử dụng để kích hoạt chíp ADC
0804. Để truy cập ADC 0804 thì chân này phải ở mức thấp

2. Chân
RD
(đọc):
Đây là một tín hiệu đầu vào đợc tích cực mức thấp. Các bộ ADC
chuyển đổi đầu vào tơng tự thành số nhị phân tơng đơng với nó và giữ nó
trong một thanh ghi trong.
RD
đợc sử dụng để nhận dữ liệu đợc chuyển đổi ở
đầu ra của ADC 0804. Khi CS = 0 nếu một xung cao - xuống - thấp đợc áp
đến chân
RD
thì đầu ra số 8 bít đợc hiển diện ở các chân dữ liệu D0 - D7.
Chân
RD
cũng đợc coi nh cho phép đầu ra
3. Chân ghi
WR
(thực ra tên chính xác là START).
Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp đợc dùng để báo cho ADC
0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi
WR
tạo ra xung cao -
xuống - thấp thì bộ ADC 0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tơng tự V
in
về số nhị phân 8 bít. Lợng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ
Trang bị điện - điện tử 16 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
thuộc vào tần số đa đến chân CLK IN và CLK R. Khi việc chuyển đổi dữ liệu
đợc hoàn tất thì chân INTR đợc ép xuống thấp bởi ADC 0804

4. Chân CLK IN và CLK R.
Chân CLK IN là một chân đầu vào đợc nối tới một nguồn đồng hồ
ngoài khi đồng hồ ngoài đợc sử dụng để tạo ra thời gian. Tuy nhiên 0804
cũng có một máy tạo xung đồng hồ. Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trong
(cũng còn đợc gọi là máy tạo đồng hồ riêng) của 0804 thì các chân CLK IN
và CLK R đợc nối tới một tụ điện và một điện trở nh chỉ ra trên hình 12.5.
Trong trờng hợp này tần số đồng hồ đợc xác định bằng biểu thức:
RC1,1
1
f =
giá trị tiêu biểu của các đại lợng trên là R = 10k và C= 150pF và tần
số nhận đợc là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110às.
Hình 12.5: Kiểm tra ADC 0804 ở chế độ chạy tự do.
Trang bị điện - điện tử 17 đhgtvt-k42
ADC00
10k
Nomally
Open
START
D GND
CLK in
CLK R
A GND
Vref/2
Vin(+)
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
5. Chân ngắt
INTR
(ngắt hay gọi chính xác hơn là kết thúc

chuyển đổi).
Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp. Bình thờng nó ở trạng thái cao
và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ
liệu đợc chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi
INTR
xuống thấp, ta đặt CS =
0 và gửi một xung cao 0 xuống - thấp tới chân
RD
lấy dữ liệu ra của 0804.
6. Chân V
in
(+) và V
in
(-).
Đây là các đầu vào tơng tự vi sai mà V
in
= V
in
(+) - V
in
(-). Thông th-
ờng V
in
(-) đợc nối xuống đất và V
in
(+) đợc dùng nh đầu vào tơng tự đợc
chuyển đổi về dạng số.
7. Chân V
CC
.

Đây là chân nguồn nuối +5v, nó cũng đợc dùng nh điện áp tham chiếu
khi đầu vào V
ref/2
(chân 9) để hở.
8. Chân V
ref/2
.
Chân 9 là một điện áp đầu vào đợc dùng cho điện áp tham chiếu. Nếu
chân này hở (không đợc nối) thì điện áp đầu vào tơng tự cho ADC 0804 nằm
trong dải 0 đến +5v (giống nh chân V
CC
). Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà
đầu vào tơng tự áp đến V
in
cần phải khác ngoài dải 0 đến 5v. Chân V
ref/2
đ-
ợcdùng để thực thi các điện áp đầu vào khác ngoài dải 0 - 5v. Ví dụ, nếu dải
đầu vào tơng tự cần phải là 0 đến 4v thì V
ref/2
đợc nối với +2v.
Bảng 12.5 Biểu diễn dải điện áp V
in
đối với các đầu vào V
ref/2
khác
nhau.
V
ref
/ 2(V) V

in
(V) Step Size (mV)
Hở * 0 đến 5 5/256 = 19.53
2.0 0 đến 4 4/255 = 15.62
1.5 0 đến 3 3/256 = 11.71
1.28 0 đến 2.56 2.56/256 = 10
Trang bị điện - điện tử 18 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
1.0 0 đến 2 2/256 = 7.81
0.5 0 đến 1 1/256 = 3.90
Bảng 12.5: Điện áp V
ref/2
liên hệ với dải V
in
.
Ghi chú: - V
CC
= 5V
- * Khi V
ref
/2 hở thì đo đợc ở đó khoảng 2,5V
- Kích thớc bớc (độ phân dải) là sự thay đổi nhỏ nhất mà ADC có
thể phân biệt đợc.
9. Các chân dữ liệu D0 - D7.
Các chân dữ liệu D0 - D7 (D7 là bít cao nhất MSB và D0 là bít thấp
nhất LSB) là các chân đầu ra dữ liệu số. Đây là những chân đợc đệm ba trạng
thái và dữ liệu đợc chuyển đổi chỉ đợc truy cập khi chân CS = 0 và chân
RD
bị đa xuống thấp. Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau:

buocthuockich
V
D
in
out
=
Với D
out
là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân). V
in
là điện áp đầu vào t-
ơng tự và độ phân dải là sự thay đổi nhỏ nhất đợc tính nh là (2 ì V
ref
/2) chia
cho 256 đối với ADC 8 bít.
10: Chân đất t ơng tự và chân đất số.
Đây là những chân đầu vào cấp đất chung cho cả tín hiệu số và tơng
tự. Đất tơng tự đợc nối tới đất của chân V
in
tơng tự, còn đất số đợc nối tới đất
của chân V
cc
. Lý do mà ta phải có hai đất là để cách ly tín hiệu tơng tự V
in
từ
các điện áp ký sinh tạo ra việc chuyển mạch số đợc chính xác. Trong phần
trình bày của chúng ta thì các chân này đợc nối chung với một đất. Tuy
nhiên, trong thực tế thu đo dữ liệu các chân đất này đợc nối tách biệt.
I.2.b.3: Hoạt động của ADC 0804
Trang bị điện - điện tử 19 đhgtvt-k42

đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Từ những điều trên ta xuy ra các bớc cần phải thực hiện khi chuyển đổi
dữ liệu bởi ADC 0804 là:
a) Bật CS = 0 và gửi một xung thấp lên cao tới chân
WR
để bắt đầu chuyển
đổi.
b) Duy trì hiển thị chân
INTR
. Nếu
INTR
xuống thấp thì việc chuyển đổi đợc
hoàn tất và ta có thể sang bớc kế tiếp. Nếu
INTR
cao tiếp tục thăm dò cho
đến khi nó xuống thấp.
c) Sau khi chân
INTR
xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung cao - xuống
- thấp đến chân
RD
để lấy dữ liệu ra khỏi chíp ADC 0804.
Phân chia thời gian cho quá trình này đợc trình bày trên hình 12.6.
Hình 12.6: Phân chia thời gian đọc và ghi của ADC 0804
I.2.d : Bộ Vi xử lý
I.2.d.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển
Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một
chip có thể lập trình đợc, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống.
Theo các tậo lệnh của ngời lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc , lu giữ

Trang bị điện - điện tử 20 đhgtvt-k42
CS
D0 D7
Data out
Read it
End
conversion
Start
conversion
WR
INTR
RD
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào
đó.
Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển , điều
khiển hoạt động của ti vi, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò viba trong
hệ thống sản suất tự động, bộ vi điều khiển đợc sử dụng trong Robot, dây
chuyền tự động. Các hệ thống càng thông minh thì vai trò của hệ vi điều
khiển càng quan trọng.
I.2.d.2 Vi điều khiển 89C51
Mô tả chung
AT89c51 là một hệ vi tính đơn chíp CMOS có hiệu suất cao, công suất
nguồn tiêu thụ thấp và có 4 Kbyte bộ nhớ ROM Flash xoá đợc/ lập trình đợc.
chíp này đợc sản xuất dựa vào công nghệ bộ nhớ không mất nội dung có độ
tích hợp cao của Atmel.
Chip AT89C51 cũng tơng thích với tập lệnh và các chân ra của chuẩn
công nghiệp MCS-51. Flash trên chip này cho phép bộ nhớ chơng trình đợc
lập trình lại trên hệ thống hoặc bằng bộ lập trình bộ nhớ không mất nội dung

qui ớc. Bằng cách kết hợp một CPU linh hoạt 8 bit với Flash trên một chip
đơn thể, Atmel 89C51 là một hệ vi tính 8 bit đơn chip mạnh cho ta một giải
pháp có hiệu quả về chi phí và rất linh họat đối với các ứng dụng điều khiển.
AT89C51 có các đặc trng chuẩn sau:
4Kbyte Flash
128 byte RAM
4 port I/O 8 bit
Hai bộ định thời/đếm 16 bit
Một cấu trúc ngắt hai mức u tiên và 5 nguyên nhân ngắt
Một port nối tiếp song công.
Mạch dao động và tạo xung clock trên chip.
Trang bị điện - điện tử 21 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Ngoài ra, AT89C51 đợc thiết kế với logic tĩnh cho hoạt động có tần số
giảm xuống 0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm năng lợng đợc lựa chọn bằng
phần mềm.
Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ định
thời/đếm, port nối tiếp và hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động.
Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của RAM nhng không cho mạch dao
động cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hoá các hoạt động khác của chip
cho đến khi có reset cứng tiếp theo.
Phần chính của vi điều khiển 89c51 là bộ xử lý trung tâm(CPU- central
Processing Unit) bao gồm:
Thanh ghi tích luỹ A.
Thanh ghi tích luỹ phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia.
đơn vị logic học (ALU: Arithmec Logical Unit).
Từ trạng thái chơng trình (PSW: Program Status Word).
Bốn băng thanh ghi.
Con trỏ ngăn xếp.

Ngoài ra còn có bộ nhớ chơng trình, bộ giải mã lệch, bộ điều khiển thời
gian và logic.
Trang bị điện - điện tử 22 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
Đơn vị xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra còn
có khả năng đa một tín hiệu giữ nhịp ra bên ngoài.
Chơng trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt
ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ
đếm định thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp.
Hai bộ định thời 16 bit hoạt động nh một bộ đếm.
Các cổng (Port0, Port 1, Port2, Port3) sử dụng vào mục đích điều khiển.
Trang bị điện - điện tử 23 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
ở Port3 có thêm các đờng dẫn điều khiển dùng để trao đổi với bộ nhớ bên
ngoài hoặc để nối giao diện nối tiếp, cũng nh các đờng ngắt dẫn bên ngoài.
Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền
và bộ nhận không đồng bộ, làm việc độc lập
với nhau. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có
thể đặt trong giải rộng và đợc ấn định băng
một định thời.
Trong vi điều khiển có hai thành phần
quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh
ghi.
Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ
Rom dùng để lu trữ dữ liệu và mã lệnh.
Các thanh ghi sử dụng để lu trữ thông tin
trong quá trình xử lý. Khi CPU làm việc nó
làm thay đổi nội dung của các thanh ghi.

Chức năng các chân vi điều khiển
Vcc : chân cung cấp điện
GND: chân nối đất (0V)
Port 0:
- Port 0 là port xuất nhập 8 bit hai chiều cực D hở. Khi làm nhiệm vụ là
port xuất, mỗi chân của port có thể hút dòng của 8 ngõ vào TTL. Khi các
logic 1 đợc ghi vào các chân của port 0, các chân này có thể đợc sử dụng làm
các ngõ vào tổng trở cao.
Trang bị điện - điện tử 24 đhgtvt-k42
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh
::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::::::
- Port 0 còn đợc cấu hình làm bus địa chỉ (byte thấp) và bus dữ liệu đa
hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và bộ nhớ chơng trình ngoài.
trong chế độ đa hợp này, port 0 có các điện trở kéo lên bên trong.
- Port 0 cũng nhận các byte mã trong khi lập trình cho Flash và xuất các
byte mã trong khi kiểm tra chơng trình. Các điện trở kéo lên bên ngoài cần
đến trong khi kiểm tra chơng trình.
Port1:
- Port 1 là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong.
Các bộ đệm xuất của port 1 có thể hút và cấp dòng với 4 ngõ vào TTL. Khi
các logic 1 đợc ghi lên các chân của port 1, các chân này đợc kéo lên mức
cao bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể đợc sử dụng nh là các ngõ
vào. Khi làm nhiệm vụ port nhập, các chân của port 1 đang đợc kéo xuống
mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên
trong.
Port 2:
- Port 2 là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong.
Các bộ đệm xuất của port 2 có thể hút và cấp dòng với 4 ngõ vào TTL. Khi
các logic 1 đợc ghi lên các chân của port 2, các chân này đợc kéo lên mức
cao bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể đợc sử dụng nh là các ngõ

vào. Khi làm nhiệm vụ port nhập, các chân của port 2 đang đợc kéo xuống
mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên bên
trong.
- Port 2 tạo ra byte cao của bus địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh từ bộ
nhớ chơng trình ngoài và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử
dụng các địa chỉ 16 bit. Trong ứng dụng này, port 2 sử dụng các điện trở kéo
lên bên trong khi phát các bit 1. Trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu
ngoài sử dụng các bit địa chỉ 8 bit, port phát các nội dung của thanh ghi chức
năng đặc biệt P2.
Trang bị điện - điện tử 25 đhgtvt-k42