Xây dựng hệ thu thập số liệu phục vụ đào tạo và nghiên cứu đề tài NCKH QT 01 05 pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

XÂY DỤNG HỆ THU THẬP s ố LIỆU
PHỤC VỤ ĐÀO TẠO VÀ NGHIÊN c ứ u

MÃ SỐ:QT-01-05

C H Ủ T R Ì Đ Ể T À I : TS N G U Y Ẻ N ĐỨC V IN H
C Á C C Á N B Ộ T H A M GIA:

- ThS Nguyễn Hồng Quan
- CN Giang Kiên Trung

Đ A I HC
TRUNG TÁM

Ữ T/

G IA HA NC I
J

ỈM THƯ VIÊN

ĩ> 5 ~ ĩ

HÀ NỘI - 2005


2

1. Báo cáo tóm tắt.
a. T ê n đ ề tài: X â y d ự n g hệ thu thập s ố liệu
p h ụ c vụ giảng dậy và ng hiên cứu
( m ã số: Q T -0 1 -0 5 )

b. C hủ trì đề tài:T S N g u yễn Đức Vinh
c. C ác c á n bộ th a m gia: - ThS N s u y ễ n H ồ n s Q u a n g
- C N G iango K iên TrunơC.
d. M ụ c tiêu và nội d u n g nghiên cứu:
- X â y d ự ng hệ thu số liệu địa ch ấn d ự a trên c ard g h é p nối A D C
0 809.
- L ấ p s e n s ơ n h iệ t độ và hệ tự độnơ k iể m soát nhiệt độ
-

C h ế tạo m ộ t sen sơ đo rung độ ng

-

ỉ b á o cáo k h o a học tại hội n s h ị k h o a học T rường (xem phụ
lục)

e. Các kết q u ả đạ t được
* K ết q u ả n g h iê n cứu khoa học
X à y d ự n g đượ c sen sơ độ ru n s hệ thu thập số liệu đ ịa chấn phục
vụ đ à o tạo.
X ây d ự n g được h ệ tự đ ộ n s kiểm soát nhiệt độ
* K ết q u ả đào tạo
Có 0 4 k h o á luận tốt ng hiệp đã được b ảo vệ theo hư ớ n g củ a đề tài:
-

T h ử n g h iệ m thu th ập s ố liệu địa chấn
Sinh v iê n : L u n H ổ P hư ơ n s, K41 k h o a V ật lý

-

X â y d ự n g hệ thu th ậ p số liệu địa ch ấn b a n s A D C 8 bit
Sinh viên: P h ạ m V ã n Tân, K42 k h o a V ật lý

-

T h ử n s h i ệ m hệ thu thập số liệu b a n s bộ biến đổi tư ơ ng tự số
80 89
Sinh v iê n G ia n g K iê n Trunơ, K 43 k h o a V ật lý

-

X â y d ụ n g hệ đo lư ờ n s và điều k h iển tự đ ộ n s d ù n g m á y tính PC
Sinh viên: N s u v ễ n Q u a n s Vinh. K 43 k h o a Vật lý


3
f. T ìn h h ìn h k in h p h í c ủ a đề tài
K in h p h í đ ư ợ c cấp: 08 triệu đồng
2. B r i e f r e p o r t o f project:
a. Projec t title:
T h e c o n stru ctio n o f data acquisition fo r train in g and research.
b. P r o je c t c o o r d i n a t o r : Dr. Nguye n Due Vinh
c. C o - o p e r a t o r :

M sc. N g u y e n H o n s Q u a n s

Be. G ia n g K ien T r u n s

d. O b j e c t i v e a n d scien tif ic contents:
- C on stru ct a s e is m ic d a ta acquisition u s in s A D C 0 8 0 9 card.
- D esign a te m p e ra tu re sen so r and system for m o n ito rin g and controlling;
tem p erature.
- D esign and c o n stru c t a sen so r for vibrating m e a s u re m e n t.
e. Result:
* Sc ie nc e result:
- C on stru ct a s e ism ic d a ta a cqu isitio n for training.
- C o nstru ct a s y ste m fo r m o n ito rin g and c o n trolling tem p eratu re.
* T r a i n i n g result:
04

g ra d u a tio n s have b e e n d e fe n d e d follow ing the p ro je c t’s goal.


4

KHOA QUẢN LÝ
(Ký và gh i rõ họ tên)

C H Ủ TRÌ ĐỂ TÀI
(K v và ghi rõ h ọ tên)

\ / l 4 t Ắ% '
Ĩ^ T b ic V n ^c

C ơ QUAN CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI
ó Hiệu TRƯỚNG

P G S . Ĩ 5 . UỔK.-ĨỈ
j i w J ỢT..
jA tĩỷ Q
Ẵ v?a v b


Mục lục
*

•

trang
T ó m tát

2

M ớ đàu
C h ư ơ n g 1: Vài nét v ề bộ biến đổi tương tư s ò A D C 0 8 0 9

5

1.1 T ò n g q u a n v ề hệ thu n h ậ p sỏ liệu dựa trẽn cád g h é p nòi A D C 0 8 0 9 .

5

C h ư ơ n g 2: X ây d ự n g các hẻ dơ và điêu khién

15

2.1 Xáv d ự n g hệ đi êu khién nhiệt độ

15

2.2 \ a y d ự n g hẹ đ o r u n g d ọ n g (địa chan)

21

Kết luận


Mở đầu
N g à y n ay m á y tính cá nhân PC (P erson nal C o m p u te r) đã có mặt
trong h ầu hết các lĩnh vực. N ó thực sự là c ô n g cụ hữu ích tro n s h ọ c tập,
nghiên cứu. M á y tính c ò n có khả năn g kết nối với c á c thiết bị đo lư ờ n s và
điều k h iể n n ên việc ứng d ụ n g càn g được m ờ rộng.
C ác thiết bị đ o lư ờ ng gh ép nối với m á y tính c ho độ chính x á c cao,
thời gian th u th ậ p và x ử lý số liệu ng ắn và đặc biệt là k hả n ã n s tự đ ộ n g hoá
trong đo đạc, th u th ậ p và x ử ]ý kết quả đo. T u y n h iê n để có được các hề
thống đ o lườ ng và đ iề u k h iể n đạt tiêu ch uẩn, c h ấ t lư ợ na đòi hỏi n g u ồ n
kinh phí lớn m à k h ô n g phải lúc nào, ở đâu c ũ n g có được. N hiểu n ã m qua,
các c h u y ê n gia, c ác th ầy g iá o tại k h o a Vật lý đ ã tiến hà n h thử n g h iệ m

và

xây d ự n g n h iều hệ đ o lường n h ư đ ã nói ở trên đ ể p h ụ c vụ việc đào tạo và
nghiên cứu. Đ ề tài này là sự tiếp tục theo hướng nói trên.
M ụ c đ ích c ủ a đề tài này là xây đựng m ộ t s ố hệ đo lư ờ n s và điều
khiển tự đ ộ n g đ ơ n giản d ù n g m á y tính, trên c ơ sở vi m ạ c h A D C 0 8 0 9 làm
cơ sở/để sinh viên làm qu en , học tập và tiến h à n h các n g h iê n cứu tiếp theo.

Với m ụ c đích c h ín h là phụ c vụ đ ào tạo nên tất c ả các kh â u đều được các
cán bộ th a m gia tự th iết k ế x â y dựng: L ắp C ard A D C , c h ế tạo sen sơ nhiệt
độ. sen sơ r u n s , c ác bộ đ iề u khiển...
C h ú n g tôi đã rất c ố s ắ n g , m o n s m u ốn x â y d ụ n g m ộ t hệ thu thập sô'
liệu với tần số lấ y m ẫ u thật cao (cỡ nhiều M h z ) n h ư n g chưa thành c o n s ,
đây c ũ n g là lý d o về sự c h ậ m trễ trong việc kết th ú c đề tài.


5

Chương 1.
Vài nét về bộ biến

đ ổ i

tương tự số

ADC 0809
1.1 Tổng quan về hệ thu thập số liệu dựa trên card ghép nối ADC 0809.
1.1.1 T ìm hiểu về các giao tiếp giữa Máy tính và Thiết bị ngoại vi:
G h é p nố i m á y t í n h t r ê n S l o t m ở r ộ n g :
N hư ta đã biết, với một máy tính (MT) thì hầu hết nó chỉ được cuna cấp
các chức năng cần thiết tối thiểu. Để một PC hoàn thiện và thêm phong phú,
trong thực tế ta sẽ cắm thêm các card ghép nối với các tính n ăns mờ rộng.
Việc này sẽ được thực hiện qua các Slot mờ rộng hay còn gọi là cổna vào ra
I/O (InpuƯOutput).
Các giao diện Bus mở rộng:
Bus MT là những tổ hợp dây dẫn được dùng để truvền thône tin bên trong
máy. N h ữ n s th ôn s tin này bao gồm: dữ liệu, địa chỉ. mã lệnh và tín hiệu điều
khiển. Bộ vi xử lý có một hệ thống bus bên ngoài để kết nối với bộ nhớ chính

ta gọi là bus vi xử lý (hay bus cục bộ). Hệ tho ns bus khác trons MT là bus
vào/ra hay bus m ờ rộng, được dùng đê truvền dữ liệu eiừa bộ vi xử lý, bộ nhớ
chính và các card ghép nối ngoại vi. Trons khi bus cục bộ nsày càns tăna
nhanh thi bus m ở rộng vẫn khônă tăns đáns kể. Các hệ thônă bus đã và đana
được cài đặt trong M T cá nhân là: XT (Extended Technology), ISA (Industry
Standart

Assosiation),

Architecture),

VESA

EISA
(V ESA

(Extended
local

bus),

ISA),
PCI

M CA

(Micro

(Peripheral

Channel

Component

Interconect). Hiện nay còn một so loại 2 Ìao tiếp mới nữa như AGP. PCI
Express... nhưng chúng là những côns năhệ tương đối đẳt tiền và có thể nói
là không thể làm tại V iệt N am vào thời điêm này.
Do Card ghép nối của chúng tôi được đưa vào khe căm ISA trên máy vi
tính nên ta sẽ đi tìm hiểu kĩ hơn về nó. Bus ISA là m ột cấu trúc bus thành
công nhất, nó xuất hiện từ thời máy PC/A T của IBM . Nó là m ột bus 16 bit,
làm việc ở tần số 8 MHZ. Bus này có ưu điểm đơn giản, tuy tốc độ truvền
không cao. Bus ISA thích hợp cho các yêu cầu đơn giản, tốc độ vừa phai. 2 Ìá
thành rẻ.

5


6
K he cắm ISA có 98 đầu nối, được chia làm hai phần:
+ Phần khe cắm X T 62 đầu nối.
+ Phần m ở rộ n s 36 đầu nối.
Trong m áy PC/A T, khe cấm ISA được nối trực tiếp với bus hệ thốna. Neu
vi xử lý làm việc với tốc độ nhanh hơn Card ghép nối thì nó phải dùng chu kì
đợi để làm việc cùng Card ghép nối.
Slot chuẩn ISA 16 bit, chứa 62 tiếp điểm, hai mặt, trên maínboard có màu
đen. Thông qua 62 tiếp điểm này máy tính và thiết bị đo bên nsoài có thể liên
lạc được với nhau. Có thể chia 62 chân tín hiệu thành 3 nhóm:
•

N h óm các đường sổ liệu (data bus).

•

N hó m các đường địa chi (address bus).

•

N hóm các đường điều khiển (control bus).
Tất cả các tín hiệu đều có mức logic TTL, ngoại trừ các đ ư ờ n s nguồn và

đất để cung cấp cho m ạch ghép nối. Bốn mức có thể dùng trong c ổ ns cho
bởi bảng:
Bàng 1: Nguồn cấp điện của PC.
Dòng/cổng

N guồn

Max

Min

Dòns;

cỏ n g su ấ i

(Ã)

(V)

(V)

(V)

(A)

(W)

0.7

+ 5V

+ 5.25

+ 4.80

7.0

35.0

0.03

- 5V

- 5 .5 0

- 4 .6 0

0.3

1.5

0. 10

+ 12V

+ 12.6

+ 11.52

2.0

0 .1 0

0.05

- 12V

- 13.2

- 10.92

0.25

3.0

N hìn bảng 1 ta thấy:
•

Đối với nguồn +5V , thế cùa nó có thể thay đổi từ 4,8V - 5.25V và dòng

chạy qua Slot khoảng 0.7A.
•

Đổi với nguồn riêng +12V có thể thay đổi trong khoảng từ 11.52V -

12.6V và dòng chạy qua Slot 0.1A.
•

Với n s u ồ n -5V dòng của nó không quá 0.03A

•

Với nguồn - 12 V dòng của nỏ không quá 0.05A.


7
Tuy nhiên k h ô n g p h ả i tất cà các tín hiệu trên h ìn h đ ê u được dùng c h o
công việc ehép nối mà phụ thuộc chức năng của các interface đè sử dụng tín
hiệu cho phù hợp. Vì vậy ta chỉ cần quan tâm đến m ột số đường trong công.
1.1.2 Nghiên cứu chế tạo card ghép nối A D C (dùng A D C 8 bit 0809)
Trên cơ sờ nh ữ ns tìm hiểu về cách trao đổi dữ liệu siữa máv tính và thiết
bị ngoại vi, chúna tôi tiến hành xây dựn 2 một card ghép nối sừ dụns vi mạch
ADC 0809. được gắn trực tiếp vào khe ISA c ủ a MT.

Card ghép nối của

chúng tôi gồm các khối sau:
. U l: vi mạch A DC 0809, là bộ biến đổi tương tự, số
. U2A, U2B: vi mạch 74LS32
. Ư2: vi m ạch 74LS02, đọc và ghi

. U3, Ư4: vi mạch 74LS85, bộ eiải

mã địa chỉ

. Ư5: vi mạch LM358- tạo thế chuẩn
. U 6 : vi m ạch LM 378T
. U7: vi m ạch T L 4 3 1
. Ư 8 A, U9A: vi mạch 74LS14, tạo dao động cho vi mạch A D C0809 (xuns
clock)
Sơ đồ m ạch nguyên lv cùa card shép nối với IC chính là ADC 0809 được
trình bầv trên ở phần phụ lục.
Dưới đây là S ơ đồ khối c ủ a vi m ạ ch A D C 0 8 0 9 (h ìn h 1.1).
Vi mạch A D C 08 0 9 là phần tử cơ bản cùa card ehép nổi, nó được chế tạo
trên c ô n s n s h ệ C M O S là một bộ biến đôi tư ơ n s-số 8 bit có 8 kênh tươ ns tự
lối vào và tư ơ n a thích với tất cả các bộ vi xử lý.
Vi mạch 0809 sử dụnă phư ơ n s pháp biến đổi xấp xi liên tiếp.
A DC 0809 quy định về quvền sử dụns các lối ra
vào điều khiên đê đọc và shi đối với

dữ liệu s o n s so n 2 và các lối

mồi kênh. Qua m ột lối vào điều

khiển

chuyển đồi tín hiệu A n a lo s sang 8 bit dữ liệu Disital.

7

8
S TART

uocx

H ì n h 1.1: S ơ đồ khối của vi m ạ c h A D C 0 8 0 9

Với 8 kênh vào làm việc hoàn toàn độc lập với nhau đê lựa chọn. Khi dó việc
lựa chọn tuân theo quv định sắp xếp như bảng dưới:
Bàng 2: Bảng losic chọn chân lối
vào

Hình 1.2 : Sơ đồ chân cùa vi mạch ADC
0809
Dual-ln-Line Package

SELECTED
ANALOG

ADDRESS LINE

c

6

IH 3 — 1

A

IH 4 —

INS — 3

CHANNEL
INO
INI
IN2

L
L
L

2

L
L
H

L
H

ỈN3

I

H

H

IN4

H

L

L

IN5

H

L

H

INÕ

H

H

L

IN7

H

H

H

2 6

— riù

IH6 —

4

75 — ADO ầ

IN7 —

5

24 — ADD e

START — 6

eoc — 7
I

2S — N 2
2~r — N 1

2 '5-

a

ouTPur e n a b l e — 9

CLOCK — 10
V c c - 11

2$ —
2 2

ADD

c

— ALE

21 — 2“ 1biSB
20 — 2 ~ 2
I? — 7" 3
•>"■*

13

mmm

— ; - s LS8

12

17

Cn D—

1J

T

1 i

16 ~ v R [r •
» 5 --- ■?” 6

1 —

4 ISi •

.->11

Order N u m b er A D C 0 8 0 8 C C N or A D C 0 8 0 9 C C N
See N S P a ck a g e J2 8 A or N28A

8


9
Tín hiệu giừ nhịp dùng cho bộ biến đổi cần phải được tạo ra ở bên ngoài
đưa vào chân C LO C K . Điện áp so sánh được đưa đến chân v ref, Chân điện
trờ vào cỡ 2 .5 K Q . Tám chân lối vào analog được dẫn đến các chân
I N O - I N 7 (xem hình). M ầu bit ờ các lối vào địa chỉ A. B, c sẽ xác định kênh
được chọn và tuân theo bảng trên.
1.1.2.1 Nguyên tắc làm việc của ADC 0809 n h ư sau:
M ột XUH2 dương của chân START kích hoạt sự biến đổi. Trước đó mầu
bit các lối vào địa chì A, B, c cũng đồns thời được chốt và xác định kênh cân
biến đổi. Trong quá trinh biến đổi chân ra EOC đứna ở mức LOW. sau cỡ

ÌOO^S mức này chuyển sang High và báo hiệu sự kết thúc quá trình biên đôi.
Ket quả biến đổi sẽ được lưu giữ trons bộ đệm 3 trạng thái lối ra của vi mạch
Khi OE = 1 thì kết quả từ bộ đệm được đưa ra các đường dẫn dữ liệu DC...D7.

CLOCK

ỉ tA A T

Q--ws—— S T A B lĩ ẤOÍHESS

ụ

AOORESS

's

/UlALOG
!1fƯ T

■ ■■-

-

Y
Ẵ

T

s r M “

----------------------------------------------------------------------------------- —

X

ỉ
j

LSB
COMPARATOR
-:*N ALNO O £Ỉ

X
■! d

X
—

j

OUTPUT

/

\

CN AH E

-------------- .

“ 7

OUTPUTS -

;SG2â672-4
FIGURE 5.

Hình 1.3: Giản đồ thời sian sự hoạt độns biến đổi cùa ADC 0809

1 . 1 . 2 . 2 M ô tả h o ạ t đ ộ n g c ủ a c a r d g h é p n ố i :

9


10
V ùng địa chỉ dành cho card m ở rộng cam trên slot là: $300 * S307. Vì
ADC 0809 có 8 lối vào nên địa chỉ cùa các kênh vào chúng tôi chọn từ S300
-T $307 tương ứng trên bus địa chỉ (có thể thay đổi bàng Switch).
Nhìn vào sơ đồ nguyên lý (hình 1) ta thấy: Khi các địa chỉ từ S30Ũ -ỉ- 307
được đưa ra bus địa chỉ và nếu tín hiệu ALE ở mức thâp (chu trình địa chì
cổng vào ra m ờ rộng) thì lối vào Start, ALE cùa bộ biến đổi tư ơ n s tự số ADC
0809 có mức tích cực. Tác động này vào có ý nghĩa chọn công tương tự và
biến đổi, vừa tạo ra tín hiệu Start cho ADC. Quá trình được thực hiện bans
lệnh Write: port[địa_chỉ_cổng] : = 0. Khi đó kênh vào có địa chi tươnơ ứng
được mở. Ví dụ: port[$300]: = 0, thì lối vào IN0 được mở.
Đe m ờ cổng đệm 3 trạng thái lối ra cùa vi m ạch ADC 0809 và đưa số liệu
ra bus số liệu thi chân EN A B LE của vi mạch A Đ C 0809 (n chân số 9) phải ờ
mức tích cực cao. Quá trình này cũng được thực hiện bằn® lệnh đọc (Read).
k:=port[$300]
ở đây ta khônơ cần đọc tín hiệu EOC vì 0809 chắc chắn sẽ convert xona
sau IOOịìs .

A9

A8

A7

A6

A5

A4

A3

A2

AI

A0

S300

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

$301

1

1

0

0

0

1

0

0

0

1

$302

1

1

0

0

0

1

0

0

1

0

$303

1

1

0

0

0

1

0

0

1

1

$304

1

1

0

0

0

1

0

1

0

0

$305

1

1

0

0

0

1

0

1

0

1

$306

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

$307

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1 Address

B ảne 3: Địa chi BUS của các cổ ns chức năng với card ehép nối.

T ó m lại toàn bộ quá trình hoạt độ n s của card ahép nôi 2 ồm các bước sau:
+ Chọn kênh lối vào (đưa địa chi côna tư ơ n 2 ứ n s lẻn bus địa chì và tạo


11
ra tín hiệu A LE ), và tạo tín hiệu Start được thực hiện bàng lệnh write:
port [i]:= 0
+ Trễ 100 fis
+ T ạo tín hiệu Start bàng cách giải mã lệnh Read: i:= port[S300]

+ Đọc trạna thái EOC bans cách giải mã lệnh Read: i:=porte[$300J
+ Tạo tín hiệu EN A B LE để nhận số liệu bàng cách aiài mã lệnh Read:
k :=port[$300],

ỉ . 1 . 2 . 3 K h ả o s á t đ ộ t u y ế n t í n h c ủ a c a r d g h é p nối:
Độ phi tuyến tích phân nhỏ là một đặc trưng cơ bản khi thiết kế và sử
dụng card A D C 0 8 09 trong mọi lĩnh vực. Độ phi tuyến tích phân làm giảm độ
chính xác của phép đo đại lượng điện, v ấ n đề đạt tới tuyến tính cao là yêu
cầu chung cho thiết bị và thu nhập được số liệu vào ra cùa thiết bị naoại vi.
Theo lý thuyết độ phi tuyến tính của A D C0809 là ± 1/2 LSB tức là vào
khoảnơ ± 0 .1 9 % FS (catalog của ADC0809). Tuy nhiên trong thực tế siá trị
này rất khó, nó còn phụ thuộc vào chất lượne sàn phẩm cùa các linh kiện, (do
chúng tôi nhập vào vì không có điều kiện kiểm nahiệm ) cho nên có độ lệch
sai sổ.
C hính vì vậy để khảo sát độ trung thực cùa card ghép nối này chúng tôi đã
tiến hành khảo sát độ tuyến tính của A D C0809 tro n s điều kiện mà phòng thí
nghiệm cho phép đe có nhừ n s đánh siá sơ bộ. Trong phép đo chúng tôi để hệ
số khuyếch đại đệm lối vào k = 1, dải thế lối vào là 0-5V, số chi vị trí kênh
(0-255) được chì thị trên m áy PC.
* N hận xét:
Hàm tư ơ n a quan lý thuyết có dạng:Y = 0,0511 * X - 0.1122
(Với hệ số t ư ơ n ơ quan R = 0.997)
Ta tính được sai số vào khoảng 0.22% FS tức là k h oảns ±0.56 LSB. N hư
vậy độ tuyến tính của A D C là tốt, nó đảm bảo được yêu cẩu của phép đo.
1. 1. 3 K h ả o s á t s ự p h ó n g n ạ p c ủ a tụ đ i ệ n t r o n g m ạ c h R - C :
1.1.3.1 K h ả o sát th e o lý th uyết:

1i

12
Ở trên ta đã khảo sát đặc trưng tuyến tính của A D C 0809. Đe khảng định
độ tin cậy củ a card n ày m ột lần nữa ta đi khảo sát card qua sự phóng nạp của
một tụ điện:
C húng tôi vẽ đường cong phóng nạp theo 2 hàm:
Hàm nạp:

u= u 0 *exp(-t/RC)
Hàm phóng:
u = U o*(l-exp(-t/R C ))
Với chi số cùa các linh kiện trong sơ đồ:
RI = R 2 = 2000Q

c = 1000 (aF
Ư = 4 .5 V
K: công tắc chuyển mạch.
Khi K ở vị trí 1 ta thu

được số liệu cho quá trình nạp.

Khi K ở vị trí 2 ta thu

được số liệu cho quá trinh phóng cùa tụ

điện,

Vậy chúng ta có thể vẽ được đồ thị phóns nạp của tụ trong mạch R-C theo t
thuyết như sau:
250

200

150

100

50

0
0

................ .................
100

200

300

400

500

600

700

12


13

H ình 1.4: M ô tả quá trình phóng và nạp cùa tụ điện theo lý thuyết

1.1.3.2 T h ự c ngh iệm :
Ở đây chứns tôi sử dụng kênh 0: Port[$300] của card mờ rộng và được
nối vào hệ đo theo hình 6

(1)

(2 )
0-----

■
L
-

C I

C hần 1
c ủ a card
g h é p nôi

— > PC

ị--------- ------- c

Hình 1.5: Cách mắc sơ đồ mạch R-C

Trong sơ đồ này chúng tôi cũns dùns các thôna số nhu trên: U 0= 4.08V,
R= 20K, c= 10' 6F. Khi khóa K bật sang vị trí 1 chúnơ ta thu được số liệu cho
quá trình nạp. Khi khóa K chuyển sanơ vị trí 2 ta thu được số liệu írna với

quá trình p h ó n s của tụ điện, các số liệu nàv được lưu trữ thành các file
slptu.dat và slntu.dat. D ùng các file nàv vẽ ta được:
So sánh hai đường thực nghiệm (hình 7) và lv thuvết (hình 5) ta thấy rằns,
hai đườna thực nshiệm và lý thuyết có dạng gần siống nhau. so n 2 đườna
thực nahiệm có nhiều nhiễu và đinh cùa nó bị tù.
N h ậ n xét: thông qua việc đo đạc nhiều lần quá trình p h ó n s nạp cùa tụ
trons mạch R-C chúng tôi nhận thấy:
+ Độ trung thực của đường thực nơhiệm còn chưa cao. ở đây có thể do
hai nguyên nhân: về cách tiến hành phép đo chưa tốt, về chất lượng của các
linh kiện trong m ạch k h ô n s đảm bảo.
+ Tuy nhiên đồ thị có sự phù hợp về dáng điệu với đường lý thuyết.
+ Hệ đo đã hoạt đ ộ n s tốt, có thê đàm bảo vêu cẩu đặt ra của bài toán.

13


14
300.00 —

J
/
/
/

200.00

/

1

\
•

\

\

I,
100.00

\
\u

I.

0.00
0.00

2000.00

4Ũ0Ũ.00

6000.00

8000.00

Hình 1.6: Đồ thị với số liệu thực nshiệm của quá trình phóng nạp tụ.
1.1.4 Nhận xét về Card ADC:
Q ua quá trình chế tạo cũng như thực hiện một số thí nghiệm với card trẽn
chúng tôi có m ột số đánh giá về nó như sau:

- v ề ưu điểm:
+ Nó có thiết kế tương đối đơn giản, thuận tiện tro n s việc tháo lắp để sửa
chữa khi bị hỏng.
+ Các số liệu thực nghiệm thu được trên nó là có thể chấp nhận được.
- v ề nhược điểm:
+ C ard có độ phân giải thấp (8 bit), tốc độ lấy m ẫu không cao (IOOịìs) do
đó khi kết hợp với m áy tính đo đạc và vẽ đồng thời ta gặp phải sự nhiễu siữa
một số kênh.
+

Card là p hù hợp với các ứng dụ ns k h ô n s cần tốc độ chính xác cao

không yêu cầu có thời gian lấy mẫu nhanh.


15

Chương 2:
Xây dựng các hệ đo và điều khiển

Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày về việc xây d ự n s hệ điều khiên
nhiệt độ tự động (ví dụ điều khiển nhiệt độ phòng lên men thực phâm). xây
dựng hệ đo độ ru n s 2 hép nối với máy tính.
2.1 Xâv dựng hệ điều khiển nhiệt độ
a. sensor nhiệt
Có thể đo nhiệt độ bans cách sử dụns linh kiện nhạy cảm là điôt hoặc
tranzitor mac theo kiểu điốt (nối B với C) phân cực thuận với I kh ôn s đôi.
Điện áp siừa hai cực sẽ là hàm của nhiệt độ. Độ nhạy nhiệt của điốt hoặc cùa
tranzitor mac theo kiểu điốt xác định bời biểu thức:
dV

S= ^-

( 2 . 1)

CỈT

Giá trị cùa độ nhạy nhiệt cỡ -2,5mY ° c . Ngoài ra, cũng s io n a như điện
áp V, độ nhạy nhiệt có thẻ phụ thuộc vào dòng ngược lo. Dòng này có thẻ
thay đổi rất khác nhau đối với các linh kiện khác nhau, do vậy nên chọn các
linh kiện có các đặc trưne tương tự (đối với một giá trị dòng cho trước phài có
cùns điện áp V và dòng lo cũng như nhau).
Đê tăng độ tuyển tính và khả năns thay thế, người ta thường mac theo
sơ đỏ dùne một cặp tranzitor đấu theo kiêu điốt m ắc đối nhau với hai dòng I|
và li kh ôn s đổi chạy qua và đo hiệu điện the B-E. B ằng cách này sẽ loại trừ
được ảnh hường của dòng ngược I0. Giả sử lo giống nhau cho cả hai tranzitor
và dòng điện chạy qua các tranzito là li = I 0 ex p(qV |/K T ) và I 2 = lo
exp(qV 2/KT), đ iệ n thế B-E tương ứng là V| và v 2. Khi đó, độ nhạy nhiệt
trong trườn® hợp này được tính theo biểu thức:

s= w ± lĩã

( 2 .2 )

v t= — ln(ÌL) (2.3)
9
/0
v 2= — l n ( - ) ( 2 . 4 )
<7
L

Việc đo hiệu điện thế V] - V ị cho phép lọai trừ ảnh hườnơ dòng ngược I0:
Vd = V, - V2= K T qln(I,/I2)


Đ ộ nhạy nh iệt có dạng:

s = dV d/dT = K/qIn(I|/I2)
hoặc tính bàng số:

Độ nhạv nhiệt này lớn hơn nhiều so với trườne họp dùng cặp nhiệt nhưna
nhỏ hơn so với trường hợp nhiệt điện trờ. Đặc biệt là ở đây không cần nhiệt
độ chuẩn.
Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế do sự thay đổi tính chất điện của cảm
biến ở các nhiệt độ eiới hạn và nằm trons khoảng T = -50°c đến 150°c.
Trong khoảng nhiệt độ này cảm biến có độ ôn định cao.
Trong công trình này chúng tôi dùng tranzitor mắc theo kiểu điốt (nối B với
C) phán cực thuận với I không đổi. Điện áp siữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt độ.
Tranzitor mắc theo kiểu điốt phân cực thuận
M uốn đi vào nghiên cứu máy đo nhiệt độ thì chúng tôi sơ lược qua
nguyên tắc cấu tạo của Điổt IN4007 như sau:
Người ta chọn lớp chuvển tiếp (p-n) phân cực thuận, khi một lớp chuyển
tiếp p-n phân cực thuận thì nó có biểu thức sau:

Trong đó:
( 2 .6 )

ờ nhiệt độ phòng:

J : là mật độ dòng chuyên tiêp
J 0 : là dòng bão hoà tại nhiệt độ To (273"K)

17

K : là hằng sổ boltzman.
e : là điện tích nguyên tố
Eg: độ rộng vùng cấm là không đổi trong dải nhiệt độ không đổi
T : Nhiệt độ lóp chinh lưu
Từ cône thức (2.5) và (2.6) lấy los hai vế ta có :

J _ Eg - e u

Eg

In — =

KT

II = -

J..

KT.

(2.7)

KT

Nhìn vào công thức (2.8) ta thấy nỏ có dạng phương trình bậc nhất sau:

u = A.T+B

(2.9)

Trong đó :
I —
l + “I I - A = - In
KT.

B = ^Es-

( 2 . 10 )

(2 . 11 )

e

Vậy chúna ta có thể kết luận được rằr >2 trên nguyên tắc này quan hệ u . T có
quv luật tuyến tín h ... N ếu các thiết bị mà không tốt hav không đảm bảo chất
lượnơ tốt thì sự tuyến tính kém đi, nhưns ta chọn điốt có thể không được chất
lượns cao thì chúng ta phải x ử ỉý nó bằm; phươns; pháp tuyến tính hóa. tất
nhiên nó không phải loại kém chất lượns quá thì mới có thể sử dụ n e được.
b. Hệ điều khiển nhiệt độ

Đo nhiệt độ
Đê tiên hành phép đo chúng tôi xâv dựnơ sơ đồ khối như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ

Đ A I H Ọ C Q*. - r

g ia

ha

Nỏ.

TRUNG TÂM T H Ô N G ■ /' THƯ VIỆN

Dĩ

/

5 5 7


18

Sau khi đã lắp ráp phần cứng và xây dựng chương trình phần m ềm hoàn
chỉnh. C húng tôi kiểm tra toàn bộ hệ thống bàng cách nhấn chìm đầu đo của
sensor nhiệt độ trong môi trường có nhiệt độ thay đổi (môi trường đo-nước
nóng để nguội dần) và cho chạy phần mềm thu thập số liệu. Để kiểm tra kết
quả chúng tôi quan sát thêm một hệ số đáng tin cậy khác là nhiệt kế thuỷ n 2 ân
(cùng đặt trona môi trường đang khảo sát).

Hình 2.2: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ
Phép đo được ch ú n s tôi tiến hành nhiều lần đê loại trừ sai số. Khi đã có
số liệu thực nahiệm . chúng tôi xây dựng phần mềm xử lý số liệu. Q ua chương
trinh xử lý này, nó biến chỉ số nhận được bẳnơ tín hiệu điện nhờ cảm biến và
được chuẩn hoá thành nhiệt độ. Từ đó ta két ỉuận được rằng quá trình khảo sát

trên trùng với cơ sở lý thuvết chế tạo sensor, cũne là sự tuyến tính tốt của
A D C 0809 8 bit mà chúng tôi đang sử dụng.
Số liệu về sự thay đỏi the của đầu đo theo nhiệt độ được lưu trữ trona tệp
số liệu *.dat. T ừ số liệu thu được ta vẽ sự thay đổi này và cho hàm làm khớp
tuyển tính: y = 2.2ÓX+14.21 với hệ số tương quan R = 0.999326. T ừ hàm
tuyển tính này ta có thể dùng kênh 1 làm kênh đo nhiệt độ (thay cho nhiệt kế):
Suy ra nhiệt độ dựa vào sự thay đổi thế trên đầu đo.
N h ư vậy, sau khi chuân hoá xong kênh đo nhiệt độ. Ta có thể sử dụno
kênh này như m ột tham số cho quá trinh điều khiển tự độns.


19

Tự động điều khiển
Với mục đích ban đầu đã đề ra là tạo hệ điều khiển tự động sử dụng máy
tính, chúng tôi sử dụng hệ thống đã được xây d ự n s ở trên mà cụ thể là mạch
senror nhiệt. C h ú n a tôi thiết kế thêm một mạch sao cho: khi sensor nhiệt chi
một nhiệt độ lớn hơn một giá trị đã định thì nó sẽ đóng một côna tac (ở dây
là công tắc của m ột quạt), và khi nhiệt độ của sensor là nhỏ hơn một giá trị
đã định nó sẽ đ ón g m ột công tắc khác (ờ đây là côns; tắc cùa một bếp điện).
Sơ đồ mạch đượ c trình bày nh ư hình dưới:
Cụ thể về ở đây sơ đồ vi mạch điều khiển được xây d ự n s như sau:

Hình 2-3: Sơ đồ khối hệ đo lường và điều khiển tự động.

Mạch điều khiển các thiết bị nơoại vi shép nối với máy tính được trinh
bàv ở hình 2.4 n h ư sau:


20

Hình 2.4: Sơ đồ mach
điều khiển thiết bis ngoai
vi.
•
o *
Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển:
Các thiết bị ngoại vi được điều khiển qua cổng máy in. Khi một xung
dương được truyền ra co n s máy in (cụ thê ở đây là đ ư ờ n s D |) thi Rơle số 1
được đóng và thiết bị ngoại vi được bật. Ngược lại khi một x u n s âm được
truyền ra c o n s máy in (cụ thê ờ đây là đườns Do thì Rơle được nsất và thiết
bị nơoại vi được tắt. Các thiết bị ngoại vi khác ghép nổi với m áy tính cũna
được điều khiển tươ ng tự như trên.
Neu nhiệt độ vượ t quá khuna quy định nó sẽ được chươnơ trình trên máy
tính phát hiện ra v à xử lý. Cụ thể ở đây là máy tính phát ra một tín hiệu điều
khiển qua côna máv in, tín hiệu này được đưa tới sơ đô điẻu khiên dưới đâv.
Qua sơ đồ này hai công tác n s u ồ n của chngs tôi được điều khiển bật tất.
M ột trono n h ữ n g ứng dụng của sơ đồ này trong thực tế là ta có thể điều
khiển được nhiệt độ ph ò n g theo ý muốn. Nhiệt độ p hòng sẽ được k h ố n s chế
trong một vùng nhất định theo tuỳ chọn của người sử dụng nó.


21

2.2.Xây dựng hệ đo rung động (địa chấn)
a. Chế tạo sen sơ rung
* C ấu tạo:
H ệ g ồ m có: hệ trục m ộ t đ ầ u đư ợ c gẳn cổ định v à n â n g bới m ộ t lò xo, đầu
kia có gắn m ộ t v ậ t n ặ n g là m ộ t th anh ferit dị h ư ớ n g từ. H ệ trục này chi dao đ ộ n s
trên m ặ t p h ẳ n g th ẳ n g đứng. P h ía b ê n trẽn cục ferit là m ộ t cu ộn d â y đ ồ n a , cu ộn

d ây có tác d ụ n g tạ o ra d ò n g đ iệ n c ảm ứ n g khi có từ th ô n g biến th iên q u a v ò n 2
dây. N g o à i ra h ệ c ò n có m ộ t m ạ c h k hu y ếch đại tín h iệ u ra b ên ngoài.
+ S ơ đồ n g u y ê n lý: S ơ đ ồ n g u y ê n lý của m ạ c h đ ư ợ c trình b à y ở hình p h à n
phụ lục.
+ Một số thông số kỳ thuật:
- N a m c h â m đ ư ợ c sử d ụ n g tro n g hệ là loại dị h ư ớ n g từ, có c ư ờ n g độ tư
trư ờ ng bề m ặ t là k h o ả n g lOOOGauss. K ích thước: c h iều cao là 0 .4 cm , đ ư ờ n g
kính 1.5cm.
- C u ộ n d ây : b à n g đồng, số v ò n g là 200, tiết d iện d ây là 0 .0 6 m m .
- T ần số d a o đ ộ n g riêng c ủ a n a m châm g ắn với q u ả n ặ n g là < 1Hz (tần số
c ộ n g h ư ở n s c ủ a hệ là < 1 H Z ).
* N g u v ê n lý h o ạ t độn g:
T a có m ộ t v ậ t n ặ n g đượ c g ắ n với n am c h âm , sau đó g a n c h ú n g lên m ộ t đầu
trục. Đ ầ u còn lại g ắ n cố định v à treo b a n s m ộ t lò xo. Ở đâv lò x o chỉ dao đ ộ n s
theo m ộ t p h ư ơ n g (p h ư ơ n g th ẳ n g đứng). Do đ ó n ó chỉ đ o đ ư ợ c n h ữ n g ra n g đ ộ n g
theo p h ư ơ n g lên x u ố n g , còn n h ữ n g dao đ ộ n g th e o p h ư ơ n g v u ô n g góc thì k h ô n g
gây tác d ụ n g v ớ i hệ. C u ộ n d ây để ghi nhận d ò n g c ả m ứ n g c ủ a hệ đượ c gắn cố
định với vỏ, v à b ổ trí n g a y trên th a n h n a m châm . D o n a m c h â m là có khối lượ ng,
n ên khi có d ao đ ộ n e b ê n n 2 0 ài n ó sê runơ th e o q u á n tín h (hệ trục đ ư ợ c a ẳn trên
m ộ t lò xo), ơ đ â y ta sẽ có m ộ t c h u y ê n đ ộ n g tư ơ n g đối c ủ a n a m c h â m với c u ộ n
dây, do có sự b iế n th iê n từ th ô n g n ê n trong c u ộ n d â y sẽ p h á t sinh ra m ộ t d ò n g
điện cảm ứng. T h e o y êu c ầu c ủ a p h é p đo ta c h ọ n n a m c h â m c ủ a hệ sao cho nó có
tần số d a o đ ộ n g r iê n e là < l H z , v ậ y tần số c ộ n g h ư ở n g c ủ a nó sê < l H z . V ậ y khi
đo hệ sẽ loại tr ừ đ ư ợ c các tẩn số < 1Hz, điều n à y rấ t có n g h ĩa vì c h ú n g ta đ ều
b iết các tàn so tr o n g p h é p đo địa c h ấn là > 1Hz. D o đó nó n à m tr o n a dải cho
p h é p lẩy số liệu c h ín h xác của hệ. Khi tiến h à n h ta sẽ đ ặ t h ộ p sao c ho khi bề m ặt


22
tiếp x úc với h ộ p d a o đ ộ n g thì n a m c h â m (lúc n à y ở trạng thái tự d o) sẽ c h u y ể n

đ ộ n g tư ơ n g ứ n g so v ớ i h ộ p , v à d o đ ó lúc n à y sẽ c ó biến th iê n từ thông, q ua đó
gây ra d ò n g c ảm ứ n g . D ò n g n à y đ ư ợ c đ ư a ra ngoài v à đ ư a v à o m ộ t thiết bị đầu
vào nổ i với m á y tính. Q u a đ ó c h ú n g ta sẽ ghi lại đư ợ c các tín hiệu.
+ K et q u ả thự c hiện:

H ỉn h 2.5. H ìn h ảnh sen sơ ru n g đã lắp ráp
S a u khi x â y d ự n g x o n g c h ú n g tôi có sử d ụ n g m ộ t p h ầ n m ề m là “A u d io
T ester ” để k iể m tra đ ầ u s e n s o r rung. P hần m ề m c h o th ấ y th iế t bị h o ạ t đ ộ n g tốt.
Tuy n h iê n kh i th ừ v ớ i m ộ t số đ ầ u th u có sẵn c ủ a p h ò n g thí n g h iệ m (hai đ ầu đo
địa ch ấn c ủ a H à L a n ) đ ể so sán h kết q u ả c h ú n g tôi đ ã g ặp m ộ t số k h ó khăn tron g
việc th u tín h iệ u đ ầ u v à o . Q u a đo đạc c h ú n g tôi th ấ y rằ n g do tín h iệ u đầu vào q uá
yếu, bị su y g iả m rất m ạ n h tro n g q u á trình truyền. D o đó c h ú n g tôi có xây d ụ n g
thêm 1 b ộ k h u y ế c h đ ạ i th u ậ t to á n với chức n ă n g k h u y e c h đại n â n g tín hiệu đ ầu
vào lên đ ủ lớn để có th ể th u đ ư ợ c q ua đầu v ào c ủ a m á y tính.
B ộ k h u y ế c h đại c ủ a c h ú n g tôi đ ư ợ c thiết kế d ự a trên vi m ạ c h L M 324, đ ây
là m ộ t vi m ạ c h líh u y ế c h đại có b ố n đ ầu ra. V iệ c n à y rấ t tiện c h o v iệ c m ở rộ n g hệ
đo, vi n h ư c h ú n g ta đ à b iế t tro n g p h é p đo địa vậ t lý c ầ n rấ t n h iề u đ ầu thu, n h ư
vậy sê c ầ n m ộ t h ệ th ố n g các đ ầ u thu tư ơ n g ứng. N h ư thế sử d ụ n g vi m ạ c h n ày là
thuận tiện, (s ơ đ ô n g u v ê n lý của m ạ c h k h u y ê c h đại n à y ở p h â n p h ụ lục)


23

M ột số kết quả thu được của thử nghiệm:
Đ ể k iể m tra hai đ ầ u đo, c h ú n g tôi th ử cắm hai đ ầ u đ o trên m ột m iế n g x ốp
c ách n h a u 30 cm , m iế n g x ố p đặt trên m ặ t bàn n g u ồ n đ ư ợ c tạo ra b ằ n g c ách đập
tay trẽn m ặ t bàn. C ác số liệu thu đư ợ c trên hai kê n h tư ơ n g đối g iố n g nhau cho
thấy hai đ ầu đ o h o ạ t đ ộ n g tốt. Đ ồ thị b iểu diễn số liệu thu đ ư ợ c trên hình 3.2.
300

250

200

150-

■

■

10 0

0_
0

100

200

300

400

500

Hình 2.6: Đường biểu diễn số liệu thu t h ử .
S au đó trê n m ô h ỉn h k h ác c h ú n g tôi th ử n g h iệ m v ớ i đ ầ u đo th ứ n h ấ t đặt tại
điểm p h á t só n g . C ò n đ ầ u đo th ứ hai c h ú n g tôi đặt c ách đ iể m p h á t sóng là 2m , đặt
trên m ặt b àn gỗ, n g u ồ n s ó n g d ù n g tay đập n h ẹ lên m ặt bàn. Vì hệ thu rất nhậy
nên chỉ g õ n h ẹ x u ố n g m ặ t b à n thì hệ thu đ ã th u đ ư ợ c tín hiệu. N ế u n h ư đấm

m ạn h x u ố n g m ặ t b à n th ì tín h iệ u thu đư ợ c sẽ n ằ m n g oài v ù n g b iến đổi tu y ế n tính
của card, v ù n g n ằ m n g o à i n à y sẽ đ ư ợ c n h ìn th ây trên đ ồ thị. Đ ó là n h ữ n g v ù n g
m à ờ hai đ ầ u c ủ a n ó bị tù. T ro n g q u á trình th ử n s h iệ m c h ú n g tôi thấy khi tín hiệu
lối vào n ằ m n g o à i v ù n g b iế n đổi tu yên tín h củ a card thì tín hiệu k h ô n g n h ũ n g bị
tù ở hai đ ầu , m à trê n các k ê n h 4, 5 và 6 c òn bị n h iễ u làm c h o tín hiệu rất k h ó
quan sát rỏ nét.