C9 cảm biến THÔNG MINH

Chương 9
CẢM BIẾN THÔNG MINH


9.1 Khái niệm về cảm biến thông minh
Kỹ thuật đo lường và điều khiển tự
động hiện đại ngày nay có những tiến bộ
vượt bậc nhờ việc sử dụng các vi mạch
điện tử:
vi xử lý (µP) và vi điều khiển (µC).
Để nhận được những đặc tính mới cho
dụng cụ đo như: tự động chọn thang đo, tự
động xử lý thông tin đo, tự động bù sai
số ... người ta phải sử dụng các bộ vi xử lý
hay vi điều khiển kết hợp với các cảm biến
khác nhau để tạo ra một loại cảm biến mới
gọi là cảm biến thông minh (Intelligent
Sensor).


•
•

•

•
•

Các cảm biến thông minh có thể thực hiện được
các chức năng mới mà các cảm biến thông
thường không thể thực hiện được, đó là:

Chức năng thu thập số liệu đo từ nhiều đại lượng
đo khác nhau với các khoảng đo khác nhau.
Chức năng chương trình hoá quá trình đo,
chương trình này có thể thay đổi bằng thiết bị
lập trình.
Có thể gia công sơ bộ kết quả đo theo các thuật
toán đã định sẵn và đưa ra kết quả ( trên máy
tính hoặc máy in).
Có thể thay đổi toạ độ bằng cách đưa thêm vào
các thừa số nhân thích hợp.
Tiến hành tính toán đưa ra kết quả đo khi thực
hiện các phép đo gián tiếp hay hợp bộ hoặc đo
thống kê.


• Hiệu chỉnh sai số của phép đo.
• Bù các kết quả đo bị sai lệch do ảnh hưởng
của sự biến động các thông số môi trường:
nhiệt độ, độ ẩm ...
• Mã hoá tín hiệu.
• Ghép nối các thiết bị ngoại vi như màn
hình, máy in, bàn phím hoặc với các kênh
liên lạc để truyền đi xa theo chu kỳ hay
địa chỉ.
• Có khả năng tự động khắc độ.
• Sử dụng µP có thể thực hiện các phép tính,
điều khiển sự làm việc của các khâu khác
như: chuyển đổi tương tự - số (A/D) hay
các bộ dồn kênh (MUX)...có khả năng phát
hiện những vị trí hỏng hóc trong thiết bị

đo


9.2 Cấu trúc của một cảm biến thông minh
S1

S1

Đối
tượng

S2

C§CH1

C§CH2

MUX

A/D

µP

đo
Sn

C§CHn

Hình 9.1. Sơ đồ cấu trúc một cảm biến thông minh
CĐCH: Bộ chuyển đổi chuẩn hóa

MUX: Bộ dồn kênh
A/D: Bộ biến đổi tương tự số
µP: Bộ vi xử lý
S1, S2, ...Sn : Các cảm biến


Từ đối tượng đo, qua các cảm biến sơ cấp
S, các đại lượng đo và các yếu tố ảnh
hưởng chuyển thành tín hiệu điện và được
đưa vào các bộ chuyển đổi chuẩn hoá
(CĐCH).
Các bộ CĐCH làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu
chuẩn, thường là điện áp từ 0 - 5V, 0 - 10V
hoặc dòng 0 - 20 mA …để đưa vào bộ dồn
kênh MUX. Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm
vụ đưa các tín hiệu vào bộ chuyển đổi
tương tự - số (A/D) trước khi vào bộ vi xử
lý µP.


Sự hoạt động của cảm biến là do µP đảm
nhận, nó tổ chức sự tác động lẫn nhau
giữa các khâu theo một thuật toán, chọn
tần suất xuất hiện của tín hiệu, xác định
giới hạn đo của từng kênh, tính toán sai số
của phép đo ... Trong quá trình hoạt động
xãy ra sự trao đổi lệnh giữa các khâu
thông qua một ngôn ngữ chung (thường là
ASSEMBLY).

9.3 Các chương trình phần mềm bảo đảm
mọi hoạt động của cảm biến bao gồm:
• Chương trình thu thập dữ liệu: khởi động
các thiết bị, cổng thông tin nối tiếp, đọc
số liệu từ cổng vào, điều khiển hoạt động
của MUX.
• Chương trình biến đổi và xử lý thông tin
đo: biến đổi các giá trị đo được thành mã
BCD, mã 7 thanh, các chương trình xử lý
số liệu đo.
• Chương trình giao diện: đưa hiển thị ra
LED hay màn hình, máy in, đọc bàn phím
và xử lý chương trình bàn phím, đưa kết
quả ra cổng thông tin, truyền vào mạng,
hay gửi cho máy tính cấp trên


9.4 Các khâu chức năng của cảm biến
thông minh
+ Chuyển đổi chuẩn hoá (CĐCH),
+ Bộ dồn kênh (MUX),
+ Chuyển đổi tương tự số (A/D),
+ Bộ vi xử lý (µP).
1. Bộ chuyển đổi chuẩn hoá: Làm nhiệm
vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến
thành tín hiệu chuẩn thường là áp từ 0 5V hay 0 - 10V hoặc dòng 0 - 20 mA hay 4
- 20 mA.

tx

V0

Vra=0÷ Vx

-V0

C-K

C-A

R1

Rt

§-P

R2

R3

Hình 10.3 Bộ chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là áp một chiều


4 mA

4 - 20 mA

ổn áp

S

CĐCH

Hình 9.4 Chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là dòng một chiều


2. Bộ dồn kênh MUX (multiplexer)
Nhiệm vụ của MUX là dồn kênh, biến tín
hiệu song song từ các cảm biến thành nối
tiếp để đưa vào A/D và µP.
Để đảm bảo độ tác động nhanh, người
ta phải sử dụng các khoá điện tử, tức là
thực hiện việc đổi nối không tiếp xúc. Đổi
nối này có ưu điểm là tốc độ tác động
nhanh (tần số đổi nối có thể đạt hàng
chục MHz). Nhưng có nhược điểm là khi
đóng mạch điện trở thuận khác 0 (có thể
đến hàng trăm), còn khi hở mạch điện trở
ngược khác ∞ (cỡ vài trăm kΩ). Vì vậy
các bộ dồn kênh thường được bố trí sau
CĐCH, ở đó tín hiệu đã được chuẩn hoá.


3.Bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D)
Bộ chuyển đổi A/D làm nhiệm vụ biến
đổi tín hiệu tương tự thành số trước khi
đưa thông tin vào µP.
DC INPUT 3

9
14
+ 2V
+ 5V
- 5V

2
24

5

VI
DU

8

4
CIK1

CIK2

VRREP

OR
Q0
Q1

MC1443

13 1

10
330K

EOC

17

7
0,1µC

6

11
15
20
21
22

Q2
Q3

23

Hình 9.6 Chuyển đổi A/D MC 14433
Trên hình 9.6 là sơ đồ một bộ chuyển đổi số MC 14433 của
hãng MOTOROLA có đầu vào là điện áp một chiều DC. Loại
A/D này có một đầu vào và đầu ra là số 4 bit.

Trong thực tế người ta thường chế tạo
kết hợp giữa hai bộ MUX và chuyển đổi
A/D và cho vào cùng một vỏ. Đại diện cho
linh kiện loại này là bộ ADC 0809. Loại A/D
này có đầu vào là tám kênh DC (0 - 5V) và
đầu ra 8 bit, số liệu có thể đưa lên BUS dữ
liệu của µP.