BAi Tap Lon Vi Mach TT&VMS

Cơ sở lý thuyết
1.1 Mục đích và yêu cầu
1.1.1 Mục đích:
Hiện nay, cảm biến được sử dụng rất thông dụng trong công việc cảm nhận
những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và
biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.
Để thuận lợi trong việc đọc, thu thập tín hiệu được đưa ra từ cảm biến cần sử dụng các
mạch chuyển đổi tín hiệu đo
1.1.2 Yêu cầu:
Ứng dụng các loài vi mạch để thiết kế bộ chuyển đổi tín hiệu đo với yêu cầu sau:
Đầu vào là cảm biến áp suất có dải đo là P = [0-50kPa],
Đầu ra 1 là 8 bits nhị phân ( D7,D6,….D0), có giá trị [0-255],
Đầu ra 2 dưới dạng tín hiệu dòng điện [4-20mA],
Đầu ra 3 dưới dạng số (logic), nếu P>25kPa, thì DI=1.

1.2 Các phương pháp đo (theo đề tài)
1.2.1 Ngõ ra 1 (ADC): sử dụng 8 đèn LED để kiểm tra, đèn sáng tương ứng mức cao
(1), đèn không sáng tương ứng mức thấp (0).
Theo trạng thái sáng tối của từng đèn, D7 đến D0, đọc kết quả theo hệ nhị phân, từ đó
đổi sang kết quả sang hệ thập phân
1.2.2 ngõ ra 2: sử dụng Ampe kế để đo giá trị dòng điện ra.
1.2.3 ngõ ra 3: sử dụng 1 đèn Led, với chân anot nối với đầu ra của KĐTT, nếu đèn
sáng tương ứng với mức cao (1), đèn không sáng tương ứng với mức thấp (0).
1.3 Đặc điểm các linh kiện:
1.3.1 cảm biến áp xuất:
1


1.3.1.1 khái niệm:

Thiết bị điện tử dùng để đo áp suất hoặc ứng dụng có liên quan đến áp suất chuyển

đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện gọi là cảm biến áp suất.
1.3.1.2 nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý làm việc của thiết bị này thông qua việc biến dạng cấu trúc màng
chuyển thành tín hiệu điện. Bạn có thể hiểu rằng lớp màng biến dạng uốn cong và
từ đó các áp điện trở thay đổi giá trị. Các thiết bị cảm biến phụ thuộc vào các đặn
điểm như cấu trúc, kích thước, vị trí áp trên màng. Áp suất khí, áp suất hơi, áp suất
chất lỏng là nguồn áp suất cần kiểm tra.
1.3.1.3 phân loại:

2


a. Cảm biến áp suất sen
Có nhiều nguyên lý hoạt động tùy thuộc vào các loại cảm biến áp suất khác nhau như dựa
vào sự biến dạng vật liệu, thay đổi điện trở, thay đổi điện dung, sử dụng vật liệu áp điện.
Dạng áp điện trở và dạng điện dung là 2 dạng hoạt động phổ biến trong cảm biến áp suất
sen.
b. Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở
Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất này là các phần tử áp điện trở sẽ được cấy trên
cấu trúc màng rồi chuyển thành tín hiệu điện.
Trên thực tế, áp điện trở sẽ thay đổi giá trị khi lớp màng biến dạng. Màng, cấu trúc, vị trí,
kích thước các áp điện trở trên màng quyết định tầm đo, độ nhạy của cảm biến áp suất.
Màng nhạy với tác động của áp suất thường được sử dụng làm màng áp suất. Tại 4 trung
điểm của cạnh màng có 4 điện trở. Trong đó có 2 cặp điện trở song song với màng, 2 cặp
điện trở còn lại vuông góc với màng.
Điện áp bằng 0, điện trở ở trạng thái cân bằng khi áp suất không tác động. Còn khi áp suất
tác động thì màng sẽ biến dạng làm cho điện trở thay đổi đồng thời áp điện trở song song
giảm, điện trở vuông góc tăng.
c. Cảm biến áp suất kiểu tụ
Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa vào giá trị điện dung để xác định chỉ số áp suất. Khi

thay đổi khoảng cách của cực tụ thì điện dung của tụ cũng sẽ thay đổi.
Lớp màng bị biến dạng khi có áp suất tác động vào làm cho bản cực lại gần với nhau hoặc
kéo bản cực ra xa làm giá trị của tụ thay đổi. Qua hệ thống xử lý của thiết bị cảm biến đo áp
suất xác định được áp suất.

1.3.2 ADC 0804.
1.3.2.1 mục đích sử dụng của bộ ADC:

3


Các bộ chuyển đổi ADC thuộc những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu dữ
liệu. Các máy tính số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thì mọi
đại lượng ở dạng tương tự (liên tục). Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm và
vận tốc và một số ít những đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hằng ngày.
Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được
gọi là các bộ biến đổi. Các bộ biến đổi cũng có thể coi như các bộ cảm biến. Mặc dù
chỉ có các bộ cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên
khác nhưng chúng đều cho ra các tín hiệu dạng dòng điện hoặc điên áp ở dạng liên tục.
Do vậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều khiển có thể đọc
được chúng. Một chip ADC được sử dụng rộng rãi là ADC0804.

1.3.2.2 Thông tin cơ bản về ADC0804
Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãng National
Semiconductor. Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất. Chip có điện áp nuôi
+5V và độ phân giải 8 bit. Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một
tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là
thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Đối
với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới
chân CLK và CLK IN và không bé hơn 110µs.

1.3.2.3 đấu nối chip ADC0804:
4


- CS (Chip select): Chân số 1, là chân chọn chip, đầu vào tích cực mức thấp được sử
dụng để kích hoạt Chip ADC0804. Để truy cập tới ADC0804 thì chân này phải được
đặt ở mức thấp.
- RD (Read): Chân số 2, là chân nhận tín hiệu vào tích cực ở mức thấp. Các bộ
chuyển đổi của 0804 sẽ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở
một thanh ghi trong. Chân RD được sử dụng để cho phép đưa dữ liệu đã được chyển
đổi tới đầu ra của ADC0804. Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến
chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7).
- WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng báo cho ADC
biết để bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp
thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin thành số
nhị phân 8 bit. Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp.
- CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được sử
dụng để tạo thời gian. Tuy nhiên ADC0804 c ũng có một bộ tạo xung đồng hồ riêng.
Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) được nối với một

5


tụ điện và một điện trở.
Với R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số f = 606 kHz và thời gian chuyển đổi là 110 µs.
- Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp. Bình thường chân
này ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi tương tự số hoàn tất thì nó chuyển xuống
mức thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi INTR
xuống thấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữ
liệu ra.

- Vin (+) và Vin (-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong đó
Vin = Vin(+) – Vin(-). Thông thường Vin(-) được nối tới đất và Vin(+) được dùng
làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số.
- Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V. Chân này còn được dùng làm điện áp
tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở.
- Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu. Nếu
chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 đến +5V.
Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0 đến
+5V. Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 đến +5V

- D0 – D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất MSB và D0
là bit thấp nhất LSB). Các chân này được đệm ba trạng thái và dữ liệu đã được chuyển
đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xuống mức thấp. Để tính điện
áp đầu ra ta tính theo công thức sau:
Dout = Vin / Kích thước bước.
Hình ảnh đấu nối chíp ADC 0804

Sơ đồ đấu nối chíp ADC 0804
6


Bộ khuếch đại thuật toán ua741

aĐặc điểm:
+ Bảo vệ đoản mạch
+ Không có khả năng bù đắp điện áp
+ Chế độ rộng với nhiều dải điện áp
+ Không yêu cầu bù tần số

7

Bộ khuếch đại này sử dụng nhiều trong kĩ thuật điện tử có tác dụng khuếch đại các tín
hiệu điện như điện áp, dòng điện , công suất.
Mạch tích hợp KĐTT ua741 có dải điện áp hoạt động rộng và các chân có các chức năng
khác nhau như sau:

Tên

Vị trí chân

Mô tả

IN+

3

Cửa vào không đảo

IN-

2

Cửa vào đảo

NC

8

Không sử dụng

OFFSET N1

1

Bù tần số

OFFSET N2

5

Bù tần số

OUT

6

Cửa ra

VCC+

7

Nguồn cung cấp dương

VCC-

4

Nguồn cung cấp âm

6.2 Điều kiện hoạt động.
MIN
VCC+

Nguồn cung cấp

VCC–
Ta

Nhiệt độ làm việc lý tưởng

µA741

MAX

5

15

–5

–15

0

70

V

°C
8


Điện trở:

Trong các loại thiết bị điện tử thì điện trở là 1 linh kiện
điện tử rất quan trọng. chúng được làm từ hợp chất cacbon
và kim loại tùy theo tỉ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được
các loại điện trở có trị số khác nhau.

Tụ điện:

Là loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi 2 bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện
môi. Khi có chênh lệch điện thế tại 2 bề mặt, các bề mặt sẽ suất hiện điện tích cùng
điện lượng nhưng trái dấu.
Nguồn nuôi.

Chương 2: Thiết kế bộ chuyển đổi
1.4 Lựa chon cảm biến đo
Sừ dụng cảm biến áp suất MPX4250:

9


Cảm biến áp suất là một loại thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu
điện áp, thường dùng đo áp suất hoặc trong các mạch có liên quan tới áp suất.
Bộ cảm biến áp suất cảm biến đa tạp tích hợp cảm biến đa năng trên chip tín hiệu,
điều chỉnh nhiệt độ và hiệu chuẩn.
MPX4250 hãng Motorola là bộ cảm biến đa dạng cho bộ điều khiển động cơ được

thiết kế để cảm nhận áp suất không khí tuyệt đối trong ống dẫn khí nạp..
Mpx4250 nhóm bộ biến đổi điện trở điện áp là một trạng thái của kỹ thuật khối
silicon cảm biến áp suất thiết kế của rất nhiều ứng dụng, đặc biệt nó sử dụng cảm
biến hoặc bộ xử lí với tín hiệu vào A/D. Bộ biến đổi kết hợp tiên tiến gia công trên
máy kĩ thuật, sự chế thành kim loại mỏng.

Đặc tính
Sai số lớn nhất 1,5% trên 0 đến 85 độ
Thiết kế đặc biệt cho cảm biến nén bộ chế hòa khí tuyệt đối trong hệ thống điều
khiển động cơ
Cấp bằng sang chế lực dịch chuyển máy đo sức căng.
Nhiệt độ cân bằng từ -40 đến 125 độ C
Đề nghị điều chỉnh trong trọng lực và thể tích so với hệ số trung gian hiện tại

Lí tưởng cho ứng dụng không tự động

10


Ví dụ ứng dụng
Lí tưởng cho vi xử lí nhỏ hoặc vi điều khiển hệ thống
Cảm biến mpx 4250 của hãng The Motorola có nguồn nuôi là 5V và các chân khác
của nó có chức năng như sau :

Số Chân

Ký hiệu

1

Vout

2

Gnd

3

Vs

4

N/C

5

N/C

6

N/C

Note:
+ Chân 4 5 6 là nằm trong bộ kết nối thiết bị. Không kết nối với bên ngoài hoặc
mặt đất.
+ Vout : điện áp ra của cảm biến áp suất
11


+ Vs: điện áp cung cấp cho cảm biến áp suất ( 5V )

+ Gnd : chân nối đất
Xây dựng sơ đồ khối

Cảm
biến

Khuếch
đại

ADC

Ngõ ra
1

Chuyển
đổi U-I

Ngõ ra
2

Bộ so
sánh

Ngõ ra
3

Áp xuất
Hoạt động :

Cảm biến áp suất cảm nhận áp suất của môi trường cần đo, đưa ra tín hiệu dưới dạng điện

áp, tín hiệu này được khuếch đại bởi các mạch khuếch đại trước khi đưa tới các bộ
chuyển đổi.Bộ chuyển đổi có vai trò biến đổi tín hiệu điện áp đã được khuếch đại thành
các dạng tín hiệu ngõ ra phù hợp với yêu cầu.
2.3 Xây dựng mạch nguyên lý (thực hiện trên Proteus)
Để đảm bảo về mặt công để khuếch suất và tạo thuận lợi cho thiết kế, sử dụng mạch
khuếch đại sử dụng KĐTT đại tín hiệu ra của cảm biến áp suất trước khi đưa tới các bộ
chuyển đổi.
2.3.1 mạch khuếch đại tới bộ ADC:
Tín hiệu đầu vào ADC trong khoảng 0-5V.
12


Thiết kế mạch Trừ với điện áp vào từ cảm biến là Ui=0.26v-1.19V, điện áp ra Uo=0-5V.
Hv…..
Với r1/rf=r2/r3, hệ số khuếch đại k=rf/r1 ta có:
0=k(0.26-u1)
5=k(1.18-u1)
>>>> k=…chọn r1=r2=>>>>rf=r3=…..
U1=0.26v
2.3.2 bộ chuyển đổi U-I:
2.3.2.1 mạch chuyển đổi u-i
Lựa chọn sơ đồ biến đổi U-I không đảo như sau:
Hv//////
Hệ số kui=1/R1=il/ui.
Sử dụng tín hiệu vào là ui=1-5V >>>>R1=250 ôm.
2.3.2.2 mạch khuếch đại tín hiệu vào bộ chuyển đổi u-i:
Tín hiệu vào mạch khuếch đại ui=0.26v-1.19v, tín hiệu ra uo=1v-5v.
Tg tự mạch khuếch đại vào adc ta có:
1=k(0.26-u1)
5=k(1.18-u1)

>>>u1 =0.03v
K=4.32, chọn r1=r2=10k>>>rf=r3=43.2k.
2.3.3 bộ so sánh tương tự:
2.3.3.1 mạch khuếch đại đưa vào bộ so sánh:
Lựa chọn mạch khuếch đại giống như của bộ ADC, tín hiệu ra 0-5v.
2.3.3.2 mạch so sánh tương tự:
13


Lựa chọn mạch tri gơ smit không đảo để khắc phục ảnh hưởng của nhiễu.
Tại 25kPa có tín hiệu ra từ cảm biến là: Ui=0.72V
>>>> Điện áp vào mạch trigo Uitrigo=Uokđ=5.44*(0.72-0.26)
>>> điện áp so sánh là: Uch=2.5V
Dải điện áp trễ: chọn đental u=0.1v.
Ta có del u=vcc*r1/(r1+r2)
Trị số điện áp đưa vào bộ KĐTT là 12v.
Chọn r1=1k>>>r2=119k.

Chương 3: Kết quả thực hiện:

2.4 Nhận xét (quá trình thực hiện)
 ( Thêm ảnh của từng phần, mạch hoàn chỉnh: Đầu ra 1, 2 , 3. )
2.5 Kết luận

14