ĐỒ ÁN ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (495.08 KB, 58 trang )
Đo lực và ứng suất
Trang
1
LỜI GIỚI THIỆU
Ngày nay việc đo lường và điều khiển được ứng dụng
trong sản xuất công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm
rất hữu dụng. Lợi dụng việc đo ứng suất biến dạng từ đó mà ta
có thể xác định được những thông số vật lý cơ học khác như:
độ võng tĩnh, moment, lực tác dụng, …
Hiện nay đã có những máy đo như loại dùng đồng hồ chỉ
thị số P3500 được thực hiện tại phòng thí nghiệm. Khi khoa học
công nghệ thông tin đã và đang phát triển thì máy vi tính bắt
đầu thay thế các thiết bị đo lường thông thường mà cho ta kết
quả nhanh và chính xác. Các thiết bị, hệ thống đo lường và
điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian
thu thập số liệu ngắn nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức
độ tự động hóa trong việc thu thập và xử lý các kết quả đó.
Tuy nhiên để hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với
máy tính hoạt động được thì ngoài phần mạch điện khuếch đại
và chuyển đổi AD thì cần có chương trình được nạp vào máy
tính để xử lý kết quả.
Bài luận văn này cũng là một đề tài xử lý tín hiện điện tử
bộ cảm biến cho phép máy tính có thể giao tiếp thông qua
cổng máy in.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
PHẦN A
DẪN NHẬP
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
2
Đo lực và ứng suất
I.
Trang
3
ĐẶT VẤN ĐỀ:
Để hiểu được và làm chủ được các hiện tượng vật lý hóa
học, y, sinh học...trong đời sống chúng ta, đòi hỏi chúng ta phải
có phương pháp đo và thiết bị đo lường sẽ giúp chúng ta đạt
được mục đích này.
Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử và
công nghệ thông tin chúng ta có thêm các thiết bị đo lường
điện tử ngày càng chính xác hơn, sử dụng thuận lợi hơn, hoạt
động ở chế độ tự động hóa hoàn toàn. Để phục vụ cho việc tự
động hóa trong công nghiệp, chúng ta phải đề cập đến các
phương pháp và cảm biến đo các đại lượng không điện.
Ví dụ như: lực, áp suất, nhiệt độ v.v... Từ những đại lượng
không điện này được cảm biến chuyển đổi thành đại lượng điện
rồi xử lý tín hiệu bằng những mạch điện tử.
Với mục đích là xác định độ biến dạng, ứng suất khi tác
dụng một lực vào một đầu của một dầm ngang. Tức là đặt một
vật có khối lượng vào đầu dầm, trên dầm có gắn Strain Gage
(miếng đo biến dạng) mà từ đó ta có thể xác định được khối
lượng mà vật đặt vào. Thông qua đại lượng trung gian này mà
ta có thể xác định được: độ biến dạng ứng suất, độ võng... và
đề tài này sẽ được tìm hiểu kỹ về cách thức xác định được các
đại lượng này.
Với đề tài “ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT” này có thể dùng làm
thiết bị đo lường ở phòng thí nghiệm. Do đó nhiệm vụ chủ yếu
là phải hiển thị được kết quả với sai số càng nhỏ càng tốt.
II.
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:
Đo lực và ứng suất bằng máy tính. Nhờ sự trợ giúp của
máy tính cộng với phần mềm Pascal cho phép người lập trình
có thể hiển thị kết quả dưới nhiều hình thức khác nhau (hiển thị
chế độ văn bản, ở chế độ đồ thị).
Với thời gian ngắn chỉ có 10 tuần mà có nhiều vấn đề cần
giải quyết, hơn nữa kiến thức về lập trình có giới hạn. Do đó
trong khoảng thời gian đó, nhóm sinh viên thực hiện tập trung
vào giải quyết những vấn đề sau:
- Thiết kế phần cứng.
- Viết chương trình xử lý tín hiệu từ bộ cảm biến để
hiển thị kết quả trên màn hình.
III.
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC THI ĐỀ TÀI:
Với những yêu cầu đó ta có thể đưa ra phương pháp để
thực thi đề tài như sau:
Sử dụng kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển.
Dùng máy tính để xử lý.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
4
Với kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển nếu dùng led 7 đoạn
để hiển thị 1 loạt các thông số: lực, ứng suất, biến dạng... thì
sẽ trở nên gặp khó khăn và hiển thị dưới đồ thị sẽ không thực
hiện được. Do đó ở đây nhóm sinh viên thực hiện chọn máy
tính để xử lý thông qua cổng máy in. Sở dĩ chọn phương pháp
này có ưu điểm là:
- Có thể hiện thị cùng một lúc các thông số và đồ thị.
- Tính toán và lập trình trên phần mềm Pascal so với
xử lý và vi điều khiển.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
5
CHƯƠNG I
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG
I.
KHÁI NIỆM VỀ BIẾN DẠNG:
Khi đặt một lực vào vật thể, vật thể bị thay đổi hình dạng.
Trong trường hợp tổng quát, sự thay đổi này gọi là biến dạng.
Ở đây chúng ta hiểu biến dạng như là sự thay đổi hình dạng
trên 1 đơn vị dài hay là độ thay đổi chiều dài tương đối.
II.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BIẾN DẠNG:
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đầu
dò, đặc biệt từ những năm 1970, người ta đã chế tạo ra rất
nhiều dụng cụ đo biến dạng dựa trên các nguyên lý cơ khí,
quang, điện âm thanh và nguyên lý khí nén... Tuy nhiên không
có một nguyên lý nào có thể thỏa mãn mọi yêu cầu kỹ thuật
đặt ra. Do đó có rất nhiều hệ thống đo khác nhau để đáp ứng
mọi yêu cầu đo trong phạm vi giải quyết những vấn đề khác
nhau, sau đây là các phương pháp đo:
1. Phương pháp cơ khí:
Phương pháp cơ khí đo biến dạng ngày nay ít được sử
dụng, bởi vì đo biến dạng bằng điện trở chính xác hơn và dễ sử
dụng. Tuy nhiên, dụng cụ đo cơ khí được gọi là Extensometer
vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong hệ thống kiểm tra vật liệu.
2. Phương pháp âm thanh:
Phương pháp âm thanh đo biến dạng hiện nay hầu hết
được thay đổi bằng phương pháp đo điện. Phương pháp đo biến
dạng bằng âm thanh có nét độc đáo riêng, ổn định không mất
độ chính xác theo thời gian. Phương pháp đo biến dạng bằng
âm thanh vẫn được sử dụng dựa trên nguyên lý do ông
R.S.Jerrett sáng chế vào năm 1944.
3. Phương pháp biến dạng bằng điện trở:
Phương pháp đo biến dạng bằng điện trở này được xem là
hoàn hảo nhất, chỉ trừ một số trường hợp đạc biệt phương
pháp này không sử dụng được. Phương pháp này được xem là
phổ biến nhất hiện nay dựa trên nguyên lý do ông Kelvin phát
hiện năm 1856.
4. Phương pháp đo biến dạng bằng chất bán dẫn:
Ưu điểm có độ nhạy cao nhưng giá thành lại cao. Phạm vi
đo chịu ảnh hưởng nhiều về yếu tố nhiệt độ. Phương pháp này
dùng để đo biến dạng rất nhỏ vì nó cực nhạy (với điều kiện
nhiệt độ ổn định) song rất ít sử dụng.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
6
5. Phương pháp đo biến dạng bằng phương pháp lưới:
Phương pháp này có từ lâu đời, đặt lưới lên mẫu thử chụp
hình trước và sau khi đạt tải trọng, lưới sẽ bị biến dạng. Phương
pháp này có điểm khó khăn là các biến dạng thường nhỏ do đó
hầu hết các trường hợp sự dịch chuyển các mắt lưới không bảo
đảm tính chính xác. Để sử dụng phương pháp biến dạng đủ lớn
(cho chất dẻo cao su) rất hiệu quả.
6. Phương pháp tạo mẫu Hickson (phương pháp lưới):
Đặt tờ giấy nhám lên vật mẫu kéo theo 2 phương để tạo
vết trầy. Để đo biến dạng trên mẫu thử rất khó nên người ta lấy
tấm hợp kim mỏng dán lên chỗ trầy, để in lên tấm phim đó,
thay vì đo vật mẫu người ta đo vết trầy lên tấm phim.
Trong suốt 50 năm qua phương pháp đo biến dạng bằng
điện trở đã được sử dụng rộng rãi vì sự đơn giản cũng như kết
quả đáng tin cậy của chúng.
Do đó trong đề tài này nhóm sinh viên thực hiện đo biến dạng
bằng điện trở.
III.
ĐO BIẾN DẠNG BẰNG STRAIN GAGE:
Miếng đo biến dạng (strain - gage) là một cấu kiện điện trở
được dùng để dán lên một bộ phận biến dạng. Mức biến dạng
của bộ phận thông qua lớp keo được truyền sang miếng đo.
Miếng đo như vậy phải chịu một sự biến động tỷ lệ với điện trở
của nó.
Strain Gage (SG-miếng đo biến dạng) là một trong những
công cụ quan trọng của kỹ thuật đo lường điện tử được áp
dụng đo các đại lượng cơ học. Đúng như tên gọi, nó được sử
dụng để đo biến dạng. Biến dạng của một vật thể được gây ra
bởi tác nhân bên ngoài hoặc bên trong, làm sinh ra ứng suất.
Do vậy trong phân tích ứng suất thực nghiệm người ta sử dụng
rộng rãi phương pháp xác định biến dạng.
Các thiết bị biến dạng cho đến nay đã được nhiều hãng
chế tạo như: Hottinger Baldwin, Messttechnik, Micromesures
Vishay...
Strain Gage được tạo ra với 2 kết cấu là lưới phẳng và dạng
ống trụ.
Winding Cord
a. Dạng lưới phẳng
Dạng ống trụ
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
b.
Đo lực và ứng suất
Trang
7
1. Hệ số miếng đo (Gage factor):
Sự thay đổi điện trở của một cấu kiện có điện trở biến đổi
được tùy thuộc vào quan hệ sau:
R
L
F
F.E
R
L
Với R: là điện trở ban đầu của cấu kiện.
R
: độ
biến
đổi
điện
trở
R
L: chiều dài ban đầu của cấu kiện.
F : hệ số miếng đo.
Một miếng đo lý tưởng phải có một điện trở rất lớn, một
hệ số đo cực đại và một mức giới hạn đàn hồi cao, đồng thời lại
khơng bị ảnh hưởng nhiệt độ cao tác động. Thêm vào đó, hệ số
miếng đo ln ln bất biến cho dù mức biến dạng có lớn đến
đâu đi chăng nữa.
Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo
sức căng cũng như sức nén, sợi điện trở phải càng mỏng để
cho lớp keo có thể truyền hồn tồn mức biến dạng của bộ
phận sang miếng đo.
2. Chất keo dán:
a) Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp
dụng bình thường trong thời gian ngắn, nhiệt độ áp dụng
dưới 1000C. Sẽ khơ cứng trong vài giây dưới tác dụng của
sức ép.
b) Keo epoxy: Rất có hiệu quả, ổn định trong thời
gian lâu với nhiệt độ đến 300oc.
c) Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bị đặt biệt
có vẻ mong manh yếu ớt, khơng cho phép dùng với những
biến dạng lớn.,sử dụng được đến 600oc.
d) Hàn: Đây là cách thức thực tế nhất để dùng ở nhiệt
độ cao cho các miếng đo trong vỏ bọc kim loại rất đặc.
Cần chú ý là bề mặt để dán phải được tẩy sạch dầu mỡ và
sau đó được trung hòa bằng hóa chất. Để tạo ra bề mặt có tính
chất lý tưởng đối với loại keo này, bề mặt phải được làm sạch
vết rỉ để tạo ra bề mặt nhẵn nhưng khơng q bóng.
IV. MẠCH CẦU WHEATSTONE:
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
o lc v ng sut
Trang
8
Cu Wheatstone l mch cu c chn nhiu nht trong
vic o nhng bin dng in tr nh (ti a 10%) nh trong
vic dựng cỏc ming o bin dng.
1. Nguyờn lý:
i cu Wheatstone ca hỡnh 1:
R 2
R 1
m
Em
Zm
R 4
R 3
V
ỡ n h 1 : Mba o
ùc h c vi
a u W tr
h e a tskhỏng
to n e
Tớn hiu u ra Em quaH thit
Zm:
R: in tr danh ngha ban u ca cỏc in tr R 1, R2, R3 & R4
Em
V
R1 R2 R3 R4
(1)
R R1
R2
R3
R4
4 1
Zm
R
: Bieỏn
ủoồi
ủụnvũcuỷa
ủieọn
trụỷ.
R
(thng l 120 nhng l 350 cho cỏc b bin cm).
V: in ỏp cung cp cho cu.
in ỏp cung cp cho cu l mt ngun nng lng cung
cp tht n nh.
Phn ln Zm ln hn R rt nhiu (vớ d nh:Vụn k, b khuch
i vi liờn kt trc tip) do ú thỡ phng trỡnh (1) tr thnh:
V R1 R2 R3 R4
2
4
R2
R3
R4
R1
T (2) cú nhn xột l: s thay i n v in tr ca 2 in
tr nghch nhau. c tớnh ny ca cu Wheatstone thng
c dựng bo m tớnh n nh nhit ca mch o v cng
dựng cho cỏc thit k c bit.
Em
2. Cõn bng ban u:
R 1
R 2
R b
R a
R 4
R 3
SVTH :H THANH LME m- PHM TRNG QUNH
M a ùc h c a u c a õn b a ốn g b a n ủ a u
V
Đo lực và ứng suất
Trang
9
Trước khi bắt đầu việc thử nghiệm, điều quan trọng là nên
nhớ đem tất cả các số ghi trên thiết bị trở lại số không. Điều
này sẽ làm đơn giản cho việc thể hiện đo đạc và cho phép
dùng thiết bị tốt hơn. Hình trên cho thấy một phương pháp
thường dùng để đảm bảo cho việc cân bằng ban đầu. R a là điện
trở cố định, Rb là một thế kế nhiều vòng. Trong phần lớn thường
sử dụng Ra=20k, Rb=40k đủ thích hợp cho việc cân bằng.
Trong trường hợp của các bộ biến cảm, việc cân bằng có
thể thực hiện trực tiếp lên bộ cảm biến bằng cách thêm những
điện trở vào mạch các miếng đo.
3. Các đặc tính của cầu:
a) Bù nhiệt:
Phần lớn các miếng đo biến dạng hiện nay đều có khả
năng tự động cân bằng. Thí dụ, một miếng đo được cân bằng
cho phép về lý thuyết sẽ không cho thấy sự thay đổi điện trở
nào khi miếng thép mà miếng đo được dán lên sẽ giãn nở khi
nhiệt độ thay đổi. Đặc tính tự cân bằng này có được là nhờ việc
xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại dùng để chế tạo ra miếng đo.
Cách xử lý nhiệt này chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt độ
giới hạn nào đó.
Bằng cách dùng cầu Wheatstone ta cũng có thể chế tạo
mạch cân bằng nhiệt độ. Như đã biết, sự thay đổi nhiệt độ của
2 nhánh cầu kề nhau sẽ tự triệt tiêu nên miếng đo cân bằng D
được nối vào mạch cầu Wheatstone với miếng đo hữu công A.
(xem hình vẽ).
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
10
Active
A
R1
Dumm
D
R2
R3
R4
MạchV cân bằng nhiệt độ.
Miếng đo D cũng có cùng tính chất như miếng đo A và
cũng được dán lên khối vật liệu; trong khi dán các miếng đo,
khối vật liệu thử nghiệm này không bị chịu một lực tác động
nào. Ngoài ra 2 miếng đo A&D nên được đặt gần với nhau càng
tốt; tất cả sự thay đổi nhiệt độ chung cả hai miếng đo này sẽ
được triệt tiêu và nó sẽ tự cân bằng nhiệt độ.
b) Sự kết hợp các miếng đo:
R 1
R 4
R 2
E
R 3
Cầu Wheatstone
cho phép kết hợp nhiều miếng đo hữu
V
công. Hình trên cho thấy bốn miếng đo được dán lên thanh
mẫu. Khi thanh mẫu bị kéo ra khỏi bởi lực P, những biến dạng
tương tự sẽ là:
P
A.E
Vaø 2 4 .
: hệ số Poisson.
A: tiết diện ngang.
E: Modun đàn hồi.
Bốn miếng đo như vậy tạo thành cầu Wheatstone nên điện áp
ở đầu ra sẽ là:
1 2
E EmK 21 .
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
11
Độ uốn của thanh mẫu sẽ được cầu Wheatstone cảm nhận
K
VF
(xemlaïicaùc
bieåu
thöùc
1& 2)
4
vì các miếng đo 1 và 3 ( cũng như 2&4) sẽ cộng các biến dạng
có dấu nghịch với nhau và như thế sẽ tự triệt tiêu theo nhiệt
độ. Đây là nguyên lý được dùng thường xuyên trong việc thiết
kế các bộ cảm biến.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
12
CHƯƠNG II
KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN
BỘ ADC 12 BIT & VÀ CÁC LINH KIỆN CÓ LIÊN QUAN
Giao tiếp với máy tính là việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính
với một hay nhiều thiết bị ngoại vi. Hai thiết bị ngoại vi quen
thuộc của máy tính là bàn phím và màn hình. Ngoài ra máy
tính còn được bố trí thêm các đường giao tiếp đa năng khác
nhau: giao tiếp nối tiếp (thông qua cổng COM), giao tiếp song
song (cổng LPT) giao tiếp qua khe cắm (SLOT).
Ghép nối nối tiếp cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết
bị với nhau theo từng bit một. Số liệu thường được gởi theo
từng nhóm bit SDU (Serial Data Unit) mà nó tạo thành một
byte hay một từ... Các thiết bị ngoại vi như Plotter, modem,
mouse và printer có thể được ghép nối với PC qua cổng nối tiếp
COM. Các ghép nối của PC cho trao đổi nối tiếp đều theo tiêu
chuẩn RS232C của EIA hoặc CCITT ở châu Au. Về mặt kinh tế
việc trao đổi thông tin qua cổng nối tiếp là ít tốn kém nhưng về
mặt kỹ thuật thì khá phức tạp.
Giao tiếp qua khe cắm SLOT cũng phức tạp không kém đòi
hỏi việc gia công thiết bị phải chính xác, hơn nữa việc tháo vỏ
máy để gắn SLOT Card sau mỗi lần đo là vấn đề khó chấp
nhận.
Giao tiếp qua cổng song song, dữ liệu truyền song song vì
vậy tốc độ truyền song song thường cao hơn truyền nối tiếp
(khoảng từ 40kB/s đến 1MB/s). Hầu hết các máy tính đều trang
bị cổng này. Việc trao đổi thông tin một cách dễ dàng.
I.
KHẢO SÁT CỔNG MÁY IN:
Cổng này để dùng giao tiếp với máy in. Đầu cắm có 25
chân và còn gọi là DB25. Bên trong có 3 thanh ghi có thể
truyền số liệu và điều khiển máy in, mỗi thanh ghi 8 bit. Ba
thanh ghi gồm:
Thanh ghi dữ liệu (Data register):
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
D 0 (P IN 2 )
D1
(P IN 3 )
D2
D3
(P IN 4 )
(P IN 5 )
D4
(P IN 6 )
D5
(P IN 7 )
(P IN 8 )
D6
D7
(P IN 9 )
Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản của máy in=378H.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
13
Thanh ghi trạng thái (Status register).(chỉ đọc):
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
ER R OR
(P IN 1 5 )
SL C T
(P IN 1 3 )
PE
2
1
(P IN 1 2 )
(P IN 1 0 )
A C K
B U SY
(P IN 1 1 )
D0,D1,D2: không sử dụng (thường để ở mức [ 1])
Có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản +1=379H.
Thanh ghi điều khiển :
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
STR O B E
A F
IN IT
(P IN 1 )
(P IN 4 )
(P IN 1 6 )
S L C T IN
(P IN 1 7 )
IR Q
D5,D6,D7: không sử dụng(thường để ở mức [ 1]).
Địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản + 2=37AH.
Việc nối máy in với máy tính được thực hiện qua lỗ cắm
DB25 ở phía sau máy tính. Nhưng đây không chỉ la chỗ nối với
máy in mà khi sử dụng máy tính vào mục đích đo lường và điều
khiển thì việc ghép nối cũng thực hiện qua ổ cắm này. Qua
cổng này dữ liệu được truyền đi song song nên đôi khi còn
được gọi là cổng ghép nối song song và tốc độ truyền dữ liệu
cũng đạt đến mức là đáng kể. Tất cả các đường dẫn của cổng
này đều tương thích TTL, nghĩa là chúng đều cung cấp một
mức điện áp nằm giữa 0V và 5V.
Bên cạnh 8 bit dữ liệu còn có những đường dẫn tín hiệu
khác, tổng cộng người sử dụng có thể trao đổi 1 cách riêng biệt
với 17 đường dẫn, bao gồm 12 đường dẫn ra và 5 đường dẫn
vào. Bởi vì 8 đường dẫn dữ liệu. D0-D7 không phải là đường dẫn
2 chiều trong tất cả các loại máy tính, nên sau đây ta sẽ thấy
là D0-D7 chỉ sử dụng như là lối ra, các lối ra khác nữa là
STROBE, AUTOFEED (AF), INIT và SELECTIN (SLCTIN). Khi trao
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
14
14
C O NNE C TO R D B 25
1
13
25
đổi thông tin với máy in các đường này đều có chức năng xác
định.
Các tín hiệu của đầu cắm DB25:
Chân
Tín hiệu
Môtả
1
STR
Mức tín hiệu thấp truyền dữ liệu tới
máy in.
2
D0
Bit dữ liệu D0.
3
D1
Bit dữ liệu D1
4
D2
Bit dữ liệu D2.
5
D3
Bit dữ liệu D3.
6
D4
Bit dữ liệu D4.
7
D5
Bit dữ liệu D5.
8
D6
Bit dữ liệu D6.
9
D7
Bit dữ liệu D7.
10
ACK
Mức thấp chỉ rằng máy in đã nhận 1
ký tự.
11
BUSY
12
PE
Báo hết giấy.
13
SLCT
Báo lựa chọn máy in.
14
AF
Tự nạp giấy.
15
ERROR
Báo lỗi máy in.
16
INIT
Reset máy in.
17
SCLTIN
Chọn máy in.
18
18-25
GND Đất.
II.
KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC – KHẢO SÁT ADC ICL 7109:
A. Kỹ thuật biến đổi ADC:
Biến đổi Analog – Digital là thành phần cần thiết trong việc
xử lý thông tin và các chức năng điểu khiển sử dụng phương
pháp số, tín hiệu thực tế thì ở dạng Analog. Một hệ thống tiếp
nhận dữ liệu giao tiếp A/D để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang
tín hiệu số để xử lý.
1. Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC:
a. Độ chính xác bất định do lượng tử hóa:
Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2 n khoảng gián
đoạn ở mỗi mạch đổi n bit. Các giá trị tương tự cùng một
khoảng được biểu thị cùng nhị phân. Do có một độ chính xác
bất định ½ LSB (Least significant bit).
b. Độ chính xác:
Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trị
thực tế của điện áp tương tự vào cho 1 mã nhị phân ra. Vì một
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
15
mã số ra tương tứng với 1 khoảng hẹp của điện áp tương tự
vào ở định nghĩa trên được xem như là điểm giữa khoảng.
Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyệt đối
như định nghĩa trong điều kiện tràn khung đã được lấy chuẩn,
vì các điểm rời trên đặc tính chuyển lý thuyết nằm trên một
đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng là độ phi tuyến.
c. Thời gian và tốc độ chuyển đổi:
Thời gian chuyển đổi: Thời gian chuyển đổi cần cho 1 lần
chuyển đổi hoàn toàn. Đối với phần lớn mạch đổi, thời gian này
gọi là nghịch đảo của tốc độ đổi, nếu không có thêm các trì
hoãn của hệ thống. Tuy nhiên trong mạch đổi có tốc độ cao, lần
đổi mới được lệch bắt đầu trước khi lần đổi trước kết thúc nên
thời gian đổi và tốc độ đổi khác nhau.
2. Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC):
a. Nguyên tắc mạch ADC:
Mạch biến đổi ADC (Analog Digital Converter) có bộ phận
chính là mạch so sánh:
V
a
Ñ i e än a ùp
t ö ô n g t ö ï v a øo
M a ïc h
t a ïo m a õ
so á
Ñ i e än a ùp v a øo V
M a õs o ár a
R
Do đó nhiệm vụ của mạch tạo ra mã số và mạch điều
khiển logic là thử một bộ hệ số nhị phân a i sao cho hiệu số điện
áp vào chưa biết Va và trị nguyên lượng tử hóa sau cùng nhỏ
hơn 1 LSB.
111
110
101
100
011
010
T ö ô n g t ö ï v a øo
001
000
1 /2 L S B
1 2
3
4
5
6
7
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
V
FS
Đo lực và ứng suất
Trang
16
+ 1 /2 L S B
- 1 /2 L S B
Chuyển đổi điện áp tương tự liên tục sang mã nhị phân rời
n
1
(Va VFS . ai .2 i ) LSB
2
i 1
rạc:
V
a
Ñ i e än a ùp
t ö ô n g t ö ï v a øo
M a ïc h
t a ïo m a õ
M a õs o ár a
so á
Sự khác nhau giữa các mạch đổi là cách thức thay đổi điện
áp mẫu VR để xác định hệ số nhị phân ai.
Ñ i e än a ùp m a ãu V
R biết là Va và điện áp chuẩn là VR
Điện áp tương tự chưa
được nối ở hai ngõ vào của mạch so sánh. Khi VR tăng từ 0 đến
điện áp tương tự vào với sai số bằng sai số lượng tử hóa, lúc đó
mạch tạo mã số ra có giá trị tương ứng với điện áp vào chưa
biết.
s o s a ùn h
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
17
b. Mạch ADC dùng điện áp mẫu VR hình nấc thang:
Dạng mạch cơ bản:
V
-
(+)
a
V = V
R
+
R
S
D A C
FF
Q
D A C n b it
Q
EO C
M aõ
s o ár a
C K x u n g ñ o àn g h o à
t a àn s o á f c
M a ïc h ñ e ám
n b it
STA R T
d o ác l e ân
Để tạo điện áp mẫu nấc thang so sánh với điện áp vào
dùng mạch ADC mà số nhị phân vào được lấy từ một mạch
đếm lên như hình vẽ.
t
V = V
R
t
D A C
V
R
( t)
t
Tc
T h ô øi g i a n c h u y e ån ñ o åi
t
K e át th u ùc
c h u y e ån ñ o åi
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
18
Mạch ADC dùng mạch đếm lên xuống:
V
-
(+)
a
V = V
R
+
D A C
D A C n b it
M a õs o á
ra
C o u n te r
U p /D o w n
C o n tr o l L i g i c
V a ( t)
CK
VR
K h o ân g th a ây ñ o åi k òp s o
v ô ùi V a ( t)
VR
Nếu ngã ra của mạch so sánh cho thấy V R
đếm xuống. Nếu điện áp Va không đổi, VR sẽ tự dao động xung
quanh Va với 2 trị số khác nhau 1 LSB. Khi V a thay đổi chậm, VR
theo kịp Va khi đó số đếm của mạch là mã nhị phân tương ứng
với trị tức thời của điện áp vào. Nhưng nếu Va biến đổi nhanh,
VR sẽ không theo kịp Va thì số đếm của mạch đếm không phải
là mã nhị phân mong muốn.
c. Mạch ADC lấy gần đúng kế tiếp SAR:
Các mạch đếm ở trên đều không được dùng trong thực tế.
Ở đây xét mạch đổi lấy gần đúng kế tiếp dùng cách đổi điện áp
mẫu một cách hiệu quả hơn khiến số lần chuyển đổi ra mã số n
bit chỉ mất n chu kỳ xung CK. Mạch đổi gồm mạch so sánh,
mạch ghi chuyển đặc biệt và mạch ADC.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
V a ( t)
-
V = V
R
19
V c
+
D A C
D A C n b it
M a õs o á
ra
CK
SA R
Mạch ghi chuyển đặc biệt được gọi là Smạch
T A R T ghi lấy gần
đúng kế tiếp (Successive Approximation Register: SAR) là mạch
có hợp luôn phần điều khiển logic.
Khi có xung bắt đầu mạch SAR được đặt lệch về 0. Ngã ra
của DAC được làm lệch ½ LSB để tạo đặc tính chuyển đổi, kế
đến SAR đưa bit có nghĩa lớn nhất (MSB) lên 1, các bit khác
bằng 0. Số nhị phân ra ở SAR được đưa vào mạch DAC.
Nếu VR>Va (điện áp tương tự vào) ngã ra V c của mạch so
sánh mức [0] khiến SAR bỏ đi MSB (làm cho nó bằng 0).
Nếu VR
1 và được quyết định bởi cách thức như bit MSB ở trên. Tiếp tục
như vậy cho đến bit cuối cùng của SAR, lúc đó V a gần VR nhất.
d. Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đơn. (Single ramp
converter) :
Tín hiệu chuẩn từng nấc được tạo bởi mạch ADC có thể
được thay thế bởi điện áp chuẩn dốc liên tục do mạch tạo tín
hiệu dốc lên liên tục tạo ra.
V a ( t)
V
R
+
-
V c ( t)
1
V c 2( t )
Q
S
R
FF
EO C
Q
+
M a ïc h ta ïo
tí n h i e äu
d o ác l e ân
CK
M a ïc h ñ e ám
n b it
M a õs o á
ra
Ban đầu:
S T(+)
A =V
R T offset ngã ra của SS1 là
Mạch so sánh SS1 có V(-)=Va >V
VC1=[0].
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
20
Mạch so sánh SS1 có V(+)=Voffset < V(-)=0 ngã ra của SS1 là
VC2=[0].
Khi cho xung START đặt vào mạch đếm n bit về 0 và khởi
động mạch tạo tín hiệu dốc lên, V R từ giá trị hơi âm tăng đến
khi đường dốc cắt trục 0V.
Trong khoảng thời gian t1 – t2.
Mạch SS2: V(+)=VR > V(-)=0 VC2=[1].
Mạch SS1: V(+)=VR < V(-)=Va VC1=[0].
Tại FF S=0
Q=0
R=START =1
Q=1.
Tại cổng AND
Q =1
Đưa xung CK vào bộ đếm.
VC2
STA R T
C
t
V a ,V
V
R
V o ff s e t
R
t
V c1
V c
R
+
R O Ån ñ òn h v a øo
h ig h
t
h ig h
2
t
CK
t
EOC
t
Tc
H ìn h a.
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
V r ( t)
H ìn h b .
Đo lực và ứng suất
Trang
21
Khi VR>Va:
Mạch SS1: VR=V(+) > V(-)=Va VC1=[1].
Tại FF:
S=VC1=[1].
Q=1=EOC
R= hết xung START =[0] Q=0Đóng cổng AND
lại không cho xung CK vào mạch đếm, tạo tín hiệu EOC.
Tín hiệu dốc lên thường được tạo bởi mạch tích phân nối đến
điện áp mẫu VR (hình b).
e. Mạch ADC dùng tín hiệu dốc đôi:
Mạch đổi này dùng cách lấy tích phân để giải quyết khuyết
điểm của mạch đổi dùng tín hiệu dốc đơn. Mạch này gồm mạch
lấy tích phân, mạch so sánh, mạch logic điều khiển và mạch
đếm n bit.
SI
C
V a<0
V
S1
R
S2
R
-
V i
+
M a ïc h t í c h
p h a ân
M a ïc h l o g i c
ñ i e àu k h i e ån
-
V c
+
M a ïc h s o s a ùn h
ST A R T
EOC
M a ïc h
ñ e ám n b i t
Ñ e äm n g o õ r a
M a õs o ár a
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
CK
o lc v ng sut
Trang
22
STA R T
V Im ax
t
d o ỏc l e õn l a ỏy t ớ c h p h a õn V a
d o ỏc x u o ỏn g l a ỏy t ớ c h p h a õn V a
t
V c
t1
EOC
t2
t
Tc
Mch iu khin logic sau khi nhn xung START s m S I,
t
úng S1 v m S2. Khi chuyn mch S1 úng a tớn hiu Va (gi
s õm) vo mch tớch phõn ly tớch phõn theo V a. Khi ú ngó
ra mch tớch phõn s l:
VI (t)
1 t
. Va(t).dt
RC 0
Giaỷ
sửỷ
Va(t) Va thayủoồi
chaọm.
Va
V I (t)
.t (Va 0)
RC
VI(t) =V(-)SS >0. Vỡ th ngó ra ca mch so sỏnh cú VC=1.
Do ú m cng AND cho xung CK vo mch m.
Khi mch m trn (ht c ri t ng quay v 0).
Mch logic iu khin m S1, úng S2. Chuyn mch S2 úng
a VR vo mch tớnh phõn ly tớch phõn theo V R (VR>0). Vỡ
th ngó ra VI gim t VImax v 0.
- Giỏ tr VImax khụng i trong sut 2 giai on ly tớch phõn
t
t t
1
1
2
1
1
. Va. .dt
. VR .dt
RC
RC
0
0
t1,t2.
Gi s R,C khụng i trong sut thi gian chuyn i.
3. c tớnh k thut ca mch ADC:
SVTH :H THANH LM - PHM TRNG QUNH
Đo lực và ứng suất
Trang
23
a. Độ chính xác bất định do lượng tử hóa:
Va .t1 VR .t2
Va
VR
t2 N
N
n Va VR . n
t1 2
2
N
2n
(với
N là
số
đếm
saucùng);
t1
(trong
mạchđếm
từ0 đến
giá
tròtràn
khung)
fc
fc
-Điện áp tương tự liên tục được chia thành 2 n khoảng gián
đoạn. Ở mạch đổi n bit. Các trị tương tự cùng một khoảng được
biểu thị cùng một mã số nhị phân. Do đó có một độ chính xác
bất định ½ LSB bên cạnh các sai số chuyển đổi khác. Trong
mạch tín hiệu dốc đơn sai số này thường được phát biểu như
một số đếm.
t2
b.Độ chính xác:
Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trị
thực tế của điện áp tương tự vào cho một mã nhị phân ra. Vì 1
mã số ra tương ứng với một khoảng hẹp của điện áp tương tự
vào nên điện áp tương tự vào ở định nghĩa trên được xem như
là điểm giữa khoảng.
Sai số tuyệt đối gồm :sai số về độ lợi, về khơng, độ phi
tuyến và do nhiễu.
Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tut đối
như định nghĩa trong điều kiện trị tràn khung đã được lấy
chuẩn vì các điểm rời trên đặc tính chuyển lý thuyết nằm trên
một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng chính xác là
độ phi tuyến.
c. Chỉnh khơng và chỉnh độ lợi:
Điểm khơng của mạch đổi ADC được chỉnh sao cho sự
chuyển tiếp từ các bit đầu bằng 0 lên LSB xảy ra ở ½.2 -n trị tràn
khung danh định.
Độ lợi được chỉnh cho chuyển tiếp cuối cùng lên các bit
đều bằng 1 xảy ra tràn khung (1-3/2.2-n).
Điểm 0 của mạch chuyển đổi ADC lưỡng cực được chỉnh
sao cho chuyển tiếp đầu trên xảy ra ở tồn khung (1-2 -n) và
chuyển tiếp cuối xảy ra 0_+ tràn khung (1-3.2-n).
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
Đo lực và ứng suất
Trang
B.Khảo sát ADC ICL 7109:
Sơ đồ chân:
IC L 7 1 0 9
( P D IP )
T O P V IE W
P IN O U T S
G N D
1
40
V+
S TATU S
2
39
R E F IN -
PO L
3
38
R EF C AP -
O R
4
37
R EF C AP +
B12
5
36
R E F IN +
B11
6
35
IN H I
B10
7
34
IN L O
B9
8
33
C O MM O N
B8
9
B7
10
B6
11
IC L
7109
32
IN T
31
AZ
30
29
BU F
R EF O U T
B5
12
B4
13
28
V-
B3
14
27
SEN D
B2
15
26
R U N /H O L D
B1
16
25
BU F O SC O U T
TEST
17
24
O SC SEL
L .B E N
18
23
O SC O U T
H .B E N
19
22
O S C IN
C E /L O A D
20
21
M O D E
Các thông số về nhiệt độ:
Họ IC
TẦM NHIỆT ĐỘ HOẠT ĐỘNG
ICL 7109MDL
-550C +1250C
ICL 7109 IDL
-250C +850C
ICL 7109CPL
0 +700C
ICL 7109
MDL/883
ICL 7109 IPL
-550C +1250C
-250C +850C
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
24
Đo lực và ứng suất
Trang
25
Đặc điểm:
+ ADC 12 bit nhị phân (cộng với bit cực tính và bit tràn)
hoạt động theo phương pháp tích phân hai độ dốc.
+Ngõ ra 3 trạng thái tương thích TTL và với kiểu giao tiếp
UART thì phù hợp với giao tiếp song song hoặc giao tiếp với hệ
thống vi xử lý.
+Ngõ vào Run/Hold và Status được dùng để theo dõi và
kiểm tra sự chuyển đổi.. .Mức nhiễu thấp khoảng 15 Vp-p.
+ Dòng ngõ vào khoảng 1pA.
+Hoạt động có thể lên đến 30 lần biến đổi trong 1 giây.
+Vi mạch bên trong sử dụng dao động thạch anh 3,58MHz
sẽ cho 7,5 lần chuyển đổi trong 1 giây. Ngoài ra nó có thể sử
dụng dao động RC hoặc bất cứ tần số xung đồng hồ khác để
tạo dao động.
MÔ TẢ:
ICL 7109 thuộc họ CMOS, chuyển đổi nhanh, nguồn nuôi
thấp và được thiết kế dễ dàng giao tiếp với vi xử lý.
Ngõ ra dữ liệu(12 bit cộng 1 bit cực tính và 1 bit tràn) sẵn
sàng giao tiếp song song thông qua sự điều khiển của 2 ngõ
vào ENABLE và CHIP SELECT, kiểu giao diện UART sẽ cho phép
ICL7109 làm việc với tiêu chuẩn công nghiệp mà ở đó UART sẽ
đóng vai trò truyền dữ liệu.
Vi mạch ICL7109 có những ưu điểm như: độ chính xác cao,
nhiễu không đáng kể và trôi áp thấp đặc biệt rất kinh tế. Ngoài
ra nó còn có những thông số khác như: trôi áp thấp hơn
1V/oc, dòng vào tối đa 10pA và công suất tiêu thụ 20mW…
làm cho vi mạch này càng trở nên hấp dẫn.
CHỨC NĂNG CÁC CHÂN:
CHÂN
1
2
KÝ HIỆU
GND
STATUS
3
POL
4
5
6
7
8
9
10
OR
B12
B11
B10
B9
B8
B7
CHỨC NĂNG
Chân Mass
Ngõ ra lên mức cao trong suốt quá trình biến đổi
cho đến khi dữ liệu được chốt lại. Ngõ ra xuống thấp
khi tín hiệu được chuyển đổi xong
Báo cực tính – Mức 1 khi tín hiệu tương tự vào
dương
Bit tràn - Mức 1 nếu tràn.
Bit 12 Bit có trọng số lớn Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng
nhất
thái
Bit 11
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng
Bit 10
thái
Bit 9
Bit dữ liệu ngõ ra 3 trạng
Bit 8
thái
SVTH :HÀ THANH LÂM - PHẠM TRỌNG QUỲNH
