pjnk_pjg_90
New Member
Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
Mục Lục
Lời mở đầu 1
Chương 1 CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN 3
1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor) 3
1.2. Cảm biến ánh sáng 4
1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang 4
1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng 4
1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang. 4
1.2.2. Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện 5
1.2.2.1. Tế bào quang dẫn 5
1.2.2.2. Photodiode 6
1.2.2.3. Phototransistor 8
1.2.2.4. Cảm biến quang phát xạ 9
1.3. Cảm biến ánh sáng/ tần số 9
1.3.1. Sơ đồ khối của một bộ cảm biến ánh sáng/ tần số 10
1.3.2. Sơ đồ nguyên lý 10
1.4. Thu thập dữ liệu nhờ cảm biến 10
1.5. Cảm biến thông minh 12
1.6. Ưu điểm của cảm biến lối ra tần số ( gọi tắt là cảm biến tần số ) 13
Chương 2 XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH 16
2.1. Chuyển đổi các đại lượng vật lý khác sang miền tần số 16
2.2. Phương pháp thu thập dữ liệu cho hệ thống cảm biến đa kênh
16
2.2.1. Phương pháp thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ thời gian
16
2.2.2. Thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian 17
2.3. Các phương pháp chuyển đổi tần số sang mã 18
2.3.1. Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp 19
2.3.2. Phương pháp đếm gián tiếp (đo chu kỳ) 22
2.3.3. Phương pháp kết hợp hai bộ đếm 28
2.4. Các phép toán xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh / tần số
29
2.4.1. Toán tử cộng và trừ 30
2.4.2. Bộ nhân và bộ chia 31
2.4.3. Toán tử vi phân và tích phân 32
2.4.4. Một ứng dụng các toán tử 33
2.5. Thuật toán thông minh và giao tiếp bus 34
2.5.1. Thuật toán thông minh 34
2.5.2. Giao tiếp bus 34
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 5 -
Chương 3 HỆ VI ĐIỀU KHIỂN NHÚNG VÀ LOẠI VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11
CỦA MOTOROLA 35
3.1. Các bộ vi điều khiển và các bộ xử lý nhúng 35
3.1.1. Bộ vi điều khiển so với bộ vi xử lý phổ thông 35
3.1.2. Các bộ vi điều khiển cho các hệ thống nhúng 35
3.1.3. Lựa chọn một bộ vi điều khiển 38
3.2. Tổng quan về MC68HC11E 39
3.2.1. Đặc trưng của họ vi điều khiển MC68HC11E 39
3.2.2. Cấu trúc khối MC68HC11E 41
3.2.3. Chân và cổng vào ra của MC68HC11E 41
3.2.3.1. VDD và VSS 44
3.2.3.2. RESET 45
3.2.3.4. Yêu cầu ngắt và che ngắt ( IRQ and XIRQ/VPPE)
46
3.2.3.5. STRA/AS và STRB/R/W 46
3.2.3.6. MODA, MODB chân điều khiển chọn mode 46
3.2.4. Bộ vi xử lý trung tâm 49
3.2.4.1. Các thanh ghi của CPU 50
3.2.4.2. Kiểu dữ liệu dùng trong CPU 51
3.2.4.3. Mã lệnh và toán tử 51
3.2.4.4. Các mode địa chỉ 51
3.2.5 Kết luận 51
3.3. Lựa chọn vi điều khiển MC68HC11 cho bộ cảm biến 51
Chương 4 XÂY DỰNG THỰC TẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU
KÊNH, THÔNG MINH DÙNG CẢM BIẾN ÁNH SÁNG/TẦN SỐ DỰA TRÊN HỌ
VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11 53
4.1. Mạch điện hỗ trợ chức năng tính toán của HC11 53
4.1.1. Thiết kế mạch điện (layout) 53
4.1.2. Sơ đồ khối bảng mạch 54
4.1.3. Miêu tả chung 55
4.1.4. Thiết bị trong EVB, và các thông số 56
4.2. Giới thiệu về C-spy 57
4.2.1. Tổng quan 57
4.2.2. Tiến hành cài đặt và sử dụng 57
4.2.2.1. Cài đặt 57
4.2.2.2. Sử dụng 58
4.3. Chương trình điều khiển và kết quả thực nghiệm 62Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 6 -
Tóm tắt nội dung đề tài
Nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh,
thông minh trên cảm biến ánh sáng / tần số dùng Mc68HC11. Nội dung gồm hai phần:
Phần thứ nhất: nghiên cứu hoạt động của hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh
thông minh. Phần này được viết trong 3 chương đầu. Nội dung mô tả nguyên lý hoạt
động của cảm biến ánh sáng / tần số, cấu trúc và hoạt động của chíp MC68HC11 và
cách thức xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Từ đó cung cấp cho ta tư duy để
xây dựng hệ thống cảm biến dùng trong hoạt động thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của
máy tính.
Phần thứ hai, chương còn lại báo cáo kết quả và quá trình xây dựng thực tế
một hệ thống thu thập dữ liệu dùng cảm biến ánh sáng. Tổng đề tài khoảng 70 trang.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 7 -
Lời mở đầu
Theo báo cáo của tổ chức cố vấn công nghệ (Intechno Consulting), thị trường
cảm biến dùng cho các mục tiêu phi quân sự trên thế giới có lợi nhuận 32.5 tỉ đô la Mỹ
vào năm 1998. Năm 2003 con số đó tăng lên 5.3% đạt được 42.2 tỉ đô. Dự tính tới năm
2008 con số đó sẽ đạt tới 50 – 51 tỉ đô la. Một số người lạc quan hơn lại cho rằng thị
trường cảm biến toàn cầu sẽ đạt tới con số 54 tỉ đô la vào năm 2008. Trên thực tế thị
phần của cảm biến chiếm 38.9% thị trường linh kiện bán dẫn vào năm 1998 sẽ tăng lên
43% vào năm 2008. Và với sự tiến bộ của công nghệ vi cơ khí (MEMS-technologies),
cảm biến thông minh, cảm biến với bus thích nghi, thị phần cảm biến bán dẫn còn tăng
hơn nữa và vượt qua cả thị phần các sản phẩm ứng dụng khác, viễn thông hay thị phần
máy tính cá nhân.
Cảm biến kết hợp với các hệ thống xử lý thông tin, hệ vi xử lý làm cho máy
móc thông minh, linh hoạt hơn và nhất là có cảm nhận được với sự thay đổi môi
trường, hay xa hơn nữa máy móc cũng có cảm nhận như con người. Trong các hệ
thống đó, cảm biến đóng vai trò như một kênh thu nhận thông tin từ môi trường ngoài
và phản hồi các thông tin đó về hệ thống bộ não của máy móc để quyết định hành
động. Để làm cho cảm biến có cảm giác như của con người rất khó, tương đương như
việc làm cho bộ não của máy thông minh như não người. Tuy nhiên hệ thống ứng
dụng đơn giản hơn, hệ thống điều khiển tự động với trợ giúp của cảm biến như là khối
thông tin đầu vào, hệ vi xử lý xử lý thông tin và quyết định lối ra là khả thi và được
xây dựng rất nhiểu trong thực tế. Đơn cử như hệ thống quản lý, điều khiển ánh sáng ,
nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ PH,… trong nhà kính và dùng trong nông nghiệp sạch mà
Ixraen tài trợ cho chính phủ vào hồi đầu năm. Hay đơn giản hơn, và dễ thấy hơn như
bộ điều chỉnh nhiệt độ trong các máy điều hoà, hay máy lạnh hiện đại... Ngoài ra cảm
biến cũng được dùng trong hệ thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin. Thông thường hệ
thống như vậy kết hợp rất nhiều cảm biến. Dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau đưa
vào máy tính để liên kết, thống kê và tính toán sử dụng cho mục đích khoa học khác
hay để điều khiển trở lại. Ví dụ hệ thống thống kê tự động số người ra vào một công ty
hay một cửa hàng nào đó trong một tháng.
Nhận thức được vai trò to lớn và khả năng ứng dụng tiềm tàng, thầy Hồ Văn
Sung đã giao cho em tìm hiểu đề tài: “ Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế hệ thống thuĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 8 -
thập dữ liệu nhiều kênh, thông minh dựa trên cảm biến ánh sáng/ tần số dùng họ vi
điều khiển MC68HC11”. Cụ thể em phải tìm hiểu cấu trúc hoạt động của hệ cảm biến
ánh sáng/ tần số, kết hợp cảm biến với hệ vi điều khiển để đánh giá, xử lý kết quả đo
(nếu cần) và đưa kết quả ra bộ phận hiển thị (màn hình máy tính, màn hình tinh thể
lỏng) hay đưa kết quả ra bộ thực thi (mô tơ bước). Do đề tài khá mới, nên người viết
chủ yêu phải nghiên cứu lý thuyết bằng tiếng Anh. Sau đó có kết hợp với một số bài
toán thực hành trên máy nhằm củng cố thêm lý thuyết và cũng có xây dựng được một
số chi tiết phần cứng cần thiết. Nội dung đề tài bao gồm 4 chương:
Chương 1, nghiên cứu nguyên lý chung của cảm biến ánh sáng tần số. Các sơ
đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của máy tính, sơ đồ khối của cảm
biến thông minh. Ưu điểm của cảm biến với lối ra tần số.
Chương 2, đi sâu vào hoạt động xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Các
phưong pháp biến thế thành tần số, tần số thành mã, các phương pháp tính toán trên tín
hiệu, phương pháp hợp kênh cảm biến tần số.
Chương 3, tổng quan về vi điều khiển nhúng, và hoạt động cơ bản của họ vi
điều khiển MC68HC11. Lý do lựa chọn họ vi điều khiển cho hoạt động xử lý tín hiệu
trong cảm biến.
Chương 4, báo cáo quá trình xây dựng thực tế một hệ thống thu thập dữ liệu.
Bảng mạch điện tử, phần mềm trợ giúp xây dựng một ứng dụng
Mặc dù đã cố găng nhiều, nhưng do trình độ người viết là có hạn nên không
tránh khỏi thiếu sót. Rất mong sự quan tâm giúp đỡ thêm của thầy cô và bạn bè.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 9 -
Chương 1
CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN
1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor)
Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng... là
các đại lượng cần đo m. Việc đo đạc và chuyển các đại lượng nói trên thành các tín
hiệu điện là nhiệm vụ của các cảm biến có lối ra là tín hiệu điện.
Phương trình toán học:
S = F(m)
Cảm biến được chia làm hai loại:
− Cảm biến tích cực: là loại cảm biến dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi tín
hiệu ở dạng năng lượng nào đó ( nhiệt, cơ ) sang năng lượng điện ( Như hiệu ứng nhiệt
điện, áp điện.. ).
− Cảm biến thụ động: thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong
các thông số chủ yếu nhạy cảm với đại lượng cần đo.
Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo ( trong đó kể cả cảm biến ) cho phép
xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể. Như vậy
vai trò của mạch đo rất quan trọng, đơn giản nó chỉ là bộ phận cấp nguồn, hay phức
tạp hơn nó còn tham gia xử lý tín hiệu, lọc nhiễu...
Các tiêu chí đánh giá một cảm biến
− Tính trung thực, tính đúng đắn, độ chính xác, sai số.
− Độ nhạy tĩnh, độ nhạy động.
− Độ tuyến tính.
− Độ nhanh, thời gian đáp ứng.
Một cảm biến trước khi sử dụng cần được chuẩn. Chuẩn cảm biến có mục đích
diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị hay đại số, mối quan hệ giữa giá trị m của đại
lượng cần đo và giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số
ảnh hưởng ( nhiễu ). Chuẩn cảm biến là những công việc đại loại như chuẩn điểm 0,
chuẩn mốc thời gian ...Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 10 -
1.2. Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng là loại cảm biến chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành
năng lượng điện.
1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang
1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng
Ánh sáng có tính chất sóng nhưng vừa có tính chất hạt. tuỳ từng trường hợp vào môi
trường, điều kiện đo mà nó thể hiện tính chất sóng hay tính chất hạt.
− Về tính chất sóng ta lưu ý ánh sáng là một loại sóng điện từ mang đầy đủ
tính chất của sóng điện từ ( sóng ngang, truyền trong chân không với vận tốc 300000
km/s).
− Về tính chất hạt ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất.
Đặc điểm quan trọng là tính lượng tử năng lượng của hạt ánh sáng mà ta quen gọi là
hạt lượng tử ánh sáng ( photon ).
− Chi tiết hơn về tính chất ánh sáng xin tìm hiểu trong các giáo trình vật lý.
1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang.
− Năng lượng bức xạ (Q): là năng lượng phát xạ, lan truyền hay hấp thụ
dưới dạng bức xạ được đo bằng jun (J).
− Thông lượng ánh sáng(φ): là công suất phát xạ, lan truyền hay hấp thụ, đo
bằng oat (W).
φ = dQ/dt
− Cường độ ánh sáng (I) : là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho
trước dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oat/steradian.
I = dφ/dΩ.
− Độ chói năng lượng (L): là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một
phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này
trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó, dAn = dA.COSφ (φ là góc giữa P và mặt
phẳng chứa dA). Độ chói năng lượng được đo bằng oat/steriadian.m2:
L = dI/dAn.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 11 -
− Độ rọi năng lượng (E): là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một
phần tủ bề mặt và diện tích của phần tử đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2:
E = dφ/dA.
1.2.2. Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện
1.2.2.1. Tế bào quang dẫn
Đặc trưng của quang trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ
và phổ của bức xạ đó. Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ
nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của
hiệu ứng quang điện nội: hiện tượng giải phóng hạt dẫn điện trong vật liệu dưới tác
dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu.
Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng là không tuyến tính. Điện
trở của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Tuy nhiên có thể
tuyến tính hoá nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang
dẫn.
Khi sử dụng tế bào quang dẫn một trong những thông số ta cần quan tâm là
điện trở tối của nó. Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt
độ và tính chất hoá lý của vật liệu quang dẫn. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối
rất lớn (từ 104Ω tới 109Ω ở 250C), trong khi đó SbIn, SbAs lại có điện trở tối tương đối
nhỏ (từ 10Ω tới 103Ω ở 250C).
Điện trở của cảm biến cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy nhiên khi cường độ
chiếu sáng càng cao thì độ nhạy cảm của nó càng giảm.
Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng bán dẫn đa tinh thể đồng nhất
hay đơn tinh thể, bán dẫn riêng hay bán dẫn pha tạp, thí dụ:
+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, PbS, PbSe...
+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hay pha tạp Au, Cu, Sb, In...
Đa số các vật liệu trên có phổ làm việc trong vùng hồng ngoại tới tử ngoại.
Trong thực tế ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông
lượng. Thông thường chúng được sử dụng để phân biệt hai trạng thái sáng tối hoặc
xung ánh sáng. Ứng công cụ thể của nó chỉ ra trong hai trường hợp:
4.2. Giới thiệu về C-spy
4.2.1. Tổng quan
Với trình gỡ rối BUFFALO dựa trên ngôn ngữ assembler chưa phải là ngôn
ngữ bậc cao. Muốn viết một chương trình điều khiển hoạt động của HC11 trên ngôn
ngữ assem quả thực là rất khó khăn và có qua nhiều việc càn làm. Ví dụ như cần viết
chương trình giao tiếp giữa máy tính host và EVB khi nạp chương trình vào
EPROM,… Trong khi đó C-spy của IAR cung cấp cho ta ngôn ngữ lập trình bậc cao,
chạy trên nền Windows với rất nhiều hàm sẵn có trong thư viện. Các thao tác nhận
phần cứng, thiết bị và điều khiển tương tác giữa các thiết bị được thực hiện tự động
hay đơn giản qua một thao tác nhấp chuột. Ngoài ra C-spy còn cung cấp hệ soạn thảo
chương trình nguồn với chức năng tự gỡ rối. C-spy được thiết kế làm việc với cả hai
ngôn ngữ C và assembler. Người dùng có thể chuyển đổi qua lại giữa hai mức chương
trình nguồn khi cần thiết. Điều không cần bàn cãi là với chương trình C người dùng
không tốn nhiều công sức xây dựng chương trình điều khiển thực hiện một mục đích
nào đó. Đặc biệt với các bài toán có cấu trúc cơ sổ dữ liệu phức tạp thì dung chương
trình soạn thảo C có ưu thế tuyệt đối. Tuy nhiên chương trình assembler cũng có ưu
điểm khi cần điều khiển phần cứng một cách chính xác. Do đó ta cần viết bằng ngôn
ngữ assembler với các chương trình điều khiển quan trọng. Chu trình xây dựng và phát
triển một ứng dụng dựa trên hệ C-spy của IAR như trong hình vẽ.
4.2.2. Tiến hành cài đặt và sử dụng
4.2.2.1. Cài đặt
Cài đặt hệ thống C-spy trên nền Windows không có gì đặc biệt. Tất cả các
bước đều thực hiện trên giao diện đồ hoạ và được thực hiện một cách đơn giản. C-spy
có ba phiên bản cơ bản : simulator, emulator và rom-monitor. Mỗi phiên bản có một
đặc trưng riêng biệt.
1) Phiên bản simulator
Đây là phiên bản mô phỏng chức năng của bộ vi xử lý bằng phần mềm chương
trình này có thể kiểm tra trước khi bất kì phần cứng nào được thực hiện vì vậy không
yêu cầu phần cứng vì thế giá thành thấp nhất và là giải pháp cho nhiều ứng dụng mô
phỏng.
2) Phiên bản emulator
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Mục Lục
Lời mở đầu 1
Chương 1 CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN 3
1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor) 3
1.2. Cảm biến ánh sáng 4
1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang 4
1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng 4
1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang. 4
1.2.2. Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện 5
1.2.2.1. Tế bào quang dẫn 5
1.2.2.2. Photodiode 6
1.2.2.3. Phototransistor 8
1.2.2.4. Cảm biến quang phát xạ 9
1.3. Cảm biến ánh sáng/ tần số 9
1.3.1. Sơ đồ khối của một bộ cảm biến ánh sáng/ tần số 10
1.3.2. Sơ đồ nguyên lý 10
1.4. Thu thập dữ liệu nhờ cảm biến 10
1.5. Cảm biến thông minh 12
1.6. Ưu điểm của cảm biến lối ra tần số ( gọi tắt là cảm biến tần số ) 13
Chương 2 XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH 16
2.1. Chuyển đổi các đại lượng vật lý khác sang miền tần số 16
2.2. Phương pháp thu thập dữ liệu cho hệ thống cảm biến đa kênh
16
2.2.1. Phương pháp thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ thời gian
16
2.2.2. Thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian 17
2.3. Các phương pháp chuyển đổi tần số sang mã 18
2.3.1. Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp 19
2.3.2. Phương pháp đếm gián tiếp (đo chu kỳ) 22
2.3.3. Phương pháp kết hợp hai bộ đếm 28
2.4. Các phép toán xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh / tần số
29
2.4.1. Toán tử cộng và trừ 30
2.4.2. Bộ nhân và bộ chia 31
2.4.3. Toán tử vi phân và tích phân 32
2.4.4. Một ứng dụng các toán tử 33
2.5. Thuật toán thông minh và giao tiếp bus 34
2.5.1. Thuật toán thông minh 34
2.5.2. Giao tiếp bus 34
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 5 -
Chương 3 HỆ VI ĐIỀU KHIỂN NHÚNG VÀ LOẠI VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11
CỦA MOTOROLA 35
3.1. Các bộ vi điều khiển và các bộ xử lý nhúng 35
3.1.1. Bộ vi điều khiển so với bộ vi xử lý phổ thông 35
3.1.2. Các bộ vi điều khiển cho các hệ thống nhúng 35
3.1.3. Lựa chọn một bộ vi điều khiển 38
3.2. Tổng quan về MC68HC11E 39
3.2.1. Đặc trưng của họ vi điều khiển MC68HC11E 39
3.2.2. Cấu trúc khối MC68HC11E 41
3.2.3. Chân và cổng vào ra của MC68HC11E 41
3.2.3.1. VDD và VSS 44
3.2.3.2. RESET 45
3.2.3.4. Yêu cầu ngắt và che ngắt ( IRQ and XIRQ/VPPE)
46
3.2.3.5. STRA/AS và STRB/R/W 46
3.2.3.6. MODA, MODB chân điều khiển chọn mode 46
3.2.4. Bộ vi xử lý trung tâm 49
3.2.4.1. Các thanh ghi của CPU 50
3.2.4.2. Kiểu dữ liệu dùng trong CPU 51
3.2.4.3. Mã lệnh và toán tử 51
3.2.4.4. Các mode địa chỉ 51
3.2.5 Kết luận 51
3.3. Lựa chọn vi điều khiển MC68HC11 cho bộ cảm biến 51
Chương 4 XÂY DỰNG THỰC TẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU
KÊNH, THÔNG MINH DÙNG CẢM BIẾN ÁNH SÁNG/TẦN SỐ DỰA TRÊN HỌ
VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11 53
4.1. Mạch điện hỗ trợ chức năng tính toán của HC11 53
4.1.1. Thiết kế mạch điện (layout) 53
4.1.2. Sơ đồ khối bảng mạch 54
4.1.3. Miêu tả chung 55
4.1.4. Thiết bị trong EVB, và các thông số 56
4.2. Giới thiệu về C-spy 57
4.2.1. Tổng quan 57
4.2.2. Tiến hành cài đặt và sử dụng 57
4.2.2.1. Cài đặt 57
4.2.2.2. Sử dụng 58
4.3. Chương trình điều khiển và kết quả thực nghiệm 62Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 6 -
Tóm tắt nội dung đề tài
Nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh,
thông minh trên cảm biến ánh sáng / tần số dùng Mc68HC11. Nội dung gồm hai phần:
Phần thứ nhất: nghiên cứu hoạt động của hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh
thông minh. Phần này được viết trong 3 chương đầu. Nội dung mô tả nguyên lý hoạt
động của cảm biến ánh sáng / tần số, cấu trúc và hoạt động của chíp MC68HC11 và
cách thức xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Từ đó cung cấp cho ta tư duy để
xây dựng hệ thống cảm biến dùng trong hoạt động thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của
máy tính.
Phần thứ hai, chương còn lại báo cáo kết quả và quá trình xây dựng thực tế
một hệ thống thu thập dữ liệu dùng cảm biến ánh sáng. Tổng đề tài khoảng 70 trang.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 7 -
Lời mở đầu
Theo báo cáo của tổ chức cố vấn công nghệ (Intechno Consulting), thị trường
cảm biến dùng cho các mục tiêu phi quân sự trên thế giới có lợi nhuận 32.5 tỉ đô la Mỹ
vào năm 1998. Năm 2003 con số đó tăng lên 5.3% đạt được 42.2 tỉ đô. Dự tính tới năm
2008 con số đó sẽ đạt tới 50 – 51 tỉ đô la. Một số người lạc quan hơn lại cho rằng thị
trường cảm biến toàn cầu sẽ đạt tới con số 54 tỉ đô la vào năm 2008. Trên thực tế thị
phần của cảm biến chiếm 38.9% thị trường linh kiện bán dẫn vào năm 1998 sẽ tăng lên
43% vào năm 2008. Và với sự tiến bộ của công nghệ vi cơ khí (MEMS-technologies),
cảm biến thông minh, cảm biến với bus thích nghi, thị phần cảm biến bán dẫn còn tăng
hơn nữa và vượt qua cả thị phần các sản phẩm ứng dụng khác, viễn thông hay thị phần
máy tính cá nhân.
Cảm biến kết hợp với các hệ thống xử lý thông tin, hệ vi xử lý làm cho máy
móc thông minh, linh hoạt hơn và nhất là có cảm nhận được với sự thay đổi môi
trường, hay xa hơn nữa máy móc cũng có cảm nhận như con người. Trong các hệ
thống đó, cảm biến đóng vai trò như một kênh thu nhận thông tin từ môi trường ngoài
và phản hồi các thông tin đó về hệ thống bộ não của máy móc để quyết định hành
động. Để làm cho cảm biến có cảm giác như của con người rất khó, tương đương như
việc làm cho bộ não của máy thông minh như não người. Tuy nhiên hệ thống ứng
dụng đơn giản hơn, hệ thống điều khiển tự động với trợ giúp của cảm biến như là khối
thông tin đầu vào, hệ vi xử lý xử lý thông tin và quyết định lối ra là khả thi và được
xây dựng rất nhiểu trong thực tế. Đơn cử như hệ thống quản lý, điều khiển ánh sáng ,
nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ PH,… trong nhà kính và dùng trong nông nghiệp sạch mà
Ixraen tài trợ cho chính phủ vào hồi đầu năm. Hay đơn giản hơn, và dễ thấy hơn như
bộ điều chỉnh nhiệt độ trong các máy điều hoà, hay máy lạnh hiện đại... Ngoài ra cảm
biến cũng được dùng trong hệ thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin. Thông thường hệ
thống như vậy kết hợp rất nhiều cảm biến. Dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau đưa
vào máy tính để liên kết, thống kê và tính toán sử dụng cho mục đích khoa học khác
hay để điều khiển trở lại. Ví dụ hệ thống thống kê tự động số người ra vào một công ty
hay một cửa hàng nào đó trong một tháng.
Nhận thức được vai trò to lớn và khả năng ứng dụng tiềm tàng, thầy Hồ Văn
Sung đã giao cho em tìm hiểu đề tài: “ Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế hệ thống thuĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 8 -
thập dữ liệu nhiều kênh, thông minh dựa trên cảm biến ánh sáng/ tần số dùng họ vi
điều khiển MC68HC11”. Cụ thể em phải tìm hiểu cấu trúc hoạt động của hệ cảm biến
ánh sáng/ tần số, kết hợp cảm biến với hệ vi điều khiển để đánh giá, xử lý kết quả đo
(nếu cần) và đưa kết quả ra bộ phận hiển thị (màn hình máy tính, màn hình tinh thể
lỏng) hay đưa kết quả ra bộ thực thi (mô tơ bước). Do đề tài khá mới, nên người viết
chủ yêu phải nghiên cứu lý thuyết bằng tiếng Anh. Sau đó có kết hợp với một số bài
toán thực hành trên máy nhằm củng cố thêm lý thuyết và cũng có xây dựng được một
số chi tiết phần cứng cần thiết. Nội dung đề tài bao gồm 4 chương:
Chương 1, nghiên cứu nguyên lý chung của cảm biến ánh sáng tần số. Các sơ
đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của máy tính, sơ đồ khối của cảm
biến thông minh. Ưu điểm của cảm biến với lối ra tần số.
Chương 2, đi sâu vào hoạt động xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Các
phưong pháp biến thế thành tần số, tần số thành mã, các phương pháp tính toán trên tín
hiệu, phương pháp hợp kênh cảm biến tần số.
Chương 3, tổng quan về vi điều khiển nhúng, và hoạt động cơ bản của họ vi
điều khiển MC68HC11. Lý do lựa chọn họ vi điều khiển cho hoạt động xử lý tín hiệu
trong cảm biến.
Chương 4, báo cáo quá trình xây dựng thực tế một hệ thống thu thập dữ liệu.
Bảng mạch điện tử, phần mềm trợ giúp xây dựng một ứng dụng
Mặc dù đã cố găng nhiều, nhưng do trình độ người viết là có hạn nên không
tránh khỏi thiếu sót. Rất mong sự quan tâm giúp đỡ thêm của thầy cô và bạn bè.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 9 -
Chương 1
CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN
1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor)
Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng... là
các đại lượng cần đo m. Việc đo đạc và chuyển các đại lượng nói trên thành các tín
hiệu điện là nhiệm vụ của các cảm biến có lối ra là tín hiệu điện.
Phương trình toán học:
S = F(m)
Cảm biến được chia làm hai loại:
− Cảm biến tích cực: là loại cảm biến dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi tín
hiệu ở dạng năng lượng nào đó ( nhiệt, cơ ) sang năng lượng điện ( Như hiệu ứng nhiệt
điện, áp điện.. ).
− Cảm biến thụ động: thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong
các thông số chủ yếu nhạy cảm với đại lượng cần đo.
Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo ( trong đó kể cả cảm biến ) cho phép
xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể. Như vậy
vai trò của mạch đo rất quan trọng, đơn giản nó chỉ là bộ phận cấp nguồn, hay phức
tạp hơn nó còn tham gia xử lý tín hiệu, lọc nhiễu...
Các tiêu chí đánh giá một cảm biến
− Tính trung thực, tính đúng đắn, độ chính xác, sai số.
− Độ nhạy tĩnh, độ nhạy động.
− Độ tuyến tính.
− Độ nhanh, thời gian đáp ứng.
Một cảm biến trước khi sử dụng cần được chuẩn. Chuẩn cảm biến có mục đích
diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị hay đại số, mối quan hệ giữa giá trị m của đại
lượng cần đo và giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số
ảnh hưởng ( nhiễu ). Chuẩn cảm biến là những công việc đại loại như chuẩn điểm 0,
chuẩn mốc thời gian ...Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 10 -
1.2. Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng là loại cảm biến chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành
năng lượng điện.
1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang
1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng
Ánh sáng có tính chất sóng nhưng vừa có tính chất hạt. tuỳ từng trường hợp vào môi
trường, điều kiện đo mà nó thể hiện tính chất sóng hay tính chất hạt.
− Về tính chất sóng ta lưu ý ánh sáng là một loại sóng điện từ mang đầy đủ
tính chất của sóng điện từ ( sóng ngang, truyền trong chân không với vận tốc 300000
km/s).
− Về tính chất hạt ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất.
Đặc điểm quan trọng là tính lượng tử năng lượng của hạt ánh sáng mà ta quen gọi là
hạt lượng tử ánh sáng ( photon ).
− Chi tiết hơn về tính chất ánh sáng xin tìm hiểu trong các giáo trình vật lý.
1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang.
− Năng lượng bức xạ (Q): là năng lượng phát xạ, lan truyền hay hấp thụ
dưới dạng bức xạ được đo bằng jun (J).
− Thông lượng ánh sáng(φ): là công suất phát xạ, lan truyền hay hấp thụ, đo
bằng oat (W).
φ = dQ/dt
− Cường độ ánh sáng (I) : là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho
trước dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oat/steradian.
I = dφ/dΩ.
− Độ chói năng lượng (L): là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một
phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này
trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó, dAn = dA.COSφ (φ là góc giữa P và mặt
phẳng chứa dA). Độ chói năng lượng được đo bằng oat/steriadian.m2:
L = dI/dAn.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiĐại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 11 -
− Độ rọi năng lượng (E): là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một
phần tủ bề mặt và diện tích của phần tử đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2:
E = dφ/dA.
1.2.2. Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện
1.2.2.1. Tế bào quang dẫn
Đặc trưng của quang trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ
và phổ của bức xạ đó. Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ
nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của
hiệu ứng quang điện nội: hiện tượng giải phóng hạt dẫn điện trong vật liệu dưới tác
dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu.
Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng là không tuyến tính. Điện
trở của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Tuy nhiên có thể
tuyến tính hoá nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang
dẫn.
Khi sử dụng tế bào quang dẫn một trong những thông số ta cần quan tâm là
điện trở tối của nó. Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt
độ và tính chất hoá lý của vật liệu quang dẫn. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối
rất lớn (từ 104Ω tới 109Ω ở 250C), trong khi đó SbIn, SbAs lại có điện trở tối tương đối
nhỏ (từ 10Ω tới 103Ω ở 250C).
Điện trở của cảm biến cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy nhiên khi cường độ
chiếu sáng càng cao thì độ nhạy cảm của nó càng giảm.
Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng bán dẫn đa tinh thể đồng nhất
hay đơn tinh thể, bán dẫn riêng hay bán dẫn pha tạp, thí dụ:
+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, PbS, PbSe...
+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hay pha tạp Au, Cu, Sb, In...
Đa số các vật liệu trên có phổ làm việc trong vùng hồng ngoại tới tử ngoại.
Trong thực tế ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông
lượng. Thông thường chúng được sử dụng để phân biệt hai trạng thái sáng tối hoặc
xung ánh sáng. Ứng công cụ thể của nó chỉ ra trong hai trường hợp:
4.2. Giới thiệu về C-spy
4.2.1. Tổng quan
Với trình gỡ rối BUFFALO dựa trên ngôn ngữ assembler chưa phải là ngôn
ngữ bậc cao. Muốn viết một chương trình điều khiển hoạt động của HC11 trên ngôn
ngữ assem quả thực là rất khó khăn và có qua nhiều việc càn làm. Ví dụ như cần viết
chương trình giao tiếp giữa máy tính host và EVB khi nạp chương trình vào
EPROM,… Trong khi đó C-spy của IAR cung cấp cho ta ngôn ngữ lập trình bậc cao,
chạy trên nền Windows với rất nhiều hàm sẵn có trong thư viện. Các thao tác nhận
phần cứng, thiết bị và điều khiển tương tác giữa các thiết bị được thực hiện tự động
hay đơn giản qua một thao tác nhấp chuột. Ngoài ra C-spy còn cung cấp hệ soạn thảo
chương trình nguồn với chức năng tự gỡ rối. C-spy được thiết kế làm việc với cả hai
ngôn ngữ C và assembler. Người dùng có thể chuyển đổi qua lại giữa hai mức chương
trình nguồn khi cần thiết. Điều không cần bàn cãi là với chương trình C người dùng
không tốn nhiều công sức xây dựng chương trình điều khiển thực hiện một mục đích
nào đó. Đặc biệt với các bài toán có cấu trúc cơ sổ dữ liệu phức tạp thì dung chương
trình soạn thảo C có ưu thế tuyệt đối. Tuy nhiên chương trình assembler cũng có ưu
điểm khi cần điều khiển phần cứng một cách chính xác. Do đó ta cần viết bằng ngôn
ngữ assembler với các chương trình điều khiển quan trọng. Chu trình xây dựng và phát
triển một ứng dụng dựa trên hệ C-spy của IAR như trong hình vẽ.
4.2.2. Tiến hành cài đặt và sử dụng
4.2.2.1. Cài đặt
Cài đặt hệ thống C-spy trên nền Windows không có gì đặc biệt. Tất cả các
bước đều thực hiện trên giao diện đồ hoạ và được thực hiện một cách đơn giản. C-spy
có ba phiên bản cơ bản : simulator, emulator và rom-monitor. Mỗi phiên bản có một
đặc trưng riêng biệt.
1) Phiên bản simulator
Đây là phiên bản mô phỏng chức năng của bộ vi xử lý bằng phần mềm chương
trình này có thể kiểm tra trước khi bất kì phần cứng nào được thực hiện vì vậy không
yêu cầu phần cứng vì thế giá thành thấp nhất và là giải pháp cho nhiều ứng dụng mô
phỏng.
2) Phiên bản emulator
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links
Last edited by a moderator: