Đo lực và ứng suất

LÔØI GIÔÙI THIEÄU Ngaøy nay vieäc ño löôøng vaø ñieàu khieån ñöôïc öùng duïng trong saûn xuaát coâng nghieäp cuõng nhö trong phoøng thí nghieäm raát höõu duïng. Lôïi duïng vieäc ño öùng suaát bieán daïng töø ñoù maø ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc nhöõng thoâng soá vaät lyù cô hoïc khaùc nhö: ñoä voõng tónh, moment, löïc taùc duïng, … Hieän nay ñaõ coù nhöõng maùy ño nhö loaïi duøng ñoàng hoà chæ thò soá P3500 ñöôïc thöïc hieän taïi phoøng thí nghieäm. Khi khoa hoïc coâng ngheä thoâng tin ñaõ vaø ñang phaùt trieån thì maùy vi tính baét ñaàu thay theá caùc thieát bò ño löôøng thoâng thöôøng maø cho ta keát quaû nhanh vaø chính xaùc. Caùc thieát bò, heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån gheùp noái vôùi maùy tính coù ñoä chính xaùc cao, thôøi gian thu thaäp soá lieäu ngaén nhöng ñieàu ñaùng quan taâm hôn laø möùc ñoä töï ñoäng hoùa trong vieäc thu thaäp vaø xöû lyù caùc keát quaû ñoù. Tuy nhieân ñeå heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån gheùp noái vôùi maùy tính hoaït ñoäng ñöôïc thì ngoaøi phaàn maïch ñieän khueách ñaïi vaø chuyeån ñoåi AD thì caàn coù chöông trình ñöôïc naïp vaøo maùy tính ñeå xöû lyù keát quaû. Baøi luaän vaên naøy cuõng laø moät ñeà taøi xöû lyù tín hieän ñieän töû boä caûm bieán cho pheùp maùy tính coù theå giao tieáp thoâng qua coång maùy in. PHAÀN A DAÃN NHAÄP ÑAËT VAÁN ÑEÀ: Ñeå hieåu ñöôïc vaø laøm chuû ñöôïc caùc hieän töôïng vaät lyù hoùa hoïc, y, sinh hoïc...trong ñôøi soáng chuùng ta, ñoøi hoûi chuùng ta phaûi coù phöông phaùp ño vaø thieát bò ño löôøng seõ giuùp chuùng ta ñaït ñöôïc muïc ñích naøy. Cuøng vôùi söï tieán boä vöôït baäc cuûa coâng ngheä ñieän töû vaø coâng ngheä thoâng tin chuùng ta coù theâm caùc thieát bò ño löôøng ñieän töû ngaøy caøng chính xaùc hôn, söû duïng thuaän lôïi hôn, hoaït ñoäng ôû cheá ñoä töï ñoäng hoùa hoaøn toaøn. Ñeå phuïc vuï cho vieäc töï ñoäng hoùa trong coâng nghieäp, chuùng ta phaûi ñeà caäp ñeán caùc phöông phaùp vaø caûm bieán ño caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän. Ví duï nhö: löïc, aùp suaát, nhieät ñoä v.v... Töø nhöõng ñaïi löôïng khoâng ñieän naøy ñöôïc caûm bieán chuyeån ñoåi thaønh ñaïi löôïng ñieän roài xöû lyù tín hieäu baèng nhöõng maïch ñieän töû. Vôùi muïc ñích laø xaùc ñònh ñoä bieán daïng, öùng suaát khi taùc duïng moät löïc vaøo moät ñaàu cuûa moät daàm ngang. Töùc laø ñaët moät vaät coù khoái löôïng vaøo ñaàu daàm, treân daàm coù gaén Strain Gage (mieáng ño bieán daïng) maø töø ñoù ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc khoái löôïng maø vaät ñaët vaøo. Thoâng qua ñaïi löôïng trung gian naøy maø ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc: ñoä bieán daïng öùng suaát, ñoä voõng... vaø ñeà taøi naøy seõ ñöôïc tìm hieåu kyõ veà caùch thöùc xaùc ñònh ñöôïc caùc ñaïi löôïng naøy. Vôùi ñeà taøi “ÑO LÖÏC VAØ ÖÙNG SUAÁT” naøy coù theå duøng laøm thieát bò ño löôøng ôû phoøng thí nghieäm. Do ñoù nhieäm vuï chuû yeáu laø phaûi hieån thò ñöôïc keát quaû vôùi sai soá caøng nhoû caøng toát. GIÔÙI HAÏN ÑEÀ TAØI: Ño löïc vaø öùng suaát baèng maùy tính. Nhôø söï trôï giuùp cuûa maùy tính coäng vôùi phaàn meàm Pascal cho pheùp ngöôøi laäp trình coù theå hieån thò keát quaû döôùi nhieàu hình thöùc khaùc nhau (hieån thò cheá ñoä vaên baûn, ôû cheá ñoä ñoà thò). Vôùi thôøi gian ngaén chæ coù 10 tuaàn maø coù nhieàu vaán ñeà caàn giaûi quyeát, hôn nöõa kieán thöùc veà laäp trình coù giôùi haïn. Do ñoù trong khoaûng thôøi gian ñoù, nhoùm sinh vieân thöïc hieän taäp trung vaøo giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà sau: Thieát keá phaàn cöùng. Vieát chöông trình xöû lyù tín hieäu töø boä caûm bieán ñeå hieån thò keát quaû treân maøn hình. CAÙC PHÖÔNG PHAÙP THÖÏC THI ÑEÀ TAØI: Vôùi nhöõng yeâu caàu ñoù ta coù theå ñöa ra phöông phaùp ñeå thöïc thi ñeà taøi nhö sau: Söû duïng kyõ thuaät vi xöû lyù vaø vi ñieàu khieån. Duøng maùy tính ñeå xöû lyù. Vôùi kyõ thuaät vi xöû lyù vaø vi ñieàu khieån neáu duøng led 7 ñoaïn ñeå hieån thò 1 loaït caùc thoâng soá: löïc, öùng suaát, bieán daïng... thì seõ trôû neân gaëp khoù khaên vaø hieån thò döôùi ñoà thò seõ khoâng thöïc hieän ñöôïc. Do ñoù ôû ñaây nhoùm sinh vieân thöïc hieän choïn maùy tính ñeå xöû lyù thoâng qua coång maùy in. Sôû dó choïn phöông phaùp naøy coù öu ñieåm laø: Coù theå hieän thò cuøng moät luùc caùc thoâng soá vaø ñoà thò. Tính toaùn vaø laäp trình treân phaàn meàm Pascal so vôùi xöû lyù vaø vi ñieàu khieån. CHÖÔNG I CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO BIEÁN DAÏNG KHAÙI NIEÄM VEÀ BIEÁN DAÏNG: Khi ñaët moät löïc vaøo vaät theå, vaät theå bò thay ñoåi hình daïng. Trong tröôøng hôïp toång quaùt, söï thay ñoåi naøy goïi laø bieán daïng. ÔÛ ñaây chuùng ta hieåu bieán daïng nhö laø söï thay ñoåi hình daïng treân 1 ñôn vò daøi hay laø ñoä thay ñoåi chieàu daøi töông ñoái. CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO BIEÁN DAÏNG: Cuøng vôùi söï phaùt trieån cuûa kyõ thuaät ñieän töû, kyõ thuaät ñaàu doø, ñaëc bieät töø nhöõng naêm 1970, ngöôøi ta ñaõ cheá taïo ra raát nhieàu duïng cuï ño bieán daïng döïa treân caùc nguyeân lyù cô khí, quang, ñieän aâm thanh vaø nguyeân lyù khí neùn... Tuy nhieân khoâng coù moät nguyeân lyù naøo coù theå thoûa maõn moïi yeâu caàu kyõ thuaät ñaët ra. Do ñoù coù raát nhieàu heä thoáng ño khaùc nhau ñeå ñaùp öùng moïi yeâu caàu ño trong phaïm vi giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà khaùc nhau, sau ñaây laø caùc phöông phaùp ño: Phöông phaùp cô khí: Phöông phaùp cô khí ño bieán daïng ngaøy nay ít ñöôïc söû duïng, bôûi vì ño bieán daïng baèng ñieän trôû chính xaùc hôn vaø deã söû duïng. Tuy nhieân, duïng cuï ño cô khí ñöôïc goïi laø Extensometer vaãn coøn ñöôïc söû duïng roäng raõi trong heä thoáng kieåm tra vaät lieäu. Phöông phaùp aâm thanh: Phöông phaùp aâm thanh ño bieán daïng hieän nay haàu heát ñöôïc thay ñoåi baèng phöông phaùp ño ñieän. Phöông phaùp ño bieán daïng baèng aâm thanh coù neùt ñoäc ñaùo rieâng, oån ñònh khoâng maát ñoä chính xaùc theo thôøi gian. Phöông phaùp ño bieán daïng baèng aâm thanh vaãn ñöôïc söû duïng döïa treân nguyeân lyù do oâng R.S.Jerrett saùng cheá vaøo naêm 1944. Phöông phaùp bieán daïng baèng ñieän trôû: Phöông phaùp ño bieán daïng baèng ñieän trôû naøy ñöôïc xem laø hoaøn haûo nhaát, chæ tröø moät soá tröôøng hôïp ñaïêc bieät phöông phaùp naøy khoâng söû duïng ñöôïc. Phöông phaùp naøy ñöôïc xem laø phoå bieán nhaát hieän nay döïa treân nguyeân lyù do oâng Kelvin phaùt hieän naêm 1856. Phöông phaùp ño bieán daïng baèng chaát baùn daãn: Öu ñieåm coù ñoä nhaïy cao nhöng giaù thaønh laïi cao. Phaïm vi ño chòu aûnh höôûng nhieàu veà yeáu toá nhieät ñoä. Phöông phaùp naøy duøng ñeå ño bieán daïng raát nhoû vì noù cöïc nhaïy (vôùi ñieàu kieän nhieät ñoä oån ñònh) song raát ít söû duïng. Phöông phaùp ño bieán daïng baèng phöông phaùp löôùi: Phöông phaùp naøy coù töø laâu ñôøi, ñaët löôùi leân maãu thöû chuïp hình tröôùc vaø sau khi ñaït taûi troïng, löôùi seõ bò bieán daïng. Phöông phaùp naøy coù ñieåm khoù khaên laø caùc bieán daïng thöôøng nhoû do ñoù haàu heát caùc tröôøng hôïp söï dòch chuyeån caùc maét löôùi khoâng baûo ñaûm tính chính xaùc. Ñeå söû duïng phöông phaùp bieán daïng ñuû lôùn (cho chaát deûo cao su) raát hieäu quaû. Phöông phaùp taïo maãu Hickson (phöông phaùp löôùi): Ñaët tôø giaáy nhaùm leân vaät maãu keùo theo 2 phöông ñeå taïo veát traày. Ñeå ño bieán daïng treân maãu thöû raát khoù neân ngöôøi ta laáy taám hôïp kim moûng daùn leân choã traày, ñeå in leân taám phim ñoù, thay vì ño vaät maãu ngöôøi ta ño veát traày leân taám phim. Trong suoát 50 naêm qua phöông phaùp ño bieán daïng baèng ñieän trôû ñaõ ñöôïc söû duïng roäng raõi vì söï ñôn giaûn cuõng nhö keát quaû ñaùng tin caäy cuûa chuùng. Do ñoù trong ñeà taøi naøy nhoùm sinh vieân thöïc hieän ño bieán daïng baèng ñieän trôû. ÑO BIEÁN DAÏNG BAÈNG STRAIN GAGE: Mieáng ño bieán daïng (strain - gage) laø moät caáu kieän ñieän trôû ñöôïc duøng ñeå daùn leân moät boä phaän bieán daïng. Möùc bieán daïng cuûa boä phaän thoâng qua lôùp keo ñöôïc truyeàn sang mieáng ño. Mieáng ño nhö vaäy phaûi chòu moät söï bieán ñoäng tyû leä vôùi ñieän trôû cuûa noù. Strain Gage (SG-mieáng ño bieán daïng) laø moät trong nhöõng coâng cuï quan troïng cuûa kyõ thuaät ño löôøng ñieän töû ñöôïc aùp duïng ño caùc ñaïi löôïng cô hoïc. Ñuùng nhö teân goïi, noù ñöôïc söû duïng ñeå ño bieán daïng. Bieán daïng cuûa moät vaät theå ñöôïc gaây ra bôûi taùc nhaân beân ngoaøi hoaëc beân trong, laøm sinh ra öùng suaát. Do vaäy trong phaân tích öùng suaát thöïc nghieäm ngöôøi ta söû duïng roäng raõi phöông phaùp xaùc ñònh bieán daïng. Caùc thieát bò bieán daïng cho ñeán nay ñaõ ñöôïc nhieàu haõng cheá taïo nhö: Hottinger Baldwin, Messttechnik, Micromesures Vishay... Strain Gage ñöôïc taïo ra vôùi 2 keát caáu laø löôùi phaúng vaø daïng oáng truï. a. Daïng löôùi phaúng b. Daïng oáng truï Heä soá mieáng ño (Gage factor): Söï thay ñoåi ñieän trôû cuûa moät caáu kieän coù ñieän trôû bieán ñoåi ñöôïc tuøy thuoäc vaøo quan heä sau: Vôùi R: laø ñieän trôû ban ñaàu cuûa caáu kieän. L: chieàu daøi ban ñaàu cuûa caáu kieän. F : heä soá mieáng ño. Moät mieáng ño lyù töôûng phaûi coù moät ñieän trôû raát lôùn, moät heä soá ño cöïc ñaïi vaø moät möùc giôùi haïn ñaøn hoài cao, ñoàng thôøi laïi khoâng bò aûnh höôûng nhieät ñoä cao taùc ñoäng. Theâm vaøo ñoù, heä soá mieáng ño luoân luoân baát bieán cho duø möùc bieán daïng coù lôùn ñeán ñaâu ñi chaêng nöõa. Ñeå mieáng ño coù theå hoaït ñoäng moät caùch thích hôïp theo söùc caêng cuõng nhö söùc neùn, sôïi ñieän trôû phaûi caøng moûng ñeå cho lôùp keo coù theå truyeàn hoaøn toaøn möùc bieán daïng cuûa boä phaän sang mieáng ño. Chaát keo daùn: Keo cyanoacrylate: Raát thöïc duïng cho vieäc aùp duïng bình thöôøng trong thôøi gian ngaén, nhieät ñoä aùp duïng döôùi 1000C. Seõ khoâ cöùng trong vaøi giaây döôùi taùc duïng cuûa söùc eùp. Keo epoxy: Raát coù hieäu quaû, oån ñònh trong thôøi gian laâu vôùi nhieät ñoä ñeán 300oc. Keo goám: Khoù aùp duïng hôn vì caàn thieát bò ñaët bieät coù veû mong manh yeáu ôùt, khoâng cho pheùp duøng vôùi nhöõng bieán daïng lôùn.,söû duïng ñöôïc ñeán 600oc. Haøn: Ñaây laø caùch thöùc thöïc teá nhaát ñeå duøng ôû nhieät ñoä cao cho caùc mieáng ño trong voû boïc kim loaïi raát ñaëc. Caàn chuù yù laø beà maët ñeå daùn phaûi ñöôïc taåy saïch daàu môõ vaø sau ñoù ñöôïc trung hoøa baèng hoùa chaát. Ñeå taïo ra beà maët coù tính chaát lyù töôûng ñoái vôùi loaïi keo naøy, beà maët phaûi ñöôïc laøm saïch veát ræ ñeå taïo ra beà maët nhaün nhöng khoâng quaù boùng. MAÏCH CAÀU WHEATSTONE: Caàu Wheatstone laø maïch caàu ñöôïc choïn nhieàu nhaát trong vieäc ño nhöõng bieán daïng ñieän trôû nhoû (toái ña 10%) nhö trong vieäc duøng caùc mieáng ño bieán daïng. Nguyeân lyù: Ñoái caàu Wheatstone cuûa hình 1: Tín hieäu ñaàu ra Em qua thieát bò ño vôùi trôû khaùng Zm: R: ñieän trôû danh nghóa ban ñaàu cuûa caùc ñieän trôû R1, R2, R3 & R4 (thöôøng laø 120W nhöng laø 350W cho caùc boä bieán caûm). V: ñieän aùp cung caáp cho caàu. Ñieän aùp cung caáp cho caàu laø moät nguoàn naêng löôïng cung caáp thaät oån ñònh. Phaàn lôùn Zm lôùn hôn R raát nhieàu (ví duï nhö:Voân keá, boä khueách ñaïi vôùi lieân keát tröïc tieáp) do ñoù thì phöông trình (1) trôû thaønh: Töø (2) coù nhaän xeùt laø: söï thay ñoåi ñôn vò ñieän trôû cuûa 2 ñieän trôû nghòch nhau. Ñaëc tính naøy cuûa caàu Wheatstone thöôøng ñöôïc duøng ñeå baûo ñaûm tính oån ñònh nhieät cuûa maïch ño vaø cuõng ñeå duøng cho caùc thieát keá ñaëc bieät. Caân baèng ban ñaàu: Tröôùc khi baét ñaàu vieäc thöû nghieäm, ñieàu quan troïng laø neân nhôù ñem taát caû caùc soá ghi treân thieát bò trôû laïi soá khoâng. Ñieàu naøy seõ laøm ñôn giaûn cho vieäc theå hieän ño ñaïc vaø cho pheùp duøng thieát bò toát hôn. Hình treân cho thaáy moät phöông phaùp thöôøng duøng ñeå ñaûm baûo cho vieäc caân baèng ban ñaàu. Ra laø ñieän trôû coá ñònh, Rb laø moät theá keá nhieàu voøng. Trong phaàn lôùn thöôøng söû duïng Ra=20kW, Rb=40kW ñuû thích hôïp cho vieäc caân baèng. Trong tröôøng hôïp cuûa caùc boä bieán caûm, vieäc caân baèng coù theå thöïc hieän tröïc tieáp leân boä caûm bieán baèng caùch theâm nhöõng ñieän trôû vaøo maïch caùc mieáng ño. Caùc ñaëc tính cuûa caàu: Buø nhieät: Phaàn lôùn caùc mieáng ño bieán daïng hieän nay ñeàu coù khaû naêng töï ñoäng caân baèng. Thí duï, moät mieáng ño ñöôïc caân baèng cho pheùp veà lyù thuyeát seõ khoâng cho thaáy söï thay ñoåi ñieän trôû naøo khi mieáng theùp maø mieáng ño ñöôïc daùn leân seõ giaõn nôû khi nhieät ñoä thay ñoåi. Ñaëc tính töï caân baèng naøy coù ñöôïc laø nhôø vieäc xöû lyù nhieät aùp duïng cho kim loaïi duøng ñeå cheá taïo ra mieáng ño. Caùch xöû lyù nhieät naøy chæ coù hieäu quaû trong moät taàm nhieät ñoä giôùi haïn naøo ñoù. Baèng caùch duøng caàu Wheatstone ta cuõng coù theå cheá taïo maïch caân baèng nhieät ñoä. Nhö ñaõ bieát, söï thay ñoåi nhieät ñoä cuûa 2 nhaùnh caàu keà nhau seõ töï trieät tieâu neân mieáng ño caân baèng D ñöôïc noái vaøo maïch caàu Wheatstone vôùi mieáng ño höõu coâng A. (xem hình veõ). Maïch caân baèng nhieät ñoä. Mieáng ño D cuõng coù cuøng tính chaát nhö mieáng ño A vaø cuõng ñöôïc daùn leân khoái vaät lieäu; trong khi daùn caùc mieáng ño, khoái vaät lieäu thöû nghieäm naøy khoâng bò chòu moät löïc taùc ñoäng naøo. Ngoaøi ra 2 mieáng ño A&D neân ñöôïc ñaët gaàn vôùi nhau caøng toát; taát caû söï thay ñoåi nhieät ñoä chung caû hai mieáng ño naøy seõ ñöôïc trieät tieâu vaø noù seõ töï caân baèng nhieät ñoä. Söï keát hôïp caùc mieáng ño: Caàu Wheatstone cho pheùp keát hôïp nhieàu mieáng ño höõu coâng. Hình treân cho thaáy boán mieáng ño ñöôïc daùn leân thanh maãu. Khi thanh maãu bò keùo ra khoûi bôûi löïc P, nhöõng bieán daïng töông töï seõ laø: n: heä soá Poisson. A: tieát dieän ngang. E: Modun ñaøn hoài. Boán mieáng ño nhö vaäy taïo thaønh caàu Wheatstone neân ñieän aùp ôû ñaàu ra seõ laø: Ñoä uoán cuûa thanh maãu seõ ñöôïc caàu Wheatstone caûm nhaän vì caùc mieáng ño 1 vaø 3 ( cuõng nhö 2&4) seõ coäng caùc bieán daïng coù daáu nghòch vôùi nhau vaø nhö theá seõ töï trieät tieâu theo nhieät ñoä. Ñaây laø nguyeân lyù ñöôïc duøng thöôøng xuyeân trong vieäc thieát keá caùc boä caûm bieán. CHÖÔNG II KHAÛO SAÙT COÅNG MAÙY IN BOÄ ADC 12 BIT & VAØ CAÙC LINH KIEÄN COÙ LIEÂN QUAN Giao tieáp vôùi maùy tính laø vieäc trao ñoåi döõ lieäu giöõa maùy tính vôùi moät hay nhieàu thieát bò ngoaïi vi. Hai thieát bò ngoaïi vi quen thuoäc cuûa maùy tính laø baøn phím vaø maøn hình. Ngoaøi ra maùy tính coøn ñöôïc boá trí theâm caùc ñöôøng giao tieáp ña naêng khaùc nhau: giao tieáp noái tieáp (thoâng qua coång COM), giao tieáp song song (coång LPT) giao tieáp qua khe caém (SLOT). Gheùp noái noái tieáp cho pheùp trao ñoåi thoâng tin giöõa caùc thieát bò vôùi nhau theo töøng bit moät. Soá lieäu thöôøng ñöôïc gôûi theo töøng nhoùm bit SDU (Serial Data Unit) maø noù taïo thaønh moät byte hay moät töø... Caùc thieát bò ngoaïi vi nhö Plotter, modem, mouse vaø printer coù theå ñöôïc gheùp noái vôùi PC qua coång noái tieáp COM. Caùc gheùp noái cuûa PC cho trao ñoåi noái tieáp ñeàu theo tieâu chuaån RS232C cuûa EIA hoaëc CCITT ôû chaâu Aâu. Veà maët kinh teá vieäc trao ñoåi thoâng tin qua coång noái tieáp laø ít toán keùm nhöng veà maët kyõ thuaät thì khaù phöùc taïp. Giao tieáp qua khe caém SLOT cuõng phöùc taïp khoâng keùm ñoøi hoûi vieäc gia coâng thieát bò phaûi chính xaùc, hôn nöõa vieäc thaùo voû maùy ñeå gaén SLOT Card sau moãi laàn ño laø vaán ñeà khoù chaáp nhaän. Giao tieáp qua coång song song, döõ lieäu truyeàn song song vì vaäy toác ñoä truyeàn song song thöôøng cao hôn truyeàn noái tieáp (khoaûng töø 40kB/s ñeán 1MB/s). Haàu heát caùc maùy tính ñeàu trang bò coång naøy. Vieäc trao ñoåi thoâng tin moät caùch deã daøng. KHAÛO SAÙT COÅNG MAÙY IN: Coång naøy ñeå duøng giao tieáp vôùi maùy in. Ñaàu caém coù 25 chaân vaø coøn goïi laø DB25. Beân trong coù 3 thanh ghi coù theå truyeàn soá lieäu vaø ñieàu khieån maùy in, moãi thanh ghi 8 bit. Ba thanh ghi goàm: Thanh ghi döõ lieäu (Data register): Coù ñòa chæ baèng ñòa chæ cô baûn cuûa maùy in=378H. Thanh ghi traïng thaùi (Status register).(chæ ñoïc): D0,D1,D2: khoâng söû duïng (thöôøng ñeå ôû möùc [ 1]) Coù ñòa chæ baèng ñòa chæ cô baûn +1=379H. Thanh ghi ñieàu khieån : D5,D6,D7: khoâng söû duïng(thöôøng ñeå ôû möùc [ 1]). Ñòa chæ baèng ñòa chæ cô baûn + 2=37AH. Vieäc noái maùy in vôùi maùy tính ñöôïc thöïc hieän qua loã caém DB25 ôû phía sau maùy tính. Nhöng ñaây khoâng chæ la øchoã noái vôùi maùy in maø khi söû duïng maùy tính vaøo muïc ñích ño löôøng vaø ñieàu khieån thì vieäc gheùp noái cuõng thöïc hieän qua oå caém naøy. Qua coång naøy döõ lieäu ñöôïc truyeàn ñi song song neân ñoâi khi coøn ñöôïc goïi laø coång gheùp noái song song vaø toác ñoä truyeàn döõ lieäu cuõng ñaït ñeán möùc laø ñaùng keå. Taát caû caùc ñöôøng daãn cuûa coång naøy ñeàu töông thích TTL, nghóa laø chuùng ñeàu cung caáp moät möùc ñieän aùp naèm giöõa 0V vaø 5V. Beân caïnh 8 bit döõ lieäu coøn coù nhöõng ñöôøng daãn tín hieäu khaùc, toång coäng ngöôøi söû duïng coù theå trao ñoåi 1 caùch rieâng bieät vôùi 17 ñöôøng daãn, bao goàm 12 ñöôøng daãn ra vaø 5 ñöôøng daãn vaøo. Bôûi vì 8 ñöôøng daãn döõ lieäu. D0-D7 khoâng phaûi laø ñöôøng daãn 2 chieàu trong taát caû caùc loaïi maùy tính, neân sau ñaây ta seõ thaáy laø D0-D7 chæ söû duïng nhö laø loái ra, caùc loái ra khaùc nöõa laø STROBE, AUTOFEED (AF), INIT vaø SELECTIN (SLCTIN). Khi trao ñoåi thoâng tin vôùi maùy in caùc ñöôøng naøy ñeàu coù chöùc naêng xaùc ñònh. Caùc tín hieäu cuûa ñaàu caém DB25: Chaân Tín hieäu Moâtaû 1 STR Möùc tín hieäu thaáp truyeàn döõ lieäu tôùi maùy in. 2 D0 Bit döõ lieäu D0. 3 D1 Bit döõ lieäu D1 4 D2 Bit döõ lieäu D2. 5 D3 Bit döõ lieäu D3. 6 D4 Bit döõ lieäu D4. 7 D5 Bit döõ lieäu D5. 8 D6 Bit döõ lieäu D6. 9 D7 Bit döõ lieäu D7. 10 ACK Möùc thaáp chæ raèng maùy in ñaõ nhaän 1 kyù töï. BUSY PE Baùo heát giaáy. SLCT Baùo löïa choïn maùy in. AF Töï naïp giaáy. ERROR Baùo loãi maùy in. INIT Reset maùy in. SCLTIN Choïn maùy in. 18-25 GND Ñaát. KYÕ THUAÄT BIEÁN ÑOÅI ADC – KHAÛO SAÙT ADC ICL 7109: Kyõ thuaät bieán ñoåi ADC: Bieán ñoåi Analog – Digital laø thaønh phaàn caàn thieát trong vieäc xöû lyù thoâng tin vaø caùc chöùc naêng ñieåu khieån söû duïng phöông phaùp soá, tín hieäu thöïc teá thì ôû daïng Analog. Moät heä thoáng tieáp nhaän döõ lieäu giao tieáp A/D ñeå chuyeån ñoåi tín hieäu töông töï sang tín hieäu soá ñeå xöû lyù. Ñaëc tính kyõ thuaät cuûa maïch ADC: Ñoä chính xaùc baát ñònh do löôïng töû hoùa: Ñieän aùp töông töï lieân tuïc ñöôïc chia thaønh 2n khoaûng giaùn ñoaïn ôû moãi maïch ñoåi n bit. Caùc giaù trò töông töï cuøng moät khoaûng ñöôïc bieåu thò cuøng nhò phaân. Do coù moät ñoä chính xaùc baát ñònh ± ½ LSB (Least significant bit). Ñoä chính xaùc: Ñoä chính xaùc tuyeät ñoái laø söï sai bieät giöõa lyù thuyeát vaø trò thöïc teá cuûa ñieän aùp töông töï vaøo cho 1 maõ nhò phaân ra. Vì moät maõ soá ra töông töùng vôùi 1 khoaûng heïp cuûa ñieän aùp töông töï vaøo ôû ñònh nghóa treân ñöôïc xem nhö laø ñieåm giöõa khoaûng. Ñoä chính xaùc töông ñoái gioáng nhö ñoä chính xaùc tuyeät ñoái nhö ñònh nghóa trong ñieàu kieän traøn khung ñaõ ñöôïc laáy chuaån, vì caùc ñieåm rôøi treân ñaëc tính chuyeån lyù thuyeát naèm treân moät ñöôøng thaúng neân ñoä chính xaùc töông ñoái cuõng laø ñoä phi tuyeán. Thôøi gian vaø toác ñoä chuyeån ñoåi: Thôøi gian chuyeån ñoåi: Thôøi gian chuyeån ñoåi caàn cho 1 laàn chuyeån ñoåi hoaøn toaøn. Ñoái vôùi phaàn lôùn maïch ñoåi, thôøi gian naøy goïi laø nghòch ñaûo cuûa toác ñoä ñoåi, neáu khoâng coù theâm caùc trì hoaõn cuûa heä thoáng. Tuy nhieân trong maïch ñoåi coù toác ñoä cao, laàn ñoåi môùi ñöôïc leäch baét ñaàu tröôùc khi laàn ñoåi tröôùc keát thuùc neân thôøi gian ñoåi vaø toác ñoä ñoåi khaùc nhau. Maïch chuyeån ñoåi töông töï sang soá (ADC): Nguyeân taéc maïch ADC: Maïch bieán ñoåi ADC (Analog Digital Converter) coù boä phaän chính laø maïch so saùnh: Do ñoù nhieäm vuï cuûa maïch taïo ra maõ soá vaø maïch ñieàu khieån logic laø thöû moät boä heä soá nhò phaân ai sao cho hieäu soá ñieän aùp vaøo chöa bieát Va vaø trò nguyeân löôïng töû hoùa sau cuøng nhoû hôn 1 LSB. Chuyeån ñoåi ñieän aùp töông töï lieân tuïc sang maõ nhò phaân rôøi raïc: Söï khaùc nhau giöõa caùc maïch ñoåi laø caùch thöùc thay ñoåi ñieän aùp maãu VR ñeå xaùc ñònh heä soá nhò phaân ai. Ñieän aùp töông töï chöa bieát laø Va vaø ñieän aùp chuaån laø VR ñöôïc noái ôû hai ngoõ vaøo cuûa maïch so saùnh. Khi VR taêng töø 0 ñeán ñieän aùp töông töï vaøo vôùi sai soá baèng sai soá löôïng töû hoùa, luùc ñoù maïch taïo maõ soá ra coù giaù trò töông öùng vôùi ñieän aùp vaøo chöa bieát. Maïch ADC duøng ñieän aùp maãu VR hình naác thang: Daïng maïch cô baûn: Ñeå taïo ñieän aùp maãu naác thang so saùnh vôùi ñieän aùp vaøo duøng maïch ADC maø soá nhò phaân vaøo ñöôïc laáy töø moät maïch ñeám leân nhö hình veõ. Maïch ADC duøng maïch ñeám leân xuoáng: Neáu ngaõ ra cuûa maïch so saùnh cho thaáy VR<Va maïch logic seõ ñieàu khieån maïch ñeám leân, coøn ngöôïc laïi seõ ñöôïc ñieàu khieån ñeám xuoáng. Neáu ñieän aùp Va khoâng ñoåi, VR seõ töï dao ñoäng xung quanh Va vôùi 2 trò soá khaùc nhau 1 LSB. Khi Va thay ñoåi chaäm, VR theo kòp Va khi ñoù soá ñeám cuûa maïch laø maõ nhò phaân töông öùng vôùi trò töùc thôøi cuûa ñieän aùp vaøo. Nhöng neáu Va bieán ñoåi nhanh, VR seõ khoâng theo kòp Va thì soá ñeám cuûa maïch ñeám khoâng phaûi laø maõ nhò phaân mong muoán. Maïch ADC laáy gaàn ñuùng keá tieáp SAR: Caùc maïch ñeám ôû treân ñeàu khoâng ñöôïc duøng trong thöïc teá. ÔÛ ñaây xeùt maïch ñoåi laáy gaàn ñuùng keá tieáp duøng caùch ñoåi ñieän aùp maãu moät caùch hieäu quaû hôn khieán soá laàn chuyeån ñoåi ra maõ soá n bit chæ maát n chu kyø xung CK. Maïch ñoåi goàm maïch so saùnh, maïch ghi chuyeån ñaëc bieät vaø maïch ADC. Maïch ghi chuyeån ñaëc bieät ñöôïc goïi laø maïch ghi laáy gaàn ñuùng keá tieáp (Successive Approximation Register: SAR) laø maïch coù hôïp luoân phaàn ñieàu khieån logic. Khi coù xung baét ñaàu maïch SAR ñöôïc ñaët leäch veà 0. Ngaõ ra cuûa DAC ñöôïc laøm leäch ½ LSB ñeå taïo ñaëc tính chuyeån ñoåi, keá ñeán SAR ñöa bit coù nghóa lôùn nhaát (MSB) leân 1, caùc bit khaùc baèng 0. Soá nhò phaân ra ôû SAR ñöôïc ñöa vaøo maïch DAC. Neáu VR>Va (ñieän aùp töông töï vaøo) ngaõ ra Vc cuûa maïch so saùnh möùc [0] khieán SAR boû ñi MSB (laøm cho noù baèng 0). Neáu VR<Va thì Vc ôû möùc cao khieán SAR giöõ laïi bit MSB (laøm cho noù vaãn baèng 1). Tieáp theo, SAR ñöa bit coù nghóa keá tieáp leân 1 vaø ñöôïc quyeát ñònh bôûi caùch thöùc nhö bit MSB ôû treân. Tieáp tuïc nhö vaäy cho ñeán bit cuoái cuøng cuûa SAR, luùc ñoù Va gaàn VR nhaát. Maïch ADC duøng tín hieäu doác ñôn. (Single ramp converter) : Tín hieäu chuaån töøng naác ñöôïc taïo bôûi maïch ADC coù theå ñöôïc thay theá bôûi ñieän aùp chuaån doác lieân tuïc do maïch taïo tín hieäu doác leân lieân tuïc taïo ra. CK Ban ñaàu: Maïch so saùnh SS1 coù V(-)=Va >V(+)=Voffset è ngaõ ra cuûa SS1 laø VC1=[0]. Maïch so saùnh SS1 coù V(+)=Voffset < V(-)=0 è ngaõ ra cuûa SS1 laø VC2=[0]. Khi cho xung START ñaët vaøo maïch ñeám n bit veà 0 vaø khôûi ñoäng maïch taïo tín hieäu doác leân, VR töø giaù trò hôi aâm taêng ñeán khi ñöôøng doác caét truïc 0V. Trong khoaûng thôøi gian t1 – t2. Maïch SS2: V(+)=VR > V(-)=0 è VC2=[1]. Maïch SS1: V(+)=VR < V(-)=Va è VC1=[0]. Taïi FF S=0 Q=0 è R=START =1 Q=1. Taïi coång AND Q =1 è Ñöa xung CK vaøo boä ñeám. VC2 Khi VR>Va: Maïch SS1: VR=V(+) > V(-)=Va è VC1=[1]. Taïi FF: S=VC1=[1]. Q=1=EOC R= heát xung START =[0] Q=0àÑoùng coång AND laïi khoâng cho xung CK vaøo maïch ñeám, taïo tín hieäu EOC. Tín hieäu doác leân thöôøng ñöôïc taïo bôûi maïch tích phaân noái ñeán ñieän aùp maãu VR (hình b). Maïch ADC duøng tín hieäu doác ñoâi: Maïch ñoåi naøy duøng caùch laáy tích phaân ñeå giaûi quyeát khuyeát ñieåm cuûa maïch ñoåi duøng tín hieäu doác ñôn. Maïch naøy goàm maïch laáy tích phaân, maïch so saùnh, maïch logic ñieàu khieån vaø maïch ñeám n bit. Maïch ñieàu khieån logic sau khi nhaän xung START seõ môû SI, ñoùng S1 vaø môû S2. Khi chuyeån maïch S1 ñoùng ñöa tín hieäu Va (giaû söû aâm) vaøo maïch tích phaân ñeå laáy tích phaân theo Va. Khi ñoù ngaõ ra maïch tích phaân seõ laø: è VI(t) =V(-)SS >0. Vì theá ngaõ ra cuûa maïch so saùnh coù VC=1. Do ñoù môû coång AND cho xung CK vaøo maïch ñeám. Khi maïch ñeám traøn (heát côõ roài töï ñoäng quay veà 0). Maïch logic ñieàu khieån môû S1, ñoùng S2. Chuyeån maïch S2 ñoùng ñöa VR vaøo maïch tính phaân ñeå laáy tích phaân theo VR (VR>0). Vì theá ngaõ ra VI giaûm töø VImax veà 0. Giaù trò VImax khoâng ñoåi trong suoát 2 giai ñoaïn laáy tích phaân t1,t2. Giaû söû R,C khoâng ñoåi trong suoát thôøi gian chuyeån ñoåi. Ñaëc tính kyõ thuaät cuûa maïch ADC: Ñoä chính xaùc baát ñònh do löôïng töû hoùa: -Ñieän aùp töông töï lieân tuïc ñöôïc chia thaønh 2n khoaûng giaùn ñoaïn. ÔÛ maïch ñoåi n bit. Caùc trò töông töï cuøng moät khoaûng ñöôïc bieåu thò cuøng moät maõ soá nhò phaân. Do ñoù coù moät ñoä chính xaùc baát ñònh ± ½ LSB beân caïnh caùc sai soá chuyeån ñoåi khaùc. Trong maïch tín hieäu doác ñôn sai soá naøy thöôøng ñöôïc phaùt bieåu nhö ± moät soá ñeám. b.Ñoä chính xaùc: Ñoä chính xaùc tuyeät ñoái laø söï sai bieät giöõa lyù thuyeát vaø trò thöïc teá cuûa ñieän aùp töông töï vaøo cho moät maõ nhò phaân ra. Vì 1 maõ soá ra töông öùng vôùi moät khoaûng heïp cuûa ñieän aùp töông töï vaøo neân ñieän aùp töông töï vaøo ôû ñònh nghóa treân ñöôïc xem nhö laø ñieåm giöõa khoaûng. Sai soá tuyeät ñoái goàm :sai soá veà ñoä lôïi, veà khoâng, ñoä phi tuyeán vaø do nhieãu. Ñoä chính xaùc töông ñoái gioáng nhö ñoä chính xaùc tuyeât ñoái nhö ñònh nghóa trong ñieàu kieän trò traøn khung ñaõ ñöôïc laáy chuaån vì caùc ñieåm rôøi treân ñaëc tính chuyeån lyù thuyeát naèm treân moät ñöôøng thaúng neân ñoä chính xaùc töông ñoái cuõng chính xaùc laø ñoä phi tuyeán. c. Chænh khoâng vaø chænh ñoä lôïi: Ñieåm khoâng cuûa maïch ñoåi ADC ñöôïc chænh sao cho söï chuyeån tieáp töø caùc bit ñaàu baèng 0 leân LSB xaûy ra ôû ½.2-n trò traøn khung danh ñònh. Ñoä lôïi ñöôïc chænh cho chuyeån tieáp cuoái cuøng leân caùc bit ñeàu baèng 1 xaûy ra traøn khung (1-3/2.2-n). Ñieåm 0 cuûa maïch chuyeån ñoåi ADC löôõng cöïc ñöôïc chænh sao cho chuyeån tieáp ñaàu treân xaûy ra ôû toaøn khung (1-2-n) vaø chuyeån tieáp cuoái xaûy ra 0_+ traøn khung (1-3.2-n). B.Khaûo saùt ADC ICL 7109: Sô ñoà chaân: Caùc thoâng soá veà nhieät ñoä: Hoï IC TAÀM NHIEÄT ÑOÄ HOAÏT ÑOÄNG ICL 7109MDL -550C à +1250C ICL 7109 IDL -250C à +850C ICL 7109CPL 0 à+700C ICL 7109 MDL/883 -550C à +1250C ICL 7109 IPL -250C à+850C Ñaëc ñieåm: + ADC 12 bit nhò phaân (coäng vôùi bit cöïc tính vaø bit traøn) hoaït ñoäng theo phöông phaùp tích phaân hai ñoä doác. +Ngoõ ra 3 traïng thaùi töông thích TTL vaø vôùi kieåu giao tieáp UART thì phuø hôïp vôùi giao tieáp song song hoaëc giao tieáp vôùi heä thoáng vi xöû lyù. +Ngoõ vaøo Run/Hold vaø Status ñöôïc duøng ñeå theo doõi vaø kieåm tra söï chuyeån ñoåi.. .Möùc nhieãu thaáp khoaûng 15 mVp-p. + Doøng ngoõ vaøo khoaûng 1pA. +Hoaït ñoäng coù theå leââøn ñeán 30 laàn bieán ñoåi trong 1 giaây. +Vi maïch beân trong söû duïng dao ñoäng thaïch anh 3,58MHz seõ cho 7,5 laàn chuyeån ñoåi trong 1 giaây. Ngoaøi ra noù coù theå söû duïng dao ñoäng RC hoaëc baát cöù taàn soá xung ñoàng hoà khaùc ñeå taïo dao ñoäng. MO TAÛ: ICL 7109 thuoäc hoï CMOS, chuyeån ñoåi nhanh, nguoàn nuoâi thaáp vaø ñöôïc thieát keá deã daøng giao tieáp vôùi vi xöû lyù. Ngoõ ra döõ lieäu(12 bit coäng 1 bit cöïc tính vaø 1 bit traøn) saün saøng giao tieáp song song thoâng qua söï ñieàu khieån cuûa 2 ngoõ vaøo ENABLE vaø CHIP SELECT, kieåu giao dieän UART seõ cho pheùp ICL7109 laøm vieäc vôùi tieâu chuaån coâng nghieäp maø ôû ñoù UART seõ ñoùng vai troø truyeàn döõ lieäu. Vi maïch ICL7109 coù nhöõng öu ñieåm nhö: ñoä chính xaùc cao, nhieãu khoâng ñaùng keå vaø troâi aùp thaáp ñaëc bieät raát kinh teá. Ngoaøi ra noù coøn coù nhöõng thoâng soá khaùc nhö: troâi aùp thaáp hôn 1mV/oc, doøng vaøo toái ña 10pA vaø coâng suaát tieâu thuï 20mW… laøm cho vi maïch naøy caøng trôû neân haáp daãn. CHÖÙC NAÊNG CAÙC CHAÂN: CHAÂN KYÙ HIEÄU CHÖÙC NAÊNG 1 GND Chaân Mass 2 STATUS Ngoõ ra leân möùc cao trong suoát quaù trình bieán ñoåi cho ñeán khi döõ lieäu ñöôïc choát laïi. Ngoõ ra xuoáng thaáp khi tín hieäu ñöôïc chuyeån ñoåi xong 3 POL Baùo cöïc tính – Möùc 1 khi tín hieäu töông töï vaøo döông 4 OR Bit traøn - Möùc 1 neáu traøn. 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 Bit 12 Bit coù troïng soá lôùn nhaát Bit 11 Bit 10 Bit 9 Bit 8 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 - Bit coù troïng soá nhoû nhaát Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi Bit döõ lieäu ngoõ ra 3 traïng thaùi 17 TEST Bình thöôøng möùc cao. Möùc thaáp thì taát caû caùc bit ngoõ ra leân cao duøng cho vieäc kieåm tra. Noái leân cao neáu khoâng duøng. 18 LBEN Chaân cho pheùp xuaát byte thaáp. Cuøng vôùi MODE (Chaân 21) möùc thaáp vaø chaân CE/LOAD (chaân 20) möùc thaáp seõ cho pheùp xuaát caùc byte thaáp töø B1 ñeán B8. 19 HBEN Chaân cho pheùp xuaát Byte cao. Keát hôïp vôùi chaân MODE (21) ôû möùc thaáp vaø chaân CE/LOAD ôû möùc thaáp seõ cho pheùp xuaát Byte cao töø B9 à B12 vaø bit POL/OR. 20 CE/LOAD Chaân cho pheùp – Keát hôïp vôùi chaân MODE (21) möùc thaáp coù taùc duïng ñieàu khieån cho pheùp ngoõ ra. Khi CE/LOAD ôû möùc cao seõ caám caùc chaân B1 ñeán B12, POL, OR. 21 MODE Khi ngoõ vaøo ôû möùc thaáp – Caùc chaân CE/LOAD, HBEN, LBEN ñieàu khieån tröïc tieáp caùc Byte ngoõ ra. Khi ñöôïc caáp xung – chuaån bò hoaït ñoäng theo kieåu “handshake”. Möùc cao – Caùc chaân cho pheùp CE/LOAD, HBEN, LBEN xem nhö caùc ngoõ ra vaø vi maïch hoaït ñoäng theo “handshake” 22 23 OSC IN OSC OUT Ngoõ vaøo cuûa dao ñoäng Ngoõ ra cuûa dao ñoäng. 24 OSC SEL Choïn taàn soá dao ñoäng – Möùc cao thì taàn soá vaø pha taïi OSC IN, OSC OUT baèng 1/58 taàn soá taïi BUFF OSC OUT. 25 BUFF OSC OUT Ngoõ ra dao ñoäng ñeäm 26 RUN/ HOLD Ngoõ vaøo möùc cao – Bieán ñoåi ñöôïc thöïc hieän trong 8192 xung ñoàng hoà. Ngoõvaøo möùc thaáp – Quaù trình bieán ñoåi keát thuùc 27 SEND Ngoõ vaøo – Noái leân +5V neáu khoâng duøng. 28 V- Nguoàn aâm –5V 29 REF OUT Ñieän aùp ngoõ ra chuaån =2,8V 30 BUFFER Ngoõ ra khueách ñaïi ñeäm 31 AUTO ZERO Töï ñoäng ñieàu chænh möù._.