Chương 8 - Cảm biến thông minh và phương pháp xử lý kết quả

Kỹ thuật đo l-ờng và điều khiển tự động hiện đại ngày nay có những tiến bộ v-ợt bậc nhờ việc sử dụng các vi mạch điện tử: vi xử lý (àP) và vi điều khiển (àC). Để nhận đ-ợc những đặc tính mới cho dụng cụ đo nh-: tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số ... ng-ời ta phải sử dụng các bộ vi xử lý hay vi điều khiển kết hợp với các cảm biến khác nhau để tạo ra một loại cảm biến mới gọi là cảm...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 8 - Cảm biến thông minh và phương pháp xử lý kết quả Ch−¬ng 8 c¶m biÕn th«ng minh vµ ph−¬ng ph¸p xö lý kÕt qu¶ Kü thuËt ®o l−êng vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng hiÖn ®¹i ngµy nay cã nh÷ng tiÕn bé v−ît bËc nhê viÖc sö dông c¸c vi m¹ch ®iÖn tö: vi xö lý (µP) vµ vi ®iÒu khiÓn (µC). §Ó nhËn ®−îc nh÷ng ®Æc tÝnh míi cho dông cô ®o nh−: tù ®éng chän thang ®o, tù ®éng xö lý th«ng tin ®o, tù ®éng bï sai sè ... ng−êi ta ph¶i sö dông c¸c bé vi xö lý hay vi ®iÒu khiÓn kÕt hîp víi c¸c c¶m biÕn kh¸c nhau ®Ó t¹o ra mét lo¹i c¶m biÕn míi gäi lµ c¶m biÕn th«ng minh (Intelligent Sensor). C¸c c¶m biÕn th«ng minh cã thÓ thùc hiÖn ®−îc c¸c chøc n¨ng míi mµ c¸c c¶m biÕn th«ng th−êng kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc, ®ã lµ: - Chøc n¨ng thu thËp sè liÖu ®o tõ nhiÒu ®¹i l−îng ®o kh¸c nhau víi c¸c kho¶ng ®o kh¸c nhau. - Chøc n¨ng ch−¬ng tr×nh ho¸ qu¸ tr×nh ®o, tøc lµ ®o theo mét ch−¬ng tr×nh ®Þnh s½n, ch−¬ng tr×nh nµy cã thÓ thay ®æi b»ng thiÕt bÞ lËp tr×nh. - Cã thÓ gia c«ng s¬ bé kÕt qu¶ ®o theo c¸c thuËt to¸n ®· ®Þnh s½n vµ ®−a ra kÕt qu¶ (hiÓn thÞ trªn mµn h×nh m¸y tÝnh hoÆc m¸y in). - Cã thÓ thay ®æi to¹ ®é b»ng c¸ch ®−a thªm vµo c¸c thõa sè nh©n thÝch hîp. - TiÕn hµnh tÝnh to¸n ®−a ra kÕt qu¶ ®o khi thùc hiÖn c¸c phÐp ®o gi¸n tiÕp hay hîp bé hoÆc thèng kª. - HiÖu chØnh sai sè cña phÐp ®o. - Bï c¸c kÕt qu¶ ®o bÞ sai lÖch do ¶nh h−ëng cña sù biÕn ®éng c¸c th«ng sè m«i tr−êng nh−: nhiÖt ®é, ®é Èm... §iÒu khiÓn c¸c kh©u cña dông cô ®o cho phï hîp víi ®¹i l−îng ®o, vÝ dô tù ®éng chän thang ®o. - M· ho¸ tÝn hiÖu. - GhÐp nèi c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi nh− mµn h×nh, m¸y in, bµn phÝm hoÆc víi c¸c kªnh liªn l¹c ®Ó truyÒn ®i xa theo chu kú hay ®Þa chØ. - Cã kh¶ n¨ng tù ®éng kh¾c ®é. Sö dông µP cã thÓ thùc hiÖn c¸c phÐp tÝnh nh−: céng, trõ, nh©n chia, tÝch - ph©n, vi ph©n, phÐp tuyÕn tÝnh ho¸ ®Æc tÝnh phi tuyÕn cña c¶m biÕn, ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh ®o, ®iÒu khiÓn sù lµm viÖc cña c¸c kh©u kh¸c nh−: chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè (A/D) hay c¸c bé dån kªnh (MUX)... - 108 - Sö dông µP cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn nh÷ng vÞ trÝ háng hãc trong thiÕt bÞ ®o - vµ ®−a ra th«ng tin vÒ chóng nhê cµi ®Æt ch−¬ng tr×nh kiÓm tra vµ chÈn ®o¸n kü thuËt vÒ sù lµm viÖc cña c¸c thiÕt bÞ ®o. C¸c c¶m biÕn th«ng minh, víi sù kÕt hîp gi÷a µP vµ c¸c bé c¶m biÕn th«ng th−êng, thùc sù ®· t¹o ra mét tiÕn bé v−ît bËc trong kü thuËt ®o. 8.1. CÊu tróc cña mét c¶m biÕn th«ng minh CÊu tróc cña mét c¶m biÕn th«ng minh cã thÓ biÓu diÔn b»ng s¬ ®å khèi nh− h×nh sau (h×nh 8.1): C§CH1 S1 §èi t−îng ®o A S1 C§CH2 µP MUX 2 D . . . Sn C§CHn C¶m biÕn th«ng minh H×nh 8.1 S¬ ®å cÊu tróc mét c¶m biÕn th«ng minh Tõ ®èi t−îng ®o, qua c¸c c¶m biÕn s¬ cÊp S, c¸c ®¹i l−îng ®o vµ c¸c ®¹i l−îng cña yÕu tè ¶nh h−ëng chuyÓn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn vµ ®−îc ®−a vµo c¸c bé chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ C§CH. C¸c bé chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ lµm nhiÖm vô t¹o ra tÝn hiÖu chuÈn, th−êng lµ ®iÖn ¸p tõ 0 - 5V hoÆc 0 - 10V ®Ó ®−a vµo bé dån kªnh MUX. Bé dån kªnh MUX lµm nhiÖm vô ®−a c¸c tÝn hiÖu vµo bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè A/D tr−íc khi vµo bé vi xö lý µP. ViÖc thùc hiÖn mét bé c¶m biÕn th«ng minh cã thÓ tiÕn hµnh theo hai c¸ch: + C¸ch 1: nÕu bé c¶m biÕn ë ®Çu vµo lµ lo¹i c¶m biÕn th«ng th−êng th× ®Çu ra cña chóng ®−îc ®−a vµo mét vi m¹ch c«ng nghÖ lai, bao gåm c¸c C§CH, MUX, A/D vµ µP trong mét khèi cã ®Çu ra qua bé ghÐp nèi ®Ó truyÒn th«ng tin ®i xa hay vµo m¸y tÝnh cÊp trªn hay bé ghi ch−¬ng tr×nh cho EPROM. + C¸ch 2: nÕu b¶n th©n c¶m biÕn lµ vi m¹ch th× c¶ c¶m biÕn lÉn nh÷ng thiÕt bÞ sau ®Òu ®−îc ®Ó trong mét khèi c«ng nghÖ lai. - 109 - CÊu tróc trªn lµ cÊu tróc phæ biÕn cña mét c¶m biÕn th«ng minh. Sù ho¹t ®éng cña c¶m biÕn lµ do µP ®¶m nhËn, nã tæ chøc sù t¸c ®éng lÉn nhau gi÷a c¸c kh©u theo mét thuËt to¸n chän tÇn suÊt xuÊt hiÖn cña tÝn hiÖu, x¸c ®Þnh giíi h¹n ®o cña tõng kªnh, tÝnh to¸n sai sè cña phÐp ®o ... Trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng xÈy ra sù trao ®æi lÖnh gi÷a c¸c kh©u th«ng qua mét ng«n ng÷ chung (th−êng lµ hîp ng÷ ASSEMBLY). C¸c ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm b¶o ®¶m mäi ho¹t ®éng cña c¶m biÕn bao gåm: - Ch−¬ng tr×nh thu thËp d÷ liÖu: khëi ®éng c¸c thiÕt bÞ nh− ng¨n xÕp, cæng th«ng tin nèi tiÕp, ®äc sè liÖu tõ cæng vµo ADC, ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña MUX. - Ch−¬ng tr×nh biÕn ®æi vµ xö lý th«ng tin ®o: biÕn ®æi c¸c gi¸ trÞ ®o ®−îc thµnh m· BCD, m· 7 thanh, m· ASCII, c¸c ch−¬ng tr×nh xö lý sè liÖu ®o. - Ch−¬ng tr×nh giao diÖn: ®−a hiÓn thÞ ra LED hay mµn h×nh, m¸y in, ®äc bµn phÝm vµ xö lý ch−¬ng tr×nh bµn phÝm, ®−a kÕt qu¶ ra cæng th«ng tin hay truyÒn vµo m¹ng, hay göi cho m¸y tÝnh cÊp trªn. 8.2. C¸c kh©u chøc n¨ng cña c¶m biÕn th«ng minh Ngoµi c¸c thµnh phÇn cña c¶m biÕn th«ng th−êng ®· ®Ò cËp, c¶m biÕn th«ng minh cßn bao gåm c¸c kh©u c¬ b¶n sau: c¸c chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ (C§CH), bé dån kªnh (MUX), chuyÓn ®æi t−¬ng tù sè (A/D) vµ bé vi xö lý (µP). 8.2.1. ChuyÓn ®æi chuÈn ho¸ ChuyÓn ®æi chuÈn ho¸ lµm nhiÖm vô biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn sau c¶m biÕn thµnh tÝn hiÖu chuÈn th−êng lµ ¸p tõ 0 - 5V hay 0 - 10V hoÆc dßng 0 - 20 mA hay 4 - 20 mA. Gi÷a c¸c c¶m biÕn vµ chuyÓn ®æi A/D råi vµo µP tÝn hiÖu nhÊt thiÕt ph¶i qua c¸c C§CH sao cho bÊt kÓ kho¶ng ®o nµo cña c¸c ®¹i l−îng ®o th× còng t−¬ng øng víi mét giíi h¹n ®o cña C§CH. C¸c chuyÓn ®æi c ...