C9 cảm biến THÔNG MINH

9.1 Khái niệm về cảm biến thông minhKỹ thuật đo lường và điều khiển tự động hiện đại ngày nay có những tiến bộ vượt bậc nhờ việc sử dụng các vi mạch điện tử: vi xử lý P và vi điều kh

Chương 9 CẢM BIẾN THÔNG MINH

9.1 Khái niệm về cảm biến thông minh

Kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động hiện đại ngày nay có những tiến bộ vượt bậc nhờ việc sử dụng các vi mạch

điện tử:

vi xử lý (P) và vi điều khiển (C)

Để nhận được những đặc tính mới cho dụng

cụ đo như: tự động chọn thang đo, tự động xử

lý thông tin đo, tự động bù sai số người 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 biến thông

minh (Intelligent Sensor)

Các cảm biến thông minh có thể thực hiện được các chức năng mới mà các cảm biến thông

thường không thể thực hiện được, đó là:

• Chức năng thu thập số liệu đo từ nhiều đại lượng đo khác nhau với các khoảng đo khác nhau.

• Chức năng chương trình hoá quá trình đo, chương

trình này có thể thay đổi bằng thiết bị lập trình.

• Có thể gia công sơ bộ kết quả đo theo các thuật toán

đã định sẵn và đưa ra kết quả ( trên máy tính hoặc máy in).

• Có thể thay đổi toạ độ bằng cách đưa thêm vào các thừa số nhân thích hợp.

• Tiến hành tính toán đưa ra kết quả đo khi thực hiện các phép đo gián tiếp hay hợp bộ hoặc đo thống kê.

• Hiệu chỉnh sai số của phép đo.

• Bù các kết quả đo bị sai lệch do ảnh hưởng của

sự biến động các thông số môi trường: nhiệt

độ, độ ẩm

• Mã hoá tín hiệu

• Ghép nối các thiết bị ngoại vi như màn hình,

máy in, bàn phím hoặc với các kênh liên lạc để truyền đi xa theo chu kỳ hay địa chỉ

• Có khả năng tự động khắc độ

• Sử dụng P có thể thực hiện các phép tính,

điều khiển sự làm việc của các khâu khác như: chuyển đổi tương tự - số (A/D) hay các bộ dồn kênh (MUX) có khả năng phát hiện những vị trí hỏng hóc trong thiết bị đo

9.2 Cấu trúc của một cảm biến thông minh

S1

S 1

S n

C§CH1 C§CH2 C§CHn

MUX

A/D

Hình 9.1 Sơ đồ cấu trúc một cảm biến thông minh

Đối tượng đo

CĐCH: Bộ chuyển đổi chuẩn hóa MUX: Bộ dồn kênh

A/D: Bộ biến đổi tương tự số

P: Bộ vi xử lý S1, S2, Sn : Các cảm biến

Từ đối tượng đo, qua các cảm biến sơ cấp S, các đại lượng đo và các yếu tố ảnh hưởng

chuyển thành tín hiệu điện và được đưa vào các bộ chuyển đổi chuẩn hoá (CĐCH)

Các bộ CĐCH làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu

chuẩn, thường là điện áp từ 0 - 5V, 0 - 10V

hoặc dòng 0 - 20 mA …để đưa vào bộ dồn

kênh MUX Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ

đưa các tín hiệu vào bộ chuyển đổi tương tự -

số (A/D) trước khi vào bộ vi xử lý P

Sự hoạt động của cảm biến là do P đảm nhận,

nó tổ chức sự tác động lẫn nhau giữa các khâu theo một thuật toán, chọn tần suất xuất hiện

của tín hiệu, xác định giới hạn đo của từng

kênh, tính toán sai số của phép đo Trong

quá trình hoạt động xãy ra sự trao đổi lệnh

giữa các khâu thông qua một ngôn ngữ chung (thường là ASSEMBLY)

9.3 Các chương trình phần mềm bảo đảm mọi hoạt động của cảm biến bao gồm:

• Chương trình thu thập dữ liệu: khởi động các thiết bị, cổng thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào, điều khiển hoạt động của MUX

• Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo:

biến đổi các giá trị đo được thành mã BCD, mã

7 thanh, các chương trình xử lý số liệu đo

• Chương trình giao diện: đưa hiển thị ra LED

hay màn hình, máy in, đọc bàn phím và xử lý chương trình bàn phím, đưa kết quả ra cổng

thông tin, truyền vào mạng, hay gửi cho máy tính cấp trên

9.4 Các khâu chức năng của cảm biến thông minh

+ Chuyển đổi chuẩn hoá (CĐCH),

+ Bộ dồn kênh (MUX),

+ Chuyển đổi tương tự số (A/D),

+ Bộ vi xử lý (P)

1 Bộ chuyển đổi chuẩn hoá: Làm nhiệm

vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là áp từ 0 - 5V hay 0 - 10V hoặc dòng 0 - 20 mA hay 4 - 20 mA

Hình 10.3 Bộ chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là áp một chiều

-V0

V0

tx

C-K

C-A

§-P

Rt

R1

R2 R3

CĐCH S

ổn áp

Hình 9.4 Chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là dòng một chiều

2 Bộ dồn kênh MUX (multiplexer)

Nhiệm vụ của MUX là dồn kênh, biến tín hiệu song song từ các cảm biến thành nối tiếp để đưa vào A/D và P

Để đảm bảo độ tác động nhanh, người ta phải

sử dụng các khoá điện tử, tức là thực hiện

việc đổi nối không tiếp xúc Đổi nối này có ưu điểm là tốc độ tác động nhanh (tần số đổi nối

có thể đạt hàng chục MHz) Nhưng có nhược điểm là khi đóng mạch điện trở thuận khác 0 (có thể đến hàng trăm), còn khi hở mạch điện

bộ dồn kênh thường được bố trí sau CĐCH, ở

đó tín hiệu đã được chuẩn hoá

3.Bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D)

Bộ chuyển đổi A/D làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự thành số trước khi đưa

thông tin vào P

DC INPUT 3

9

14

2

17

24

7 8

20

10

11 330K 15

21 22 23

13 1

VI DU EOC

VRREP

CIK1

CIK2 OR

Q0

Q1

Q2

Q3 0,1C

+ 2V + 5V

- 5V

MC1443

Hình 9.6 Chuyển đổi A/D MC 14433

Trên hình 9.6 là sơ đồ một bộ chuyển đổi số MC 14433 của

hãng MOTOROLA có đầu vào là điện áp một chiều DC Loại A/

D này có một đầu vào và đầu ra là số 4 bit

Trong thực tế người ta thường chế tạo kết hợp giữa hai bộ MUX và chuyển đổi A/D và cho vào cùng một vỏ Đại diện cho linh kiện loại

này là bộ ADC 0809 Loại A/D này có đầu vào

là tám kênh DC (0 - 5V) và đầu ra 8 bit, số liệu

có thể đưa lên BUS dữ liệu của P