Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang
MỞ ĐẦU
Ngày nay trên thế giới, cảm biến quang học đã được sử dụng rất nhiều trong đời
sống, nhất là trong lĩnh vực y học, một lĩnh vực đòi hỏi sự chính xác, nhanh chóng và
ít gây tổn thương cho bệnh nhân. Vì vậy cảm biến quang học là thiết bị dùng cho
những xét nghiệm và trong hỗ trợ trong điều trị cho bệnh nhân, là một lựa chọn hợp lý
và kinh tế. Trong khóa luận này, em sử dụng một đèn led có độ chiếu sáng mạnh chiếu
vào ngón tay của bệnh nhân và ánh sáng truyền qua được thu vào cảm biến quang học
TSL 230, với mục đích thu nhận những biến đổi trong máu qua đầu ngón tay người
bệnh.Cảm biến quang học TSL230 sẽ biến đổi tín hiệu đó tần số và đưa vào vi điều
khiển PIC 16F877A để xử lý tìm ra chính xác nhịp tim của bệnh nhân.
Nội dung của bản khóa luận “Nghiên cứu các ứng dụng cảm biến quang” gồm 3
chương :
Chương 1 : Giới thiệu về cảm biến quang học TSL230
Chương 2: Cấu trục vi điều khiển PIC 16F877A
Chương 3: Xây dựng hệ đo nhịp tim.
Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và được sự giúp đỡ của GS TSKH
Nguyễn Phú Thùy em đã hoàn thành khóa luận trong thời gian ngắn. Em xin chân
thành cảm ơn sự giúp đỡ của Thầy Cô trong khoa điện tử -viễn thông và các cán bộ trẻ
trong phòng thí nghiệm MEMS bộ môn vi cơ điện tử và vi hệ thống và đặc biệt là
thầy Nguyễn Phú Thùy đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành khóa luận này
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT
1
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang
CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN QUANG HỌC TSL230
1.1. Cấu tạo của cảm biến quang học TSL230.
1.1.1 Mô tả
Thiết bị TSL230 là một tập hợp các cảm biến quang học có khả năng chuyển ánh
sáng thành tín hiệu điện. Nó được tích hợp với khối CMOS và chuyển dòng điện thành
tần số.Đầu ra có thể là một chuỗi xung hoặc là sóng hình vuông (50% chu kỳ) với tần
số tỷ lệ với cường độ sáng. Độ nhạy cảm của thiết bị chúng ta có thể điều chỉnh được

mm
. Các chân
của TSL230 được trình bày trên hình 2.
Hình 2: Chân cụ thể của
TSL 230.
Chân số 1 : S0
(Chân dùng đặt
tỉ lệ độ nhạy của
photodiot)
Chân số 2 : S1
(Chân dùng đặt
tỉ lệ độ nhạy của photodiot)
Chân số 3 : OE (Enable for f0 , ative low)
Chân số 4 : GND (Chân nối đất )
Chân số 5 : VCC (Chân nối lên nguồn )
Chấn số 6 : OUT (Chân cho xung ra khi có ánh sáng đựơc thu trên
photodiot).
Chân số 7 : S2 (Chân chia tỉ lệ của tần số lối vào )
Chấn số 8 : S3 (Chân chia tỉ lệ của tần số lối vào )
1.2. Nguyên tắc hoạt động
1.2.1 Cấu hình đầu ra của TSL230
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT
3
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang
Cấu hình cho các chân của TSL 230 cho phép ta thu được một dãy các xung
vuông ra theo như ý muốn của chúng ta.
S1 S0 S3 S2 Độ nhạy Tần số chia
L L L L Power Down 1
H L L H 1x 2
H L H L 10x 10

Bảng dưới trình bày đặc tính hoạt động của các cảm biến quang học khác nhau
khi hoạt động ở thế V
DD
= 5V và nhiệt độ T
A
= 25
o
C.
Tham số Điều kiện Chạy TSL230 TSL230A TSL230B Đơn vị
đo
Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max
S0=H,
S1=S2=S3=L
E
e
=130nW/cm
2
λ
P
=670 nm
0.8 1 1.2 0.9 1 1.1 0.95 1 1.05 MHz
S0=H,E
e
=0
S1=S2=S3=L
0.1 10 0.1 10 0.1 10 Hz
S1=H,
S0=S2=S3=L
E
e

0.8 1 1.2 0.9 1 1.1 0.95 1 1.05 MHz
S0=S1=H,
S2=S3=L
E
e
=0;

0.5 10

0.5 10

0.5 10 Hz
T
W
S2=S3 125 550 125 550 125 550 ns
S2orS3=H 1/2f
O
1/2f
O
1/2f
O
s
f
O
=0 to 10kHz ±0.1% ±0.1% ±0.1% %F.S
Dung sai f
O
=0 to 10kHz ±0.2% ±0.2% ±0.2% %F.S
f
O

I
OH
= -4mA 4 4.3 V
V
OL
I
OL
=4mA 0.17 0.28 V
I
IH
1 µA
I
IL
1 µA
I
DD
Nguồn mở 2 3 mA
Nguồn tắt 10 µA
Tần số cao nhất 1.1 ±100 MHz
Hệ số nhiệt độ của đầu
ra
λ ≤700nm
-25
o
C≤ T
A
≤70
o
C
Ppm/

Trong việc sử dụng bộ cảm biến TSL 230 cần lưu ý các vấn đề sau đây.
1.3.1 Chú ý đến nguồn nuôi
Khi thiết bị làm việc ở điều kiện tốt nhất, nguồn nuôi được nối với một tụ 0.01µ
đến 0.1µ.
1.3.2 Đầu ra chung
Đầu ra của thiết bị được thiết kế theo định dạng TTL hoặc CMOS trên cơ sở đầu
vào khoảng cách ngắn. Nếu kết nối trên 30 cm thì sử dụng bên ngoài của đầu ra sử
dụng bộ đệm hoặc một thiết bị ngoài.
1.3.2.1 Sự hiệu chỉnh độ nhạy
Độ nhạy được điều khiển bởi hai nối vào S0, S1. Độ nhạy sử dụng điều chỉnh
được dòng điện một cách rất hiệu quả, bằng cách điều chỉnh độ mở và điều chỉnh bộ
đáp ứng của thiết bị đối với số lượng ánh sáng. Độ nhạy có thể chia thành 3 mức 1x,
10x, 100x. Với sự điều chỉnh này cho phép thiết bị hoạt động tối ưu hóa đối với những
sự thay đổi nhỏ mà vẫn giữ tín hiệu đầu ra trên giải tần số cho phép. Sự thay đổi độ
nhạy này rất có hiệu quả vì chúng ta có thể kiểm soát được hệ số nhân đó.
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT
10
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang
1.3.1.2 Chia tần số đâu ra
Tỷ số chia tần số đầu ra được điều khiển bởi hai chân S2 và S3. Chia tần số bằng
cách đưa tần số tới bộ biến đổi và được cắt thành những xung theo tỉ lệ chia. Tỉ lệ chia
có sẵn ở tùy theo ta chọn 1, 2, 10, 100. Sự chia cắt đầu ra là 50% thành những sóng
vuông đưa ra trực tiếp và là nhưng sóng cố định có độ rộng xung được tính toán trước.
Đầu ra được hiệu chỉnh nhờ điều chỉnh các mức tại chân S0, S1, S2, S3, để cho
ra tần số tùy theo ý đồ của người thiết kế, hoặc có thể sử dụng chân tần số hoạt động ở
chân OE.
Sự chia cắt đầu ra làm tối ưu hóa về kĩ thuật đo tần số. Chia cắt bởi 1 hoặc đưa
thẳng qua đầu ra thì chỉ cần sử dụng máy đếm tần số hoặc ắc quy xung, hoặc thiết bị
bấm giờ cao tốc.
Chia cắt thấp hơn có thể dùng những thiết bị đo đơn giản hơn mà vẫn chính xác

o Bộ nhớ dữ liệu EEPROM 256 x 8 bit.
+ Các thiết bị ngoại vi giao tiếp số
o Timer0: bộ đếm / timer 8 bit , có bộ chia trước 8 bit.
o Timer1: bộ đếm 16 bit, có bộ chia trước hệ số 1,4,16. đếm xung
được trong trạng thái SLEEP với xung đồng nhịp đưa từ bên ngoài .
o Timer2 : bộ đếm 8 bit chia trước ,chia sau.
o Hai khối compare/capture/PWM thực hiện chức năng so sánh/bắt
giữ số xung và điều chế độ rộng xung.
o Cổng nối tiếp đồng bộ theo chuẩn giao thức SPI và I2C.
o Bộ thu/phát đồng bộ vạn năng URAT có phần cứng phân biệt địa
chỉ.
o Cổng song song PSP 8bit có chan điều khiển RD,WR,CS.
o Có mạch phát hiện sự suy giảm điện áp nguồn, chức năng BOR.
+ Khả năng giao tiếp với tín hiệu tương tự.
Bộ biến đổi tương tự /số 10 bit, 8 kênh và có 2 bộ so sánh tương tự.
+ Khối tạo điện áp chuẩn bên trong lập trình được.
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT
12
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang
+ Lối ra của so sánh có thể truy nhập từ bên ngoài.
+ Các đặc tính riêng
o Đảm bảo 100.000 lần ghi/xóa vào bộ nhớ chương trình
flash.
o Đảm bảo 1.000.000 lần ghi/xóa vào bộ nhớ dữ liệu
EEPROM.
o Bộ nhớ dữ liệu kiểu EEPROM lưu được dữ liệu trên 40
năm.
o Tự nạp trình dưới sự điều khiển của phần mềm bootstrap qua
giao diện nối tiếp.
o Nạp trình nối tiếp ICSP.

Hình 11 là sơ đồ khối chức năng của các chân vào ra của vi điều khiển . Ở PIC
16F877A đa số các chân vào ra được sử dụng cho nhiều chức năng .
Các khối chức năng cụ thể cho từng chân vào ra được xác lập khi lập trình qua
các thanh ghi chức năng thuộc các khối liên quan chân này.
Tên Chân Loại Mô tả chức năng
OSC1/CLKI 13 I Dao động tinh thể lối vào dao động ngoài
OSC2/CLKO 14 O Dao động tinh thể hoặc lối ra xung nhịp
MCLR/Vpp 1 I/P Lối vào reset. Lối vào điện áp nạp trình
Vpp
RA0/AN0 2 I/O Vào/ ra số. Lối vào analog 0
RA1/AN1 3 I/O Vào/ ra số. Lối vào analog 1
RA2/AN2/V-reff/CVRef 4 I/O
Vào ra số. lối vào analog 2. Lối vào điện
áp chuẩn V-ref của ADC. Lối ra Vref so
sánh
RA3/AN3/V+Ref 5 I/O Vào/ ra số. Lối vào analog 3. Lối vào
điện áp chuẩn V-ref của ADC
RA4/TOCKI/C1OUT 6 I/O Vào/ra số cực máng ngỏ. Lối vào xung
ngoài cho timer. Lối ra bộ so sánh 1
RA5/SS/AN4/C2OUT 7 I/O Vào/ra số. lối vào chọn SOI. Lối vào
analog 4. lối ra bộ so sánh 2
RB0/INT 33 I/O Vào/ra số. Lối vào ngắt ngoài.
RB1 34 I/O Vào/ra số.
RB2 35 I/O Vào/ra số.
RB3/PGM 36 I/O Vào/ra số. Nạp trình LVP
RB4 37 I/O Vào/ra số
RB5 38 I/O Vào/ra số
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT
15
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang

29
30
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
I/O
Vào/ra số. Cổng song song tớ
Vào/ra số. Cổng song song tớ
Vào/ra số. Cổng song song tớ
Vào/ra số. Cổng song song tớ
Vào/ra số. Cổng song song tớ
Vào/ra số. Cổng song song tớ
Vào/ra số. Cổng song song tớ
Vào/ra sô. Cổng song song tớ
RE0/RD/AN5 7 I/O Vào/ra số. Điều khiển RD cổng song
song
RE1/WR/AN6 8 I/O Vào/ra số. Điều khiên WR cổng song
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT
16
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang
song
RE2/CS/AN7 9 I/O Vào/ra số. Điều khiển CS cổng song
song
Vss 12,31 I/O Đất chung cho lối vàp/ra và analog
Vdd 11,32 I/O Cấp nguồn dương
2.3 Tổ chức bộ nhớ và các thanh ghi chức năng đặc biệt

Hình 13: Tổ chức thanh ghi chức năng SFR
2.3.3 Bộ nhớ dữ liệu EEPROM
Một bộ nhớ dữ liệu đặc biệt kiểu EEPROM dung lương 256 byte được tích hợp
trong PIC 16F877A và được xem như thiết bị ngoại vi được nối vào bus dữ liệu, bộ
nhớ này có thể ghi đọc trong quá trình hoạt động dưới sự điều khiển của chương trình.
Bộ nhớ EEPROM thường dùng các lưu trữ các chương trình không bị thay đổi như các
hằng chuẩn, các dữ liệu của người sử dụng. và không bị mất đi khi ngắt nguồn nuôi.
Các thanh ghi chức năng đặc biệt EECON, EECON2, EEADR, EEADRH được sử
dụng để truy cập đến bộ nhớ này.
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT
19
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang
2.4 Các cổng vào/ra
2.4.1 Cổng A
Cổng A là cổng vào/ ra 6 bit, 2 hướng xem hình 14. Thanh ghi định hướng cổng
là TRISA. Bít “1” trong thanh ghi TRISA đặt bộ điều khiển lối ra tương ứng về trạng
thái trở kháng cao. Bít “0” trong thanh ghi TRISA đặt nội dung của thanh ghi chốt ra
lên chân tương ứng. Việc đọc cổng A là đọc mức logic của các chân vào bus. Việc ghi
ra cổng là ghi vào thanh ghi chốt lối ra PORTA.RA4 là lối vào trigger Schmitt và lối
ra cực máng ngỏ.
Hình 14:Cổng A
Chân RA4 dùng chung với lối vào xung nhịp cho timer0 khi dùng bộ đếm xung
từ bên ngoài.
Các chân khác của cổng A được ghép lối vào của các bộ so sánh tương tự và bộ
biến đổi ADC 8 kênh. Việc lựa chọn vào cho ADC được chọn bởi bit điều khiển trên
hai thanh ghi ADCON1 và ADCON2.
2.4.2 Cổng B
Cổng B là cổng 8 bit vào/ra hai hướng xem hình 15. Thanh ghi định hướng cổng
là TRISB. Thanh ghi chốt lối ra cổng B là PORTB.
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT

1. Lối vào Capture2/lối ra compảe2. Lối ra
PWM2
RC2/CPP1 Bit 2 Cổng vào/ra. Lối vào capture1/lối ra
compare1. Lối ra PWM1
RC3/SCK/SCL Bit 3 Lối ra xung nhịp của chế độ truyền
đồng bộ tuần tự SPI hoặc I2C
RC4/SDI/SDA Bit 4 Lối vào DATA của chế độ SPI, DATA
I/O của I2C
RC5/SD0 Bit 5 Cổng vào/ra. Lối ra của cổng truyền
đồng bộ tuần tự
RC6/TX/CK Bit 6 Cổng vào/ra. Lối ra Tx của USART.
Xung nhịp chế độ truyền đồng bộ
RC7/RX/DT Bit 7 Cổng vào/ra. Lối vào Rx của USART.
Dữ liệu chế độ truyền đồng bộ
2.4.4 Cổng D
Hình 17: Cổng D.
Cổng D là cổng 8 bit vào/ra hai hướng (xem hình 17). Thanh ghi định hướng
cổng là TRISD. Các lối vào của cổng D có bộ đệm trigger schmitt. Cổng D có thể định
Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT
23
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang
dang là cổng song song 8 bit kiểu Slave, việc điều khiển các chức năng đọc/ghi/chọn
cổng sử dụng các chân RE0/RE1/RE2 của cổng E.
2.4.5 Cổng E
Cổng E là cổng vào ra hai hướng gồm các chân RE0/RD/AN5, RE1/WR/AN6,
RE2/CS/AN7 (xem hình 18). Thanh ghi TRISE định hướng cổng là vào/ra. Thanh ghi
PORTE ghi các giá trị cần đưa ra cổng. Cổng E còn là các lối vào/ra điều khiển cổng
vào/ra song song khi cổng D được thiết lập là cổng vào/ra song song. Các chân
RE0/RE1/RE2 còn kênh vào điện áp tương tự thứ 6,7,8 của bộ biến đổi ADC.
Hình 18: Cổng E.