Download miễn phí Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu nhiều kênh, thông minh trên cảm biến ánh sáng/tần số dùng mc68hc11
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
Đại 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 62
Đại 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.
http://s1.luanvan.co/qYjQuXJz1boKCeiU9qAb3in9SJBEGxos/swf/2013/06/23/nghien_cuu_va_thiet_ke_he_thong_thu_thap_va_xu_ly.70h8v6nesW.swf luanvanco /luan-van/de-tai-ung-dung-tren-liketly-30664/Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
:
fx = fx1 + fx2 = f0 (
2
2
N
N x +
1
1
N
N x )
Tổng tuyệt đối của hai chu kỳ
Tx = Tx1 + Tx2 = T0 (
2
2
N
N x +
1
1
N
N x )
Bộ cộng (trừ) thường được sử dụng trong các thành phần của bộ nhân hay bộ
chia.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 37 -
2.4.2. Bộ nhân và bộ chia
Trong lĩnh vực đo đạc tần số bộ nhân tần đóng vai trò như một bộ khuyếch đại
biên độ của tín hiệu. Chúng sẽ làm tăng độ nhạy của thiết bị đo và mở rộng dải đo
trong vùng tín hiệu nhỏ. Đồng thời chúng cải thiện bộ chuyển đổi từ tần số sang mã
theo hai hướng sau. Thứ thất giúp tăng tốc độ cho phép giảm nhiễu lượng tử, thứ hai
có thể giảm thời gian đo đạc, vì vậy sử dụng trong thiết bị đo để điều khiển nhiều đại
lượng biến đổi chậm, hay giảm giải động của nhiễu bằng cách đo các đại lượng biến
đổi nhanh. Cuối cùng bộ nhân tần có thể sử dụng cho việc đồng nhất tín hiệu, cho phép
với các thiết bị đo được sử dụng với cảm biến với những tần số lối ra khác nhau được
đồng nhất về cùng một tần số. Tiếp theo đây chúng ta sẽ xem xét một cách chi tiết hơn.
Mặc dù trên thực tế bộ nhân tần đã được biết và sử dụng ở trong các công
nghệ radio và đo lường học (pha và thời gian) trước đó một thời gian dài. Sự xuất hiện
kỹ nghệ đo tần số với yêu cầu đặc biệt không chỉ mang lại cho chúng ta nhiều bộ nhân
mới mà nó còn tạo ra nhiều vấn đề mới cần giải quyết.
Bộ nhân tần là một bộ chuyển đổi những giao động điện ở lối vào với tần số fxi
thành những giao động ở lối ra và với tần số trung bình
fxout = km .fx1
Ở đây km là hệ số nhân tần, nếu km nhỏ hơn, ta có bộ nhân tần có chức năng
của bộ chia.
Dải làm việc của bộ nhân, hay dải thông là đặc tính xác định bằng mối quan hệ
giữa tần số làm việc tối đa và tối thiểu.
D =
min
max
fxi
fxi
Tương tự, log2 của nó log2D là dải thông tính theo Octave, hay lgD là dải
thông tính bằng Decac.
Đặc trưng cơ bản của bộ nhân là hệ số nhân, tốc độ và phạm vi dải tần của nó.
Bộ nhân tần có hệ số nhân tần lớn, tốc độ cao, và dải tần càng rộng càng tốt. Các yêu
cầu này là mâu thuẫn với nhau. Thực tế, nếu ta tăng km thì giảm phạm vi tần số làm
việc. Mặt khác nếu ta mở rộng dải thông thì phải giảm tốc độ làm việc.
Dạng xung lối vào và lối ra của bộ nhân tần có sự khác biệt rất lớn. Nếu dạng
xung lối vào không như mong muốn, có thể phải dùng thêm bộ tạo dạng xung. Sau đây
là một vài điểm đặc biệt khi nhân tín hiệu có dạng xung khác nhau.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 38 -
− Nếu tín hiệu cảm biến có dạng răng cưa, khi đó bộ đếm sẽ được thiết lập ở
một số mức bởi điện áp lối vào. Sườn không đổi của điện áp răng cưa và mức kích
hoạt không đổi làm cho bộ nhân không phù hợp khi làm việc trong một giải tần rộng.
Bởi vì sự xắp xếp các xung theo thời gian là không đồng nhất, có một số thành phần
lệch khỏi vị trí thông thường. Nguyên nhân là do sự thay đổi biên độ của xung răng
cưa. Còn đối với những tín hiệu vào không phải là dạng xung răng cưa thì hệ thống có
thể đạt được xung lối ra với một giải tần rộng.
Sử dụng lối vào dạng dạng xung tam giác cân xứng, bộ nhân được thực hiện
bằng cách liên tục lập lại việc chỉnh lưu dạng sóng. Thành phần một chiều được trừ đi
khỏi tín hiệu lối vào, tiếp theo là tinh chỉnh dạng sóng. Sau cùng chúng ta đạt được
điện áp tam giác song có tần số gấp đôi.
− Đối với tín hiệu lối vào dạng hình sin, bộ nhân với bộ mã hóa không gian
được thực hiện nhờ bộ chuyển đổi tín hiệu không tuyến tính (ví dụ: nhân chập bình
phương, hay nhân chập bậc 3)
(Vm.cos wt)2 = 2
1 V2m . cos2wt + 2
1 V2m
(Vm.cos wt)3 = 4
1 V3m . cos3wt + 4
1 V3m. coswt
Thành phần một chiều do bình phương được loại bỏ một cách thích hợp. Bộ
nhân cũng hỗ trợ việc kết nối nhiều tầng mà không hạn chế về mặt giải tần .
− Còn đối với lối vào là xung dạng chữ nhật thì bộ nhân tần dễ dàng thực
hiện một cách đơn giản.
2.4.3. Toán tử vi phân và tích phân
Các bộ vi phân và tích phân thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển tự
động, vi phân là một trong những toán tử khó nhất. Thông thừơng nó được biểu diễn
theo cách sau đây.
Ft = a. dt
tdF )(1
Ở đây F1(t) = k x(t) là tần số xung lối vào; dt
tdF )(1 là vi phân bậc 1 của F1(t).
Trong trường hợp lý tưởng phương trình đạo hàm của một số hàm theo thời
gian có thể được viết như sau
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 39 -
Ft(ideal) = t
tFttF
t ∆
−∆+
→∆
)()(. 1
0
lim = dt
tdF )(1
Trong thực tế ∆ t không tiến đến 0 nhưng nó được cố định tại một giá trị nhỏ
τ∆ , giá trị này là rất nhỏ khi so sánh với chu kỳ Tx trong trường hợp này ta có thể viết
như sau:
F(t) = τ∆
−∆+ )()(. 1 tFttF = τ∆
∆ )(1 tF = k.
dt
tdF )(1
Tính tích phân xung tần số được quy về việc đếm xung nhờ các bộ đếm hai
hướng. Việc thực thi chúng có thể tính toán nhờ phần mềm trong vi điều khiển. Khả
năng của bộ tích phân này hạn chế bởi dung lượng bộ nhớ.
Số lượng xung tích được bởi bộ đếm có thể được biểu diễn theo phương trình
sau.
N(τ ) = dttF∫τ
0
)(
2.4.4. Một ứng dụng các toán tử
− Đồng nhất tín hiêu tần số:
Trong hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh, nhiều cảm biến các lối ra cẩm biến
có thể có nhiều tần số dùng để biểu diễn thông tin. Thông thường dải tần số lối ra từ
khoảng vài Hz tới vài MHz. Trong một dải rộng như vậy, để biến đổi thẳng sang mã,
hay xử lý trực tiếp tại vi điều khiển là rất khó khăn. Thông thường trước khi đem vào
xử lý, tín hiệu tần số phải qua bộ đồng nhất tần số để quy tất cả tín hiệu về dải tần duy
nhất. Bộ đồng nhât tần số như vậy có thể xây dựng từ các phần tử cơ sở là các bộ nhân
tín hiệu tần số và có thể đạt được độ chính xác cao, tốc độ lớn, tin cậy và ổn định trong
một dải rộng. Ta biểu diễn hệ thống như vậy bằng sơ đồ sau:
Hình 16. Sơ đồ khối đơn giản bộ đồng nhất tần số.
Km
fx fo
Điều
khiển
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 40 -
Như vậy ta thấy, trong sơ đồ khối đơn giản. Bộ đồng nhất tần số chỉ gồm bộ
nhân tần với hệ số nhân được điều khiển bởi bộ điều khiển. Hệ số Km tuỳ từng trường hợp vào tín
hiệu lối vào và được tính toán bởi bộ điều khiển hình vẽ 16.
2.5. Thuật toán thông minh và giao tiếp bus
2.5.1. Thuật toán thông minh
Hiểu thế nào là một thuật toán thông minh. Thông minh tức là khả năng đáp
ứng lại thay đổi của môi trường ngoài hay thay đổi điều kiện hoạt động một cách
nhanh nhạy và hiệu quả. Máy móc thông minh có nghĩa là nó có khả năng thích nghi,
thay đổi cách làm việc sao cho hiệu quả nhất. Như vậy một hệ thống thông
minh yêu cầu phải tự nhận biết được một s
