Tài liệu Xây dựng hệ thống ấp trứng tự động

MỤC LỤC MỤC LỤC.....................................................................................................................1 DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN..................................3 MỞ ĐẦU.......................................................................................................................5 Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................6 1.1 Khảo sát hệ thống ấp trứng tự động....................................................................6 1.1.1 Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm..........................................6 1.1.2 Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời..................................................7 1.1.3 Máy ấp trứng kỹ thuật số..............................................................................8 1.2 Yêu cầu của hệ thống ấp trứng tự động sẽ thực hiện..........................................9 1.3 Chi tiết các thiết bị.............................................................................................10 1.3.1 Động cơ xoay chiều.....................................................................................10 1.3.2 Động cơ một chiều......................................................................................11 1.3.3 Bóng đèn......................................................................................................12 1.3.4 CPU Atmega16............................................................................................12 1.3.5 Bộ định thời Real Time Clock DS1307......................................................28 1.3.6 Cảm biến nhiệt độ LM35............................................................................34 1.3.7 LCD16x2.....................................................................................................36 Chương 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG..............................................39 2.1 Yêu cầu của bài toán điều khiển........................................................................39 2.2 Phân tích cách điều khiển..................................................................................39 2.3 Sơ đồ khối điều khiển........................................................................................41 2.4 Phân tích thiết kế phần cứng............................................................................42 2.4.1 Khối nguồn..................................................................................................42 2.4.2 Khối thời gian thực......................................................................................42 2.4.3 Cảm biến......................................................................................................43 2.4.4 Khối hiển thị................................................................................................44 2.4.5 Khối chấp hành............................................................................................44 1 2.4.6 Phím nhấn....................................................................................................45 2.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống..................................................................................47 2.6 Thuật toán..........................................................................................................48 2.6.1 Thuật toán đo và hiển thị nhiệt độ lên LCD và điều khiển đèn..................48 2.6.2 Thuật toán chương trình con điều khiển đèn..............................................49 2.6.3 Thuật toán chương trình con cài đặt nhiệt độ.............................................50 Chương 3: KẾT QUẢ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ẤP TRỨNG TỰ ĐỘNG.............51 3.1 Mạch ở chế độ MODE=0..................................................................................51 3.2 Mạch ở chế độ MODE=1..................................................................................52 3.3 Mạch ở chế độ MODE=2..................................................................................53 3.4 Mạch ở chế độ MODE=3..................................................................................54 3.5 Mạch ở chế độ MODE=4..................................................................................55 KẾT LUẬN.................................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................57 2 DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN Hình 1.1: Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm..........................................7 Hình 1.2: Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời..................................................8 Hình 1.3 : Máy ấp trứng kỹ thuật số.............................................................................9 Hình 1.4: Động cơ điện xoay chiều............................................................................10 Hình 1.5: Động cơ điện một chiều..............................................................................11 Hình 1.6 : Bóng đèn....................................................................................................12 Hình 1.7: Sơ đồ chân của Atmega16..........................................................................14 Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển Atmega16......................................................17 Hình 1.9: Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh..............................................................19 Hình 1.10: Analog và digital của hàm sin...................................................................20 Hình 1.11: Tạo nguồn AVCC từ VCC........................................................................22 Hình 1.12: Cấu tạo của DS1307.................................................................................29 Hình 1.13: Ghép nối DS1307 với vi điều khiển.........................................................30 Hình 1.14: Tổ chức thanh ghi trong DS1307.............................................................31 Hình 1.15: Tổ chức thanh ghi trong DS 1307............................................................32 Hình 1.16: Cấu tạo của LM35.....................................................................................35 Hình 1.17: Hình dáng và cấu tạo chân LM35.............................................................35 Hình 1.18: sơ đồ chân LCD........................................................................................37 Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển.................................................................................41 Hình 2.2: Khối nguồn..................................................................................................42 Hình 2.3: Sơ đồ ghép nối DS1307 với CPU...............................................................43 Hình 2.4: Sơ đồ ghếp nối LM35 với CPU..................................................................43 Hình 2.5: Sơ đồ khối LCD..........................................................................................44 Hình 2.6: Điều khiển bóng đèn...................................................................................45 Hình 2.7: Động cơ DC................................................................................................45 Hình 2.8 : Phím nhấn..................................................................................................46 3 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống...........................................................................47 Hình 3.1: MODE=0.....................................................................................................51 Hình 3.2: MODE=1.....................................................................................................52 Hình 3.4: MODE=3.....................................................................................................54 Hình 3.5: MODE=4.....................................................................................................55 4 MỞ ĐẦU Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta có nhiều những thành tựu vượt bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho đất nước mà còn xuất khẩu ra thị trường thế giới. Với thành tựu to lớn đó, chúng ta phải kể đến ngành chăn nuôi gia cầm đã góp phần quan trọng cho nền kinh tế quốc dân. Sự phát triển của ngành chăn nuôi nói chung và ngành chăn nuôi gia cầm nói riêng đã đem lại lợi ích kinh tế cho các hộ nông dân, từng bước xóa đói giảm nghèo và ngày càng có nhiều hộ gia đình làm giàu trên mảnh đất của mình nhờ vào kinh tế trang trại. Ngày nay, nền kinh tế trang trại được phát triển rộng rãi trên cả nước với quy mô vừa và lớn do đó vấn đề con giống là hết sức cần thiết. Ấp trứng nhân tạo bằng máy ấp công nghiệp là phương pháp tối ưu để sản xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp nở cao, đặc biệt có thể ấp được một số lượng trứng lớn, và chất lượng con giống được nâng cao. Ngày nay, việc đưa Vi Điều Khiển vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp đã đáp ứng tốt các yêu cầu trong điều khiển tự động hoá, nó đã trở thành yếu tố chính để nâng cao hơn nữa hiệu quả của sản xuất trong công nghiệp nước ta. Việc đưa Vi Điều Khiển vào điều khiển cho máy ấp trứng công nghiệp là rất cần thiết, vì nó đảm bảo điều khiển chính xác các thông số cho quá trình ấp nở và cho hiệu quả ấp nở cao, hệ thống điều khiển ngọn nhẹ, dễ dàng thao tác, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người nông dân. Vì vậy, đồ án em thực hiện là “Xây dựng hệ thống ấp trứng tự động”. Mục đích của đề tài này là xây dựng một hệ thống ấp trứng tự động sử dụng Vi Điều Khiển AVR. Do còn nhiều hạn chế về thời gian, về kiến thức và điều kiện làm việc cũng như sự thử nghiệm thực tế, việc tìm hiểu của em chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô cùng các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên : Nguyễn Thị Bích Nga 5 Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Khảo sát hệ thống ấp trứng tự động Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các phương pháp ấp trứng thủ công đã dần được thay thế bởi các loại máy ấp trứng tự động và bán tự động với tỷ lệ ấp thành công rất cao phù hợp với yêu cầu sản xuất, cho năng suất cao. Sau đây là một số loại máy ấp trứng được sử dụng nhiều trong sản xuất. 1.1.1 Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm Máy ấp trứng tự động dùng cho các loại trứng gia cầm,thủy cầm (gà, vịt, ngan, ngỗng…..). Bao gồn các loại máy kích thước nhỏ gia dụng cho đến các loại máy công nghiệp với đủ kích thước, có thể ấp từ 50 đến 10.000 trứng. Tỷ lệ ấp thành công lên đến 95% với các đặc điểm như sau: - Bo mạch điện tử tự động cân bằng nhiệt bảo đảm nhiệt độ thích hợp (37ºC~ 39ºC) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp trứng. Phát âm thanh tự báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng quy định và ngược lại, cảnh báo khi nhiệt độ bên ngoài quá cao, mức sai lệch nhiệt độ là 0.1ºC. - Máy siêu âm tạo độ ẩm tuyệt đối cho máy ấp trứng bảo đảm độ ẩm thích hợp (65%RH ~ 80%RH) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp trứng. - Bộ điều hòa khí chuyên dụng bảo đảm thông gió thoáng khí trong tủ ấp. - Bộ đảo trứng thông minh có định giờ bảo đảm đảo trứng thường xuyên (1~3h/ 1 lần). - Kích thước của máy tùy thuộc vào số lượng trứng cần ấp, với những máy có kích thước nhỏ phù hợp với các hộ gia đình, các máy có kích thước lớn thì phù hợp với các trang trại hay các lò ấp công nghiệp. 6 Hình 1.1: Máy ấp trứng tự động đảo trứng và phun độ ẩm 1.1.2 Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời ngày nay cũng đã được sủ dụng rộng rãi, đặc biệt là ở các vùng nông thôn hay bị mất điện đột ngột và ở vùng sâu vùng xa, nơi không có điện năng. Với ưu điểm là tiết kiệm điện năng và có giá thành phù hợp. Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời gồm ba phần chính: pin năng lượng mặt trời, bình nước nóng và buồng ấp trứng. - Pin năng lượng mặt trời sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành điện năng tích trữ vào ác quy để cung cấp cho bộ phận điều khiển nhiệt độ của máy ấp trứng. Nhiệt độ trong buồng ấp luôn đảm bảo khoảng 37ºC đến 38ºC. - Máy nước nóng năng lượng mặt trời sẽ cung cấp nhiệt năng, giúp tăng nhiệt độ trong buồng ấp trứng. 7 Hình 1.2: Máy ấp trứng sử dụng năng lượng mặt trời 1.1.3 Máy ấp trứng kỹ thuật số Máy ấp trứng kỹ thuật số sản xuất theo công nghệ và tiêu chuẩn Hàn Quốc, với đầy đủ các tính năng như: tùy chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, tự động đảo trứng, dễ dàng sửa chữa và thay thế linh kiện, có thể sử dụng được cả hai nguồn điện là nguồn điện 220V và nguồn của bình ác quy để phòng khi mất điện. - Các loại trứng có thể ấp được: gà, vịt, ngan, ngỗng, chim, đà điểu, trĩ, vv….,tất cả các loại trứng gia cầm. - Số lượng trứng có thể ấp là từ 10 – 20.000 trứng. - Tạo ẩm: tự động điều chỉnh trên bảng control, sử dụng máy bơm nước siêu nhỏ để tạo ẩm và sóng siêu âm, cảnh báo khi hết nước. - Hệ thống cung cấp nhiệt: bóng nhiệt HALOGEN chuyên dùng ấp trứng, tự điều chỉnh nhiệt độ trên bảng điều khiển. - Khay trứng: khay trứng được lắp ráp thông minh có thể tăng giảm kích thước với từng loại trứng lớn nhỏ, không giới hạn kích thước trứng. - Đảo trứng: tùy chỉnh thời gian đảo và số lần dảo trứng cho một lần hoạt động. - Giải pháp khi mất điện: hệ thống ấp trứng bằng ác quy, duy trì thời gian ngày với ác quy 100mA trở lên. 8 Hình 1.3 : Máy ấp trứng kỹ thuật số Trên đây là cấu tạo, chức năng, yêu cầu kỹ thuật và hình ảnh của một số loại máy ấp trứng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trên thị trường hiện nay. Tham khảo các thông số và yêu cầu kỹ thuật của các loại máy ấp trứng trên, trong đồ án này em sẽ xây dựng hệ thống ấp trứng tự động. 1.2 Yêu cầu của hệ thống ấp trứng tự động sẽ thực hiện Hệ thống bao gồm các bộ phận chính: - Thùng ấp: được thiết kế tùy theo số lượng trứng cần ấp. - Giá đựng trứng: được lắp trong thùng ấp với nhiều tầng và gắn với trục động cơ thông qua bộ truyền lực (bánh răng hoặc dây culoa). - Động cơ xoay chiều hoặc một chiều để quay giá trứng (tùy theo kích thước của thùng ấp mà có thể dùng động cơ xoay chiều hay động cơ một chiều). - Hệ thống bóng đèn: để tạo nhiệt độ trong buồng ấp trứng. - Sử dụng vi điều khiển Atmega16 để xử lý các tín hiệu nhận được và đưa ra các tín hiệu điều khiển. - Bộ định giờ Real Time Clock DS1307 để cập nhật thời gian. - Sensor nhiệt độ LM35 đo nhiệt độ trong buồng ấp trứng. 9 - Màn hình hiển thị số liệu LCD16x2 hiển thị ngày tháng, nhiệt độ. - Hệ thống phím nhấn để chọn các chế độ nhiệt độ khác nhau. - Các đèn cảnh báo và chuông báo khi hệ thống gặp sự cố. 1.3 Chi tiết các thiết bị 1.3.1 Động cơ xoay chiều 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor. Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay. Rôto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép. Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. 2. Phân loại Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại: động cơ 3 pha và 1 pha, và nếu theo tốc độ có động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Hình 1.4: Động cơ điện xoay chiều 10 1.3.2 Động cơ một chiều Động cơ một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Stator của động cơ điện một chiều thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rô to quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 o so với phương ban đầu của nó, khi đó Rôto sẽ quay theo quán tính. Hình 1.5: Động cơ điện một chiều 11 1.3.3 Bóng đèn Bóng đèn sợi đốt hay gọi ngắn gọn hơn là bóng đèn tròn là một loại bóng đèn dùng để chiếu sáng, dây tóc là bộ phận chính để phát ra ánh sáng, thông qua vỏ thủy tinh trong suốt. Các dây tóc - bộ phận phát sáng chính của đèn được bảo vệ bên ngoài bằng một lớp thủy tinh trong suốt hoặc mờ đã được rút hết không khí và bơm vào các khí trơ. Kích cỡ bóng phải đủ lớn để không bị hơi nóng của nhiệt tỏa ra làm nổ. Hầu hết bóng đèn đều được lắp vào trong đui đèn, dòng điện sẽ đi qua đui đèn, qua đuôi đèn kim loại, vào đến dây tóc làm nó nóng lên và đến mức phát ra ánh sáng. Đèn dây tóc dùng điện áp từ 1,5 vôn đến 300 vôn. Hình 1.6 : Bóng đèn 1.3.4 CPU Atmega16 1. Tính năng của Atmega16 Vi điều khiển Atmega16 là vi điều khiển thuộc họ AVR của hãng Atmel, là một dòng vi điều khiển tích hợp cao với những chức năng cơ bản nhưng rất cần thiết trong những ứng dụng cụ thể. Vi điều khiển ATmega16 cung cấp những tính năng sau: -16K bytes bộ nhớ chương trình dạng flash có thể Read-While-Write. -512 bytes EEPROM. -1K byte RAM tĩnh (SRAM). 12 -32 đường kết nối I/O mục đích chung. -32 thanh ghi làm việc mục đích chung được nối trực tiếp với đơn vị xử lý số học và logic (ALU). -Một giao diện JATG cho quét ngoại vi. -Lập trình và hỗ trợ gỡ rối trên chip. -3 Timer/Counter linh hoạt với các chế độ so sánh. -Các ngắt ngoài và ngắt trong (21 nguyên nhân ngắt). -Chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp USART có thể lập trình. -Một ADC 10 bit, 8 kênh với các kênh đầu vào ADC có thể lựa chọn bằng cách lập trình. -Một Watchdog Timer có thể lập trình với bộ tạo dao động bên trong. -Một cổng nối tiếp SPI ( serial peripheral interface). -6 chế độ tiết kiệm năng lượng có thể lựa chọn bằng phần mềm. -Lựa chọn tần số hoạt động bằng phần mềm. -Đóng gói 40 chân kiểu PDIP. -Tần số tối đa 16MHz. -Điện áp 4,5 – 5,5V. Vi điều khiển ATmega16 được hỗ trợ lập trình với ngôn ngữ lập trình bậc cao như ngôn ngữ lập trình C và nhiều ngôn ngữ lập trình khác. Điều này giúp cho người sử dụng rất tiện lợi trong việc lập trình cho vi điều khiển. 13 Hình 1.7: Sơ đồ chân của Atmega16 Mô tả các chân vi điều khiển ATmega16 - VCC: chân cấp nguồn một chiều. - GND: chân nối đất. - Port A (PA7..PA0): Cổng A được dùng làm lối vào analog của bộ chuyển đổi A/D. Cổng A cũng được dùng như một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp nếu bộ chuyển đổi A/D không được sử dụng. Các chân của port được cung cấp điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit). - Port B(PB7..PB0): Cổng B là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp có các điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit). Ngoài ra Port B còn được sử dụng cho các chức năng đặc biệt khác: Port Pin PB7 PB6 PB5 PB4 Alternate Functions SCK (SPI Bus serial Clock) MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output) MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input) SS (SPI Slave Select Input) 14 PB3 PB2 PB1 PB0 AIN1 (Analog Comparator Negative Input) OC0 (Timer/Counter) Output Compare Match Output) AIN0 (Analog Comparator Positive Input) INT2 (External Interrupt 2 Input) T1 (Timer/Couter 1 External Counter Input) T0 (Timer/Counter 0 External Counter Input) XCK (USART External Clock Input/Output) - Port C(PC7..PC0): Port C cũng là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp với các điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit). Khi giao diện JTAG được phép hoạt động, các điện trở kéo lên của các chân PC5(TDI), PC3(TMS), và PC2(TCK) sẽ vẫn hoạt động cả khi xảy ra reset. Port C được sử dụng cho giao diện JTAG và các chức năng đặc biệt khác như trong bảng: Port Pin PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 Alternate Function TOSC2 (Time Oscillator Pin 2) TOSC1 (Time Oscillator Pin 1) TDI (JTAG Test Data In) TDO (JTAG Test Data Out) TMS (JTAG Test Mode Select) TCK (JTAG Test Clock) SDA (2- wire Serial Bus Data Input/Output Line) SCL (2- wire Serial Bus Clock Line) -Port D(PD7..PD0): là một cổng I/O 8 bit hai chiều trực tiếp có các điện trở kéo lên bên trong (được chọn cho từng bit). Port D cũng được dùng cho các chức năng đặc biệt khác của ATmega16 như trong bảng: Port Pin PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 Alternate Function OC2 (Timer/Counter2 Output Compare Match Output) ICP (Timer/Counter1 Input Capture Pin) OC1A (Timer/Counter1 Output CompareA Match Output) OC1B (Timer/Counter1 Output CompareB Match Output) INT1 (External Interrupt 1 Input) INT0 (External Interrupt 0 Input) 15 PD1 PD0 TXD (USART Output Pin) RXD (USART Input Pin) - RESET : Là đầu vào reset. Một tín hiệu mực thấp đặt vào chân này trong khoảng thời gian dài hơn độ dài xung nhỏ nhất sẽ phát ra một reset, ngay cả khi xung nhịp không hoạt động. Xung ngắn hơn thì không đảm bảo để phát ra một reset. -XTAL1: đầu vào cho bộ khuếch đại đảo dao động và đầu vào đến mạch hoạt động đồng hồ xung nhịp bên trong. -XTAL2: đầu ra cho bộ khuếch đại đảo dao động -AVCC: là chân cấp nguồn áp cho Port A và bộ chuyển đổi A/D. Chân này nên được nối với VCC cả khi ADC không được sử dụng. nếu ADC được sử dụng, chân AVCC nên được nối với VCC qua bộ lọc thông thấp. -AREF: chân điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi A/D 16 Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển Atmega16 2. Tìm hiểu về ADC Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng ta là các dữ liệu tương tự (analog). Ví dụ nhiệt độ không khí buổi sáng là 25ºC và buổi trưa là 32ºC, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà nhiệt độ phải “đi qua” để có thể đạt mức 32ºC từ 25ºC, đại lượng nhiệt độ như thế gọi là một đại lượng analog. Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Ví dụ chúng ta muốn 17 dùng một thanh ghi 8 bit trong vi điều khiển để lưu lại các giá trị nhiệt độ từ 0°C đến 255°C, như chúng ta đã biết, một thanh ghi 8 bit có thể chứa tối đa 256 (2 8) giá trị nguyên từ 0 đến 255, như thế các mức nhiệt độ không nguyên như 28.123°C sẽ không được ghi lại. Nói cách khác, chúng ta đã “số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital. Quá trình “số hóa” này thường được thực hiện bởi một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to Digital Converter). Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi ADC, phương pháp chuyển đổi mà em nói ở đây là phương pháp chuyển đổi trực tiếp (direct converting) hoặc flash ADC. Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như opamp), các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh. Hình 1.9 mô tả một bộ chuyển đổi flash ADC có 4 bộ so sánh, V in là tín hiệu analog cần chuyển đổi và giá trị sau chuyển đổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp các mức nhị phân trên các chân Vₒ. Trong hình 1.9, do anh hưởng của mạch chia áp (các điện trở mắc nối tiếp từ điện áp +15V đến đất), điện áp trên chân âm (chân -) của các bộ so sánh sẽ khác nhau. Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp V in lớn hơn điện áp V- của bộ so sánh 1 (opamp ở phía thấp nhất trong mạch) nhưng lại nhỏ hơn điện áp V- của các bộ so sánh khác, khi đó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở mức 0, chúng ta thu được một kết quả số. Một cách tương tự, nếu tăng điện áp V in ta thu được các tổ hợp số khác nhau. Với mạch điện có 4 bộ so sánh như trong hình 1.9, sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác điện áp analog Vin được chia thành 5 mức số khác nhau. Tuy nhiên, các ngõ Vₒ không phải là các bit của tín hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là đại diện để tổ hợp thành tín hiệu số ngõ ra, chúng ta không sử dụng được các bit Vₒ trực tiếp mà cần một bộ giải mã (decoder). Trong bảng 1 tôi trình bày kết quả sau khi giải mã ứng với các tổ hợp của các ngõ Vₒ. 18 Hình 1.9: Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh. Bảng 1 Giá trị sốố ngõ ra sau khi giải mã. Vₒ4 Vₒ3 Vₒ2 Vₒ1 Giá trị nhị phân Giá trị thập phân 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 000 001 010 011 100 0 1 2 3 4 Độ phân giải (resolution): như trong ví dụ trên, nếu mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao tức độ phân giải (resolution) càng lớn. Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra. Trong trường hợp có 8 mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế 19 mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit. Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2 n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thường có độ phân giải ít hơn 8 bit. Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bô điều khiển. Trong 2 mô tả một ví dụ “số hóa” một hàm sin analog thành dạng digital. Hình 1.10: Analog và digital của hàm sin. Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì người A đang “phí phạm” tính chính xác của thiết bị. Vấn đề sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference voltage). Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=2 10-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác 20