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 qua các chân của thiết bị. Tất cả đầu vào và đầu ra đều ở mức TTL, cho phép đo thông tin hai chiều của vi điều khiển của chương trình và đầu ra của cường độ ánh sáng. Đầu ra được cho phép bởi chân (OE) nó cung cấp điều kiện đặc điểm của đầu ra trong tình trạng trở kháng cao cho sự chia nhỏ tín hiệu vào vi điều khiển. Thiết bị có giá tri ra hoàn toàn là tần số với hệ dung sai của TSL230 là 20% và là 5% so với TSL230A Mỗi mạch điện có bề mặt phân cách nhiệt cho phép hoạt động trong dải ánh sáng từ bức xạ tử ngoại đến ánh sáng nhìn thấy với cả với bước sóng từ 300nm đến 700nm. Thiết bị có thể hoạt động tốt trong nhiệt độ cho phép từ -25 o C đến 70 o C. 1.1.2 Cấu tạo Hình 1 là ảnh cụp của cảm biến quang học TL230. Hình 1: Ảnh chụp của cảm biến quang học dùng trong khóa luận (TSL 230) Đầu thu ánh sáng khả trình là một linh kiện rất thuận lợi cho ta trong quá trình đo đạc, nó có khả năng biến ánh sáng nhận được theo tín hiệu tương tự và biến đổi nó thành xung vuông ở lối ra. Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT 2 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang Ta có thể lập trình hay thiết lập được các thông số ví dụ như độ nhạy sáng , tỷ lệ của xung lối ra. Ta có thể truyền trực tiếp đến vi xử lý và dùng để xử lý dữ liệu được truyền tới. Nguồn cung cấp cho cảm biến là 6V- 2,7V. Tỷ lệ sai số của xung lối ra vào cỡ ±5% Cấu hình của TSL230 gồm có một loạt các photodiot được đóng gói trong một vỏ nhựa trong suốt có hai hàng chân . Dãy photodiot đặt bên trong có kích thước vào khoảng 1,36 2 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 H H H H 100x 100 Hình 3: Giản đồ xung tại chân ra. 1.2.2 chức năng các chân Xung ra của TSL 230 sẽ tỉ lệ với cường độ ánh sáng nhận được trên bề mặt của TSL 230. Xung sẽ đưa được trực tiếp đến vi điều khiển để xử lý dữ liệu vào và đưa ra hiển thị kết quả trên LCD. Bảng dưới là biểu đồ biểu thị các trường hợp cài đặt các chân và sự phối hợp các chân như thế nào . Tên chân Ký hiệu(số) I/O Chức năng GND 4 Chân đất OE 3 I Enable for f O Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT 4 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang OUT 6 O Chân cho xung ra S0, S1 1, 2 I Chỉnh độ nhạy S2, S3 7, 8 I Chân chia tỉ lệ tần số nối vào 1.2.3 Khối chức năng Sơ đồ khối chức năng của thiết bị đo nhịp tim dùng trong khóa luận được trình bày trong hình 4. Hình 4 Sơ đồ khối chức năng. 1.2.4 Giới thiệu về điều kiện vận hành 1.2.4.1 Những đặc tính hoạt động khi V DD = 5V, T A =25 o C 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 =130nW/cm 2 0.8 1 1.2 0.9 1 1.1 0.95 1 1.05 MHz Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT 5 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang λ P =670 nm f O S1=H,E e =0 S0=S2=S3=L 0.13 10 0.13 10 0.13 10 Hz S0=S1=H, 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=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 =0 to 10kHz ±0.5% ±0.5% ±0.5% %F.S Nguồn Tắt 100 100 100 µs Tỉ lệ Cho phép OE 50 150 50 150 50 150 ns 1.2.4.2 Điều kiện nguồn nuôi Các dữ liệu đầu vào MIN NOM MAX Đơn vị đo Điện áp nguồn, Vdd 2.7 5 6 V Mức cao input, V IH Vdd=4.5Vđến 5.5V 2 Vdd V Mức thấp input, V IL Vdd=4.5Vđến 5.5V 0 0.8 V Khoảng nhiệt độ hoạt động -25 70 o C Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT 6 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang 1.2.4.3 Đặc trưng về điện tại T A = 25 o C và Vdd= 5V Thông số Điều kiện chạy thử Min Nom Max Đơn vị đo V OH 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/ o C K SVS độ nhạy nguồn V DD = 5V±10% 1.2.5 Biểu đồ đặc trưng Dưới đây là một số biểu đồ đặc trưng của cảm biến loại TSL 230A sử dụng trong khóa luận. 1.2.5.1 Tần số và độ sáng Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT 7 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang Hình 5: biểu đồ tần số và độ sáng. 1.2.5.2 Độ nhạy đáp ứng phổ Hình 6: Độ nhạy và đáp ứng phổ. 1.2.5.3 Tần số khi không có ánh sáng Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT 8 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang Hình 7: Tần số và nhiệt độ. 1.2.5.4 Hệ số nhiệt độ và bước sóng của ánh sáng tới Hình 8: hệ số nhiệt độ và chiều dài bước sóng. 1.2.5.5 Tần số đầu ra và nguồn nuôi Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT 9 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang Hình 9: Tần số đầu ra và nguồn nuôi 1.3. Một số thông tin cho vấn đề ứng dụng 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 [...]... 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 19 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang 2.4 Các cổng vào/ra 2.4.1 Cổng A Cổng A... trí chân PIC 16F877A 14 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang Hình11 : Sơ đồ khối chức năng của PIC 16F877A 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... đó có các thanh ghi đa năng GPR (General Purpose Register ) và các thanh ghi chức năng đặc biệt SER(Specail Function Register) Việc lựa chon các bank được xác định bằng các bit RP1, RP0 của thanh ghi STATUS Tổng dung lượng của các GPR RAM là 368 byte, lớn hơn nhiều so với vi điều khiển khác như ở họ 8051 chỉ có 128 byte Các thanh ghi GPR được sử dụng để lưu giá trị các biến trong chương trình Các thanh... là đơn vị tính toán số học và logic, nó thực hiên các phép tình số và đại Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 13 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang số Boole trên thanh ghi làm việc WR và các thanh ghi dữ liệu ALU có thể thực hiện các phép cộng, trừ, dịch bit và các phép toán logic Vi điều khiển PIC 16F877A được đóng trong vỏ nhựa hai hàng 40 chân DIP, việc bố trí các lối ra mô tả trong... 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 23 Lương Quang Tuấn-K49ĐT 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... tương ứng với lối vào PGC, PGD, LVP khi nạp trình Mỗi chân trong cổng B được nối Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 21 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang tới một điện trở kéo lên (pull- up) có trị số 20kΩ bên trong Việc lựa chọn dùng/không dùng các điện trở này bằng cách xóa/đặt bít RBPU trong thanh ghi OPTION Lối vào RB4 và RB7 làm phát sinh ngắt RBIF khi thay đổi trạng thái khi các chân... đến 20 MHz o RC bộ dao động đơn giản dùng điện và tụ điện Các mạch tạo trạng thái khởi động lại RESET Hình 26: Các khối tạo tín hiệu RESET Khối tạo ra tín hiệu RESET (xem hình 26) tạo ra các tín hiệu RESET khác nhau cho vi điều khiển tùy theo các điều kiện sau: Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 33 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang • Reset khi vi điều khiển mới được cấp nguồn POR (Power... cho phép ngắt GIE được xóa để cấm các ngắt khác Địa chỉ sẽ quay lại để cất vào ngăn xếp và thanh ghi đếm chương trình PC được nạp giá trị 0004h là địa chỉ của chương trình xử lý ngắt Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 34 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang Nguồn sinh ngắt được xác định bằng cách hỏi vòng các cờ ngắt Sau khi xử lý xong ngắt, cờ ngắt tương ứng phải được xóa để thoát vòng... cho khối biến đổi ADC o CHS2: CHS0 Chọn kênh đưa vào biến đổi o GO/DONE Trạng thái chuyển đổi o ADON Bật/tắt khối chuyển đổi ADC Hình 25: Khối ADC ADCON1 Thanh ghi điều khiển 1 ADFM ADCS2 o - - PCFG3 ADFM PCGF2 PCGF1 PCGF0 Định dạng kết quả biến đổi ADC ADCS2 o Lựa chọn tần số, nguồn xung nhịp cho khối ADC Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 32 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp o Cảm biến quang PCFG3:... 22) Khối này còn tạo ra các ngắt tại các bit START và STOP để xác định trạng thái bus trong chế độ đa chủ (Multi Master Mode ) (nhiều thiết bị I2C truy nhập tới thiết bị I2C tớ trong bus ) Khối MSSP thực hiện các chế độ làm việc chuẩn 7 bit hoặc 10 bit địa chỉ Hai chân dùng để trao đổi dữ liệu là : Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 28 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang o Xung nhịp SCL-RC3/SCK/SCL . 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. 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. 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