Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu các ứng dụng cảm biến quang
Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quangMỞ ĐẦUNgày 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 TSL230Chương 2: Cấu trục vi điều khiển PIC 16F877AChương 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 nàyTrường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT1 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quangCHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN QUANG HỌC TSL2301.1. Cấu tạo của cảm biến quang học TSL230.1.1.1 Mô tảThiết 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 -25oC đến 70oC.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-K49ĐT2 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quangTa 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 1,362mm. 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 động1.2.1 Cấu hình đầu ra của TSL230Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT3 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quangCấu 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 chiaL L L L Power Down 1H L L H 1x 2H L H L 10x 10H H H H 100x 100Hình 3: Giản đồ xung tại chân ra.1.2.2 chức năng các chânXung 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 năngGND 4 Chân đất OE 3 I Enable for fOTrường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT4 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 vào1.2.3 Khối chức năngSơ 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 hành1.2.4.1 Những đặc tính hoạt động khi VDD= 5V, TA=25oC Bảng dưới trình bày đặc tính hoạt động của các cảm biến quang học khác nhau khi hoạt động ở thế VDD= 5V và nhiệt độ TA= 25oC.Tham số Điều kiện Chạy TSL230 TSL230A TSL230B Đơn vị đoMin Typ Max Min Typ Max Min Typ Max S0=H, S1=S2=S3=L Ee=130nW/cm2 λ P =670 nm0.8 1 1.2 0.9 1 1.1 0.95 1 1.05 MHz S0=H,Ee=0 S1=S2=S3=L 0.1 10 0.1 10 0.1 10 Hz S1=H, S0=S2=S3=L Ee=130nW/cm20.8 1 1.2 0.9 1 1.1 0.95 1 1.05 MHzTrường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT5 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang λ P =670 nmfO S1=H,Ee=0 S0=S2=S3=L 0.13 10 0.13 10 0.13 10 Hz S0=S1=H, S2=S3=L Ee=130nW/cm2 λ P =670 nm0.8 1 1.2 0.9 1 1.1 0.95 1 1.05 MHz S0=S1=H, S2=S3=L Ee=0; 0.5 10 0.5 10 0.5 10 Hz TW S2=S3 125 550 125 550 125 550 ns S2orS3=H 1/2fO 1/2fO 1/2fOs fO=0 to 10kHz ±0.1% ±0.1% ±0.1% %F.S Dung sai fO=0 to 10kHz ±0.2% ±0.2% ±0.2% %F.SfO=0 to 10kHz ±0.5% ±0.5% ±0.5% %F.SNguồnTắt100 100 100 µs Tỉ lệ Cho phép OE 50 150 50 150 50 150 ns1.2.4.2 Điều kiện nguồn nuôi Các dữ liệu đầu vào MIN NOM MAX Đơn vị đo Điện áp nguồn, Vdd 2.7 5 6 VMức cao input, VIHVdd=4.5Vđến 5.5V 2 Vdd VMức thấp input, VILVdd=4.5Vđến 5.5V 0 0.8 V Khoảng nhiệt độ hoạt động -25 70oCTrường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT6 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang1.2.4.3 Đặc trưng về điện tại TA= 25oC và Vdd= 5VThông số Điều kiện chạy thử Min Nom Max Đơn vị đoVOHIOH= -4mA 4 4.3 VVOLIOL=4mA 0.17 0.28 VIIH1 µAIIL1 µAIDDNguồn mở 2 3 mANguồn tắt 10 µATần số cao nhất 1.1 ±100 MHzHệ số nhiệt độ của đầu raλ ≤700nm-25oC≤ TA≤70oCPpm/oCKSVS độ nhạy nguồn VDD= 5V±10%1.2.5 Biểu đồ đặc trưngDưới 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 sángTrường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT7 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang Hình 5: biểu đồ tần số và độ sáng.1.2.5.2 Độ nhạy đáp ứng phổHình 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-K49ĐT8 Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quangHình 7: Tần số và nhiệt độ.1.2.5.4 Hệ số nhiệt độ và bước sóng của ánh sáng tớiHình 8: hệ số nhiệt độ và chiều dài bước sóng.1.2.5.5 Tần số đầu ra và nguồn nuôiTrường ĐH Công Nghệ-DHQGHN Lương Quang Tuấn-K49ĐT9 Lun vn tt nghiờp Cm bin quangHỡnh 9: Tn s u ra v ngun nuụi1.3. Mt s thụng tin cho vn ng dngTrong vic s dng b cm bin TSL 230 cn lu ý cỏc vn sau õy.1.3.1 Chỳ ý n ngun nuụiKhi thit b lm vic iu kin tt nht, ngun nuụi c ni vi mt t 0.01à n 0.1à.1.3.2 u ra chungu ra ca thit b c thit k theo nh dng TTL hoc CMOS trờn c s u vo khong cỏch ngn. Nu kt ni trờn 30 cm thỡ s dng bờn ngoi ca u ra s dng b m hoc mt thit b ngoi.1.3.2.1 S hiu chnh nhy nhy c iu khin bi hai ni vo S0, S1. nhy s dng iu chnh c dũng in mt cỏch rt hiu qu, bng cỏch iu chnh m v iu chnh b ỏp ng ca thit b i vi s lng ỏnh sỏng. nhy cú th chia thnh 3 mc 1x, 10x, 100x. Vi s iu chnh ny cho phộp thit b hot ng ti u húa i vi nhng s thay i nh m vn gi tớn hiu u ra trờn gii tn s cho phộp. S thay i nhy ny rt cú hiu qu vỡ chỳng ta cú th kim soỏt c h s nhõn ú.Trng H Cụng Ngh-DHQGHN Lng Quang Tun-K49T10 [...]... 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... 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 Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 14 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang 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... 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 ghi đặc biệt SFR dùng để... và logic, nó thực hiên các phép tình số và đại 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 hình10 : Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 13 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang Hinh10: Bố trí chân... Thanh ghi định hướng cổng là TRISD Các lối vào của cổng D có bộ đệm trigger schmitt Cổng D có thể định 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 Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 23 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang 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 tới một Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 21 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang 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... 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 o Dữ liệu nối tiếp SDA-RC4/SDI/SDA Các thanh ghi được sử dụng cho hoạt động các bus của I2C là: o Thanh ghi điều khiển MSSP(SSPCON) o Thanh... 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: • Reset khi vi điều khiển mới được cấp nguồn POR (Power on Reset) Trường ĐH Công Nghệ-DHQGHN 33 Lương Quang Tuấn-K49ĐT Luận văn tốt nghiêp Cảm biến quang • Lối vào MCRL Master... 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... khi nguồn cấp sụt quá ngưỡng Các ngắt Interrupt Trong vi điều khiển PIC 16F877A có 15 nguồn sinh ra ngắt (xem hinh 27) Thanh ghi điều khiển ngắt INTCON ghi các cờ ngắt và các bit cho phép ngắt toàn cục GIE, T0IF, RBIF Các ngắt từ các thiết bị ngoại vi được ghi trong thanh ghi PIR1 và PIR2, các bit cho phép ngắt ngoại vi trong thanh ghi PIE1, PIE2 Hình 27: tổ hợp logic các nguồn ngắt Khi cờ ngắt được . 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 TSL230Chương 2: Cấu trục. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN QUANG HỌC TSL2301.1. Cấu tạo của cảm biến quang học TSL230.1.1.1 Mô tảThiết bị TSL230 là một tập hợp các cảm biến quang học có khả
