Khóa luận Xây dựng thiết bị nhận biết phương tiện giao thông sử dụng cảm biến từ trở

n hồng ngoại thụ động: là loại không phát ra năng lượng, mà nó chỉ thu nhận năng lượng hướng tới nó. Năng lượng hướng tới cảm biến có thể được phát ra từ các phương tiện giao thông, từ bề mặt đường hay các vật thể khác khi chúng nằm trong vùng nhìn (vùng cảm biến) của cảm biến. Vì vậy sử dụng loại cảm biến này có vùng nhìn rộng hơn. Các cảm biến hồng ngoại có thể được chế tạo để thu nhận năng lương tại bất kỳ tần số nào. Một số loại được chế tạo thu nhận ở bước sóng trong dải hồng ngoại từ 8 đến 14 µm, có thể làm giảm thiểu được hiệu ứng của phản chiếu ánh sáng mặt trời và sự thay đổi cường độ sáng do sự chuyển động của mây. Khi có phương tiện đi vào 9 vùng nhìn của cảm biến, làm thay đổi năng lượng mà cảm biến nhận được, do đó có thể phát hiện được chúng. Năng lượng thu nhận được khi có phương tiện giao thông đi qua tỉ lệ với tích của hiệu các hệ số phát và độ chênh lệch nhiệt độ khi nhiệt độ của bề mặt đường và phương tiện giao thông bằng nhau. Hiệu hệ số phát là hiệu hệ số phát của mặt đường và phương tiện giao thông. Độ chênh lệch nhiệt độ là hiệu của nhiệt độ tuyệt đối của mặt đường và nhiệt độ khí quyển bị phân tán [7]. Khi thời tiết nhiều mây hay ẩm ướt sẽ ảnh hưởng đến tín thu được. Hình 6. Cấu hình của bộ phát hiện sử dụng cảm biến hồng ngoại thụ động Nếu sử dụng nhiều cảm biến hồng ngoại thụ động ta có thể xác định được các thông tin như: tốc độ, độ dài các phương tiện, lưu lượng phương tiện…Thời gian trễ giữa hai tín hiệu nhận được ở hai vùng, ta có thể xác định tốc độ của các phương tiện giao thông khi đi qua vùng này. Ưu điểm của phương pháp này là khi cài đặt không cần phải phá huỷ đường giao thông. Sử dụng cảm biến hồng ngoại tích cực cần phải phát nhiều chùm tia để có thể xác định vị trí, tốc độ, và phân loại. Cảm biến hồng ngoại thụ động thì chỉ cần sử dụng nhiều vùng cảm nhận. Tuy nhiên phản chiếu của ánh sáng mặt trời có thể làm xáo trộn tín hiệu nhận được. Khí quyển và điều kiện thời tiết khắc nghiệt có thể làm nhiễu loạn hoặc hấp thụ năng lượng hướng tới mặt phẳng tiêu diện của hệ quang học. 1.2.5 Cảm biến từ Cảm biến từ là loại thiết bị thụ động, biến đổi sự thay đổi của từ trường thành các thông số mong muốn. Cảm biến từ có thể được phân loại theo nhiều cách. Xét theo vùng từ trường làm việc, cảm biến từ được phân làm ba loại: cảm biến trong vùng từ trường thấp, từ trường trung bình, và từ trường lớn. Cảm biến trong vùng từ trường 10 thấp là loại cảm biến mà chỉ có thể phát hiện được từ trường nhỏ hơn 1microgauss. Các cảm biến phát hiện được từ trường trong vùng từ 1 microgauss đến 10 gauss, được coi là cảm biến trong vùng từ trường trung bình. Cảm biến phát hiện từ trường lớn hơn 10 gauss, là loại cảm biến từ trường lớn. Hình 7. Vùng làm việc của một số loại cảm biến từ Các phương tiện giao thông như ôtô, môtô đều chứa các thành phần làm từ vật liệu sắt từ. Do đó, phương tiện sẽ làm nhiễu loạn từ trường trái đất tại điểm chúng đi qua. Từ hình 7 ta thấy rằng cảm biến từ chế tạo từ vật liệu có hiêu ứng từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistive Resistance - AMR) có dải làm việc phù hợp cho việc đo từ trường trái đất. Vì thế chúng có thể ứng dụng cho các thiết bị nhận biết phương tiện giao thông. Nghiên cứu của em sẽ tập trung vào việc xây dựng một thiết bị nhận biết phương tiện giao thông dựa trên cảm biến từ trở dị hướng. 11 Chương 2 Cảm biến từ trở dị hướng 2.1 Cơ bản về vật liệu từ Để hiểu về các cảm biến từ trở, trước hết chúng ta cần có một số khái niệm cơ bản về vật liệu từ. Các vật liệu bị từ hoá nhiều hay ít trong từ trường được gọi là các vật liệu từ (magnetic material). Từ tính (magnetism) của các vật liệu từ khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc từ của chúng. Ở đây, ta sẽ đề cập ngắn gọn đến một số đại lượng đặc trưng cho các vật liệu từ. Moment từ của các vật liệu từ tính trên một đơn vị thể tích được gọi là độ nhiễm từ M (intensity of magnetization ) hay độ từ hoá, hoặc từ độ (magnetization). Đó là một vector hướng từ cực Nam (S) đến cực Bắc (N) của thanh nam châm. Đơn vị của I là Wbm/m3 = Wb/m2 (Tesla) 1Tesla = 410. 4 1 π gauss = 800 gauss Ngoài độ nhiễm từ I, ta còn sử dụng cảm ứng từ (magnetci induction) hay mật độ từ thông (magnetic flux density) B: HMB 0µ+= (Hệ SI) (2.1) Như vậy đơn vị của B cũng là Wb/m2 . Song khi chuyển sang hệ CGS thì: HB += π4 (Hệ CGS) (2.2) Do đó hệ số chuyển đổi từ hệ SI sang hệ CGS của B và M là khác nhau. Đối với B: 1Wb/m2 (1 Tesla)=104 gauss Mối liện hệ giữa từ trường H và từ hoá M được biểu diễn dưới dạng: HM χ= (2.3) Đại lượng χ đựoc gọi là độ cảm từ (magnetic susceptibility) hay hệ số từ hoá. Đơn vị của χ là Henri/met (H/m), giống đơn vị của 0µ . Độ cảm từ tương đối (không thứ nguyên): 0µ χχ = (2.4) χ trong hệ SI lớn hơn χ trong hệ CGS 4π lần. Như vậy ta có: ( ) HHB µµχ =+= 0 (Hệ SI) (2.5) 12 Đại lượng µ được gọi là độ thẩm từ (magnetic permeability). Đơn vị của µ là H/m. Ta định nghĩa độ thẩm từ tương đối: 1 0 +== χ µ µµ (2.6) µ có giá trị như nhau trong hệ SI và hệ CGS. [1] 2.2 Hiệu ứng từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance Effect) Hiệu ứng từ trở là sự thay đổi giá trị điện trở của vật liệu do tác động của từ trường ngoài. Hiệu ứng từ trở có thể chia làm nhiều loại với bản chất khác nhau như: -Từ trở đẳng hướng (Ordinary Magnetoresistance) -Từ trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance) -Từ trở khổng lồ (Giant magnetoresistance) -Từ trở xuyên ngầm (Tunneling magnetoresistance) … Trong các loại từ trở này, từ trở dị hướng đã được ứng dụng sớm và rộng rãi nhất. Các hiệu ứng từ trở mới như GMR (Giant Magnetoresistance) và TMR (Tunneling Magnetoresistance) cũng đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh. Trong phần này, chúng tôi tập trung giới thiệu về từ trở dị hướng AMR. Hiệu ứng từ trở dị hướng là hiệu ứng điện trở của vật liệu phụ thuộc vào hướng tương đối giữa vector từ độ của vật liệu và dòng điện đi qua vật liệu. Bản chất vật lý của hiệu ứng từ trở dị hướng là do tương tác spin-quỹ đạo dẫn tới sự tán xạ phụ thuộc spin của các điện tử dẫn. Trong thực tế, các cảm biến từ trở dị hướng thường được chế tạo dưới dạng màng mỏng. Trên màng sẽ có một hướng dễ từ hóa (easy axis) và một hướng khó từ hóa trực giao với nó (hard axis). Hướng dễ từ hoá là hướng mà sự từ hoá đạt đến trạng thái bão hoà dễ dàng nhất. Hướng mà khó đạt đến trạng thái bão hoà nhất (chỉ bão hoà ở từ trường cao) [1]. Một thông số quan trọng cảm biến AMR là độ thay đổi điện trở tương đối, ρρ∆ , là tỷ số giữa sự thay đổi điện trở và điện trở của màng khi mà vector từ hoá quay 900 so với trục dễ bởi tác động của từ trường ngoài (khi đó vector từ hóa trùng với trục khó). 13 Hình 8. Sự thay đổi của điện trở do tác động của từ trường ngoài. Lý thuyết của hiệu ứng từ trở dị hướng AMR trong các màng mỏng bằng vật liệu sắt từ là rất phức tạp. Để đơn giản, đầu tiên ta giả định rằng, vector từ hoá trong màng sắt từ ban đầu ở trạng thái bão hoà SM , khi có sự tác động của từ trường ngoài sẽ làm thay đổi hướng của vector này. Thứ hai, ta xét hiệu ứng AMR ở hai khía cạnh đơn giản, đó là mối quan hệ giữa điện trở và hướng của vector từ độ (vector từ hoá), và mối quan hệ giữa hướng của vector từ độ và từ trường ngoài tác động. Hình 9. Từ trường tác động lên màng mỏng Permalloy Điện trở R có thể xác định thông qua góc Θ , góc giữa vector cường độ dòng điện và vector từ độ: Θ∆+=Θ∆+=Θ 2 ,0 2 ,0 coscos)( RRbd l bd lR pn ρρ (2.7) 14 Trong phương trình trên: n,0ρ và ρ∆ là hằng số của vật liệu, l là độ dài, b là độ rộng và d là độ dày của băng trở (một màng mỏng vật liệu dị hướng từ). nR ,0 là điện trở khi vector từ độ vuông góc với trục dễ, và R∆ là độ thay đổi điện trở lớn nhất bởi sự tác động của từ trường ngoài [6]. Hình 10. Giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc và góc giữa dòng điện chạy qua và hướng của vector từ hoá. Khi dòng điện chạy theo chiều x, ta thu được một điện áp Ux: Θρ∆ρ 2 ,0 cosbd lI bd lIU nx += (2.8) Vector từ độ trong màng sẽ định theo hướng mà tổng năng lượng của nó là nhỏ nhất. Những năng lượng quan trọng nhất bao gồm: năng lượng do từ trường ngoài tác động, năng lượng dị hướng của vật liệu (hay năng lượng dị hướng từ tinh thể), và năng lượng khử từ (năng lượng hình dạng dị hướng). Với tổng trường dị hướng sMKH 00 /2 µ= (với K là hệ số dị hướng), góc giữa vector M và trục dễ (theo hướng x) khi Hx=0 là: 0 sin H H y =ϕ (2.9) với -1<Hy/H0<1 )sgn(sin 0H H y =ϕ (2.10) với Hy/H0 ngoài khoảng trên Xác định góc giữa M và trục dễ và sự phụ thuộc của điện trở vào hướng của vector M sẽ được kết hợp để xây dựng cảm biến [4]. 15 RRR np ∆−= ,0,0 22 ,0,0 ,00 np n RRRRR + =+= ∆ (2.11) R0 là giá trị trở trung bình. Như vậy ta có: )(sin)( 2 ,0 Θ∆Θ RRR n −= (2.12) Khi từ trường ngoài rất lớn, làm quay hẳn vector M sang hướng trục khó, khi đó đạt tới trạng thái bão hoà: 2 0 ,0 )()( H H RRHR yny ∆−= , với |Hy|<=H0 (2.13) ny RHR ,0)( = , với |Hy|>H0 Như vậy điện trở phụ thuộc không tuyến tính vào từ trường ngoài. Hơn nữa, độ cảm biến ydHdR là rất nhỏ, xấp xỉ bằng không (và bằng không khi mà Hy=0). Hình 11. Sự phụ thuộc của điện trở vào từ trường ngoài tác dụng. Để làm giảm bớt những nhược điểm của hiệu ứng này, trong thực tế người ta đưa ra cấu trúc barber pole khi chế tạo cảm biến. Cấu trúc barber pole bao gồm một số băng trở làm bằng các vật liệu dẫn điện tốt, được sắp xếp sao cho dòng điện chạy qua từng băng hợp với trục x (hướng dòng điện) một góc 450 . Một cách toán học, barber pole được biểu diễn bằng góc 045=ψ , khi đó góc Θ là: ψϕΘ −= (2.14) điều này dẫn đến kết quả: 16 2 00 0 1)( ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −+= H H H H RRHR yyy ∆ (2.15) Như vậy, cảm biến AMR với cấu trúc barber pole sẽ làm giảm tính phi tuyến khi Hy<H0/2, độ phi tuyến sẽ không quá 5%. Đặc tính này chỉ đúng nếu vector từ độ ban đầu nằm theo hướng x, khi không có tác động của từ trường ngoài. Điện trở sẽ thay đổi dấu nếu vector từ độ ban đầu lật theo hướng âm của trục x. Để có thể xác định sự thay đổi điện trở sang thành thông tin về điện áp mà không có thành phần một chiều DC, cảm biến được thiết kế như là một mạch cầu Wheatstone với 4 thành phần trở riêng biệt với cấu trúc barber pole theo các góc 450 và 1350 cho các điện trở chéo nhau (hình 12). Nhờ đó, có thể tạo ra điện trở thay đổi R∆ âm và dương trong vùng tuyến tính. Cấu trúc này cũng có thể bù trừ sai số do sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ. Hình 12 Cấu trúc mạch cầu Wheatstone khi chế tạo cảm biến từ trở dị hướng. Điện áp lối ra của mạch cầu Wheatstone thu được: 2 000 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= H H H H R RUU YYBA ∆ (2.16) Độ cảm nhận của cảm biến: 00 0 1 HR RS ∆= (2.17) Như vậy ta thấy, độ cảm nhận S0 sẽ tăng khi sử dụng vật liệu làm có hiệu ứng AMR cao và với trường H0 thấp. Vùng tuyến tính của cảm biến với sai số không quá 5% trong dải –H0/2 đến H0/2 [4]. 17 Các cảm biến AMR có đặc tính là nhạy với sự thay đổi ở từ trường thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Khả năng thay đổi điện trở lớn nhất của hiệu ứng này có thể lên tới 3-4%. Các cảm biến loại này có thể được tạo ra với số lượng lớn và giá rẻ. Các cảm biến từ trở ngày nay được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng trong đời sống như: đo từ trường trái đất, làm la bàn, cảm biến vị trí hoặc cho xác định từ trường sinh học . 18 Chương 3 Ứng dụng cảm biến từ trở dị hướng để nhận biết phương tiện giao thông 3.1 Mô tả ứng dụng Trong các phương tiện giao thông như ôtô, tàu hoả…có chứa các thành phần được chế tạo từ vật liệu sắt từ. Các vật liệu này sẽ tác động lên từ trường trái đất, làm thay đổi đường sức từ tại nơi mà chúng xuất hiện. Ta biết rằng đường sức từ do trái đất sinh ra, là các đường cong kín mà nó đi ra từ bắc cực và vào cực nam. Do diện tích bề mặt trái đất là rất lớn, nên ta có thể coi từ trường trái đất trên một vùng diện tích rộng là từ trường đều. Cảm biến từ trở AMR được tối ưu hoá để phát hiện sự thay đổi từ trường trong vùng từ trường trái đất. Do đó, các cảm biến này có thể phát hiện được sự thay đổi từ trường do các phương tiện như ô tô, tàu hoả, môtô… gây ra. Trong ôtô có các thành phần được làm từ các vật liệu sắt từ như: vỏ, vành xe, trục động cơ…Các thành phần này có thể coi như là tổ hợp của các lưỡng cực từ, các lưỡng cực từ này sẽ làm nhiễu loạn từ trường trái đất xung quanh chúng. Hình 13. Xe ô tô làm nhiễu loạn đường sức từ trường của trái đất. 3.1.1 Sơ đồ khối và chức năng Trong ứng dụng này, chúng tôi xây dựng khối thiết bị phát hiện xe ô tô chuyển động qua và thực hiện đếm số xe qua vị trí này trong khoảng thời gian định 19 trước. Hình vẽ 15 mô tả sơ đồ khối thiết bị phát hiện phương tiện giao thông sử dụng cảm biến từ trở dị hướng. Tín hiệu thu được từ cảm biến là điện áp. Khi từ trường xung quanh cảm biến không thay đổi, điện áp lối ra là không đổi (background). Điện áp lối ra từ cảm biến sẽ thay đổi khi từ trường xung quanh thay đổi. Tín hiệu điện áp này được đưa đến bộ khuếch đại nhằm khuếch đại và dịch mức tín hiệu. Sau khi qua khối khuếch đại, tín hiệu được đưa tới vi điều khiển AT90S8535. Trong vi điều khiển loại này có khối chức năng biến đổi ADC và khối truyền thông nối tiếp UART. Khối biến đổi tương tự số ADC sẽ chuyển đổi tín hiệu điện áp tới lối vào thành các giá trị số dạng BCD. Các giá trị số đó sau khi qua tiền xử lý, sẽ được gửi về máy tính nhờ khối chức năng truyền thông nối tiếp. Trên máy tính PC, có một phần mếm thu nhận dữ liệu gửi về, và thực hiện xử lý dữ liệu này để vẽ lên màn hình PC dạng tín hiệu thu được và xác định lưu lượng ô tô di chuyển qua khối thiết bị. Hình 14. Sơ đồ khối mô tả ứng dụng Trong thực tế, độ nhạy của cảm biến sẽ bị giảm sau khi được đặt trong từ trường lớn. Vì vậy cần phải thiết lập lại trạng thái ban đầu cho cảm biến, để khôi phục độ nhạy. Mạch tạo xung Set/Reset sẽ thực hiện chức năng này. 20 3.1.1.1 Cảm biến từ trở HMC 1052 HMC 1052 là loại cảm biến từ trở dị hướng có hai trục cảm biến X và Y (nhạy với sự thay đổi từ trường theo hai hướng đó). Cảm biến này được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, với hợp chất Permalloy (80 % Ni và 20 % Fe), các băng trở được tạo ra trên các màng silicon. Trong khi chế tạo, các băng trở được đặt trong điều kiện từ trường mạnh để tạo ra một hướng ưu tiên cho vector từ hoá M (tạo trục dễ cho cảm biến). Vector từ hoá M sẽ được thiết lập song song với chiều dài của băng trở, và có thể đặt hoặc theo hướng trái hoặc theo hướng phải. Các băng trở được sắp xếp chéo nhau trên màng mỏng Silicon (theo cấu trúc barber pole), và được nối tiếp nhau bởi các chất dẫn điện tốt (như Au), để tạo thành một điện trở. Hình 16 minh hoạ băng trở được chế tạo theo cấu trúc xếp chéo nhau (barber pole) để tối ưu hoá độ nhạy của hiệu ứng từ trở. Cảm biến HMC1052 được chế tạo theo cấu hình mạch cầu Wheatstone. Mạch cầu bao gồm 4 trở thành phần, các trở được chế tạo từ vật liệu Permalloy. Bất cứ một sự thay đổi từ trường nào xung quanh cảm biến, làm cho độ lớn của các trở thành phần thay đổi, do đó làm cầu mất cân bằng, và điện áp lối ra của mạch cầu thay đổi. Mỗi cầu trở sẽ được định sao cho nó nhạy cảm với độ thay đổi từ trường theo một hướng nhất định. Hình 15. Vector từ hoá ban đầu được xác lập theo một hướng ưu tiên (easy axis) 21 Trong HMC 1052 có hai mạch cầu Wheatstone, được định sao cho mỗi cầu sẽ nhạy với một trục (X và Y trong hệ không gian Decac) (Hình 17). Hình 16. Cấu trúc và đường đặc trưng của cảm biến từ trở HMC1052 22 Độ cảm nhận của cầu, S, được biểu diễn dạng mV/V/Oe. Đơn vị ở giữa là đơn vị của điện áp cung cấp cho mạch cầu, gọi là Vb. Khi Vb = 5V và độ cảm nhận bằng 3 mV/V/Oe, thì điện áp lối ra sẽ đạt 15 mV/Oe . Với tầng khuếch đại phù hợp nối với lối ra của mạch cầu, ta có thể phát hiện được điện áp đến 1µV. Lối ra này tương ứng với độ phân giải từ trường 67 µOe, hay 1 phần 15,000/Oe. Nếu lối ra của cầu được khuếch đại 67 lần, thì điện áp lối ra có thể đạt 1 V/Gauss (= 67. 15,000 mV/Gauss). Nếu dải đo của cảm biến là 2 Gauss thì điện áp lối ra có thể là 4 V, thay đổi quanh giá trị 2,5V. Mức tín hiệu này là phù hợp với hầu hết các bộ biến đổi A/D. HMC1052 có thể cảm nhận được sự thay đổi từ trường (độ phân giải) đến 120 µG (khi điện áp nuôi là 5V), hoạt động ổn định ở từ trường thấp, trong dải từ trương của trái đất. Độ cảm nhận khi dòng Set/Reset =0.5A có thể đạt 0.8 mV/V/gauss (khi Vb=1.8 V) đến 1.2 mV/V/gauss (khi Vb=20 V) [3]. Hình 16 thể hiện đặc trưng của cảm biến HMC1052. Qua đường đặc trưng này ta nhận thấy, trong vùng từ trường tác động từ -10 Oe đến +10 Oe thì điện áp lối ra của cầu phụ thuộc tuyến tính theo sự thay đổi của từ trường. 3.1.1.2 Khối khuếch đại Do hiệu ứng từ trở dị hướng trong Permalloy làm thay đổi giá trị điện trở khoảng 3%-4%, tín hiệu thay đổi điện áp lối ra của mạch cầu là rất nhỏ. Tín hiệu này cần phải được khuếch đại đủ lớn trước khi xử lý. Khối khuếch đại bao gồm hai tầng khuếch đại: tầng tiền khuếch đại và tầng khuếch đại và dịch mức. Trong tầng tiền khuếch đại, khuếch đại công cụ AD620N được sử dụng. AD620N với kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp ( dòng cực đại 1.3mA), rất phù hợp cho các ứng dụng sử dụng battery, hoặc các ứng dụng có thể mang, xách được hoặc cho các ứng dụng điều khiển từ xa. Điện áp điểm không thấp (lớn nhất = 50 µV), trôi do nhiệt thấp (khoảng 0.6 µV/0C), AD620 là bộ khuếch đại lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Bộ khuếch đại này rất phù cho tầng tiền khuếch đại bởi nhiễu điện áp lối vào là nhỏ (9 nV/ Hz tại 1KHz). Đặc biệt AD620 có hệ số khuếch đại thay đổi chỉ thông qua việc điều chỉnh một điện trở ngoài. Thông qua việc lựa chọn giá trị điện trở bên ngoài, hệ số khuếch đại của AD620N có thể đạt từ 1 đến 1000. Hệ số khuếch đại của tầng được xác định theo công thức: 14.49 +Ω= GR kG (3.1) với RG là điện trở ngoài. 23 Trong ứng dụng, điện trở R3 = 1k, hệ số khuếch đại của tầng đạt được G = 50. Tín hiệu thu được từ cảm biến, sau khi qua tầng tiền khuếch đại, được đưa tới tầng khuếch đại thứ hai. Tầng khuếch đại thứ hai sẽ thực hiện khuếch đại và dịch mức tín hiệu. Trong tầng này sử dụng khuếch đại thuật toán LM324, với nguồn điện áp nuôi là đơn. Thông qua hiệu chỉnh biến trở R13 (R19) ta sẽ thực hiện dịch mức thế Offset (background). Nguyên nhân của việc phải điều chỉnh mức thế nền, là điện áp lối ra từ cảm biến ở trong từ trường ổn định là khác nhau khi đặt theo các hướng khác nhau so với hướng Bắc-Nam của từ trường trái đất. Do điện áp nuôi đơn (0 – 5V), ta cần phải thực hiện dịch mức tín hiệu nền về khoảng 2.5V. Điều này đảm bảo cho sự thay đổi tín hiệu tăng hoặc giảm (một cách tương đối so với mức thế nền) sẽ ở trong dải lối ra cho phép của khuếch đại. Với hệ số khuếch đại thích hợp, ở lối ra ta thu được tín hiệu có biên độ thích hợp với lối vào bộ biến đổi ADC. 3.1.1.3 Khối biến đổi tương tự - số (ADC) Ứng dụng này sử dụng vi điều khiển họ AVR, loại AT90LS8535. Trong vi điều khiển này có hỗ trợ chức năng biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Conveter). Bộ biến đổi tương tự này sử dụng 10-bit, thời gian biến đổi có thể từ 125 µs đến 500 µs (phụ thuộc vào việc chọn tần số lấy mẫu). Điều đặc biệt, trong vi điều khiển họ AVR có 8 lối vào biến đổi ADC được ghép kênh. Tín hiệu lối vào sẽ được qua bộ ghép kênh chọn lối vào, đến bộ lấy và giữ mẫu. Phương pháp được sử dụng trong bộ biến đổi này là thực hiện xấp xỉ liên tiếp. Giá trị lấy mẫu được sẽ được chuyển đổi sang giá trị số dạng nhị phân 10-bit. Một bộ biến đổi DAC sẽ thực hiện biến đổi ngược lại, từ giá trị số đó sang thành tín hiệu tương tự. Giá trị điện áp thu được sẽ đưa tới bộ so sánh, lối ra của bộ so sánh sẽ quyết định giá trị số trong bộ biến đổi số có được đưa tới lối ra hay không. Với 3 thanh ghi, ADCMUX (ADC multiplexer select), ADCSR (ADC control and status register)và ADCH/ADCL (ADC data register) sẽ điều khiển toàn bộ hoạt hoạt động của bộ biến đổi ADC này. Có hai chế độ hoạt động cho bộ biến đổi ADC, chế độ biến đổi tự động (Free Running Conversion) và chế độ biến đổi đơn (Single Conversion). Trong chế độ biến đổi tự động, ADC sẽ biến đổi liên tục sau khi được kích hoạt. Trong khi đó, ở chế độ biến đổi đơn, trước mỗi lần biến đổi cần phải kích hoạt ADC. 24 Hình 17. Sơ đồ biến đổi ADC trong vi điều khiển AT90S8535 Thanh ghi ADMUX cho phép lựa chọn bộ biến đổi ADC từ 8 bộ biến đổi ADC được ghép kênh. Tổ hợp của 3 bit MUX2, MUX1 và MUX0, sẽ cho phép chọn bộ ADC tương ứng. Thanh ghi ADCSR cho phép thiết lập chế độ hoạt động của bộ biến đổi ADC. ADEN= 0 ->không cho phép biến đổi 1 ->cho phép biến đổi ADSC= 1 ->bắt đầu biến đổi ADFR= 0 ->chế độ biến đổi đơn 1 ->chế độ biến đổi tự do ADIF= 1 ->biến đổi xong ADPS2, ADPS1, ADPS0 -> Chọn xung Clock lối vào cho bộ biến đổi ADC Chọn lối vào ADC ADMUX = 0 (1..7) Start Thiết lập ADCSR Bắt đầu biến đổi ADSC=1 Đọc dữ liệu ADCL, ADCH End ADIF=1 25 Đọc dữ liệu khi ADC biến đổi hoàn thành được thực hiện theo trình tự, đọc byte thấp trước, byte cao đọc sau. 3.1.1.4 Khối truyền thông nối tiếp(UART) Trong AT90S8535 có khối thực hiện thu phát nối tiếp không đồng bộ, với các đặc điểm chính: o Có thể tạo ra nhiều tốc độ Baud khác nhau. o Có thể truyền thông dữ liệu có độ dài 8 hoặc 9 bit. o Có lọc nhiễu, phát hiện lỗi: lỗi khung truyền, lỗi bit start. o Có các ngắt truyền, nhận và ngắt thanh ghi dữ liệu trống. o Có bộ đệm truyền và phát (kích thước có thể là 8 hoặc 9 bit). Việc thiết lập truyền thông nối tiếp đối với UART trong vi điều khiển là đơn giản. Quá trình thiết lập và hoạt động hoàn toàn giống với trên máy tính. Trong ứng dụng, ta cần thu nhận dữ liệu là điện áp từ lối ra của cảm biến đã được biến đổi ADC. Giá trị ADC của một lần biến đổi có độ dài 10 bit, trong khi khối truyền thông nối tiếp không hỗ trợ truyền dữ liệu dài đến 10 bit. Do đó dữ liệu cần được xử lý trước khi truyền về máy tính. Dữ liệu 10 bit sẽ được tách và truyền theo hai byte, byte thấp và byte cao (byte thấp mang 7 bit thấp, byte cao mang 3 bit cao của giá trị ADC). Tuy nhiên các byte này cần phải được đánh dấu, để bên thu phân biệt được. Phương pháp đánh dấu bit được đưa ra ở đây là sử dụng bit cao nhất của mỗi byte truyền để đánh dấu, cụ thể: 1 thể hiện byte cao, 0 thể hiện byte thấp. Trong ứng dụng, hai bộ biến đổi ADC (ADC0 và ADC1) được sử dụng tương ứng với hai trục cảm biến, do đó khung dữ liệu sẽ có 4 byte dữ liệu. Việc phân biệt dữ liệu của từng trục trong khung là cần thiết. Giá trị 0xFF đánh dấu cho dữ liệu của ADC0, 0xFE đánh dấu cho dữ liệu ADC1. Hai giá trị trên được sử dụng để đánh dấu bởi vì các byte dữ liệu truyền sẽ không có giá trị như vậy Như vậy một khung dữ liệu truyền dài 6 byte, cụ thể như sau: Hình 18. Khung dữ liệu truyền về máy tính. 26 3.1.1.5 Mạch thực hiện tạo xung Set/Reset Cảm biến AMR được thiết kế theo cấu hình mạch cầu Wheatstone, với 4 thành phần từ trở, có điện áp lối ra xác định khi không có từ trường ngoài tác dụng. Cảm biến HMC 1052 được tối ưu hoá để hoạt động trong vùng tuyến tính (sự phụ thuộc của điện trở biến thiên theo giá trị góc giữa dòng điện và vector từ hoá là tuyến tính). Do đó độ lớn của từ trường chỉ trong khoảng nhất định, thì cảm biến mới có độ nhạy tốt nhất. Hình 19. Điện trở thay đổi tuyến tính trong vùng xung quanh giá trị góc 450. Ban đầu khi từ trường là ổn định, các moment từ đồng hướng. Khi có sự thay đổi của từ trường, các moment từ sẽ bị quay, vùng từ bị nhiễu loạn, hướng của các moment từ là không xác định. Nếu sự thay đổi từ trường là nhỏ, thì sau đó các moment từ sẽ tự động trở lại trạng thái ban đầu, và do đó vector từ hoá trở lại trạng thái ban đầu. Vì vậy, trong lần sau, độ nhạy của cảm biến với sự thay đổi từ trường vẫn tốt. Trong trường hợp, sự thay đổi từ trường là quá lớn, vượt quá giới hạn cho phép của cảm biến (vượt ra ngoài vùng làm việc tuyến tính của cảm biến), thì vector từ hoá sẽ không trở lại trạng thái ban đầu khi từ trường đã ổn định trở lại. Vì vậy làm giảm hẳn độ cảm nhận của cảm biến đối với từ trường thay đổi. 27 Hình 20. Ba ví dụ về hướng của vector từ độ trong cấu trúc miền của màng Vùng hoạt động tuyến tính của cảm biến loại HMC1052 là 6± gauss. Nếu cảm biến này đặt trong từ trường nhỏ hơn 20 gauss thì moment từ sẽ trở lại trạng thái đã thiết lập ban đầu. Do đó không cần thiết phải thiết lập lại hướng vector từ hoá. Để phục vụ cho việc Set/Reset, trong cảm biến HMC1052 có các cuộn dây quấn cố định xung quanh các trở thành phần của cảm biến (còn gọi là strap). Khi có dòng điện chạy qua, các cuộn dây sẽ tạo ra từ trường ở xung quanh. Để có thể thiết lập lại hướng các moment từ, yêu cầu phải có