Khóa luận Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu nhập và xử lý dữ liệu nhiều kênh, thông minh trên cảm biến ánh sáng-Tần số dùng MC68HC11

Theo báo cáo của tổchức cốvấn công nghệ(Intechno Consulting), thịtrường cảm biến dùng cho các mục tiêu phi quân sựtrên thếgiới có lợi nhuận 32.5 tỉ đô la Mỹ vào năm 1998. Năm 2003 con số đó tăng lên 5.3% đạt được 42.2 tỉ đô. Dựtính tới năm 2008 con số đó sẽ đạt tới 50 – 51 tỉ đô la. Một sốngười lạc quan hơn lại cho rằng thị trường cảm biến toàn cầu sẽ đạt tới con số54 tỉ đô la vào năm 2008. Trên thực tếthị phần của cảm biến chiếm 38.9% thịtrường linh kiện bán dẫn vào năm 1998 sẽtăng lên 43% vào năm 2008. Và với sựtiến bộcủa công nghệvi cơkhí (MEMS-technologies), cảm biến thông minh, cảm biến với bus thích nghi, thịphần cảm biến bán dẫn còn tăng hơn nữa và vượt qua cảthịphần các sản phẩm ứng dụng khác, viễn thông hay thịphần máy tính cá nhân. Cảm biến kết hợp với các hệthống xửlý thông tin, hệvi xửlý làm cho máy móc thông minh, linh hoạt hơn và nhất là có cảm nhận được với sựthay đổi môi trường, hay xa hơn nữa máy móc cũng có cảm nhận nhưcon người. Trong các hệ thống đó, cảm biến đóng vai trò nhưmột kênh thu nhận thông tin từmôi trường ngoài và phản hồi các thông tin đó vềhệthống bộnão của máy móc đểquyết định hành động. Đểlàm cho cảm biến có cảm giác nhưcủa con người rất khó, tương đương như việc làm cho bộnão của máy thông minh nhưnão người. Tuy nhiên hệthống ứng dụng đơn giản hơn, hệthống điều khiển tự động với trợgiúp của cảm biến nhưlà khối thông tin đầu vào, hệvi xửlý xửlý thông tin và quyết định lối ra là khảthi và được xây dựng rất nhiểu trong thực tế. Đơn cửnhưhệthống quản lý, điều khiển ánh sáng , nhiệt độ, độ ẩm, nồng độPH, trong nhà kính và dùng trong nông nghiệp sạch mà Ixraen tài trợcho chính phủvào hồi đầu năm. Hay đơn giản hơn, và dễthấy hơn như bộ điều chỉnh nhiệt độtrong các máy điều hoà, hay máy lạnh hiện đại. Ngoài ra cảm biến cũng được dùng trong hệthu thập dữliệu, lưu trữthông tin. Thông thường hệ thống nhưvậy kết hợp rất nhiều cảm biến. Dữliệu từnhiều cảm biến khác nhau đưa vào máy tính đểliên kết, thống kê và tính toán sửdụng cho mục đích khoa học khác hay để điều khiển trởlại. Ví dụhệthống thống kê tự động sốngười ra vào một công ty hay một cửa hàng nào đó trong một tháng. Nhận thức được vai trò to lớn và khảnăng ứng dụng tiềm tàng, thầy HồVăn Sung đã giao cho em tìm hiểu đềtài: “ Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kếhệthống thu Đại học Công Nghệ- Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 8 - thập dữliệu nhiều kênh, thông minh dựa trên cảm biến ánh sáng/ tần sốdùng họvi điều khiển MC68HC11”. Cụthểem phải tìm hiểu cấu trúc hoạt động của hệcảm biến ánh sáng/ tần số, kết hợp cảm biến với hệvi điều khiển để đánh giá, xửlý kết quả đo (nếu cần) và đưa kết quảra bộphận hiển thị(màn hình máy tính, màn hình tinh thể lỏng) hoặc đưa kết quảra bộthực thi (mô tơbước). Do đềtài khá mới, nên người viết chủyêu phải nghiên cứu lý thuyết bằng tiếng Anh. Sau đó có kết hợp với một sốbài toán thực hành trên máy nhằm củng cốthêm lý thuyết và cũng có xây dựng được một sốchi tiết phần cứng cần thiết. Nội dung đềtài bao gồm 4 chương: Chương 1, nghiên cứu nguyên lý chung của cảm biến ánh sáng tần số. Các sơ đồkhối hệthống thu thập dữliệu với sựtrợgiúp của máy tính, sơ đồkhối của cảm biến thông minh. Ưu điểm của cảm biến với lối ra tần số. Chương 2, đi sâu vào hoạt động xửlý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Các phưong pháp biến thếthành tần số, tần sốthành mã, các phương pháp tính toán trên tín hiệu, phương pháp hợp kênh cảm biến tần số. Chương 3, tổng quan vềvi điều khiển nhúng, và hoạt động cơbản của họvi điều khiển MC68HC11. Lý do lựa chọn họvi điều khiển cho hoạt động xửlý tín hiệu trong cảm biến. Chương 4, báo cáo quá trình xây dựng thực tếmột hệthống thu thập dữliệu. Bảng mạch điện tử, phần mềm trợgiúp xây dựng một ứng dụng Mặc dù đã cốgăng nhiều, nhưng do trình độngười viết là có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong sựquan tâm giúp đỡthêm của thầy cô và bạn bè.

pdf77 trang | Chia sẻ: ngtr9097 | Ngày: 14/05/2013 | Lượt xem: 1444 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Khóa luận Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu nhập và xử lý dữ liệu nhiều kênh, thông minh trên cảm biến ánh sáng-Tần số dùng MC68HC11, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 1 - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -----------Y Z---------- Lâm Hữu Thực NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI – 2005 Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 2 - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -----------Y Z---------- Lâm Hữu Thực NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS:Hồ Văn Sung Cán bộ đồng hướng dẫn: CN. Trần Ngọc Quý HÀ NỘI – 2005 Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 3 - LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên trong khoá luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới toàn thể các thầy - cô giáo, những người đã hết mình truyền thụ cho chúng tôi những kiến thức vô cùng cần thiết và quí báu trong suốt khoá học vừa qua. Với tình cảm chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS.Hồ Văn Sung, người đã tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền thụ cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm hết sức quí báu trong suốt thời gian vừa qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn với những tình cảm chân thành tới CN.Trần Ngọc Quý, các anh chị đang công tác tại Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, khoa Điện tử - Viễn thông, Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khoá luận. Cuối cùng, tôi xin dành những lời tốt đẹp nhất, lòng biết ơn và những tình cảm chân thành nhất tới bố mẹ, anh chị, những người thân yêu và toàn thể bạn bè những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 4 - 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. Tổng đề tài khoảng 70 trang. Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 7 - Lời mở đầu Theo báo cáo của tổ chức cố vấn công nghệ (Intechno Consulting), thị trường cảm biến dùng cho các mục tiêu phi quân sự trên thế giới có lợi nhuận 32.5 tỉ đô la Mỹ vào năm 1998. Năm 2003 con số đó tăng lên 5.3% đạt được 42.2 tỉ đô. Dự tính tới năm 2008 con số đó sẽ đạt tới 50 – 51 tỉ đô la. Một số người lạc quan hơn lại cho rằng thị trường cảm biến toàn cầu sẽ đạt tới con số 54 tỉ đô la vào năm 2008. Trên thực tế thị phần của cảm biến chiếm 38.9% thị trường linh kiện bán dẫn vào năm 1998 sẽ tăng lên 43% vào năm 2008. Và với sự tiến bộ của công nghệ vi cơ khí (MEMS-technologies), cảm biến thông minh, cảm biến với bus thích nghi, thị phần cảm biến bán dẫn còn tăng hơn nữa và vượt qua cả thị phần các sản phẩm ứng dụng khác, viễn thông hay thị phần máy tính cá nhân. Cảm biến kết hợp với các hệ thống xử lý thông tin, hệ vi xử lý làm cho máy móc thông minh, linh hoạt hơn và nhất là có cảm nhận được với sự thay đổi môi trường, hay xa hơn nữa máy móc cũng có cảm nhận như con người. Trong các hệ thống đó, cảm biến đóng vai trò như một kênh thu nhận thông tin từ môi trường ngoài và phản hồi các thông tin đó về hệ thống bộ não của máy móc để quyết định hành động. Để làm cho cảm biến có cảm giác như của con người rất khó, tương đương như việc làm cho bộ não của máy thông minh như não người. Tuy nhiên hệ thống ứng dụng đơn giản hơn, hệ thống điều khiển tự động với trợ giúp của cảm biến như là khối thông tin đầu vào, hệ vi xử lý xử lý thông tin và quyết định lối ra là khả thi và được xây dựng rất nhiểu trong thực tế. Đơn cử như hệ thống quản lý, điều khiển ánh sáng , nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ PH,… trong nhà kính và dùng trong nông nghiệp sạch mà Ixraen tài trợ cho chính phủ vào hồi đầu năm. Hay đơn giản hơn, và dễ thấy hơn như bộ điều chỉnh nhiệt độ trong các máy điều hoà, hay máy lạnh hiện đại... Ngoài ra cảm biến cũng được dùng trong hệ thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin. Thông thường hệ thống như vậy kết hợp rất nhiều cảm biến. Dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau đưa vào máy tính để liên kết, thống kê và tính toán sử dụng cho mục đích khoa học khác hay để điều khiển trở lại. Ví dụ hệ thống thống kê tự động số người ra vào một công ty hay một cửa hàng nào đó trong một tháng. Nhận thức được vai trò to lớn và khả năng ứng dụng tiềm tàng, thầy Hồ Văn Sung đã giao cho em tìm hiểu đề tài: “ Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế hệ thống thu Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 8 - thập dữ liệu nhiều kênh, thông minh dựa trên cảm biến ánh sáng/ tần số dùng họ vi điều khiển MC68HC11”. Cụ thể em phải tìm hiểu cấu trúc hoạt động của hệ cảm biến ánh sáng/ tần số, kết hợp cảm biến với hệ vi điều khiển để đánh giá, xử lý kết quả đo (nếu cần) và đưa kết quả ra bộ phận hiển thị (màn hình máy tính, màn hình tinh thể lỏng) hoặc đưa kết quả ra bộ thực thi (mô tơ bước). Do đề tài khá mới, nên người viết chủ yêu phải nghiên cứu lý thuyết bằng tiếng Anh. Sau đó có kết hợp với một số bài toán thực hành trên máy nhằm củng cố thêm lý thuyết và cũng có xây dựng được một số chi tiết phần cứng cần thiết. Nội dung đề tài bao gồm 4 chương: Chương 1, nghiên cứu nguyên lý chung của cảm biến ánh sáng tần số. Các sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của máy tính, sơ đồ khối của cảm biến thông minh. Ưu điểm của cảm biến với lối ra tần số. Chương 2, đi sâu vào hoạt động xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Các phưong pháp biến thế thành tần số, tần số thành mã, các phương pháp tính toán trên tín hiệu, phương pháp hợp kênh cảm biến tần số. Chương 3, tổng quan về vi điều khiển nhúng, và hoạt động cơ bản của họ vi điều khiển MC68HC11. Lý do lựa chọn họ vi điều khiển cho hoạt động xử lý tín hiệu trong cảm biến. Chương 4, báo cáo quá trình xây dựng thực tế một hệ thống thu thập dữ liệu. Bảng mạch điện tử, phần mềm trợ giúp xây dựng một ứng dụng Mặc dù đã cố găng nhiều, nhưng do trình độ người viết là có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong sự quan tâm giúp đỡ thêm của thầy cô và bạn bè. Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 9 - Chương 1 CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN 1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor) Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng... là các đại lượng cần đo m. Việc đo đạc và chuyển các đại lượng nói trên thành các tín hiệu điện là nhiệm vụ của các cảm biến có lối ra là tín hiệu điện. Phương trình toán học: S = F(m) Cảm biến được chia làm hai loại: − Cảm biến tích cực: là loại cảm biến dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi tín hiệu ở dạng năng lượng nào đó ( nhiệt, cơ ) sang năng lượng điện ( Như hiệu ứng nhiệt điện, áp điện.. ). − Cảm biến thụ động: thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy cảm với đại lượng cần đo. Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo ( trong đó kể cả cảm biến ) cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể. Như vậy vai trò của mạch đo rất quan trọng, đơn giản nó chỉ là bộ phận cấp nguồn, hay phức tạp hơn nó còn tham gia xử lý tín hiệu, lọc nhiễu... Các tiêu chí đánh giá một cảm biến − Tính trung thực, tính đúng đắn, độ chính xác, sai số. − Độ nhạy tĩnh, độ nhạy động. − Độ tuyến tính. − Độ nhanh, thời gian đáp ứng. Một cảm biến trước khi sử dụng cần được chuẩn. Chuẩn cảm biến có mục đích diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị hoặc đại số, mối quan hệ giữa giá trị m của đại lượng cần đo và giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số ảnh hưởng ( nhiễu ). Chuẩn cảm biến là những công việc đại loại như chuẩn điểm 0, chuẩn mốc thời gian ... Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 10 - 1.2. Cảm biến ánh sáng Cảm biến ánh sáng là loại cảm biến chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. 1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang 1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng Ánh sáng có tính chất sóng nhưng vừa có tính chất hạt. Tuỳ thuộc vào môi trường, điều kiện đo mà nó thể hiện tính chất sóng hay tính chất hạt. − Về tính chất sóng ta lưu ý ánh sáng là một loại sóng điện từ mang đầy đủ tính chất của sóng điện từ ( sóng ngang, truyền trong chân không với vận tốc 300000 km/s). − Về tính chất hạt ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Đặc điểm quan trọng là tính lượng tử năng lượng của hạt ánh sáng mà ta quen gọi là hạt lượng tử ánh sáng ( photon ). − Chi tiết hơn về tính chất ánh sáng xin tìm hiểu trong các giáo trình vật lý. 1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang. − Năng lượng bức xạ (Q): là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ được đo bằng jun (J). − Thông lượng ánh sáng(φ): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng oat (W). φ = dQ/dt − Cường độ ánh sáng (I) : là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oat/steradian. I = dφ/dΩ. − Độ chói năng lượng (L): là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó, dAn = dA.COSφ (φ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA). Độ chói năng lượng được đo bằng oat/steriadian.m2: L = dI/dAn. Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 11 - − Độ rọi năng lượng (E): là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tủ bề mặt và diện tích của phần tử đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2: E = dφ/dA. 1.2.2. Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện 1.2.2.1. Tế bào quang dẫn Đặc trưng của quang trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ của bức xạ đó. Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội: hiện tượng giải phóng hạt dẫn điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu. Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng là không tuyến tính. Điện trở của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Tuy nhiên có thể tuyến tính hoá nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn. Khi sử dụng tế bào quang dẫn một trong những thông số ta cần quan tâm là điện trở tối của nó. Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt độ và tính chất hoá lý của vật liệu quang dẫn. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn (từ 104Ω tới 109Ω ở 250C), trong khi đó SbIn, SbAs lại có điện trở tối tương đối nhỏ (từ 10Ω tới 103Ω ở 250C). Điện trở của cảm biến cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy nhiên khi cường độ chiếu sáng càng cao thì độ nhạy cảm của nó càng giảm. Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ: + Đa tinh thể: CdS, CdSe, PbS, PbSe... + Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hay pha tạp Au, Cu, Sb, In... Đa số các vật liệu trên có phổ làm việc trong vùng hồng ngoại tới tử ngoại. Trong thực tế ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông lượng. Thông thường chúng được sử dụng để phân biệt hai trạng thái sáng tối hoặc xung ánh sáng. Ứng dụng cụ thể của nó chỉ ra trong hai trường hợp: Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 12 - + Điều khiển rơ le: khi có thông lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm xuống đáng kể đủ cho dòng điện I chảy qua tế bào. Dòng điện này được sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuyếch đại để điều khiển rơ le. ( Hình 1) Hình 1. Sơ đồ dùng quang trở điều khiển rơ le. + Thu tín hiệu quang: tế bào quang dẫn có thể được sử dụng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ được phản ánh qua xung điện của mạch đo, do vậy các thông tin mà xung ánh sáng mang lại sẽ được thể hiện trên xung điện. Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật hoặc đo tốc độ quay đĩa. 1.2.2.2. Photodiode Photodiode hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện xảy ra trong vùng nghèo của chuyển tiếp P-N. Như ta đã biết, sự tiếp xúc của hai loại bán dẫn loại n và loại p (chuyển tiếp P – N ) tạo nên vùng nghèo hạt dẫn bởi vì tại đó tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb. Khi không có điện trường ngoài đặt trên chuyển tiếp, hệ đạt tới trạng thái cân bằng động, tức là tổng độ lớn các dòng hạt tải ( có hai loại dòng hạt tải: dòng khuyếch tán hạt cơ bản chuyển qua tiếp giáp do chuyển động nhiệt --- và dòng trôi của các hạt tải không cơ bản chuyển qua tiếp giáp nhờ điện trường nội ) chuyển qua tiếp giáp bằng không. Khi đặt vào chuyển tiếp một thế hiệu ngược Vn ( “- “ vào bán dẫn loại P, “+” vào bán dẫn loại N ) sẽ xuất hiện dòng điện rò ( trôi ) qua tiếp giáp P_N dưới tác động của điện trường trên. Khi thế ngược Vn đặt vào đủ lớn, dòng điện trôi lớn hơn đáng kể so với dòng khuyếch tán nên có thể bỏ qua dòng khuyếch tán. Dòng điện trôi có một đặc điểm quan trọng là nó không phụ thuộc nhiều vào điện áp ngược đặt vào, mà phụ thuộc vào mật độ hạt tải không cơ bản sinh ra trong tiếp giáp trong đơn vị thời gian( tất nhiên là thế Vn không đạt tới giá trị thế đánh thủng ). Dĩ nhiên mật độ hạt tải không cơ bản phụ thuộc vào độ D1 DIODE +V V1 5V RLY112VSPDT Quang trở Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 13 - pha tạp của bán dẫn, điều kiện kích thích sinh ra hạt tải không cơ bản. Do đó có thể nói rằng dòng trôi phụ thuộc vào bản chất bán dẫn và yếu tố kích thích chủ yếu. Ta biết rằng, với mỗi loại bán dẫn có một bước sóng ngưỡng λs, khi bước sóng ánh sáng chiếu vào bán dẫn nhỏ hơn giá trị này sẽ sinh ra cặp điên tử lỗ trống mới. Do đó làm mật độ hạt tải không cơ bản tăng. Nếu toàn bộ hạt tải không cơ bản (lỗ trống trong bán dẫn loại n và điện tử trong bán dẫn loại p) sinh ra trong tiếp giáp P –N nhanh chóng bị tách ra ngăn cho chúng không tái hợp và đi về hai cực dưới tác dụng của điện trường, thì dòng điện ngược sẽ tỉ lệ với tốc độ sinh ra của cặp điện tử - lỗ trống. Do đó, dòng điện ngược tỉ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào. Tuy nhiên điều khác biệt giữa photodiode và diode thông thường là ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đi qua một bề dày đáng kể của chất bán dẫn mà tiêu hao năng lượng không nhiều. Do đó phiến bán dẫn trong photodiode được dát rất mỏng để ánh sáng tới vùng nghèo một cách hữu hiệu nhất, đồng thời vùng nghèo phải đủ rộng để sự hấp thụ ở đó là cực đại. Nói chung, kiểu gì thì năng lượng của ánh sáng cũng bị mất mát nhiều khi qua bề dày bán dẫn, và một phần hạt tải bị tái hợp ngay sau khi sinh ra, do đó hiệu suất của photodiode không thể đạt tới 100%, và có độ nhạy quang nhất định. Để tăng hiệu suất và độ nhạy quang, người ta dùng một cấu trúc đặc biệt là photodiode PIN với lớp Indi ở giữa tiếp giáp P-N. Chi tiết hơn xin xem các giáo trình về quang bán dẫn. Photodiode có hai chế độ hoạt động. + Chế độ quang dẫn: sơ đồ mắc như hình vẽ 2. Trong chế độ quang dẫn, dòng ngược Ir sẽ tỉ lệ với thông lượng ánh sáng chiếu vào. Sụt thế Vr trên tải Rm được lấy làm tín hiệu ra. Ở đây diode hoạt động như một cảm biến thụ động.Ưu điểm của sơ đồ là độ tuyến tính cao, thời gian đáp ứng ngắn và dải thông lớn. + Chế độ quang thế: sơ đồ được mắc như hình vẽ 3. Trong chế độ này không có điện áp đặt vào diode. Diode hoạt động như bộ chuyển đổi năng lượng tương đương với một máy phát và người ta đo thế hở mạch Voc hoặc đo dòng ngắn mạch Isc. Đặc điểm của sơ đồ này là: ƒ Diode hoạt
Luận văn liên quan