Lecture 7

1

อปกรณหรอ sensor บางชนดใหเปนสญญาณ Digital เพอใชเปน Input ของ Microcomputer ไดโดยตรง บางแบบใหคาของ Output Voltage ซงเปนสญญาณ Analogue ทเปลยนแปลงไปตามปรมาณทางกายภาพ ดงนนการน าสญญาณทเปน Analogue มาใชเปน Input ใหกบ Microcomputer นนจะตองมการเปลยนใหเปนขอมล Digital เสยกอนโดยใชวงจร Analogue to Digital Converter (A/D) ซง A/D บางชนดจะมวงจรภายในทเปน Digital to Analogue Converter (D/A)ดวย

Digital Input Digital output โดยปกตแลวคอการสงขอมลของจาก Port 0-3 เชน เมอดขอมลจาก Datasheet ของ IC P89V51 พบวา VIL (Low-level input voltage หรอ Logic 0) ท port มคาต าสด -0.5 และสงสด 0.2VDD - 1 V VIH (High-level input voltage หรอ Logic 1) ท port มคาต าสด 0.2VDD +0.9 V สงสด VDD+ 0.5 V คานขนอยกบปรมาณกระแสทตวอปกรณ input จายใหไมโครคอนโทรลเลอร ถาอปกรณจายปรมาณกระแสนอยลง คา Voltage กจะเพมขนแตไมเกนคาสงสด นอกจากนน

IIL (Low-level input current หรอ Logic 0) ท port 1, 2 และ 3 มคาสงสด -75 A โดยคานขนอยกบปรมาณ Voltage (VIN) ของ Logic 0 ทตวอปกรณ input จายใหไมโครคอนโทรลเลอร ถาอปกรณจาย VIN นอยลง คากระแสกจะเพมขนแตไมเกนคาสงสด ทงนแสดงวาในการใช Microcontroller รบคาแบบ digital จากอปกรณตางๆ ม ตองเลอกใช อปกรณทมระดบของ Voltage ใหเปน Logic 0 หรอ Logic 1 ตามทระบใน Datasheet ดวย

Lecture 7

2

Lecture 7

3

รปท xx Datasheet P89V51

Input a Non TTL Signal

ในกรณท สญญาณทตองการรบนนมคาระดบแรงดนทไมเปน TTL สามารถรบคาสถานะเขามาไดโดยการใชวงจรของ Transistor Buffer หรอ Opto-Isolator หรอวงจร IC ใดๆ ทท าหนาทแปลง ระดบแรงดนของ สญญาณ Input ใดๆ ทเขามาใหเปนสญญาณ Digital ดงตวอยาง

Signal R1VSi gnal

ISi gnal

5 V

Input Port

R2

Opto-isolatorPC817

Lecture 7

4

รปท 1 การใชงานของ Opto-Isolator มขอด คอท าให วงจรไฟฟาของ Input Device กบสวนของ Microcomputer นนแยกออกจากกน ตวอยาง จากรป Opto Isolator เปน PC817 และ signal มคาสงสด 12v จาก Datasheet ของ PC817 คา VD = 1.2 V, IF(D) = 20mA, VCE(sat) = 0.2 V, IC(MAX) = 50 mA Vsignal - 0 = VR1+VF(D) VR1 = IsignalR1 หรอ IF(D)R1แตในกรณนวงจรจะท างานไดตามจดมงหมายกระแสตองมคามากพอทจะท าใหสวนทเปน Diode แปลงแสงของ Opto-isolator ท างานได ดงนน VR1 = IF(D)R1 Vsignal = IF(D)R1+VF(D) สวน VF(D) นนกไมควรเกนจากคาสงสดทควรจะเปน จากตารางใน Datasheet VF(D) มคาสงสดท 1.4V และ จากกราฟ Forward Current vs. Forward Voltage จะเหนไดวา ท VF(D) = 1.4 V , IF(D) = 50mA 12 = 50mA*R1+1.4 R1 = 212 Ω สวนทางดาน output 5 - 0= ICR2+ VCE(sat) 5 - 0= 1mA(R2)+ 0.1 R2 = 8.9k Ω Analogue Input การรบคา Analogue Input เนองจากสญญาณไฟฟาทมาจากอปกรณภายนอก เชน sensor อาจมระดบต ามาก จงตองน าสญญาณนนไปขยายกอนโดยการใช Amplifier หลงจากนน ตองมการแปลงสญญาณดงกลาวเปนตวเลขเพอให Microcontroller สามารถน าไปประมวลผลได ดวยการใช A/D โดยกอนทจะมการแปลงโดยใช A/D นน จ าเปนตองผานวงจร Sample and Hold กอนเพอใหสญญาณมระดบคงทจนกวาการแปลง A/D จะเสรจสน ดงทจะอธบายตอไป

Lecture 7

5

Amplifiers เนองจากสญญาณจาก sensor สวนใหญจะมขนาดเลกมากจงตองน ามาขยายดวยวงจรขยายประเภทตางๆ กอนจงจะสามารถน ามาใชได

รปท 2 Amplifiers

Amplifier Sample and Hold A/D Conversion Sensor Microcontroller

Lecture 7

6

Instrumentation Amplifiers

วงจรขยายแบบ Differential Amp อาจม Common Mode Rejection Ratio (CMRR) สงไดแต input Impedance ถกจ ากดโดย R ทขา Input ท าใหบางครงอาจม input Impedance ต า และเนองจากม Input impedance ต า จะมการดงกระแสจาก signal sources ไหลเขาส amplifier โดยปกตแลวไมม signal sources เชน CD players, microphones หรอ sensor ใดทถกออกแบบใหจายพลงงานไดสงซงนเปนสาเหตท าใหตองมการใช amplifier อยแลว amplifier จงไมควรท าตวเปนโหลดของ sensor อก และนอกจากนน การทมกระแสไหลจาก signal sources ไปส amplifier อาจท าใหเกดสญญาณรบกวนแทรกเขามาในสายเคเบลทเชอมตอสองวงจรนไดงาย

แตวงจร Instrumentation Amp จะไมมขอจ ากดนโดย Input impedance ของวงจรจะมคาเทากบ Input Impedance ของตว Op-Amp ซงปกตจะมคาสงมาก การทม input impedance สงท าใหวงจรไมดงกระแสและพลงงานจาก signal sources

รปท 4 ขอดอกอยางคอม CMRR สง จงเหมาะกบการน าไปใช กบ sensor ซงสวนใหญจะใหสญญาณ amplitude ต าในสภาวะใชงานทสญญาณรบกวนสง Sample and Hold

รปท 3

Lecture 7

7

เมอสญญาณจาก sensor ผานเขาวงจรขยายจนไดขนาดทเหมาะสมแลว กอนทการแปลงสญญาณ analogue เปน digital จะเกดขนนน ตองผานสญญาณเขาวงจร sample and hold กอน เนองจากสญญาณ analogue มการเปลยนแปลงอยางตอเนองแตการแปลงสญญาณ analogue เปน digital นน ตองใชเวลานานพอสมควรโดยขณะทแปลงอาจตองมการเปรยบเทยบคาทแปลงไดกบคาทแทจรงในขณะนน ดงนนเพอคงคาในขณะนนไวระหวางการแปลง จงตองมการใชวงจร sample and hold เขา มาชวย โดยวงจรจะ sample สญญาณดงรป และ output ของวงจรคอคาของสญญาณตอนท sample เขามา และคานจะคงทจนกวาจะมการ sample ครงใหม

Lecture 7

8

รปท 5 การท างานของวงจร sample and hold

Analogue to Digital Converter (A/D)

A/D Converter Types

วธการท A/D นนๆ ใชในการแปลงสามารถแบงไดดงน

Flash A/D หรอ Parallel Comparator A/D Converters

จากรปเปน A/D 2 บต ทใชหลกการของ Parallel comparator โดยแรงดน Input ทเขามาจะถกน าไปเปรยบเทยบกบแรงดนอางองคาตางๆ และทก comparator จะท างานพรอมๆกนท าใหการแปลงรวดเรว ผลลพธทไดจากการเปรยบเทยบจะถกสงเขาไปยง Encoding Gate เพอสรางรหสตวเลขของ Output ทตองการ ท าให A/D แบบนสามารถจะใหรหสของ Output เปนอยางไรกได ขนกบการออกแบบ Encoder ขอดของ A/D แบบ Flash หรอ Parallel comparator A/D คอการแปลงสญญาณทรวดเรว ขอเสยคอมราคาแพง เนองจากวงจรทตองใชม comparator ส าหรบทกๆ Voltage step เชน ถาเปน A/D ขนาด 8 บต จะตองใช Comparator ทงหมด 2N – 1 ตว

Tracking ADC

ประกอบดวย comparator, counter และ DAC comparator เปรยบเทยบ input voltage กบ DAC output voltage ถา input มคาสงกวา DAC voltage counter จะนบขน ถา input ต ากวา DAC voltage counter จะนบลง

รปท 6

Lecture 7

9

รปท 7

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Volts 2.5 1.25 0.625 0.3125 0.156 0.078 0.039 0.0195

Lecture 7

10

Dual-Slope A/D Converters

รปท 8

สวนประกอบภายในของ A/D แบบ Dual-slope แสดงในรป A/D ในแบบนใชมากใน Digital Voltmeter เนองจากสามารถท าใหมจ านวนบตทมากๆ ไดในราคาทถก หลกการท างานคอเมอเรม สวน Control circuit จะท าการ Reset คาของ Counter ใหเปน ‚0‛ และท าการตอ Input ของสวน Integrator เขากบ สญญาณ Analog ทจะท าการแปลง ถาสมมตให แรงดนทตองการแปลงมคาเปน ‚บวก‛ Output ของ Integrator จะลดลงตามเวลาเปนเสนตรงดงรป

รปท 9 เมอ Output ของ Integrator เรมเปนลบ สวน Comparator จะให Output ทเปน ‚1‛ ออกมา ท าให AND gate สงสญญาณ Clock 1 MHz เขาไปยงสวนของ Counter หลงจากท Counter นบไปไดเปนจ านวนทก าหนด (เชน t1= 1000 Count) สวนของ Control circuit จะสลบ Input ของ Integrator ให

ไปทแรงดนอางองทเปนลบ และ Reset คาของ Counter เมอมแรงดนไฟทเปนลบปอนเขาท Integrator จะท าให Output คอยๆ

Lecture 7

11

เพมขนดวยอตราคงท และ Counter จะเรมนบใหมโดย เมอ Output ของ Integrator น มคากลบถง ‚0‛ จะท าให AND gate หยดสงสญญาณ Clock ใหกบ Counter คาจ านวนทนบไดของ Counter น (t2 หรอ t3) จงขนอยกบ Input Voltage ทปอน ขอเสยทส าคญของ A/D ชนดน คอใชเวลาในการแปลงสญญาณทนานมาก

Successive Approximation A/D Converters

เมอมสญญาณ Start of Conversion (SC) เขาส A/Dแลว สญญาณ Clock ลกแรก SAR จะท าให MSB มคาเปน ‚1‛ ซงคาน (1000 0000) จะไปเขาท DAC ไดเปนระดบแรงดน ออกมา และน าไปเปรยบเทยบกบสญญาณ Input ของ A/D ถาคาแรงดนน มากกวาสญญาณทเปน Input สวนของ Comparator จะใหสญญาณไปบอก SAR วา ขอมล ‚1‛ ท MSB นเปนคาทมากเกนไป SAR จะ ท าใหขอมลบต น เปน ‚0‛ แตถาแรงดนทไดจาก D/A นนอยกวา สญญาณ Input สวน SAR จะคงขอมลทเปน ‚1‛ ของบตนเอาไว เมอมสญญาณ Clock ลกถดมา SAR กจะท าให ขอมลบตถดจาก MSB ใหเปน ‚1‛ และขบวนการทเกดขนกจะเชนเดยวกบ บตทแลว จนกระทงถงบตของ LSB การท างานของ SAR นจะใชสญญาณ Clock เพยง 8 ลกเทานนส าหรบการแปลงขอมล เมอขบวนการแปลงนเสรจสน A/D จะสงสญญาณ End Of-Conversion (EOC) ออกมาเพอไปบอกให Latch ท าการเกบขอมลนเอาไว จาก รปท 10 แสดงในตวอยางการแปลง Vin=3V โดยใช VREF = 5V, 8 bits ADC SAR จะเปรยบเทยบ Input กบ DAC Output โดยเรมจากการ set คาของ MSB กอน bit ท ถก set จะคงคาเปน 1 เมอ VDAC < Vin แตถก reset เปน 0 เมอ VDAC > Vin ท าเชนนเรอย ไปจนครบทกบต

รปท 10

Lecture 7

12

รปท 11 Half-Flash ADC 8-bit Half-Flash ADC convert 4 bits MSB กอนดวย 15 comparators โดยเลอกคาทใกลกบ Vin ทสด แลวน าผลตางของ Vin กบการแปลงครงแรกมา convert อกทเพอใหไดคา 4 bits LSB ดวย15 comparators โดย Vrefใหม = (1/16)Vref เดม

รปท 12

Lecture 7

13

Sigma Delta ADC Duty cycle อยกบระดบสญญาณ Input ตวอยางการแปลง 0.3 V โดย ให +V = 0.5V, -V = -0.5V

รปท 13 Voltage-to-Frequency Converter

Lecture 7

14

รปท 14

รปท 15

ADC Comparison

คณภาพของ A/D นนสามารถดไดจากคณสมบตตางๆเชนเดยวกบ D/A แต A/D จะมคณสมบตส าคญขอหนงทแตกตางกน คอ Conversion Time ซงหมายถงเวลาท A/D ใชในการแปลงคา Analogue ใหไดเปนขอมล Digital ระยะเวลาทใชในการแปลงน จะขนอยกบชนดของ A/D ดงทกลาวมาแลวและแสดงสรปดงกราฟ

Lecture 7

15

Interfacing Different Types of A/D Converter to Microcomputers

Interfacing to Parallel Comparator A/D Converters

ส าหรบงานทใช A/D แบบ Flash อาจเปนงานทตองการความเรวสงมาก ซงมากกวาความเรวของ Microprocessor ทจะรบขอมลนนเขามาไดทน ดงนนแลวจะตองใชวงจรเพมเตม ท าการน าเอาขอมลนใสเขาไปในหนวยความจ าโดยตรง แลว Microprocessor จะไปอานขอมลทงหมดในหนวยความจ ามาใชอกในภายหลง การน าขอมลไปใสในหนวยความจ าโดยตรงนจะเรยกวาเปน Direct Memory Access (DMA) สามารถท าไดใน Z80 โดยใชขาสญญาณ BUSRQ

Interfacing to Dual-Slope A/D Converters

ส าหรบการรบคาจาก A/D แบบนนน จากการท างานของ A/D ทชากวาการท างานของ Microprocessor สามารถท าไดโดยการเขยนโปรแกรมใหท าการตรวจสอบสถานะของ A/D วามการสง Output ออกมาหรอไม ถาพบวามการสง Output ออกมา จงจะท าการรบขอมลนนมาใชงานไดตอไป

Interfacing to Successive-Approximation A/D Converters

ตวอยาง PCF8591

รปท 16

Lecture 7

16

รปท 17

จากท Output ของ A/D แบบนออกมาเปน Binary หรอ Offset binary ซงสามารถน ามาเขาท Input port ของ Microcomputer ไดโดยตรง หรอมการรบสงขอมลแบบ Binary ดวยวธอนๆเชน แบบอนกรม หรอ I2C

Lecture 7

17

Analogue and Digital Input Devices

1. Reading the Switches

รปท 18

Input Port สามารถตอวงจรเพอรบคาสถานะจาก Switch ไดดงรป และการตรวจสอบสถานะของ Switch น กเพยงแตเขยนโปรแกรมในการรบคาจาก Input Port ท Switch ตออย

ปญหาทพบในการรบคาจาก Switch คอจะม Bounce เกดขนได ซงท าใหการรบขอมลเขาไปไมถกตอง สามารถแกไขไดโดยวธการของ Hardware หรอ Software

รปท 19 10 ms 10 ms

Input Key

Key press?

Wait 10 ms

Input Key

Key press?

Yes

Yes

No

No

Lecture 7

18

ส าหรบการแกไขโดยใช Software ท าโดยใช Algorithms ทแสดงตาม Flowchart และส าหรบการแกปญหาโดย Hardware นนอาจท าไดอยางงายโดยใชตวเกบประจทเหมาะสม ใสเขาไปในวงจร หรอท าไดโดยใหสญญาณทไดจาก Switch น ไปเขาวงจร Mono-Stable แลวจงน าสญญาณทไดจากวงจร Mono-Stable น ไปเปน Input ใหกบ Microcomputer ตอไป การตอ switch กบ Microcontroller

Port x.x

Ra

V+

II

VI

Port x.x

Rb

V+

II

VI

a b

Port x.x

Port x.x

R

V+

II

VI

c d

รปท 20 การตอ switch เขากบ port ของ Microcontroller สามารถตอไดหลายรปแบบแตวธทดทสดคอรปแบบ a ดงจะอธบายตอไป แตเนองจากใน Microcontroller ตระกลMCS-51ทก port ยกเวน port0 มการตอ Pull-up resistor ภายในตว IC อยแลวจงสามารถท าการตอในรปแบบ c ได สวนการค านวณหาคา Pull-up resistor ทเหมาะสมส าหรบ port0 สามารถท าไดดงน

Lecture 7

19

แบบ a เปนการตอ port เขากบ switch และ pull-up resistor เพอใหขณะไมกด switch จะม Logic เปน 1 มคาความตางศกยเทากบ VIH และมกระแสไหลเขาส Microcontroller และเมอ switch โดนกด port ของ Microcontroller จะม Logic เปน 0 มคาความตางศกยเทากบ 0 และมกระแสไหลออกจาก Microcontroller

ในขณะท switch โดนกด ถาคาของ Pull-up resistor (Ra) มขนาดนอยเกนไปจะท าใหมกระแสไหลผาน Microcontroller มาก ตว Microcontroller จะรอนและท าใหสนเปลองพลงงาน เพอจ ากดไมใหก าลงทสญเสยคาเกนสงสดของ Total power dissipation per package สามารถค านวณหาคา Ra ไดดงน ขณะไมกด switch ได Logic ‘1’ กระแสทไหลเขาแตละขาของ port จะมคาสงสดเมอ VIH มคาต าสด และ IIH ไมเกน Ptot/Vcc/32 = 1.5/5/32 = 9.375mA (port ม 32 ขา) V+ - VIH = II Ra

Ra = (V+ - VIH)/ IIH

ถา V+ = 5 V, VIH = 0.2V+ + 0.9 = 1.9 คา Pull-up resistor ทต าสดคอ Ra = (5 - 1.9)/ 9.375mA

Ra = 330

ขณะ switch ไม โดนกดถาคาของ Pull-up resistor มขนาดมากเกนไปอาจท าใหมกระแสไหลเขาส Microcontroller นอยเกนไป (นอยกวา Leakage current) จะท าใหทขานนของ Microcontroller ม Voltage ไมถงระดบ High คา Pull-up resistor ทสงสดคอคาสงสดของ resistor ทยงสามารถท าใหกระแสไหลไดมากกวา Leakage current

IIH > 10 A ถา V+ = 5 V, VIH = 0.2V+ + 0.9 = 1.9 V+ - VIH = II Ra

คา Pull-up resistor ทสงสดคอ Ra = (V+ - VIH)/ IIH

Ra = (5 - 1.9)/ 10 A

Ra = 310k Ω

ดงนนคาของ Pull-up resistor ควรมคา 330 < Ra < 310k โดยทวไปแลว ถาใชกบ IC ชนด BJT ทมระดบแรงดนประมาณ 5 V คาของ Pull-up resistor จะมคาประมาณ 1-5kΩ หรอเมอน าไปใชตอกบ switch หรอ sensor คาของ Pull-up resistor จะมคาประมาณ 1-10kΩ แตถาเปน IC ชนดทเปน FETคาของ Pull-up resistor จะมคาประมาณ 10k-1MΩ ขอเสยของการใช Pull-up resistor ทมคาสงคอ ตวตานทานทตอเขาไปนจะไปรวมกบตวเกบประจแฝงในสายไฟทเปนขา input ท าใหเกดเปนวงจร RC ทตองอาศยเวลาในการ charge ประจของตว C ยงคา R มคาสงวงจรกจะยงตอบสนองชาลง

Lecture 7

20

แบบ b เปนการตอ port เขากบ switch และ pull-up resistor เพอใหขณะไมกด switch จะม Logic เปน 0 คาความตานทาน Rb มไวเพอใหขณะกด switch จะม Logic เปน 1

ขณะไมกด switch ตว Microcontroller จะมกระแส ไหลออก โดยคาของกระแสนจะมคาต าสดเทากบ Leakage current ดงนน ผลคณของกระแส Leakage current กบ Rb จงไมควรมคาเกนคาสงสดของ VIL เพอใหยงเปน Logic 0 อย VIL = 0.2V+ - 0.1 ถา V+ = 5 V, VIH = 0.2V+ - 0.1 = 0.9 คา Pull-down resistor ทสงสดคอ

Rb = ( VIL- 0)/ ILI = 0.9/ 10 A Rb < 90 k Ω

ขณะเดยวกน ถา Rbนอยเกนไปจะท าใหกระแสผาน Microcontroller มากเกนไป เกดความรอนและการสญเสยพลงงาน ดงนนเพอจ ากดไมใหก าลงทสญเสยคาเกนสงสดของ Total power dissipation per package สามารถค านวณหาคา Rb ไดดงน ขณะไมกด switch ได Logic ‘0’ กระแสทไหลออกแตละขาของ port จะมคาสงสดเมอ VIL มคาสงสด และ IIL ไมเกน Ptot/Vcc/32 = 1.5/5/32 = 9.375mA (port ม 32 ขา) VIL - 0 = IIL Rb

คา Pull-down resistor ทต าสดคอ Rb = (V+ - 0)/ IIL

ถา V+ = 5 V, VIL = 0.2V+ - 0.1 = 0.9 Rb = ( VIL- 0)/ IIL = 0.9/ 9.375mA Rb < 96 Ω

ดงนนคาของ Pull-down resistor ควรมคา 96 < Rb < 90k แบบ c เปนรปแบบทไมควรใชเพราะ ท าใหเกดการ short circuit ทขา port ซงจาก datasheet ไดระบไววา ถานานเกน 1 วนาทจะท าให Microcontroller พงไดเพราะเกดกระแสไหลผานปรมาณมาก ( 50 mA) แลวท าใหเกดความรอนขน หรอถาจ าเปนจรงๆกไมควรเกดการ short circuit เกน 1 ขาในเวลาเดยวกน ทงน ระยะเวลาท Microcontroller จะทนไดขนอยกบรปแบบตวถง IC วาสามารถระบายความรอนไดดขนาดไหน

Lecture 7

21

แบบ d เปนรปแบบทไมแนะน าเพราะขณะไมกด switch จะไมสามารถทราบระดบ Logic ทเปนอยไดวาเปน Hi หรอ Low หรอ ไมอยในสถานะใดเลย

2.1 Keyboard

ในกรณทตองการทรบคาสถานะจาก Switch จ านวนมากนน สามารถท าไดโดยการเพมจ านวนของ Input Port ใหมากขนตาม อยางไรกด ในการเพมจ านวนของ Input port จะท าใหระบบมราคาแพง การเพมจ านวนของ Switch สามารถท าไดโดยใชการท างานของ Software ชวยอาศยหลกการพนฐานทวา Microcomputer นน สามารถท างานไดเรวมากเมอเทยบกบการท างานของ Switch ดงนนแลว Microcomputer กไมจ าเปนตองรบคาของ Switch ทงหมดพรอมกน โดยเลอกรบ Input ทละตว หรอทละชด กได จนครบจ านวนของ Switch ทงหมด

จากรป เปนการตอ Switch แบบ Matrix ซง Port 1 บต D0-D3 ถกใชในการเลอกวาจะอานคาสถานะของ Switch ในแถวใด และ Port 1 บต D4-D7 เปนการเลอกวาจะอานคาสถานะของ Switch ในหลกใด การเขยนโปรแกรมเพอรบคาสถานะของ Switch ทงหมดสามารถแสดงเปน Pseudo code ไดดงน 1. สงขอมล ‘0’ ไปออกท P1.0 และใหขอมลท บต อนๆ เปน ‘1’ ทงหมด ( 1111 1110B ออกไปท Port 1) 2. รบคาขอมลการกด Switch ของแถวบนสดจาก

Port 1 แลวน ามาเกบ 3. เลอนต าแหนงของขอมล บตทเปน ‘0’ (Ex 1111

1101B) แลววนกลบไปท า ขอ 1 อกครง จนกวาจะครบทกแถว 4. ท าการตความหมายของขอมลทเกบมาได เชน ถาขอมลทรบมาไดเปน 1011 1101B (ในขณะทสง 1111 1101B ออกไปท Port 1) จะหมายถงการกดป ม ‚A‛

Lecture 7

22

ตวอยางของฟงกชน

ฟงกชนนท าการรบคาจาก keypad 4x4 โดยท าการตรวจสอบในเบองตนกอน วามการกดป มใดๆ หรอไม เมอพบวามการกดป ม จงจะท าการตรวจสอบวาเปนป มใด ฟงกชนจะ return คา key ทกดเปน 1-16 ตามล าดบ ถาไมมการกดจะ return คาเปน 0xff unsigned char get_key (void) // get key {unsigned char i,j,x,colx,row,rowx,k; rowx=0xfe; //11111110 colx=0x7f; //11101111 P1=0xf0; //11110000 k=0xff; x = P1; // check for key press if (x!=0xf0) { dmsec(40); if (x!=0xf0) // new press accepted { for (i=0;i<=3;i++) // look for col { P1=rowx; col=P1&0xf0; rowx=_crol_(rowx,1); if(col!=0x7f) { for (j=0;j<=3;j++) { if (col==(colx&0x7f)){k=i+4*j;} colx=_crol_(colx,1); } } } } } return (k); }

Is any key pressed?

Input Column

Select ALL row

SCAN KEY

P1= 0xf0;

X=P1;

If (x!=0xf0){scan for key pressed};

Yes

No

รปท 21

Lecture 7

23

2. Sensors

2.1 Optical sensors

2.1.1 Photodiode

ใชในการวดปรมาณของแสงทตกกระทบ โดยมหลกการท างานคอเมอมแสงตกกระทบ P-N junction จะท าให Reverse leakage current ของ Junction นนเพมขน โดยมความสมพนธ ทเปนเชงเสนกบปรมาณแสง การใชงานของ Photodiode โดยใชวงจรอยางงายคอ

รปท 22

วงจรน ท าหนาทเปลยนคากระแสรวไหลของ Diode ซงมคานอยใหเปนแรงดนทเปลยนแปลงตาม ในวงจรมการปอนแรงดน -2 Volt เขาท Non-inverting input ของ Op-amp ซงแรงดนน จะไปปรากฏทขา Inverting input ดวยซงเปนการ Reverse bias

ของ Photodiode กระแสรวไหลของ Diode จะไหลผาน Resistor (Rf = 100 k) ไดเปนแรงดนท Output (ส าหรบ

Photodiode ทวๆ ไปแลวเชน HP 5082-4203 มคากระแสรวไหลทเปลยนแปลงจากประมาณ 0 A ไปจนถงประมาณ 100

A ท าใหไดแรงดนท Output เปลยนแปลง ตงแต 0 – 10 Volt) ในวงจรนตองใช Op-amp ทม Input เปน FET (เชน LM356) เนองจากไมตองการ Input bias current การท างานของ Photodiode ตอบสนองไดดกบแสงในชวงของความยาวคลนยาน Infrared อปกรณตรวจจบแสงอกชนดหนงคอ Solar cells ซงการท างานคอเมอมแสงตกกระทบจะมกระแสไหลทเปลยนแปลงตามปรมาณแสงนนๆ เหมอนกบ Photodiode แต Solar cells ใหกระแสทมากกวา เราสามารถใชวงจรเชนเดยวกบ Photodiode ในการเปลยนคากระแสเปนแรงดนได แตตองลดคาของ Rf ลง และไมจ าเปนตองปอนแรงดนทเปนลบเขาท Non-Inverting Input ของ Op-amp เนองจาก Solar cells ถกสรางใหตอบสนองไดดกบแสงในชวงความยาวคลนเดยวกบแสงอาทตย จงเหมาะทจะใชวดปรมาณแสงทเกยวกบการมองเหน 2.1.2 Phototransistor และ IR (Infrared LED) IR มกใชคกบ Phototransistor มหลายรปแบบ เชน Slotted switch, Thu-beam, Reflective, Diffused Reflective, Opto-isolator

Lecture 7

24

หลกการของ phototransistor คลาย กบ photodiode แตกตางกนเพยงโครงสรางของ phototransistor เปน P-N-P หรอ N-P-N ทเปดใหแสงตกกระทบรอยตอ Base-collector ขอจ ากดของ IR คอ วตถบางอยางททบหรอสะทอนแสงธรรมดาไดดอาจตรวจจบไดไมดดวยชวงความยาวคลนของ infrared และแสงรบกวนจากหลอดไฟ fluorescent และแสงอาทตยมผลอยางมากตอ sensor

Optical Shaft Encoder

Optical Shaft Encoder ใชเปน Input Device เพอตรวจสอบการหมน หรอการเคลอนท หลกการของ Optical Shaft Encoder ใชจานหมนเพอตดแสง และจากสญญาณ ทไดจาก Opto-Sensor น จะถกเปลยนเปนสญญาณ Digital เพอปอนเขาท Input port ของ Microcomputer ตอไป ทวไปแลว Encoder จะแบงได 2 แบบคอ

รปท 24

Slotted switch Reflective optical sensor Opto-isolator

รปท 23

Lecture 7

25

Absolute Encoder Incremental Encoder

รปท 25

Absolute Encoder จานตดแสงจะเปนชองอยหลายชน เปนขอมลของเลขฐาน 2 แบบ GRAY ซงหมายความวา เมอจานหมนมาตรงกบตวตรวจจบ กจะทราบมม นนๆ ไดทนท ขอจ ากดของ Absolute Encoder นกคอมนจะตองมตวตรวจจบหลายชด และไมสามารถ ท าใหมความละเอยดมากๆ ได

Incremental Encoder สวนของจานตดแสงนน มชองใหแสงผานไดอย 2 ชน และตวจบ 2 ตว โดยชองจะเยองกนดงรป เมอมนหมนผานตว ตรวจจบ กจะไดสญญาณ ของ Phase A และ Phase B ซงจากสญญาณน ท าใหเราทราบไดวา มการหมนเกดขน และหมนไปในทศทางใด สวนระยะทางทหมนไปนน ตองใช Software ในการนบจ านวนของ Pulse ทเกดขน ตวอยางการใชงานของ Incremental Encoder น เชนท อยใน Mouse ของ PC นนเอง รปดานลางเปนวธการคลายกนใชตวตรวจจบ 2 ตว แตมชองใหแสงผานระดบเดยวโดยวางตวตรวจจบเยองกน ตวหนงวางตรงกบชองอกตววางกงกลางระหวางชอง

Lecture 7

26

รปท 26

Light dependent resistor (LDR)

รปท 27

LDR ทจรงแลวมเรยกกนอกหลายชอ เชน โฟโตคอนดกทฟเซล (photoconductive cell) หรอ ตวตานทาน ไวแสง (LSR - light sensitive resistor) สวนใหญท าดวยสารแคดเมยมซลไฟด (CdS) หรอไมกแคดเมยมซนไนด (CdSe) ซงทงสองตวนเปนสารประเภทกงตวน า เอามาฉาบลงบนแผนเซรามกทใชเปนฐานรองแลวตอขาจากสารทฉาบ ไวออกมา

Lecture 7

27

รปรางของ LDR แสดงดงรป สวนทขดเปนแนวเลกๆสด า ท าหนาทเปนตวตานทานไวแสง และ แนวสด านนแบงพนทของตว LDR ออกเปน 2 ขาง ซงถาดของจรงจะเหนวาออกสทองนน เปนตวน าไฟฟาทท าหนาทสมผส กบตวตานทานไวแสง เปนทส าหรบตอขาออกมาภายนอก หรอ เรยกวาอเลกโทรด ทเหลอเปนฐานเซรามก และอปกรณ ส าหรบหอหม ซงมไดหลายแบบ

CCDs (Charge Coupled Devices)

หลกการท างานของ CCD คอ เมอมแสงมากระทบสาร semiconductor พลงงานจาก photons จะท าให semiconductor แตกตวเปน electron-hole pairs รปภาพทเกดจะขนอยกบจ านวน electron-hole pairs ซงแปรผนตามแสงทมาตกกระทบ CCDs สามารถแบงออกเปน

Linear CCDs

Tri-linear colour CCDs

Area CCDs

Temperature Sensors

Semiconductor Temperature Sensors

Semiconductor Temperature Sensors ท างานโดยอาศยหลกการท forward bias voltage ท P-N junction มคาเปลยนแปลงตามอณหภม มอยสองแบบคอ แบบทให Output เปนแรงดน และแบบทให Output เปนกระแส

Linear CCD Imaging

รปท 29

Tri-linear colour CCD

รปท 28

Lecture 7

28

ดงรปเปนวงจรทใชส าหรบ Sensors ทงสองแบบ LM35 เปน Sensor แบบทเปน Temperature-dependent voltage source โดยใหแรงดน Output ทเพมขน 10 mV ทกๆ 1 องศาเซลเซยสทสงขน ถาตอวงจรโดยใช R1 และแรงดนอางองดงรปจะท าใหได

แรงดน Output ทมความหมาย ไดจาก –55 to +150 C และสามารถปรบแรงดน Output ใหได 0 V ท 0 C ได แรงดน Output ทไดออกมาน สามารถน าไปขยายดวยวงจรขยายสญญาณ เพอใหไดแรงดนมากตามทตองการ

อกแบบหนงของ Semiconductor Temperature Sensors คอแบบ Temperature-dependent current source เชน AD590

จะใหกระแสทเพมขน 1 A/ K มการใชงานดงในวงจรตวอยางขางตน วงจรจะเปลยนคากระแสทได ใหเปนแรงดน โดยใชตว

รปท 31

รปท 30

Lecture 7

29

ตานทาน 1 K ดงนนจะไดการเปลยนแปลง 1 mV/ K และโดยการใชของ AD580 ซงเปนตวสรางแรงดนอางองและใช Trim

pot แบบละเอยด ปรบใหไดแรงดน 273.2 mV จะท าใหไดแรงดน Output เปน 0 Volt ท 0 C และโดยการปรบอตราการขยายของ Instrument amp ทเหมาะสมจะท าใหไดแรงดนตามทตองการ ขอดของการใช Sensor ทเปน Current source นกคอไมมผลของ Voltage drop ในสายสญญาณทยาวๆ คาทวดไดจงถกตองกวาแบบทเปน Voltage source

Thermocouples

หลกการของ Thermocouples คอเมอน าโลหะสองชนดมาตอเขาดวยกน จะเกดกระแสไฟฟาไหลทจดตอนนๆ เมอถกความ

รอน คาแรงดนทเกดขนน จะเปลยนแปลงไปตามอณหภม โดยมคาแรงดนโดยประมาณ 7 ถง 75 A/ C ขนอยกบชนดของโลหะทงสอง มหลายแบบเชน

Type J: iron-constantan

Type T: copper-constantan

Type K: chromel-alumel

การเลอกใชของชนดโลหะขนอยกบ ชวงของอณหภมทตองการวด เชน Thermocouples Type J จะส าหรบใชในชวงอณหภม

–184 to +760 C

ตว Thermocouples มขนาดเลก ทนทาน และมความนาเชอถอสง แตในการน ามาใชงานนน มปญหาทส าคญ 4 ประการคอ ขอแรกสญญาณทไดจาก Thermocouples นนม คานอยมากๆ จงจ าเปนตองใช วงจรเพอขยายสญญาณใหไดขนาดตามตองการ

รปท 32 ระดบแรงดนไฟฟาทไดจากเทอรโมคบเปลชนดตาง ๆ เมอเทยบกบอณหภม

Lecture 7

30

ขอทสองคอตองม Reference junction เนองจากจดทตอไปเขากบวงจรทขยายสญญาณเปนจดตอของโลหะสองชนดทไมเหมอนกน ท าใหแรงดนทวดไดทงหมดเปนเกดจากอณหภมทจดตอน และอณหภมทหววด เพอปองกนขอผดพลาดน จงมการออกแบบใหชวงทตอกบวงจรขยายเปนโลหะชนดเดยวกน ดงรปตวอยางการตอ Type J thermocouple เขากนวงจรขยาย ท าใหจดตอระหวาง Thermocouple กบวงจรขยายทงสองขว (constantan-copper) เกด Voltage เทาๆกนและไมถกขยายโดยวงจร Differential Amplifier แตการท าเชนนท าใหเกดมรอยตอเพม (iron-constantan) จากรอยตอทหววด (iron-constantan)

ดงนนถาใชรอยตอทเพมขนเปนจดตออางองและท าใหอณหภมทจดตออางองเปนคาคงท กจะสามารถค านวณอณหภมทหดวดได หรออกทางหนงคอใช AD590 ซงเปน Current source ทแปลตามอณหภม มาตดตงเขากบ Reference junction น กระแสทได จะไปยง Resistor เพอสรางเปนแรงดนชดเชยผลของการเปลยนแปลงท Reference junction น จะไดเปนวงจรทใชงานดงรป

รปท 33

สวนของ Reference junction จะเรยกอกอยางไดวาเปน Cold junction นนเอง

ขอทสามคอ ตองท าใหจดตอระหวาง Thermocouple กบวงจรขยายทงสองขว (constantan-copper) มอณหภมเทากนเพอใหเกด Voltage เทาๆกน โดยการตอ Thermocouple ผาน Isothermal Block แลวจงตอเขาวงจรขยาย

Lecture 7

31

ปญหาขอสดทายของการใชงาน Thermocouples คอคาแรงดนทได นนไมไดเปลยนแปลงอยางเปนเชงเสนกบอณหภม แกไขไดดวยวงจรทท าการปรบ Gain ไดตามสญญาณทเขามา แตอยางไรกด ถาเปนการใช Thermocouples เพอเปน Input Device ใหกบ Microcomputer แลวการแกโดยใชโปรแกรม ดวยการเปดตารางและการค านวณจะท าไดสะดวกกวา

RTDs and Thermistors

เปนอปกรณทใชในการตรวจวดอณหภม หลกการท างานของอปกรณสองชนดนคอเปลยนคาความตานทานตามการเปลยนแปลงของอณหภม

RTDs (Resistance Temperature Detector) โครงสรางของ RTDs จะเปนลวด หรอ Thin film ของ Platinum หรอ Nickel คาความตานทานของ RTDs นนจะมคาทเพมขนตามอณหภม ขอเสยคอการตอบสนองตออณหภม ไมเปนเชงเสนกบอณหภม แตมขอดคอ เสถยรภาพ และการเกดขนซ ารอย (Repeatability) ดงนนแลว RTDs นจะใชในงานทตองการวดอณหภมทตองการ

ความเทยงตรง หรอถกตองมาก RTDs จะใชในการวดอณหภมในชวง –250 to +850 C โดยการใชวงจรดงรป

รปท 34

Thermistors (Thermal sensitive resistors) มโครงสรางภายในทเปน Semiconductor ม 2 แบบคอ

NTC (Negative Temperature Coefficient) ซงคาความตานทานจะลดลงเมออณหภมเพมขน และ PTC (Positive Temperature Coefficient) ซงคาความตานทานจะเพมขนเมออณหภมเพมขน แตผลตอบสนองไมเปนเชงเสนเชนกน ขอดของ Thermistor คอมราคาถกมาก และมการตอบสนองไดเรว แตไมมความเทยงตรงมากนก สามารถใชในงานทวๆ ไปทไมตองการความแมนย า วงจรทใชงานเปนวงจรเดยวกบ RTDs

Lecture 7

32

นอกจากนน RTD และ thermistor มคณสมบตเปนตวตานทาน เมอมกระแสไหลผานจะท าใหมความรอนเกดขน ปรากฏการณนเรยกวา self-heating ท าใหอณหภมทอานไดคลาดเคลอนจากอณหภมจรงๆ ของสงทตองการวด โดยรวมอณหภมทเพมขนมาของตว sensor เขาไปดวย ผออกแบบวงจรควรระวงโดยออกแบบวงจรใหมกระแสไหลผานตว sensor นอยทสด ปรมาณก าลงความรอนทเกดขนนนซงท าใหอณหภมเปลยนไปเรยกวา Dissipation constant (D.C.) สวนมากจะมหนวยเปน Milliwatts ตามสมการ P = D.C. x Required accuracy; in ˚C ตวอยางเชน ถา thermistor ตวหนง มคา D.C. 2 mw/ ˚C และตองการวดอณหภมโดยม accuracy เทากบ 0.5 C เพราะฉะนน คา power dissipation สงสดทยอมใหเกดขนไดคอ 2mw/ ˚C x 0.5 ˚C = 1mw

Force and Pressure Transducers

Strain Gauges and Load Cells

Strain Gauge คอ Resistor ทคาความตานทานของมนเปลยนแปลงตามความยาวทยดออก โครงสรางอาจท าดวยลวดตวน าเลกๆ หรอเปนแผนบางๆ หรอ Semiconductor กได จากรปเปนการใชงานของ Strain gauge เพอการวดน าหนก

รปท 35

Lecture 7

33

แตเนองจากความตานทานของตว Strain gauge เองเปลยนแปลงไปตามอณหภมดวย ในการใชงานจงตด Strain gauge ไปสองตวในแนวตงฉากกน เพอใหเปนการชดเชยอณหภม โดยการใชวงจร Balance Bridge ในการแปลงคาความตานทานทเปลยนแปลงไป ใหออกมาเปนแรงดน คาแรงดนทไดจาก Strain gauge สวนมากจะให Full-Scale Differential output voltage ประมาณ 2-3 mV ตอแรงดนทปอนเขาไป เชนถาใชแรงดนทปอนเขาไปท วงจร Bridge เปน 10 Volt แรงดนทจะไดเมอ Full-Scale กจะเปน 20-30 mV ซงจะถกน าไปเขาวงจรขยายเพอน าไปใชงานตอไป การใชงานของ Strain Gauge Bridge จะมหลายรปแบบ เพอใชในการวดแรง หรอแรงดนในแบบตางๆ เชนถาตดตง Strain gauge เขากบโครงสรางท บดตวได ดงแสดงในรป จะได Load cell ส าหรบการวดน าหนก

รปท 36

หรอถาเปนการตดตง Strain Gauge Bridge นเขากบแผน Diaphragm ทอยในทอ แรงดนทไดจากวงจร Bridge นจะแปรตามแรงดน ทกระท ากบ Diaphragm น ถาดานหนงของ Diaphragm นเปนสญญากาศ คาแรงดนทอานไดกจะเปน Absolute Pressure แตถาเปนปลายเปดเขากบบรรยากาศ กจะไดเปน Relative Pressure กบความดน บรรยากาศ หรอถาปลายทงสองขางตอเขากบจดทมแรงดนตางกนนน กจะไดเปน Differential Pressure

4. Flow Sensors

การวดอตราการไหลสามารถท าไดหลายวธ ขนอยกบความเหมาะสมของ ชนดของๆ ไหล อตราการไหล และอณหภม ตวอยางของการวดอตราการไหลเชน โดยการน าใบพดไปตดตงในแนวของการไหล ดงรป

Lecture 7

34

รปท 37

ความเรวในการหมนของ ใบพดนกจะขนอยกบอตราการไหลนนเอง การวดความเรวของการหมนกจะท าไดโดยใช Optical encoder ตดตงเขากบแกนของใบพดน สญญาณทไดกจะน าไปเปน Input ใหกบ Microcomputer ตอไป ส าหรบอกวธการหนงของการวดอตราการไหลนน จะท าโดยใช Differential pressure sensor ดงรปเมอของไหลๆ ผานชองแคบ กจะเกนความแตกตางของแรงดนขน ซงความแตกตางน จะเปลยนไปตามอตราการไหล

Motion/Acceleration Sensors

รปท 39

รปท 38

Lecture 7

35

จากรป เนองจากการทตวน าสองตวถกกนดวยฉนวนจะมคณสมบตเปนตวเกบประจ (capacitor) เมอมแรงมากระท าบนคาน (beam) แกนกลางทตอกบคานจะเคลอนเขาใกล fixed plates ดานใดดานหนง ท าใหคาความจไฟฟา ( capacitance )ระหวางคานทเคลอนทไดกบ plate เปลยนแปลงไปเนองจากระยะระหวางคานกบ plates เปลยนไปโดยดานหนงจะมคาความจเพมขนสวนอกดานจะมคาลดลง ความตางศกย Output กจะเปลยนแปลงตามไปดวย จงท าใหเกดเปนความสมพนธระหวาง Output voltage กบแรงทมากระท า

Ultrasonic Sensor

คลนเสยงทน ามาท าเซนเซอรประเภทนจะอยใน ชวงความถ 20KHz - 1GHz ซงเรยกวา Ultrasonic ซงหของมนษยไมสามารถจะไดยน

รปท 40

Magnetic Sensors

เซนเซอรแบบเหนยวน า (Inductive Sensor) เปน เซนเซอรทท างานโดยอาศยหลกการเปลยนแปลงคาความเหนยวน าของขดลวด ซงการเปลยนแปลงดงกลาวจะมผลตอชนงานหรอวตถทเปนโลหะเทานน

เซนเซอรชนดเกบประจ (Capacitive Sensor)

เซนเซอรประเภทนมการเปลยนแปลงของความจ ซงเนองมาจากการเคลอนทของวตถชนดหนงเขามาใกลสนามไฟฟาของคาปาซเตอร เซนเซอรชนดนสามารถตรวจจบอปกรณทไมไดเปนโลหะได

Lecture 7

36

Hall Effect Sensors

จากปรากฏการณท เมอสนามแมเหลกถกวางตงฉากกบแผนทองค าบางๆ ทมกระแสไหลผานจะเกด Voltage ตก

ครอมแผนทองค า ท าใหสามารถใชเปน sensor ตรวจสอบสนามแมเหลกได

รปท 41

LVDT (Linear Variable Differential Transformers)

เมอกระแสไฟ ACไหลผานขดลวดขดหนง จะเกดการเหนยวน าใหเกด voltage ในขดลวดขางๆ (pickup coil) ทงสองขด ถาแกน (movable core เลอนจากเดมไปทางดานใดดานหนง pickup coil ดานนนกจะเกดการเหนยวน าไดมากกวา ท าใหเกด output voltage มากกวา จากปรากฏการณนจง ท าใหสามารถวดการเคลอนทได

Variable reluctance sensor (VRS)

รปท 42

Lecture 7

37

รปท 43

Other Sensors

นอกเหนอจากทกลาวมาแลวนน ยงม Sensor ส าหรบวดคณสมบตทางกายภาพ ตางๆอกมาก เชน ส าหรบการวดคา pH, การวดความหนา, การตรวจจบวามหรอไมมของวตถ ในทางปฏบตนนการวดปรมาณทางกายภาพ อาจวดทางตรงหรอทางออมกไดเชน ถาตองการวดระดบ หรอปรมาณของน าทอยในถง กอาจท าไดโดยการน าเอา Pressure sensor ไปตดทกนถงเพอวดคาของแรงกดของน า แลวน าคานไปค านวณเปนระดบน าอกตอหนง

4 - 20 mA Current Loops

ในการใชงานทางอตสาหกรรมทสวนของ Sensor อาจอยหางจากสวน A/D หรอ Microcomputer สญญาณจาก Sensor จะถกแปลงใหอยในรปแบบของกระแส แทนทจะเปนแรงดน เนองจากสญญาณทเปนกระแสจะไมมปญหาของการลดทอนของสญญาณจากความตานทานของสายทยาว หรอความตานทานภายในวงจร และยงมสญญาณรบกวนไดยากอกดวย สญญาณทใชเปนมาตรฐานในทางอตสาหกรรมคอ 4 - 20 mA Current Loops คากระแสท 4 mA เปนการแทนคาของสญญาณทเปน 0 และ 20 mA หมายถงคา Full scale และคาของกระแสทเปน 0 mA หมายถงการขาดของวงจร หรอสายสญญาณ เมอสญญาณนมาถงผ รบ จะถกเปลยนกบใหเปนคาแรงดนเหมอนเดมได โดยใช Resistors และวงจร Op-amp คาของแรงดนนจะน าไปเขาท A/D Converter เพอแปลงเปนขอมล Digital เพอเปน Input ใหกบ Microcomputer น าไปใชงานตอไป