Đang tải... (xem toàn văn)
Cảm biến và thiết bị đo thông minh đo áp suất bằng áp kế điện trở
Cảm biến thiết bị đo thông minh ĐO ÁP SUẤT BẰNG ÁP KẾ ĐIỆN TRỞ I Lý thuyết Áp suất Khái niệm: chất lỏng hay khí chứa bình chứa, chuyển động nhiệt hỗn loạn, phân tử vật chất tác dụng lên thành bình lực Nếu ta xét lực đơn vị diện tích ta có khái niệm áp suất Như áp suất định nghĩa lực tác dụng vuông góc lên đơn vị diện tích xác định theo công thức sau: P= F S Trong đó: F lực tác dụng, có đơn vị Newton (N); S diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị m2 Trong hệ SI áp suất có đơn vị N/m2 Đơn vị dẫn xuất áp suất pascal (Pa), 1pascal tương đương với áp suất đồng dạng lực Newton tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng1 m (1Pa=1N/1m2 ) Áp suất 1Pa tương đối nhỏ, công nghiệp người ta thường dùng đơn vị áp suất bar (1 bar = 105 Pa) Một đơn vị hay dùng y tế mmHg hay torr Để đo áp suất ta sử dụng loại áp kế sau : • Áp kế thủy tĩnh • Áp kế học • Áp kế pittong • Áp kế điện Trong phạm vi đề tài nhóm sâu nghiên cứu loại áp kế điện Áp kế điện trở lực căng o Nguyên lý làm việc: hoạt động dựa hiệu ứng Tenzo (piezoresistive/ strain gauge) o Hiệu ứng Tenzo dây dẫn bị biến dạng học điện trở thay đổi o Sự biến đổi theo hiệu ứng Tenzo gọi biến đổi điện trở lực căng Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh Hình 1: Cảm biến biến dạng (strain gauge) Cảm biến áp suất điện trở: Cấu tạo : Cảm biến áp suất kiểu điện trở có cấu tạo gồm strain gauge dán cố định màng mỏng (phân cách phần áp suất cao phần áp suất thấp) biến dạng hình hình Khi áp suất chất lưu tác động lên cảm biến phần áp suất cao, màng phân cách bị biến dạng làm cho Strain gauge bị biến dạng theo Khi strain gauge bị biến dạng, điện trở thay đổi Strain gauge kết hợp với điện trở khác để tạo thành cầu Wheatstone hình 3, từ ta có tín hiệu điện áp vi sai ngõ tỷ lệ với áp suất Hình 2: Cấu tạo số dạng cảm biến áp suất kiểu điện trở Hình 3: Sơ đồ nguyên lý cảm biến Phân loại: Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh - Cảm biến áp suất tuyệt đối (Absolute) - Cảm biến áp suất tương đối - Cảm biến vi sai (a) Hình4: (a)Cảm biến áp suất tuyệt đối (c)Cảm biến áp suất vi sai (b) (c) (b)Cảm biến áp suất tương đối Nói chung, ba loại cảm biến hoạt động theo nguyên lý so sánh áp suất cần đo với áp suất khác, thường biết trước, áp suất chuẩn Với cảm biến áp suất tuyệt đối, áp suất cần đo so sánh với áp suất chân không, cảm biến áp suất tương đối áp suất cần đo so sánh với áp suất khí Nguyên lý hoạt động : Hình : sơ đồ hoạt động mạch cảm biến Khi áp suất đặt lên màng, cầu điện trở trạng thái cân bằng, điện lối lúc Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng bị biến dạng, áp lực Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh phân bố màng bị thay đổi Do hiệu ứng áp điện trở, giá trị điện trở mạch cầu bị thay đổi, cụ thể điện trở song song với cạnh màng có giá trị giảm điện trở vuông góc với cạnh màng tăng giá trị ngược lại Kết cầu bị cân điện áp lối khác Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên độ lớn tín hiệu lối phụ thuộc vào áp suất Bằng cách đo điện lối ta đo độ lớn tương ứng áp suất tác dụng lên màng Ưu điểm lớn cảm biến áp suất vi điện tử độ nhạy Cụ thể dải điện áp thấp, độ nhạy cảm biến thay đổi khoảng từ 0,1 đến 3mV/mbar phụ thuộc dạng hình học màng cường độ dòng điện, dải áp suất từ khoảng vài trăm mbar đến hàng trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0,2 đến 12,5mV/bar Một ưu điểm kích thước cảm biến chế tạo theo công nghệ MEMS nên kích thước nhỏ, thuận tiện sử dụng thiết bị Cảm biến áp suất áp trở hoạt động dựa thay đổi giá trị áp trở gắn màng cảm biến có áp suất tác động Từ thay đổi giá trị của áp trở ta nhận thay đổi điện áp ngõ Để đưa vào ADC để đọc giá trị áp suất ta cần khuếch đại tín hiệu sang tín hiệu điện áp khuếch đại Ứng dụng cảm biến áp suất: Cảm biến áp suất loại cảm biến thường dùng công nghiệp Trong y tế cảm biến áp suất thường sử dụng để đo áp suất máu động mạch tĩnh mạch Vi cảm biến áp suất dùng để đo áp suất chất lưu như: đo áp suất chất lỏng đường ống, đo áp suất khí đường ống dẫn khí, đo áp suất nồi hơi… Ngoài dùng để đo cao trình cột chất lỏng thông qua áp suất thuỷ tĩnh II Thiết kế mạch : Sơ đồ khối : Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh Một mạch cảm biến hoàn chỉnh phục vụ công nghiệp có sơ đồ khối sau: Áp Suất Cảm biến áp suất Khuếch đại ADC Hiển thị chỗ Module truyền thông Giới thiệu cảm biến áp suất MP3H6115A: MP3H6115A cảm biến tích hợp chip Bên vi cảm biến có mạch khuyếch đại lưỡng cực mạng màng điện trở mỏng Mạch khuyếch đại lưỡng cực nhằm mục đích cho tín hiệu đầu mức cao để phù hợp cho việc điều khiển kết nối với thiết bị Màng điện trở mỏng nhằm mục đích bù nhiệt Nó cung cấp lượng điện áp xác tuyến tính tỷ lệ với áp lực tác dụng Vi cảm biến lại loại vi cảm biến kiểu áp trở nên có cấu tạo giống trình bày phần Hình sơ đồ cắt ngang vi cảm biến MP3H6115A Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh Hình 6: Vi cảm biến áp suất MP3H6115A Hình 7: Sơ đồ cắt ngang MP3H6115A Phân bố chân vi cảm biến : Các chân 1,5,6,7 chân kết nối bên thiết bị không kết nối hay thiết bị xung quanh Vi cảm biến có chân nguồn V OUT, chân nối đất chân nguồn nuôi VS có giá trị 3V Đặc tuyến MP3H6115A Với điện áp nguồn cung cấp VDC nhiệt độ môi trường khoảng 25ºC vi cảm biến áp suất có số đặc tính sau Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh Mối quan hệ điện áp đầu áp suất MP3H6115A Với điện áp nguồn cung cấp cho vi cảm biến 3V DC nhiệt độ môi trường khoảng từ 0-85ºC điện áp đầu vi cảm biến từ 0-2.75V DC giá trị điện áp đầu phụ thuộc vào điện áp đầu vào mà phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường ảnh hưởng nhiễu Hình – Mối quan hệ điện áp áp suất MP3H6115A Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh Mạch khuếch đại tín hiệu: Do vi cảm biến có đầu nên ta sử dụng mạch khuếch đại không đảo sau Hình : Mạch khuếch đại Tính chọn linh kiện cho khối khuếch đại : Điện áp đầu vi cảm biến có giá trị từ – 2.82 V DC nên để đưa vào ADC vi điều khiển PIC ta cần khuyếch đại 5/2.82 = 1.773 lần Ta có hệ số khuyếch đại mạch là: Do giá trị điện áp đầu mong muốn từ – V DC nên ta chọn R1 điện trở R2 biến trở với giá trị sau R1 = 4.7 kΩ R2 biến trở kΩ Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh Chọn khuếch đại thuật toán loại LM 358, có sơ đồ chân sau: LM358 khuyếch đại thuật toán có đặc tính khuếch đại tốt, có hệ số khuyếch đại cao khoảng 100dB, có khả hoạt động với nguồn nuôi hoạc hai nuôi có dãi điện áp rộng Với nguồn đơn dải điện áp khoảng từ – 32V với nguồn đôi khoảng ± 1.5 - ± 16 V Module ADC, hiển thị chỗ truyền thông: Chúng gộp chung module lại làm module thực vi điều khiển PIC Để thực hiên module nhóm chọn VĐK Pic VC C 16F877A làm vi điều khiển D 25 4148 R 32 10k SW PVN _1 R R R R R R A A A A A A 5 R C R C R C C 14 1 1 2 2 TX R X 33p 13 G N D Y C 15 M C L R * /V P P R R R R R R A A A A A A /A N /A N /A N /V R E F -/C V R E F /A N /V R E F + /T C K I/C O U T /A N /S S * /C O U T R R R R R R R R C C C C C C C C /T O S O /T C K I /T O S I/C C P /C C P /S C K /S C L /S D I/S D A /S D O /T X /C K /R X /D T 12 31 G N D 33p Đo áp suất áp kế điện trở R R R R R R R R D D D D D D D D /P /P /P /P /P /P /P /P S S S S S S S S P P P P P P P P O S C /C L K IN R E /R D * /A N R E /W R */A N R E /C S * /A N 20M 14 R B /IN T R B1 R B2 R B /P G M R B4 R B5 R B /P G C R B /P G D 3 3 3 4 R R R R R R R R B B B B B B B B 2 2 2 9 R R R R R R R R D D D D D D D D R E0 R E1 R E2 10 O S C /C L K O U T VSS VSS VD D VD D P IC F 7 A 11 32 VC C G N D V D K P I C f8 7 A Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh ADC : để biến đổi tín hiệu từ tương tự sang số ta dùng ADC có vi điều khiển PIC Đầu vào ADC nằm chân A0, A1, A2, A3, A5, E0, E1, E2 Pic 16F877A, ta chọn chân để nối với đầu khâu khuếch đại Khâu hiển thị : nhóm sử dụng LED đoạn để hiển thị kết đo Các tín hiệu đầu vào lấy từ port D chân C0, C1, C2, C3 port C pic 16F87A VC C VC C V C C VC C D D D D D D D D S W D IP -8 S W 48 R R R R R R R R 8 9 9 9 Q 622 VC C U 610 VC C R 83 A 1015 R 1 3 Q 621 R H G F E D C B A H G F E D C B A V C C U 611 VC C R 84 A1015 U 609 VC C U 608 VC C V C C Q 623 H G F E D C B A R R 86 A 1015 VC C Q 624 H G F E D C B A R S W D IP -4 /S M R 87 A1015 2 SW 49 C C C C Các điện trở sử dụng mạch điện trở hạn chế dòng qua led nên ta chọn giá trị chúng 330 Ω Khâu truyền thông : Kết phép đo truyền lên cấp cao nhằm để thu thập liệu thực phép điều khiển công nghiệp Để thực điều nhóm sử dụng module truyền thông có sẵn PIC theo chuẩn RS232 Hiển thị lên máy tính: Lập trình giao diện Visual Basic Sử dụng cổng COM để giao tiếp bo mạch với máy tính Trên giao diện Visual Basic, ta vẽ đồ thị áp suất Hiển thị số liệu lên máy tính từ Đo áp suất áp kế điện trở Trang : 10 Cảm biến thiết bị đo thông minh thu thập số liệu lưu trữ nhằm mục đích sử dụng sau Đồng thời gửi lệnh điều khiển xuống vi điêu khiển VC C C 14 P1 u /5 V C 17 C u /5 V VC C 10 16 VC C T1O U T R IN u /5 V C 2C 2+ V- C 1- V+ C 1+ C 15 u /5 V C 16 u /5 V T2O U T R 2O U T T IN R IN MAX232 T IN R 1O U T G N D C O N N E C TO R D B9 14 13 U3 11 12 TXD R XD C C 15 Các giá trị linh kiện mạch giao tiếp chọn theo datasheet IC MAX232 có giá trị hình Chương trình nạp vào Pic 16F877A ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // CHUONG TRINH DOC CAM BIEM AP SUAT // // // ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// #include #DEVICE ADC=10 #include #fuses HS,NOLVP,NOWDT,NOPROTECT #use delay(clock=20000000) #use delay(clock=20000000) #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8) #define LED0 PIN_B0 #define LED1 PIN_B1 #define LED2 PIN_B2 Đo áp suất áp kế điện trở Trang : 11 Cảm biến thiết bị đo thông minh #define LED3 PIN_B3 byte const MALED[10] = {0xC0,0xCF,0x64,0x46,0x4B,0x52,0x50,0xC7,0x40,0x42}; //MA LED int8 time=0; float apsuat; int1 TFlag=1; long adc; #int_TIMER1 void TIMER1_isr(void) { disable_interrupts(global); time++; if(time==5) { time=0; set_timer1(3035); delay_ms(1); TFlag=1; } else set_timer1(3035); enable_interrupts(GLOBAL); } void hienthi(float32 so) { float32 tam; int nghin,tram,chuc,donvi,point; int16 tem; point=0; if (so>=100) { tam=ceil(so*10); Đo áp suất áp kế điện trở Trang : 12 Cảm biến thiết bị đo thông minh point=1; } else if(so>10) { tam=ceil(so*100); point=2; } else { tam=ceil(so*1000); point=3; } tem=(int16)tam; nghin=tem/1000; tem=tem%1000; tram=tem/100; tem=tem%100; chuc=tem/10; donvi=tem%10; output_low(LED0); output_D(MALED[donvi]); delay_ms(5); output_high(LED0); output_low(LED1); output_D(MALED[chuc]); if(point==1) output_low(PIN_D6); delay_ms(5); output_high(LED1); output_low(LED2); output_D(MALED[tram]); if(point==2) Đo áp suất áp kế điện trở Trang : 13 Cảm biến thiết bị đo thông minh output_low(PIN_D6); delay_ms(5); output_high(LED2); output_low(LED3); output_D(MALED[nghin]); if(point==3) output_low(PIN_D6); delay_ms(5); output_high(LED3); } void main() { setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); setup_adc_ports(ALL_ANALOG); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_1); setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8); setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1); enable_interrupts(INT_TIMER1); enable_interrupts(GLOBAL); set_tris_D(0x00); set_tris_B(0x00); output_D(0xFF); output_B(0xFF); set_timer1(3035); int i; long value=0; while(1) { //SU DUNG TIME DE DOC ADC SAU MOI 1/2S if (TFlag==1) Đo áp suất áp kế điện trở Trang : 14 Cảm biến thiết bị đo thông minh { apsuat=0; value=0; delay_ms(1); //DOC ADC KET HOP VOI LOC NHIEU TAN SO CAO set_adc_channel(0); for(i=0;i>8); putc(adc); enable_interrupts(global); TFlag=0; } else hienthi(apsuat); } } III Kết đánh giá Kết quả: Việc thực đề tài thu kết tốt, thiết kế bo mạch Thực đo thử nghiệm cho kết xác kết nối với máy tính thực truyền nhận liệu • Giao diện giao tiếp với máy tính: Đo áp suất áp kế điện trở Trang : 15 Cảm biến thiết bị đo thông minh Đánh giá: Việc thực đề tài cho kết tốt, giao diện dễ sử dụng chương trình dễ hiểu Tuy nhiên phạm vi thực đề tài cho phép môn học số điều kiện thực tế không cho phép tiếp tục thực đề tài với mục đích lớn nên bo mạch cho phép làm việc với môi trường có áp suất từ 15 – 115 kPa tương đương với áp suất không khí (gần 100 kPa) Đo áp suất áp kế điện trở Trang : 16 [...]... hienthi(apsuat); } } III Kết quả và đánh giá 1 Kết quả: Việc thực hiện đề tài đã thu được kết quả tốt, chúng tôi đã thiết kế được bo mạch Thực hiện đo thử nghiệm cho kết quả chính xác có thể kết nối với máy tính thực hiện truyền và nhận dữ liệu • Giao diện giao tiếp với máy tính: Đo áp suất bằng áp kế điện trở Trang : 15 Cảm biến và thiết bị đo thông minh 2 Đánh giá: Việc thực hiện đề tài đã cho kết quả tốt, giao... set_timer1(3035); enable_interrupts(GLOBAL); } void hienthi(float32 so) { float32 tam; int nghin,tram,chuc,donvi,point; int16 tem; point=0; if (so>=100) { tam=ceil(so*10); Đo áp suất bằng áp kế điện trở Trang : 12 Cảm biến và thiết bị đo thông minh point=1; } else if(so>10) { tam=ceil(so*100); point=2; } else { tam=ceil(so*1000); point=3; } tem=(int16)tam; nghin=tem/1000; tem=tem%1000; tram=tem/100; tem=tem%100;... output_high(LED0); output_low(LED1); output_D(MALED[chuc]); if(point==1) output_low(PIN_D6); delay_ms(5); output_high(LED1); output_low(LED2); output_D(MALED[tram]); if(point==2) Đo áp suất bằng áp kế điện trở Trang : 13 Cảm biến và thiết bị đo thông minh output_low(PIN_D6); delay_ms(5); output_high(LED2); output_low(LED3); output_D(MALED[nghin]); if(point==3) output_low(PIN_D6); delay_ms(5); output_high(LED3); }... set_tris_D(0x00); set_tris_B(0x00); output_D(0xFF); output_B(0xFF); set_timer1(3035); int i; long value=0; while(1) { //SU DUNG TIME DE DOC ADC SAU MOI 1/2S if (TFlag==1) Đo áp suất bằng áp kế điện trở Trang : 14 Cảm biến và thiết bị đo thông minh { apsuat=0; value=0; delay_ms(1); //DOC ADC KET HOP VOI LOC NHIEU TAN SO CAO set_adc_channel(0); for(i=0;i ... biến áp suất kiểu điện trở Hình 3: Sơ đồ nguyên lý cảm biến Phân loại: Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh - Cảm biến áp suất tuyệt đối (Absolute) - Cảm biến áp suất. .. vi cảm biến áp suất có số đặc tính sau Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo thông minh Mối quan hệ điện áp đầu áp suất MP3H6115A Với điện áp nguồn cung cấp cho vi cảm biến. .. mạch cảm biến Khi áp suất đặt lên màng, cầu điện trở trạng thái cân bằng, điện lối lúc Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng bị biến dạng, áp lực Đo áp suất áp kế điện trở Trang : Cảm biến thiết bị đo