Cảm biến thông minh

CHƯƠNG 7: CẢM BIẾN THÔNG

MINH

 1.1 Khái niệm:

 Cảm biến thông minh là thiết bị thông minh tích hợp cảm biến, cơ cấu chấp hành và mạch điện tử hoặc thiết bị tích hợp phần tử cảm biến và

bộ vi xử lý, có chức năng giám sát và xử lý

 Kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động hiện đại ngày nay có những tiến bộ vượt bậc nhờ việc sử dụng các vi mạch điện tử: Vi xử lý (μP)

và Vi điều khiển (μC)

 CẢM BIẾN THÔNG MINH = CẢM BIẾN + BỘ VI XỬ LÝ/ VI ĐIỀU KHIỂN

1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN THÔNG

MINH

ĐẶC ĐIỂM VÀ CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH

 Đặc điểm: xuất tín hiệu số, thuận tiện cho việc tính toán và xử lý Các chức năng của cảm biến thông minh bao gồm nhận biết tín hiệu, xử lý tín hiệu, xác minh và giải thích dữ liệu, truyền và chuyển đổi tín hiệu, v.v

 Các thành phần chính: bộ chuyển đổi A/ D và D/ A, bộ thu phát, bộ

vi điều khiển, bộ khuếch đại, v.v

CHỨC NĂNG VÀ CẤU TRÚC

 Chức năng:

 Chương trình hóa quá trình đo, thực hiện các phép tính.

 Giao tiếp 2 chiều

 Đưa ra quyết định

 Cấu trúc:

 Tích hợp dạng IC

 Kích thước nhỏ

 Cấu hình tiết kiệm không gian

 Làm việc ở dạng tín hiệu nhỏ

ƯU NHƯỢC ĐIỂM

 Ưu điểm:

 Tự kiểm tra, tự hiệu chỉnh và tự chẩn đoán

 Đo nhiều đại lượng cùng lúc

 Độ chính xác cao

 Độ tin cậy cao

 Hiệu quả về chi phí

 Đa dạng chức năng

 Chuẩn hóa tín hiệu

 Nhược điểm: Phức tạp

CẤU TẠO

 Cấu tạo của cảm biến thông minh bao gồm các thành phần cơ

bản sau:

• Hệ thống điều khiển kích thích - Excitation control

• Yếu tố cảm biến chính - Primary sensing element

• Bộ lọc tương đồng - Analogue filtering

• Khuếch đại - Amplification

• Hiệu chỉnh - Compensation

• Chuyển đổi dữ liệu - Data conversion

• Xử lý thông tin kỹ thuật số - Digital information processing

• Xử lý giao tiếp kỹ thuật số - Digital communication processing

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

 Thiết bị cảm biến thông minh sử dụng cảm biến của nó để thu thập dữ liệu từ các môi trường và biến đổi thành dữ liệu mà

bộ xử lý tích hợp có thể đọc được Tiếp đó, bộ xử lý sẽ đưa ra các phản hồi tương ứng.

 Những phản hồi đó thường sẽ được lập trình trước theo dạng

“if … then” thông qua hệ thống máy tính Tùy vào sự phức tạp của chức năng và nhu cầu tính năng gia tăng, một hệ thống

có thể dùng nhiều cảm biến thông minh với các khả năng khác nhau.

CHỨC NĂNG CỦA CẢM

BIẾN

 Các cảm biến thông minh có thể thực hiện được các chức năng mới mà các cảm biến thông thường không thể thực hiện được, đó là:

 – Chức năng thu thập số liệu đo từ nhiều đại lượng đo khác nhau với các khoảng đo khác nhau

 – Chức năng chương trình hoá quá trình đo, chương trình này có thể thay đổi bằng thiết bị lập trình

 – Có thể gia công sơ bộ kết quả đo theo các thuật toán đã định sẵn

và đưa ra kết quả ( trên máy tính hoặc máy in)

 – Có thể thay đổi toạ độ bằng cách đưa thêm vào các thừa số nhân thích hợp

 – Tiến hành tính toán đưa ra kết quả đo khi thực hiện các phép đo gián tiếp hay hợp bộ hoặc đo thống kê

CHỨC NĂNG CỦA CẢM BIẾN

 – Hiệu chỉnh sai số của phép đo

 – Bù các kết quả đo bị sai lệch do ảnh hưởng của sự biến động các thông số môi trường: nhiệt độ, độ ẩm

 – Mã hoá tín hiệu

 – Ghép nối các thiết bị ngoại vi như màn hình, máy in, bàn phím hoặc với các kênh liên lạc để truyền đi xa theo chu kỳ hay địa chỉ

 Có khả năng tự động khắc độ

 – Sử dụng μP có thể thực hiện các phép tính, điều khiển sự làm việc của các khâu khác như: chuyển đổi tương tự- số (A/D) hay các

bộ dồn kênh (MUX) có khả năng phát hiện những vị trí hỏng hóc trong thiết bị đo

• Cảm biến tiệm cận - Proximity: Đây là loại cảm biến thường được

đặt ở mặt trước của các smartphone nhằm phát hiện những vật thể đến gần cảm biến

• Cảm biến gia tốc - Accelerometer: Cảm biến chuyên dùng để cảm

nhận được biến đổi của các đại lượng vật lý Ứng dụng phổ biến nhất là trên smartphone, cảm biến giúp nhận diện các thay đổi về hướng/góc độ của máy dựa trên dữ liệu thu được và tự động thay đổi chế độ màn hình thành chiều ngang hoặc dọc - tương thích với góc nhìn của người dùng

• Cảm biến ánh sáng - Ambient light: Được gắn trong các thiết bị

điện thông minh nhằm thay đổi cường độ ánh sáng phù hợp khi có

sự thay đổi trong môi trường đã được thiết lập

• Cảm biến con quay hồi chuyển - Gyroscope: Đây được xem như

là một thiết bị có thể ứng dụng nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng nhằm đo đạc hoặc duy trì phương hướng

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CẢM BIẾN THÔNG MINH

Sơ đồ khối cảm biến thông minh một kênh

CẤU TRÚC CỦA MỘT CẢM BIẾN THÔNG

MINH

❖ CĐCH: Bộ chuyển đổi chuẩn hóa

❖MUX: Bộ dồn kênh

❖A/D: Bộ biến đổi tương tự số

❖μP: Bộ vi xử lý

❖S1, S2, Sn : Các cảm biến

Sơ đồ khối cảm biến thông minh nhiều kênh

CÁC KHÂU CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN

THÔNG MINH

 Chuyển đổi chuẩn hóa : Chuyển đổi chuẩn hóa làm nhiệm vụ biến

đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là áp từ

0 ÷ 5V hay 0 ÷ 10V hoặc dòng 0 ÷ 20 mA hay 4 ÷ 20 mA

 Bộ dồn kênh MUX: biến tín hiệu song song từ các cảm biến thành

nối tiếp để đưa vào A/D và vi xử lý

 Bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D): dùng để biến đổi các tín hiệu

liên tục (tương tự) thành tín hiệu rời rạc

Nguyên lý hoạt động: Các đại lượng đo x1, x2…xn được đưa

vào các bộ cảm biến để thực hiện biến đổi thành tín hiệu điện, sau

đó đưa ra các bộ chuẩn hóa để chuẩn hóa tín hiệu thành dòng điện hoặc điện áp

Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ chuyển các tín hiệu điện theo chương trình định trước đến ADC, biến đổi tín hiệu tượng tự sang tín hiệu số và đưa qua bộ vi xử lý Bộ vi xử lý điều khiển khối MUX

và ADC làm việc theo chương trình

NGUYÊN LÝ

Nguyên lý hoạt động: Các đại lượng đo x1, x2…xn được đưa vào các bộ cảm biến để thực hiện biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó đưa ra các bộ chuẩn hóa để chuẩn hóa tín hiệu thành dòng điện hoặc điện áp

Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ chuyển các tín hiệu điện theo chương trình định trước đến ADC, biến đổi tín hiệu tượng tự sang tín hiệu số và đưa qua bộ vi xử lý Bộ vi xử lý điều khiển khối MUX

và ADC làm việc theo chương trình

 Từ đối tượng đo, qua các cảm biến sơ cấp S, các đại lượng đo và các yếu tố ảnh hưởng chuyển thành tín hiệu điện và được đưa vào các bộ chuyển đổi chuẩn hoá (CĐCH)

 Các bộ CĐCH làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn, thường là điện

áp từ 0 - 5V, 0 - 10V hoặc dòng 0 - 20 mA …để đưa vào bộ dồn kênh MUX Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đưa các tín hiệu vào

bộ chuyển đổi tương tự- số (A/D) trước khi vào bộ vi xử lý μP

 Sự hoạt động của cảm biến là do μP đảm nhận, nó tổ chức sự tác động lẫn nhau giữa các khâu theo một thuật toán, chọn tần suất xuất hiện của tín hiệu, xác định giới hạn đo của từng kênh, tính toán sai số của phép đo Trong quá trình hoạt động xảy ra sự trao đổi lệnh giữa các khâu thông qua một ngôn ngữ chung (thường là ASSEMBLY)

Bộ chuyển đổi chuẩn hoá:

Bộ chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là áp một chiều

Chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là dòng một chiều