Báo cáo thực tập môn học thực tập công nghệ cảm biến y sinh bài 2 cảm biến nhiệt Độ bề mặt

Thiết kế của cảm biến chỉ cho phép được sử dụng cảm biến trong không khí và nước.. - Bộ Chuyển Đổi Analog Protoboard Adapter được thiết kế phù hợp để gắn vào Bảng Cấm Dây Breadboard/Prot

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

BÁO CÁO THỰC TẬP Môn học: THỰC TẬP CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN Y SINH

BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT GVHD: TS Nguyễn Thanh Nghĩa

Nguyễn Ngọc Anh Mỹ 231290 Nguyễn Ngọc Phương Uyên 23129062 Nguyễn Văn Ngọc Trình 23129055

LỜI CẢM ƠN

Nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy/cô đã luôn nhiệt tình chỉ dẫn và hỗ trợ trong suốt thời gian thực tập Bên cạnh đó, cảm ơn các bạn trong nhóm đã phối hợp và nỗ lực để cùng nhau hoàn thành buổi làm việc này

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT

1.1 Các loại linh kiện sử dụng

1.1.1 Cảm biến nhiệt độ

Hình 1.1.1 (A) là cảm biến nhiệt độ bề mặt (Vernier Surface Temperature

Sensor) và (B) là ảnh phóng to đầu cảm biến nhiệt độ loại nhiệt điện trở NTC.

- Cảm biến Nhiệt độ Bề mặt (Vernier Surface Temperature Sensor, STS-BTA) có một

nhiệt điện trở 20 kΩ (Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistor) tiếp xúc nên tốc độ

của cảm biến rất tốt Thiết kế của cảm biến chỉ cho phép được sử dụng cảm biến trong không khí

và nước Nhiệt điện trở NTC hoạt động ổn định hơn các loại cảm biến nhiệt độ khác với khả

năng xử lý dao động cơ học (mechanical vibration) và chống sốc nhiệt (thermal shock) tốt hơn.

Ngoài ra, độ chính xác của cảm biến khá cao, ít sai số, và nếu bị hư hỏng, có thể thay thế dễ dàng

vì giá thành của cảm biến khá thấp

- Nhiệt điện trở là một loại điện trở biến đổi (variable resistor) Khi nhiệt độ môi trường

(ambient temperature) tăng lên, trị số điện trở (electrical resistance) sẽ giảm theo phi tuyến (non-linearly) Phương pháp ước lượng mô hình thuật toán phù hợp nhất (best-fit approximation)

cho đặc tính phi tuyến (non-linear characteristic) này sử dụng phương trình Steinhart-Hart Ở

25oC, điện trở của cảm biến tương đương với 4.3% / 1.0°C Tín hiệu thu được dưới giá trị điện trở, R (Ω hoặc mΩ), tương đương với một giá trị nhiệt độ nhất định cần được tính toán bằng cách

sử dụng phương trình Steinhart-Hart sau đây:

𝑇 = [𝑘𝑎 + 𝑘𝑏(𝑙𝑛 (1000𝑅)) + 𝑘𝑐(𝑙𝑛 (1000𝑅))3]−1 − 273.15 (1)

Trong đó, T (oC) là nhiệt độ đo được quy đổi R (kΩ) là tín

ka là hằng số = 1.02119 x 10-3 , kb là hằng số = 2.22468 x 10-4 , kc là hằng

số = 1.33342 x 10-7

- Sản phẩm Vernier được thiết kế để sử dụng giáo dục Các sản phẩm của chúng tôi không được thiết kế cũng như không được khuyến nghị cho bất kỳ quy trình công nghiệp, y tế hoặc thương mại nào như hỗ trợ cuộc sống, chẩn đoán bệnh nhân, kiểm soát quy trình sản xuất hoặc thử nghiệm công nghiệp dưới bất kỳ hình thức nào

1.1.2 Bộ chuyển đổi BTA

Hình 1.1.2 (A) và (B): Bộ chuyển đổi tương tự với 6 pin: S1G2, GND, VRES, ID, 5V,

và S1G1 theo thứ tự từ phía trên xuống phía dưới, (C): giác cắm British Telecom Analog

Connector (BTA) với 6 pin

- Bộ Chuyển Đổi (Analog Protoboard Adapter) được thiết kế phù hợp để gắn vào Bảng Cấm Dây (Breadboard/Protoboard) hoặc bộ kit thí nghiệm NI ELVIS II, để kết nối dễ dàng với các cảm biến của hãng Vernier Cảm biến tương tự Vernier đều yêu cầu nguồn cấp 5V và với đa

số các trường hợp, đều cung cấp tín hiệu thô từ 0V tới 5V

- Giác cắm tương tự (British Telecom Analog (BTA) – Right Hand Connector) có pin 1

được đánh dấu như trong Hình 1.1.2 (C) và lần lượt các Pin 2, 3, 4, 5, 6 được chú thích như sau:

Vị trí Mặc định Chi tiết Pin 1 S1G2 Ngõ ra tín hiệu của cảm biến (±10V) Pin 2 GND Điểm nối đất (Ground)

Pin 3 VRes Điện trở tham chiếu Pin 4 ID Tự động nhận dạng cảm biến Pin 5 +5VDC Nguồn vào +5V DC

Pin 6 S1G1 Ngõ ra tín hiệu của cảm biến (0–5V)

- Giác cắm kỹ thuật số (British Telecom Digital (BTD) – Left Hand Connector) thì các

pin được chú thích như sau theo Hình 1.1.2 (C):

Vị trí Mặc định Chi tiết Pin 1 DIO0 Ngõ ra vào tín hiệu số Pin 2 DIO1 Ngõ ra vào tín hiệu số Pin 3 DIO2 Điện trở tham chiếu Pin 4 PWR (5.3V) Nguồn vào 5.3V DC Pin 5 GND Điểm nối đất

Pin 6 DIO3 Ngõ ra vào tín hiệu số

1.1.3 NI-USB-6001

HÌnh 1.1.3.1 NI-USB-6001 và dây cáp

Hình 1.1.3.2 Các chân của NI-USB-6001

Thiết bị National Instruments USB-6001 là một lựa chọn đáng tin cậy và tiết

kiệm chi phí cho các ứng dụng DAQ cơ bản, mang lại sự linh hoạt, độ chính xác và dễ sử dụng Đây là một lựa chọn tuyệt vời cho sinh viên, nhà nghiên cứu và kỹ sư cần các giải pháp đo lường mạnh mẽ trong một thiết bị nhỏ gọn.

1.2 Phần mềm sử dụng:

1.2.1 NI LabVIEW

Hình 1.2.1; phần mềm LabVIEW 1.2.2 NI-DAQmx Driver Software

1.2.3 NI Biosignal Acquisition Express VI Toolkit 1.2.4 Arduino IDE

Hình 1.2.2: phần mềm arduino ide

1.3 Thông số của từng loại linh kiện

1.3.1 Cảm biến nhiệt độ:

Nhiệt độ tối đa mà cảm biến có thể chịu được

Độ phân giải 13-bit

· 0.04 °C (–25 đến 0 °C)

· 0.02 °C (0 đến 40 °C)

· 0.05 °C (40 đến 100 °C)

· 0.13 °C (100 đến 125 °C)

· 0.08 °C (–25 đến 0 °C)

Độ phân giải 12-bit

· 0.08 °C (–25 đến 0 °C)

· 0.03 °C (0 đến 40 °C)

· 0.1 °C (40 đến 100 °C)

· 0.25 °C (100 đến 125 °C

Độ phân giải 10-bit

· 0.32 °C (–25 đến 0 °C)

· 0.12 °C (0 đến 40 °C)

· 0.4 °C (40 đến 100 °C)

· 1.0 °C (100 đến 125 °C)

Thời gian đáp ứng (thời gian để thay đổi 90%

giá trị đo):

· 50 giây (trong không khí tĩnh)

· 20 giây (trong không khí chuyển động) Kích thước đầu dò Chiều dài đầu dò (tay cầm + thân): 15.5 cm

1.3.2 NI-USB-6001:

Ngõ vào analog (Analog Input – AI) 8 kênh single-ended hoặc 4 kênh differential

Tốc độ lấy mẫu tối đa (aggregate) 20 kS/s

Ngõ ra analog (Analog Output – AO) 2 kênh

Tốc độ cập nhật tối đa 5 kS/s mỗi kênh

Ngõ vào/ra số (Digital I/O) 13 đường số

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

2.1 Thiết kế phần cứng.

Bước 1: Kết nối bộ kit thí nghiệm NI ELVIS II với máy tính thông qua dây cáp USB.

Bước 2: Nối cổng “GROUND” (thuộc dãy nguồn DC) với cực (–), đồng thời nối cổng

+5V (thuộc dãy nguồn DC) với cực (+)

Bước 3: Để kết nối cảm biến Vernier với bộ kit NI ELVIS II, cần sử dụng bộ chuyển đổi

chuẩn BTA

Bước 4: Sau khi hoàn tất việc kết nối cảm biến Vernier với kit, mở Toolkit “Biosignal

Acquisition Express VI” trong LabVIEW và lựa chọn kênh AI 0 để thu nhận tín hiệu từ cảm biến Vernier

Bảng 2.1 Kết nối tương ứng giữa bộ chuyển đổi BTA và kít NI USB 6001

Bộ chuyển đổi tương tự BTA Kít thu dữ liệu NI USB 6001

Hình 2.2 Mặt hai bên của Kit NI 6001

Kết quả sau khi kết nối:

Hình 2.3 Kết nối cảm biến Vernier Surface Temperature Sensor với kit thu dữ liệu và

máy tính.

2.2 Lập trình trên Labview.

Sơ đồ mạch kết nối:

Hình 2.5 Sơ đồ mạch kết nối trên Labview

Chức năng từng khối

Hình 2.6 Khối DAQ

Khối DAQ để tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, ngõ ra là điện áp Vmea

Hình 2.7 Khối Formula

Khối Formula để tính toán giá trị của R với : R = (20*Vmea)/(5-Vmea)

Hình 2.8 Khối Formula 2

Khối Formula 2 để tính toán giá trị nhiệt độ ở than đo độ C và độ K

Với : Temp-K = (K0+K1*ln(1000*R)+K2*(ln(1000*R))**3)**(-1)

Temp-C = Temp-K - 273.15

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ SO SÁNH.

3.1 Thực nghiệm với nước sôi.

Để có kết quả đo nhiệt độ từ cảm biến Vernier Surface Temperature Sensor và kit thu dữ liệu, trước tiên, nhóm tiến hành thí nghiệm đo và đọc nhiệt độ thực tế từ nước sôi với các

dụng cụ thí nghiệm: nước nóng, nhiệt kế và ly thủy tinh.

Hình 3.1.1 Kết quả đo nhiệt độ nước nóng bằng nhiệt kế

Sau đó, nhóm thực hiện quá trình đo và lấy dữ liệu với cảm biến Kết quả thu được trên nhiệt kế rơi vào khoảng 62℃ và khá gần với kết quả mà cảm biến đã thu được là 60.4℃ Hình 3.1.2 chính là kết quả mà cảm biến đã đo được

Hình 3.1.2 Kết quả đo nhiệt độ nước nóng thu được trên Labview

Nhận xét chung: Kết quả thí nghiệm trên đã cho thấy việc sử dụng cảm biến Vernier Surface Teperature Senser để đo nhiệt độ nước nóng đã có sự chênh lệch với phương pháp

sử dụng nhiệt kế thông thường Cụ thể, cảm biến đã thu được kết quả thấp hơn so với nhiệt kế khoảng 1.6℃ Sai số này có thể đến từ nguyên nhân bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ phòng trong phòng thí nghiệm, từ ly thủy tinh không thể giữ cho nước nóng lâu hoặc do có sai sót nhỏ trong quá trình thực hiện thí nghiệm

3.2 Thực nghiệm nước đá.

Tương tự với thí nghiệm đo nhiệt độ nước nóng, ở đây, nhóm tiếp tục chuẩn bị các vật dụng như nhiệt kế, ly thủy tinh và nước đá đẻ tiến hành đo nhiệt độ

Hình 3.2.1 Kết quả đo nhiệt độ nước đá bằng nhiệt kế

Thực hiện quá trình đo nhiệt độ của nước đá bằng nhiệt kế ta thấy nhiệt kế hiển thị nhiệt

độ khoảng âm 10℃ Sau đó ta tiến hành cho cảm biến vào và thu được kết quả trên Labview như hình 3.2.2

Kết quả đo nhiệt độ nước đá thu được trên Labview

Nhận xét chung: Từ kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả của việc đo nước lạnh của cảm biến Vernier Surface Temperature Sensor và phương pháp đo bằng nhiệt kế thông thường chênh lệch khá nhiều Cụ thể khi đo bằng cảm biến, nhiệt độ nước đá thu đươc trên

Labview rơi vào khoảng âm 2℃ còn trên nhiệt kế rơi vào khoảng âm 10℃., chênh lệch khoảng 8℃ Sai số này khá lớn, có thể nguyên nhân đến từ các yếu tố như: nhiệt độ phòng thí nghiệm, chuẩn bị dụng cụ chưa phù hợp hoặc do các sai sót trong quá trình đo nhiệt độ

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Trong quá trình thực tập, nhóm đã từng bước hoàn thành các nhiệm vụ trọng tâm của buổi làm việc, bao gồm việc xây dựng mô hình, thiết kế quy trình thí nghiệm, thiết lập hệ thống cảm biến, đồng thời tiến hành thu thập và tiền xử lý tín hiệu Những kết quả đạt được cho thấy nhóm

đã có sự tiếp cận cơ bản đối với phương pháp triển khai hệ thống đo lường và mô phỏng dữ liệu

Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện, nhóm vẫn gặp phải một số hạn chế nhất định Đáng chú ý, tín hiệu thu nhận được vẫn chứa nhiều nhiễu do chưa tối ưu hóa các kỹ thuật xử lý trong LabVIEW; việc thiết kế và mô phỏng mạch PCB vẫn chưa hoàn thiện; dữ liệu xuất ra trên file Excel chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu tổng hợp để xây dựng các đồ thị minh họa chính xác Những yếu tố này dẫn đến việc kết quả cuối cùng chưa phản ánh đúng như kỳ vọng ban đầu

Tổng kết lại, buổi thực tập đã mang lại cho nhóm cơ hội tiếp cận và trải nghiệm quy trình thực hành thực tế từ khâu thiết lập hệ thống đến xử lý dữ liệu Mặc dù chưa đạt được kết quả tối

ưu, những trải nghiệm này đã tạo nền tảng quan trọng để nhóm rút ra bài học, nâng cao kỹ năng sử dụng phần mềm và cải thiện phương pháp nghiên cứu trong các buổi thực tập tương lai

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Lab8_ADC_and_sampling1610b.pdf

https://bmisurplus.com/product/national-instruments-usb-6001-multifunction-data-acquisition-daq-device/?

srsltid=AfmBOookEQ_BK64fdsZZHftr13uC2vo2Uy_74vcXsGRS4NMWFr 5VPvdi

3

https://docs-be.ni.com/bundle/usb-6001-specs/raw/resource/enus/374369a.p df?utm_source=chatgpt.com

3 1 Bài 2 - Cảm Biến Nhiệt Độ - TL TT.pdf.

4 Vernier - Surface Temp Sensor (STS-BTA) - Specifications.pdf.