Thiết kế hệ thống đo thông số môi trường có tích hợp bản đồ số

Chính vì thế trong luận văn này ñã ñề xuất việc thiết kế chế tạo một thiết bị ño một số thông số của môi trường với kích thước nhỏ gọn có thể cầm tay và có tích hợp GPS dùng ñể ño, kiểm

ðAN HỒNG THUỶ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

CÓ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn

Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội – 2012

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa học nào trước ñó

Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

ðan Hồng Thủy

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp

Hà Nội Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ với ñề tài: “Thiết kế hệ thống ño

thông số môi trường có tích hợp bản ñồ số”

Tôi xin chân thành cám ơn PGS TSKH Trần Hoài Linh – Trường ðại

học Bách khoa Hà Nội ñã tận tình hướng dẫn và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa Cơ ñiện, Viện ñào tạo sau ðại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý kiến quý báu ñể luận văn của tôi ñược hoàn chỉnh hơn

Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban Giám hiệu và lãnh ñạo Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Tây Bắc nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu

Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè, ñồng nghiệp và gia ñình ñã ñộng viên, khích lệ ñể tôi hoàn thành luận văn này

Hoà Bình , ngày tháng 8 năm 2012

Tác giả

ðan Hồng Thủy

MỤC LỤC

MỞ ðẦU 1

1 ðặt vấn ñề 1

2 Nội dung nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Phạm vi ứng dụng 3

5 Giới thiệu về các chương mục của luận văn 3

CHƯƠNG I: CÁC GIẢI PHÁP ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG 5

1.1 Bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường 5

1.2 Cảm biến ño nhiệt ñộ nói chung và lựa chọn của ñề tài 5

1.2.1 Nguyên lý ño nhiệt ñộ 5

1.2.2 Nguyên lý chung 6

1.2.3 Cảm biến nhiệt ñộ PT100 (RTD) 7

1.2.4 Cảm biến nhiệt ñộ họ LM34 và LM35 (bán dẫn) 8

1.3 Cảm biến ño ñộ ẩm nói chung và lựa chọn ñề tài 9

1.3.1 Khái niệm chung 9

1.3.2 Ẩm kế ngưng tụ 12

1.3.3 Ẩm kế hấp thụ 14

1.3.4 Ẩm kế biến thiên trở kháng 16

1.4 Lựa chọn cảm biến ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm 20

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ GPS VÀ KHẢ NĂNG TÍCH HỢP BẢN ðỐ SỐ TRONG THIẾT BỊ ðO 22

2.1 Công nghệ GPS 22

2.1.1 Tổng quan về GPS 22

2.1.2 GPS là gì? 24

2.1.3 Các thành phần GPS 25

2.1.4 GPS có thể ño những gì? 29

2.1.5 Các kiểu ñịnh vị GPS 32

2.2 Lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño 36

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG CÓ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ 38

3.1 Sơ ñồ khối và chức năng các khối 38

3.1.1 Sơ ñồ khối chính 38

3.1.2 Chức năng các khối chính 38

3.2 Lựa chọn và thiết kế vi xử lý 39

3.3 Lựa chọn thiết kế khối LCD 40

3.4 Lựa chọn thiết kế khối phím 41

3.5 Lựa chọn và thiết kế khối mạch truyền thông USB 42

3.6 Lựa chọn và thiết khối nguồn 48

3.7 Lựa chọn thiết kế phần cứng module GPS 50

3.8 Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý 52

3.8.1 Vai trò của firmware trong hoạt ñộng chung của thiết bị 52

3.8.2 Lựa chọn công cụ ñể lập trình firmware 52

3.8.3 Nguyên lý và lưu ñồ thuật toán thực hiện chức năng chính của thiết bị 52

3.8.4 Module USB 57

3.9 Thiết kế khối cảm biến ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm 57

3.10 Thiết kế tổng thể mạch thiết bị 58

3.10.1 Mạch nguyên lý: 58

3.10.2 Mạch gồm các khối: 59

Chương IV: CÁC KẾT QUẢ TRIỂN KHAI 60

4.1 Mạch phần cứng 60

4.1.1 Mạch in 60

4.1.2 Mạch thực tế cho vào vỏ 62

4.2 Phần mềm vi xử lý - Tóm tắt kết quả lập trình Firmware cho vi

ñiều khiển 63

4.2.1 Giao tiếp với màn hình 16x2 63

4.2.2 Giao tiếp với cảm biến nhiệt ñộ - ñộ ẩm SHT10 64

4.2.3 Giao tiếp với module GPS 64

4.2.4 Lưu ñồ thuật toán hàm main 65

4.3 Các kết quả thử nghiệm 66

4.3.1 Công cụ Goole Earth 66

4.3.2 Ứng dụng cập nhật dữ liệu bản ñồ môi trường trực tuyến 67

4.3.3 Thiết kế phần vỏ của thiết bị 70

4.3.4 Thiết bị hoàn thiện 72

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 73

1 Kết luận 73

2 ðề nghị 73

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của họ LM34 8

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của họ LM35 9

Bảng 1.3:Các áp suất hơi bão hòa 15

Bảng 2.1: ðộ chính xác ñịnh vị GPS 35

Bảng 3.1 Danh sách tập lệnh của cảm biến SHT10 55

Bảng 3.2 Công thức qui ñổi ra ñộ ẩm và các hệ số ứng với các chế ñộ 8 hoặc 12 bít 56

Bảng 3.3 Công thức qui ñổi nhiệt ñộ và các hệ số qui ñổi ứng với các chế ñộ 14 hoặc 8 bít 56

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nguyên lý kết cấu ẩm kế ngưng tụ 12

Hình 1.2: ðầu ño ẩm kế ngưng tụ 13

Hình 1.3: Nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế hấp thụ 14

Hình 1.4: Các ñường cong áp suất hơi theo nhiệt ñộ của một số dung dịch muối bão hòa 15 Hình 1.5: Ẩm kế tụ ñiện polymer 17

Hình 1.6: Ẩm kế tụ ñiện oxyt Al 2 O 3 18

Hình 1.7: Nguyên lý cấu tạo của ẩm kế ñiện phân 19

Hình 1.8: Cảm biến nhiệt ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm SHT10 21

Hình 2.1: Hình ảnh trái ñất nhìn từ vệ tinh 22

Hình 2.2: Vệ tinh GPS bay xung quanh trái ñất 23

Hình 2.3: Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS 25

Hình 2.4: Vệ tinh GPS 26

Hình 2.5: Cấu trúc tín hiệu GPS 27

Hình 2.6: Các trạm ñiều khiển GPS 28

Hình 2.7: Máy thu GPS Topcon GB-1000 trong kỹ thuật ño ñịa hình 29

Hình 2.8: Kỹ thuật so trùng ñể giải mã tín hiệu từ vệ tinh 30

Hình 2.9: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu 31

Hình 2.10: Một số nguồn sai số ảnh hưởng ñến ñộ chính xác GPS 31

Hình 2.11: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối 32

Hình 2.12: Tọa ñộ vệ tinh 32

Hình 2.13: Toạ ñộ của máy thu 33

Hình 2.14: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối 34

Hình 2.15: ðịnh vị ñộng 35

Hình 2.16: Module GPS GR-89 của hãng Holux 36

Hình 3.1: Sơ ñồ khối 38

Hình 3.2: Vi ñiều khiển PIC18F4550 39

Hình 3.3: LCD loại 16x2 character 40

Hình 3.4: Sơ ñồ khối LCD 41

Hình 3.5: Sơ ñồ khối Keypad 42

Hình 3.6: Sơ ñồ chân cắm USB 42

Hình 3.7: Sơ ựồ nguyên lý khối nguồn 48

Hình 3.8: Hình ảnh pin 9V 48

Hình 3.9: Sơ ựồ chân của IC 7805 49

Hình 3.10: Sơ ựồ chân của IC AP1117 49

Hình 3.11: Sơ ựồ mạch GPS 50

Hình 3.12: Inactive GPS antenna 51

Hình 3.13: Active GPS antenna 51

Hình 3.14: Lưu ựồ thuật toán nhận và bóc tách dữ liệu nhận về từ GPS 54

Hình 3.15: Sơ ựồ kết nối khối cảm biến nhiệt ựộ, ựộ ẩm 57

Hình 3.16: Sơ ựồ nguyên lý tổng thể mạch thiết bị 58

Hình 4.1: Mạch in phắa trên 60

Hình 4.2: Mạch in phắa dưới 60

Hình 4.3: Mạch in hai mặt 61

Hình 4.4: Mạch in 3D mặt trên 61

Hình 4.5: Mạch in 3D mặt dưới 62

Hình 4.6: Mạch cho vào vỏ (a) 62

Hình 4.7: Mạch cho vào vỏ ( b) 63

Hình 4.8: Mạch cho vào vỏ hoàn thiện (c) 63

Hình 4.9: Lưu ựồ thuật toán hàm main 65

Hình 4.10: Bản ựồ dữ liệu với Google Earth 66

Hình 4.11: Sơ ựồ tổng quát quá trình ựo, lưu dữ liệu và hiển thị trên Google Earth 67

Hình 4.12: Giao diện phần mềm Google Earth 67

Hình 4.13: Chọn Add / Placemark 68

Hình 4.14: Nhập vào các thông số tên, ựịa ựiểm, vĩ ựộ, kinh ựộ 68

Hình 4.15: Kết quả hiển thị ở ngã tư đại Cồ Việt 69

Hình 4.16: Kết quả hiển thị ở Bến xe Mỹ đình 69

Hình 4.17: Kết quả hiển thị ở Cầu Giấy 70

Hình 4.18: Kết quả hiển thị ở Bến xe Nước Ngầm 70

Hình 4.19: Thiết kế phần vỏ 71

Hình 4.20: Ảnh sản phẩm mặt trước 72

Hinh 4.21: Ảnh sản phẩm thể hiện cổng kết nối USB và công tắc nguồn 72

MỞ ðẦU

1 ðặt vấn ñề

Vấn ñề ô nhiễm môi trường là một vấn ñề mang tính toàn cầu và rất cấp bách hiện nay, ñặc biệt là ñối với nước ta, một nước ñang phát triển, ñang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện ñại hóa Việc ño và kiểm các thông số trong môi trường là một việc làm cần thiết ñể bảo vệ môi trường sống của chúng ta Chính vì thế trong luận văn này ñã ñề xuất việc thiết kế chế tạo một thiết bị ño một số thông số của môi trường với kích thước nhỏ gọn (có thể cầm tay) và có tích hợp GPS dùng ñể ño, kiểm tra môi trường với hy vọng nó

sẽ ñáp ứng ñược nhu cầu thực tế

2 Nội dung nghiên cứu

Xuất phát từ nhu cầu cần giám sát một thông số môi trường trên diện rộng (ví dụ như muốn khảo sát phân bố nhiệt ñộ trong thành phố ñể phát hiện các khu vực có nhiệt ñộ cao hoặc giám sát lượng bụi hoặc khí thải trong khu vực xung quanh các khu công nghiệp, ta cần một thiết bị ño vừa ño ñược các thông số môi trường vừa hỗ trợ xác ñịnh tọa ñộ (vị trí) của các ñiểm ño ñể phục vụ các công tác giám sát và thống kê Trước ñây việc xác ñịnh vị trí ño

và ghi chép kết quả ñược thực hiện thủ công nên dễ gây nhầm lẫn, ý tưởng của ñề tài là xây dựng một thiết bị ño có tích hợp GPS ñể các kết quả ño ñược lưu cùng với tọa ñộ GPS nhằm xác ñịnh vị trí của ñiểm ño trên bản ñồ một cách dễ dàng

Theo khảo sát thực tế trên thị trường nước ta và trên thế giới hiện nay ñang có nhu cầu rất lớn về thiết bị ño kiểm tra môi trường, kiểm tra nhiệt ñộ

và ñộ ẩm có tích hợp bản ñồ số mà ñặc biệt là thiết bị ño nhỏ gọn có thể cầm tay ñể tiện cho việc cơ ñộng, di chuyển trong quá trình tác nghiệp

Mặc dù vậy các giải pháp công nghệ ñưa ra ñể áp dụng vào thiết bị ño ở

– Thiết bị ño có ít chức năng, tính mở không cao

– Giá thành còn khá cao nên chưa thể mở rộng phạm vi sử dụng

– Chưa làm chủ ñược công nghệ thiết kế và chế tạo

Thực tế trên ñã ñặt ra nhiệm vụ thiết kế, chế tạo thiết bị ño nhiệt ñộ, ñộ

ẩm có tích hợp GPS cầm tay ñể giải quyết ñược những vấn ñề trên và ñáp ứng ñược nhu cầu của thực tiễn như sau:

– Thiết bị có thể ño ñược cả nhiệt ñộ, ñộ ẩm và có tích hợp GPS

– Giá thành chi phí sản xuất thấp

– Thiết bị ño nhỏ gọn có thể cầm tay

Nội dung nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch phần cứng thiết bị ño môi

trường nhiệt ñộ, ñộ ẩm với các yêu cầu sau:

• ðo kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường (hiển thị trực tiếp lên LCD, cảnh báo bằng ñèn LED…)

• Thiết bị ño có kích thước nhỏ gọn (có kích thước không lớn hơn 100 x

60 x 25mm có thể cầm tay)

• Tích hợp hệ thống GPS ñể xác ñịnh vị trí ño và phục vụ việc xây dựng lên bản ñồ số cho biết các thông tin về môi trường

• Thiết bị hoạt ñộng sử dụng nguồn Pin

• ðảm bảo ñộ chính xác cao (sai số ≤ 4,5%), khả năng thích ứng ñối với

môi trường làm việc

• Lưu trữ số liệu, truyền và trao ñổi số liệu với bộ nhớ trong của thiết bị và với máy tính

• Có các phím chức năng ñề cài ñặt các chế ñộ hoạt ñộng

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết ñể tìm các phương pháp ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm có tích hợp GPS

- Dùng mô hình, mô phỏng ñể ñánh giá, kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

- Xây dựng mô hình hệ thống ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm có tích hợp GPS ñể khẳng ñịnh kết quả nghiên cứu

4 Phạm vi ứng dụng

Góp phần tổng hợp và bổ sung phương pháp ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm có tích hợp hệ thống GPS ñể xác ñịnh vị trí ño cho biết các thông tin về môi trường như:

- Phát hiện các khu vực có nhiệt ñộ cao (xung quanh các nhà cao tầng, khu công nghiệp nặng có nồng ñộ khí thải cao)

- Trong các khu chế biến, sản xuất…

5 Giới thiệu về các chương mục của luận văn

Trong luận văn gồm có các chương:

Chương I: (Các giải pháp ño thông số môi trường) chương này nêu lên

bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường từ ñó ñưa ra nguyên lý chung, cấu tạo cơ bản, chức năng hoạt ñộng, các ưu ñiểm, nhược ñiểm và các thông số của các loại cảm biến nhiệt ñộ và ñộ ẩm Từ yêu cầu của bài toán ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm có tích hợp GPS trong luận văn ñã lựa chọn ñược cảm biến tích hợp ño ñược cả nhiệt ñộ và ñộ ẩm

Trong chương I gồm các nội dung sau:

– Bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường

– Cảm biến ño nhiệt ñộ nói chung và lựa chọn của ñề tài

– Cảm biến ño ñộ ẩm nói chung và lựa chọn của ñề tài

– Lựa chọn cảm biến ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm

Chương II: (Công nghệ GPS và khả năng tích hợp bản ñồ số trong thiết

bị ño) trình bày về sự ra ñời, các thành phần cũng như các kiểu ñịnh của GPS

từ ñó lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño

Trong chương II gồm các nội dung sau:

– Lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño

Chương III: (Thiết kế thiết bị ño thông số môi trường có tích hợp bản

ñồ số) trình bày sơ ñồ khối, chức năng tổng thể của các thiết bị, dựa vào sơ ñồ khối phân tích lựa chọn và thiết kế chi tiết từng khối trong sơ ñồ Thiết kế tổng thể mạch của thiết bị

Trong chương III gồm các nội dung sau:

– Sơ ñồ khối và chức năng các khối

– Lựa chọn và thiết kế vi xử lý

– Lựa chọn và thiết kế khối LCD

– Lựa chọn và thiết kế khối phím

– Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông

– Lựa chọn và thiết kế khối nguồn

– Lựa chọn và thiết kế phần cứng module GPS

– Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý

– Thiết kế khối cảm biến ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm

– Thiết kế tổng thể mạch thiết bị

Chương IV: (Các kết quả triển khai) chương này ñưa ra các hình ảnh

của thiết bị trong quá trình thiết kế như mạch in, mạch thực tế cho vào vỏ của thiết bị, tóm tắt kết quả lập trình Firmware cho vi ñiều khiển các kết quả thử nghiệm, ứng dụng cập nhật lưu dữ liệu và hiển thị các thông số môi trường trên Google Earth Trình bày các bước thiết kế phần vỏ của thiết bị

Trong chương IV gồm các nội dung sau:

– Mạch phần cứng

– Phần mềm vi xử lý

– Các kết quả thử nghiệm

* Kết luận và ñề nghị

CHƯƠNG I: CÁC GIẢI PHÁP ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

1.1 Bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường

Thực tế hiện nay các thông số môi trường rất nhiều thông số cần ño và kiểm soát như: nhiệt ñộ, ñộ ẩm, và nồng ñộ các khí CO, CH4, NH3, H2S… nội dung chính trong luận văn là triển khai thực hiện bài toán ño hai thông số của môi trường là nhiệt ñộ và ñộ ẩm

Thiết bị ño trực tiếp các thông số này là cảm biến ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm, các tín hiệu nhiệt ñộ và ñộ ẩm này là các tín hiệu không ñiện Qua cảm biến

có nhiệm vụ biến ñổi thành tín hiệu ñiện tương ứng dạng Analog, từ ñó ñưa tới bộ ñiều khiển lập trình (có thể PLC, vi ñiều khiển) Tín hiệu ra từ bộ ñiều khiển cũng là tín hiệu Analog ñưa tới khuếch ñại và bộ chuyển ñổi hiển thị ñầu ra các thông số trên màn hình LCD

Ngoài ra kết hợp trực tiếp với thiết bị ñịnh vị các vị trí ño bằng module GPS có thể hiển thị các ñiểm ño xây dựng lên bản ñồ số cho biết các thông tin

về môi trường cần ño và kiểm soát

Vậy bài toán ño hai thông số môi trường là nhiệt ñộ và ñộ ẩm trong ñề tài này là ño và hiển thị hai thông số trên màn hình LCD, ñồng thời cũng hiển thị vị trí các ñiểm ño trên màn hình LCD Tại mỗi ñiểm ño có vị trí tọa ñộ là bao nhiêu, thông số nhiệt ñộ và ñộ ẩm tại các vị trí là bao nhiêu Từ các kết quả ño ta có thể xây dựng ñược mối quan hệ giữa nhiệt ñộ và tọa ñộ, ñộ ẩm và tọa ñộ của môi trường Nhìn trên vị trí của một khu vực cần ño trên diện rộng tại các thời ñiểm cũng như vị trí khác nhau ta có thể kiểm soát ñược hai thông

số môi trường nói trên theo thời gian Cũng như hướng phát triển của luận văn

có thể tích hợp ñể ño và kiểm soát thêm các thông số khác của môi trường

1.2 Cảm biến ño nhiệt ñộ nói chung và lựa chọn của ñề tài

Nguyên lý ño nhiệt ñộ của cảm biến tiếp xúc và cảm biến không tiếp xúc

như sau: Cảm biến tiếp xúc là trao ñổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa ñối

tượng và cảm biến, cảm biến không tiếp xúc là trao ñổi nhiệt xảy ra nhờ vào bức xạ, năng lượng nhiệt ở dạng ánh sáng hồng ngoại cảm biến bị tác ñộng bởi môi trường ño, gây ra sai số khi ño nhiệt ñộ

Có hai phương pháp xử lý tín hiệu nhiệt ñộ:

– Phương pháp cân bằng: Nhiệt ñộ xác ñịnh hoàn toàn khi không có sự

sai lệch ñáng kể giữa nhiệt ñộ bề mặt ño và nhiệt ñộ cảm biến, tức là cân bằng nhiệt ñạt ñến giữa cảm biến và ñối tượng ño

– Phương pháp dự báo: Cân bằng nhiệt không ñạt ñến trong thời gian

ño, nhiệt ñộ ñược xác ñịnh thông qua tốc ñộ thay ñổi nhiệt của cảm biến

1.2.2 Nguyên lý chung

Nhiệt ñộ từ môi trường sẽ ñược cảm biến hấp thụ, tại ñây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến ñại lượng nhiệt này thành một ñại lượng ñiện nào ñó Như thế một yếu tố hết sức quan trọng cần phân biệt ñó là “nhiệt ñộ môi trường cần ño” và “nhiệt ñộ cảm nhận của cảm biến” Cụ thể sự khác biệt này xuất phát từ thực tế các loại cảm biến ñều có vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này (bán dẫn, lưỡng kim…) do ñó việc ño có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào ñến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu (một trong những yếu tố quyết ñịnh chất lượng cảm biến nhiệt) Có nhiều loại cảm biến ño nhiệt ñộ như:

– Cặp nhiệt ñiện (Thermocouple)

– Nhiệt ñiện trở (RTD)

– Thermistor

– Bán dẫn

– Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế)

Với mỗi một loại cảm biến nhiệt ñộ thì lại có các cảm biến với các thông

số khác nhau như dải nhiệt ñộ ño và tín hiệu ñiện ra tương ứng ñể tùy vào từng mục ñích sử dụng ñể lựa chọn

Sau ñây là ñặc ñiểm cũng như thông số của một số loại cảm biến cụ thể thường ñược sử dụng thông dụng hiện nay ñể ño và hiển thị nhiệt ñộ cũng như các chức năng kết hợp với các bộ ñiều khiển thông dụng

– Cảm biến nhiệt ñộ - Temperature Sensor – Transmitter

– Cảm biến nhiệt ñộ - Can nhiệt K, N, E, T, J, Pt100 - 4-20mA

– Model : LG200-K có dải nhiệt ñộ ño từ -200 ÷ 18000C, tín hiệu ra 4÷20mADC và có nguồn nuôi 12÷36VDC, chúng có một số ưu ñiểm

và nhược ñiểm sau:

• Ưu ñiểm: Chính xác, ổn ñịnh, tuyến tính

• Nhược ñiểm: ðộ nhạy thấp, cần mạch kích dòng, giá thành cao

1.2.4 Cảm biến nhiệt ñộ họ LM34 và LM35 (bán dẫn)

Là cảm biến nhiệt ñộ vi mạch chế tạo từ chất bán dẫn có nhiệt ñộ tỉ lệ ñộ

C, ñộ F hay ñộ K tùy loại Tầm ño nhiệt ñộ giới hạn từ -55 ÷ 1500C, ñộ chính xác từ 10C ñến 20C tùy từng loại

ðối với các bộ cảm biến phi tuyến việc viết phần mềm tương ñối phức tạp, vì vậy các nhà sản xuất ñã cho ra thị trường các cảm biến nhiệt tuyến tính, ñơn giản và sử dụng rộng rãi gồm họ LM34 và LM35

LM34 là họ cảm biến nhiệt, mạch tích hợp chính xác cao có ñiện áp ñầu

ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt ñộ, không yêu cầu cần phải cân chỉnh ngoài vì nó

ñã ñược cân chỉnh, ñiện áp thay ñổi 10mV ứng với 10F

LM35 cũng là họ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao có ñiện áp ñầu ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt ñộ theo thang ñộ C, không yêu cầu cần phải cân chỉnh ngoài vì nó ñã ñược cân chỉnh, ñiện áp thay ñổi 10mV ứng với 10C Thông số kỹ thuật chính của họ cảm biến LM34 và LM35

– Họ LM34 có mã hiệu, tầm ño, ñộ chính xác, ñầu ra như sau:

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của họ LM34

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của họ LM35

1.3 Cảm biến ño ñộ ẩm nói chung và lựa chọn ñề tài

1.3.1 Khái niệm chung

Trong không khí luôn có một lượng hơi nước nhất ñịnh tùy theo nhiệt ñộ

và áp suất của không khí ðộ ẩm của không khí quyết ñịnh bởi hơi nước bay hơi trong không khí ở một ñiều kiện nhiệt ñộ và áp suất nào ñó

Một số khái niệm cần phân biệt

Ờ Tỷ lệ trộn: Là tỷ lệ giữa khối lượng hơi nước mh và khối lượng không khắ khô mk trong một ựơn vị thể tắch

Ờ độ ẩm tuyệt ựối: Là khối lượng hơi nước tắnh ra gam chứa trong 1m3không khắ khô (Ua)

Ở một nhiệt ựộ nào ựó, lượng hơi nước càng lớn thì ựộ ẩm càng lớn Tới một lúc nào ựó thì ựộ ẩm không tăng ựược nữa đó là ựộ ẩm cực ựại (Ua max) tương ứng với lượng hơi nước lớn nhất mà không khắ chứa ựược trong 1m3 Nếu quá lượng ựó hơi nước sẽ ngưng tụ thành nước, vắ dụ ở 3000C thì ựộ ẩm cực ựại của không khắ là 30,3 g/m3 áp suất lúc này gọi là áp suất hơi nước bão hoà bằng 318 mmHg Áp suất trong không khắ ẩm ở nhiệt ựộ T là tổng 2 áp suất riêng phần của không khắ khô (Pk) và của hơi nước (Ph)

U U

P U

P

h k

m r m

=

Không khí chưa bão hoà còn gọi là hơi khô Hơi khô T0 có thể biến thành hơi bão hoà theo cách nén ở cùng T0 ñể áp suất ñạt áp suất bão hoà

pvmax làm lạnh ở thể tích không ñổi ñể áp suất trở thành áp suất bão hoà Hơi bão hoà có thể trở thành hơi khô bằng các cách ngược lại:

– Cho dãn nở ở nhiệt ñộ không ñổi

– Tăng nhiệt ñộ ở thể tích không ñổi

– Kết hợp cả hai

– ðiểm sương: Khi không khí ẩm bị lạnh xuống ñến nhiệt ñộ nào ñó thì hơi nước trong không khí trở thành bão hoà Xuống quá nhiệt ñộ ñó thì

sẽ có hơi nước ngưng tụ (thành sương) ðiểm sương là nhiệt ñộ mà tại

ñó hơi nước trong không khí trở thành bão hoà (ñộ ẩm 100%)

Việc ño ñộ ẩm của chất khí nói chung và của không khí nói riêng là rất quan trọng vì ñộ ẩm khí liên quan tới sinh hoạt của con người cũng như hoạt ñộng của các thiết bị máy móc trong mọi lĩnh vực Với con người ñộ ẩm tương ñối phù hợp có khoảng rộng từ 35% ñến 70% ðộ ẩm quá thấp sẽ làm con người mất nước vì bay hơi nhanh, ảnh hưởng tới sức khoẻ và nhất là bộ máy tiêu hoá ðộ ẩm quá cao sẽ gây khó cho sự toát mồ hôi, bài tiết ngưng trệ gây cảm giác oi bức hoặc rét buốt Với thiết bị máy móc, ñộ ẩm cũng ảnh hưởng tới quá trình vận hành có thể gây hư hỏng, thậm chí không làm việc ñược Trong công nghiệp dệt ñộ ẩm cao ảnh hưởng tới sức căng của sợi dệt tới quá trình nhuộm in Trong công nghệ in, ñộ ẩm cao gây dính giấy ở máy

in tờ rời Trong công nghiệp ñộ ẩm cao dễ gây gỉ máy móc Trong công nghiệp thực phẩm ñộ ẩm ảnh hưởng tới quá trình bảo quản, chế biến Trong công nghiệp ñiện tử ñộ ẩm ảnh hưởng tới hoạt ñộng của các mạch in Trong

truyền dẫn ñiện ñộ ẩm cao gây mất an toàn, tăng tổn hao…

Các cảm biến ñộ ẩm làm việc trên hai nguyên lý:

– Nguyên lý vật lý cho phép xác ñịnh trực tiếp ñộ ẩm

– Nguyên lý dựa vào việc ño tính chất của vật liệu có liên quan ñến ñộ

ẩm rồi suy ra ñộ ẩm

1.3.2 Ẩm kế ngưng tụ

Ẩm kế ngưng tụ còn gọi là ẩm kế gương làm việc dựa theo nguyên lý:

ðo liên tục nhiệt ñộ một vật ñược làm lạnh cho ñến khi hình thành lớp sương hoặc lớp băng trên bề mặt ổn ñịnh quá trình làm lạnh ñể giữ cân bằng trạng thái giữa không khí lớp sương Nhiệt ñộ ño ñược lúc này là ñiểm sương

Td (hay ñiểm băng giá Tr ño áp suất hơi trong khí ẩm và suy ra ñộ ẩm)

Do nhiều thao tác nên kết quả chính xác phải nhờ hệ thống tự ñộng

Nguyên lý kết cấu bao gồm các bộ phận sau:

Hình 1.1: Nguyên lý kết cấu ẩm kế ngưng tụ

1 Nguồn sáng 4 Bộ ñốt nóng, làm lạnh

2 ðầu thu quang 5 Gương kim loại

3 Bộ ñiều chỉnh 6 Cảm biến nhiệt ñộ

Gương kim loại và hệ thống ñiều chỉnh nhiệt ñộ gương

– CB ño nhiệt ñộ gương (ñiện trở Pt hay cặp nhiệt)

– Nguồn sáng và ñầu ño quang

Bố trí gương ñể khi không có ngưng tụ hơi nước, nguồn sáng chiếu vào gương thì các tia phản xạ không ñến ñược ñầu thu quang Bộ làm lạnh gương hoạt ñộng ñến khi có ngưng tụ trên gương Lớp sương ở bề mặt gương làm

ánh sáng tán xạ tới ñầu thu quang và qua bộ ñiều chỉnh sẽ cho tín hiệu nung nóng gương Khi nhiệt ñộ gương tăng, lớp sương không còn thì ánh sáng tán

xạ tới ñầu thu quang cũng không còn Lúc này bắt ñầu một chu kỳ làm lạnh mới ðiều chỉnh thích hợp bộ ñiều chỉnh ñể nhận ñược lớp ngưng tụ có bề dày

cố ñịnh và tạo ra trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ Cảm biến nhiệt ñộ sau gương xác ñịnh ñiểm sương Td

Ưu ñiểm: ðo chính xác phạm vi ño rộng (-700C ÷ 1000C) giới hạn ño trên có thể cao hơn ðộ chính xác khi ño Td phụ thuộc vào ñộ chính xác của

cảm biến ño nhiệt ñộ và sai số hệ thống ðộ chính xác tới ± 0,20C

Nhược ñiểm: Phức tạp về cấu tạo, giá thành cao, phải ñiều chỉnh thường

xuyên

Hình 1.2: ðầu ño ẩm kế ngưng tụ

1 Khối quang 2 Tế bào quang dẫn

3 Cửa sổ 4 Gương

5 Khí 6 ðo nhiệt ñộ

7 Bộ làm nguội 8 ðiện trở ñốt nóng

1.3.3 Ẩm kế hấp thụ

Nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế hấp thụ như sau: Ống kim loại 4 có bọc cách ñiện ñược bao phủ xung quanh bởi một lớp vải 2 tẩm dung dịch bão hoà muối LiCI Trong lớp này có quấn 2 dây bằng kim loại không bị ăn mòn ñặt cách nhau và dùng làm 2 ñiện cực 3 cấp ñiện từ một máy biến áp Dòng ñiện tạo bởi 2 ñiện cực chạy qua dung dịch muối sẽ ñốt nóng và làm bay hơi nước Khi nước bay hơi hết, ñộ dẫn của LiCI tinh thể nhỏ hơn nhiều so với ñộ dẫn dung dịch, nên dòng ñiện giữa 2 ñiện cực giảm kể và nhiệt ñộ giảm Vì LiCI là chất ưa nước nên nó lại hấp thụ hơi nước từ không khí ñộ ẩm tăng ñộ dẫn tăng, dòng ñiện tăng và lớp phủ LiCI lại bị ñốt nóng Cuối cùng sẽ có hiện tượng cân bằng giữa áp suất hơi bão hoà phía trên dung dịch muối và áp suất hơi trong không khí Cân bằng này xảy ra lúc áp suất ñạt bão hoà và ñiểm

sương Việc ño nhiệt ñộ nhờ cảm biến ño nhiệt ñộ 1 bằng ñiện trở Pt

Như vậy ñể ẩm kế hấp thụ làm việc ñược cần phải có 2 ñiều kiện:

1 Ở cùng nhiệt ñộ, áp suất hơi trên dung dịch bão hoà chứa các muối hoà tan (như LiCI) phải nhỏ hơn áp suất hơi trên nước ñể có thể hút nước từ không khí và muối

2 ðộ dẫn ñiện của muối kết tinh nhỏ hơn nhiều của dung dịch muối ñó (cỡ 103

÷10-4) ñể việc nung nóng giảm khi nước bay hơi khỏi dung dịch

1 Cảm biến ño nhiệt

ñộ bằng ñiện trở Pt

2 Lớp bọc tẩm dung dịch muối LiCl

3 ðiện cực

4 Ống kim loại bọc cách ñiện

Hình 1.3: Nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế hấp thụ

Do ñó, muối LiCl ñược sử dụng vì ñáp ứng tốt ñiều kiện ñầu

20 40 60 80 100

Hình 1.4: Các ñường cong áp suất hơi theo nhiệt ñộ của một số dung dịch

muối bão hòa

Bảng 1.3 cho biết các áp suất hơi bão hòa trên nước và trên dung dịch bão hòa muối LiCl ở nhiệt ñộ khác nhau Cột cuối cho quan hệ so sánh % giữa các áp suất bão hòa ñó

Bảng 1.3: Các áp suất hơi bão hòa

Nhiệt ñộ dung

dịch ( 0 C)

Áp suất hơi bão hòa trên mặt nước (Pa)

Áp suất hơi bão hòa trên mặt dung dịch LiCl (Pa)

Tỷ số giữa các áp suất bão hòa

ax max 2

%

vm v

Ưu ñiểm: Do ñiểm sương chính xác cao, kết cấu ñơn giản, tin cậy và giá

thành thấp So với ẩm kế ngưng tụ thì không phải làm lạnh

Nhược ñiểm: Thời gian ñáp ứng lớn (hàng chục phút) Dải ño hạn chế (từ

-100C ñến 600C)

1.3.4 Ẩm kế biến thiên trở kháng

Ẩm kế loại này dựa vào sự thay ñổi tính dẫn ñiện (hoặc cách ñiện) của một phần tử nhạy hút ẩm khi nó hút ẩm (hút nước từ không khí) Lượng nước hút sẽ nhiều hơn khi ñộ ẩm không khí lớn Vậy phần tử nhạy phải bằng các chất mà tính dẫn ñiện (hoặc cách ñiện) của nó thay ñổi theo lượng nước mà

nó hút từ không khí Sự thay ñổi này phải tuyến tính, có tính thuận nghịch và

ổn ñịnh theo thời gian

Xét các ẩm kế biến thiên trở kháng phổ biến

a Ẩm kế ñiện trở

Nguyên lý cấu tạo của ẩm kế ñiện trở khá ñơn giản Chất hút ẩm có ñiện trở biến thiên theo ñộ ẩm ñược phủ trên một ñế cách ñiện Hai ñầu có 2 ñiện cực bằng kim loại không bị oxy hoá (inoxydable) ðiện trở giữa 2 ñiện cực

Rm ñược ño qua ñiện áp ñặt vào ñiện cực và dòng chạy qua phần tử nhạy cảm

là chất hút ẩm ðiện trở Rm không chỉ phụ thuộc vào ñộ ẩm mà còn cả vào nhiệt ñộ

ðiện trở Rm thay ñổi khá rộng theo ñộ ẩm, từ vài MΩ ñến 80MΩ

ðể Rm chỉ còn phụ thuộc ñộ ẩm, ẩm kế ñược bù trừ ảnh hưởng của nhiệt

ñộ theo sơ ñồ mạch ðiện trở Ra mắc nối tiếp với Rm phải có cùng hệ số nhiệt ñiện trở với Rm nhờ vậy do nhiệt ñộ mà Rm tăng (giảm) bao nhiêu thì Ra cũng tăng (giảm) bấy nhiêu và tỷ số U2 trên U1 giữ nguyên (khi nhiệt ñộ thay ñổi) Khi ñộ ẩm thay ñổi thì tỷ số này thay ñổi từ ñó có thể suy ra U%

Ẩm kế ñiện trở có kích thước nhỏ nên thời gian ñáp ứng nhanh (vài giây), giá thành thấp, ít chịu ảnh hưởng của môi trường (có thể sử dụng ở nơi

có hoá chất)

Dải ño ñộ ẩm là (5% ÷ 95%) với nhiệt ñộ từ -100C ñến 600C và ñộ chính xác ± 2% ± 5%

b Ẩm kế tụ ñiện polyme

Phần tử nhạy cảm là màng polyme dày vài µm có khả năng hút ẩm từ

không khí và thay ñổi tính cách ñiện của nó, biểu thị qua hằng số ñiện môi ε

Màng polyme dùng làm chất ñiện môi của một tụ ñiện nên ñiện dung tụ ñiện

Sơ ñồ cấu tạo một ẩm kế tụ ñiện có polyme làm ñiện môi

Hình 1.5: Ẩm kế tụ ñiện polymer

1 ðiện cực xốp bên ngoài (Cr) 2 Dẫn dòng ra ngoài (Cr – Ni - Au)

3 Polyme 4 ðiện cực trong (Ta)

5 Bản nền

Ẩm kế tụ ñiện polyme có phạm vi ño U% từ 0% ñến 100% trong khoảng nhiệt ñộ làm việc -400C ñến 800C hay 1000C với ñộ chính xác (± 2 ÷ ±3)% và thời gian ñáp ứng khoảng vài giây

c Ẩm kế tụ ñiện Al 2 O 3

Ẩm kế loại này, chất ñiện môi là Al2O3 Một tấm nhôm ñược dùng làm

ở anôt sẽ oxy hoá bề mặt ñiện cực thành một lớp Al2O3 có cấu trúc xốp Tấm

nhôm sẽ ñược dùng làm một bản cực của tụ Bản cực thứ hai là một màng mỏng kim loại phủ lên mặt ngoài của lớp xốp Al2O3 (thường là Al, Cu, Au,

Pt, Pd hoặc hợp chất Ni – Cr) Lớp ñiện môi càng mỏng càng tốt vì ẩm kế loại này thường chế tạo ño ñộ ẩm thấp và cảm biến chỉ nhạy ở ñiểm sương của môi trường bao quanh Dải ño ñiểm sương là -800C ñến 700C với thời gian ñáp ứng vài giây trong ñiều kiện áp suất từ chân không ñến hàng trăm bar Cảm biến không sử dụng ở môi trường có chất ăn mòn Al

Hình 1.7: Nguyên lý cấu tạo của ẩm kế ñiện phân

2 ñiện cực sẽ ñiện phân nước, giải phóng O2, H2 và tái tạo P2O5

Theo ñịnh luật Faraday về ñiện phân, ñiện lượng cần ñể ñiện phân 1gam hoá trị nước (9g) là 96.500C (nước hoá trị 2 có phân tử gam bằng 18g) Từ ñó nếu khối lượng nước bị giữ và ñiện phân trong một ñơn vị thời gian m

t

d

d thì dòng ñiện phân sẽ là:

3

1 96.500 9.10

m t

d dQ

trong ñó: Qv - lưu lượng khí qua ñầu ño (m3/s)

Cv - nồng ñộ hơi trong không khí (kg/m3)

α - hệ số giữ nước trong lớp P2O5 của ống ño

Khi tốc ñộ khí qua ống do không ñổi thì α không ñổi và xác ñịnh α nhờ

chuẩn ñầu ño Vậy biểu thức có thể viết lại:

Nghĩa là ñối với một thể tích khí cho trước dòng ñiện phân tỷ lệ với nồng

ñộ hơi nước trong khí ñó

ðặc ñiểm của ẩm kế ñiện phân P2O5 là chất P2O5 ñược tái tạo thường xuyên Thời gian sống của lớp này có hạn nên cần phải tái tạo thêm theo chu

kỳ Tần số tái tạo thêm quyết ñịnh bởi tần số sử dụng, ñiều kiện sử dụng và ñộ sạch của khí cần ño nồng ñộ nước Có thể dùng bộ lọc ñể giảm ñộ không sạch của khí Ẩm kế này dược dùng ñể ño ñộ ẩm cho nhiều loại khí như: nitơ,

hydro, khí Cacbônic, khí mêtan, không khí, các khí làm lạnh (freon)… nhưng

không dùng ñược với một số khí có tác dụng với P2O5 như hơi rượu, ammôniac…

Ẩm kế ñiện phân rất thích hợp ñể ño lượng hơi nước nhỏ trong khí ño Giới hạn dưới của dải ño bị hạn chế vì sự hấp thụ và thả hơi nước trên ñường dẫn khí và không khí ño ñược khi ñiểm sương Td < -70 (ở nồng ñộ 10ppm ÷ 20ppm)

1.4 Lựa chọn cảm biến ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm

Trong luận văn có xây dụng hai chức năng là ño nhiệt ñộ (nhiệt ñộ môi trường) và ño ñộ ẩm, với yêu cầu của bài toán ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm của môi trường không cần ñộ chính xác cao và dải nhiệt ñộ làm việc cũng không quá cao, chỉ cần phù hợp với dải nhiệt ñộ môi trường

Qua ưu và nhược ñiểm của một số loại cảm biến nhiệt ñộ thông dụng thường ñược sử dụng ở trên, luận văn sẽ lựa chọn sử dụng cảm biến SHT10

của hãng Sensirion Cảm biến này tích hợp cả hai chức năng ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm

có ñầu ra số có thể giao tiếp với vi ñiều khiển bằng giao tiếp 2 dây thông qua cổng I2C, rất dễ dàng trong việc sử dụng, không cần dùng ADC ngoài cũng như ADC nội của vi ñiều khiển giúp tiết kiệm tài nguyên của vi ñiều khiển

ðồng thời, ñộ chính xác cũng như dải hoạt ñộng của cảm biến này là ñạt yêu cầu ñề ra của thiết bị Ngoài ra việc tích hợp luôn 2 chức năng ño nhiệt ñộ

và ñộ ẩm trong một cảm biến giúp cho việc thiết kế ñơn giản hơn và tiết kiệm năng lượng ñiện

Hình ảnh của cảm biến ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm SHT10

Hình 1.8: Cảm biến nhiệt ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm SHT10

Các thông số của cảm biến SHT10 như sau:

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ GPS VÀ KHẢ NĂNG TÍCH HỢP

BẢN ðỐ SỐ TRONG THIẾT BỊ ðO

2.1 Công nghệ GPS

2.1.1 Tổng quan về GPS

Từ thời xa xưa, con người ñã sử dụng thiên văn, la bàn và bản ñồ ñể xác ñịnh vị trí và tìm ñường trong các chuyến thám hiểm khai phá các miền ñất lạ Tuy nhiên phải ñến năm 1995, khi các hệ thống vệ tinh ñịnh vị toàn cầu GPS của Mỹ và GLONASS của Nga chính thức ñi vào hoạt ñộng, nhu cầu ñịnh vị dẫn ñường mới ñược giải quyết một cách cơ bản

Ngoài mục tiêu quân sự như ý tưởng thiết kế ban ñầu, các hệ thống vệ tinh ñịnh vị ñã ñược ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực dân sự

Ngày nay, công nghệ ñịnh vị toàn cầu ñã trở thành một ngành công nghiệp và ñang ñược phát triển mạnh mẽ

Hình 2.1: Hình ảnh trái ñất nhìn từ vệ tinh

Hệ thống vệ tinh ñịnh vị toàn cầu là một ví dụ tiêu biểu cho sự kết hợp giữa nghiên cứu cơ bản với nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ Hiện tại, công nghệ ñịnh vị toàn cầu (GPS) ñược ứng dụng ở nhiều lĩnh vực của ñời sống xã hội như: Hệ thống dẫn ñường trên ô tô, ñiện thoại, các thiết bị hỗ trợ cá nhân cầm tay

Sự xuất hiện của công nghệ này là một cuộc cách mạng với nền khoa học kỹ thuật thế giới Các nhà khoa học ñã tổng hợp những cách lý giải chung nhất về công nghệ GPS Theo ñó, có tối thiểu 24 vệ tinh GPS bay xung quanh trái ñất, mặc dù hiện nay có hơn 30 vệ tinh bao gồm 2 vệ tinh dự phòng

Dù ở bất kỳ ñâu trên trái ñất, cũng có tối thiểu 6 vệ tinh Mỗi vệ tinh GPS bay xung quanh trái ñất một lần mỗi lần 12 giờ Những vệ tinh bay quãng ñường 12,500 dặm (khoảng 20,000 km), trung bình 7,000 dặm mỗi giờ (khoảng 11,000 km)

Hình 2.2: Vệ tinh GPS bay xung quanh trái ñất

Theo nghiên cứu, ñể nhận ñược vị trí chính xác, thiết bị nhận tín hiệu GPS phải kết hợp tín hiệu từ 4 vệ tinh mặc dù trong một vài trường hợp ñặc biệt chỉ cần tới 3

Tên khởi ñiểm mà quân ñội Mỹ ñặt cho hệ thống ñịnh vị toàn cầu là NAVSTAR Với nhiều ứng dụng thông minh, GPS không chỉ ñể dẫn ñường

mà nó còn có thể dùng ñể lấy thời gian một cách chính xác Mỗi vệ tinh GPS

có nhiều ñồng hồ nguyên tử và thời gian ñược gửi kèm với tín hiệu chúng gửi

ñi Với sự hỗ trợ từ các tín hiệu, một thiết bị nhận tín hiệu GPS có thể xác ñịnh thời gian hiện tại trong 1/100 tỉ giây

2.1.2 GPS là gì?

NASTAR Global Positioning System (GPS) là hệ thống ñịnh vị dựa vào các vệ tinh Nó có nhiều ưu ñiểm sau:

– ðộ chính xác ñịnh vị cao, từ decamet ñến milimet

– Có sẵn cho người sử dụng bất cứ ñâu trên trái ñất

– Hoạt ñộng liên tục 24h/ngày, trong mọi ñiều kiện thời tiết

GPS là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục ñích quân sự Nó ñược thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và ñiều khiển bởi Bộ quốc phòng Mỹ Tuy nhiên GPS ñược cung cấp miễn phí cho người sử dụng dân sự ở một mức ñộ giới hạn

GPS ñược thiết kế ñể thay thế cho hệ thống vệ tinh Doppler TRANSIT

ñã phục vụ tốt cho cộng ñồng trắc ñịa và hàng hải trên 20 năm Việc xây dựng thành công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và kỹ thuật sau:

– ðộ tin cậy cao của hệ thống không gian

– Công nghệ ñồng hồ nguyên tử ñộ chính xác cao

– Khả năng xác ñịnh và theo dõi vệ tinh một cách chính xác

– Công nghệ VLSI và quang phổ rộng

– Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái ñất hai lần trong một ngày theo một quỹ ñạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái ñất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính ñược chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu ñược phát ñi từ vệ tinh với thời gian nhận ñược chúng Sai lệch

về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa, với nhiều quãng

cách ño ñược tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính ñược vị trí của người dùng

và hiển thị lên bản ñồ ñiện tử của máy

Máy thu phải khóa ñược với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh ñể tính ra

vị trí hai chiều (kinh ñộ và vĩ ñộ) và ñể theo dõi ñược chuyển ñộng Với bốn hay nhiều hơn số quả vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính ñược vị trí

ba chiều (kinh ñộ, vĩ ñộ và ñộ cao) Khi vị trí người dùng ñã tính ñược thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc ñộ, hướng chuyển ñộng, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới ñiểm ñến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn

2.1.3 Các thành phần GPS

Hệ thống GPS ñược chia làm 3 mảng:

– Mảng không gian: Bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu

cần thiết cho hệ thống hoạt ñộng

– Mảng ñiều khiển: Các tiện ích trên mặt ñất thực hiện nhiệm vụ theo

dõi vệ tinh, tính toán quĩ ñạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian

– Mảng người sử dụng: Toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán ñể

cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí

Hình 2.3: Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS

a Mảng không gian:

Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:

– Thu nhận và lưu trữ dữ liệu ñược truyền từ mảng ñiều khiển

– Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử ñặt trên

vệ tinh

– Truyền thông tin và tín hiệu ñến người sử dụng trên một hay hai tần số

Hình 2.4: Vệ tinh GPS

Các thế hệ vệ tinh GPS ñược ñánh số Block I, II, IIA, IIR và IIF Thế hệ

vệ tinh ñầu tiên là Block I ñược xây dựng bởi Rockwell International Corporation, nặng khoảng 800kg và tuổi thọ khoảng 5 năm Block II và IIA cũng do công ty này xây dựng nhưng nặng ñến 900 kg, tuổi thọ của chúng khoảng 7,5 năm Sự thay thế các vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt ñầu

từ năm 1996 Những vệ tinh này công ty General Electric xây dựng Block IIF vẫn ñang trong giai ñoạn thiết kế và dự ñịnh phóng lên quĩ ñạo từ năm 2005 Năm 2003 trên quĩ ñạo có 26 vệ tinh Block IIA và IIR, cấu hình quĩ ñạo như sau:

– Có 6 mặt phẳng quĩ ñạo gần tròn

– Trên mỗi mặt phẳng quĩ ñạo có 4 ñến 5 vệ tinh

– Mặt phẳng quĩ ñạo nghiêng so với xích ñạo khoảng 55°

– ðộ cao bay trên mặt ñất xấp xỉ 20.200 km

Hình 2.5: Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai tần số L1 1575.42MHz và L2 1227.60MHz Các tín hiệu vệ tinh bao gồm:

– Hai tần số sóng mang

– Mã ño khoảng cách ñược ñiều biến vào các sóng mang

– Thông báo hàng hải chứa ñựng thông tin về vị trí và ñồng hồ vệ tinh

b Mảng ñiều khiển

Mảng ñiều khiển bao gồm các tiện ích cần cho việc giám sát theo dõi, ñiều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh

Hình 2.6: Các trạm ñiều khiển GPS

Có 5 trạm ñiều khiển trên mặt ñất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension

Is, Diego Garcia và Kwajalein Chức năng của chúng như sau:

– Tất cả 5 trạm ñều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu ñến trạm ñiều khiển chính

– Trạm ñặt tại Colorado Springs là trạm ñiều khiển chính (MSC) Tại ñó

dữ liệu theo dõi ñược xử lý nhằm tính toạ ñộ và số hiệu chỉnh ñồng hồ

vệ tinh

c Mảng người sử dụng

Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:

– Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị ño khoảng cách)

– Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng)

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, ñộ chính xác và giá tiền Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại:

– Máy thu một tần số: Là loại máy thu chỉ thu ñược tín hiệu trên 1 tần số L1

– Máy thu hai tần số: Là loại máy có thể thu ñầy ñủ tín hiệu trên hai tần

số

Theo ñộ chính xác, có thể chia làm ba loại:

– ðộ chính xác cao: ðây là loại máy thu hai tần số ñắt tiền nhất hiện nay

ñược dùng trong trắc ñịa, thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn Ví dụ như Trimble 4800, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system 500,vv…

– ðộ chính xác trung bình: ðây là loại máy thu một tần số, có cấu tạo

ñơn giản dễ mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ bản

ñồ và GIS Ví dụ như Trimble Geo-explorer XT, Ashtech Reliance

– ðộ chính xác thấp: Cũng là loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo

gọn nhẹ nhất (thường là máy thu cầm tay) và thường ñược dùng cho các mục ñích ñịnh vị hàng hải v v ví dụ Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan

Hình 2.7: Máy thu GPS Topcon GB-1000 trong kỹ thuật ño ñịa hình

số L1 và L2 nên tương ứng cho hai trị ño P1 và P2 Trong khi ñó mã C/A chỉ hiện diện trên L1 nên chỉ có trị ño duy nhất C1

Hình 2.8: Kỹ thuật so trùng ñể giải mã tín hiệu từ vệ tinh

Trị ño pha: Bước sóng của các sóng mang rất ngắn, xấp xỉ 19 cm cho L1

và 24 cm cho L2 Giả sử rằng ñộ phân giải của trị ño khoảng 1-2% bước sóng thì pha sóng mang có thể ñược ño ñến mức ñộ milimét Không may mắn là trị

ño này vẫn còn thiếu số nguyên chu kỳ pha ñể có thể chuyển thành khoảng cách từ máy thu ñến vệ tinh Vì vậy ñể xử lý trị ño này cần có những phần mềm chuyên dụng cho mục ñích trắc ñịa

Hình 2.9: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu

Như vậy một máy thu một tần sẽ thu ñược 3 trị ño là C1, P1 và L1 Trong khi máy thu hai tần sẽ cung cấp ñến 7 loại trị ño: C1, P1, L1, P2, D1, D2 và L2

Các trị ño trên không chỉ chứa sai số ño của máy thu vì khi tín hiệu ñi từ

vệ tinh ñến máy thu nó bị ảnh hưởng nặng nề do ñồng hồ của vệ tinh và máy thu bị sai, tín hiệu bị trễ ở tầng ñiện ly, ñường lan truyền của tín hiệu trong khí quyển bị bẻ cong do chiết suất của không khí không ñều, … Ảnh hưởng tổng hợp của những nguồn sai số này có thể làm cho các trị ño sai ñến hàng trăm km Vì vậy ñể ñòi hỏi ñộ chính xác ñịnh cỡ vài chục mét, những nguồn sai số phải ñược khắc phục và loại trừ trong xử lý