Cảm biến và thiết bị đo thông minh đo áp suất bằng áp kế điện trở

Cảm biến và thiết bị đo thông minh đo áp suất bằng áp kế điện trở

ĐO ÁP SUẤT BẰNG ÁP KẾ ĐIỆN TRỞ

I Lý thuyết

1 Áp suất

Khái niệm: khi một chất lỏng hay khí được chứa trong bình chứa, do chuyển

động nhiệt hỗn loạn, các phân tử vật chất sẽ tác dụng lên thành bình một lực Nếu

ta xét lực này trên một đơn vị diện tích ta có khái niệm áp suất Như vậy áp suất được định nghĩa là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích và được xác định theo công thức sau:

F P S



Trong đó: F là lực tác dụng, có đơn vị là Newton (N);

Đơn vị dẫn xuất của áp suất là pascal (Pa), 1pascal tương đương với áp suất

(1Pa=1N/1m2 ) Áp suất 1Pa tương đối nhỏ, trong công nghiệp người ta thường dùng đơn vị áp suất là bar (1 bar = 105 Pa) Một đơn vị cũng hay được dùng nhất

là trong y tế đó là mmHg hay torr

Để đo áp suất ta có thể sử dụng một trong các loại áp kế sau :

Trong phạm vi đề tài này nhóm sẽ đi sâu nghiên cứu về loại áp kế điện

2 Áp kế điện trở lực căng

o Nguyên lý làm việc: hoạt động dựa trên hiệu ứng Tenzo (piezoresistive/ strain gauge)

o Hiệu ứng Tenzo là khi dây dẫn bị biến dạng cơ học thì điện trở của nó cũng thay đổi

o Sự biến đổi theo hiệu ứng Tenzo còn được gọi là biến đổi điện trở lực căng

Hình 1: Cảm biến biến dạng (strain gauge)

3 Cảm biến áp suất điện trở:

 Cấu tạo :

Cảm biến áp suất kiểu điện trở có cấu tạo gồm 1 strain gauge được dán cố định trên màng mỏng (phân cách phần áp suất cao và phần áp suất thấp) biến dạng như hình hình 2 Khi áp suất chất lưu tác động lên cảm biến ở 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 của nó sẽ thay đổi Strain gauge này kết hợp với 3 điện trở khác

để tạo thành cầu Wheatstone như hình 3, từ đó ta có được tín hiệu điện áp vi sai ở ngõ ra tỷ lệ với áp suất

Hình 2: Cấu tạo và một số dạng của cảm biến áp suất kiểu điện trở

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến.

 Phân loại:

- Cảm biến áp suất tuyệt đối (Absolute)

- Cảm biến áp suất tương đối

- Cảm biến vi sai

Hình4: (a)Cảm biến áp suất tuyệt đối (b)Cảm biến áp suất tương đối

(c)Cảm biến áp suất vi sai

Nói chung, cả ba loại cảm biến này đều hoạt động theo nguyên lý so sánh áp suất cần đo với một áp suất khác, thường đã biết trước, là áp suất chuẩn Với cảm biến áp suất tuyệt đối, áp suất cần đo được so sánh với áp suất của chân không, còn cảm biến áp suất tương đối thì áp suất cần đo được so sánh với áp suất khí quyển

 Nguyên lý hoạt động :

Hình 5 : sơ đồ hoạt động của mạch cảm biến.

Khi không có áp suất đặt lên màng, cầu điện trở ở trạng thái cân bằng, điện thế lối ra lúc này là bằng 0 Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biến dạng, áp lực phân bố trên màng sẽ bị thay đổi Do hiệu ứng áp điện trở, các giá trị của các điện trở trong mạch cầu bị thay đổi, cụ thể nếu các điện trở song song với cạnh màng có giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màng sẽ tăng giá trị và ngược lại Kết quả là cầu sẽ bị mất cân bằng và điện áp lối ra là khác 0 Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên độ lớn của tín hiệu lối ra cũng phụ thuộc vào áp suất Bằng cách đo điện thế lối ra ta

có thể đo được độ lớn tương ứng của áp suất tác dụng lên màng

Ưu điểm lớn nhất của cảm biến áp suất vi cơ điện tử là độ nhạy Cụ thể đối với dải điện áp thấp, độ nhạy của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến 3mV/mbar phụ thuộc dạng hình học của màng và cường độ dòng điện, trong 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 nữa đó là kích thước của các cảm biến này do chế tạo theo công nghệ MEMS nên kích thước rất nhỏ, thuận tiện sử dụng trong mọi thiết bị

Cảm biến áp suất áp trở hoạt động dựa trên sự thay đổi của giá trị áp trở gắn trên màng cảm biến khi có áp suất tác động Từ sự thay đổi giá trị của của áp trở thì ta nhận được sự thay đổi của điện áp ngõ ra Để đưa vào ADC để đọc giá trị áp suất thì ta cần khuếch đại tín hiệu đó sang tín hiệu điện áp bằng bộ khuếch đại

Cảm biến áp suất là một trong những loại cảm biến thường dùng nhất trong công nghiệp Trong y tế thì cảm biến áp suất thường được sử dụng để đo áp suất máu trong động mạch và trong tĩnh mạch

Vi cảm biến áp suất được dùng để đo áp suất chất lưu như: đo áp suất chất lỏng trong đường ống, đo áp suất khí trong các đường ống dẫn khí, đo áp suất hơi trong nồi hơi… Ngoài ra nó còn có thể được dùng để đo cao trình cột chất lỏng thông qua áp suất thuỷ tĩnh

II Thiết kế mạch :

1 Sơ đồ khối :

Một mạch cảm biến hoàn chỉnh phục vụ trong công nghiệp có sơ đồ khối như sau:

2 Giới thiệu cảm biến áp suất MP3H6115A:

MP3H6115A là một cảm biến được tích hợp trong một con chip Bên trong vi cảm biến này có một mạch khuyếch đại lưỡng cực và một mạng màng điện trở mỏng Mạch khuyếch đại lưỡng cực này nhằm mục đích cho tín hiệu đầu ra ở mức cao để phù hợp cho việc điều khiển và kết nối với các thiết bị Màng điện trở mỏng

đó nhằm mục đích bù nhiệt Nó cung cấp một lượng điện áp rất chính xác và tuyến tính tỷ lệ với áp lực tác dụng Vi cảm biến này lại loại vi cảm biến kiểu áp trở nên

Áp Suất

Module truyền thông Hiển thị tại chỗ

ADC Khuếch đại Cảm biến áp suất

có cấu tạo giống như trình bày ở phần trên Hình 6 là sơ đồ cắt ngang của vi cảm biến MP3H6115A

Hình 6: Vi cảm biến áp suất MP3H6115A

Hình 7: Sơ đồ cắt ngang của MP3H6115A

Các chân 1,5,6,7 và 8 là các chân kết nối bên trong của thiết bị không kết nối

Với điện áp nguồn cung cấp 3 VDC và nhiệt độ của môi trường khoảng 25ºC thì vi cảm biến áp suất này có một số đặc tính như sau

điện áp đầu ra không những phụ thuộc vào điện áp đầu vào mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường và ảnh hưởng của nhiễu

Hình 8 – Mối quan hệ giữa điện áp và áp suất của MP3H6115A

3 Mạch khuếch đại tín hiệu:

Do vi cảm biến này chỉ có một đầu ra nên ta sử dụng mạch khuếch đại không đảo như sau

Hình 7 : Mạch khuếch đại.

 Tính chọn linh kiện cho khối khuếch đại :

của bộ vi điều khiển PIC ta cần khuyếch đại 5/2.82 = 1.773 lần

Ta có hệ số khuyếch đại của mạch trên là:

R2 là biến trở 5 kΩ Chọn khuếch đại thuật toán là loại LM 358, có sơ đồ chân như sau:

LM358 là khuyếch đại thuật toán có đặc tính khuếch đại tốt, có hệ số khuyếch đại cao khoảng 100dB, có khả năng hoạt động với một nguồn nuôi hoạc là hai nuôi có dãi điện áp rộng Với nguồn đơn thì dải điện áp khoảng từ 3 – 32V còn với nguồn đôi thì khoảng ± 1.5 - ± 16 V

4 Module ADC, hiển thị tại chỗ và truyền thông:

Chúng tôi gộp chung 3 module này lại làm một vì cả 3 module đều được thực hiện trên vi điều khiển PIC Để thực hiên 3 module này nhóm đã chọn VĐK Pic 16F877A làm vi điều khiển chính

R A 1

R B 6

R C 2

D 2 5

4 1 4 8

S W 5

T X

R B 2

P V N _ 1

P I C 1 6 F 8 7 7 A

2 3 4 5 6 7

3 3

3 4

3 5

3 6

3 7

3 8

3 9

4 0

1 5

1 6

1 7

1 8

2 3

2 4

2 5

2 6

1 9

2 0

2 1

2 2

2 7

2 8

2 9

3 0

1 3

1 4

3 2

1 1

3 1

1 2

1

8 9

1 0

R A 0 / A N 0

R A 1 / A N 1

R A 2 / A N 2 / V R E F - / C V R E F

R A 3 / A N 3 / V R E F +

R A 4 / T 0 C K I / C 1 O U T

R A 5 / A N 4 / S S * / C 2 O U T

R B 0 / I N T

R B 1

R B 2

R B 3 / P G M

R B 4

R B 5

R B 6 / P G C

R B 7 / P G D

R C 0 / T 1 O S O / T 1 C K I

R C 1 / T 1 O S I / C C P 2

R C 2 / C C P 1

R C 3 / S C K / S C L

R C 4 / S D I / S D A

R C 5 / S D O

R C 6 / T X / C K

R C 7 / R X / D T

R D 0 / P S P 0

R D 1 / P S P 1

R D 2 / P S P 2

R D 3 / P S P 3

R D 4 / P S P 4

R D 5 / P S P 5

R D 6 / P S P 6

R D 7 / P S P 7

O S C 1 / C L K I N

O S C 2 / C L K O U T

V D D

V D D

V S S

V S S

M C L R * / V P P

R E 0 / R D * / A N 5

R E 1 / W R * / A N 6

R E 2 / C S * / A N 7

R A 2

R B 7

R D 4

R B 3

R A 3

R E 0

C 1 5

3 3 p

Y 2

2 0 M

R D 7

C 1 4

3 3 p

R B 4

V D K P I C 1 6 f 8 7 7 A

R X

R D 5

R D 6

R A 4

R E 1

R C 0

R B 5

R B 0

R A 0

R A 5

R D 0

R E 2

R 3 2

1 0 k

R D 3

R B 1

R D 2

vi điều khiển PIC Đầu vào của ADC nằm ở các chân A0, A1, A2, A3, A5, E0, E1, E2 của Pic 16F877A, ta có thể chọn bất kỳ 1 trong các chân trên để nối với đầu ra của khâu khuếch đại

 Khâu hiển thị : nhóm sử dụng 4 LED 7 đoạn để hiển thị các kết quả đo được Các tín hiệu đầu vào được lấy từ port D và các chân C0, C1, C2, C3 của port C của pic 16F87A

C 0

S W 4 9

S W D I P - 4 / S M

V C C

V C C

V C C

U 6 0 8

V C C

U 6 0 9

V C C

U 6 1 0

V C C

U 6 1 1

V C C

Q 6 2 1

A 1 0 1 5

3

D 1

D 7

D 0

D 4

D 2

D 6

Q 6 2 2

A 1 0 1 5

3

Q 6 2 3

A 1 0 1 5

3

Q 6 2 4

A 1 0 1 5

3

R 8 3

R

R 8 4

R

R 8 6

R

R 8 7

R

V C C

R 8 8

C 1

S W 4 8

S W D I P - 8

R 8 9

R 9 1

R 9 3

C 2

R 9 5

C 3

Các điện trở sử dụng trong mạch này là các điện trở hạn chế dòng qua led nên ta chọn giá trị của chúng bằng 330 Ω

hơn nhằm để thu thập dữ liệu và thực hiện các phép điều khiển trong công nghiệp Để thực hiện điều này thì nhóm sử dụng module truyền thông có sẵn trong PIC theo chuẩn RS232

 Hiển thị lên máy tính: Lập trình giao diện trên Visual Basic Sử dụng cổng COM để giao tiếp giữa bo mạch với máy tính Trên giao diện Visual Basic, ta vẽ được đồ thị của áp suất Hiển thị được số liệu lên máy tính từ đó chúng ta có thể thu thập số liệu lưu trữ nhằm mục đích sử dụng về sau này Đồng thời chúng ta cũng có thể gửi các lệnh điều khiển xuống vi điêu khiển

MAX232

C 1 + 1

C 1 - 3

C 2 + 4

C 2 - 5

V + 2

V -6

R 1 O U T 1 2

R 2 O U T 9

T 1 I N 1 1

T 2 I N

1 0

R 1 I N

1 3

R 2 I N 8

T 1 O U T

1 4

T 2 O U T 7

V C C

R X DT X D C 7C 6

P1

C O N N E C T O R D B 9

5 9 4 8 3 7 2 6 1

C 1 8 1 0 u / 5 0 V

C 1 4

4 7 u / 5 0 V

C 1 5

1 0 u / 5 0 V

C 1 6

1 0 u / 5 0 V

C 1 7

1 0 u / 5 0 V

V C C

Các giá trị của các linh kiện trong mạch giao tiếp được chọn theo datasheet của

IC MAX232 và có giá trị như trên hình

Chương trình nạp vào Pic 16F877A

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// CHUONG TRINH DOC CAM BIEM AP SUAT //

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include <16F877A.h>

#DEVICE ADC=10

#include <math.h>

#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

#define LED3 PIN_B3

byte const MALED[10] = {0xC0,0xCF,0x64,0x46,0x4B,0x52,0x50,0xC7,0x40,0x42}; //MA LED 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

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);

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)

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)

{

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<15;i++)

{

value=value+read_adc();

}

adc=value/15;

apsuat=(float)(value/15);

apsuat=apsuat*115/1023;

//GOI DU LIEU LEN MAY TINH BANG CHUAN RS232

delay_ms(1);

disable_interrupts(global);

putc(adc>>8);

putc(adc);

enable_interrupts(global);

TFlag=0;

}

else

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

2 Đánh giá:

Việc thực hiện đề tài đã cho kết quả tốt, giao diện dễ sử dụng và chương trình

dễ hiểu Tuy nhiên do phạm vi thực hiện đề tài chỉ cho phép trong một môn học

và một số điều kiện thực tế không cho phép chúng tôi tiếp tục thực hiện đề tài với mục đích lớn hơn nên bo mạch của chúng tôi chỉ cho phép làm việc với môi trường có áp suất từ 15 – 115 kPa tương đương với áp suất không khí (gần 100 kPa)