Nghiên cứu và chế tạo máy dò kim loại

Chiếc máy dò kim loại đầu tiên trên thế giới được chế tạo bởi nhà khoa học Gerhard Fischer, người Mỹ gốc Thụy Điển, đã được cấp bằng sáng chế năm 1937. Kể từ khi ra đời, chiếc máy dò kim loại, hoạt động dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, đã được sử dụng nhiều trong quân đội, đáp ứng nhu cầu dò mìn và vũ khí trong chiến tranh thế giới thứ II. Cho đến nay, máy dò kim loại đã có ứng dụng rộng rãi, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như các lĩnh vực an ninh, khảo cổ, xây dựng… Dù đã đem lại nhiều lợi ích đáp ứng nhu cầu của đời sống, song với hoạt động theo nguyên lí cảm ứng điện từ, chiếc máy còn nhiều nhược điểm như độ nhạy thấp, cấu trúc phức tạp và tiêu tốn nhiều điện năng. Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển cùng với sự phát triển lớn mạnh của công nghệ vi điện tử, các nhà sản xuất đã đưa ra một công nghệ dò tìm kim loại mới: sử dụng cảm biến từ trường, tích hợp với vi điều khiển tạo ra những chiếc máy dò kim loại hiện đại được vi tính hoá. Công nghệ microchip cho phép người sử dụng có thể tự ý thiết lập độ nhạy, loại kim loại cần dò, tốc độ dò, mức ngưỡng…v.v và lưu giữ lại các thông số đo được. So với các máy dò kim loại theo nguyên lí cũ, những chiếc máy công nghệ mới này có khối lượng nhẹ hơn, khả năng tìm kiếm sâu hơn, tiêu tốn ít năng lượng, và đặc biệt là khả năng phân biệt loại kim loại, xác định đúng loại kim loại cần tìm. Một trong những nhà sản xuất đi đầu trong lĩnh vực này là Honeywell với công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng AMR sensor, tạo ra những cảm biến có độ chính xác và độ nhạy cao dùng trong các máy dò kim loại sắt từ. Với những tính năng ưu việt do công nghệ mới đem lại, các máy dò kim loại mới này đang dần thay thế các máy dò kiểu cũ. Vừa qua hãng điện tử Phillips đã đăng kí sản phẩm điện thoại di động tích hợp cảm biến từ độ nhạy cao của Honeywell, có ứng dụng dò tìm kim loại để tung ra thị trường trong thời gian tới. Với sự quan tâm và hứng thú tìm hiểu công nghệ mới, trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nghiên cứu, tìm hiểu về cảm biến từ trở không đẳng hướng của Honeywell, và ứng dụng thiết kế, chế tạo một máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm biến này. Với đề tài “Nghiên cứu và chế tạo máy dò kim loại”, báo cáo của em gồm những phần chính sau: - Phần 1: Trình bày các kiến thức tổng quan về cảm biến từ trường, công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng, cảm biến HMC1053 và HMC2003 của Honeywell. - Phần 2: Trình bày ý tưởng thiết kế và thiết kế cụ thể máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm biến HMC1053, HMC2003, lập trình phần mềm trên vi điều khiển PSoC và lập trình giao diện trên máy tính bằng phần mềm Visual Basic. - Phần 3: Phụ lục. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do thời gian làm đồ án tốt nghiệp có hạn và kinh nghiệm làm thực tế còn yếu, đề tài hoàn thành chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để mình có thể hiểu sâu vấn đề hơn và để có thể phát triển đề tài trở nên hoàn thiện hơn.

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Kĩ Thuật Đo và TinHọc Công Nghiệp đã tận tâm nhiệt tình dạy dỗ chúng em trong suốt những nămhọc vừa qua Nếu không có những kiến thức rất bổ ích mà em đã tiếp thu đượccủa các thầy cô thì em sẽ không thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này Emxin cảm ơn Phòng Công nghệ Tự Động Hoá - Viện Công Nghệ Thông Tin - ViệnKhoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện học tập và làm việc tốt cho

em trong thời gian thực tập và làm đồ án Em xin cảm ơn GS.TSKH PhạmThượng Cát và TS Phạm Minh Tuấn và các bác, các anh chị trong phòng Côngnghệ Tự Động Hoá đã giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đồ án tốtnghiệp Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã giúp

đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và đặc biệt là trong thời kỳ làm đồ

án tốt nghiệp

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Quốc Cường người đã tận tâm hướng dẫn em và cho em nhiều lời khuyên quí báu trong quátrình thực hiện đồ án này

Hà Nội tháng 5 năm 2007

Sinh viên

Nguyễn Thùy Giang

an ninh, khảo cổ, xây dựng…

Dù đã đem lại nhiều lợi ích đáp ứng nhu cầu của đời sống, song với hoạtđộng theo nguyên lí cảm ứng điện từ, chiếc máy còn nhiều nhược điểm như độnhạy thấp, cấu trúc phức tạp và tiêu tốn nhiều điện năng

Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển cùng với sự phát triển lớnmạnh của công nghệ vi điện tử, các nhà sản xuất đã đưa ra một công nghệ dò tìmkim loại mới: sử dụng cảm biến từ trường, tích hợp với vi điều khiển tạo ra nhữngchiếc máy dò kim loại hiện đại được vi tính hoá Công nghệ microchip cho phépngười sử dụng có thể tự ý thiết lập độ nhạy, loại kim loại cần dò, tốc độ dò, mứcngưỡng…v.v và lưu giữ lại các thông số đo được So với các máy dò kim loạitheo nguyên lí cũ, những chiếc máy công nghệ mới này có khối lượng nhẹ hơn,khả năng tìm kiếm sâu hơn, tiêu tốn ít năng lượng, và đặc biệt là khả năng phânbiệt loại kim loại, xác định đúng loại kim loại cần tìm Một trong những nhà sảnxuất đi đầu trong lĩnh vực này là Honeywell với công nghệ cảm biến từ trở không

Với sự quan tâm và hứng thú tìm hiểu công nghệ mới, trong thời gian làm

đồ án tốt nghiệp, em đã nghiên cứu, tìm hiểu về cảm biến từ trở không đẳnghướng của Honeywell, và ứng dụng thiết kế, chế tạo một máy dò kim loại sắt từ

- Phần 2: Trình bày ý tưởng thiết kế và thiết kế cụ thể máy dò kim loại sắt từ

sử dụng cảm biến HMC1053, HMC2003, lập trình phần mềm trên vi điều khiểnPSoC và lập trình giao diện trên máy tính bằng phần mềm Visual Basic

- Phần 3: Phụ lục

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do thời gian làm đồ án tốt nghiệp có hạn

và kinh nghiệm làm thực tế còn yếu, đề tài hoàn thành chắc chắn không thể tránhkhỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để mình cóthể hiểu sâu vấn đề hơn và để có thể phát triển đề tài trở nên hoàn thiện hơn

Em xin cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Quốc Cường đã hướng dẫn em thựchiện đề tài này Em xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn đã dạy em những kiếnthức trong những năm qua, tạo điều kiện tốt cho em thực hiện đề tài này

Hà Nội, tháng 5 năm 2007 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thùy Giang

CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG HMC1053

I.CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG

Từ xa xưa, các dụng cụ phát hiện được từ trường trái đất như la bàn đãgiúp cho người thám hiểm định hướng trên biển hay trong rừng rậm bằng cáchxác định các cực từ trái đất Ngày nay, việc nhận biết và đo đạc từ trường đã pháttriển mạnh do nền công nghiệp hiện đại yêu cầu nhiều loại cảm biến từ trườngkhác nhau để nhận biết sự xuất hiện, cường độ hay hướng của các từ trườngkhông chỉ của trái đất mà còn từ trường tạo bởi nam châm vĩnh cửu, nam châm từhóa, từ trường nhiễu do xe cộ tạo ra và các từ trường tạo bởi dòng điện Các cảmbiến từ trường có thể xác định các đặc tính này mà không cần có một tiếp xúc vật

lí nào Chúng đã trở thành mắt nhìn của nhiều hệ thống điều khiển công nghiệp

Một vấn đề phổ biến khi sử dụng cảm biến từ trường, đó là từ trườngkhông phải đại lượng chính cần đo Thông số cần đo thường là tốc độ bánh xe, sựxuất hiện của mực từ, phát hiện xe cộ, hay định hướng Những thông số nàykhông thể đo trực tiếp, nhưng có thể suy được từ những thay đổi hay nhiễu trong

từ trường Các cảm biến thông thường như cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, sứccăng, hay các cảm biến quanh đều có thể chuyển trực tiếp thông số cần đo về mộtgiá trị đầu ra tỉ lệ điện áp hay dòng điện Nhưng mặt khác, việc sử dụng cảm biến

từ để định hướng, nhận biết sự xuất hiện, chiều quay, góc quay hay dòng điện đềuchỉ có thể được xác định gián tiếp thông qua giá trị từ trường Trước tiên, các giá

Cảm biến đo các đại lượng thông thường và cảm biến từ

2 Phân loại cảm biến từ trường

Một cách để phân loại cảm biến từ trường là phân theo cường độ từ trường đođược Theo cách này ta chia cảm biến từ trường thành 3 loại:

- Cảm biến từ trường cường độ thấp: < 1 µGauss

- Cảm biến từ trường cường độ trung bình: từ 1 µGauss đến 10 Gauss: sensor từtrường trái đất

- Cảm biến từ trường cường độ cao: > 10 Gauss

Bảng sau liệt kê một số công nghệ sensor và dải đo của chúng

Ứng dụng mạch điện dò kim loại sử dụng các cảm biến từ trường không đẳnghướng (AMR sensor), làm việc trong phạm vi giá trị từ trường trái đất Các sensorAMR có thể phát hiện cả hướng và độ lớn của từ trường, dùng trong các ứngdụng phát hiện vật thể bằng sắt.

3 Cảm biến từ trở không đẳng hướng (Sensor AMR)

Sensor AMR (cảm biến từ trở không đẳng hướng) là cảm biến thích hợpvới dải đo từ trường trái đất Sensor AMR có thể nhận biết các từ trường tĩnh mộtchiều, đo được cường độ và hướng của từ trường Sensor này là một sợi mỏnglàm bằng hợp kim Ni-Fe đặt trong một vỏ silicon như một dây điện trở, gọi làfilm Permalloy Cấu trúc vật liệu chế tạo của film Permalloy làm giá trị trở khángcủa nó thay đổi 2-3% khi xuất hiện từ trường Thông thường, 4 dây từ trở nàyđược nối với nhau theo dạng mạch cầu Wheatstone, nhờ vậy có thể đo cả hướng

và độ lớn của 1 từ trường theo 1 trục nhất định Điện trở thông thường của cầu làvào khoảng 1 kΩ Với các sensor AMR thông thường, dải thông vào khoảng 1-5MHz Giá trị của cảm biến từ trở biến đổi rất nhanh khi từ trường thay đổi vàkhông bị giới hạn bởi cuộn dây hay tần số dao động Ưu điểm của sensor AMR

là có thể gắn vào các mạch tích hợp thương mại, điều này cho phép sensor AMR

có thể tự kết hợp với các mạch và linh kiện hệ thống khác

Mạch cầu cảm biến AMR

Độ nhạy của cầu thường được biểu diễn cỡ mV/V/Oe

V là kí hiệu của điện áp vào cầu Vbridge = Vb Nếu độ nhạy là 3mV/V/Oe

và Vb=5V thì giá trị áp ra sẽ là 15mV/Oe Bằng cách chọn bộ khuyếch đại cầuphù hợp, ta có thể thu được mức điện áp ra là 1 microVolt Điều này dẫn đến độphân giải từ 67microOersted, hay 1/15000 Oersted Nếu hệ số khuyếch đại điện

áp cầu ra là 67 thì độ nhạy đầu ra tổng sẽ là 1V/gauss (=67 x 15 mV/gauss) Nếudải đo là ±2 Gauss, thì đầu ra biến thiên trong khoảng từ 0,5V đến 4,5V Mức tínhiệu này thích hợp với hầu hết các bộ chuyển đổi ADC Sử dụng một sensorAMR và một bộ khuyếch đại, có thể nhận biết được chính xác hướng và độ lớncủa từ trường

Có những kĩ thuật thiết kế cụ thể để tạo ra các hệ thống phụ sensor từtrường nhạy Bằng cách đơn giản đổi đặc tính của film Permalloy, điện áp offsetcủa sensor cũng như độ trôi nhiệt của sensor và khuyếch đại có thể loại bỏ Cácdây offset on-chip có thể dùng để tự động căn chỉnh sensor AMR trong các ứngdụng cụ thể, khi hoạt động bình thường Biến đổi khuyếch đại đầu ra do nhiệt cóthể giảm đáng kể bằng cách sử dụng một kĩ thuật hồi tiếp vòng kín, nhờ vậysensor hoạt động trong môi trường từ ban đầu bằng 0

4 Cảm biến đo từ trường HMC1053 (Honeywell)

HMC1053 là bộ cảm biến đo vectơ từ trường trên 3 trục X, Y, Z dùng để đocác từ trường có cường độ nhỏ (gấp 2 đến 3 lần từ trường trái đất) HMC1053 sửdụng công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng AMR của Honeywell có độnhạy và độ chính xác cao, cung cấp những ưu điểm vượt trội so với các cảm biến

từ theo công nghệ cảm ứng qua vòng dây cổ điển HMC1053 là các cảm biến từtrạng thái tĩnh, độ nhạy cao chuyên dùng để đo hướng và độ lớn của từ trường trái

đất, có giá trị cường độ trong khoảng từ 120 µGauss đến 6 Gauss.Các cảm biến từtrường của Honeywell là một trong những cảm biến có độ nhạy và độ tin cậy caonhất trong công nghiệp, với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như la bàn, từ

kế, phát hiện kim loại và cảm biến dòng…

Mặt dưới cảm biến HMC1053

Đặc điểm

- Kích thước nhỏ thích hợp cho các ứng dụng cầm tay, cỡ nhỏ

- Khả năng đo chính xác 3 trục vectơ từ trường (x,y,z)

- Điện áp hoạt động thấp (min 1.8V)

- Thích hợp cho các ứng dụng dùng pin

- Giá thành rẻ, chi phí thấp

- Mạch cầu Wheatstone 4 dây từ trở

- Độ nhiễu thấp

- Dải đo từ trường rộng (+/- 6 Oe)

- Có thể dùng trong các môi trường từ mạnh

- Các dây Set/Reset và Offset linh hoạt, tiện lợi

Sơ đồ chân HMC1053

HMC1053 tích hợp cảm biến từ trở là các thiết bị cầu Wheatstone, dùng để đo các

từ trường có cường độ thấp Cấp điện áp cho mạch cầu, cảm biến chuyển đổi cácgiá trị từ trường thành độ chênh các giá trị điện áp ra

Tích hợp cùng cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone là 2 cặp dây có từ tính:cặp dây offset và cặp dây set/reset Các cặp dây này được Honeywell thiết kế đểđiều chỉnh các từ trường nhiễu ngẫu nhiên và thay thế cho cho các cuộn trường

Hầu hết các ứng dụng không dùng đến chân offset Khi đó, ta có thể để hở mộthay cả hai đầu Off+ và Off- hay nối đất một trong 2 chân Chú ý không được nối

2 chân vào nhau để tránh làm ngắn mạch từ

Dây set/reset là dây kim loại xoắn, có giá trị trở kháng nhỏ, vào khoảng 3đến 6 Ω với giá trị dòng đỉnh tối thiểu qua dây là 0,4A để tạo xung Set và Reset.Thông thường, dây Set/Reset phải được dùng theo chu kì nhất định để điều hoàlại các miền từ của dây từ trở, đảm bảo hoạt động tin cậy và ổn định

Dây set/reset có thể nhận xung dòng cao để thực hiện: 1) cho phép sensorthực hiện các ứng dụng đo đòi hỏi độ nhạy cao 2) đảo cực điện áp cầu ra 3) nạpxung theo chu kì để tăng độ tuyến tính, giảm tác động của nhiệt

Thông thường thì một xung Reset được gửi đi trước, tiếp đến là xung Setsau đó vài mili giây Bằng cách đẩy các miền từ về hai hướng hoàn toàn ngượcnhau, bất cứ nhiễu từ dư nào đều bị xoá hoàn toàn bằng cặp xung trên

Sensor khi chịu tác động của từ trường cường độ cao có thể dẫn đến đo sai,giảm độ nhạy, hay điện áp đầu ra của sensor không biến đổi (kẹt sensor) Cho tớikhi nhận được tác động của xung Set/Reset, sensor mới có thể trở về hoạt độngbình thường

Mạch điều khiển Set/Reset có tác dụng tạo dòng xung giải phóng từ trườngkhỏi cầu sensor, để tránh làm giảm đặc tính hoạt động của sensor sau khi chịu từtrường cao bất thường (từ trường vượt quá ±10 Gauss) Từ trường cao có thể gây

ra bởi nam châm vĩnh cửu, động cơ điện, và các dây cáp mang dòng lớn Bằngcách gửi theo chu kì các xung có độ lớn dòng thích hợp, phần từ dư trong filmPermalloy sẽ bị xoá Quá trình này tương tự như xoá nội dung của một băng từ,chúng có điểm chung là cùng chứa các film Permalloy

Sơ đồ mạch Set/Reset dùng IRF7509N

5 Cảm biến đo từ trường HMC2003 (Honeywell)

Các tín hiệu ra từ cảm biến HMC1053 cần phải đưa qua một khuyếch đạithuật toán Op-Amp để có thể đi vào bộ chuyển đổi tương tự-số ADC Với mụcđích cung cấp sự tiện lợi cho người sử dụng cũng như đáp ứng khả năng sử dụnglinh hoạt cho các ứng dụng khác nhau, Honeywell cũng đã đưa ra thị trường cảmbiến HMC2003 là bộ cảm biến tích hợp cảm biến từ HMC1053 và ba bộ khuyếchđại tín hiệu Tín hiệu điện áp đầu ra Xout, Yout và Zout nằm trong dải điện áp 0 –5V sẵn sàng để đi vào chuyển đổi tương tự - số ADC, giúp người sử dụng khôngcần phải lắp thêm bộ khuyếch đại bên ngoài

Các chân Xout, Yout, Zout là các tín hiệu điện áp đầu ra của cầu, đã đi qua

bộ khuyếch đại với hệ số khuyếch đại thích hợp để tạo ra dải điện áp 0 – 5V.Ngoài ra, hãng Honeywell cũng đưa ra các chân Xtrim, Ytrim, Ztrim là tín hiệuđiện áp đầu ra của cầu chưa đi qua bộ khuyếch đại để người sử dụng có thể tự lựachọn bộ khuyếch đại với hệ số thích hợp cho ứng dụng của riêng mình Các giá trịđiện áp Xtrim, Ytrim, Ztrim là các điện áp tương tự đầu ra của cầu so với đất

- Đầu ra tương tự có căn chỉnh

Sơ đồ chân cảm biến HMC2003:

Do khối trọng tâm bên trong là cảm biến HMC1053 nên nguyên lí hoạt độngnói chung cũng như khả năng nhận biết kim loại sắt từ nói riêng của HMC2003cũng tương tự như HMC1053 Hiểu biết về hoạt động của cảm biến HMC1053, ta

có thể thiết kế các sơ đồ mạch nhận biết kim loại sắt từ sử dụng cả hai loại cảmbiến này

II Nguyên lí nhận biết kim loại sắt từ của cảm biến từ HMC1053

1 Từ trường trái đất

Trái đất tạo ra một từ trường có giá trị cố định không đổi trên một diện tíchrộng (khoảng vài km2) Từ trường trái đất mà la bàn thu được có cường độkhoảng 0,5 đến 0,6 Gauss, và có thể coi gần bằng từ trường tạo ra từ một namchâm lưỡng cực như hình dưới đây

Điều này tương tự như đặt 1 thanh dài nam châm từ hoá dọc theo trục đi quatâm trái đất Các cực của thanh nam châm này lệch khoảng 11,5˚ so với cực địa lítrái đất Cực nam của nam châm ứng với cực bắc trái đất

Từ trường trái đất coi như một từ trường đều có cường độ 0,5-0,6 Gaussxuyên qua mọi vật giữa 2 cực từ bắc-nam Như vậy, ta dùng một cảm biến từtrường cường độ nhỏ như HMC1053 để đo tín hiệu từ trường này của trái đất,đồng thời đo từ trường nhiễu mà các vật thể bằng sắt ở gần đó tạo ra Hình dướiđây mô tả một ví dụ về các đường sức từ của trái đất ở điều kiện bình thường, vànhiễu từ khi xung quanh có một vật bằng sắt xuất hiện

trái đất Như vậy, dựa vào sự thay đổi độ lớn của cường độ từ trường đo được,cảm biến có thể nhận biết được sự xuất hiện của các vật thể bằng sắt trong khoảngkhông gian giới hạn xung quanh.

Hình sau chỉ rõ một vật làm bằng sắt , trường hợp này là một ôtô có thể tạo

ra một nhiễu cục bộ trong từ trường này khi nó đang đứng yên hay di chuyển.Cảm biến HMC1053 có thể phát hiện ra các thay đổi trong từ trường này của tráiđất do chiếc ôtô gây ra, từ đó có thể tạo ra các ứng dụng khác nhau

2 Nguyên lí nhận biết kim loại sắt từ của cảm biến từ HMC1053

Từ trường trái đất tạo ra có giá trị cố định không đổi trên một diện tích rộngkhoảng vài km2 Đặt trong môi trường bình thường, dưới tác dụng của từ trườngtrái đất, giá trị các dây từ trở cảm biến thay đổi và tạo ra một chênh áp ở đầu racủa cầu Đầu ra cảm biến HMC1053 tạo ra giá trị điện áp V1

Khi trong môi trường xung quanh cảm biến xuất hiện một vật liệu sắt từ, ví

dụ một xe ôtô Khối lượng sắt trong xe làm biến đổi giá trị của từ trường xungquanh vị trí xe xuất hiện Từ trường này tác động vào cảm biến, làm biến đổi giátrị từ trở của các dây film Permalloy, từ đó thay đổi điện áp đầu ra của cầu Lúcnày xuất hiện giá trị điện áp V2 ở đầu ra cảm biến HMC1053

Các giá trị điện áp V1 và V2 này được đưa qua một bộ khuyếch đại với hệ sốkhuyếch đại thích hợp và được đưa vào vi điều khiển Vi điều khiển sẽ tính toán

và hiển thị được giá trị cường độ từ trường H1 bình thường của môi trường tráiđất cũng như giá trị từ trường H2 khi có vật liệu sắt từ, lúc này là một xe ôtô, xuấthiện Đồng thời, qua giá trị ∆H = H1 - H2 , vi điều khiển sẽ xử lí và nhận biết được

sự xuất hiện của khối vật liệu sắt từ

Cảm biến đo từ trường HMC1053 đưa ra 3 đầu ra tín hiệu điện áp qua bộkhuyếch đại trở thành 3 tín hiệu tương tự trong dải 0-5V Ba tín hiệu tương tự nàysau đó đi qua 1 bộ dồn kênh vào chuyển đổi ADC để có thể đưa vào vi xử lí tínhtoán

Sơ đồ nguyên lí

Cảm biến đo từ trường HMC1053 đưa ra 3 đầu ra tín hiệu điện áp qua bộkhuyếch đại trở thành 3 tín hiệu tương tự trong dải 0-5V, đòi hỏi vi điều khiểntiếp nhận và xử lí Ba tín hiệu tương tự này cần đi qua 1 bộ dồn kênh vào chuyểnđổi ADC để có thể đưa vào bộ xử lí CPU Như vậy, nếu sử dụng các loại vi điềukhiển thông thường, ta sẽ cần sử dụng thêm một bộ dồn kênh MUX bên ngoài vàmột bộ chuyển đổi ADC để chuyển đổi chuẩn hóa trước khi đưa tín hiệu vào viđiều khiển Điều này có hạn chế là làm tăng kích thước mạch điện cũng như giáthành thiết bị

Vì vậy, em đã sử dụng vi điều khiển PSoC, nhằm giải quyết được nhữnghạn chế này Là một trong những loại vi điều khiển hàng đầu sử dụng công nghệSystem-on-chip, PSoC là giải pháp mới thích hợp cho các ứng dụng đo lường,điều khiển PSoC (Programmable System on Chip) nghĩa là hệ thống khả trìnhtrên một chip Các chip chế tạo theo công nghệ PSoC cho phép thay đổi được cấuhình đơn giản bằng cách gán chức năng cho các khối tài nguyên có sẵn trên chip.Hơn nữa nó còn có thể kết nối tương đối mềm dẻo các khối chức năng với nhau

hoặc giữa các khối chức năng với các cổng vào ra Chính vì vậy mà PSoC có thểthay thế cho rất nhiều chức năng nền của một số hệ thống cơ bản chỉ bằng mộtđơn chip Bản thân trong chip PSoC đã tích hợp các bộ dồn kênh tương tự và các

bộ ADC có độ phân giải cao, rất phù hợp với yêu cầu của ứng dụng, góp phầnlàm giảm kích thước mạch điện cũng như giảm chi phí của thiết bị

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ

I Nguyên lí làm việc của thiết bị

Thiết bị gồm một đầu dò và một đầu thu, đặt cách nhau 1,2 đến 1,5m Haiđầu dò và thu được đặt song song, cách nhau 1,2 – 1,5m nên các trục vectơ Hx,

Hy, Hz song song với nhau từng đôi một Một đầu dò H1 di chuyển sát mặt đất để

đo cường độ từ trường nhiễu gây bởi vật liệu sắt từ (nếu có) tại vị trí gần mặt đất,đầu thu H2 ở độ cao cách mặt đất 1,2 – 1,5m không bị ảnh hưởng của nhiễu từ dovật liệu sắt từ gây ra, cường độ từ trường H2 đầu thu đo được chính là cường độ

từ trường tự nhiên, không đổi của môi trường xung quanh

Trong trường hợp khoảng không dưới mặt đất tại vị trí của đầu dò H1 không

có vật liệu sắt từ, lúc này Hx1 ≈ Hx2, Hy1 ≈ Hy2, Hz1 ≈ Hz2, từ đó dẫn đến H1 ≈ H2,

màn hình LCD hiển thị ∆Hx ≈ ∆Hy ≈ ∆Hz ≈ ∆H ≈ 0 máy không phát tín hiệu

Khi dưới mặt đất tại vị trí đầu dò H1 xuất hiện vật liệu sắt từ nằm trong vùngcảm nhận từ của đầu dò H1, đầu dò H1 sẽ thu được giá trị vectơ từ trường biến đổi

Hx1, Hy1, Hz1 do vật liệu sắt từ gây ra Trong khi đó, khoảng cách giữa vật liệu

sắt từ dưới đất và đầu thu H2 lớn hơn 1m nên cảm biến của đầu thu H2 không thuđược giá trị từ trường biến đổi do vật liệu sắt từ gây ra Từ trường mà đầu thu H2

thu được là từ trường không đổi của trái đất Trường hợp này Hx1 ≠ Hx2, Hy1 ≠

Hy2, Hz1 ≠ Hz2 , ta có H1 ≠ H2 Người sử dụng đọc được trên màn hình LCD ∆Hx

≠ ∆Hy ≠ ∆Hz ≠ 0 và giá trị ∆H ≠ 0 Dựa vào độ lớn của giá trị ∆H tại vị trí đầu dò

H1 hiện tại và biến đổi ∆H khi đưa đầu dò sang các vị trí lân cận, người sử dụng

có thể khoanh vùng được vị trí hẹp của vật liệu sắt từ bên dưới mặt đất Khi giá trị

∆H tiến đến một độ lớn cụ thể đã định trước (ví dụ 500 mGauss _ là độ biến thiên

từ trường ∆H gây bởi một vật liệu sắt từ khối lượng 0.7 kg, mức ngưỡng của vậtthể cần tìm), đầu thu H2 sẽ báo tín hiệu âm thanh Beep, đồng thời đèn Led trênthiết bị sẽ nháy sáng để gây chú ý cho người sử dụng

Trên thiết bị có gắn cổng RS232 để truyền giá trị Hx1, Hy1, Hz1 và độ lớn H1

về máy tính để xử lí, lưu giữ và vẽ đồ thị biến đổi Hx1, Hy1, Hz1 Dựa vào đồ thịbiểu diễn cường độ từ trường H1 người sử dụng cũng có thể xác định được vị trícủa vật thể sắt từ

Hình sau minh họa đồ thị biến thiên Hx1, Hy1, Hz1 và H1 khi đầu dò H1 quétqua một vật thể sắt từ

Nhìn đồ thị ta có thể nhận thấy trong khoảng thời gian từ giây thứ 1 – 51 và

101 – 151, khoảng không gian bên dưới xung quanh đầu dò không có vật thể sắt

từ, giá trị vectơ từ trường đo được trên cả 3 trục X, Y,Z không biến đổi, biểu hiệnbằng đường thẳng tương đối trong tọa độ thời gian 1 – 51 và 101 – 151 Còntrong khoảng tọa độ thời gian 51 – 101, giá trị từ trường trên cả 3 trục biến đổidẫn đến biến thiên về độ lớn của từ trường H1 từ giá trị 580 mGauss lên đếnkhoảng 800 mGauss Người sử dụng có thể kết luận tại vị trí đầu dò quét quatrong khoảng thời gian 51 – 101 đó, có một vật thể sắt từ nằm dưới đất

Từ trường của 3 trục biến đổi có thể chỉ ra sự xuất hiện của vật liệu sắt từ tại

vị trí đầu dò 1 Đặc biệt là từ trường của trục z, giá trị Hz đạt max khi vật liệu sắt

từ nằm trực tiếp trên cùng một đường với trục z của sensor

II THIẾT KẾ THIẾT BỊ

1.Chức năng yêu cầu của thiết bị

-Thiết bị đo và hiển thị lên máy tính giá trị của ba vectơ cường độ từtrường của môi trường xung quanh theo 3 trục X, Y, Z và độ lớn cường độ từtrường trái đất H tại vị trí đang xét

- Thiết bị cũng dò tìm và nhận biết sự xuất hiện của vật thể sắt từ bằngcách xác định và tính toán giá trị biến thiên từ trường giữa từ trường tại vị trí cầnkiểm tra và từ trường trái đất Giá trị biến thiên này được hiển thị trên màn hìnhLCD đặt trên thiết bị, đồng thời truyền thông hiển thị giá trị và vẽ sơ đồ giá trị từtrường biến thiên trên máy tính

- Khi giá trị từ trường biến thiên đạt đến giá trị ngưỡng ΔR khi từ trườngH định trước,thiết bị phát tiếng kêu Beep và đèn Led nháy sáng báo hiệu cho người sử dụng

2 Lựa chọn linh kiện

2.1 Cảm biến:

Thiết bị sử dụng các cảm biến từ trường HMC1053 và HMC2003, là các cảmbiến được xây dựng trên công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng (AMRsensor) của Honeywell, có độ nhạy cao, độ tin cậy lớn và chi phí thấp

Cảm biến HMC1053…

… và cảm biến HMC2003

Do điều kiện thực tế hiện có 1 cảm biến HMC1053 và 1 cảm biếnHMC2003, nên em đã sử dụng cảm biến HMC2003 cho đầu dò Far Sensor, vàcảm biến HMC1053 cho đầu thu Near Sensor

hạ giá thành, đồng thời khả năng tự cấu hình phần cứng giúp nâng cao độ bảo mậtcho hệ thống.

Lựa chọn các bộ dồn kênh và ADC trong PSoC

- Bộ chọn 4 đầu vào tương tự (4 to 1 Analog Multiplexer)

Có thể lập trình lựa chọn đầu vào bằng phần mềm:

AMUX4_InputSelect(AMUX4_Port0_1);

- Bộ khuyếch đại không đảo PGA _ Programmable Gain Amplifier

-Độ khuyếch đại có thể lập trình với 33 cấp, độ khuyếch đại tối đa là 48

-Một đầu ra đơn với điện áp tham chiếu có thể lựa chọn

-Trở kháng đầu vào cao

Ở đây ta sử dụng PGA làm bộ đệm giữa AMUX và ADC Do thiết đặt phần cứng

về vị trí của AMUX và ADC, tín hiệu điện áp do AMUX chọn sẽ đi qua PGA vào ADC

- Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC

ADC sẽ xử lí tín hiệu tương tự và đưa ra giá trị số tương ứng để CPU xử lí

2.4 LCD

Giá trị từ trường biến thiên được hiển thị lên màn hình LCD gắn trên thiết bị Thiết bị sử dụng LCD 1602,sử dụng giao thức theo tiêu chuẩn công nghiệp của HITACHI HD44780

Bảng kết nối chân của LCD với chân của PSoC:

1 4 7

1 2 9

1 1

1 0

1 3 8

1 4 7

3.Thiết kế sơ đồ khối

Thiết bị gồm 2 phần: đầu dò Far Sensor đo từ trường tại vị trí cần xét và đầu thu Near Sensor nhận tín hiệu, tính toán và truyền thông hiển thị

3.1 Sơ đồ đầu dò Far Sensor:

Cảm biến HMC2003 đưa ra 3 đường tín hiệu điện áp tương tự X, Y, Z có dảiđiện áp trong khoảng 0 – 5V đưa vào vi điều khiển Khối dồn kênh AMUX lầnlượt đưa 3 tín hiệu này vào ADC để tạo ra giá trị số đưa vào CPU CPU tính toán,

xử lí và truyền dữ liệu H1 lên đầu thu Near Sensor thông qua cổng RS232

PSoC CY8C29466CPU

RAMFLASH

Sensor

NguồnCảm

ADC

12 bit

CPU

3.2 Sơ đồ đầu thu Near sensor:

Một mặt, đầu thu Near Sensor cũng có tích hợp một cảm biến từ trườngHMC1053 Cảm biến HMC1053 này đưa ra 3 đường tín hiệu x y, z dưới dạngđiện áp tương tự nhỏ (mV) Các tín hiệu này đi qua bộ khuyếch đại thuật toán với

hệ số khuyếch đại K= 200 trở thành 3 tín hiệu điện áp tương tự X, Y, Z có dảiđiện áp trong khoảng 0 – 5V đưa vào vi điều khiển Khối dồn kênh AMUX lầnlượt đưa 3 tín hiệu này vào ADC để tạo ra giá trị số hạng hex đưa vào CPU CPUlưu giữ giá trị cường độ từ trường H2

Mặt khác, đầu thu Near Sensor nhận dữ liệu cường độ từ trường H1 từ đầu dò FarSensor CPU thu thập, xử lí hai giá trị từ trường này, tính toán giá trị cường độ từtrường biến thiên ΔR khi từ trườngH, so sánh với giá trị ΔR khi từ trườngH ngưỡng và đưa ra kết luận về sự xuấthiện của vật sắt Các số liệu tính toán được hiển thị lên LCD và truyền thông đểhiển thị và vẽ đồ thị trên máy tính

PSoC CY8C29466

Tính

CPURAMFLASH

ADC

12 bit HMC

4 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị

4.1 Khối nguồn

4.2 Bộ nạp

4.3 Cảm biến

4.4 Khâu khuyếch đại

4.5 Khối Set/Reset

Khối Set/Reset để khử từ trường dư của HMC1053, đảm bảo cảm biến hoạt động

ổn định và chính xác

4.6 Sơ đồ chân của vi điều khiển PSoC của đầu dò Far sensor

4.7 Đầu dò Far sensor truyền tín hiệu lên đầu thu Near Sensor:

4.8 Sơ đồ nối chân LCD

4.9 Đầu thu Near sensor nhận tín hiệu từ đầu dò và truyền dữ liệu lên máy tính:

4.10 Loa, Led báo hiệu và mạch Set/Reset của Near sensor

4.11 Sơ đồ chân vi điều khiển PSoC của đầu thu Near sensor

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

2 PCB đầu thu Near Sensor:

II.Thiết kế phần mềm

1.Thiết kế vi điều khiển PSoC:

1.1 Xác lập cấu trúc phần cứng cho PSoC:

Bản thân vi điều khiển PSoC ban đầu là một chip trắng Khác với cácdòng vi điều khiển trước, chíp PSoC trắng ban đầu chưa có cấu hình phần cứngxác định Khi chưa được cấu hình chip PSoC không thể thực hiện được bất kỳmột chức năng nào Người sử dụng có thể và cần phải thiết đặt cấu hình phầncứng bên trong cho PSoC phù hợp với yêu cầu hệ thống của mình Điều này chothấy tính linh hoạt của vi điều khiển PSoC so với các vi điều khiển thông thườngkhác

Để hỗ trợ việc thiết đặt cấu hình phần cứng bên trong PSoC được đơn giản

và dễ dàng, hãng Cypress đã thiết kế chương trình phần mềm PSoC Designer, sửdụng phương pháp lập trình kéo - thả để người dùng có thể thiết đặt cấu hìnhphần cứng của PSoC được tiện lợi

Cấu trúc bên trong của chip PSoC “trắng”thể hiện trên PSoC Designer