Các cảm biến đo áp suất còn được sử dụng trongcác nhà máy để kiểm soát mức áp suất hợp lý cho các hệ thống, ví dụ trong các nhàmáy nhiệt điện, các nhà máy có hệ thống nung hay nén vật li
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
******
BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1
Đề tài:
Thiết kế thiết bị đo áp suất ba kênh sử dụng cảm biến áp
suất có tín hiệu ra 4-20mA
2018631320181339
Mục lụ
0
Trang 21.1 Áp suất 4
1.2 Cảm biến áp suất là gì? 4
1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất 5
1.4 Ứng dụng của cảm biến áp suất 7
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 8
2.1 Mộ hình thiết bị 8
2.2 Lựa chọn linh kiện 8
2.2.1 Modun wifi esp32 8
2.2.2 Modun chuyển tín hiệu dòng áp 9
CHƯƠNG 3: MÔI TRƯỜNG LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 10
3.1 Môi trường lập trình adruino cho ESP32 10
3.2 Thingspeak 10
3.3 Phầm mềm mô phỏng 11
3.4 Phần mềm thiết kế mạch điện tử 12
CHƯƠNG 4: THỰC THI THIẾT KẾ 13
4.1 Thiết kế phần cứng 13
4.1.1 Thiết kế modun chuyển đổi tín hiệu dòng-áp 13
4.2.2 Thiết kế nguồn cho modun chuyển đổi tín hiệu dòng áp: 16
CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 17
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 19
Tài liệu tham khảo 20
Trang 3Danh mục hình ảnh
Hình 1. Cảm biến áp suất trong hệ thống bơm nước 5
Hình 2. Cấu tạo cảm biến áp suất 5
Hình 3. Nguyên lí hoạt động của cám biến áp suất 6
Hình 4. Ứng dụng cảm biến áp suất 7
Hình 5. Mô hình thiết bị đo áp suất 8
Hình 6. Sơ đồ các cổng giao tiếp của ESP32 9
Hình 7. Phần mềm Arduino IDE 10
Hình 8. Trang Web Thingspeak 11
Hình 9. Phần mềm Proteus 11
Hình 10. Phần mềm Altium designer 12
Hình 11. Mạch chuyển tín hiệu dòng thành tín hiệu điện áp 13
Hình 12. Mạch cộng đảo 13
Hình 13. Mạch điều chỉnh tín hiệu điện áp về giá trị mong muốn 14
Hình 14. Mạch chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-3.3V 15
Hình 15. Mô phỏng mạch chuyển đổi tín hiệu 15
Hình 16. Mạch PCB 2D và 3D 16
Hình 17. Modun chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-3.3V 16
Hình 18. Nguồn đối xựng tạo ra từ 2 Adapter 16
Hình 19. Modun chuyển đổi tín hiệu dòng áp 17
Hình 20. Mô hình kiểm tra đánh giá thiết bị đo áp suất 17
Hình 21. Kết quả đo được trên Thingspeak 18
Danh mục bảng biểu Bảng 1. Tín hiệu vào ra và kết quả của hệ thống 18
2
Trang 4Lời cảm ơn
Chúng em xin chân thanh cảm ơn thầy Chu Đức Việt đã tận tình hướng
dẫn và truyền thụ những kiến thức cơ bản để chúng em có thể hoàn thanh đồ ánnày. Tuy vậy, do những hạn chế về kiến thức thực tế nên đồ án còn nhiều thiếu sót.Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy để hoan thiện hơn đồ ánnày
Mở đầu
Đo áp suất là một trong những chức năng đo cơ bản nhất trong bất cứ ngànhcông nghiệp nào. Từ một nhà máy lọc dầu đến một chiếc xe ủi đất, việc đo áp suấtkhí nén, lưu chất thủy lực, chất lỏng trong các quy trình, hơi nước hoặc vô số cácmôi trường trung gian khác là chuyện xảy ra hàng ngày và đóng vai trò then chốtđối với tất cả các cách thức điều khiển. Việc có được dữ liệu chính xác và có ýnghĩa là quan trọng trong các hệ thống giám sát điều khiển động cơ, điều khuểnquá trinh hay chuyển đổi áp suất. Các cảm biến đo áp suất còn được sử dụng trongcác nhà máy để kiểm soát mức áp suất hợp lý cho các hệ thống, ví dụ trong các nhàmáy nhiệt điện, các nhà máy có hệ thống nung hay nén vật liệu đều càn giam sát ápsuất chặt chẽ…
Với những ứng dụng rất phổ biến như đã nêu trên, việc nguyên cứu vềthiết bị đo lường nói chung và thiết bị đo áp suất nói riêng rất quan trọng đối với
Trang 6CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA PHÉP ĐO ÁP SUẤT
1.1 Áp suất
Trong vật lý học, áp suất ( thường được viết tắt là p) biểu thị lực tác độnglên bề mặt vật thể (theo hướng vuông góc) trên một đơn vị diện tích
- Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống như các loại cảm biến khác là cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo của
Trang 7Hình 1 Cảm biến áp suất trong hệ thống bơm nước
1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
Hình 2 Cấu tạo cảm biến áp suất
6
Trang 8 Cảm biến: là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử
lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạngtín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện… về khối xử lý
Khối xử lý: có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện các
xử lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo
áp suất như tín hiệu ngõ ra điện áp 4 ~ 20 mA (tín hiệu thường được sử dụngnhất) , 0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC, 1 ~ 5 VDC)
Tùy vào từng loại cảm biến là cách thức hoạt động cũng khác nhau, có loạihoạt động dựa trên sự biến dạng vật liệu để làm sự thay đổi điện trở, loại thì thayđổi điện dung, loại thì sử dụng vật liệu áp điện, trong đó dạng áp điện trở và kiểuđiện dung là được sử dụng nhiều nhất
Hình 3 Nguyên lí hoạt động của cám biến áp suất
Theo như hình trên, giả sử khi áp suất dương (+) đưa vào thì lớp màng sẽcăng lên từ trái sang phải, còn khi đưa vào áp suất âm (-) thì lớp màng sẽ căngngược lại. Chính nhờ sự thay đổi này tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra tín hiệu đểbiết áp suất là bao nhiêu
Lớp màng của cảm biến sẽ chứa các cảm biến rất nhỏ để phát hiện được sựthay đổi. Khi có một lực tác động vào thì lớp màng sẽ bị thay đổi theo chiều tươngứng với chiều của lực tác động. Sau đó các cảm biến sẽ so sánh sự thay đổi đó vớilúc ban đầu để biết được nó đã biến dạng bao nhiêu %
20ma hoặc 0-10V tương ứng với áp suất ngõ vào
Trang 9Từ đó, sẽ xuất ra tín hiệu ngõ ra tương ứng. Các tín hiệu ngõ ra có thể là 4-1.4 Ứng dụng của cảm biến áp suất
Đo áp suất nước, Đo áp suất khí nén, Dùng để đo áp suất thuỷ lực, Dùng đo
áp suất gas, Đo áp suất các chất lỏng khác…
Cảm biến áp suất dùng để đo trong hệ thống lò hơi, thường được đo trực tiếptrên lò hơi. Khu vực này cần đo chính xác khá cao & phải chịu nhiệt độ cao
Các máy nên khí cũng cần phải đo áp suất để giới hạn áp suất đầu ra, tránhtrường hợp quá áp dẩn đến hư hỏng & cháy nổ
Trên các trạm bơm nước cũng cần cảm biến áp suất để giám sát áp suất đưa
về PLC hoặc biến tần để điều khiển bơm nước
Để điều áp hoặc điều khiển áp suất sau van điều khiển thì cảm biến áp suấtđóng vai trò rất quan trọng vì sẽ ảnh hưởng trực tiếp áp suất đầu ra sau van điềukhiển
Trên các xe cẩu thường có các ben thuỷ lực, yêu cầu giám sát các ben thuỷlực này rất quan trọng vì sẽ ảnh hưởng đến lực kéo của ben. Vì thế họ luôn lắp cảmbiến áp suất để giám sát áp suất trên các ben thuỷ lực này
Các tank chứa nước hoặc nguyên vật liệu thường dùng cảm biến áp suất để
đo mức các tank này
8
Trang 10Hình 4 Ứng dụng cảm biến áp suất
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ
2.1 Mộ hình thiết bị
Hình 5 Mô hình thiết bị đo áp suất
3.3V và truyền vào modun ESP32. Dữ liệu sau khi được xử lí qua ESP32 sẽ đượctải lên Thingspeak bằng Wifi
Tín hiệu dòng 4-20mA từ cảm biến sẽ được chuyển thành tín hiệu điện áp 0-2.2 Lựa chọn linh kiện
2.2.1 Modun wifi esp32
Từ yêu cầu của đề tài là thiết bị đo nhiều kênh và truyền dữ liệu đo được lêncloud ta chọn bộ xử lý cho thiết bị là modun Nodemcu ESP32
Trang 11o RAM: 520 KByte SRAM
520 KB SRAM liền chip –(trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8 KBRAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep)
2.2.2 Modun chuyển tín hiệu dòng áp
Tín hiệu ra của cảm biến là tín hiệu dòng 4-20mA nhưng ESP32 chỉ nhận tínhiệu đầu vào là tín hiệu điện áp 0-3.3V nên ta cần thêm một modun chuyển đổi tínhiệu dòng 4-20mA sang tín hiệu điện áp 0-3.3V
10
Hình 6 Sơ đồ các cổng giao tiếp của ESP32
Trang 12CHƯƠNG 3: MÔI TRƯỜNG LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ
3.1 Môi trường lập trình adruino cho ESP32
Hình 7 Phần mềm Arduino IDE
Với những người đã quen thuộc với Arduino thì chắc đã hiểu nguyên lý lậptrình trên Arduino IDE là chúng ta sẽ sử dụng các lệnh chuẩn của Arduino nhưSerial.begin(), digitalRead(), digitalWrite(), analogRead(), v.v… Sử dụng các hàmnày sẽ dễ dàng hơn với nhiều người không có kiến thức phần cứng chuyên sâu vìkhông cần làm việc trực tiếp với các thanh ghi điều khiển phần cứng cũng như tất
cả các board hỗ trợ Arduino đều cung cấp các hàm Arduino giống nhau nên khôngcần phải học tập lệnh riêng biệt cho từng board MCU như lập trình truyền thống.Với ESP32 cũng không ngoại lệ, cộng đồng open source đã phát triển 1 bộ thư việncho ESP32 trên Arduino. Chúng ta chỉ cần cài đặt bộ thư viện này vào ArduinoIDE, tìm hiểu các lệnh Arduino được hỗ trợ rồi sử dụng lệnh cần thiết khi lập trình
3.2 Thingspeak
ThingSpeak là một ứng dụng và API Internet of Things (IoT) nguồn mở đểlưu trữ và truy xuất dữ liệu sử dụng giao thức HTTP và MQTT qua Internet hoặcqua Mạng cục bộ. ThingSpeak cho phép tạo ứng dụng cảm biến, ghi nhật ký, ứngdụng theo dõi vị trí và mạng các cảm biến có cập nhật trạng thái lên máy chủ.ThingSpeak ban đầu được ioBridge ra mắt vào năm 2010 như một dịch vụ hỗ trợcác ứng dụng IoT
Trang 13Hình 8 Trang Web Thingspeak
ThingSpeak đã tích hợp hỗ trợ từ phần mềm điện toán số MATLAB củaMathWorks cho phép người dùng ThingSpeak phân tích và trực quan hóa dữ liệu
đã tải lên bằng Matlab mà không cần phải mua giấy phép Matlab từ Mathworks.ThingSpeak có mối quan hệ chặt chẽ với Mathworks, Inc. Trên thực tế, tất cả tàiliệu của ThingSpeak được tích hợp vào trang tài liệu Matlab của Mathworks vàthậm chí cho phép tài khoản người dùng Mathworks đã đăng ký làm thông tin đăngnhập hợp lệ trên trang web của ThingSpeak
3.3 Phầm mềm mô phỏng
Hình 9 Phần mềm Proteus
Phần mềm Proteus là một công cụ thiết kế, vẽ mạch điện nổi tiếng trên thế
giới. Nó cho phép người sử dụng vẽ mạch nguyên lí và mô phỏng hoạt động, vẽmạch in PCB. Proteus có thể mô tả hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng hiện
12
Trang 14nay, đặc biệt hỗ trợ cho cả các phần mềm như 8051, PIC, Motorola, AVR.
Nó có khả năng mô phỏng hoạt động của các mạch điện tử bao gồm phần thiếtnhư kế mạch và viết trình điều khiển cho các loại vi điều khiển như MCS-51,AVR, PIC…
3.4 Phần mềm thiết kế mạch điện tử
Hình 10 Phần mềm Altium designer
Altium Designer bổ sung một áp dụng kết hợp tổng cộng công nghệ, tínhnăng thiết yếu cho việc tăng trưởng sản phẩm điện tử hoàn chỉnh, như thiết kế hệthống ở mức bo mạch, FPGA, tăng trưởng phần mềm nhúng cho FPGA, các bộgiải quyết rời rạc, sắp xếp mạch in (PCB)… Altium Designer thống nhất tất cảnhững chu trình lại, cho phép bạn quản lý được mọi mặt quá trình phát triển hệthống tại môi trường tích hợp độc nhất. kỹ năng đó kết hợp với khả năng quan sátcũng như quản lý dữ liệu thiết kế hiện đại cho phép người sử dụng AltiumDesigner tạo ra nhiều hơn những món đồ điện tử lanh lợi, với tiền bạc sản phẩmthấp hơn , thời gian tăng trưởng ngắn hơn
Trang 15CHƯƠNG 4: THỰC THI THIẾT KẾ 4.1 Thiết kế phần cứng
4.1.1 Thiết kế modun chuyển đổi tín hiệu dòng-áp
a Thiết kế mạch nguyên lí
Để chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu chúng em sử dụng IC LM324N
Hình 11 Mạch chuyển tín hiệu dòng thành tín hiệu điện áp
Tín hiệu vào IN1 là tín hiệu ra 4÷20mA của cảm biến áp suất. Sau khi đi quaopamp thứ nhất sẽ có giá trị tại cổng số 1 là U1 = 1.32 ÷ 6.6 V.
Để chuyển điện áp từ -1.32÷ -6.6 V sang 0÷3.3V ta sử dụng mạch cộng đảo
Hình 12 Mạch cộng đảo
Biếu thức mối quan hệ giữ Uout và U1, U2:
14
Trang 16Từ đó ta thiết kế được mạch cộng đảo:
Hình 13 Mạch điều chỉnh tín hiệu điện áp về giá trị mong muốn
Chọn R5 = 1k (Ω) => R6 = 7355 (Ω)
Do các điện trở trên thực tế có sai số nên ta sẽ thay điện trở R6 và R3 bằngcác biến trở 10k (Ω)
Trang 17Hình 14 Mạch chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-3.3V
Khi tín hiệu vào là 4mA điều chỉnh biến trở VR1 để điện áp Uout = 0 V
Sau khi điều chỉnh VR1, đặt tín hiệu vào là 20mA, điều chỉnh VR2 đểđiện áp Uout = 3.3 V
Kết quả mô phỏng:
Hình 15 Mô phỏng mạch chuyển đổi tín hiệu
b Tiến hành làm mạch in:
Từ mạch nguyên lí đã thiết kế, ta sử dụng phần mềm Altium designer để vẽmạch in:
16
Trang 18Hình 16 Mạch PCB 2D và 3D
Sau khi tiến hành in và làm mạch thủ công thì thu được mạch:
Hình 17 Modun chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-3.3V
4.2.2 Thiết kế nguồn cho modun chuyển đổi tín hiệu dòng áp:
Modun chuyển đổi tín hiệu dòng áp 12V sử dụng nguồn đối xứng 12V, em
sử dụng 2 adapter đầu ra nối tiếp, điểm nối chung là GND
Hình 18 Nguồn đối xựng tạo ra từ 2 Adapter
Trang 19CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Kiểm tra tính ổn định của modun chuyển đổi tín hiệu dòng áp
Kiểm tra hoạt động của cả hệ thống
Hình 20 Mô hình kiểm tra đánh giá thiết bị đo áp suất
18
Hình 19 Modun chuyển đổi tín
hiệu dòng áp
Trang 20Hình 21 Kết quả đo được trên Thingspeak
Do điều kiện không có cảm biến tín hiệu ra 4-20mA nên chúng em đã sửdụng biến trở để tạo dòng tiến hiệu vào thiết bị. Tín hiệu được thay đổi bằng cáchthay đổi giá trị điện trở để có tín hiệu điện áp và dự liệu gửi lên Thingspeak tươngứng. Theo dõi các giá trị trên đồng hồ và trên Thingspeak ta thấy được hệ thống đãhoạt động tương đối chính xác, và ổn định
Bảng 1 Tín hiệu vào ra và kết quả của hệ thống
Trang 21CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
Với những đặc trưng riêng của mỗi loại cảm biến, tùy thuộc vào các ứngdụng mà người ta có thể chọn được những cảm biến khác nhau để đảm bảo độ cóđược những thông số cần thiết cho các ứng dụng đó.
Với tốc độ công nghiệp hóa phát triển ngày càng nhanh, nhu cầu tự động hóa
xí nghiệp công nghiệp ngày càng cao thì vai trò của các cảm biến đo áp suất cũngngày càng quan trọng hơn. Vì thế, người ta càng ngày càng chú trọng để cải tiếncác loại cảm biến đo áp suất tối ưu hóa và đạt được độ chính xác cao
Qua đề tài này chúng em đã được tìm hiểu thêm về các loại cảm biến có tínhiệu đầu ra 4-20mA, nguyên lí hoạt động, cách thức giao tiếp và sử dụng chúng.Bên cạnh đó, chúng em cũng bước đầu biết thiết kế và làm thủ công một mạchPCB đơn giản
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Chu Đức Việt đã nhiệttình chỉ bảo và hướng dẫn để chúng em có thể hoàn thành báo cáo này
20
Trang 22Tài liệu tham khảo