1
TÓM TẮT NỘI DUNG CỦA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
Trong khoá luận này tôi đã nghiên cứu vể một loại đầu đo ứng dụng công nghệ vi
cảm biến tương tự, đó là dùng đầu đo áp suất để đo độ sâu của nước. Từ các đặc trưng
cơ bản của các bộ cảm biến nói chung cũng như của cảm biến áp suất nói riêng, bản
luận văn này đã đưa ra cấu trúc cùng nguyên lý hoạt động của đầu đo áp suất - mức
nước. Đó là một loại đầu đo thuộc loại cảm biến tương tự được chế tạo theo công nghệ
vi cảm biến áp suất kiểu áp điện trở có độ nhạy và độ ổn định cao.
Qua việc thực nghiệm đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng hoặc giảm độ sâu
của nước tôi đã rút ra được một số đặc trưng cơ bản của đầu đo là độ nhạy và độ tuyến
tính. Đầu đo này sử dụng module XFPM-200KPG của hãng Fujiura - Nhật, có độ phân
giải 1cm, độ nhạy của đầu đo cỡ 2mV/cm, đầu đo có thể đo được độ sâu của nước
khoảng 600cm.
Trong khoá luận này tôi cũng xin giới thiệu về một mạng cảm nhận không dây có
các nút mạng sử dụng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon – Nauy. Từ việc
nghiên cứu các đặc tính của mạng, của nút mạng cảm nhận, chúng tôi đã xây dựng các
bước để ghép nối đầu đo áp suất với nút mạng đồng thời xây dựng một chương trình
nhúng truyền nhận không dây qua nút mạng cơ sở và tiến hành thực nghiệm việc
truyền nhận này qua một số nút mạng.
DÂY .......................................................................................................................... 30
2.1. Giới thiệu mạng cảm nhận không dây. ............................................................ 30
2.1.1. Các ứng dụng của mạng cảm nhận. ............................................................... 30
2.1.2. Các chỉ tiêu hệ thống. ................................................................................... 32
2.1.3. Các chỉ tiêu nút mạng. .................................................................................. 33
2.2. Giới thiệu về nút mạng. .................................................................................... 35
2.2.1. Một số vi điều khiển có thể làm nút mạng cảm nhận. .................................... 35
2.2.2. Giới thiệu về vi điều khiển CC1010. ............................................................. 36
2.2.2.1. Các đặc điểm chính. ............................................................................... 36
2.2.2.2. Cổng. ..................................................................................................... 36
2.2.2.3. Ngắt. ...................................................................................................... 37
3
2.2.2.4. Biến đổi ADC. ....................................................................................... 39
2.2.2.5. Bộ định thời. .......................................................................................... 39
2.2.2.6. Bộ thu phát không dây RF (RF transceiver). .......................................... 40
2.2.2.6.1. Miêu tả chung. ................................................................................. 40
2.2.2.6.2. Mạch ứng dụng RF. ......................................................................... 42
2.2.2.6.3. Điều khiển bộ thu phát RF và quản lý năng lượng. .......................... 43
2.2.2.6.4. Điều chế dữ liệu và các chế độ dữ liệu. ............................................ 44
2.2.2.6.5. Tốc độ Baud. ................................................................................... 44
2.2.2.6.6. Truyền và nhận dữ liệu. ................................................................... 45
2.2.2.7. Module CC1010EM. .............................................................................. 47
2.3. Ghép nối nút mạng CC1010 với đầu đo áp suất - mức nƣớc. ......................... 48
2.4. Kết luận. ............................................................................................................ 49
CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH NHÚNG TRUYỀN/NHẬN THÔNG QUA NÚT
MẠNG CƠ SỞ ......................................................................................................... 51
3.1. Giới thiệu về chƣơng trình nhúng. ................................................................... 51
3.1.1. Tổng quan về phần mềm nhúng. ................................................................... 51
3.1.2. Các bước xây dựng một phần mềm nhúng. ................................................... 52
diễn biến môi trường, thời tiết, ứng dụng trong thu thập thông tin và cảnh báo,… thì
việc theo dõi được một cách liên tục sẽ rất có lợi, phục vụ đắc lực cho con người.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay có rất nhiều loại đầu
đo áp suất ra đời với những ưu thế vượt trội, ngày càng đáp ứng nhu cầu sử dụng của
đời sống. Các loại đầu đo này đạt được độ chính xác càng cao càng tốt, cỡ centimet
(cm), decimet (dm), thậm chí lên đến hang chục centimet, và chúng có độ tuyến tính
trên một dải rộng.
Để thu thập và xử lý các thông tin từ đầu đo áp suất thì cần phải kết nối đầu đo
với một số thiết bị khác có thể truyền/nhận, xử lý, tính toán các dữ liệu thông tin đó để
phục vụ cho những mục đích khác nhau của con người. Một trong các thiết bị đó là
mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN).
Một đặc điểm nổi bật của mạng cảm nhận không dây là sự kết hợp việc cảm
nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ. Thông qua mạng hình lưới,
những thiết bị này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Trong khi khả
năng của từng thiết bị là rất nhỏ, sự kết hợp hang trăm thiết bị như vậy yêu cầu phải có
công nghệ mới.
Thế mạnh của WSN là khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có
thể tự thiết lập cấu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời
gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc hình dạng thiết
bị.
5
Hầu hết những ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa với tần số lấy
dữ liệu thấp.Chẳng hạn, có thể dễ dàng giám sát sự rò rỉ của một nhà máy hóa chất bời
hang trăm cảm biến tự động kết nối thành hệ thống mạng không dây để ngay lập tức
phát hiện và thông báo có sự rò rỉ. Không giống những hệ thống có dây truyền thống,
chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu. Thay vì hang ngàn mét dây dẫn thông
qua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ việc đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi
cần thiết. Mạng có thể được mở rộng chỉ bằng cách đơn giản là thêm các thiết bị,
không cần các thao tác phức tạp như trong hệ thống mạng có dây. Hệ thống cũng có
khả năng hoạt động trong vài năm chỉ với một nguồn pin duy nhất.
CC1010, đồng thời chỉ ra phương thức kết nối giữa đầu đo và nút mạng.
Chương 3: Chương trình nhúng truyền/ nhận thông qua nút mạng cơ sở.
Chương này giới thiệu về phần mềm nhúng, các bước xây dựng một phần mềm nhúng
và chương trình nhúng cụ thể dùng để ghép nối đầu đo cảm biến cho nút mạng không
dây cơ sở.
Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt
được, đồng thời đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.
Để hoàn thành được khoá luận này là nhờ sự hướng dẫn tận tình của PGS
TS.Vương Đạo Vy, thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại
học Quốc gia Hà Nội, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện
khoá luận. Tôi xin chân thành gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc nhất.
7
CHƢƠNG 1
ĐẦU ĐO ÁP SUẤT - MỨC NƢỚC
dữ liệu thường do máy tính đảm nhiệm.
Trong sơ đồ hình 1.1, quá trình (đối tượng) được đặc trưng bởi các biến trạng
thái và được các bộ cảm biến thu nhận rồi đưa đến bộ xử lý. Đầu ra của bộ vi xử lý
được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình. Đây là sơ đồ điều
khiển tự động, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các
thông số của hệ thống, bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều
khiển quá trình.
1.1.2. Đặc trƣng cơ bản của bộ cảm biến.
1.1.2.1. Hàm truyền.
Gọi x là tín hiệu kích thích, y là đáp ứng của bộ cảm biến. Hàm truyền cho ta
quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng
tuyến tính, phi tuyến, logarit, hàm luỹ thừa hay hàm mũ.
Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng:
y = ax + b
trong đó: a là hằng số, a bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không.
b là độ nhạy.
y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra, y có thể là biên độ
hoặc pha tuỳ theo tính chất của bộ cảm biến.
Quá trình
(Các biến trạng thái)
)(
Trong một số trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng
phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn.
1.1.2.2. Độ lớn của tín hiệu vào.
Là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá
ngưỡng cho phép.
1.1.2.3. Sai số và độ chính xác.
Cũng như các ứng dụng đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) bộ
cảm biến còn chịu nhiều tác động của bộ cảm biến gây nên sai số giữa giá trị đo được
và giá trị của đại lượng cần đo.
Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo được và giá trị thực x, sai số tương
đối của bộ cảm biến được tính theo công thức:
Δ% =
100.
x
x
Có hai loại sai số thường dùng là: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên:
10
Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi
hoặc thay đổi rất chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá
trị thực và giá trị đo được. Sai số này thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo hoặc do
điều kiện sử dụng không tốt.
Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện thay đổi theo số lần đo, có độ lớn và chiều
không xác định.
11 Có hai loại cảm biến cơ bản là cảm biến tương tự và cảm biến số.
Cảm biến tương tự thường đưa tín hiệu tương tự dạng dòng điện hay điện áp về
vi điều khiển, sau đó vi điều khiển phải thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi mới
đọc dữ liệu. Tín hiệu từ cảm biến truyền đi là tín hiệu tương tự rất dễ bị ảnh hưởng bởi
nhiễu.
Cảm biến số ngay bản thân nó đã thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi đưa
giá trị đã chuyển đổi về vi điều khiển dưới dạng các xung thể hiện giá trị của cảm biến,
Như vậy cảm biến số có ưu thế hơn cảm biến tương tự ở chỗ cảm biến số có khả
năng chống nhiễu tốt hơn do nó sử dụng đường truyền số nên rất khó bị ảnh hưởng bởi
nhiễu lúc truyền dữ liệu.
Tuy nhiên trong khoá luận này chúng tôi lại chọn thử nghiệm với một loại đầu đo
là cảm biến tương tự để thấy được những đặc tính của đầu đo cũng như của cảm biến
tương tự ngày nay vẫn được sử dụng và phục vụ rất hữu ích cho đời sống con người.
1.2. Các phƣơng pháp đo áp suất.
1.2.1. Tồng quan về áp suất.
Áp suất là đại lượng đặc trưng cho cường độ lực nén trung bình tác động theo
phương vuông góc trên bề mặt vật thể, được xác định bằng tỉ số giữa lực phân bố đều
và diện tích bề mặt bị tác động:
P =
S
bảng 1.1.
Đơn vị đo
áp suất
Pasca
l (Pa)
bar(b) g/cm
2
Atmosphe mmHg mbar
1 pascal
1 10
-5
1,02.10
-5
0,9869.10
-5
0,75.
10
-2
10
-2
1 bar
10
5
1 1,02 0,9869 750 1000
1kg/cm
2
98.10
3
Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất.
13
1.2.2. Nguyên tắc và các phƣơng pháp đo áp suất.
Có rất nhiều phương pháp đo áp suất. Một phương pháp cổ điển là dùng áp suất
kế Torricielli (hình 1.4). Áp suất kế Torricielli là một ống thuỷ tinh bịt kín, đầu phía
trên được úp xuống một bể đựng thuỷ ngân (Hg). Khi đó, áp suất tác dụng lên bề mặt
thuỷ ngân trong bể bằng độ lớn cột thuỷ ngân trong ống. Đơn vị đo áp suất sử dụng áp
suất kế là mmHg. Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, rất nhiều loại cảm biến áp suất ra đời.
Để đo áp suất, người ta đo lực F tác dụng lên diện tích S của một thành bình phân chia
hai môi trường, trong đó một môi trường chứa chất lưu là đối tượng cần đo áp suất.
Cách đo này có thể chia làm ba trường hợp chính sau:
- Đo áp suất lấy qua một lỗ có diện tích hình tròn được khoan trên thành
sánh mà màng bị biến dạng. Độ biến dạng của màng phụ thuộc vào độ lớn của áp suất
tác dụng vào.
Cảm biến áp suất kiểu màng có một số cấu trúc như sau:
Mµng
máng
Ch©n kh«ng Kh«ng khÝ
Px Px
P1
P2
Mµng
máng
Mµng
máng
(a)
(b) (c)Hình 1.5: Các loại cảm biến áp suất kiểu màng.
a) Cảm biến áp suất tuyệt đối.
b) Cảm biến áp suất tương đối.
c) Cảm biến áp suất vi sai.
Người ta có thể biến đổi độ biến dạng của màng mỏng thành các tín hiệu điện
thông qua sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung sử dụng hiệu ứng áp điện, dao
động cơ điện, dùng phương pháp quang điện, phương pháp transistor áp điện …
Trong công nghệ MEMS có hai phương pháp được sử dụng rộng rãi là cảm biến
kiểu tụ điện và cảm biến kiểu áp trở. Trong khoá luận này chúng tôi sử dụng đầu đo áp
suất thuộc loại vi cảm biến kiểu áp trở. Để đi vào khảo sát các đặc tính của đầu đo này
15
chúng ta cùng tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng như phương pháp chế tạo vi cảm
biến áp suất kiểu màng hiệu ứng áp điện trở:
mỏng sẽ bị biến dạng, áp lực phân bố trên màng bị thay đổi dẫn tới các giá trị của các
điện trở trong mạch cầu bị thay đổi do hiệu ứng áp điện trở, cụ thể là nếu các điện trở
song song với cạnh màng có giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màng Hình 1.7: Cấu trúc cảm biến
kiểu áp trở
16
sẽ tăng giá trị và ngược lại. Kết quả là cầu sẽ bị mất cân bằng và điện áp lối ra là khác
không. Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của màng, tức phụ
thuộc vào áp suất, do đó 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 đặt lên màng.
Sau đây chúng tôi xin giới thiêu một đầu đo áp suất sử dụng vi cảm biến kiểu áp
điện trở có nguyên lý hoạt động cũng như cấu trúc đã nêu ở trên. Sơ đồ đầu đo thường
có dạng như hình 1.8. Hình 1.8: Sơ đồ đâu đo áp suất.
1.2.3. Đầu đo áp suất - mức nƣớc.
Để đo được độ sâu của nước có rất nhiều cách khác nhau. Trong khoá luận này
chúng tôi sử dụng đầu đo áp suất để đo, bởi cảm biến áp suất là một trong những loại
cảm biến thường dùng nhất trong công nghiệp. 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 áp suất
thay đổi trong khoảng từ 0.1 đến 3mV/mbar (hay 10 đến 300 mV/Pa) phụ thuộc hình
dạng của màng và cường độ dòng điện; trong dải áp suất từ vài trăm mbar đến hang
trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0.3 đến 12.5mV/bar. Một ưu điểm nữa đó là kích thước
của cảm biến này do chế tạo theo công nghệ MEMS nên rất nhỏ, thuận tiện sử dụng
trong mọi thiết bị.
Phần tử cảm biến trong đầu đo là loại cảm biến áp điện trở có độ nhạy và độ ổn
out
, chân 3 là V
cc
.
Trong modul có sử dụng XFPM-200KPG của hãng Fujiura - Nhật với các đặc
tính nổi bật sau:
- Điện áp nguồn làm việc: +5V.
- Dòng tiêu thụ nhỏ hơn 200mA.
- Dải nhiệt độ làm việc: -40
0
C → 125
0
C.
- Tín hiệu lối ra của sensor bình thường có độ rộng 0.5V → 4.5V.
- Sensor có thể kết nối trực tiếp vời bộ chuyển đổi A/D hoặc có thể kết nối
trực tiếp với Microprocessor xử lý tín hiệu số.
Sơ đồ nguyên lý của đầu đo như hình 1.12.
19
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của đầu đo.
Trong đó, sơ đồ chân của XFPM:
Hình 1.13: Sơ đồ chân của XFPM.
Với: chân 1 và chân 6: nối đất GND.
Chân 2: lối ra Vout.
Chân 3: nguồn nuôi Vcc.
Chân 4 và chân 5 là không kết nối, chúng hoàn toàn thả nổi, không nối
với bất kì đường dây nào và không nối với nhau.
Để hiểu rõ hơn vể XFPM bạn có thể xem thêm ở tài liệu tham khảo [7].
20
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperature (độ C)
Temperature Error Multiplier
Hình 1.12: Đồ thị sai số theo nhiệt độ.
Từ công thức (1) suy ra:
V
out
= 5.0 × (P × 0.0045 + 0.04) ± (5.0 × sai số theo nhiệt độ × 0.0045 × 5.0)
Chẳng hạn ở nhiệt độ làm việc là 25
0
C thì ta có:
V
out
= 5 × (P × 0.0045 + 0.04) ± (5 × 1 × 0.0045 × 5)
= 5 × (P × 0.0045 + 0.04) ± 0.1125
21
Thiết bị đo áp suất dựa trên nguyên lý đo áp suất của nước tại một điểm cố
định, quan hệ giữa áp suất và độ sâu của nước tại điểm đo là tuyến tính và phụ thuộc
vào khối lượng riêng của nước.
Độ sâu thực tế của nước được tính theo công thức:
Trong đó: h: độ sâu thực tế của nước.
h
0
: độ sâu tham chiếu ban đầu.
p: áp suất của nước tương ứng độ cao h.
p
0
: áp suất tham chiếu tương ứng với độ cao tham chiếu h
Hình 1.13: Sơ đồ thí nghiệm.
Đổ đầy nước vào ống chứa nước hình trụ, thả đầu đo vào ống sao cho đầu đo
vừa trạm đáy ống, để đầu đo cố định. Lối ra của đầu đo được nối trực tiếp vào đồng hồ
đo điện thế (như hình 1.14).
Hạ từng cm nước trong ống ta thu được giá trị điện áp lối ra tương ứng của đầu
đo tại một số điểm chính như bảng 1.2.
Mức nước (cm) 0 20 40 60 80 100 120 140 150
Điện thế ra (mV) 141 175 215 257 298 340 382 425 448
Bảng 1.2: Điện thế lối ra khi hạ dần mức nước.
Từ các số liệu thu được ta có đồ thị thể hiện sự tuyến tính của điện thế ra theo
mực nước:
23
Đồ thị thể hiện thế ra theo mức nước khi hạ từng cm nước
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Mức nước (cm)
Điện thế lối ra (mV)
dù ngay bên trong đầu đo đã bao gồm cả khuếch đại nhưng sự khuếch đại này chưa thể
hiện được rõ đặc tính trên của đầu đo, do đó ta cần dùng thêm một bộ khuếch đại
ngoài, và bởi vì tín hiệu ra của đầu đo được truyền qua mạng cảm nhận không dây qua
các lối vào AD(0:2) của module ADC-10bit của nút mạng cơ sở, việc khuếch đại thêm
tín hiệu một lần nữa sẽ làm cho độ phân giải của ADC được tốt hơn.
Độ phân giải của ADC được tính bằng:
24
V
in max
– V
in min
2
10
Với V
in max
, V
in min
là các điện thế lối vào cực đại, cực tiểu tương ứng của ADC,
cũng chính là lối ra cực đại, cực tiểu của đầu đo; n = 10.
Độ phân giải này còn tuỳ thuộc vào tham chiếu ban đầu đặt cho lối vào ADC.
Chẳng hạn: nếu lối vào ADC là 0V đến 1.25V thì độ phân giải là:
(1250 – 0)/2
10
= 1.22 (mV)
Nếu chọn tham chiếu ban đầu lối vào ADC là 0V đến 3.5V, tức là V
in max
= V
cc
Chân 5 và 9: nguồn V
cc
Lối ra:
25
Chân 1 và 2: đất GND.
Chân 4: lối ra của bộ khuếch đại OUT.
Chân 5: nguồn V
cc
Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại ngoài.
Khả năng phân giải của ADC có liên quan đến độ sâu cực đại mà đầu đo có thể
đo được. Cụ thể, nếu chọnt ham chiếu lối vào cho ADC là 3.5V, theo trên mạch
khuếch đại ngoài có hệ số khuếch đại là 2.83, thì điện thế lối ra cực đại của đầu đo là:
3.5 / 2.83 = 1.24 (V) = 1240 (mV)
Độ sâu tối đa của nước mà đầu đo có thể đo được là:
1240(mV) / 2.074(mV/cm) = 598 (cm)
Như vậy ta có sơ đồ kết nối như hình 1.17. Hình 1.16: Sơ đồ kết nối giữa đầu đo, bộ khuếch đại và ADC.
Copyright: Tài liệu đại học ©