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.
1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................. 3
CHƯƠNG 1 ............................................................................................ 6
1.1. Giới thiệu về cảm biến. ..................................................................................................................................... 6
1.1.1. Khái niệm. .................................................................................................................................................. 7
1.1.2. Đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến. ............................................................................................................ 8
1.1.2.1. Hàm truyền. ........................................................................................................................................ 8
1.1.2.2. Độ lớn của tín hiệu vào. ...................................................................................................................... 9
1.1.2.3. Sai số và độ chính xác. ....................................................................................................................... 9
1.1.3. Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối. ................................................................................. 10
1.2. Các phương pháp đo áp suất. ......................................................................................................................... 11
1.2.1. Tồng quan về áp suất. ............................................................................................................................... 11

2
2.4. Kết luận. ........................................................................................................................................................... 49
CHƯƠNG 3 .......................................................................................... 51
3.1. Giới thiệu về chương 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
3.2. Phần mềm nhúng viết cho CC1010. ............................................................................................................... 52
............................................................................................................................................................................ 53
Chương trình ứng dụng ...................................................................................................................................... 53
Thư viện C chuẩn. .............................................................................................................................................. 53
thư viện tiện ích Chipcon .................................................................................................................................... 53
thư viện phần cứng (hardware abstractiom library – HAL) ............................................................................... 53
Các file định nghĩa phần cứng (hardware definition file – HDF) ...................................................................... 53
3.3. Chương trình khảo sát quan hệ áp suất - độ cao cột nước. .......................................................................... 57
3.4. Kết luận. ........................................................................................................................................................... 77
PHẦN KẾT LUẬN .............................................................................. 78
PHỤ LỤC ............................................................................................. 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 83
MỞ ĐẦU
Trong số các ngành công nghiệp khác nhau các cảm biến áp suất được ứng dụng
nhiều nhất trong nhiều lĩnh vực. Đó là vì trong các thiết bị cung cấp năng lượng thuỷ
lực, nhiệt, hạt nhân … cần phải đo và theo dõi áp suất một cách liên tục. Nếu áp suất
vượt ngưỡng cho phép sẽ gây nhiều hậu quả nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và tính
mạng con người. Chính vì vậy, cảm biến áp suất là rất quan trọng trong đời sống.
3
Trong y tế cũng có rất nhiều ứng dụng của cảm biến áp suất như dùng để đo
huyết áp, nhịp tim và đo nồng độ máu từ xa.
Trong khoá luận này chúng ta sẽ khảo sát một số đặc tính của một cảm biến áp
suất dùng để đo độ sâu của nước. Đây là loại cảm biến có rất nhiều ứng dụng và ý nghĩa
trong khoa học cũng như trong thực tế, chúng có thể dùng để đo liên tục suốt ngày đêm

Nhìn chung, khi nói đến mạng không dây thì người ta thương sẽ nghĩ đến các
thiết bị di động, PDA hay laptop. Đó là những thiết bị có giá thành cao, được ứng dụng
theo một mục đích cho trước, và dựa trên cơ sở hạ tầng đã có sẵn. Ngược lại, mạng cảm
nhận không dây lại sử dụng các thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho các ứng dụng đa
dạng và không dựa trên bất kì cơ sở hạ tầng nào đã sẵn có từ trước. Không giống các
thiết bị không dây truyền thống, các nút mạng WSN không cần truyền trực tiếp tới trạm
gốc, mà chỉ cần truyền tới mạng gần nó, rồi lần lượt truyền vể trạm gốc theo dạng
truyền thông multihop.
Một thách thức cơ bản của WSN là đưa các ràng buộc khắt khe vào chỉ trong một
thiết bị đơn lẻ. Rất nhiều ràng buộc đối với các thiết bị được triển khai với số lượng lớn
cần có kích thước nhỏ và giá thành thấp. Kích thước giảm là điều chủ yếu dẫn đến giá
thành giảm cũng như khả năng cho phép được sử dụng trong một dải rộng các ứng
dụng.
Một khó khăn lớn của WSN là năng lượng tiêu thụ. Kích thước vật lý giảm thì
cũng làm giảm năng lượng tiêu thụ, các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên những giới
hạn tính toán.
Bản luận văn “Ghép nối đầu đo áp suất cho nút mạng cảm nhận không dây với
phần mềm nhúng” sẽ giới thiệu về một loại vi cảm biến thuộc công nghệ MEMS là đầu
đo áp suất - mức nước, khảo sát một số đặc trưng của đầu đo như độ nhạy, độ tuyến
tính, khả năng làm việc… Đồng thời bản luận văn này cũng khái quát hoá về mạng cảm
nhận không dây WSN và xây dựng một thử nghiệm mạng cảm nhận không dây dùng vi
điều khiển CC1010 của hãng Chipcon – Nauy.
Bản luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục
và tài liệu tham khảo.
Chương 1: Đầu đo áp suất - mức nước sẽ tổng quát về đầu đo, các đặc trưng cơ
bản của cảm biến, đưa ra các phương pháp đo áp suất cùng các đặc trưng chính của đầu
đo.
Chương 2: Ghép nối đầu đo với nút mạng cảm nhận không dây. Chương này sẽ
giới thiệu qua về mạng cảm nhận không dây và nút mạng cơ sở dùng vi điều khiển
CC1010, đồng thời chỉ ra phương thức kết nối giữa đầu đo và nút mạng.

lý thông tin.
Trong mô tả mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa, trong đó đầu
vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu
vào x:
x y
kích thích đáp ứng
Phương trình mô tả giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng:
y = f(x)
Trong các hệ thống đo lường - điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý dữ
liệu thường do máy tính đảm nhiệm.

7
Bộ cảm biến
Quá trình
(Các biến trạng thái)
Cơ cấu
chấp hành
Bộ cảm
biến
Chương trình
Bộ vi xử lý
Hình 1.1 Hệ thống tự động điều khiển qúa trình
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 trưng cơ bản của bộ cảm biến.
1.1.2.1. Hàm truyền.

)(
=
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:
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.
9
1.1.3. Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối.
Nhìn chung, cảm biến là một thiết bị được thiết kế thu thập thông tin về một đối
tượng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Một cảm biến cổ điển có thể bao gồm 4 khối
như hình 1.2:
Khối đầu tiên là khối cảm nhận (ví dụ: điện trở, điện dung, bán dẫn, vật liệu áp

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 phương 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
F
Trong đó: P là áp suất.
F là lực phân bố đều trên bề mặt diện tích S
Đơn vị của l ực F là Newton (N), đơn vị của diện tích S là m
2
, trong hệ SI áp suất
có đơn vị là N/m
2
.
Đơn vị dẫn suất của áp suất là Pascal (Pa). 1Pa tương ứng với áp suất đồng dạng
do lực 1N tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng 1m
2
1Pa = 1N/m
2
11
Áp suất 1Pa tương đối nhỏ, trong công nghiệp người ta thường dùng đơn vị áp

3
0,980 1 0,986 735 980
1 atmosphe
10132
5
1,013 1,033 1 760 1013
1g/cm
2
98 98.10
-5
1.10
-3
0,968.10
-3
0,735 0,98
1mmHg 133,3 13,33.10
-4
1,36.10
-3
1,315.10
-3
1 1,333
1mbar 100 1.10
-3
1,02.10
-3
0,9869.10
-3
0,750 1
Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất.

h
t
èng thuû
tinh
§Çu bÞt kÝn
1 atm
1 atm
§Çu hë
Thñy ng©n
P.S, phổ biến nhất là sử dụng màng. Màng (diaphrahm) là một tấm mỏng, thường là
chất bán dẫn, có khả năng bị biến dạng khi có áp suất đặt lên. Khi áp suất bên ngoài tác
dụng lên màng, tuỳ thuộc vào sự chênh lệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn so 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.

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 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.
15
Hình 1.8: Sơ đồ đâu đo áp suất.
1.2.3. Đầu đo áp suất - mức nước.
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
định cao. Tín hiệu ra của cảm biến rất nhỏ nên được khuếch đại ngay khi ra khỏi cảm
biến. Ngoài ra, do khoảng cách giữa trạm đo và đầu đo khá xa nên tín hiệu áp được
chuyển sang tín hiệu dòng để tránh nhiễu và suy giảm tín hiệu. Cảm biến và mạch
khuếch đại được bố trí bên trong một buồng kín bằng thép không gỉ, mặt tiếp xúc với
nước của cảm biến được cách ly bằng một lớp lưới bằng thép không gỉ để tránh va chạm
vào bề mặt cảm biến. Đầu đo loại này thường có dạng như hình 1.9.
16
Hình 1.9: Đầu đo trước khi lắp ráp.

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.
18
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].
19
Nguyên lý hoạt động của XFPM thể hiện qua công thức:
V
out
= V
s
× (P × α + β) ± (sai số áp suất × sai số theo nhiệt độ × α ×V
s
) (1)
Trong đó:
V
s
= 5.0V
Điện thế lối ra V
out

= 5 × (P × 0.0045 + 0.04) ± 0.1125
20
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
0
.
ρ: khối lượng riêng của nước.
g: gia tốc trọng trường.
Như vậy, khi đo điện thế lối ra ta có thể tính được áp suất lối vào cũng như biết
được độ sâu của nước tại thời điểm đo.
Phần tiếp theo đây chúng ta sẽ tiến hành thử nghiệm khảo sát một số đặc trưng
của đầu đo như độ nhạy và độ tuyến tính.
1.3. Khảo sát một số đặc trưng của đầu đo: độ nhạy, độ tuyến tính.
1.3.1. Dụng cụ thí nghiệm
Bao gồm:
- Module sensor áp suất như đã giới thiệu ở trên.
- Ống nhựa chức nước hình trụ: đường kính 10cm, cao 150cm, một đầu
bịt kín, một đầu để hở, thành ống có gắn thang chia độ để dễ theo dõi
mực nước.
- Mạch khuếch đại ngoài sẽ được mô tả ở phần tiếp theo.

350
400
450
500
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Mức nước (cm)
Điện thế lối ra (mV)
Hình 1.14: Đồ thị thể hiện thế ra theo mức nước khị hạ từng cm nước.
Các số liệu đo cụ thể bạn có thể xem trong phần phụ lục 01.
Từ đồ thị 1.15 ta thấy điện thế ra của đầu đo tỉ lệ rất tuyến tính với độ cao của
cột nước, cụ thể là khi mực nước giảm thì điện thể lối ra cũng giảm và ngược lại.
Độ nhạy của đầu đo chính là hệ số góc của đồ thị, được tính như sau:
Gọi ε là độ nhạy của đầu đo thì ta có:
ε = (V
2
– V
1
)/(h
2
– h
1
)
Với V
2
là điện thế ra khi mức nước là h
2
.
V
1
là điện thế ra khi mức nước là h

= 1.22 (mV)
Nếu chọn tham chiếu ban đầu lối vào ADC là 0V đến 3.5V, tức là V
in max
= V
cc
=
3.5V, khi đó độ phân giải của ADC sẽ là:
(3500 - 0)/2
10
= 3.42 (mV)
Ta thấy rằng nếu chọn tham chiếu ADC là 1.25V thì độ phân giải ADC nhỏ hơn
độ nhạy của đầu đo, có nghĩa là khi thay đổi 1cm nước thì chưa thể hiện được sự thay
đổi thể của lối ra đầu đo. Do đó nên chọn tham chiếu cho ADC là 3.5V thì độ phân giải
của ADC lớn hơn độ nhạy của đầu đo, sẽ thể hiện được tốt hơn sự thay đổi thế lối ra
của đầu đo khi thay đổi 1cm nước, đáp ứng được yêu cầu độ phân giải của đầu đo là
1cm.
Bộ khuếch đại ngoài được dùng trong thực nghiệm là một bộ khuếch đại lặp
không đảo, có sơ đồ nguyên lý như hình 1.16.
Trong sơ đồ ta có:
R
1
= 5.52 kΩ
R
2
= 10.11kΩ
Suy ra hệ số khuếch đại của mạch là:
A = (1 + R
2
/R
1