Đồ án: Đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 tự động chuẩn độ

Đồ án: Đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 tự động chuẩn độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN K THUT ĐO V TIN HỌC CÔNG NGHIỆP o0o Đ TI: ĐO ÁP SUẤT SỬ DỤNG CẢM BIẾN MPX5100 TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ GV hướng dẫn : TS. Nguyễn Thị Lan Hương SVTH : Võ Tá Hoàng 20093469 Nguyễn An Hoan 20091097 Lớp : THCN_Kỹ sư chất lượng cao Khóa : 54 H Ni, 12/2013 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 2 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 MỤC LỤC Lời cảm ơn 3 Mở đầu 3 Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất 4 1. Áp suất 4 1.1. Một số loại hình chuyển đổi áp suất 4 1.2. Phương pháp đo áp suất sử dụng nguyên lý đàn hồi 5 2. Cảm biến thông minh 6 Chương 2 : Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100 8 1. Giới thiệu MPX5100 8 2. Các đặc trưng của MPX5100 8 3. Bù nhiệt độ trên chíp 10 4. Sai số do nhiệt độ (MPX5100D, MPX5100G, MPXV5100G) 12 Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 13 1. Yêu cầu 13 2. Giải quyết bài toán 13 3. Thiết kế mô phỏng mạch sử dụng ARDUINO UNO 16 Kết luận 17 Tài liệu tham khảo 17 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 3 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 Lời cảm ơn Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn và truyền thụ những kiến thức cơ bản để chúng em có thể hoàn thành đồ án này. Tuy vậy, do những hạn chế về kiến thức thực tế cũng như điều kiện thời gian nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của cô để có thể hoàn thiện hơn đồ án này ạ. Mở đầu Việc đo và xác định áp suất đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống giám sát điều khiển động cơ, điều khiển quá trình hay chuyển đổi áp suất. Các cảm biến đo áp suất còn được sử dụng trong các nhà máy để kiểm soát mức áp suất hợp lý cho các hệ thống, ví dụ trong các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy có hệ thống nung hay nén vật liệu đều cần giám sát áp suất chặt chẽ … Với những ứng dụng rất phổ biến như đã nêu trên, việc nghiên cứu về cảm biến nói chung, và cảm biến áp suất nói riêng rất quan trọng đối với người kỹ sư. Qua học phần Thiết bị đo và cảm biến thông minh, chúng em được nhận đề tài “Đo áp suất dùng cảm biến MPX5100 và tự động chuẩn độ”. Đây là một loại cảm biến thông mình vì thế việc thực hiện mạch đo mà không cần trải qua khâu khuếch đại tín hiệu. Đề tài được chia làm 3 chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất Chương 2: Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100 Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 4 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất 1. Áp suất Trong vật lý học, áp suất (thường được viết tắt là p) là một đại lượng vật lý, thể hiện cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị đo diện tích của một vi thành phần bề mặt vật chất. p = F S Với S là diện tích. Đơn vị đo của áp suất: Trong hệ SI : N/m 2 hay còn gọi là Pa: 1 Pa = 1 N/m 2 Ngoài ra còn có một số đơn vị khác: atmosphere, Torr, mmHg 1 Pa = 1,45.10 -4 lb/in 2 = 9,869.10 -6 atm = 7,5.10 -4 cmHg = 7,5.10 -3 torr Trong trường hợp chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh do trọng lượng chất lưu và áp suất khí quyển tác động lên mặt thoáng chất lưu. Chất lưu truyền đi nguyên vẹn áp suất theo mọi phương. Trên cùng một mặt phẳng nằm ngang trong lòng chất lưu thì tất cả các điểm đều có áp suất như nhau. Áp suất ở những điểm có độ cao khác nhau thì áp suất cũng khác nhau. Công thức tính áp suất chất lưu: p = p 0 + ρgh Trong đó: p 0 là áp suất khí quyển ρ là khối lượng lượng riêng chất lưu g là gia tốc trọng trường h là độ sâu tính từ điểm áp suất tới mặt thoáng chất lưu. Trong trường hợp chất lưu chuyển động, áp suất gồm 2 thành phần: áp suất tĩh (p t ) và áp suất động (p đ ) p = p t + p đ trong đó: p đ = 2 v  v là vận tốc chuyển động của chất lưu. 1.1. Một số loại hình chuyển đổi áp suất a. Cảm biến áp suất kiểu màng phẳng b. Cảm biến áp suất kiểu màng gấp nếp c. Cảm biến kiểu khoang kín d. Cảm biến kiểu ống thẳng e. Cảm biến kiểu vành khuyên ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 5 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 1.2. Phương pháp đo áp suất sử dụng nguyên lý đàn hồi Nguyên lý chung là dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi của một phần tử biến dạng nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Các phần tử biến dạng thường dùng là lò xo, màng mỏng, ống trụ.  Áp kế kiểu màng: Màng phẳng hoặc màng uốn nếp. Khi áp suất tác động lên màng làm nó biến dạng. Biến dạng của màng là hàm phi tuyến của áp suất và tùy thuộc điểm khảo sát. Với màng mỏng độ phi tuyến là khá lớn khi độ võng lớn, do đó thường chỉ sử dụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển của màng. Hình 1: Kiểu màng phẳng Hình 2: Kiểu màng uốn nếp Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỉ hơn màng phẳng nên có thể được sử dụng độ võng lớn hơn màng phẳng. Áp suất được truyền lên một màng đo, là một màng biến dạng trên ấy có một cầu đo bằng 4 điện trở lực căng bán dẫn. Trên màng biến dạng này biến dạng ɛ (ở tâm) được tính: ɛ = -0,49 2 PR Ed ứng suất ở biên: ϭ b = -0,75 2 2 PR d Di chuyển tạo nên ở tâm màng: δ = 0,17. 4 3 PR Ed ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 6 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 Hình 3: Biến dạng ɛ dưới tác dụng của P 2. Cảm biến thông minh Người ta sử dụng các bộ vi xử lý hay các vi điều khiển kết hợp với các loại cảm biến khác nhau để tạo ra cảm biến thông minh có các đặc tính mới như: tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số … Hình 4: Sơ đồ kết cấu của một cảm biến thông minh Các bộ cảm biến thông minh thường có một bộ chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là điện áp 0-5V hoặc 0-10 V hoặc dòng 0-20mA hoặc 4-20 mA. Bộ chuyển đổi này lấy tín hiệu từ cảm biến, biến đổi về dạng chuẩn trên rồi cho chuyển đến bộ ADC rồi mới đưa đến Vi xử lý. Khi qua bộ chuẩn hóa tín hiệu được biến ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 7 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 đổi tỷ lệ, nếu mẫu tín hiệu x nằm trong khoảng X 1 -X 2 thì tín hiệu ra y phải nằm trong khoảng 0-Y. Đặt tính của chuyển đổi chuẩn hóa thường là tuyến tính: y = y 0 + kx (1) Thay các giá trị đầu vào và đầu ra của CĐCH ta có: 0 = y 0 +KX 1 Y = y 0 + KX 2 Giải ra ta được: y 0 = -Y.X 1 /(X 2 – X 1 ) ; K = Y/(X 2 -X 1 ) Thay vào công thức (1) ta có hàm đặc tính của CĐCH là: Y = -Y.X 1 /(X 2 – X 1 ) + Y/(X 2 -X 1 ).x Là một hàn tuyến tính theo x thỏa mãn yêu cầu của một CĐCH.  CĐCH có đầu ra là một tín hiệu một chiều (là dòng hay áp) được thực hiện theo 2 bước:  Bước 1: Trừ đi giá trị ban đầu x=X 1 để tạo ra ở đầu ra của CĐCH giá trị y = 0.  Bước 2: Thực hiện khuếch đại (K >1) hay suy giảm (K<1). Để thực hiện việc trừ đi giá trị ban đầu người ta thường sử dụng khâu tự động bù tín hiệu ở đầu vào hoặc thay đổi hệ số phản hồi của bộ khuếch đại. Ta lấy ví dụ sau đây sơ đồ CĐCH sử dụng cặp nhiệt có đầu ra là điện áp 1 chiều. Hình 5: Chuyển đổi chuẩn hóa đầu ra là áp 1 chiều Để đo nhiệt độ ta sử dụng cảm biến cặp nhiệt. Ở nhiệt độ t 0 của môi trường ta luôn có ở đầu ra một cặp nhiệt một điện áp U 0 (tương ứng giá trị X 1 ở đầu vào CĐCH) nhưng yêu cầu ở đầu ra của CĐCH phải là y = 0. Vậy ta phải tạo được một điện áp – U 0 để bù lại bằng một cầu mà một nhánh bù nhiệt điện trở R t khi nhiệt độ ở đầu tự do t 0 thay đổi, U 0 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 8 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 cũng thay đổi theo, nhiệt điện trở R t cũng thay đổi, xuất hiện điện áp –U 0 (ngược dấu với U 0 ) ở đầu ra của cầu và bù lại. Kết quả điện áp ở đầu vào khuếch đại bằng 0 khi ở nhiệt độ bình thường. Điện áp ở đầu ra của cầu được tính toán tương ứng với các loại cặp nhiệt khác nhau (P-P, C-A, C-K). Chương 2 : Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100 1. Giới thiệu MPX5100 MPX5100 được thiết kế từ nguyên khối silicon dành cho một loạt các ứng dụng, nhưng đặc biệt người sử dụng có thể ghép nối với một vi xử lý hoặc vi điều khiển có kèm theo một bộ A/D. Bộ thiết kế tiên tiến với màng mỏng metallization, lưỡng cực để cung cấp một tín hiệu tương tự với độ chính xác cao tỉ lệ với áp lực đặt vào. MPX5100 có thể ứng dụng vào: điều khiển quá trình, điều khiển động cơ, chuyển đổi áp suất. 2. Các đặc trưng của MPX5100  Sai số tối đa là 2,5% ở nhiệt độ từ 0 o đến 85 o C  Rất thích hợp cho hệ thống nền tảng vi xử lý hoặc vi điều khiển Sau đây là một số dòng cảm biến MPX5100: ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 9 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 Hình 6: Các dòng cảm biến MPX5100  Các đặc tính hoạt động: Bảng 1: Đặc tính hoạt động (V S = 5.0 Vdc, T A = 25 o C, P1>P2, mạch tách thể hiện trong hình 5 yêu cầu đáp ứng thông số kỹ thuật điện) Bảng 2: Chỉ tiêu định mức ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 10 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54  Một sơ đồ khối của mạch tích hợp trên một chip cảm biến áp suất trong gói Unibody Hình: Sơ đồ của mạch tích hợp trong cảm biến áp suất cho gói Unibody  Sơ đồ khối của mạch tích hợp trên 1 cảm biến áp suất trong gói Small Outline. Hình : Sơ đồ mạch tích hợp cảm biến áp suất cho gói Small Outline 3. Bù nhiệt độ trên chíp  Quan hệ giữa tín hiệu ra của cảm biến và áp suất đầu vào được biểu diễn theo đường đặc tính dưới đây: [...]... ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 1 Yêu cầu  Thực hiện đo áp suất  Tự động chuẩn độ 2 Giải quyết bài toán Việc đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 là dòng cảm biến thông minh Việc tìm hiểu cảm biến này đã được trình bày trong chương 2 Cảm biến được chuẩn hóa ra với mức điện áp ra là từ 0.2 đến 4.9 V tương ứng với mức áp. .. lúc đó vẫn cho phép tín hiệu áp suất truyền tới màng cảm biến Các dòng cảm biến MPX5100 sử dụng không khí khô làm phương tiện truyền dẫn áp suất 11 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 4 Sai số do nhiệt độ (MPX5100D, MPX5100G, MPXV5100G) Hệ số nhiệt độ là một áp ứng tuyến tình từ 0 đến 40 độ C và từ 85 đến 125 độ C  Mức sai số cho phép... KSCLC_K54 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ Kết luận Với những đặc trưng riêng của mỗi loại cảm biến, tùy thuộc vào các ứng dụng mà người ta có thể chọn được những cảm biến khác nhau để đảm bảo độ có được 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. . .ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ Hình 7: Đường đặc tính của cảm biến MPX5100 Đường đặc tính của tín hiệu ra chuẩn, minimum và maximum được biểu diễn trên hình trên trong vùng nhiệt độ từ 0 đến 85 độ C  Nguồn cấp và tín hiệu ra Hình 8: Sơ đồ nguồn cấp được tách và lọc tín hiệu ra  Mặt cắt của các loại cảm biến vi sai và cảm biến tuyệt đối Hình 9: Mặt cắt ngang của 2 loại cảm biến. .. THCN _ KSCLC_K54 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 3 Thiết kế mô phỏng mạch sử dụng ARDUINO UNO Do điều kiện về thời gian và tài chính, nên em mô phỏng biến đổi tín hiệu từ cảm biến MPX5100 được kết nối với Bo mạch ARDUINO UNO Thay đổi tín hiệu được giả lập bằng cách thay đổi biến trở Hình 11: Sơ đồ mô phỏng hiển thị tín hiệu lên LCD Hình 12: Sơ đồ nguyên lý để chuẩn độ MPX5100 dùng... BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ Với cách đó chúng ta có thể loại bỏ được sai số phi tuyến của đặc tính của cảm biến mà dụng cụ số thông thường không thực hiện được Phương pháp này đòi hỏi các cảm biến phải hoàn toàn giống nhau để trong trường hợp hỏng hóc cần phải thay thế sẽ không gây sai số đáng kể Ngược lại nến cảm biến thay thế không giống cảm biến đã chuẩn độ thì phải chuẩn độ lại với cảm. .. phải lúc nào tín hiệu thu được từ cảm biến cũng ở thang đo như thế này, vì thế mà mỗi lần đo ta cần chuẩn độ lại cho phù hợp với từng môi trường đo, để tránh các sai số phi tuyến  Tự động chuẩn độ: Quá trình tự động chuẩn độ được tiến hành như sau: Đầu tiên, ta đo các giá trị của tín hiệu chuẩn ghi vào bộ nhớ của vi xử lý, sau đó đo các giá trị của đại lượng cần đo và bằng các công cụ toán học(dưới... cảm biến int sensorMax = 0; // giá trị lớn nhất của cảm biến void setup() { // bật đèn LED để báo hiệu bắt đầu chuẩn độ 14 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ pinMode(13, OUTPUT); digitalWrite(13, HIGH); // chuẩn độ trong 5 giây đầu tiên while (millis() < 5000) { sensorValue = analogRead(sensorPin); // ghi lại giá trị lớn nhất của cảm. .. quả đo và loại trừ sai số Khi mắc cảm biến vào hệ thống, uP sẽ làm nhiệm vụ điều khiển tín hiệu chuẩn thay đổi , bộ nhớ sẽ ghi lại các giá trị ở đầu ra của cảm biến (giá trị y) tương ứng Khi đo, đại lượng đo x tác động vào cảm biến tương ứng với giá trị nào của x bộ nhớ sẽ đưa ra giá trị tương ứng của tín hiệu chuẩn đã được ghi từ trước 13 Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 ĐO ÁP SUẤT... trong thang đo 0-255 không Nếu nằm trong thì lấy y làm giá trị đo cuối cùng Nếu y < 0 thì lấy giá trị 0 làm giá trị đo được Nếu y > 255 thì lấy giá trị đo được là 255 Chương trình Arduino để chuẩn độ cho cảm biến MPX5100: const int sensorPin = A0; // chân kết nối với đầu ra của MPX5100 const int ledPin = 9; // giá trị áp suất được đưa ra tại đây int sensorValue = 0; // giá trị của cảm biến int sensorMin . của phép đo áp suất Chương 2: Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100 Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 4 Võ. phép tín hiệu áp suất truyền tới màng cảm biến. Các dòng cảm biến MPX5100 sử dụng không khí khô làm phương tiện truyền dẫn áp suất. ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ 12 Võ. Yêu cầu  Thực hiện đo áp suất  Tự động chuẩn độ 2. Giải quyết bài toán Việc đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100 là dòng cảm biến thông minh. Việc tìm hiểu cảm biến này đã được trình