luận văn tốt nghiệp cảm biến và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ ---------- CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Ngành: Sư phạm Vật Lý Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: THẦY VƯƠNG TẤN SĨ Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN MINH TÀI MSSV: 1100252 THẦY PHẠM VĂN TUẤN Lớp: SP Vật Lý – K36 THẦY TRẦN THANH HẢI Khóa: 36 Cần Thơ, 5/2014 Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng LỜI CẢM ƠN --------- Sau một khoảng thời gian nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn của mình. Đó là kết quả của sự cố gắng của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của quý thầy cô, đặc biệt là thầy Vương Tấn Sĩ đã cung cấp, tận tình hướng dẫn cho tôi thực hiện đề tài. Ngoài ra còn có sự đóng góp ý kiến từ các bạn trong lớp Sư phạm Vật lý, Lý - Tin, Lý - CN khóa 36. Tuy đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn, nhưng khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày 17 tháng 4 năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Tài GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 2 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 3 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 4 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .......................................................... 3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................. 4 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 5 A. PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 9 I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................ 9 II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ............................................................................. 9 III. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .......................................................................................... 9 IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................... 9 V. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ................................................................. 9 B. PHẦN NỘI DUNG .................................................................................................. 10 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN ......................................................... 10 I. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA BỘ CẢM BIẾN .................. 10 II. PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN ............................................................... 11 1. Theo dạng kích thích ....................................................................................... 11 2. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích ................................. 12 4. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến .......................................................... 13 5. Theo thông số của mô hình thực tế ................................................................. 13 III. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BỘ CẢM BIẾN ................................. 13 1. Hàm truyền (hàm chuyển đổi) ........................................................................ 13 2. Độ lớn của tín hiệu vào ................................................................................... 14 3. Sai số và độ chính xác ..................................................................................... 14 IV. CHUẨN CÁC BỘ CẢM BIẾN ..................................................................... 15 1. Chuẩn đơn giản ............................................................................................... 15 2. Chuẩn nhiều lần .............................................................................................. 15 V. ĐỘ TUYẾN TÍNH ........................................................................................... 15 1. Điều kiện có tuyến tính ................................................................................... 15 2. Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính ...................................................... 16 VI. TÁC ĐỘNG NHANH VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐÁP ỨNG............... 16 VII. CẢM BIẾN TÍCH CỰC VÀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG ............................ 17 1. Hiệu ứng cảm ứng điện từ ............................................................................... 17 2. Hiệu ứng nhiệt điện ......................................................................................... 17 3. Hiệu ứng hỏa điện ........................................................................................... 17 4. Hiệu ứng áp điện ............................................................................................. 18 5. Hiệu ứng quang điện ....................................................................................... 18 6. Hiệu ứng quang điện từ ................................................................................... 19 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 5 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 7. Hiệu ứng Hall .................................................................................................. 19 VIII. MẠCH GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN .................................... 20 1. Các đặc tính đầu của mạch giao diện .............................................................. 20 2. Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA) ..................................... 20 3. Bộ khuếch đại đo lường IA (Instrumentational Amplifier) ............................ 21 3.1. Khử điện áp lệch đầu ra (hình 1.11) ......................................................... 21 3.2. Mạch lập lại điện áp (hình 1.12)............................................................... 22 3.3. Nguồn điện áp chính xác (hình 1.13) ....................................................... 22 3.4. Mạch cầu Wheatstone (hình 1.14) ............................................................ 22 IX. TRUYỀN DỮ LIỆU ....................................................................................... 23 1. Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây ..................................................... 23 2. Đường truyền bốn dây .................................................................................... 23 3. Đường truyền sáu dây ..................................................................................... 23 X. NHIỄU TRONG CÁC BỘ CẢM BIẾN VÀ MẠCH .................................... 24 CHƯƠNG II. SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG DỤNG THỰC TIỄN .......................................................................................................................... 25 I. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC BỘ CẢM BIẾN ............................................ 25 II. ỨNG DỤNG ..................................................................................................... 25 1. Ứng dụng của quang trở trong mạch tự động bật đèn khi trời tối .................. 25 1.1. Sơ đồ thiết kế mạch .................................................................................. 25 1.2. Sơ lược về các thành phần của mạch ....................................................... 26 1.2.1. Quang trở ........................................................................................... 26 1.2.2. Transistor (T) ..................................................................................... 26 1.2.2.1. Cấu tạo ........................................................................................ 26 1.2.2.2. Nguyên tắc hoạt động ................................................................. 27 1.2.2.3. Ký hiệu và hình dạng .................................................................. 28 1.2.2.4. Cách xác định chân E, B, C của Transistor ................................ 29 1.2.3. Rơ-le điện từ ...................................................................................... 30 1.3. Hoạt động của mạch ................................................................................. 31 1.4. Kết luận .................................................................................................... 32 2. Mạch cảnh báo trộm dùng IC 555 ................................................................... 34 2.1. Sơ đồ thiết kế mạch .................................................................................. 34 2.2.1. Thyristor (SCR) ................................................................................. 34 2.2.2. Phototransistor (Quang Transistor) ................................................... 35 2.2.3. Giới thiệu IC 555 ............................................................................... 35 2.2.3.1. Sơ lược về IC 555 ....................................................................... 35 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 6 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.2.3.2. Hình dạng và sơ đồ chân ............................................................. 36 2.2.3.3. Chức năng từng chân của 555 ..................................................... 36 2.2.3.4. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động ................................................ 37 2.3. Hoạt động của mạch ................................................................................. 38 2.4. Kết luận .................................................................................................... 41 3. Mạch báo nước cạn và tự động bơm nước đầy ............................................... 41 3.1. Sơ đồ thiết kế mạch .................................................................................. 41 3.2. Sơ lược về các thành phần chính của mạch.............................................. 42 3.3. Hoạt động của mạch ................................................................................. 43 3.4. Kết luận .................................................................................................... 44 4. Mạch điện tự điều chỉnh nhiệt độ nước của bể nuôi cá cảnh dùng cảm biến nhiệt điều khiển Opto - Coupler Phototransistor ................................................ 45 4.1. Sơ đồ thiết kế mạch .................................................................................. 45 4.2. Hoạt động của mạch ................................................................................. 45 4.3. Kết luận .................................................................................................... 46 CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VẼ MẠCH ....................................... 47 I. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH .................................................................... 47 II. VẼ MỘT MẠCH NGUYÊN LÝ BẰNG ORCAD CAPTURE .................... 47 1. Khởi động Capture .......................................................................................... 47 2. Tạo một Project mới........................................................................................ 48 2.1. Cửa sổ Capture ......................................................................................... 48 2.2. Tạo một New Project ................................................................................ 48 2.3. Thiết lập kích thước cho bản vẽ ............................................................... 51 2.4. Một số công cụ hay dùng trong việc vẽ mạch nguyên lý ......................... 52 3. Vẽ sơ đồ nguyên lý ......................................................................................... 53 3.1. Tìm linh kiện ............................................................................................ 53 3.2. Đặt linh kiện ............................................................................................. 56 3.3. Sắp xếp linh kiện ...................................................................................... 57 3.4. Chạy dây và hiệu chỉnh linh kiện ............................................................. 58 4. Kiểm tra lỗi sơ đồ nguyên lý ........................................................................... 59 III. TẠO LINH KIỆN MỚI TỪ CỬA SỔ CAPTURE ..................................... 60 1. Giới thiệu ........................................................................................................ 60 2. Các bước tạo linh kiện mới ............................................................................. 60 2.1. Tìm datasheet ........................................................................................... 61 2.2. Phân tích datasheet ................................................................................... 61 2.3. Khởi động Capture ................................................................................... 62 2.4. Tạo thư viện chứa linh kiện ...................................................................... 62 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 7 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.5. Bắt đầu tạo linh kiện................................................................................. 64 2.5.1. Tạo từng nhóm chân linh kiện ........................................................... 65 2.5.2. Chỉnh sửa và vẽ đường bao ............................................................... 69 2.5.3. Lưu..................................................................................................... 69 CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ MẠCH VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI .............................. 70 I. MACH ĐẾM SẢN PHẨM DÙNG CẶP LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI VỚI IC SỐ ............................................................................................................. 70 1. Sơ đồ mạch nguyên lý ..................................................................................... 70 2. Nguyên lý hoạt động của mạch ....................................................................... 70 2.1. Giới thiệu sơ lược về nguyên lý hoạt động .............................................. 70 2.2. Phân tích nguyên lý hoạt động của từng phần.......................................... 70 2.2.1. Mạch phát tín hiệu hồng ngoại .......................................................... 71 2.2.2. Mạch thu tín hiệu hồng ngoại ............................................................ 71 2.2.3. Bộ đếm với hai IC 4518 và bộ giải mã với ba IC 4511 điều khiển led 7 đoạn hiển thị số ......................................................................................... 72 2.2.3.1. Giới thiệu và nguyên lý hoạt động của IC đếm 4518 ................. 72 2.2.3.2. Giới thiệu và nguyên lý hoạt động của IC giải mã 4511 ............ 74 2.2.4. Led 7 đoạn Catod chung .................................................................... 76 2.4. Nguyên lý hoạt động tổng quát của mạch đếm sản phẩm ........................ 77 3. Sơ đồ mạch in và hình ảnh mạch thực nghiệm ............................................... 78 4. Ưu - khuyết điểm của mạch ............................................................................ 79 4.1. Ưu điểm .................................................................................................... 79 4.2. Khuyết điểm ............................................................................................. 79 II. MẠCH CẢNH BÁO TRỘM DÙNG CẶP LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI VÀ IC NE555 .......................................................................................... 80 1. Sơ đồ mạch nguyên lý ..................................................................................... 80 1.1. Sơ đồ mạch cảnh báo trộm ....................................................................... 80 1.2. Sơ đồ mạch nguồn .................................................................................... 80 1.3. Sơ đồ mạch phát tín hiệu cảnh báo........................................................... 81 2. Nguyên lý hoạt động của mạch ....................................................................... 82 3. Ưu - khuyết điểm của mạch ............................................................................ 83 4. Sơ đồ mạch in.................................................................................................. 83 5. Kết quả thực nghiệm ....................................................................................... 84 C. PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................. 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 86 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 8 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng A. PHẦN MỞ ĐẦU I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Ngày nay với ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo nên hàng loạt thiết bị với những đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, gọn nhẹ, tốc độ nhanh là những yếu tố rất cần thiết để góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả. Điện tử đang trở thành một nghành học đa nhiệm vụ. Điện tử đã góp phần đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công - nông - ngư nghiệp cho đến nhu cầu cần thiết cho hoạt động đời sống hằng ngày. Một trong những ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử là lĩnh vực cảm biến, một lĩnh vực khá quan trọng trong môi trường cuộc sống hiện đại ngày nay. Xuất phát từ nhiều ứng dụng thực tế của mạch cảm biến trong đời sống và niềm đam mê học hỏi sáng tạo tôi quyết định chọn đề tài “Cảm biến và ứng dụng” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình. II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Việc sử dụng các cảm biến ngày nay đang trở nên phổ biến và gần gũi hơn với tất cả mọi người vì vậy chúng ta cần nghiên cứu để tìm hiểu sâu về lĩnh vực này từ đó có những ứng dụng thực tế phục vụ cho đời sống hằng ngày, hạn chế đi phần nào sức lao động của con người. Mục đích chính của đề tài là đưa khái những khái niệm tổng quan nhất về cảm biến, một lĩnh vực rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử, từ cơ sở đó sử dụng phần mềm mô phỏng một số mạch cảm biến đơn giản và đưa ra ứng dụng thực tế đồng thời tiến hành ráp một số mạch thực tế. III. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Do kiến thức và thời gian thực hiện đề tài có giới hạn nên đề tài còn một số hạn chế nhất định, nếu có điều kiện sẽ tiếp tục nghiên cứu để đề tài được hoàn thiện hơn. IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu lý luận: - Tham khảo tài liệu có liên quan đến đề tài thực hiện. - Phân tích tài liệu và chọn thông tin phù hợp. - Nghiên cứu tìm hiểu các thành phần, cách sử dụng phần mềm và các thiết bị, phương tiện để ráp mạch thực tế. - Thiết kế mạch in cho các mạch.  Thực hành: Tiến hành ráp các mạch thực tế. V. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - Nhận đề tài, xác định nội dung cần thực hiện. - Lập đề cương tổng quát. - Tham khảo thu thập các tài liệu có liên quan. - Thực hiện đề tài. - Viết bản thảo nộp GVHD và tham khảo ý kiến của GVHD. - Chỉnh sửa và hoàn tất nội dung đề tài. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 9 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng B. PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN I. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA BỘ CẢM BIẾN Trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều đặc trưng bởi các cảm biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment… Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng các tín hiệu kích thích. Các bộ cảm biến thường định nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu kích thích. Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh… Trong các quá trình đo lường - điều khiển thông tin được truyền vào tải và xử lí dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử. Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình 1.1) trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x, w(t) là hàm truyền đạt. Ngõ vào x(t) (Kích thích) Bộ cảm biến w(t) y(t) Ngõ ra (Đáp ứng) Hình 1.1: Mô hình mạch của bộ cảm biến. Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng: y = f(x) (1) Quan hệ (1) rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng kích thích. Trong các hệ thống đo lường - điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm. Chương trình Bộ cảm biến áp 5V Bộ vi xử lý Cơ cấu chấp hành Hình 1.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình. Quá trình được đặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của bộ cảm biến được nối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. Đầu ra GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 10 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng của bộ vi xử lý được nối ghép với bộ cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa tín hiệu điều khiển quá trình. II. PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN Các bộ cảm biến có thể phân loại theo theo các phương pháp khác nhau sau đây. 1. Theo dạng kích thích Kích thích Âm thanh Các đặc tính của kích thích - Biên, pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng Điện - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường - Độ từ thẩm Quang Cơ - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng - Momen - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng - Nhiệt dung - Tỉ nhiệt Bức xạ - Kiểu - Năng lượng - Cường độ GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 11 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Hiện tượng Vật lý Chuyển đổi đáp ứng và kích thích - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ - Điện từ - Quang đàn hồi - Từ điện - Nhiệt từ - Nhiệt quang Hóa học - Biến đổi hóa học - Biến đổi điện hóa - Phân tích phổ Sinh học - Biến đổi sinh hóa - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng trên cơ thể sống 3. Theo tính năng các bộ cảm biến - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ - Dải tần GVHD: Vương Tấn Sĩ - Độ trễ - Khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định (ngắn, dài hạn) - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường - Kích thước, trọng lượng Trang 12 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 4. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến - Công nghiệp - Nghiên cứu - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ, quân sự 5. Theo thông số của mô hình thực tế Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số: - Cảm biến tích cực (có nguồn): đầu ra là nguồn áp hay nguồn dòng được biểu diễn bằng mạng hai cửa có nguồn. - Cảm biến thụ động (không nguồn): được biểu diễn bằng mạng hai cửa không nguồn có trở kháng phụ thuộc vào kích thích, được đặc trưng bởi thông số R, L, C, M… tuyến tính hoặc phi tuyến. III. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BỘ CẢM BIẾN Theo quan điểm mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp ứng - kích thích được biểu diễn bằng phương trình y = f(x). Quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản của bộ cảm biến. Ta có thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau: 1. Hàm truyền (hàm chuyển đổi) Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới bảng giá trị graph hoặc biểu thức toán học. Gọi x là kích thích y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit hàm lũy thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng: y = a + bx Ở đây a là hằng số tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng 0, b là độ nhạy, y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất của bộ cảm biến. - Hàm truyền logarit có dạng: y = 1 + blnx - Dạng mũ: y = ae kx - Dạng lũy thừa: y = a0 + a1xk Ở đây k là hằng số. Các bộ cảm biến phi tuyến không thể được đặc trưng bằng các hàm truyền kể trên, trong trường hợp này ta phải sử dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc cao. Đối với hàm truyền phi tuyến hoặc hàm truyền ở chế độ động, độ nhạy phải được định nghĩa theo công thức: GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 13 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng dy(x0 ) dx Trong nhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. 2. Độ lớn của tín hiệu vào 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. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào. b 1dB  10lg P2 u  20lg 2 P1 u1 3. Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác nên gây sai số giữa giá trị đo và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi  x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị x, sai số tương đối của bộ cảm biến tính bằng: δ Δx .100 x Khi đánh giá sai số của bộ cảm biến ta thường phân thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên: - Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống: + Do nguyên lý cảm biến + Giá trị đại lượng chuẩn không đúng + Do đặc tính của bộ cảm biến + Do điều kiện và chế độ sử dụng + Do xử lý kết quả đo - Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Có thể dự đoán một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán độ lớn và dấu của nó. Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên: + Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do các đại lượng ảnh hưởng như thông số môi trường không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến. Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số phương pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 14 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng IV. CHUẨN CÁC BỘ CẢM BIẾN Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải thích mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả yếu tố ảnh hưởng. Các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật lý liên quan tới đáp ứng như độ lớn, chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích. Ngoài ra chúng có thể là các đại lượng vật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi hồi áp. Thông thường các đại lượng vật lý này là các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm... và các thông số của nguồn như biên độ, tần số, điện áp làm việc của các bộ cảm biến. 1. Chuẩn đơn giản Chuẩn đơn giản là phép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích thích xác định và sử dụng một bộ cảm biến không nhạy với các đại lượng không chịu tác động của kích thích này. Đây là trường hợp đặc biệt của các kích thích tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi. Trong điều kiện này việc chuẩn các cảm biến chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với các giá trị tương ứng của đáp ứng đầu ra. Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một trong các phương pháp sau đây: - Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao. - Chuẩn gián tiếp: sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều kiện làm việc. Khi tác động lần lượt lên hai cảm biến cùng một kích thích ta nhận được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn. Thực hiện lại các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong chuẩn của bộ cảm biến. 2. Chuẩn nhiều lần Khi bộ cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ (trễ cơ hoặc trễ từ) giá trị đáp ứng không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá trị trước đó của kích thích này khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình tự sau đây: - Đặt lại điểm 0 của cảm biến, đó là điểm gốc khi kích thích thì đáp ứng của bộ cảm biến phải bằng không. - Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đầu cho kích thích có giá trị cực đại sau đó giảm dần, nhờ đó có thể xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng tăng dần và giảm dần. V. ĐỘ TUYẾN TÍNH 1. Điều kiện có tuyến tính Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Nếu như cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể dựa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hóa, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên các đặc tuyến tĩnh và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào các đại lượng đo còn ở trong vùng này. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 15 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh s(0) vào đại lượng đo m, đồng thời các thông số quyết định đáp ứng (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ) cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo. 2. Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính Khi chuẩn cảm biến người ta làm thực nghiệm nhận được một loạt các điểm tương ứng của si, mi. Ngay cả trong trường hợp về mặt lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm này cũng không nằm trên một đường thẳng. Đó là bởi vì sự không chính xác trong khi đo và những sai lệch trong khi chế tạo cảm biến. Tuy nhiên, từ các điểm thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến. Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất. Biểu thức của đường thẳng tốt nhất được tính bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. s  am  b Trong đó: a Ν. s i .m i   s i . m i Ν. m i2  ( m i ) 2 s . m   s .m . m b   Ν. m  ( m ) i 2 i i 2 i i i 2 i Với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến. Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong chuẩn. Nó được xác định từ độ lệch cực đại của đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất (tính bằng %) trong dải đo. VI. TÁC ĐỘNG NHANH VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐÁP ỨNG Để đánh giá thời gian hồi áp của đáp ứng theo kích thích người ta sử dụng khái niệm độ tác động nhanh của cảm biến. Thời gian hồi áp  là khoảng thời gian từ khi kích thích bắt đầu tác động cho đến khi biến thiên của đáp ứng chỉ còn khác giá trị cuối một giới hạn quy định %. Thời gian hồi áp  càng nhỏ chứng tỏ bộ cảm biến đáp ứng càng nhanh. Khi kích thích có dạng bước nhảy đơn vị thì đặc tính đáp ứng của bộ cảm biến có thể có những dạng sau đây: - Đáp ứng tức thời. - Đáp ứng trễ theo hàm mũ. - Đáp ứng tức thời và suy giảm. - Đáp ứng trễ và suy giảm. - Đáp ứng cộng hưởng dài hẹp. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 16 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng VII. CẢM BIẾN TÍCH CỰC VÀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG Hoạt động của một máy phát, về mặt nguyên lý cảm biến tích cực thường dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện. Dưới đây là mô tả một cách tổng quát các dạng ứng dụng của hiệu ứng này. 1. Hiệu ứng cảm ứng điện từ Khi một thanh dẫn chuyễn động trong từ trường sẽ xuất hiện suất điện động tỷ lệ với biến thiên từ thông nghĩa là tỉ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ chuyển động của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng. Hiệu ứng này do nhà vật lý người Anh Micheal Faraday phát hiện năm 1831, là cơ sở lý luận cho các thiết bị điện từ như động cơ điện, máy phát điện, dụng cụ đo lường…  B  e  Hình 1.3: Hiệu ứng cảm ứng điện từ 2. Hiệu ứng nhiệt điện Giữa các đầu ra của hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 sẽ xuất hiện một suất điện động e(T 1, T2). Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, ví dụ cho T2 = 0, ngược lại khi cho dòng điện chạy từ chất có bản chất hóa học khác nhau sẽ tạo nên chênh lệch nhiệt độ. Hiệu ứng này do nhà vật lý Pháp J.C.Peltier phát hiện (hình 1.4). (M1) T1 e (M2) T2 T1 (M3) Hình 1.4: Hiệu ứng nhiệt điện. 3. Hiệu ứng hỏa điện Một số tinh thể, gọi là tinh thể hỏa điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng tồn tại những điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ với độ phân cực điện. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 17 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của chúng tăng lên làm thay đổi phân cực điện và xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện phụ thuộc vào quang thông  .  v  Hình 1.5: Hiệu ứng hỏa điện 4. Hiệu ứng áp điện Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện, ví dụ thạch anh, sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu trên các mặt đối diện của vật. Đó là hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc...) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực của tụ điện.  F V  F Hình 1.6: Hiệu ứng áp điện 5. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện do A. Einstein phát hiện năm 1905. Hiệu ứng quang điện có nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng cùng chung một bản chất, đó là việc giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được ứng dụng chế để tạo cảm biến quang. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 18 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng I A E K R Hình 1.7: Hiệu ứng quang điện. 6. Hiệu ứng quang điện từ Do Verdet phát hiện năm 1863. Khi tác dụng một từ trường vuông góc với bức xạ ánh sáng trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo phương vuông góc với từ trường B và phương bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được ứng dụng trong các bộ cảm biến đo đại lượng quang hoặc biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện.  I R u  B Hình 1.8: Hiệu ứng quang điện từ. 7. Hiệu ứng Hall Năm 1879 nhà vật lý người Anh E.H.Hall phát hiện hiệu ứng này. Trong vật liệu (thường là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành góc  với dòng điện I sẽ xuất hiện điện áp UH theo phương vuông góc với B và I và có độ lớn là UH = K.I.B.sin K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của vật mẫu. Hiệu ứng Hall được sử dụng để đo các đại lượng từ, đại lượng điện hoặc xác định vị trí chuyển động. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 19 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  B  + I + UH  Hình 1.9: Hiệu ứng Hall. VIII. MẠCH GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN 1. Các đặc tính đầu của mạch giao diện Đáp ứng của các mạch cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp, công suất,… vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải. Cần phải phối hợp giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu. Công việc này gọi là chuẩn hóa tín hiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ này. Sơ đồ khối của mạch phối hợp tín hiệu ra của bộ cảm biến và tải: Kích thích Bộ cảm biến Mạch giao diện Tải Tới hệ thống Tổng trở vào của mạch giao diện là tỉ số giữa điện áp và dòng điện phức nhìn từ cửa vào của mạch: Z= U I 2. Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA) Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở mạch khuếch đại thuật toán. Đó là mạch khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại và tổng trở vào rất lớn. Mạch khuếch đại thuật toán thuộc dạng mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm Transistor và điện trở, tụ điện, mạch khuếch đại thuật toán có: - Hai ngõ vào đảo (-) và không đảo (+) - Điện trở vào rất lớn, cỡ hàng trăm M  hoặc có thể tới G  - Điện trở ra rất nhỏ (vài chục  ) - Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ (cỡ vài nV) - Dòng điện phân cực đầu vào ii rất nhỏ (cỡ pA) - Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn (AV = 100000) - Dải tần làm việc rộng - Hệ số suy giảm theo cách nói chung CMRR (Comon Mode Rejection Ratio) là tỷ số hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thuật toán nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán. Thông thường CMRR vào khoảng 90 dB. - Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/µs. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 20 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán thông dụng: Tên OPA Hãng sản xuất Điện áp lệch (µV) TL051ACP LM324 MC34071 TL Generic Motorola 800 3mV 3mV Hệ số nhiệt độ (µV/0C) 8 7 10 Dòng phân cực ở 25oC (nA) 4 45 100 Hệ số khuếch đại AV 100 100 100 Nhiễu nV 75 10.3 55 3. Bộ khuếch đại đo lường IA (Instrumentational Amplifier) Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra (hình 10). Hệ số khuếch đại của IA không cao (có thể chỉnh từ 1 đến 104) có hai đầu vào nhận tín hiệu cần đo, các điện trở phản hồi có độ chính xác cao, tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp vào. V0 = A(V+ - V-) = A.  V Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và tăng điện trở vào của OPA. Điện áp trên R 0 phải bằng điện áp vi sai đầu vào  V và tạo dòng điện i =  V/R0. Các điện áp ra từ OPA là V01, V02 bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha. Hình 1.10 Điện áp V0 biến đầu ra vi sai thành đầu ra đơn cực. Hệ số khuếch đại của IA  A = 1   2R 1  R 3  R 0  R 2 3.1. Khử điện áp lệch đầu ra (hình 1.11) Để khử điện áp lệch có thể chỉnh biến trở R3. Bộ OPA lý tưởng khi hở mạch phải có điện áp bằng 0 khi hai đầu nối vào mass. Thực tế vì các điện áp bên trong OPA nên tạo ra một điện áp nhỏ (điện áp phân cực) ở đầu vào. Trị số điện áp lệch cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này được khuếch đại và tạo nên một dòng điện áp lệch ở đầu ra. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 21 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Hình 1.11 Hình 1.12 3.2. Mạch lập lại điện áp (hình 1.12) Mạch có điện áp ra bằng điện áp vào (mạch khuếch đại không đảo với A V = 1) và tăng điện trở đầu vào, nên được dùng để ghép nối hai khâu trong mạch đo. 3.3. Nguồn điện áp chính xác (hình 1.13) Để chuẩn các dụng cụ đo chính xác cần có điện áp chuẩn. Một pin mẫu Weston được dùng để tạo ra một điện áp chính xác 1,018v như một điện áp mẫu có trở kháng ra gần bằng 0 và dòng điện lên tới 5mA. Hình 1.13 3.4 Mạch cầu Wheatstone (hình 1.14) Cầu Wheatstone gồm bốn điện trở hoạt động như cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu. Điện áp ra là một hàm phi tuyến nhưng với biến đổi  < 0,05 có thể coi là tuyến tính. Độ nhạy của cầu cực đại khi R1 = R2, R3 = RV = R(1+  ) Đặt k = R1/R2, độ nhạy của cầu:  = V k R (1  k ) 2 Mạch cầu thường được sử dụng trong các phép đo nhiệt độ, áp suất, lực, từ trường…, trong nhiều trường hợp các điện trở này nhạy với nhiệt độ bù ảnh hưởng nhiệt độ của điện trở. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 22 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Hình 1.14 IX. TRUYỀN DỮ LIỆU 1. Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây Để phối ghép từ bộ cảm biến đến thiết bị điều khiển và chỉ thị thường sử dụng đường truyền hai dây. Ví dụ tín hiệu từ bộ cảm biến nhiệt độ qua máy phát được truyền trực tiếp đến bộ khống chế quá trình. Tín hiệu truyền có thể là điện áp hoặc dòng điện nhưng dòng điện được chấp nhận như một tiêu chuẩn công nghiệp có giá trị từ 4 đến 20 mA qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa. Sử dụng nguồn dòng có ưu điểm so với nguồn áp là điện trở của đường dây không ảnh hưởng tới dòng điện trong mạch vì điện trở của nguồn dòng rất lớn. Ngoài ra nguồn cung cấp công suất cần thiết cho tải. Mạch vòng dòng điện gây điện áp rơi trên điện trở tải. Tín hiệu điện áp trên tải thích hợp với việc xử lý tiếp theo của mạch điện tử. 2. Đường truyền bốn dây Đôi khi người ta mong muốn nói bộ cảm biến với mạch giao diện điều khiển từ xa. Khi bộ cảm biến có điện trở tương đối thấp (ví dụ điện trở áp điện, nhiệt điện trở có điện trở vào khoảng 100), việc nối dây điện trở này gặp phải một số vấn đề phức tạp do điện trở dây nối. Để giải quyết ta có thể dùng sơ đồ bốn dây. Theo nguyên lý của điện trở bốn dây cho phép đo điện trở Rx từ xa mà không chịu ảnh hưởng của điện trở dây nối. Điện trở cần đo được nối với mạch giao diện bằng bốn dây, hai dây nối với nguồn còn hai dây nối với vôn kế. Vì nguồn dòng có điện trở vào rất lớn, do đó dòng điện do nó cung cấp không phụ thuộc vào điện trở dây nối r của mạch này. Điện trở vào của vôn kế cũng rất lớn do đó có thể coi dòng điện qua vôn kế bằng 0, do đó điện áp rơi trên điện trở Rx không phụ thuộc vào điện trở dây nối. Vx = Rx.i0 Sơ đồ bốn dây được sử dụng rất hiệu quả để đo điện trở từ xa. 3. Đường truyền sáu dây Khi cầu Wheatstone được sử dụng từ xa điện áp của cầu đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định nhiệt độ của cầu. Để tránh ảnh hưởng của điện trở dây nối r ta sử dụng sơ đồ sáu dây. Bốn dây nối với dụng cụ đo điện áp có điện trở trong rất lớn còn hai dây nối với nguồn áp có điện trở vào rất lớn. Điện áp đó sẽ không phụ thuộc vào điện trở dây nối vì dòng điện của nó bằng 0. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 23 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng X. NHIỄU TRONG CÁC BỘ CẢM BIẾN VÀ MẠCH Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguyên nhân gây ra sai số. Ta có thể phân nhiễu làm hai loại: nhiễu nội tại và nhiễu trên các mạch truyền dẫn tín hiệu. Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến…, do đó đáp ứng có thể bị méo dạng so với dạng lý tưởng. Sự méo dạng của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên. Dạng tín hiệu ra có liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của cảm biến. Nhiễu trên các mạch truyền dẫn từ cảm biến đến các thiết bị đo và thu thập số liệu cũng gây nên sai số. Các trường hợp thường gặp: - Nguồn cung cấp cho cảm biến không ổn định và chính xác. - Từ trường và điện trường bên ngoài (đối với cảm biến nhiệt do điện trở nhiệt của germani). - Nhiệt độ môi trường làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thích của cảm biến (đối với quang trở). - Độ ẩm có thể là thay đổi tính chất điện của vật liệu như hằng số điện môi, điện trở suất. - Áp suất, gia tốc, dao động có thể gây nên biến dạng và ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu đáp ứng. - Bức xạ ion, tác nhân hóa học,… tác động lên cảm biến. Để chống nhiễu, ta có thể thực hiện một số biện pháp như tăng độ lớn của tín hiệu đo, dùng màng chắn của điện trường và từ trường, lọc các tần số gây nhiễu và sử dụng các cảm biến mắc vi sai… Tất cả các biện pháp trên sẽ được thực hiện cho từng loại cảm biến cụ thể. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 24 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng CHƯƠNG II. SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG DỤNG THỰC TIỄN I. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC BỘ CẢM BIẾN Ngày nay các mạch cảm biến đã xâm nhập vào hầu như các lĩnh vực khoa học kỹ thuật do chúng tạo rất nhiều tính năng tiện ích. Cảm biến được dùng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trò chơi điện tử. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đề cập tới mạch cảm biến và phát hiện, mạch cảm biến điều khiển các mạch điện đơn giản. Trong các mạch cảm biến nghiên cứu thì nguyên lý hoạt động khá đơn giản, khi có tác động vào cảm biến thì cảm biến đó thay đổi (thường là thay đổi giá trị điện trở) để đáp ứng với sự tác động này, từ sự thay đổi của cảm biến đó người ta đưa vào IC điều khiển hoặc các Rơ-le điện từ để điều khiển các mạch phía sau. Tùy vào mục đích sử dụng mà ta có thể dùng các cảm biến khác nhau dùng IC hoặc Rơ-le. II. ỨNG DỤNG. 1. Ứng dụng của quang trở trong mạch tự động bật đèn khi trời tối 1.1. Sơ đồ thiết kế mạch (xem hình 2.1) Hình 2.1 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 25 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 1.2. Sơ lược về các thành phần của mạch 1.2.1. Quang trở  Sơ lược về quang trở Quang trở thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của chúng. Quang trở là một cảm biến ánh sáng, nó dùng để cảm nhận cường độ ánh sáng yếu hay mạnh. Hay nói cách khác quang trở là hiện tượng dòng diện chạy qua chất bán dẫn tăng lên khi bị chiếu sáng. Ký hiệu của quang trở là CDS.  Hình dạng, cấu trúc và nguyên lý hoạt động Hình 2.2: Hình dạng và cấu trúc của quang trở. Quang trở được cấu tạo: lớp bán dẫn mỏng (Cadimi Sulfur - CDS), tấm cách điện, hai điện cực bằng kim loại.  Nguyên lý hoạt động của quang trở như sau: Thông thường khi không có ánh sáng, dòng điện bị giới hạn bởi số lượng điện tích xuất hiện rất ít trong chất bán dẫn. Sức cản trở lúc này rất cao hay nói cách khác điện trở của nó rất lớn khoảng 10M  . Khi chiếu ánh sáng kích thích có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang điện, nên tạo ra những cặp điện tích - lỗ trống. Điều này làm tăng mạnh lượng điện tích, điện trở lúc này giảm xuống rất thấp khoảng 400  , cho dòng điện đi qua. Lúc này CDS dẫn điện. 1.2.2. Transistor (T) 1.2.2.1. Cấu tạo Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược, về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 26 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực nền ký hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp. Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E và cực thu (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được. 1.2.2.2. Nguyên tắc hoạt động  Xét hoạt động của Transistor NPN Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E. Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và điện trở hạn dòng vào hai cực B và E, trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E. Khi công tắc mở, ta thấy rằng mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối CE (lúc này dòng IC = 0). Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc qua R hạn dòng qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB. Ngay khi dòng IB xuất hiện lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 27 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức. IC = β.IB Trong đó: IC là dòng chạy qua mối CE IB là dòng chạy qua mối BE β là hệ số khuyếch đại của Transistor Giải thích: Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P (cực B) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng I B còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor.  Xét hoạt động của Transistor PNP Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại. Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B. 1.2.2.3. Ký hiệu và hình dạng  Ký hiệu và hình dáng Hình 2.3: Ký hiệu và hình dạng của Transistor.  Ký hiệu (trên thân Transistor) Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor của nhiều nước sản xuất nhưng thông dụng nhất là các Transistor của Nhật bản, Mỹ và Trung quốc. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 28 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Transistor Nhật bản, thường ký hiệu là A…, B…, C…, D… Ví dụ A564, B733, C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là Transistor thuận PNP còn ký hiệu là C và D là Transistor ngược NPN. Các Transistor A và C thường có công suất nhỏ và tần số làm việc cao còn các Transistor B và D thường có công suất lớn và tần số làm việc thấp hơn. Transistor do Mỹ sản xuất, thường ký hiệu là 2N… ví dụ 2N3055, 2N4073… Transistor do Trung quốc sản xuất bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chữ cái. Chữ cái thứ nhất cho biết loại Transistor, chữ A và B là Transistor thuận, chữ C và D là Transistor ngược, chữ thứ hai cho biết đặc điểm: X và P là Transistor âm tần, A và G là Transistor cao tần. Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm. Ví dụ: 3CP25, 3AP20… 1.2.2.4. Cách xác định chân E, B, C của Transistor Với các loại Transistor công suất nhỏ thì thứ tự chân C và B tuỳ theo Transistor của nước nào sản xuất, nhưng chân E luôn ở bên trái nếu ta để Transistor như hình dưới. Nếu là Transistor do Nhật sản xuất, ví dụ Transistor C828, A564 thì chân C ở giữa, chân B ở bên phải. Nếu là Transistor Trung quốc sản xuất thì chân B ở giữa, chân C ở bên phải. Tuy nhiên một số Transistor được sản xuất nhái thì không theo thứ tự này để biết chính xác ta dùng phương pháp đo bằng đồng hồ vạn năng. Với loại Transistor công suất lớn (như hình dưới) thì hầu hết đều có chung thứ tự chân: bên trái là cực B, ở giữa là cực C và bên phải là cực E. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 29 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Đo xác định chân B và C Với Transistor công suất nhỏ thì thông thường chân E ở bên trái như vậy ta chỉ xác định chân B và suy ra chân C là chân còn lại. Để đồng hồ thang x1Ω, đặt cố định một que đo vào từng chân, que kia chuyển sang hai chân còn lại, nếu kim lên bằng nhau thì chân có que đặt cố định là chân B, nếu que đồng hồ cố định là que đen thì là Transistor ngược, là que đỏ thì là Transistor thuận… 1.2.3. Rơ-le điện từ Rơ-le là một công tắc điều khiển từ xa đơn giản, nó dùng một dòng nhỏ để điều khiển một dòng lớn vì vậy nó được xem là một thiết bị bảo vệ, được dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi quá tải. Một Rơ-le điển hình điều khiển mạch và cả điều khiển nguồn. Kết cấu của một Rơ-le gồm một lõi sắt một cuộn từ và một tiếp điểm. A C B Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo và hình dạng của Rơ-le. Như hình trên Rơ-le có hai vị trí mà khóa Rơ-le thay đổi qua lại được là B và C. Tùy thuộc vào chiều dòng điện khóa có thể thay đổi vị trí ban đầu. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 30 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 1.3. Hoạt động của mạch Nguyên lý hoạt động của mạch sử dụng thông tin dưới dạng nhị phân, tức là có ánh sáng (mức cao) hoặc không có ánh sáng (mức thấp) chiếu vào quang điện trở dẫn tới Transistor dẫn (mức cao) hoặc ngưng dẫn (mức thấp), kết quả là có hoặc không có dòng điện qua Rơ-le. R1 A B Rλ Hình 2.5 Hoạt động cụ thể của mạch: Tại điểm A ta có: VA  VCC Rλ .VCC  R R1  R λ 1 1 Rλ (1) Và: VA  VB Xét Transistor: VBE  VB  VE  VA  VE (VE rất nhỏ có thể bỏ qua) Vậy: Điện thế VBE phụ thuộc vào điện thế tại điểm A, hay nói cách khác Transistor dẫn hay ngưng dẫn phụ thuộc vào VA.  Khi thông lượng ánh sáng chiếu vào quang trở giảm (trời tối) (xem hình 2.5)  Φ λ giảm  R λ tăng. Từ (1) suy ra VA tăng  VB tăng. Cụ thể : Rλ V .VCC  CC  737mV  0.737V R R1  R λ 1 1 Rλ  VB = 0.737V  T dẫn mạnh  khóa của Rơ-le bật về vị trí C, lúc đó bóng đèn sẽ VA  được nối vào nguồn điện 9V và đèn sáng. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 31 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Khi thông lượng ánh sáng chiếu vào quang trở tăng (trời sáng) (xem hình 2.6) Hình 2.6 Tương tự ta sẽ có VA = VB = 0.346V nên VBE = VB - VE= 0.346 < 0.5V làm Transistor ngưng dẫn, khóa của Rơ-le bật lại vị trí B và đèn tắt. Bảng chân lý: Tín hiệu Thông lượng ánh sáng VB = VBE Trạng thái của T Trạng thái của đèn Trời tối Φ λ giảm 0.737V Dẫn Đèn sáng Trời sáng Φ λ tăng 0.346V Ngưng dẫn Đèn không sáng 1.4. Kết luận Áp dụng mạch điện tử này vào trong đời sống: Ta có thể ráp mạch này theo các số liệu mô phỏng và đặt nó ở vị trí thuận lợi, lúc đó mạch hoạt động và cho ta tác dụng rất hữu ích, chẳng hạn như khi ta vắng nhà lúc trời tối đèn sẽ tự động mở lên. Lúc không cần sử dụng đến mạch này ta có thể bật khóa K sang chế độ hở. (xem hình 2.7) Hình 2.7 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 32 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Với một số thay đổi và thiết kế lắp đặt ở vị trí thuận tiện, ta có thể ứng dụng mạch nay trong việc điều khiển sào phơi quần áo. Nguyên lý hoạt động cũng tương tự, khi trời sáng mạch hoạt động sào quần áo được đưa ra ngoài, ngược lại khi trời tối hoặc khi có mưa mạch ngừng hoạt động sào quần áo được đưa vào nhà tránh bị ướt.  Khi trời sáng (xem hình 2.8) Hình 2.8  Khi trời tối (xem hình 2.9) Hình 2.9 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 33 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2. Mạch cảnh báo trộm dùng IC 555 2.1. Sơ đồ thiết kế mạch (xem hình 2.10) Hình 2.10 2.2. Sơ lược các thành phần chính của mạch 2.2.1. Thyristor (SCR) Hình 2.11: Cấu tạo, ký hiệu, sơ đồ tương đương của SCR. Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier: Diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi một cổng Silicium). Thyristor có cấu tạo gổm bốn lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp, một Transistor thuận và một Transistor ngược (như sơ đồ tương đương bên dưới). Thyristor có 3 chân là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G, Thyristor là Diode có điều khiển, bình thường khi phân cực thuận SCR vẫn không dẫn điện, khi có dòng điện kích vào chân G thì SCR dẫn điện cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc ngắt điện áp nguồn SCR mới ngừng dẫn. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 34 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Hình 2.12: Hình ảnh Thyristor (SCR). 2.2.2. Phototransistor (Quang Transistor) Phototransisor là các transistor silic loại NPN mà vùng nền (Base) được chiếu sáng, không có nguồn điện áp đặt lên B, chỉ có điện áp đặt lên C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ngược (hình 2.13a). Điện áp đặt chủ yếu vào phần chuyển tiếp B-C (phân cực ngược) trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa E và B thay đổi không đáng kể (U BE  0.6  0.7) . Khi phần chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, sự hoạt động của Phototransistor giống như Photodiode ở chế độ quang dẫn với dòng ngược: Ir = Io + Ip Ir: dòng điện ngược Io: dòng điện tối Ip: dòng điện sáng a) b) Hình 2.13 Dòng Ir đóng vai trò là dòng điện nền, nó gây nên dòng thoát Ic : Ic=( β +1)Ir β : Hệ số khuếch đại với cực phát (Emitter) chung. Có thể coi Phototransistor như tổ hợp của Photodiode và một Transistor (hình 2.13b) 2.2.3. Giới thiệu IC 555 2.2.3.1. Sơ lược về IC 555 IC 555 được sản xuất vào những năm 1971 bởi công ty Signetics Corporation với dòng sản phẩmE555/NE555 và được gọi là IC định thời gian và cũng là loại có đầu tiên trên thị trường. Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng đơn ổn và không ổn định. IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng ngắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất. Sau đây là bảng thông số của IC 555 có trên thị trường: + Điện áp đầu vào: 2 - 18V (Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555..) + Dòng điện cung cấp: 6mA - 15mA + Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V + Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V + Công suất lớn nhất là 600mW GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 35 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.2.3.2. Hình dạng và sơ đồ chân GND + VCC TRIGGER DISCHARGE OUTPUT THRESHOLD CONTROL VOLTAGE RESET Hình 2.14: Hình dạng và sơ đồ chân của IC 555. 2.2.3.3. Chức năng từng chân của 555 IC NE555 N gồm có 8 chân. Chân số 1 (GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung. Chân số 2 (TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như một chân chốt hay ngõ vào của một tần so áp. Mạch so sánh ở đây dùng các Transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc. Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1, 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này không được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 đến 0.75V). Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra, khi chân số 4 nối mass thì ngõ ra ở mức thấp, còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC. Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định. Chân số 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như một chân chốt. Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như một khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3, khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R - C lúc IC 555 dùng như một tầng dao động. Chân số 8 (VCC): là chân cung cấp điện áp và dòng cho IC hoạt động, nó được cấp điện áp từ 2V đến 18V (tùy từng loại IC 555). GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 36 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.2.3.4. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc của IC 555. Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 Transistor và nhiều điện trở thực hiện các chức năng gồm có: Cầu phân áp gồm có 3 điện trở nối từ VCC xuống đất cho ra hai điện áp chuẩn 1/3VCC và 2/3VCC. Op-Amp 1 là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào đảo nhận điện áp 2/3VCC, còn ngõ vào không đảo nối ra chân 6. Tùy thuộc điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3VCC, Op-Amp có điện áp mức cao hay mức thấp để làm tín hiệu R (Reset). Điều khiển Flip-Flop. Op-Amp 2 là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào không đảo nhận điện áp 1/3VCC, còn ngõ vào đảo thì nối ra chân 2. Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3VCC, Op-Amp có điện áp mức cao hay thấp làm tín hiện S (set), điều khiển Flip-Flop. Mạch Flip-Flop là loại mạch lưỡng ổn kích một bên. Khi chân Set có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của Flip-Flop ở ngõ ra Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi chân Set đang ở mức cao xuống mức thấp thì mạch Flip-Flop không đổi trạng thái. Khi chân Reset có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của Flip-Flop làm ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp, khi ngõ Reset mức cao xuống thấp thì mạch Flip-Flop không đổi trạng thái. Mạch Ouput là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải, đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân Q của Flip-Flop, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp ở mức thấp (# 0V) và ngược lại, khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp ở mức cao (# VCC). GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 37 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Transistor có chân C để hở, nối ra chân 7. Do B được phân cực bởi mức điện áp ra Q của Flip-Flop, nên khi Q ở mức cao thì Transistor bảo hòa và cực C của Transistor coi như nối đất. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi Q ở mức thấp thì Transistor ngưng dẫn, cực C của Transistor để hở, lúc đó ngõ ra ở chân 3 có mức điện áp cao. Theo nguyên lý trên, cực C của Transistor ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ thuộc có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ ra chân 4. 2.3. Hoạt động của mạch Nguyên lý hoạt động cũng dựa trên mức ánh sáng chiếu vào Phototransistor để có thể dẫn đến Transistor dẫn hoặc ngưng dẫn, sau đó dùng tín hiệu của Transistor điều khiển SCR. Hoạt động cụ thể: R1 A LED 1 T RT LED 2 B Hình 2.16 Điện thế tại điểm A: VA phụ thuộc vào điện thế hoặc dòng điện qua Phototransistor, ta xét dòng điện qua Phototransistor. Khi thông lượng ánh sáng ( Φ λ ) chiếu vào Phototransistor ít (trời tối) thì dòng điện qua Phototransistor giảm, tức là giá trị điện trở RT của Phototransistor tăng và ngược lại. Vì thế VA sẽ phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng chiếu vào Phototransistor, cụ thể như sau: VCC RT VCC  R R1  R T 1 1 RT  Khi Φ λ giảm (trời tối)  RT tăng  VA tăng.  Khi Φ λ tăng (trời sáng)  RT giảm  VA giảm. VA  GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 38 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng VA được đưa vào cực B của Transistor T nên VB = VA Mặt khác: VBE  VB  VE  VA  VE Nên VBE sẽ phụ thuộc vào VA và phụ thuộc vào Φ λ  Khi Φ λ giảm (trời tối)  RT tăng  VA tăng  VBE tăng (1V)  T dẫn.  Khi Φ λ tăng (trời sáng)  RT giảm  VA giảm  VBE giảm (74mV)  T ngưng dẫn. Khi T dẫn sẽ có điện áp kích vào chân G của SCR, mặt khác SCR đang phân cực thuận nên SCR sẽ dẫn điện luôn, vì thế khi thiết kế mạch ta cần mắc nối tiếp SCR với một công tắt để reset sau mỗi lần SCR hoạt động. Ở ngõ ra của SCR ta mắc vào IC 555 và tụ hóa, IC 555 có tác dụng đưa điện thế ngõ ra ở mức cao khi điện thế ngõ vào ở mức cao, tụ hóa có tác dụng nạp và xả điện theo chu kỳ để các led nhấp nháy theo chu kỳ của tụ.  Khi trời sáng: SCR không dẫn nên phần mạch điều khiển phía sau chưa hoạt động. (xem hình 2.16)  Khi trời tối: Có dòng điện kích vào chân G, SCR dẫn nên có điện thế chạy vào chân số 2, 6 và 7 của IC 555 (mức cao) nên ngõ ra là chân số 3 cũng ở mức cao, lúc đó LED 2 được phân cực thuận sẽ sáng lên, LED 1 phân cực nghịch sẽ không sáng. (xem hình 2.17) LED 1 LED 2 Hình 2.17 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 39 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Đồng thời lúc đó tụ hóa sẽ được nạp đầy điện tích. Khi nạp đầy tụ sẽ xả điện tích và kết quả có một điện thế ngược chạy vào chân 2 và 6 của IC 555 (mức thấp) nên ngõ ra chân số 3 cũng ở mức thấp. Lúc đó LED 1 phân cực thuận nên sáng lên còn LED 2 phân cực nghịch nên không sáng. (xem hình 2.18) LED 1 LED 2 Hình 2.18 Khi tụ xả hết điện thì tụ lại tiếp tục được nạp điện cho đến khi đầy và lúc đó LED 2 lại sáng và LED 1 tắt. Quá trình cứ thế tiếp tục và kết quả là hai đèn led sẽ nhấp nháy theo chu kỳ của tụ hóa. Ta có thể tính được chu kỳ nhấp nháy của led theo công thức sau: T = Tm + T s Tm = 0.7 x ( R2 + R3 ) x C1: thời gian điện mức cao. Ts = 0.7 x R3 x C1: thời gian điện mức thấp. T: Thời gian của một chu kỳ toàn phần tính bằng (s). f: Tần số dao động tính bằng (Hz). R2, R3: Điện trở tính bằng ohm (  ). C1: Tụ điện tính bằng Fara (F). GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 40 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Bảng chân lý: Tín hiệu Thông lượng ánh sáng Trời tối Trời sáng VA = VBE Trạng thái của Transistor Trạng thái SCR Mạch cảnh báo Φ λ giảm 1V Dẫn mạnh Dẫn Φ λ tăng 0.074V Ngưng dẫn Ngưng dẫn Hoạt động Không hoạt động 2.4. Kết luận Với mạch chống trộm này ta có thể đặt ở nhiều nơi khác nhau tùy vào điều kiện cụ thể. Ta mắc mạch như sơ đồ thiết kế và đặt vào nơi cần chống trộm, nếu có người đi ngang qua giữa đèn và Phototransistor thì Φ λ bất ngờ giảm và lúc đó SCR dẫn làm đoạn mạch điều khiển đèn led hoạt động nhằm báo động, đoạn mạch này sẽ hoạt động cho tới khi ta nhấn công tắt Reset hoặc ngắt nguồn cung cấp, thay vì dùng đèn led để báo động ta có thể sử dụng loa và mắc sau SCR để báo động. Khi chưa cần sử dụng đến mạch ta nên ngắt nguồn cung cấp điện. 3. Mạch báo nước cạn và tự động bơm nước đầy 3.1. Sơ đồ thiết kế mạch (xem hình 2.19) R1 RK R4 A C T R5 B R2 R6 R3 Hình 2.19 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 41 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 3.2. Sơ lược về các thành phần chính của mạch  OP - AMP (OPA) OP - AMP (Operational amplifer - bộ khuếch đại thuật toán) là một bộ khuếch đại điện áp có độ lợi điện áp lớn, trở kháng ra nhỏ và băng thông tương đối lớn. µA741 V- Vout V+ Hình 2.20: Sơ đồ mạch thuật toán thông dụng. Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong OPA được tích hợp một số ưu điểm sau: Hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép OPA khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hóa - điện, dòng điện sinh học… thường là nguồn có tính đối xứng) Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên OPA có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không xuất hiện ở ngõ ra. Cũng vì lý do này OPA có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều. Hệ số khuếch đại của OPA rất lớn do đó cho phép OPA khuếch đại tất cả tín hiệu với biên độ chỉ vài chục micro Volt. Do các mạch khuếch đại vi sai trong OPA được chế tạo trên cùng một phiến, do đó độ ổn định nhiệt độ cao. Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng 0 khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hóa khi lắp ghép giữa các khối (Module hóa). Tổng trở ngõ vào của OPA rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé. Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép OPA cung cấp dòng tốt cho phụ tải. Băng thông rất rộng, cho phép OPA làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau. Điện thế ngõ ra : V0  A(Vi  Vi )  AV GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 42 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 3.3. Hoạt động của mạch Nguyên lý hoạt động của mạch dựa trên điện thế ngõ ra của μA 741 Op-amp thấp hoặc cao dẫn Transistor T hoặc ngưng dẫn. Khi T dẫn có dòng điện qua Rơ-le và Rơ-le sẽ bật qua vị trí C, T ngưng dẫn Rơ-le bật lại vị trí B. Hoạt động cụ thể của mạch:  Khi nước đầy: RK = 0 (xem hình 2.21) R1 R4 A RK R2 C R5 B T R6 R3 Hình 2.21 Tại điểm A ta có: VA  Vi  R4  RK VCC V .VCC   CC  3V R3 R R3  RK  R4 1 1 3 RK  R4 R4 Tại điểm B ta có: VB  Vi  R3 .VCC  3V R3  R4  ΔV  Vi  Vi  0V  V0  0V Nên tại C ta có VC = 0V, nên T không dẫn và Rơ-le ở vị trí nên mạch sau hở và không hoạt động. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 43 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp  Cảm biến và ứng dụng Khi nước cạn: RK =  (xem hình 2.22) R1 R4 A RK C T R5 B R4  RK .VCC  R  R  R K 4 R3 3 VA  Vi  R2 VCC  VCC  6V R3 1 RK  R4 R6 Hình 2.22 Tại điểm A ta có: Tại điểm B ta có: VB  Vi  R3 .VCC  3V R3  R4  ΔV  Vi  Vi  3V  V0  9.93V Và: VC = 729mV = 0.729V VC = VBE = 0.729V Với VBE là điện thế ngõ vào của Transistor T.  T dẫn  Rơ-le bật qua vị trí C và mạch phía sau kín nên chuông reo và Mô-tơ quay. 3.4. Kết luận Ta có thể dùng mạch này lắp đặt ở vị trí hợp lý để điều khiển hệ thống tự động bơm nước nước vào hồ khi hồ cạn phục vụ nhu cầu đời sống và sinh hoạt hằng ngày, góp phần giảm đi sức lao động. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 44 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 4. Mạch điện tự điều chỉnh nhiệt độ nước của bể nuôi cá cảnh dùng cảm biến nhiệt điều khiển Opto - Coupler Phototransistor 4.1. Sơ đồ thiết kế mạch (xem hình 2.23) RT R2 Bộ gia nhiệt LED 1 T1 R3 R1 LED 2 LED 3 T2 Hình 2.23 4.2. Hoạt động của mạch Nguyên lý hoạt động của mạch điện là dựa trên khuếch đại thuật toán tạo thành một bộ so điện áp. Đầu đồng pha của nó (+) đưa vào một điện áp tương ứng ở một nhiệt độ xác định. Đầu đảo pha (-) đưa vào điện áp được đưa ra từ bộ cảm biến nhiệt độ. Khi nhiệt độ nước thấp hơn nhiệt độ xác định, đầu đồng pha có điện áp cao hơn điện áp của đầu đảo pha, bộ so sánh điện áp sẽ đưa ra ngõ ra mức cao, đèn xanh LED 2 sáng (biểu thị đang tăng nhiệt độ). Đồng thời lúc đó T1 dẫn thông, đèn đỏ độ sáng cao, LED 3 sáng và LED 3 có một Transistor (T2) nhạy nhiệt được lắp ráp cùng nhận ánh sáng chiếu vào, khi có ánh sáng chiếu vào T2 dẫn, Rơ-le đóng, bộ gia nhiệt thông điện và được cấp nhiệt, nhiệt độ nước tăng cao. (xem hình 2.24) Hình 2.24 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 45 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Khi nhiệt độ nước đạt tới hoặc vượt quá trị số nhiệt độ quy định, bộ so sánh điện áp đầu đảo pha (-) có điện áp lớn hơn điện áp ở đầu đồng pha (+). Bộ so sánh điện áp sẽ đưa ra ở ngõ ra mức thấp, đèn màu đỏ LED 2 sáng (biểu thị đã ngưng cấp nhiệt), đồng thời lúc đó T1 ngưng dẫn, LED 3 tắt, T2 ngưng dẫn, Rơ-le ngắt bộ gia nhiệt ngắt điện và ngừng gia nhiệt. (xem hình 2.25) Hình 2.25 Khi nhiệt độ giảm tới nhiệt độ xác định nào đó (khoảng 200C) sẽ bắt đầu gia nhiệt trở lại làm cho nhiệt độ của nước bảo toàn ở gần nhiệt độ xác định. 4.3. Kết luận Các loại cá cảnh nhiệt đới thường thích hợp sống trong nhiệt độ từ 24 - 250C, vì thế vào mùa đông chúng ta cần phải dùng điện sưởi ấm, nếu sử dụng mạch điện tự động điều khiển nhiệt độ trên có thể đạt được mục đích điều khiển nhiệt độ của bể cá cảnh. Ngoài ra với mạch này chỉ cần thay đổi chút ít ta có thể ứng dụng vào việc điều chỉnh nhiệt độ của bồn nước sinh hoạt trong gia đình. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 46 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VẼ MẠCH NGUYÊN LÝ ORCAD CAPTURE I. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH Orcad là dòng sản phảm ứng dụng của hãng Cadence (Portlan), thiết kế nhờ sự trợ giúp của máy tính (CAD - Computer - Aided - Design), giống như các chương trình khác như Autocad, Autodesk, Workbend, Protel, Ciruit Maker… Orcad có ưu điểm lớn so với chương trình vẽ mạch khác như Protel, Circuit Maker đó là chương trình chạy nhanh, dễ dàng tạo linh kiện mới nên rất phù hợp với các quốc gia khác nhau, các trình độ làm việc khác nhau, chương trình chạy mạch in nhanh. Họ chương trình Orcad bao gồm 3 phần chính: + Capture: Vẽ mạch + Layout: Vẽ mạch in + Pspice: Mô phỏng II. VẼ MỘT MẠCH NGUYÊN LÝ BẰNG ORCAD CAPTURE 1. Khởi động Capture Mở chương trình như hình vẽ sau: Start/Programs và chọn đến chương trình Capture (Thuật ngữ này không có từ thuần Việt nó có nghĩa là “Sao chép và ghép nối các phần tử để được một thành phần thống nhất và lưu chúng dưới dạng một file”). GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 47 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2. Tạo một Project mới 2.1. Cửa sổ Capture Màn hình Capture hiện ra như trên. Tiếp theo ta tạo một Project mới để làm việc. 2.2. Tạo một New Project Để tạo một Project ta có thể làm như sau:  Chọn Menu File/New/Project. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 48 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Hoặc chọn nút lệch Create Document  Hộp thoại New Project hiện ra, nhập trên Project, chon đường dẫn cho Project.  Xuất hiện một cửa sổ, cho phép ta chọn vị tri đặt Project (Location) và tên Project (Name)  Ta có thể nhấp vào nút Browse để chọn đường dẫn cho Project. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 49 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Cửa sổ tiếp theo cho phép ta chọn thư mục làm việc.  Nếu bạn muốn tạo một thư mục con để chứa các Project của bạn, nhấp vào nút  Trong hộp thoại Create Directory, bạn đánh tên thư mục mình muốn tạo và nhấn OK.  Sau khi tạo và chọn thư mục con, bạn có thể đặt tên cho Project, tốt nhất bạn nên chọn tên Project và tên thư mục con trùng nhau để thuận tiện cho việc theo dõi. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 50 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.3. Thiết lập kích thước cho bản vẽ Sau khi tạo một Project làm việc, xuất hiện một cửa sổ có các chấm nhỏ. Tiếp theo bạn chọn kích thước cho bản vẽ, có thể thay đổi sau tốt nhất ta nên chọn trước.  Trong tab Options chọn Schematic Page Properties như sau:  Một hộp thoại Schematic Page Properties hiện ra cho phép bạn chọn khổ giấy như sau:  Bạn có thể chọn kích thước theo Inches hoặc theo Milimeters. Bạn có thể chọn khổ giấy theo mặc định theo A4, A3, A2, A1 hoặc chọn theo Custom tùy bạn, rồi bấm OK. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 51 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.4. Một số công cụ hay dùng trong việc vẽ mạch nguyên lý Một số công cụ hay dùng trong việc vẽ mạch nguyên lý với bản Schematic. Dùng biểu tượng trên thanh Tool Palette (hoặc dùng phím tắt). Select: Con trỏ Select giúp ta thao tác với các linh kiện, di chuyển, xoay ... Place Part: Đưa thêm linh kiện vào mạch. Place wire: Nối dây. Place net alias: Nối dây thành mạng. Place bus: Tạo bus. Place junction: Tạo điểm nối. Place bus entry: Tạo dây nối vào bus. Place power: Nguồn. Place ground: Nối đất. Phace port: Tạo một cổng. Place off - page connector: Giúp bạn nối trang này sang trang khác trong trường hợp mạch lớn. Place no connect: Chỉ ra chân linh kiện không được nối, ví dụ chân IC không dùng hết. Các công cụ vẽ hình khối. Place text: Chèn văn bản vào bản vẽ. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 52 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 3. Vẽ sơ đồ nguyên lý 3.1. Tìm linh kiện Để tìm linh kiện bạn có thể làm như sau:  Nhấn phím P.  Chọn biểu tượng  Nếu là lần đầu tiên bạn chạy Orcad thì thư viện linh kiện chưa được Add vào, do đó bạn chọn Add Library để đưa các thư viện thêm vào.  Trong hộp thoại Browse File như trong hình sau, bạn có thể Add các linh kiện vào, bạn chọn tất cả các file.olb và nhấn Open.  Sau khi Add thư viện, bạn sẽ thấy hộp thoại như sau:  Từ hộp thoại Libraries, các bạn chỉ chuột vào bất kỳ một trong các thư viện được Add vào thì danh sách các linh kiện trên cửa sổ Part List sẽ thay đổi.  Thường bạn không thể nào nhớ linh kiện nào thuộc thư viện nào được, do dó bạn nên chọn hết (bấm Ctrl+A). Bạn sẽ thấy hình sau: GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 53 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Bạn đánh tên linh kiện vào hộp Part để chọn linh kiện phù hợp với mạch nguyên lý.  Các bạn nhấp OK và cửa sổ này mất đi, linh kiện sẽ dính vào chuột của bạn.  Khi bạn nhấp chuột trái linh kiện sẽ được đặt xuống bản vẽ.  Mặc dù linh kiện được đặt xuống bản vẽ, vẫn tiếp tục dính vào chuột, nếu bạn nhấp trái tiếp thì nó sẽ tiếp tục được đặt. Do đó để ngưng việc đặt linh kiện trên bản vẽ bạn nhấn phím ESC trên bàn phím. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 54 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Bạn nên đặt đầy đủ linh kiện vào khổ giấy rồi nối mạch lại.  Để nối mạch các bạn nhấp vào biểu tượng việc. ở góc phải phía trên cửa sổ làm  Bấm chuột trái vào chân linh kiện này và nối vào chân linh kiện khác.  Bạn cũng có thể nối dây từ chân linh kiện vào dây có sẵn hoặc giữa các linh kiện với nhau.  Muốn di chuyển linh kiện nhấp vào linh kiện và kéo đến nơi cần đặt.  Bạn cũng có thể xoay linh kiện (Rotate), lật theo chiều dọc (Vertical), lật theo chiều ngang (Horizontal).  Cuối cùng là các chân nào của linh kiện không được nối thì đánh dấu X vào. Để cho dễ hiểu, tôi sẽ hướng dẫn thông qua một mạch cụ thể, vẽ mạch nguyên lý “mạch còi cảnh sát”, dưới đây là mạch đã vẽ hoàn chỉnh. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 55 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Bạn thấy rằng mạch này gồm có: 2 IC NE555, 1 jack cấm 2 chân, 2 tụ hóa, 2 tụ gốm, 1 loa và các điện trở.  Đầu tiên bạn tạo một khổ giấy và lấy từng linh kiện ra.  Ví dụ khi lấy điện trở: Nhấn phím P, gõ từ R vào ô Part rồi nhấn OK. 3.2. Đặt linh kiện  Bạn lấy lần lượt các linh kiện còn lại. Sau khi lấy hết các linh kiện bạn sẽ có như sau. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 56 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 3.3. Sắp xếp linh kiện Bây giờ bạn sắp xếp các linh kiện theo sơ đồ mạch. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 57 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 3.4. Chạy dây và hiệu chỉnh linh kiện  Chúng ta thay đổi giá trị cho phù hợp.  Ví dụ đối với điện trở R2.  Nhấp Double Click vào giá trị linh kiện.  Nhập giá trị vào và nhấn OK.  Thực hiện lần lượt đối với các linh kiện khác. Sau khi xong ta có hình sau: GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 58 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 4. Kiểm tra lỗi sơ đồ nguyên lý  Nhấp biểu tượng Minimize trên góc phải, màn hình xuất hiện và chọn Page 1.  Nhấp vào biểu tượng Design Rules Check .  Hộp thoại Design Rules Check, nhấp OK và không thông báo gì thì nhấn OK. Nếu có thông báo lỗi bạn hãy sửa lỗi rồi tiếp tục. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 59 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng III. TẠO LINH KIỆN MỚI TỪ CỬA SỔ CAPTURE 1. Giới thiệu Việc tạo ra linh kiện mới trong Capture rất quan trọng, bởi vì các chân linh kiện điện tử đều sản xuất theo một tiêu chuẩn nhất định. Trong Layout thì một số chân linh kiện ta không biết, bạn cũng có thể tìm một linh kiện khác mà có chân tương tự, còn trong Capture thì công việc đó bạn không thể thực hiện được. 2. Các bước tạo linh kiện mới Một Project có thể bao gồm trong đó việc tao ra linh kiện mới, tạo ra bản vẽ hoặc xuất mạch in… Như vậy việc tạo ra linh kiện mới có thể là một phần trong khi bạn vẽ một bản Schematic nào đó. Khi đó việc tạo ra linh kiện mới là việc làm phụ để phục vụ cho bản Schematic nào đó. Để tạo ra linh kiện mới, bạn cần phải nhận diện linh kiện đó là gì, tức là biết datasheet của nó. Giả sử bạn cần tạo linh kiện là con IC 74LS138. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 60 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.1. Tìm datasheet Việc đầu tiên là bạn phải đi tìm datasheet của 74LS138 – để làm điều này bạn có thể lên https://www.google.com, rồi gõ tìm 74LS138. Sau khi tìm bạn sẽ có được một bản datasheet như sau: 2.2. Phân tích datasheet Khi đã có datasheet, bạn xem thử linh kiện của nó bố trí ra sao, việc tiếp theo là hình dung cách bố trí chân trong Schematis.  Nhóm chân A B C là nhóm chân đầu vào chọn và bắt đầu từ chân số 1, các chân này đều ở mức cao.  Nhóm chân G1 (mức cao), G2A và G2B (mức thấp) là nhóm chân đầu và chân điều khiển, bắt đầu từ chân số 4.  Chân Vcc ở chân số 16 và chân GND ở chân số 8.  Nhóm chân ngõ ra Y0…Y7, chân Y7 ở vị trí chân số 7 còn các chân còn lại Y0(15)…Y6(9). Sau khi phân tích và tìm hiểu vị trí các chân chúng ta bắt đầu đi thiết kế. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 61 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.3. Khởi động Capture Bạn khởi động Orcad Capture như đã hướng dẫn ở phần II.1. Bạn sẽ có cửa sổ Capture như sau: 2.4. Tạo thư viện chứa linh kiện Trước hết bạn phải tạo ra một thư viện để chưa các linh kiện mình tạo ra, bạn chọn tab File/New/Library. Một khung hộp thoại Add Project như sau hiện ra: Sau khi hộp thoại hiện ra, đây là lúc Capture hỏi bạn muốn tạo ra thư viện đặt ở đâu. Tạo ra chỉ trong Project hay tạo ra trong Library.  Nếu các bạn tạo ra chỉ trong Project đang thực hiện thì chọn E:\Orcad Project\tat ca thu muc…  Nếu tạo ra một linh kiện mới bổ sung vào Library thì chọn New Project. Tôi chọn New Project và nhấn OK. Một cửa sổ mới hiện ra: GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 62 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Khi này thư viện được tạo ra và nằm trong cửa sổ quản lý. Các bạn sẽ thấy một thư mục Library được tạo ra, trong đó có một file Library.olb. Nhấp chuột phải vào đó và chọn New Part để chuẩn bị tạo ra linh kiện mới. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 63 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.5. Bắt đầu tạo linh kiện Điền tên linh kiện vào và ở đây là con chip có thể định nghĩa kiểu nó là U. Khi các bạn bấm OK, từ cửa sổ Capture bạn sẽ thấy một đường bao ngoài với nét đứt. Kiểu linh kiện được ghi ở phía trên là U?; Giá trị linh kiện được ghi phía dưới là . Như các bạn đã biết tạo ra linh kiện là tạo ra các chân linh kiện, rồi tạo ra hình dáng đường bao và đặt tên cho phù hợp. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 64 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.5.1. Tạo từng nhóm chân linh kiện Chúng ta tạo ra 3 chân A B C.  Starting Name là A, Starting Number 1, Number of Pins là 3, Shape là đường vẽ chân linh kiện thường là liên tục nên chọn là Line, Type là nhóm các chân chọn Input.  Increment là tăng Starting Name và Starting Number lên, ở đây đơn vị tăng lên là 1.  Pin Space các chân đặt sát nhau nên chọn là 1. Khi các bạn nhấn OK thì con chuột của bạn biến thành ba chân linh kiện. Trên khối U vuông, các bạn đặt nó ở cạnh nào đó sẽ ở cạnh đó. Nếu như số chân linh kiện tạo ra dài hơn khối U vuông thì khối này tự kéo dài ra. Tiếp theo là 3 chân đầu vào điều khiển, cách làm tương tự như sau: GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 65 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Đối với chân G2A tới chân G2C: GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 66 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Tiếp theo là chân Y7  Chân mass (GND)  Chân mass là chân nguồn nên ta chọn kiểu Power.  Chân này có hai chế độ hiển thị và không hiển thị, ta chọn hiển thị ra. Check vào Pin Visible. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 67 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Nó hiện ra như sau:  Các chân Y0…Y6 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 68 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Cuối cùng là chân Vcc 2.5.2. Chỉnh sửa và vẽ đường bao Đầu tiên, bạn kích vào biểu tượng hình vuông ở thanh Tool Palette để vẽ đường bao. Bạn Double Click vào chân linh kiện để chỉnh sửa cho hợp với sơ đồ chân. 2.5.3. Lưu Sau khi hoàn thành. Chúng ta Save và xem lại trong màn hình quản lý. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 69 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ MẠCH VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI I. MẠCH ĐẾM SẢN PHẨM DÙNG CẶP LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI VỚI IC SỐ 1. Sơ đồ mạch nguyên lý VSS U1 5 8 LE VSS 4511 LT BI VDD 3 4 16 4511 5 8 LE VSS LT BI VDD 3 4 16 0 LED LO 11 12 13 14 RST CLK GND CKE 451B R3 150 U1A VCC 2 D3 5VDC 16 9 0 4518A 15 10 8 4518A 0 4511 Q0 Q1 Q2 Q3 Q0 Q1 Q2 Q3 U2A CKE 2 7 1 8 CKE 16 RST CLK VCC U3A 4049 7 1 2 6 7 1 2 6 0 7 1 Q0 Q1 Q2 Q3 U2A LED THU 5VDC U8 5VDC 3 4 5 6 3 4 5 6 LO 7 1 2 6 0 D1 2 3 4 16 D2 A B C D E F G A B C D E F G LT BI VDD 0 RST CLK GND U8 A B C D LE VSS A B C D 5 8 13 12 11 10 9 15 14 13 12 11 10 9 15 14 13 12 11 10 9 15 14 A B C D E F G U8 5VDC R2 1k LED PHÁT LO LO LO 5VDC R 330 R3 100 3 R 330 5VDC A B C D R 330 A B C D E F G H A B C D E F G H A B C D E F G H 5VDC LO GND LO VSS U1 VSS U1 SW1 R4 1k RESET 0 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch đếm sản phẩm dùng cặp led thu phát hồng ngoại 2. Nguyên lý hoạt động của mạch 2.1. Giới thiệu sơ lược về nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của mạch đếm sản phẩm dựa trên nguyên tắc phát và thu sóng hồng ngoại từ Led phát và Led thu tạo ra tín hiệu xung với 2 mức thấp (0V) và mức cao (5V) để cấp cho chân nhận xung clock của IC đếm (IC 4518). IC 4518 có nhiệm vụ đếm xung clock ở ngõ và chuyển đổi thành tín hiệu số, thuộc hệ số nhị phân ở ngõ ra và cấp cho ngõ vào của IC giải mã (IC 4511), IC 4511 có chức năng chuyển đổi mã số từ số nhị phân thành mã số thập phân tại ngõ ra và cấp cho Led 7 đoạn để hiển thị số thập phân. 2.2. Phân tích nguyên lý hoạt động của từng phần GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 70 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng LO 2.2.1. Mạch phát tín hiệu hồng ngoại R3 100 D2 LED PHÁT 0 LO Điện trở R3 có giá trị 100  có chức năng hạn dòng cấp cho led phát hồng ngoại. Led phát IR hai chân là led phát hồng ngoại, khi có dòng điện chạy qua thì phát ra tín hiệu hồng ngoại một cách liên tục ra ngoài không gian theo hướng nhất định. Ở mạch đếm sản phẩm ta điều chỉnh sao cho tín hiệu hồng ngoại phát ra từ led phát truyền thẳng trực tiếp tới led thu tín hiệu mạch hồng ngoại. 2.2.2. Mạch thu tín hiệu hồng ngoại Led thu IR hai chân là led thu hồng ngoại, led sẽ cho dòng điện đi qua nó (led dẫn) nếu nó nhận được tín hiệu hồng ngoại từ led phát, vì vậy ta phải điều chỉnh sao cho led thu hướng về tín hiệu hồng ngoại từ led phát. 5VDC R2 1k 4049 3 2 D2 LED THU LED R3 R 0 0 Điện trở R2 có giá trị 1K có chức năng hạn dòng chạy qua led thu. Bình thường thì led thu nhận được tín hiệu hồng ngoại một cách liên tục, led thu dẫn dòng điện từ nguồn qua R2=1K và xuống mass, vì thế lúc này điện thế tại ngõ vào của cỗng đảo ở mức thấp (gần bằng 0V). Khi có sản phẩm đi ngang qua và ngăn cản đường tín hiệu hồng ngoại từ led phát đến led thu, lúc này led thu không nhận được tín hiệu hồng ngoại sẽ không dẫn điện xuống mass, lúc này tại ngõ vào cổng đảo ở mức cao nên ngõ ra ở mức thấp. Khi sản phẩm đã đi qua thì led thu lại nhận được tín hiệu hồng ngoại và dẫn điện, lúc này thì điện áp vào của cổng đảo trở về mức thấp nên ngõ ra là mức cao. Sự thay GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 71 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng đổi điện áp tại ngõ ra của cổng đảo (Not) từ nức thấp lên mức cao đã tạo ra một xung clock cung cấp cho bộ đếm. Cổng đảo (Not) có chức năng thay đổi trạng thái, đồng thời còn có tác dụng ổn định biên độ điện áp của xung clock ở hai mức nhất định là 0V hoặc 5V, để điện áp ngõ vào xung clock được ổn định ta nên cho tín hiệu qua nhiều cổng đảo và khi đó tín hiệu ra cuối cùng sẽ có biên độ ổn định và bằng phẳng hơn, ở đây mạch này tôi sử dụng IC 4049 và cho tín hiệu qua 3 cổng đảo. Điện trở R3 có giá trị từ vài chục ohm đến vài trăm ohm có tác dụng hạn dòng cung cấp cho led D3, D3 là led báo xung giúp ta có thể dễ dàng nhận biết được mức áp của xung ra, nếu là mức thấp thì led không sáng, mức cao thì led sáng. 2.2.3. Bộ đếm với hai IC 4518 và bộ giải mã với ba IC 4511 điều khiển led 7 đoạn hiển thị số 2.2.3.1. Giới thiệu và nguyên lý hoạt động của IC đếm 4518  Giới thiệu Là IC được đóng gói theo dạng DIP 16, 4518 là IC có chức năng đếm theo số trạng thái xung tại ngõ vào xung clock. IC 4518 gồm cả hai bộ đếm mã nhị phân, chân 16 lên nguồn, chân 8 nối mass, các chân 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 thuộc một bộ đếm và các chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 thuộc một bộ đếm thứ hai, hai bộ đếm này có chức năng như nhau. Hình 4.2: Hình dạng và sơ đồ chân của IC 4518BE. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 72 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Hình 4.3: Sơ đồ khối của IC 4518BE. Dựa vào sơ đồ khối của 4518 ta thấy hai bộ đếm tách biệt nhau, ta phân tích bộ đếm phía trên gồm có chân 1 nhận xung clock, chân 2 là chân ngõ vào cho phép (Enable), nhìn vào bảng sự thật ta sẽ nhận biết trạng thái của 2 chân này. Nếu chân 1 nhận xung từ mức thấp lên mức cao (0V - 5V), chân 2 ở 5V hoặc chân 1 ở 0V và chân 2 chuyển trạng thái từ cao xuống thấp (5V - 0V) thì IC đếm lên một đơn vị. Các chân 3, 4, 5, 6, ứng với Q0, Q1, Q2, Q3 thể hiện mã số BCD ở ngõ ra, chân số 7 là chân Reset, nếu chân này ở mức cao thì sẽ thiết lập trạng thái ban đầu của bộ đếm. Hình 4.4: Bản sự thật IC 4518BE. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 73 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  Nguyên lý hoạt động của IC 4518 Với giản đồ xung và bảng chân trị của IC 4518 ta thiết kế mạch đếm sản phẩm với chân 10 (chân enable) nối mass, chân nhận xung clock là chân 9, vì vậy khi xung cạnh lên (0V - 5V) thì IC đếm một đơn vị. Với cách này khi đếm sản phẩm thì sản phẩm đi qua che tín hiệu hồng ngoại đến led thu, led thu không nhận được tín hiệu hồng ngoại nên ngưng dẫn, điện áp vào cổng đảo ở mức cao, qua cổng đảo có áp thấp, led D3 sáng báo cho ta biết có một xung. Khi sản phẩm đã đi qua, led thu nhân được tín hiệu hồng ngoại và dẫn vì thế điện áp tại ngõ ra của cổng đảo ở mức cao. Tại thời điểm này, tín hiệu xung từ mức thấp lên cao tạo thành một xung clock cấp cho chân 9 và IC 4518 thực hiện đếm một đơn vị. Ngõ ra của IC là Q0, Q1, Q2, Q3 hoạt động như giản đồ xung biểu diễn, các chân này sẽ được nối vào các chân D1, D2, D3, D4 để IC 4511 tiếp tục nhiệm vụ của mình là giải mã từ mã số BCD và điều khiển led 7 đoạn hiển thị số thập phân. Hình 4.5: Giản đồ xung của IC 4518BE. 2.2.3.2. Giới thiệu và nguyên lý hoạt động của IC giải mã 4511  Giới thiệu Là IC đóng gói dạng DIP 16, IC 4511 có chức năng là nhận tín hiệu với mã số BCD từ ngõ vào là D1, D2, D3, D4 để thực hiện giải mã sang hệ số thập phân ở ngõ ra là Qa, Qb, Qc, Qd, Qe, Qf, Qg điều khiển led 7 đoạn hiển thị số thập phân. Chân 4 BI có chức năng kiểm tra mạch, tích cực mức thấp, khi nối mass thì các ngõ ra từ Qa đến Qg có mức áp là 0V, led 7 đoạn không sáng. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 74 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Hình 4.6: Hình dạng và sơ đồ chân của IC 4511. Chân 3 LT có chức năng chạy thử mạch, tích cực mức thấp, khi nối mass thì các ngõ ra từ Qa đến Qg đều ở mức cao Vcc, led 7 đoạn hiển thị số 8. Chân 5 LE là ngõ vào cho phép mạch hoạt động, tích cực mức thấp, khi nối mass, các chân LT và BI nối Vcc thì IC 4511 mới có chức năng giải mã. Các chân 7, 1, 2, 6 tương ứng với các ngõ vào của tín hiệu BCD là D1, D2, D3, D 4 nhận tín hiệu Q0, Q1, Q2, Q3 từ IC 4518 để thực hiện việc giải mã từ mã số BCD sang hệ số thập phân. Các chân 13, 12, 11, 10, 9, 15, 14 tương ứng với các ngõ ra là Q a đến Qg, các ngõ ra này cấp cho các chân a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại Catod chung hiển thị số thập phân. Chân 8 GND nối mass. Chân 16 Vcc nối nguồn dương.  Nguyên lý hoạt động của IC 4511 Chức năng của IC 4511 trong mạch đếm sản phẩm là nhận tín hiệu thuộc mã số BCD từ IC 4518 của bộ đếm từ các chân ngõ vào D1, D2, D3, D4 sau đó thực hiện giải mã và điều khiển led 7 đoạn thực hiện hiển thị số thập phân. Theo bảng sự thật của IC 4511, ta thấy với các tín hiệu BCD từ IC 4518 sau khi thực hiện đếm sẽ cấp cho ngõ vào của IC 4511, các số nhị phân BCD sẽ được IC 4511 giải mã thành hệ số thập phân và điều khiển led 7 đoạn hiển thị các số thập phân từ 0 đến 9. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 75 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Hình 4.7: Bảng sự thật IC 4511BE. 2.2.4. Led 7 đoạn Catod chung Là một loại linh kiện điện tử thông dụng sử dụng nhiều trong lĩnh vực điện tử số. Led 7 đoạn Catod chung bao gồm 7 thanh led dài giống nhau sắp xếp thứ tự như hình vẽ và được nối chung Catod của các led (nếu led 7 đoạn Anod chung thì các Anod được nối chung với nhau) khi hoạt động các chân a, b, c, d, e, f, g được nối với ngõ ra của IC giải mã tích cực mức cao. 7 6 4 2 1 9 10 5 a b c d e f g C1 C2 8 3 dp LED 7 DOAN Hình 4.8: Hình dạng led 7 đoạn. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 76 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2.4. Nguyên lý hoạt động tổng quát của mạch đếm sản phẩm Sau khi nghiên cứu nguyên lý hoạt động từng phần của mạch đếm sản phẩm ta nghiên cứu chung về một khối thống nhất của mạch. Khi có một sản phẩm đi ngang qua và che khuất tín hiệu hồng ngoại từ led phát đến led thu, mạch thu sẽ cho ra một xung clock cấp vào chân số 9 của IC 4518, lúc này IC 4518 có nhiệm vụ đếm lên một đơn vị thuộc mã số BCD, mã số BCD này xuất ra bởi các chân 3, 4, 5, 6 tương ứng Q0, Q1, Q2, Q3. Các chân này nối trực tiếp lên các chân D1, D2, D3, D4 của IC giải mã 4511. IC 4511 có nhiệm vụ giải mã từ mã số BCD sang số thập phân và xuất ra trên các chân từ Qa đến Q g được nối các chân a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn thông qua các điện trở có giá trị R=330  , có tác dụng hạn dòng bảo vệ led 7 đoạn. Xung clock từ mạch hồng ngoại chỉ cấp cho phần đếm hàng đơn vị của mạch. Để hiển thị được con số hàng chục ta chỉ việc nối chân 2 enable của IC 4518 với chân 14 tương ứng Q3 của ngõ ra mã số BCD của hàng đơn vị. Tại vì nếu có 9 sản phẩm đã được đếm ở hàng đơn vị, lúc này mã số BCD tương ứng với Q3, Q2, Q1, Q0 là 1001; Q3 tương ứng với 1 là mức cao, nếu sản phẩm thứ 10 đi qua thì IC đếm với mã số BCD không thể hiển thị số 1010 mà trở về trạng thái lúc đầu là 0000, vậy Q3 từ mức cao về mức thấp đã tạo ra một xung clock cấp bộ đếm hàng chục và bộ đếm hàng chục đếm lên một đơn vị. Tương tự như vậy, bộ đếm hàng chục sau khi đếm đến hết 9 thì quay về 0, Q3 từ mức cao về thấp cấp xung cho bộ đếm hàng trăm, tương tự như vậy ta có thể tạo ra các mạch đếm sản phẩm với số lượng sản phẩm được đếm nhiều hơn. Với hai IC 4518 và mỗi IC 4518 có hai bộ đếm, ta sử dụng ba bộ đếm điều khiển ba IC 4511 giải mã và điều khiển ba led 7 đoạn hiển thị số thập phân từ hàng đơn vị, chục, trăm; như vậy với ba led hiển thị thì mạch đếm chúng ta có thể đếm được từ 000 đến 999 sản phẩm trước khi về 000. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 77 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 3. Sơ đồ mạch in và hình ảnh mạch thực nghiệm GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 78 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Led 7 đoạn Biến áp 5V IC 4511 IC 4518 Led phát IC 4049 Led thu Nút Reset Hình 4.9: Hình ảnh mạch ráp thực tế. 4. Ưu - khuyết điểm của mạch 4.1. Ưu điểm Mạch đếm sản phẩm có ưu điểm là mạch đơn giản, gọn nhẹ, hoạt động ổn định, chính xác dễ lắp đặt và sửa chữa. Mạch có giá trị thiết thực khi thực hiện đếm số lượng sản phẩm được sản xuất ra từ các băng chuyền một cách chính xác, thay thế cho việc đếm sản phẩm của một công nhân giúp tiết kiệm sức lao động. Mạch đếm sản phẩm hoạt động với dòng điện một chiều 5V nên ít hao tốn nhiều năng lượng. 4.2. Khuyết điểm Bên cạnh những ưu điểm thì mạch cũng tồn tại một số khuyết điểm như sau: Tín hiệu hồng ngoại từ led phát không đủ mạnh để truyền đi xa trong không gian nên để led thu nhận được tín hiệu một cách mạnh và ổn định nhất thì khoảng cách của hai led thu và phát không quá xa, chính vì vậy mà hạn chế của mạch là chỉ đếm những sản phẩm có kích thước nhỏ như lon bia, chai nước ngọt, các sản phẩm có kích thước nhỏ khác. Vì mạch hoạt động theo nguyên lý nhận tín hiệu hồng ngoại tạo xung clock để đếm nên khi hai sản phẩm đứng quá gần nhau thì tín hiệu hồng ngoại vẫn bị che khuất nên mạch vẫn đếm cho một sản phẩm; để khắc phục nhược điểm này thì yêu cầu các sản phẩm trên băng chuyền phải có một khoảng cách tối thiểu sao cho tín hiệu hồng ngoại từ led phát đến được với led thu sau khi có một sản phẩm đi qua. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 79 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng II. MẠCH CẢNH BÁO TRỘM DÙNG CẶP LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI VÀ IC NE555 1. Sơ đồ mạch nguyên lý 1.1. Sơ đồ mạch cảnh báo trộm HI 12V DC RESET LM7805 R2 270k GND IN MACH COI BAO DONG 1 SCR 2 4 R2 12k 2 D1 THR DIS TR NE555 0 Q 3 MACH KHUECH DAI AM THANH CV 7 GND 6 VCC R R3 10k OUT 8 3 LED PHÁT 5 1 D2 LED THU C1 100uF C2 0.1uF GND Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý mạch cảnh báo trộm dùng cặp led thu phát hồng ngoại và IC NE555. 1 12VAC 5 D4 LM7812 2 4 - + 2 3 1 4 8 OUT IN GND J1 1 1.2. Sơ đồ mạch nguồn 1 J2 1 C1 1000uF C2 1000uF 2 3 220V 2 12VDC 0 Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 12V.  Khối 1 là máy biến áp nguồn: dùng để đổi điện xoay chiều 220V thành các mức điện áp cao lên hay thấp xuống theo yêu cầu của tải.  Khối 2 là mạch chỉnh lưu: dùng các Diode tiếp mặt để đổi điện xoay chiều thành một chiều. Có nhiều cách mắc mạch chỉnh lưu, nhưng phổ biến nhất là mắc mạch chỉnh lưu cầu… GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 80 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 2 1 CV GND 2 6 47k TRG NE555 C2 C3 0.01uF 47uF 0.1uF 8 THR 100k C1 VCC DC C4 2 5 NE555 1 5 - 18VDC THR RST 7 7 6 TRG 4 R4 3 OUT 3 1uF CV J1 R3 U2 LS1 5 DC R2 2k2 1 OUT R1 2k2 GND 8 VCC RST U2 4  Khối 3 là mạch ổn định điện áp một chiều: dùng để giữ cho mức điện áp một chiều ra trên tải luôn luôn ổn định, mặc dù mức điện áp ở đầu vào luôn biến đổi hoặc dòng điện tiêu thụ chạy ra tải luôn thay đổi trong một giới hạn cho phép nào đó. Nguồn điện cung cấp cho mạch này có giá trị khoảng 12V, được lấy ra từ một máy biến thế. Đầu vào là nguồn điện xoay chiều 220V-50Hz, sau đó nó qua biến áp giảm áp nguồn (AC). Nguồn AC được chỉnh lưu nhờ một bộ chỉnh lưu cầu gồm 4 Diode 1N4007: D1, D2, D3, D4 bộ chỉnh lưu này chuyển từ dòng AC thành DC. Ở đầu ra mạch chỉnh lưu ta lắp thêm hai tụ điện C1 và C2 nhằm mục đích lọc phẳng tín hiệu DC vừa được chỉnh lưu và sau khi qua IC ổn áp 7812, vì đây là tụ nguồn nên có giá trị khá lớn (103 F). IC 7812 điều chỉnh giữ mức điện áp DC ổn định khoảng 12V. 1.3. Sơ đồ mạch phát tín hiệu cảnh báo  Mạch còi cảnh sát LOA Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý mạch còi cảnh sát. Mạch được tạo bởi 2 con IC 555 dùng để tạo dao động. Tần số được điều khiển bởi chân 5 của IC. Đầu tiên là IC 1 được làm việc xung quanh tần số là 1Hz và tụ C2 = 47 μF được nạp điện và sau đó là xả điện liên tục quá trình đó cứ diễn ra liên tục như vậy. Tần số ra loa được điều chế bởi IC 2 và ta nghe được âm thanh ra loa. Hai biến trở R3=47K và R4=100K dùng để điều chế tần số đầu ra cho loa. Tần số càng lớn thì tiếng hú còi nghe càng chói tai.  Mạch báo động dùng IC nhạc UM66 Hình 4.13: Sơ đồ mạch dùng IC nhạc UM66. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 81 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng IC UM66 là một IC phát tín hiệu nhạc dạng xung có biên độ rộng, hình dạng của nó giống như Transistor C1815. Nó có 3 chân, chân 3 cho nối mass, chân 2 nối vào nguồn. IC này làm việc ở điện áp 3V, để cung cấp ổn định 3V cho UM66 chúng ta cần mắc với nó một Diot Zenor 3V. Chân tín hiệu ra của nó được lấy từ chân số 1, vì tín hiệu ra ở chân này rất thấp, để nghe được âm báo động lớn ta cần đưa tín hiệu đó vào một mạch khuếch đại như sơ đồ nguyên lý bên dưới hoặc dùng hai Transistor mắc như hình 4.13. C1 TDA 2030 C3 100uF 5 HI IN 12V DC 1 HI 4 10uF 2 R3 2k2 3 R1 1.2k O UT GND C4 0.1uF LOA R2 33k C2 100uF GND GND Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại âm thanh dùng TDA2030. 2. Nguyên lý hoạt động của mạch Bộ phận chính của mạch là IC 555, có chức năng như một bộ tạo dao động (tạo xung vuông). IC này hoạt động khi có xung kích từ chân số 2. Một lần kích thì đầu ra ở chân số 3 sẽ chuyển lên mức cao và sẽ trở về giá trị ban đầu nếu ta kích trở lại ở chân số 2 của IC này. Bình thường led phát nhận nguồn 5V qua điện trở hạn dòng R3=10K phát ra ánh sáng hồng ngoại một cách liên tục, led thu nhận được tín hiệu hồng ngoại nên dẫn, khi đó có một dòng từ nguồn đổ vào chân số 2 của IC 555, nên chân này ở mức cao, đầu ra ở chân số 3 ở mức thấp, SCR không được phân cực, mạch ngoài sau chưa hoạt động. Khi có vật cản đi qua khoảng giữa led phát và led thu hồng ngoại làm cắt ngang đường truyền tín hiệu hồng ngoại, led thu không nhận được tín hiệu hồng ngoại nên ngưng dẫn. Led thu và điện trở R2 đóng vai trò cầu phân áp cho chân số 2, chân số 2 xuống mức thấp IC 555 hoạt động tạo dao động, đầu ra chân số 3 của IC này sẽ chuyển lên mức điện áp cao và kích vào chân G của SCR, SCR được phân cực (dẫn) cấp nguồn 12V cho bộ phận phát cảnh báo và mạch khuếch đại ở phía sau hoạt động. Lúc này tụ C2 sẽ bắt đầu nạp dòng, dòng qua điện trở R2, khi mức áp trên tụ C2 lên đến bằng 2/3 mức áp nguồn thì mạch sẽ trở lại trạng thái ổn định cố hữu của nó, tức chân số 3 ở mức thấp, thời gian giữ mức cao ở chân số 3 phù thuộc vào mạch thời hằng R2=270K và tụ C2=100µF (T=1,1.RC), ta cần tính toán để giữ xung này trong một khoảng thời gian đủ để kích dẫn SCR. Sau mỗi lần mạch hoạt động ta cần nhấn nút Reset để đưa SCR về trạng thái ban đầu của nó và mạch sẽ tiếp tục hoạt động bình thường. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 82 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 3. Ưu - khuyết điểm của mạch Mạch đơn giản, gọn nhẹ chỉ với một số linh kiện đơn giản thì ta có thể ráp được một bộ cảnh báo cho riêng mình, có thể dùng để chống trộm và một số mục đích khác. Bên cạnh đó nó cũng có một số hạn chế nhất định, phạm vi phát ra tín hiệu hồng ngoại không xa vì vậy phạm vi bảo vệ của mạch không được lớn, dễ bị nhiễu bởi ánh sáng mặt trời. 4. Sơ đồ mạch in Hình 4.15: Sơ đồ mạch in mạch cảnh báo trộm dùng led thu phát hồng ngoại và IC NE555. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 83 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng Hình 4.16: Sơ đồ mạch in mạch còi cảnh sát. 5. Kết quả thực nghiệm Mạch còi cảnh sát Mạch chống trộm Hình 4.17: Hình ảnh mạch ráp thực nghiệm. GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 84 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng C. PHẦN KẾT LUẬN 1. Những điều đạt được.  Về lý thuyết: Hiểu rõ hơn các lý thuyết đã học trong các học phần kỹ thuật điện tử, cảm biến trong đo lường, đồng thời qua đề tài đã cung cấp cho tôi một lượng kiến thức rất lớn sẽ hổ trợ cho tôi trong việc dạy học sau này đặc biệt là lĩnh vực điện tử. Thông qua đề tài này ngoài sự hiểu biết thêm của bản thân, tôi cũng mong giúp được các bạn sinh viên phần nào trong việc nghiên cứu hoạt động và ứng dụng của các cảm biến đơn giản.  Về thực nghiệm: Kỹ năng lắp ráp mạch điện. Kỹ năng giải quyết vấn đề một các khoa học. 2. Hướng phát triển của đề tài. Trong tương lai, nếu có đủ điều kiện để phát triển đề tài, em sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu rộng hơn nữa về lý thuyết và chuyên sâu hơn về thực nghiệm để đề tài có thể ứng dụng rộng rãi vào trong thực tiễn. Về cơ bản luận văn đã hoàn thành mục đích và nhiệm vụ mà đề tài đặt ra. Bên cạnh đó mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do thời gian thực hiện giới hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình những sai sót còn tồn tại. Xin Cảm ơn ! GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 85 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] - Lê Quốc Danh, Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển, Nhà xuất bản KH&KT, 2006. [2] - Phạm Thượng Hàn, Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý, Nhà xuất bản Giáo dục, 2006. [3] - Nguyễn Văn Hòa, Đo lường điện và cảm biến điện, Nhà xuất bản Giáo dục, 2005. [4] - Dương Minh Trí, Cảm biến và ứng dụng, Nhà xuất bản KH&KT, 2006. [5] - Phan Quốc Phô, Giáo trình cảm biến, Nhà xuất bản KH&KT, 2006. [6] - Vương Tấn Sĩ, Giáo trình kỹ thuật điện tử 1, Đại học Cần Thơ. [7] - Vương Tấn Sĩ, Giáo trình cảm biến trong đo lường, Đại học Cần Thơ. [8] - Nguyễn Tấn Phước, Điện tử công nghiệp & Cảm biến, Nhà xuất bản Trẻ, 2006. [9] - http://www.alldatasheet.com/ [10] - http://www.phipdong.com/2012/11/um66-ic-nhac-chip-nhac.html [11] - https://www.tailieu.vn/xem-tai-lieu … GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 86 SVTH: Nguyễn Minh Tài [...]... chứng tỏ bộ cảm biến đáp ứng càng nhanh Khi kích thích có dạng bước nhảy đơn vị thì đặc tính đáp ứng của bộ cảm biến có thể có những dạng sau đây: - Đáp ứng tức thời - Đáp ứng trễ theo hàm mũ - Đáp ứng tức thời và suy giảm - Đáp ứng trễ và suy giảm - Đáp ứng cộng hưởng dài hẹp GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 16 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng VII CẢM BIẾN TÍCH CỰC VÀ CẢM BIẾN... từng loại cảm biến cụ thể GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 24 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng CHƯƠNG II SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG DỤNG THỰC TIỄN I GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC BỘ CẢM BIẾN Ngày nay các mạch cảm biến đã xâm nhập vào hầu như các lĩnh vực khoa học kỹ thuật do chúng tạo rất nhiều tính năng tiện ích Cảm biến được... 19 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng  B  + I + UH  Hình 1.9: Hiệu ứng Hall VIII MẠCH GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN 1 Các đặc tính đầu của mạch giao diện Đáp ứng của các mạch cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp, công suất,… vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải Cần phải phối hợp giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ... ứng áp điện 5 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện do A Einstein phát hiện năm 1905 Hiệu ứng quang điện có nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng cùng chung một bản chất, đó là việc giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng Hiệu ứng này được ứng dụng chế để tạo cảm biến quang GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 18 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng. .. sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 14 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng IV CHUẨN CÁC BỘ CẢM BIẾN Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải thích mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả yếu tố ảnh hưởng Các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật lý liên quan tới đáp ứng. .. dây nối r ta sử dụng sơ đồ sáu dây Bốn dây nối với dụng cụ đo điện áp có điện trở trong rất lớn còn hai dây nối với nguồn áp có điện trở vào rất lớn Điện áp đó sẽ không phụ thuộc vào điện trở dây nối vì dòng điện của nó bằng 0 GVHD: Vương Tấn Sĩ Trang 23 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng X NHIỄU TRONG CÁC BỘ CẢM BIẾN VÀ MẠCH Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguyên... thước, trọng lượng Trang 12 SVTH: Nguyễn Minh Tài Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng 4 Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến - Công nghiệp - Nghiên cứu - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ, quân sự 5 Theo thông số của mô hình thực tế Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số: - Cảm biến tích cực (có nguồn): đầu ra là nguồn áp hay nguồn.. .Luận văn tốt nghiệp Cảm biến và ứng dụng của bộ vi xử lý được nối ghép với bộ cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá thông số của hệ thống Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa tín hiệu điều khiển quá trình II PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN Các bộ cảm biến có thể phân... tiếp: sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều kiện làm việc Khi tác động lần lượt lên hai cảm biến cùng một kích thích ta nhận được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn Thực hiện lại các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong chuẩn của bộ cảm biến 2 Chuẩn... tới mạch cảm biến và phát hiện, mạch cảm biến điều khiển các mạch điện đơn giản Trong các mạch cảm biến nghiên cứu thì nguyên lý hoạt động khá đơn giản, khi có tác động vào cảm biến thì cảm biến đó thay đổi (thường là thay đổi giá trị điện trở) để đáp ứng với sự tác động này, từ sự thay đổi của cảm biến đó người ta đưa vào IC điều khiển hoặc các Rơ-le điện từ để điều khiển các mạch phía sau Tùy vào mục