NGHIÊN cứu về cảm BIẾN, ỨNG DỤNG THIẾT kế mô HÌNH NHÀ THÔNG MINH sử DỤNG cảm BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, cảm BIẾN NHIỆT độ, cảm BIẾN QUANG

+ Cảm biến thụ động : là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng s là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung 1.2 Đường cong chuẩn của cảm biến Khái niệm: Đường cong chuẩn

Trường đại học Bách Khoa Hà NộiChương trình chất lượng cao

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN, ỨNG DỤNG THIẾT

KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN

QUANG

Lớp: KSCLC-THCN K60

Mã lớp học:

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 5

1.1 Khái niệm và phân loại cảm biến 5

1.2 Đường cong chuẩn của cảm biến 5

1.3 Các đặc trưng cơ bản 6

1.4 Độ tuyến tính 7

1.5 Mạch đo 9

1.5.1 Sơ đồ mạch đo

1.5.2 Một số phần tử cơ bản của mạch đo CHƯƠNG 2 : CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 13

2.1 Vi điều khiển 13

2.1.1 Tổng quan về 8051 2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển AT89S52 2.2 Hiển thị nhiệt độ bằng LCD 16

2.2.1 Phân loại LCD 2.2.2 Sơ đồ chân của LCD 2.2.3 Nguyên tắc hiển thị kí tự trên LCD 2.3 GIAO TIẾP VỚI BỘ HIỂN THỊ TƯƠNG TỰ-SỐ(ADC) 17

2.4 Cảm biến nhiệt độ 18

2.5 Cảm biến quang 21

2.6 Cảm biến chuyển động 23

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 26

3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 26

3.2 Ứng dụng 31

KẾT LUẬN 32

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa học công nghệnói chung và ngành công nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, gópphần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và văn minh hơn Sự phát triển của kỹ thuậtđiện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm như sự chính xác cao, tốc

độ nhanh, gọn nhẹ và hoạt động ổn định Là những yếu tố cần thiết làm cho hoạt động củacon người đạt hiệu quả cao Từ lâu cảm biến được sử dụng như những thiết bị để cảmnhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai tròquan trọng trong kỹ thuật và công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra vàđiều khiển tự động Chính vì vậy em đã chọn đề tài : “NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN, ỨNG

DỤNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN QUANG” cho đồ án thực tập của mình Nội dung báo cáo nàygồm 3 chương:

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 : CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÔ HÌNH

Mặc dù rất cố gắng hoàn thành bài báo cáo này nhưng vẫn không tránh khỏi thiếu sót

mong thầy và các bạn đóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

1.1 Khái niệm và phân loại cảm biến

- Khái niệm: Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được

Đặc trưng điện S là hàm của đại lượng cần đo m: s = f(m)

Quan hệ giữa s và m có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến Song thực tế để dễ sử dụng thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho nó có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra

và biến thiên đầu vào

∆s = S ∆m (1.1)

Trong đó: S gọi là độ nhạy của cảm biến

- Phân loại cảm biến: Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây: Theo nguyên lý người ta chia cảm biến làm hai loại:

+ Cảm biến tích cực : là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích,điện áp hay dòng

+ Cảm biến thụ động : là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung

1.2 Đường cong chuẩn của cảm biến

Khái niệm: Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại

lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m ) , hoặc bằng đồ thị như hình sau:

a Dạng đường cong chuẩn

b Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

1.3 Các đặc trưng cơ bản

- Độ nhạy của cảm biến: Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến s và biến

thiên đầu vào Δs và biến mcó sự liên hệ tuyến tính

Δs và biến s = S.Δs và biến m (1.2) Đại lượng S xác định bởi biểu thức S=s/m được gọi là độ nhậy của cảm biến,Trong trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhậy S của cảm biến xung quanhgiá trị mi của đại lườn đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên S của đại lượng đầu

ra và biến thiên m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó

(1.3)

- Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh:

Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng vớicác giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việcdanh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến Một điểm Qi(mi,si) trên đặctrưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh

Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc củađặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải làtuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc

Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vàođược gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:

(1.4)

Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làmviệc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ

- Độ nhạy trong chế độ động:

Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần

hoàn theo thời gian

Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng:

m(t) = m 0 + m1 cos ωtt (1.5)

Trong đó m0 là giá trị không đổi,m1 là biên độ, là tần số góc của biến thiên đại lượng đo.Ở đầu ra của cảm biến, S có dạng:

s(t) = s0 + s1 cos(ωtt +φ)) (1.6) Trong đó :

+ S là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh

+ S1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây ra

+ φ) là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra

Trong chế độ động độ nhậy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biên độ

của đầu ra s1 và biến thiên của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc được

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó,

độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vàogiá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này

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, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại lượng đó)

Đường thẳng tốt nhất:

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng.phương trình có dạng:

s = am + b (1.8)

Độ lệch tuyến tính:

Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo

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 gây nên sai số giữa giá trị đo được

và giá trị thực của đại lượng cần đo.Gọi x là giá trị tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x là giá trị tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x(sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

(1.9) Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có 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 Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:

1 Do nguyên lý của cảm biến

2 Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

3 Do đặc tính của bộ cảm biến

4 Do điều kiện và chế độ sử dụng

5 Do xử lý kết quả đoSai số ngẫu nhiên : là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định

- Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn

cảm biến

Độ nhanh và thời gian hồi áp:

Độ nhanh Tr là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời

gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh

1.5.2 Một số phần tử cơ bản của mạch đo

Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT)

Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch đại dòng một chiều có hai đầu vào và một đầu ra chung, thường gồm hàng trăm tranzito và các điện trở, tụ điện ghép nối với nhau Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán biểu diễn trên hình

Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại đo lường IA

Bộ khuếch đại đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra Tín hiệu đầu ra tỷ lệ với hiệu

của hai điện áp đầu vào:

U ra = A(U + −U − ) = AΔs và biến U (1.8)

Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở

Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và tăngđiện trở vào của KĐTT Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào Δs và biến U và tạo nên dòng điện i= U/Ra.Các điện áp ra từ KDTT U1và U2 phải băng nhau về biên độ x là giá trị tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực nhưng ngược pha nhau Điện áp U3 của tầng thứ hai biến đổi đầu ra vi sai thành đầu ra đơncực Hệ số khuếch đại tổng của IA bằng:

(1.10)

Khử điện áp lệch

Đối với một bộ khuếch KĐTT lý tưởng khi hở mạch phải có điện áp ra bằng không khi hai đầu vào nối mát Thực tế vì các điện áp bên trong nên tạo ra một điện áp nhỏ (điện áp phân cực) ở đầu vào KĐTT cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này được khuếch đại và tạo nên điện áp khá lớn ở đầu ra Để khử điện áp lệch có thể sử dụng sơ đồ hình 1.14, bằng cách điều chỉnh biến trở R3

Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở Mạch lặp lại điện áp

Để lặp lại điện áp chính xác, người ta sử dụng bộ KĐTT làm việc ở chế độ không đảo với

hệ số khuếch đại bằng 1 sơ đồ như hình

Mạch lặp lại điện áp

Trong bộ lặp điện áp, cực dương của KĐTT được nối trực tiếp với tín hiệu vào, còn cực

âm được nối trực tiếp với đầu ra, tạo nên điện áp phản hồi 100% do đó hệ số khuếch đại bằng 1 Mạch lặp điện áp có chức năng tăng điện trở đầu vào, do vậy thường dùng để nốigiữa hai khâu trong mạch đo.

Mạch cầu

Cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ

trường Cầu gồm bốn điện trở R1, R2, R3 cố định và R4 thay đổi (mắc như hình) hoạt động như cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu

Sơ đồ mạch cầu

Trong mạch cầu, điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng đối với biến đổi nhỏ(< 0,05)

có thể coi là tuyến tính Khi R1=R2, và R3=R4 độ nhậy của cầu là cực đại Trường

hợp R1>>R2 hay R1<< R2 điện áp ra của cầu giảm Đặt K =R1/R2 độ nhậy của cầu

trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng

mở một cơ cấu nào đó

8051 là một bộ sử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ liệu 8 bit để xử lý

8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bits(xem hình bên trong của sơ đồ khối 8051)

8051 trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán các dạng biến thể của nó Điều đó dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc

độ khác nhau, dung lượng ROM trên chip khác nhau nhưng tất cả các lệnh đều tương thích với 8051 gốc

Sơ đồ khối chung của họ vi điều khiển 8051:

+ Interrupt control : Điều khiển ngắt

+ Other registers : Các thanh ghi khác

+ 128 Byte RAM : RAM 128 Byte

+ Timer 2, 1 , 0 : Bộ định thời 2 , 1 , 0

+ CPU : Đơn vị điều khiển trung tâm

+ Oscillator : Mạch dao động

+ Bus control: Điều khiển Bus

+ I/O ports: Các ports vào/ ra

+ Serial port: port nối tiếp

+ Address/data : địa chỉ/ dữ liệu

2.1.2 Cấu trúc bên trong vi điều khiển AT89S52

Cấu trúc bên trong VĐK AT89s52 Hoạt động định thời của AT89S52

Vi điều khiển AT89S52 có 3 bộ định thời 16 bit trong đó 2 bộ timer 0 và 1 có 4 chế độhoạt động, timer 2 có 3 chế độ hoạt động Các bộ định thời dùng để định khoảng thời gian(hẹn giờ), đếm sự kiện xảy ra bên ngoài bộ vi điều khiển hoặc tạo tốc độ baud cho công nối tiếp của vi điều khiển

2.2 HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ BẰNG LCD

2.2.1 Phân loại LCD

Có thể chia các module LCD làm hai loại chính là:

- Loại hiển thị kí tự gồm có các kích cỡ 16x1 (16 ký tự trên 1 dòng), 16x2, 16x4, 20x1, 20x2, 20x4, 40x1, 40x2, 40x4 Mỗi ký tự được tạo bởi một ma trận các điển sáng kích thước 5x7 hoặc 5x10 điểm ảnh

- Loại hiển thị đồ họa đen trắng hoặc màu, gồm có các kích cỡ 1,47inch (128x128 điểm ảnh); 1,8 inch(128x160 điểm ảnh) được dùng trong điện thoại di động, máy ảnh số, camera

2.2.2 Sơ đồ chân của LCD

2.3 GIAO TIẾP VỚI BỘ HIỂN THỊ TƯƠNG TỰ-SỐ(ADC)

Giới thiệu về ADC

Bộ chuyển đổi ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu ở dạng tương tự sang dạng số để

có thể làm việc được với CPU

dây và anten Ứng dụng này chủ yếu mô tả cách thức tối ưu hóa ADC (Analog to Digital Convertor) trong các phần cứng để không làm thay đổi bản chất của nó và làm cho nó hoạt

động tốt nhất Phương pháp này phụ thuộc vào các nhiễu bên trong của ADC và các nhiễu bên ngoài như : trở kháng , nguồn , các vòng

Sơ đồ chân ADC 2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”

Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà các bạn trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần

tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu ( 1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt )

Một nguyên tắc đặt ra là: Tăng cường trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường cầnđo

Cảm biến nhiệt độ LM35

LM35 là một họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa trên các

chất bán dẫn dễ bị tác động bởi sự thay đổi của nhiệt độ , đầu ra của cảm biến là điện áp(V)

tỉ lệ với nhiệt độ mà nó được đặt trong môi trường đo

Họ LM35 có rất nhiều loại và nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau

* LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ : 10mV/1(0C)

* Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25(0C) nó có sai số không quá 1% Với tầm đo từ 0(0C) đến 128(0C) , tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào

* Thông số kỹ thuật:

- Tiêu tán công suất thấp

- Dòng làm việc từ 400µA đến 5mA