Thiết kế và thi công mạch đo nhiệt độ, áp suất và áp lực

Với sự phát triển đa dạng của ngành điện tử công nghiệp y sinh nói chung cũng như ngành điện tử y sinh nói riêng, thì các thiết bị điện đang ngày càng được hiện đại hóa và ứng dụng nhiều trong trong lĩnh vực y học. Nhận thấy nhu cầu sử dụng các thiết bị điện tử trong y tế ngày càng cao, trong đó các thiết bị dùng để đo nhiệt độ, áp suất cơ thể, hay các thiết bị đo nồng độ Sp02, huyết áp … đang được sử dụng rộng rãi nên chúng em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và thi công mạch đo nhiệt độ, áp suất và áp lực”.Với đề tài này chúng em có thể hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, chức năng của các linh kiện điện tử cũng như nắm rõ các loại mạch khuếch đại được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị y tế. Từ đó rút ra những kiến thức riêng cho bản thân và đúc kết kinh nghiệm cho tương lai.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thanh Tâm

Họ và tên sinh viên: 1 Nguyễn Đình Trung MSSV: 16129079

2 Phạm Thiên Vương MSSV: 16129085

Lớp: 161290B

Chuyên nghành: Kỹ thuật y sinh (Điện tử y sinh)

Tên đề tài: “Thiết kế và thi công mạch đo nhiệt độ, áp suất và áp lực”.

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

.

.

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Thanh Tâm – GVhướng dẫn đồ án 1 đã giúp đỡ chúng em trong quá trình nghiên cứu, thiết kế đồ án.Trang bị cho chúng em những kiến thức về thiết kế mạch để có thể nghiên cứu đềtài 1 cách tốt nhất

Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu đề tài, do kiến thức còn hạn chế nênchúng em vẫn còn một số thiếu sót trong việc thiết kế cũng như tính toán mạch.Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của các thầy/cô giảng viên bộ môn để đềtài của chúng em có thể đầy đủ và hoàn chỉnh hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu: 1

1.3 Giới hạn 1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 2.1 Giới thiệu IC TL081 2

2.2 Dây cảm biến nhiệt độ NTC 3

2.2.1 Nguyên lý hoạt động 4

2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của NTC 5

2.3Cảm biến áp lực Loadcell 1kg 6

2.4 Cảm Biến Áp Suất-MPS20N0040D-D 7

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 10 3.1 Khảo sát sơ đồ khối 10

3.2 Tính toán thiết kế mạch cảm biến áp suất 10

3.3 Tính toán thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ 12

3.4 Tính toán thiết kế mạch cảm biến áp lực 14

3.5 Thi công mạch 16

3.5.1 Kết quả cảm biến áp suất 17

3.5.2 Kết quả mạch cảm biến nhiệt độ 17

3.5.3: Kết quả đo mạch cảm biến áp lực 19

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 20 4.1 Đánh giá đồ án 20

4.2 Kết luận 21

Hình 2.6: Sơ đồ chân và hình thực tế của cảm biến MPS20N0040D-D Hình 2.7: Cấu tạo bên trong của cảm biến áp suất MPS20N004D-D

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ, áp suất, áp lực

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp suất

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp lực

Hình 3.5: Mạch PCB các khối cảm biến (Mặt trên và Mặt dưới)

Hình 3.6: Mạch thực tế đã thi công

Hình 3.7: Kết qua khi áp suất bằng 0

Hình 3.8: Kết quả sau khi bơm áp suất

Hình 3.9: Kết quả đo khi ở nhiệt độ phòng

Hình 3.10: Kết quả đo ở nước nóng (Khoảng 70 o C)

Hình 3.11: Kết quả đo ở nước lạnh (Khoảng 5 o C)

Hình 3.12: Kết quả đo khi cảm biến loadcell chưa được tác dụng lực Hình 3.13: Kết quả đo khi tác động lực vào loadcell

Bảng 2.1: Một số thông số của IC TL081

Bảng 2.2: Một số thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ NTC 10K

Bảng 2.3: Một số thông số kỹ thuật của load cell

Bảng 2.4: Một số thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất MPS20N0040D-D

dùng để đo nhiệt độ, áp suất cơ thể, hay các thiết bị đo nồng độ Sp02, huyết áp

… đang được sử dụng rộng rãi nên chúng em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và thi công mạch đo nhiệt độ, áp suất và áp lực”.

Với đề tài này chúng em có thể hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, chứcnăng của các linh kiện điện tử cũng như nắm rõ các loại mạch khuếch đại được

sử dụng rộng rãi trong các thiết bị y tế Từ đó rút ra những kiến thức riêng chobản thân và đúc kết kinh nghiệm cho tương lai

Thiết kế vị trí các linh kiện giống với sơ đồ nguyên lý để người nhìn dễ hiểu rõ

về nguyên lý hoạt động của mạch

1.3Giới hạn

Thiết kế board mạch có kích thước là 15x20cm

Phạm vi đo được nhiệt độ của cảm biến NTC 10K từ 0℃ - 100 ℃

Phạm vi đo được áp lực của cảm biến loadcell là 1Kg

Mạch chỉ xuất được giá trị điện áp các thông số thay đổi của các cảm biến

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu IC TL081

TL081 là IC có nhiều chức năng, khuếch đại hoạt động với hai điện thếđầu vào Mỗi bộ khuếch đại hoạt động đầu vào JFET kết hợp với các bóng bándẫn có điện áp cao và lưỡng cực được kết hợp trong một mạch tích hợpnguyên khối Phù hợp các thiết bị có độ quay cao, độ lệch đầu vào thấp vàdòng bù thấp, hệ số nhiệt độ điện áp bù thấp

3: Ngõ vào không đảo 7: Vcc+

4: Vcc - 8: N.C

Bảng 2.1: Một số thông số của IC TL081

Thời lượng ngắn mạch đầu

oC

Tstg Phạm vi nhiệt độ lưu trữ –65 to 150 oC

2.2Dây cảm biến nhiệt độ NTC

Trong số các loại điện trở nhiệt, NTC là loại điện trở được sử dụng phổ biến

và rộng rãi nhất Loại điện trở này có thể thay đổi trở kháng dưới tác dụng củanhiệt Và cụ thể là điện trở sẽ giảm theo nhiệt độ.Đây là điểm khác biệt rõ nétnhất giữa điện trở nhiệt NTC so với các loại điện trở thông thường Chính vì thế,điện trở nhiệt NTC hay còn được gọi là điện trở Thermistor Trong đó,Thermistor là sự kết hợp giữa thermal (nhiệt) và resistor (điện trở)

Cấu tạo của NTC:

Loại điện trở này thường được cấu tạo từ hỗn hợp các bột oxit kim loạinhư man gan, nickel, cobalt, … Các bột này khi sản xuất sẽ được trộn theo một tỉ

lệ và khối lượng nhất định Sau đó, hỗn hợp sẽ được nén chặt và nung ở nhiệt độcao trong một thời gian nhất định

Hình 2.3: Dây NTC 10K Hình 2.4: Cấu tạo NTC

Hiểu một cách đơn giản, điện trở nhiệt hoạt động để cản trở dòng điện.Nếu vật dẫn điện tốt thì điện trở sẽ nhỏ và ngược lại, vật dẫn điện kém thì điệntrở sẽ lớn Đặc biệt, nếu vật cách điện thì điện trở sẽ vô cùng lớn Điện trở nhiệtNTC hay thermistor nói chung sẽ cản trở dòng điện của một vật dẫn điện và sau

đó chuyển từ điện năng sang nhiệt năng

Giả sử quan hệ giữa độ lớn của trở kháng và nhiệt độ tuyến tính với nhau, khi đó

ta có công thức:

ΔR=k.Δt

Trong đó:

 ΔR là lượng thay đổi của trở kháng

 Δt là sự thay đổi của nhiệt độ

 k là hệ số nhiệt của điện trở

Với điện trở NTC, điện trở sẽ giảm theo nhiệt độ, do đó hệ số k sẽ có giá trị

âm Ta cần lưu ý điều này để phân biệt giữa điện trở nhiệt NTC và PTC PTC

cũng là một loại điện trở nhiệt nhưng nó sẽ tăng theo nhiệt độ, do đó hệ số k củaPTC có giá trị dương Ngoài ra, ta cũng cần lưu ý, điện trở NTC chỉ tuyến tínhtrong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.

2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của NTC

Ưu điểm: điện trở nhiệt nói chung và điện trở nhiệt NTC nói riêng có ưu điểmnổi bật là bền, rẻ và dễ chế tạo Chỉ từ những oxit đơn giản, qua quá trình nungnóng là ta đã có thể tạo ra một chiếc đền trở nhiệt bền, chắc

Tuy nhiên, loại điện trở này chỉ có khoảng nhiệt từ 50 – 150D Vì thế, người ta ítdùng chúng để làm cảm biến nhiệt độ Đồng thời, dãy tuyến tính hẹp cũng là mộtnhược điểm của điện trở NTC

Bảng 2.2: Một số thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ NTC 10K

2.3 Cảm biến áp lực Loadcell 1kg

Hình 2.5: Sơ đồ hoạt động loadcell

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain

gage” và thành phần còn lại là “Load”

 Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trởthay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổnđịnh, được dán chết lên “Load”

 Load – một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi

Nguyên lý hoạt động: hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng wheatstone Giátrị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở và do

đó trả về tín hiệu điện áp

Bảng 2.3 :Một số thông số kỹ thuật của load cell

Hình 2.6: Sơ đồ chân và hình thực tế của cảm biến MPS20N0040D-D

Nguyên lý làm việc của cảm biến loại này dựa trên sự biến dạng của cấutrúc màng của các phần tử áp điện trở (khi có áp suất tác động đến) được chuyểnthành tín hiệu điện

Khi lớp màng bị biến dạng uốn cong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị Độnhạy và tầm đo của cảm biến phụ thuộc kích thước, cấu trúc, vị trí các áp điệntrở trên màng

Hình 2.7: Cấu tạo bên trong của cảm biến áp suất MPS20N004D-D.

Điện áp đầu ra ở chân Input sẽ được tính theo công thức:

Khi không có áp suất tác động các điện trở ở trạng thái cân bằng(đều bằng 5KΩ), điện áp ngõ ra bằng 0 Khi có áp suất tác động màng mỏng bị biến dạng ,các giá trị điện trở thay đổi, giá trị các áp điện trở song song với cạnh màng giảmthì giá trị các áp điện trở vuông góc với cạnh màng tăng và ngược lại khi đó sẽtạo điện áp ngõ ra khác 0 (từ 0 - 25mV)

Bảng 2.4: Một số thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất MPS20N0040D-D

Cầu kháng to 4 - 6 KΩ

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH

3.1 Khảo sát sơ đồ khối

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ, áp suất, áp lực

3.2 Tính toán thiết kế mạch cảm biến áp suất

Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch đo áp suất sử dụng cảm biến áp suấtMPS20N004D-D như hình dưới đây:

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp suất

Xét tầng 1: V1 = Vin+( – V

in-Xét tầng 2: Vo = V1(1+)

Trong đó:

V1: Điện áp tại đầu ra 6 của khuếch đại thuật toán U1

Vo: Điện áp tại đầu ra 6 của khuếch đại thuật toán U2

Vin+: Điện áp tại đầu ra 1 của cảm biến áp suất

Vin-: Điện áp tại đầu ra 2 của cảm biến áp suấtTín hiệu điện áp tại điểm (+) được đưa đến Vin+, tín hiệu điện áp tại điểm (-)được đưa đến Vin- Sau đó, 2 tín hiệu này được qua mạch khuếch đại vi sai, hệ sốkhuếch đại được tín như sau:

K1 = ( bởi bì = )

Tầng 1: Mạch lọc tích cực thông thấp bậc 1 với hệ số khuếch đại K1=10:

Chọn tần số cắt fc=16KHz (do độ chệnh lệch điện trở của cảm biến áp suấtlớn nên ta chọn tần số cắt lớn cỡ vài KHz), hệ số khuếch đại K=25,

R1=R2=10KΩ, R5 =10KΩ, C1=C2=10nF, C3=100pF, sử dụng cảm biếnMPS20N004D để đo áp suất, nguồn nuôi cho op-amp ± 12V và tỉ lệ: =

3.3 Tính toán thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ

Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến NTC như hìnhdưới đây:

Hình 3.3 : Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ

Từ mạch trên ta được:Vout = Vin+( – V

in-Tín hiệu điện áp tại điểm (+) được đưa đến Vin+, tín hiệu điện áp tại điểm (-)được đưa đến Vin- Sau đó, 2 tín hiệu này được qua mạch khuếch đại vi sai, hệ sốkhuếch đại được tín như sau:

K = ( bởi vì = )

Vì giá trị điện trở nhiệt NTC là 10 KΩ nên ta chọn các giá trị điện trở của

RA, RB, RC đều là 10 KΩ

 RA= RB= RC = 10 KΩ

Mạch lọc tích cực thông thấp bậc 1 với hệ số khuếch đại K=10:

Chọn hệ số khuếch đại K=25, R1=R2=1KΩ, C1=C2=10nF, C3=100pF, nguồn nuôicho op-amp là ± 12V và tỉ lệ: =

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp lực

Tầng 1: Mạch lọc tích cực thông thấp bậc 1 với hệ số khuếch đại K1=100:

Chọn tần số cắt fc=16KHz (do độ chệnh lệch điện trở của cảm biến áp lực lớnnên ta chọn tần số cắt lớn cỡ vài KHz),

Chọn R1=R2=1KΩ, C1=C2=10nF, C3=100pF, sử dụng cảm biến loadcell để đo áplực

Nguồn nuôi cho opamp ± 12V và tỉ lệ: =

Ta có: fc = = = 16KHz

 Chọn R4=100KΩ, R3=100 KΩ

Ta có: V1 = Vin+( – V

in-Hệ số khuếc đại của tầng 1 là: K1==100

Tầng 2: Mạch khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại K2=18 và nguồn nuôicho opam ± 12V:

Hình 3.5: Mạch PCB các khối cảm biến (Mặt trên và Mặt dưới)

Hình 3.6: Mạch thực tế đã thi công

3.5.1 Kết quả cảm biến áp suất

Hình 3.7: Kết qua khi áp suất bằng 0

Hình 3.8: Kết qua sau khi bơm áp suất

3.5.2 Kết quả mạch cảm biến nhiệt độ

Hình 3.9: Kết quả đo khi ở nhiệt độ phòng

Hình 3.10: Kết quả đo ở nước nóng Hình 3.11: Kết quả đo ở nước lạnh

(Khoảng 70 o C) (Khoảng 5 o C)

3.5.3: Kết quả đo mạch cảm biến áp lực

Hình 3.12: Kết quả đo khi cảm biến loadcell chưa được tác dụng lực

Hình 3.13: Kết quả đo khi tác động lực vào loadcell

Về hoạt động: Mạch xuất ra được điện áp khi thay đổi các thông số của ngõ vàocảm biến nhiệt độ, áp suất và áp lực.

 Nhược điểm:

Vì chỉ xuất được giá trị điện áp cho nên không thể biết được các giá trị thông

số của nhiệt độ, áp suất, áp lực khi điện áp thay đổi

Qua đồ án môn học, chúng em có thể nhận thức rõ hơn về những mạchđiện tử y sinh, từ đó có định hướng rõ rang cho những bước tiến sắp tới của bảnthân Chúng em cũng biết được những lợi ích của làm việc nhóm, cũng như tinhthần tự giác tìm hiểu, học hỏi những kiến thức liên quan để có thể hoàn thành đồ

án một cách tốt nhất