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.

Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thanh Tâm Họ tên sinh viên: Nguyễn Đình Trung MSSV: 16129079 Phạm Thiên Vương MSSV: 16129085 Lớp: 161290B Chuyên nghành: Kỹ thuật y sinh (Điện tử y sinh) Tên đề tài: “Thiết kế thi công mạch đo nhiệt độ, áp suất áp lực” Nhận xét giáo viên hướng dẫn: SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2018 GV hướng dẫn Nguyễn Thanh Tâm LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Thanh Tâm – GV hướng dẫn đồ án giúp đỡ chúng em trình nghiên cứu, thiết kế đồ án Trang bị cho chúng em kiến thức thiết kế mạch để nghiên cứu đề tài cách tốt Tuy nhiên trình nghiên cứu đề tài, kiến thức hạn chế nên chúng em số thiếu sót việc thiết kế tính tốn mạch Rất mong nhận quan tâm, góp ý thầy/cô giảng viên môn để đề tài chúng em đầy đủ hồn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực MỤC LỤC CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Mục tiêu: 1.3 Giới hạn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu IC TL081 2.2 Dây cảm biến nhiệt độ NTC 2.2.1 Nguyên lý hoạt động 2.2.2 Ưu điểm nhược điểm NTC 2.3Cảm biến áp lực Loadcell 1kg 2.4 Cảm Biến Áp Suất-MPS20N0040D-D CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MẠCH 10 3.1 Khảo sát sơ đồ khối .10 3.2 Tính tốn thiết kế mạch cảm biến áp suất .10 3.3 Tính tốn thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ 12 3.4 Tính tốn thiết kế mạch cảm biến áp lực 14 3.5 Thi công mạch .16 3.5.1 Kết cảm biến áp suất 17 3.5.2 Kết mạch cảm biến nhiệt độ 17 3.5.3: Kết 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 SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Sơ đồ chân IC TL081 Hình2.2: Hình ảnh thực tế IC TL081 Hình 2.3: Dây NTC 10K Hình 2.4: Cấu tạo NTC Hình 2.5: Sơ đồ hoạt động loadcell Hình 2.6: Sơ đồ chân hình thực tế cảm biến MPS20N0040D-D Hình 2.7: Cấu tạo bên 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 khối cảm biến (Mặt Mặt dưới) Hình 3.6: Mạch thực tế thi cơng Hình 3.7: Kết qua áp suất Hình 3.8: Kết sau bơm áp suất Hình 3.9: Kết đo nhiệt độ phòng Hình 3.10: Kết đo nước nóng (Khoảng 70oC) Hình 3.11: Kết đo nước lạnh (Khoảng oC) Hình 3.12: Kết đo cảm biến loadcell chưa tác dụng lực Hình 3.13: Kết đo tác động lực vào loadcell SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Một số thông số IC TL081 Bảng 2.2: Một số thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ NTC 10K Bảng 2.3: Một số thông số kỹ thuật load cell Bảng 2.4: Một số thông số kỹ thuật cảm biến áp suất MPS20N0040D-D Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Với phát triển đa dạng ngành điện tử cơng nghiệp y sinh nói chung ngành điện tử y sinh nói riêng, thiết bị điện ngày đại hóa ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y học Nhận thấy nhu cầu sử dụng thiết bị điện tử y tế ngày cao, thiết bị dùng để đo nhiệt độ, áp suất thể, hay thiết bị đo nồng độ Sp02, huyết áp … sử dụng rộng rãi nên chúng em lựa chọn đề tài “Thiết kế thi công mạch đo nhiệt độ, áp suất áp lực” Với đề tài chúng em hiểu rõ nguyên lý hoạt động, chức linh kiện điện tử nắm rõ loại mạch khuếch đại sử dụng rộng rãi thiết bị y tế Từ rút kiến thức riêng cho thân đúc kết kinh nghiệm cho tương lai 1.2 Mục tiêu: Thiết kế mạch khuếch đại sử dụng cho cảm biển nhiệt độ, áp suất áp lực Tiến hành thi công mạch board mạch Các cảm biến nhiệt độ, áp suất, áp lực có thay đổi điện áp thay đổi giá trị nhiệt độ, áp suất áp lực Thiết kế vị trí linh kiện giống với sơ đồ nguyên lý để người nhìn dễ hiểu rõ nguyên lý hoạt động mạch 1.3Giới hạn Thiết kế board mạch có kích thước 15x20cm Phạm vi đo nhiệt độ cảm biến NTC 10K từ 0℃ - 100℃ Phạm vi đo áp lực cảm biến loadcell 1Kg Mạch xuất giá trị điện áp thông số thay đổi cảm biến SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu IC TL081 TL081 IC có nhiều chức năng, khuếch đại hoạt động với hai điện đầu vào Mỗi khuếch đại hoạt động đầu vào JFET kết hợp với bóng bán dẫn có điện áp cao lưỡng cực kết hợp mạch tích hợp nguyên khối Phù hợp thiết bị có độ quay cao, độ lệch đầu vào thấp dòng bù thấp, hệ số nhiệt độ điện áp bù thấp SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Hình 2.1: Sơ đồ chân IC TL081 Hình 2.2: Hình ảnh thực tế IC TL081 Chức chân IC TL081: 1: Offset 5: Offset 2: Ngõ vào đảo 6: Ngõ SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực 3: Ngõ vào không đảo 7: Vcc+ 4: Vcc - 8: N.C Bảng 2.1: Một số thông số IC TL081 Ký hiệu VCC VI VID Ptot Toper Tstg Tham số Hiệu điện cấp vào Điện áp đầu vào Chênh lệch điện áp đầu vào Suy hao lượng Thời lượng ngắn mạch đầu Giá trị ±18 ±15 ±30 680 infinite Phạm vi hoạt động to 70 nhiệt độ khơng khí –40 to 105 Phạm vi nhiệt độ lưu trữ –55 to 125 –65 to 150 Đơn vị V V V mV o C o C 2.2Dây cảm biến nhiệt độ NTC Trong số loại điện trở nhiệt, NTC loại điện trở sử dụng phổ biến rộng rãi Loại điện trở thay đổi trở kháng tác dụng nhiệt Và cụ thể điện trở giảm theo nhiệt độ.Đây điểm khác biệt rõ nét điện trở nhiệt NTC so với loại điện trở thơng thường Chính thế, điện trở nhiệt NTC hay gọi điện trở Thermistor Trong đó, Thermistor kết hợp thermal (nhiệt) resistor (điện trở) Cấu tạo NTC: Loại điện trở thường cấu tạo từ hỗn hợp bột oxit kim loại man gan, nickel, cobalt, … Các bột sản xuất trộn theo tỉ lệ khối lượng định Sau đó, hỗn hợp nén chặt nung nhiệt độ cao thời gian định SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Hình 2.3: Dây NTC 10K Hình 2.4: Cấu tạo NTC 2.2.1 Nguyên lý hoạt động Hiểu cách đơn giản, điện trở nhiệt hoạt động để cản trở dòng điện Nếu vật dẫn điện tốt điện trở nhỏ ngược lại, vật dẫn điện điện trở lớn Đặc biệt, vật cách điện điện trở vô lớn Điện trở nhiệt NTC hay thermistor nói chung cản trở dòng điện vật dẫn điện sau chuyển từ điện sang nhiệt Giả sử quan hệ độ lớn trở kháng nhiệt độ tuyến tính với nhau, ta có cơng thức: ΔR=k.Δt Trong đó:  ΔR lượng thay đổi trở kháng  Δt thay đổi nhiệt độ  k hệ số nhiệt điện trở Với điện trở NTC, điện trở giảm theo nhiệt độ, hệ số k có giá trị âm Ta cần lưu ý điều để phân biệt điện trở nhiệt NTC PTC PTC SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Ta cấp điện áp VCC = VDC GND vào chân “Input + Input - Hình 2.7: Cấu tạo bên cảm biến áp suất MPS20N004D-D Điện áp đầu chân Input tính theo cơng thức: Khi khơng có áp suất tác động điện trở trạng thái cân bằng(đều KΩ), điện áp ngõ Khi có áp suất tác động màng mỏng bị biến dạng , giá trị điện trở thay đổi, giá trị áp điện trở song song với cạnh màng giảm giá trị áp điện trở vng góc với cạnh màng tăng ngược lại tạo điện áp ngõ khác (từ - 25mV) Bảng 2.4: Một số thông số kỹ thuật cảm biến áp suất MPS20N0040D-D Dải áp suất Nguồn cấp Trở kháng đâu vào Trở kháng đầu Nhiệt độ hoạt động Điện áp phân cực Dải điện áp đầu - 40Kpa, VDC, - KΩ - KΩ -40 - 85 ° C -40 ° F - +185 ° F ± 25 mV 50 - 100 mV SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Cầu kháng Độ tuyến tính to - KΩ ± 0.3% F.S CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MẠCH 3.1 Khảo sát sơ đồ khối SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 10 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ, áp suất, áp lực Trong đó: - Khối cảm biến: có chức thu nhận tín hiệu tương tự (nhiệt độ, áp suất, áp lực môi trường thể người…) gửi đến khối - Khối khuếch đại lọc tín hiệu: có chức khuếch đại tín hiệu thu lọc bỏ thành tần số tín hiệu mà ta khơng cần thiết - Khối nguồn: có chức cung cấp nguồn điện cho toàn mạch hoạt động (bao gồm nguồn cấp cho cảm biến nguồn ni cho op-amp khuếch đại thuật tốn 3.2 Tính tốn thiết kế mạch cảm biến áp suất Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch đo áp suất sử dụng cảm biến áp suất MPS20N004D-D hình đây: SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 11 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp suất Xét tầng 1: V1 = Vin+( – Vin- Xét tầng 2: Vo = V1(1+) Trong đó: V1: Điện áp đầu khuếch đại thuật toán U1 Vo: Điện áp đầu khuếch đại thuật toán U2 Vin+: Điện áp đầu cảm biến áp suất Vin-: Điện áp đầu cảm biến áp suất Tín hiệu điện áp điểm (+) đưa đến V in+, tín hiệu điện áp điểm (-) đưa đến Vin- Sau đó, tín hiệu qua mạch khuếch đại vi sai, hệ số khuếch đại tín sau: K1 = ( bì = ) SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 12 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Tầng khuếch đại thứ sử dụng mạch khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại sau: K2 = 1+ Điện áp Vo đầu điện áp biến sau khuếch đại lần với hệ số khuếch đại sau: K = K1 K2 Tầng 1: Mạch lọc tích cực thơng thấp bậc với hệ số khuếch đại K1=10: Chọn tần số cắt fc=16KHz (do độ chệnh lệch điện trở cảm biến áp suất lớn 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 biến MPS20N004D để đo áp suất, nguồn nuôi cho op-amp ± 12V tỉ lệ: = Ta có: fc = = = 16KHz  R4 = 99.47KΩ chọn: R4 = 100KΩ Mà: K1 = = = 10  R1= 10KΩ chọn: R1 = 10KΩ Tầng 2: Mạch khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại K 2=1.5 nguồn nuôi cho op-amp ± 12V: Ta có: K2 = 1+ = 1+ = 2.5  R6 = 15KΩ chọn: R5 = 10KΩ Mạch có hệ số khuếch đại K = K1 K2=10*1.5=15 3.3 Tính tốn thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến NTC hình đây: SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 13 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Hình 3.3 : Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ Từ mạch ta được:Vout = Vin+( – VinTín hiệu điện áp điểm (+) đưa đến V in+, tín hiệu điện áp điểm (-) đưa đến Vin- Sau đó, tín hiệu qua mạch khuếch đại vi sai, hệ số khuếch đại tín sau: K = ( = ) Vì giá trị điện trở nhiệt NTC 10 KΩ nên ta chọn giá trị điện trở RA, RB, RC 10 KΩ  RA= RB= RC = 10 KΩ Mạch lọc tích cực thơng thấp bậc với hệ số khuếch đại K=10: Chọn hệ số khuếch đại K=25, R1=R2=1KΩ, C1=C2=10nF, C3=100pF, nguồn nuôi cho op-amp ± 12V tỉ lệ: = SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 14 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Chọn: R4 = 10KΩ  fc = = = 15.9KHz Mà: K = = = 10  R1= 1KΩ chọn: R1 = 1KΩ Mạch có hệ số khuếch đại K=10 3.4 Tính tốn thiết kế mạch cảm biến áp lực Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp lực Tầng 1: Mạch lọc tích cực thơng thấp bậc với hệ số khuếch đại K1=100: Chọn tần số cắt fc=16KHz (do độ chệnh lệch điện trở cảm biến áp lực lớn nên 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 áp lực Nguồn nuôi cho opamp ± 12V tỉ lệ: = Ta có: fc = = = 16KHz  Chọn R4=100KΩ, R3=100 KΩ SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 15 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Ta có: V1 = Vin+( – VinHệ số khuếc đại tầng là: K1==100 Tầng 2: Mạch khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại K 2=18 nguồn ni cho opam ± 12V: Ta có: Vout = V1.(1+) hệ sốc khuếch đại tầng : K2= 1+=18  Chọn R5=5.6KΩ, R6=100 KΩ hệ số khuếch đại toàn mạch thực tế K=K1.K2=18.58x100=1858 3.5 Thi cơng mạch SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 16 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Hình 3.5: Mạch PCB khối cảm biến (Mặt Mặt dưới) Hình 3.6: Mạch thực tế thi cơng SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 17 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực 3.5.1 Kết cảm biến áp suất Hình 3.7: Kết qua áp suất Hình 3.8: Kết qua sau bơm áp suất 3.5.2 Kết mạch cảm biến nhiệt độ SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 18 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực Hình 3.9: Kết đo nhiệt độ phòng Hình 3.10: Kết đo nước nóng Hình 3.11: Kết đo nước lạnh (Khoảng 70oC) SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương (Khoảng 5oC) 19 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực 3.5.3: Kết đo mạch cảm biến áp lực Hình 3.12: Kết đo cảm biến loadcell chưa tác dụng lực Hình 3.13: Kết đo tác động lực vào loadcell SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 20 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 4.1 Đánh giá đồ án  Ưu điểm: Về thiết kế: Mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực có thiết kế trung bình Các ghi rõ rang mạch, giúp người xem nhìn rõ nguyên lý hoạt động loại mạch khuếch đại Về hoạt động: Mạch xuất điện áp thay đổi thông số ngõ vào cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực  Nhược điểm: Vì xuất giá trị điện áp biết giá trị thông số nhiệt độ, áp suất, áp lực điện áp thay đổi  Hướng phát triển: Ta mở rộng thêm cho đề tài cách thiết kế khối hiển thị cho mạch để hiển thị kết nhiệt độ, áp suất, áp lực, … Dựa vào nguyên lý hoạt động khuếch đại, ta sử dụng cho loại cảm biến khác Rộng ứng dụng cảm biến nhiệt độ, áp suất, áp lực để tạo thiết bị nhỏ gọn sử dụng y tế, có độ xác cao SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 21 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực 4.2 Kết luận Mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực sau hồn thành đạt mục tiêu ban đầu đề cho đồ án môn học Nhờ đó, chúng em hiểu biết sâu kiến thức liên quan đến mạch khuếch đại nắm vững kiến thức nguyên lý hoạt động số loại linh kiện, cảm biến thị trường Qua đồ án môn học, chúng em nhận thức rõ mạch điện tử y sinh, từ có định hướng rõ rang cho bước tiến tới thân Chúng em biết lợi ích làm việc nhóm, tinh thần tự giác tìm hiểu, học hỏi kiến thức liên quan để hoàn thành đồ án cách tốt Tài liệu tham khảo SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 22 Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ, áp suất áp lực [1] Nguyễn Đình Phú, Nguyễn Trường Duy, Giáo trình kỹ thuật số, NXB Đại học Quốc gia, TP.HCM, 2012 [2] Nguyễn Hữu Phương, Mạch số, NXB Thống kê, 2004 [3] Nguyễn Ngọc Hùng - Nguyễn Ngọc Lanh, Đồ án cảm biến nhiệt, ĐH Lạc Hồng, Biên Hòa, 2013 SVTH: Nguyễn Đình Trung – Phạm Thiên Vương 23