Mạch khuếch đại cảm biến áp suất sử dụng IC TL082, cảm biến áp suất MPS20N0040D. Đồ án gồm hình ảnh linh kiện cần sử dụng, hình ảnh mạch PCB trước và sau.
Trang 1MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1
DANH MỤC CÁC HÌNH 3
LỜI MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 01: TỔNG QUAN 5
1.1 Đặt vấn đề 5
1.2 Mục tiêu đề tài 5
CHƯƠNG 02: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1 Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất 6
2.1.1 Áp suất 6
2.1.2 Cảm biến thông minh 6
2.2 Lý thuyết về đo áp suất trong đo lường y sinh 6
2.2.1 Kĩ thuật đo huyết áp xâm lấn 6
2.2.2 Kĩ thuật đo huyết áp không xâm lấn 7
2.3 Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế mạch cảm biến áp suất 8
2.3.1 Cảm biến áp suất MPS20N0040D 8
2.3.2 Điện trở 9
2.3.3 Tụ điện 10
2.3.4 IC khuếch đại thuật toán 11
CHƯƠNG 03: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 12
3.1 Sơ đồ khối 12
3.2 Sơ đồ nguyên lý 12
3.2.1 Mạch khuếch đại vi sai 12
3.2.2 Mạch khuếch đại không đảo 13
3.2.3 Mạch khuếch đại cảm biến áp suất 15
3.3 Nguyên lý hoạt động 15
3.4 Thi công mạch 16
Trang 23.5 Mạch hoàn thiện 17
CHƯƠNG 04: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO 21
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Sơ đồ kết cấu của một cảm biến thông minh 6
Hình 2: Monitor theo dõi 7
Hình 3: Cảm biến áp suất 8
Hình 4: Cảm biến áp suất MPS20N0040D 9
Hình 5: Hình dáng thực tế mạch cầu 9
Hình 6: Điện trở 10 kΩ 9
Hình 7: Điện trở 15 kΩ 10
Hình 8: Điện trở 100 kΩ 10
Hình 9: Tụ gốm 100pF 11
Hình 10: Tụ gốm 10nF 11
Hình 11: Sơ đồ chân IC TL082CP 11
Hình 12: Hình ảnh thực tế IC TL08 12
Hình 13: Sơ đồ khối mạch khuếch đại cảm biến áp suất 13
Hình 14: Sơ đồ khối mạch khuếch đại vi sai 13
Hình 15: Sơ đồ khối mạch khuếch đại không đảo 14
Hình 16: Sơ đồ khối mạch khuếch đại cảm biến áp suất 16
Hình 17: Sơ đồ thiết kế mạch 17
Hình 18: Mạch in trước 18
Hình 19: Mạch in sau 18
Hình 20: PCB layout 19
Hình 21: Mạch thực tế ở mặt trước 19
Hình 22: Mạch thực tế ở mặt sau 20
Trang 3Với những ứng dụng rất phổ biến như đã nếu trên, việc nghiên cứu về cảm biếnnói chung và cảm biến áp suất nói riêng rất quan trọng đối với người kĩ sư Qua Đồ
án 1, chúng em nhận được đề tài “ Thiết kế mạch khuếch đại cảm biến áp suất”
Trong quá trình làm đồ án do hạn chế về kiến thức và điều kiện thực tế nênchúng em khó tránh khỏi sai sót, kính mong thầy giúp đỡ em hoàn thành tốt nhiệmvụ
Bài báo cáo được chia ra làm 04 chương:
Chương 01: Tổng quan
Chương 02: Cơ sở lý thuyết
Chương 03: Thiết kế và thi công mạch
Chương 04: Kết luận
Trang 4CHƯƠNG 01: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề
- Thị trường cảm biến ứng dụng trong y học là một trong số ít thị trường vẫn duytrì được sức mạnh của mình ngay cả khi nền kinh tế đi xuống
- Cảm biến ứng dụng trong thiết bị y tế chủ yếu được tích hợp vào các thiết bị điện
tử nhằm chuyển các dạng kích thích khác nhau thành tín hiệu điện để phân tích.Cảm biến có thể làm tăng tính thông minh của thiết bị y tế, ví dụ như việc cấy ghépduy trì sự sống, và có thể theo dõi từ xa hay ngay cạnh giường bệnh các thông số yhọc quan trọng
- Và đặc biệt, việc kiểm tra các tín hiệu sinh lý trên cơ thể con người hết sức quantrọng Thực tế cho thấy các tín hiệu y sinh này có biên độ rất nhỏ và dễ bị nhiễubởi các tất nhân khác Vì vậy, việc kiểm tra hay phân tích đòi hỏi sự chính xác cao
Để giải quyết vấn đề nêu ra, việc đầu tiên là phải khuếch đại các tín hiệu y sinh thuđược nhờ các mạch khuếch đại thuật toán
1.2 Mục tiêu đề tài
- Mạch khuếch đại cảm biến áp suất đo áp suất mạch máu trong chu kì hoạt độngcủa tim Tín hiệu y sinh có biên độ nhỏ thu được được khuếch đại và cho ra tínhiệu có biên độ lớn hơn để chuẩn đoán
Hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch
Tính toán được các thông số của mạch
Chạy hoạt động đúng yêu cầu
Trang 5CHƯƠNG 02: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất
2.1.1 Áp suất
- Trong vật lý học, áp suất (thường được viết tắt là p) là một đại lượng vật lý, thể hiện cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị đo diện tích của một vi thành phần bề mặt vật chất
p= F
S Với S là diện tích
- Đơn vị đo của áp suất: Trong hệ SI : N/m2 hay còn gọi là Pa: 1 Pa = 1 N/m2
- Ngoài ra còn có một số đơn vị khác: atmosphere, Torr, mmHg
2.1.2 Cảm biến thông minh
- Người ta sử dụng các bộ vi xử lý hay các vi điều khiển kết hợp với các loại cảm biến khác nhau để tạo ra cảm biến thông minh có các đặc tính mới như: tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số …
Hình 1: Sơ đồ kết cấu của một cảm biến thông minh
- Các bộ cảm biến thông minh thường có một bộ chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là điện áp 0-5V hoặc 0-10 V hoặc dòng 0-20mA hoặc 4-20 mA
2.2 Lý thuyết về đo áp suất trong đo lường y sinh
Trang 6trên thị trường có nhiều loại Monitor hay huyết áp kế theo dõi bệnh nhân khácnhau nhưng không phải hãng nào cũng có đo huyết áp động mạch xâm lấn (IBP)
mà chủ yếu là đo huyết áp không xâm lấn (NIBP) đo bằng bao đo huyết áp
- Cơ chế của huyết áp động mạch xâm lấn (IBP)
Huyết áp động mạch xâm lấn là tiêu chuẩn vàng để xác định huyết áp
Theo dõi huyết áp liên tục, chính xác
Điều chỉnh lượng dịch chống sốc thích hợp
Lấy máu động mạch để xét nghiệm khí máu nhiều lần
Đo huyết áp ở những trẻ béo phì,trẻ nhũ nhi…có thể đánh giá không chính xác
Hình 2: Monitor theo dõi bệnh nhân có chức năng đo huyết áp động mạch
xâm lấn
2.2.2 Kĩ thuật đo huyết áp không xâm lấn
- Đối với phương pháp đo không xâm lấn thì kĩ thuật này sử dụng cảm biến đo ápsuất để xác định huyết áp tâm trương và huyết áp tâm thu của cơ thể
- Cảm biến đo áp suất có nhiều loại đáp ứng ra khác nhau: áp xuất/xung, ápsuất/điện trở … Loại cảm biến có đầu ra là sự thay đổi điện trở theo áp suất là phổ
Trang 7biến hơn Cấu tạo một loại cảm biến áp suất sử dụng cầu điện trở như hình dướiđây:
Hình 3: Cảm biến áp suất
- Trong trường hợp lý tưởng, áp suất bằng 0, bốn điện trở này cân bằng về giá trị(đều bằng 5kΩ) Cấp nguồn cho mạch cầu trở này (thông thường cấp nguồn +5V) Cấp nguồn cho mạch cầu trở này (thông thường cấp nguồn +5Vvào Vcc ) Điện áp lý tưởng tại 0 mmHg tải điểm (+) là 2.5V và bằng với điện áp tạiđiểm (-) cũng là 2.5V Khi áp suất tăng, các điện trở R1 và R3 tăng trong khi R2 vàR4 giảm, làm cho điện áp chênh lệch tại hai điểm (+) và (-) tăng
- Do việc tăng giảm điện trở đối với mỗi bước áp suất ở thang đo mmHg khôngnhiều (thông thường là vài Ω) Cấp nguồn cho mạch cầu trở này (thông thường cấp nguồn +5V) Cần phải sử dụng mạch khuếch đại để khuếch đại
sự thay đổi theo áp suất cho mạch đo Sử dụng một mạch khuếch đại vi sai đối vớihai tín hiệu (+) và (-) để tăng phạm vi điện áp chênh lệch đến ngưỡng phù hợp chocác bộ ADC (bộ chuyển đổi tương tự sang số) nhằm đưa vào bộ xử lý để hiện thị rakết quả áp suất hiện thời
2.3 Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế
2.3.1 Cảm biến áp suất MPS20N0040D
- Ảnh thực tế:
Trang 8Hình 4: Cảm biến áp suất MPS20N0040D
Hình 5: Hình dáng thực tế mạch cầu
- Thông số kĩ thuật
Đo phạm vi áp suất của 580 PSIG, 40KpaG
Công suất áp suất tối đa gấp ba lần phạm vi đo
Cung cấp năng lượng làm việc 5 VDC,
Trang 11Hình 11: Sơ đồ chân IC TL082CPChức năng của từng chân:
Chân số 1, 7: ngõ ra Chân số 4, 8: nguồn Vcc
+/-Chân số 2, 6: ngõ vào âm Chân số 3, 5: ngõ vào dương
Hình 12: Hình ảnh thực tế IC TL08
Trang 12CHƯƠNG 03: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
3.1 Sơ đồ khối
- Sơ đồ khối của mạch khuếch đại cảm biến áp suất:
Hình 13: Sơ đồ khối mạch khuếch đại cảm biến áp suất
- Chức năng và nguyên lý hoạt động của các khối
Khối cảm biến: nhằm thu nhận những trạng thái áp suất khí khác nhau,
và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình
đó rồi đưa đến bộ khuếch đại
Khối khuếch đại: dùng để khuếch đại sự thay đổi theo áp suất cho mạch đo,tăng phạm vi điện áp chênh lệch đến ngưỡng phù hợp
Khối nguồn nuôi 5V/ 12V: cung cấp nguồn cho các khối chức năng hoạtđộng
3.2 Sơ đồ nguyên lý
- Mạch khuếch đại cảm biến y sinh có 2 tầng khuếch đại gồm mạch khuếch đại visai và mạch khuếch đại không đảo
3.2.1 Mạch khuếch đại vi sai
Hình 14: Sơ đồ khối mạch khuếch đại vi sai
- Mạch điện này dùng để tìm ra hiệu số, hoặc sai số giữa 2 điện áp mà mỗi điện áp
có thể được nhân với một vài hằng số nào đó Các hằng số này xác định nhờ cácđiện trở
- Ngõ ra theo lý thuyết tín được như sau:
Trang 13- Mạch khuếch đại vi sai trong mạch đo áp suất:
R1 = R2 = 10 kΩ ; R3 = R4 = 100 kΩ thì V1 = A(Vout+ – Vout-) với A = R4
R1
3.2.2 Mạch khuếch đại không đảo
Hình 15: sơ đồ khối mạch khuếch đại không đảo
- Dùng để khuếch đại một điện áp (nhân với một hằng số lớn hơn 1)
Trang 14- Mạch khuếch đại không đảo trong mạch đo áp suất:
3.2.3 Mạch khuếch đại cảm biến áp suất
Trang 15Hình 16
3.3 Nguyên lý hoạt động
- Khi giá trị áp suất cung cấp cho cảm biến tăng, giá trị biến trở R1 và R3 tăng trongkhi R2 và R4 giảm, làm cho điện áp chênh lệch tại hai điểm (+) và (-) tăng (áp suấtthay đổi làm điện áp thay đổi_biến đổi các tín hiệu áp suất khác nhau thành tín hiệuđiện tương ứng) Sau đó, tín hiệu điến áp tại điểm (+) được đưa đến Vout+ , tín hiệuđiện áp tại điểm (-) được đưa đến Vout- Tiếp theo, hai tín hiệu được đưa qua mạchkhuếch đại vi sai, hệ số khuếch đại của mạch theo lý thuyết tính được như sau:
Trang 163 điện trở 10kΩ) Cấp nguồn cho mạch cầu trở này (thông thường cấp nguồn +5V
2 điện trở 100kΩ) Cấp nguồn cho mạch cầu trở này (thông thường cấp nguồn +5V
1 điện trở 15kΩ) Cấp nguồn cho mạch cầu trở này (thông thường cấp nguồn +5V
3.4.3 Vẽ PCB
Mặt in trước
Hình 18: Mặt trướcMặt in sau
Trang 17Hình 19: Mặt sau
3.5 Mạch hoàn thiện
Không có lỗi đi dây trên Protues
Trang 18Mạch hoàn thiện thực tế:
Hình 21: Mặt trước
Trang 19Hình 22: Mặt sau
Trang 20CHƯƠNG 04: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN
Đạt được những yêu cầu đặt ra
Nhận thức rõ hơn về mạch cảm biến điện tử y sinh
Trang 21TÀI LIỆU THAM KHẢO
[4] Wikipedia https://vi.wikipedia.org/wiki/%E1%BB%A8ng_d%E1%BB
%A5ng_m%E1%BA%A1ch_khu%E1%BA%BFch_%C4%91%E1%BA%A1i_thu
%E1%BA%ADt_to%C3%A1n