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.
ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Sơ đồ kết cấu cảm biến thông minh Hình 2: Monitor theo dõi .7 Hình 3: Cảm biến áp suất .8 Hình 4: Cảm biến áp suất MPS20N0040D Hình 5: Hình dáng thực tế mạch cầu Hình 6: Điện trở 10 kΩ 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 mặt trước 19 Hình 22: Mạch thực tế mặt sau 20 GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT LỜI MỞ ĐẦU Việc đo xác định áp xuất đóng vai trò quan trọng hệ thống giám sát điều khiển động cơ, điều khiển trình hay chuyển đổi áp suất Các cảm biến đo áp suất sử dụng nhà mát để kiểm soát mức áp suất hợp lý cho hệ thống, ví dụ nhà máy nhiệt điện, nhà máy có hệ thống nung nén vật liệu, có lab thí nghiệm đo lường y sinh … Với ứng dụng phổ biến trên, việc nghiên cứu cảm biến nói chung cảm biến áp suất nói riêng quan trọng người kĩ sư Qua Đồ án 1, chúng em nhận đề tài “ Thiết kế mạch khuếch đại cảm biến áp suất” Trong trình làm đồ án hạn chế kiến thức điều kiện thực tế nên chúng em khó tránh khỏi sai sót, kính mong thầy giúp đỡ em hoàn thành tốt nhiệm vụ Bài báo cáo chia làm 04 chương: Chương 01: Tổng quan Chương 02: Cơ sở lý thuyết Chương 03: Thiết kế thi công mạch Chương 04: Kết luận GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT CHƯƠNG 01: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề - Thị trường cảm biến ứng dụng y học số thị trường trì sức mạnh kinh tế xuống - Cảm biến ứng dụng thiết bị y tế chủ yếu tích hợp vào thiết bị điện tử nhằm chuyển dạng kích thích khác thành tín hiệu điện để phân tích Cảm biến làm tăng tính thơng minh thiết bị y tế, ví dụ việc cấy ghép trì sống, theo dõi từ xa hay cạnh giường bệnh thông số y học quan trọng - Và đặc biệt, việc kiểm tra tín hiệu sinh lý thể người quan trọng Thực tế cho thấy tín hiệu y sinh có biên độ nhỏ dễ bị nhiễu tất nhân khác Vì vậy, việc kiểm tra hay phân tích đòi hỏi xác cao Để giải vấn đề nêu ra, việc phải khuếch đại tín hiệu y sinh thu nhờ mạch khuếch đại thuật toán 1.2 Mục tiêu đề tài - Mạch khuếch đại cảm biến áp suất đo áp suất mạch máu chu kì hoạt động tim Tín hiệu y sinh có biên độ nhỏ thu được khuếch đại cho tín hiệu có biên độ lớn để chuẩn đốn • • • Hiểu ngun lý hoạt động mạch Tính tốn thơng số mạch Chạy hoạt động yêu cầu GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT CHƯƠNG 02: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết phép đo áp suất 2.1.1 Áp suất - Trong vật lý học, áp suất (thường viết tắt p) đại lượng vật lý, thể cường độ thành phần lực tác động vng góc đơn vị đo diện tích vi thành phần bề mặt vật chất Với S diện tích - Đơn vị đo áp suất: Trong hệ SI : N/m2 hay gọi Pa: Pa = N/m2 - Ngoài có số đơn vị khác: atmosphere, Torr, mmHg 2.1.2 Cảm biến thông minh - Người ta sử dụng vi xử lý hay vi điều khiển kết hợp với loại cảm biến khác để tạo cảm biến thơng minh có đặc tính như: tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số … Hình 1: Sơ đồ kết cấu cảm biến thông minh - Các cảm biến thông minh thường có chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường điện áp 0-5V 0-10 V dòng 0-20mA 4-20 mA 2.2 Lý thuyết đo áp suất đo lường y sinh 2.2.1 Kĩ thuật đo huyết áp xâm lấn - Đo huyết áp động mạch xâm lấn Monitor theo dõi bệnh nhân phương pháp đo huyết áp động mạch xâm lấn IBP sử dụng phổ biến Tuy thị trường có nhiều loại Monitor hay huyết áp kế theo dõi bệnh nhân khác GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT hãng có đo huyết áp động mạch xâm lấn (IBP) mà chủ yếu đo huyết áp không xâm lấn (NIBP) đo bao đo huyết áp - Cơ chế huyết áp động mạch xâm lấn (IBP) • Huyết áp động mạch xâm lấn tiêu chuẩn vàng để xác định huyết áp • Theo dõi huyết áp liên tục, xác • Điều chỉnh lượng dịch chống sốc thích hợp • Lấy máu động mạch để xét nghiệm khí máu nhiều lần • Đo huyết áp trẻ béo phì,trẻ nhũ nhi…có thể đánh giá khơng xác Hình 2: Monitor theo dõi bệnh nhân có chức đo huyết áp động mạch xâm lấn 2.2.2 Kĩ thuật đo huyết áp không xâm lấn - Đối với phương pháp đo khơng xâm lấn kĩ thuật sử dụng cảm biến đo áp suất để xác định huyết áp tâm trương huyết áp tâm thu thể - Cảm biến đo áp suất có nhiều loại đáp ứng khác nhau: áp xuất/xung, áp suất/điện trở … Loại cảm biến có đầu thay đổi điện trở theo áp suất phổ biến Cấu tạo loại cảm biến áp suất sử dụng cầu điện trở hình đây: GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 3: Cảm biến áp suất - Trong trường hợp lý tưởng, áp suất 0, bốn điện trở cân giá trị (đều 5kΩ) Cấp nguồn cho mạch cầu trở (thông thường cấp nguồn +5V vào Vcc ) Điện áp lý tưởng mmHg tải điểm (+) 2.5V với điện áp điểm (-) 2.5V Khi áp suất tăng, điện trở R1 R3 tăng R2 R4 giảm, làm cho điện áp chênh lệch hai điểm (+) (-) tăng - Do việc tăng giảm điện trở bước áp suất thang đo mmHg không nhiều (thông thường vài Ω) Cần phải sử dụng mạch khuếch khuếch đại thay đổi theo áp suất cho mạch đo Sử dụng mạch khuếch đại vi sai hai tín hiệu (+) (-) để tăng phạm vi điện áp chênh lệch đến ngưỡng phù hợp cho ADC (bộ chuyển đổi tương tự sang số) nhằm đưa vào xử lý để thị kết áp suất thời 2.3 Các linh kiện dùng mạch thiết kế 2.3.1 Cảm biến áp suất MPS20N0040D - Ảnh thực tế: Hình 4: Cảm biến áp suất MPS20N0040D GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 5: Hình dáng thực tế mạch cầu - Thơng số kĩ thuật • • • • • Đo phạm vi áp suất 580 PSIG, 40KpaG Công suất áp suất tối đa gấp ba lần phạm vi đo Cung cấp lượng làm việc VDC, Trở kháng đầu vào - kΩ Trở kháng đầu - kΩ 2.3.2 Điện trở - Mạch thiết kế gồm có điện trở 10kΩ, 15kΩ, 100kΩ • Điển trở 10k Ohm Thơng số kỹ thuật: Model: 10K Ohm - 1/4W Nhiệt độ hoạt động: -55oC đến 155o Loại: Điện trở cố định Sai số: +/-5% Hình 6: Điển trở 10kΩ GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT • Điện trở 15k Ohm Điện trở 15K 1/4W 1% phù hợp với mạch điện tử cần độ xác, hoạt động ổn định, bề với thời gian Thông số kỹ thuật Giá trị điện trở: 15K Công suất: 1/4W Sai số :1% Nhiệt độ hoạt động: -55 => 150*C Cấu tạo màng kim loại (metal film) Hình 7: Điện trở 15 kΩ • Điện trở 100k Ohm Thông số kĩ thuật Điện trở: 100K Ohm Công suất: 0.25W Sai số: ±5% Công nghệ: Carbon Film Nhiệt độ hoạt động: -55°C ~ +155°C Hình 8: Điện trở 100 kΩ 2.3.3 Tụ điện - Mạch thiết kế gồm có tụ gốm 100pF, 10nF GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT • Tụ gốm tròn 100pF Thơng số kĩ thuật Điện áp hoạt động: 50V Kiểu gắn: xuyên lỗ Khoảng cách chân: 2.54mm Nhiệt độ hoạt động: -25 ~ 85°C Hình 9: Tụ gốm 100pF • Tụ gốm tròn 10nF Thơng số kĩ thuật Điện áp hoạt động: 50V Kiểu gắn: xuyên lỗ Khoảng cách chân: 2.54mm Nhiệt độ hoạt động: -25 ~ 85°C Hình 10: Tụ gốm 10nF 2.3.4 IC khuếch đại thuật toán - Sử dụng opamp TL082CP GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 11: Sơ đồ chân IC TL082CP Chức chân: Chân số 1, 7: ngõ 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 GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 10 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT CHƯƠNG 03: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 3.1 Sơ đồ khối - Sơ đồ khối mạch khuếch đại cảm biến áp suất: Hình 13: Sơ đồ khối mạch khuếch đại cảm biến áp suất - Chức nguyên lý hoạt động khối • • • Khối cảm biến: nhằm thu nhận trạng thái áp suất khí khác nhau, biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin trạng thái hay q trình đưa đến khuếch đại Khối khuếch đại: dùng để khuếch đại 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 khối chức hoạt động 3.2 Sơ đồ nguyên lý - Mạch khuếch đại cảm biến y sinh có tầng khuếch đại gồm mạch khuếch đại vi sai mạch khuếch đại không đảo 3.2.1 Mạch khuếch đại vi sai GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 11 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 14: Sơ đồ khối mạch khuếch đại vi sai - Mạch điện dùng để tìm hiệu số, sai số điện áp mà điện áp nhân với vài số Các số xác định nhờ điện trở - Ngõ theo lý thuyết tín sau: - Mạch khuếch đại vi sai mạch đo áp suất: R1 = R2 = 10 kΩ ; R3 = R4 = 100 kΩ V1 = A(Vout+ – Vout-) với A = 3.2.2 Mạch khuếch đại khơng đảo Hình 15: sơ đồ khối mạch khuếch đại không đảo GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 12 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT - Dùng để khuếch đại điện áp (nhân với số lớn 1) - Ngõ theo lý thuyết tín sau: - Mạch khuếch đại không đảo mạch đo áp suất: GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 13 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3.2.3 Mạch khuếch đại cảm biến áp suất Hình 16 3.3 Nguyên lý hoạt động - Khi giá trị áp suất cung cấp cho cảm biến tăng, giá trị biến trở R R3 tăng R2 R4 giảm, làm cho điện áp chênh lệch hai điểm (+) (-) tăng (áp suất thay đổi làm điện áp thay đổi_biến đổi tín hiệu áp suất khác thành tín hiệu điện tương ứng) Sau đó, tín hiệu điến áp điểm (+) đưa đến V out+ , tín hiệu điện áp điểm (-) đưa đến V out- Tiếp theo, hai tín hiệu đưa qua mạch khuếch đại vi sai, hệ số khuếch đại mạch theo lý thuyết tính sau: - Tầng khuếch đại thứ sử dụng mạch khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại sau: - Điện áp Vpres , đầu điện áp cảm biến sau khuếch đại lần với hệ số khuếch đại K= K1 x K2 GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 14 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3.4 Thi công mạch 3.4.1 Vẽ mạch protues Hình 17 3.4.2 Linh kiện đế banana 2mm cảm biến áp suất IC TL082 tụ gốm 100pF tụ gốm 10nF điện trở 10kΩ điện trở 100kΩ điện trở 15kΩ 3.4.3 Vẽ PCB Mặt in trước GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 15 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 18: Mặt trước Mặt in sau Hình 19: Mặt sau GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 16 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3.5 Mạch hồn thiện Khơng có lỗi dây Protues Hình 20: PCB layout Mạch hồn thiện thực tế: GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 17 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 21: Mặt trước GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 18 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 22: Mặt sau GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 19 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT CHƯƠNG 04: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN - Đánh giá: • • • Mạch xuất điện áp thay đổi thông số ngõ vào cảm biến áp suất Hạn chế mạch: xuất giá trị điện áp, không cho biết giá trị thông số áp suất 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 áp suất + Dựa vào nguyên lý hoạt động khuếch đại, ta sử dụng cho loại cảm biến khác + Rộng ứng dụng cảm biến áp suất để tạo thiết bị nhỏ gọn sử dụng y tế, có độ xác cao - Kết luận: • Đạt yêu cầu đặt • Nhận thức rõ mạch cảm biến điện tử y sinh GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 20 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Alldatasheet.com [2] Võ Đức Dũng, Nguyễn Thanh Tâm, Giáo Trình: Bài giảng thực hành Thiêt kế mạch điện tử y sinh [3] Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lưỡng, Bùi Thị Tuyết Đan, Phù Thị Ngọc Hiếu, Dương Thị Cẩm Tú, Giáo Trình Điện Tử Cơ Bản, khoa ĐiệnĐiện tử, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013 [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 GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 21 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 22 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 23 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 24 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 25 ... ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT CHƯƠNG 03: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 3.1 Sơ đồ khối - Sơ đồ khối mạch khuếch đại cảm biến áp suất: Hình 13: Sơ đồ khối mạch khuếch đại cảm biến. .. 21 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 22 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 23 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH... Tâm 15 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT Hình 18: Mặt trước Mặt in sau Hình 19: Mặt sau GVHD: Th.S Nguyễn Minh Tâm 16 ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3.5 Mạch