Thiết kế và thử nghiệm một số hệ thống đo lường chuyên dụng trên cơ sở cảm biến áp suất mems

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I T R Ư Ờ N G Đ Ạ I H Ọ C C Ô N G N G H Ệ Nguyễn Kiêm Hùng T H IẾ T T H Ố N G K É Đ O S Ở V À T H Ử L Ư Ờ N G C Ả M N G H IỆ M C H U Y Ê N B IỂ N Á P M Ộ T D Ụ N G S Ố H Ệ T R Ê N c S U Ấ T M E M S Ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử Thông tin liên lạc Mã sổ: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC s ĩ NG Ư ỜI HƯ ỚNG DẢN K H OA HỌC: P G S T S N G Ô D IÊ N T Ậ P H N ộ i - 2006 iv M ỤC LỰC T rang T ran g phụ b ìa i L i c a m đ o a n ii L i c ả m om iii M ụ c lụ c iv D a n h m ụ c c c t v iế t t ắ t v ii D a n h m ụ c c c b ả n g ix D a n h m ụ c c c h ìn h v ẽ X M đ ầ u C h n g : Á p s u ấ t v đ o p s u ấ t 1.1 C s v ậ t lý c ủ a c ả m b iế n p s u ấ t 1.1 í Á p s u ấ t tĩn h 1 Á p s u ấ t c h ấ t lỏ n g đ ộ n g 1.1 C c lo i p h é p đ o p s u ấ t 1 C c đ n v ị đ o p s u ấ t 1 S ự c ả m n h ậ n b iế n p s u ấ t 1 C c h iệ u ứ n g c ủ a c ả m b iế n 12 C c lo i c ả m b iế n p s u ấ t 15 1.2.1 C ả m b iế n p s u ấ t b iế n t r 15 2 C ả m b iế n p s u ấ t đ iệ n c ả m 15 1.2 C ả m b iế n p s u ấ t đ iệ n d u n g 16 C ả m b iế n p s u ấ t p đ iệ n 17 1.2 C ả m b iế n p s u ấ t đ o s ứ c c ă n g 18 B n d ẫ n tíc h h ợ p p tr 20 1.3 M ộ t s ố v ấ n đ ề liê n q u a n 22 1.3.1 G ia o d iệ n đ iệ n 22 V C h ọ n lự a c ả m b iế n , 23 C h n g : C ả m b iế n p s u ấ t c ô n g n g h ệ M E M S 24 T ổ n g q u a n v ề c ô n g n g h ệ M E M S 24 1 M E M S l g ì ? 24 2.1.2 C c ứng dụng c ủ a MEMS 27 C c c ô n g n g h ệ c h ể t o 27 S ilic 27 C h ấ t d ẻ o ( P o ly m e r) 31 3 K im lo i 31 2 C ả m b iế n p s u ấ t c ô n g n g h ệ M E M S 31 2.2.1 M n g m ỏ n g v i c S i 32 2 C â m b iế n p s u ấ t p M E M S 33 MEMS 36 V i d iề u k h iể n A V R 37 3.1 G iớ i t h iệ u 37 N h â n C P U A V R 39 3 V i đ iề u k h iể n A T M e g a 5 41 C h n g 3: T h n g h iệ m m ộ t s ổ ứ n g d ụ n g c ả m b iể n p s u ấ t T h n g h iệ m m ộ t số ứ n g d ụ n g c ủ a c ả m b iế n M E M S ữ o n g đ o l n g 46 ứ n g d ụ n g c ả m b iế n M P X 0 x c đ ịn h đ ộ c h ịu lự c c ủ a b ê 46 t ô n g 1 Đ ặ t v ấ n đ ề 46 2 T h iể t k ế h ệ th ố n g 52 2 L ự a c h ọ n c ả m b iế n 53 2 G ia o d iệ n g iữ a c ả m b iế n p s u ấ t v i v i đ iề u k h iể n 56 2 G ia o d iệ n v i đ iề u k h iể n 60 2 H iể n th ị L E D 61 vi 2 T ín h to n p s u ấ t 62 2 P h ầ n m ề m 62 3 K ế t q u ả v b n lu ậ n 64 3.2 ứ n g d ụ n g c ả m b iế n M P X A 15 A tr o n g th iế t b ị đ o đ ộ c a o 67 2 Đ ặ t v ấ n đ ề 67 2 C s p h n g p h p đ o 70 2 T h iế t k ế h ệ t h ố n g 73 2 L ự a c h ọ n c ả m b iế n p s u ấ t 74 2 B ộ th u p h t v ô tu y ế n 77 2 3 G ia o đ iệ n v i đ iề u k h iể n 78 2 K ế t q u v b n lu ậ n 81 2 K ế t lu ậ n 86 3 T íc h h ợ p k h ả n ă n g th ô n g b o k ế t q u ả b ằ n g g iọ n g n ó i c h o h ệ th ố n g đ o lư n g 86 3 Đ ặ t v ấ n đ ề 86 3 T h iế t k ế h ệ t h ố n g 87 3 M ô đ u n 3.23.2.2 H ệ 3 th u p h t â m s ố 87 đ o 90 K ế t q u ả v b n lu ậ n 3 K ế t lu ậ n 94 95 K ế t l u ậ n 96 bổ 98 T i liệ u th a m k h ả o 99 D a n h m ụ c c c c n g trìn h đ ã c ô n g D A N H M Ụ C C Á C T Ừ V IÉ T T Ắ T A /D : A n a lo g - to - D ig ita l C o n v e r te r , b ộ b iế n đ ổ i tư n g t ự s ố A L Ư : A r ith m e tic L o g ic U n it, đ n v ị lo g ic v to n h ọ c A V R : M ộ t h ọ v i đ iề u k h iể n R I S C c ủ a h ã n g A tm e ỉ C I S C : C o m p le x I n s tr u c tio n S e t C o m p u te r , m y tín h v i tậ p lệ n h p h c C P U : C e n tr a l P r o c e s s in g U n it, đ n v ị x lý tr u n g tầ m E M I : E le c tr o - M a g n e tic I n te r f e r e n c e , n h iễ u đ iệ n từ H V A C : H e a tin g , V e n tila tio n a n d A ir - C o n d itio n in g , h ệ th ố n g đ iề u h o k h ô n g k h í, th ô n g h i v s i ấ m IC : I n te g r a te d C ir c u it, m c h tíc h h ợ p L V D T : L i n e a r V a r ia b le D if fe r e n tia l T r a n s f o r m e r , lõ i b iế n th ể v i sa i b iể n th iê n tu y ế n tín h 10 M ic r o - M a e h in e s , v i m y 11 M E M S : M ic r o - E le c tro m e c h ic a l S y s te m , h ệ t h ố n g v i c đ iệ n tử 12 M I P S : M il l io n I n s tr u c tio n s P e r S e c o n d , triệ u lệ n h m ỗ i g iâ y 13 M L S : M u lti- L e v e l S to g e , c ô n g n g h ệ b ộ n h đ a m ứ c 14 M S T : M ic r o S y s te m T e c h n o lo g y , c ô n g n g h ệ v i h ệ th ố n g 15 O f f s e t: tro n g k ỹ th u ậ t d iê n tử , th u ậ t n g ữ n y đ ợ c d ù n g đ ể c h ỉ h iệ n tư ợ n g đ iệ n p lố i c ù a m ộ t th iế t b ị lệ c h k h ỏ i g iá tr ị k h i k h n g c ó tá c đ ộ n g đ ầ u v o 16 P s o C : P r o g r a m m a b le S y s te m - o n -C h ip , h ệ th ố n g o n - c h ip k h ả trìn h 17 R I S C : R e d u c e d I n s tr u c tio n S e t C o m p u te r , m y tín h v i tậ p lệ n h r ú t g ọ n 18 R P M : R e c o r d /P la y M o d u le , m ô đ u n t h u p h t â m số 19 S I : S y s tè m e I n te r n a tio n a l d 'U n ité s ( tê n tiế n g P h p ) , h ệ th ố n g c c đ n v ị q u ố c tế 20 TCO: T e m p e r a tu r e C o e f f ic ie n ts o f O f f s e t, c c h ệ s ố n h iệ t đ ộ c ủ a o f f s e t T C S : T e m p e r a tu r e C o e f f ic ie n ts o f s p a n , c ả c h ệ s ố n h iệ t đ ộ c ủ a th a n g m rộ n g 2 T F T : T h i n F ilm T r a n s is to r , tr a n z ito m n g m ỏ n g W a f e r : m ộ t t v ậ t liệ u b n d ẫ n m ỏ n g đ ợ c s đ ụ n g đ ề c h ế tạ o c c m c h ữ o n g c ô n g n g h ệ v i đ iệ n tử ix DANH M ỤC CÁ C BẢNG T n g B ả n g -1: B ả n g c h u y ể n đ ổ i g iữ a c c đ n v ị p s u ấ t th n g đ ù n g B ả n g -1 : C h ứ c n ă n g c c c h â n 55 B ả n g -2 : C c g iá trị đ ịn h m ứ c c ự c đ i 55 B ả n g -3 : C c đ ặ c trư n g h o t đ ộ n g 55 B ả n g -4 : C h u y ể n đ ổ i p s u ấ t th n h đ ộ c a o 71 B n g -5 : C h c n ă n g c c c h â n 75 B ả n g -6 : C c g iá trị đ ịn h m ứ c c ự c đ i 76 B ả n g -7 : C c đ ặ c trư n g h o t đ ộ n g 76 X D A N H M Ụ C C Á C H ÌN H V Ê T n g H ìn h 1-1 : Á p s u ấ t đ iể m b ấ t k ỳ c h o trư c tro n g c h ấ t l ỏ n g H ìn h 1-2: M in h h o n g u y ê n lý A r c h i m e d e s H ìn h 1-3: Á p s u ấ t c ủ a m ộ t c h ấ t lỏ n g đ ợ c c h ứ a ứ o n g b ìn h c h ứ a đ ợ c q u a n s t k h i đ ụ c m ộ t lô n h ỏ tr ê n th n h c ù a b ìn h c h ứ a H ìn h 1-4 : M in h h o đ ịn h lu ậ t P a s c a l H ìn h 1-5: M ộ t c c ấ u ố n g P ito t c ó th ể đ ợ c s d ụ n g đ ể đ o v ậ n tổ c d i c h u y ể n c ủ a c h ấ t lò n g H ìn h 1-6: T í n h c h ấ t c ó th ể n é n đ ợ c c ủ a c h ấ t k h í đ ợ c m in h h o th ô n g q u a m ố i liê n h ệ p h i tu y é n g iữ a p s u ấ t k h í q u y ể n v đ ộ c a o H ìn h 1-7: C ù n g m ộ t c ả m b iế n c ó th ể đ ợ c s d ụ n g c h o lo i p h é p đ o p s u ấ t c h ỉ k h c n h a u p s u ấ t th a m c h iế u H ìn h 1-8: S đ k h ố i c h ú c n ă n g c ủ a m ộ t c ả m b iế n p s u ấ t 10 H ìn h 1-9: C c p h ầ n tử c ả m b iế n p s u ấ t c b ả n 12 H ìn h 1-10: N h iệ t đ ộ c ó ả n h h n g tớ i đ ộ d ịc h o f fs e t c ù a c ả m b iế n p s u ấ t H ỉn h 1-11 : Đ ộ n h y c ả m c ủ a c ả m b iế n c ũ n g b ị tá c đ ộ n g b i n h iệ t đ ộ 13 13 H ìn h -1 : P h n g p h p b ìn h p h n g tố i th iể u c ó th ể đ ợ c s d ụ n g đ ể đ o đ ộ tu y ế n tín h c ủ a c ả m b iế n p s u ấ t 13 H ìn h -1 : M in h h o tín h c h ấ t c ó th ể lặ p lạ i p h é p đ o c ủ a c ả m b iế n p r s u ấ t 14 H ìn h 1-14: H iệ n tu ợ n g trễ n h iệ t 14 H ìn h -1 M in h h o c ả m b iế n p s u ấ t k iể u b iế n t r 15 H ình 1-16: M ộ t cảm biến áp suất kiểu L V D T 16 xi H ìn h -1 : C ả m b iế n p s u ấ t đ iệ n d u n g b a o g m đ ĩa p h ẳ n g p h â n c c h b ằ n g c h â n k h ô n g 17 H ì n h -1 : M ộ t c ả m b iế n p s u ấ t đ iệ n d u n g p h ứ c tạ p h n đ ợ c đ ù n g đ ể đ o p s u ấ t v i s a i 17 H ìn h -1 : C ả m b i ế n p đ iệ n c h u y ể n đ ổ i s ứ c c ă n g th n h đ iệ n th ế v n g ợ c lạ i C c c ả m b iế n ê n c s c ô n g n g h ệ n y đ ợ c đ ù n g đ ể đ o p s u ấ t b iế n t h i ê n 1g H ì n h -2 : C c c ả m b iế n đ o p s u ấ t k iể u đ o ỉự c c ă n g đ o s ứ c c ă n g c ủ a v ậ t liệ u k h i p tớ i v ậ t liệ u đ ó m ộ t l ự c 19 H ìn h -2 : M ộ t th a n h s ílic c ó th ể đ ợ c liê n k ế t tớ i m ộ t m n g m ỏ n g đ ể t o t h n h m ộ t c ả m b iế n đ o s ú c c ă n g 19 H ìn h -2 : Q u t ì n h c h ế tạ o IC đ ợ c s đ ụ n g đ ể tạ o c c p tr trê n b ề m ặ t c ủ a m ộ t m iế n g S i k h i s ả n x u ấ t m ộ t c ả m b iế n p s u ấ t p t r t íc h h ợ p 20 H ìn h -2 : C c c ả m b iế n p s u ấ t b n đ ẫ n tíc h h ợ p lo i p h ợ p n h ấ t b ố n p t r tr o n g m n g m ỏ n g B ố n đ iệ n trở n y đ ợ c n ố i th n h m ộ t m c h c ầ u b ố n p h ầ n t 20 H ìn h -2 : M ặ t s a u c ủ a m iể n g b n d ẫ n đ u ợ c k h ắ c đ ể tạ o m n g m ỏ n g c ủ a c ả m b iế n p s u ấ t p 21 H ìn h -2 : C ả m b iế n p s u ấ t p c ó th ế đ ợ c c ấ u h ìn h đ ể c u n g c ấ p v i ệ c đ ọ c p s u ấ t tu y ệ t đ ố i, v i sa i h o ặ c g a u g e , p h ụ th u ộ c v o đ iể m th a m c h iế u M ả n g m ỏ n g c h ỉ r a ữ o n g tr n g h ợ p n y b ị lệ c h đ i đ i p s u ấ t v i sa i đ ợ c p t i 21 H ỉn h -2 : M ộ t c ả m b iế n p s u ấ t s ilic tíc h h ợ p h o n to n c ó k íc h th c ( b a o g m c ả c ổ n g ) là: d i ,5 in , r ộ n g ,4 in , c a o ,7 in 22 H ìn h -1 : C ô n g n g h ệ M E M S đ ợ c liê n k ế t o n g c c th iế t b ị c k íc h th c m ic r o m é t 24 H ìn h -2 : M h ì n h c h ứ c n ă n g c ủ a m ộ t th iế t b ị c ả m b iế n ê n c s M E M S đ iể n h ì n h 24 x ii H ìn h -3 : B ộ g ia tố c v i p h ầ n IC đ iề u k h iể n b ê n ta y trá i v tế b o c ả m b i ế n b ê n ta y p h ả i ^ H ìn h -4 : C ả m b iế n p s u ấ t đ iệ n d u n g th e o c ô n g n g h ệ v i c b ề m ặ t 29 H ìn h -5 : Q u y trìn h v i c k h ố i 31 H ì n h -6 : M ặ t c ắ t n g a n g c ủ a m n g s ilic 32 H ìn h -7 : S đ m in h h o m ộ t c ả m b iế n p s u ấ t v i c c p h ầ n t p tr k h u ế c h t n ^ H ìn h -8 : B ố n p h ầ n tử ả p trở tạ o th n h m ộ t c ấ u h ỉn h c ầ u W h e a ts to n e 35 H ìn h -1 : S đ k h ố i k iế n trú c v i đ iề u k h iể n A V R 39 H ìn h -2 : S đ c h â n c ủ a A T M e g a 5 42 H ìn h -3 : S đ k h ố i c ủ a A T M e g a 5 43 H ìn h - : M c h lố i v o tư n g t ự , 46 H ì n h -5 : M y n é n b ê tô n g 0 T 48 H ìn h -6 : M ộ t lo i p k ế đ ợ c s đ ụ n g đ ể đ o đ ộ c h ịu lự c c ủ a v ậ t liệ u 4g H ỉn h -7 : M y n é n b ê tô n g T o n iP A C T III c ù n g v i h ệ th ố n g đ iề u k h iể n H ìn h -8 : M y k iể m tr a s ứ c n é n c ủ a b ê tô n g lo t C C H 50 50 H ìn h -9 : M y n é n th u ỷ lự c d ù n g tr o n g k iể m f s ứ c n é n c ủ a b ê tô n g : a ) lo i c h ỉ th ị k im tru y ề n th ố n g ; b ) lo i h iệ n t h ị s ố , g h é p n ố i m y t ín h 51 H ìn h -1 : S đ k h ố i c h ứ c n ă n g c ủ a h ệ đ o 52 H ìn h - 1 : S đ c ả m b iể n M P X 0 54 H ìn h -1 : C c lo i c ả m b iế n ả p s u ấ t h ọ M P X 0 54 H ìn h -1 : N h iễ u ê n tín h iệ u lối r a c ủ a c ả m b iế n tíc h h ợ p 57 H ìn h -1 : M c h lọ c th ô n g th ấ p R C lố i r a v k h g h é p n g u n n u ô i 58 H ìn h -1 : S d ụ n g m ộ t b ộ đ ệ m R a i l - t o - R a i l đ ế g iả m tr k h n g lố i r a c ủ a m c h lọ c R C 3ừ H ìn h -1 : S đ m c h v i đ iề u k h i ể n 60 H ìn h -1 : S đ m c h L E D h iể n th ị 6] -85- EQnh 3-35: Sơ đồ khối hệ thống số kết nối với thơng qua bus PSoC.[51 P h n g án 2: sử dụng biến đổi M S5535A Đây m ột cảm biến áp suẩt hệ m ới tích hợp sẵn ừên biến đổi A/D 15-bit hăng Intersem a (Thuỵ sĩ, xem hình 3-36) Các đặc tính chủ yếu M S5535A gồm: • T ích hợp m ột cảm biến áp suất (9x9mm), • D ải áp suất đo 10“ 1100 mbar (hay 1-110 kPa), • A /D 15 bit, • G iao diện tiếp 3-đây, • đường clock hệ thống (32,768 kHz), • Đ iện áp thẩp /công suất thấp Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -86- 15-bl ADC ROM Hình 3-36 Cảm biến áp suất MS5535A.^ D o có sẵn m ột biến đổi A/D 15 bit, đữ liệu lối cảm biến M S5535A liệu số v lối khơng cần phải kết nối tới lối vào ADCO vi điều khiển thiết kế trên, m đom giản m ột chân lối vào số V ì trường hợp ta sử dụng vi điều khiển AT90S2313 thay cho A TM ega8535 Với cảm biến M S5535A ta đạt độ phân giải 0,0036kPa/giá trị số lối cùa A/D độ cao tối đa đo 25km 2 K ể t ỉu ậ n V ới việc sử dụng cảm biến cảm biến M EM S, cấu trúc đo đ ộ cao trở nên đơn giản hom đạt độ xốc ổn định cao hơn, công suất tiêu thụ thấp hơ n so với việc sử dụng cảm biến truyền thổng Thêm vào giá thành thiết b ị giảm đáng kể Với ưu điểm kể thiết bị sử dụng để trang bị cho tàu lượn, kinh khí cầu, cốc nhà leo núi V 3.2.3 T íc h h ợ p k h ả n ăn g th ô n g báo k ế t q u ả b ằ n g giọng nói cho hệ th ổ n g đo lư n g 3 Đ ặ t v ấ n đ ề C ác hệ th ố n g đo lường gần tích hợp nhiều đặc tỉnh a thích cho người sử đụng M ộ t o n g đặc tính khả đọc kết đo giọng nói Phần trình b ày kết thực nghiệm việc m rộng thiết kế hệ đo phần để đo th ô n g số môi trường là: nhiệt độ, độ ẩm áp suất Đặc biệt hệ đ o tích hợp th êm m ột phát âm số phép thông báo kết đo giọng Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -87- nói tiếng V iệt Với thơng số đo h ệ thống sử m ột thiết bị dự báo thời tiết đơn giản Sau khoảng thờ i gian đặt tnrớc có m ột phím u cầu đọc kết bấm, kết đo độ ẩm, nhiệt độ, áp suất thơng báo giọng nói tiếng Việt Phương thứ c đọc kết đo lường giọng nói áp dụng cho hệ thống đ o lường tham số khác như: đo huyết áp, đo điện áp, máy vi sóng.v V Hình 3-37: Một số ví dụ thiết bị cầm tay thơng báo kết giọng nói.IM1 (a) Treo chìa khố với đồng hồ báo thị giọng nói (b) Đồng hồ bảo thức thơng báo nhiệt độ giọng nói (c) Một thiết bị hiển thị lịch, thời gian, nhiệt độ thông báo nhiệt độ thời gian giọng nói 3 T h iế t k ể h ệ th ổ n g 3.2.3.2.1 M ô đ u n th u p h t âm số T rong h ệ thống này, m ột phần quan trọng m ôđun R PM sử dụng để thu/phát âm RPM cung cấp giải pháp thu/phát âm chất lượng cao cho ứng dụng nhắn tin khoảng thời gian ngắn Sơ đồ khối RPM m iêu tả o n g hình 3-38 M ôđun R PM bao gồm m ột đao động, m ột b ộ tiền khuếch đại m icro-phôn, m ạch điểu khiển khuếch đại tự động, lọc chống chồng phổ, lọc làm trơn, k huếch đại loa M ột hệ thống thu/phát âm tối thiểu cấu hình với m ột m icro-phôn, m ột loa, m ột vài linh kiện thụ động, hai nút bấm m ột nguồn nuôi V iệc ghi âm lưu vào ô nhớ không bay hơi, cung cẩp lưu trữ tin nhắn công suất zero G iải pháp thực nhờ cồng nghệ lưu trừ đa m ứ c M LS Tiếng nói tín hiệu âm lưu trữ trực tiếp vào Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -88- nhớ dạng tự nhiên nó, cung cấp tái tạo âm trạng thái lỏng chất lượng cao R PM cung cấp m ột loạt m ôđun thu/phát âm với thời gian thu/phát khoảng từ 20 giây đến vài phút Trong phần này, sử đụng m ơđun R PM có khoảng thu phát 20 giây Các hệ số m ôđun RPM đáng quan tâm bao gồm khả nhớ tú i nhắn 100 năm 100.000 chu trình ghi C ác đặc tính: • N gn ni đơn +5 vơn, • K hoảng thời gian ghi: 20 giây, • G iải pháp thu phát đơn chip dễ sử đụng, • Sự tạo lại âm tự nhiên chất lượng cao, • Khả nâng nối tầng trực tiếp cho khoảng ghi dài hơn, • C hế độ tiết kiệm lượng tự động, • Sự lưu tin nhắn cơng suất Zero, • C ó khả định địa đển tất tin nhắn, • K h ả nhớ tin nhấn đến 100 năm, Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -89- • C hịu 100.000 chu trình ghi, • B ộ dao động on-chip, • N hiệt độ làm việc: ° c tới °c đổi với sản phẩm thương mại, -4 ° c tới 85°c đối vói sản phẩm cơng nghiệp H ỉnh 3-39 m ột sơ đồ khối cho m ột ứng dụng R PM M ạch có ba nút nhấn: m ột cho ghi, cho phát lại theo sườn m ột cho ph át lại theo mức N út ghi âm thực chỉnh xác nhiệm vụ tên gọi nỏ: nhấn nút cho phép ghi lại âm thanh; nhả nút đừng ghi âm N ếu gặp điểm kểt thúc nhớ (EO M ) chip trước nút nhả, chip tự động kểt thúc việc ghi chuyển sang chể độ giảm lượng Cũng có m ột LED đỏ đùng để thị việc ghi âm LED bật sáng ghi âm  m ghi theo cách: cách sử dụng m ột m icrô-phôn m ạch ví dụ phần trên, cách sử dụng m ột tín hiệu trực tiếp từ m ột hệ thống C D -stereo k ết nối trực tiếp tởi chân lối vào tương tự RPM Có hai loại nút phát loại: kích hoạt theo sườn (PLAYE) kích hoạt theo m ức (PLAYL) Thiết bị bắt đầu m ột chu trình phát lại âm phát sườn chuyển m ức từ m ức H IG H tới mức LO W chân PLAYE V iệc đưa chân P L A Y E lên m ức H IG H suốt thời gian phát Lại âm không kết thúc chu trinh phát lại thời Sự phát lại tiếp tục m ột dấu hiệu EO M phát N gay sau hoàn thành chu kỳ phát lại, thiết bị tự động giảm lượng chuyển sang chế độ Standby Chức phát kích hoạt theo m ức khởi tạo m ột chu trình phát lại âm tín hiệu lối vào chân giữ m ức thấp phát lại tiếp tục chân PLA YL kéo lên m ức cao gặp dấu hiệu EO M (kết thúc nhớ) T hiết bị tự động chuyển sang chế độ giảm lượng chu trinh phát lại hoàn thành Đ ầu loa R PM thiểt kế để sử dụng m ột loa 16ÍX Bằng cách sử dụng lối vào dịa (A 0-A 7), chế độ hoạt động (bằng cách sử dụng chân với byte trạng thái khác - chân v 10 Luận Vãn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -90- đặt lên m ức cao), nhiều đoạn âm ghi phát lại Phần sau m inh hoạ cách sử đụng R PM để ghi âm phát lại nhiều đoạn âm 3 2 H ệ đo Thiết kế m rộng phát triển hệ đo độ cao ong phần 2, hai kênh ADC1 A D C2 sử đụng cho việc đo nhiệt độ độ ẩm m ột cách tương ứng Sơ đồ khối hệ đo m iêu tả hình 3-39 Hình 3-39: Hệ thống đo nhiệt độ, độ ẩm áp suất khí Đ ể có m ột dự báo thời tiết xác m ột số thông số môi ứ n g cần thu thập như: áp suất khí quyển, nhiệt độ, tốc độ gió, hướng gió,lượng mưa, độ ẩm D o đó, hầu hết trạm dự báo thời tiết có: • D ụng cụ đo nhiệt độ, • Thiết bị sức gió, • Đ ầu đo độ ẩm, • T hiết bị đo áp suất khí Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiẽm Hùng -91- T rong ứng đụng này, chức đo nhiệt độ thực cảm biến nhiệt độ LM 35, kết nối tói chân lối vào A D C Ì vi điểu khiển chức n ăn g đo độ ẩm th ự c cảm biến độ ẩm H M 1500 kết nối tới chân A DC2 n h hình 3-39 Đ o nhiệt độ: Cảm biến LM 35 cảm biến nhiệt độ tích hợp độ xác cao, điện áp lối tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ Celsius (Centigrade) D o đó, LM 35 có m ột ưu điểm so với cảm biến nhiệt độ tuyến tính khác đư ợ c hiệu chuẩn theo K elvin, người sử dụng trừ m ột số điện áp lớn từ lối n ó để nhận nhiệt độ Centigrade LM 35 khơng địi hỏi hiệu chuẩn bên m ạch bổ trợ để cung cấp độ chỉnh xác khoảng ±0,25 ° c nhiệt độ phòng ±0,75 ° c qua toàn dải nhiệt độ - 5 tới + 150°c B ằng cách sử dụng cảm biến nhiệt độ LM 35 ta đo nhiệt độ với v i điều khiển A TM ega8535 với linh kiện phụ ợ tối thiểu Cảm biển LM 35 có dải nhiệt độ làm việc -55 tới +150 ° c Điện áp lối thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ lối vào với hệ số 10 m V/°C Đ iều cỏ nghĩa ràng với m ột A /D độ phân giải 10-bit cho độ ph ân giải nhiệt độ 0,5 ° c độ phân giải đủ tốt cho khảo sát C c đ ặ c tín h c h ín h : • Được hiệu chuẩn trực độ Celsius (Centigrade), • Hệ số tỷ lệ tuyến tính 10,0 m V /°C, • Đ ộ chỉnh xác 0,5°c (ở 25 °C), • D ải hoạt động định m ức -5 ° c tới + °c, • Đ iện áp hoạt động từ tới 30 Vơn, • D òng cực m nhỏ 60 m A, • T rở khảng lối thấp 0,1 ơm với địng tải mA Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -92- ỉ 1ị I vc DC ị ! ĩ i uF r [ ĩ í r -ir- ỉ*■ 41 ị1 1 • ' ABC L i Ị a m Õ ỉíL ỉ _ ị sĩ o o > *L loịl » i CO Ị i ~1X1D' /1 Ị Ị 5hFĩ iị 1ị ; ỉ lí Lm :Í5 -1 + ị ' i Ị • _ 1I ., i i _ị _ L Ã. _J1 _ I i Ị f i i .1 í i : M Hình 3-40: Sự kết nối LM35 tới hệ thống Giống với mạch tuyến tính nối tới cốc dây nối ữ o n g mơi trường có nhiều nhiễu, hiệu suất bị tác động m ột cách bất lợi nguồn nhiễu điện từ mạnh, chẳng hạn rơle, máy phát vô tuyến, động chổi quét, V V dây nối trở thành ăngten th u lớp tiếp giáp bán dẫn bên hành động chỉnh ỉưu Đ ể đạt kết tốt trường hợp vậy, m ột tụ lọc nguồn nối từ nguồn nuôi tới đất làm nhụt RC tiếp (chẳng hạn, R = Q , c = lfiF ) từ lối tới đất thường sử dụng hình 3-40 Đ o độ ẩm : độ ẩm giám sát bảng m ột cảm biến độ ẩm kết nối tớ i lối vào ADCO Cảm biển độ ẩm sử đụng H M 1500 Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -93- Hình 3-41: Cảm biến độ ẩm tương đối HM1500 Đ ược xây dựng sở cảm biến độ ẩm điện dung H S 101, H M 1500 chuyển đổi độ ẩm chuyên dụng thiết k ế cho ứng dụng OEM m ột phép đo xác tin cậy địi hỏi C ó thể ghép nối trực tiếp với vi điều khiển nhờ điện áp lối tuyến tính Các đặc trưng cảm biến HM1500: • K ích thước nhỏ, • K hơng bị ảnh hưởng bị nhúng nước, • Độ ổn định theo thời gian độ tin cậy cao, • Đ iện áp ỉối từ tới vôn D C với độ ẩm lối vào tới 100% R H nguồn ni VDC, • Đã hiệu chuẩn với +/- 2% RH @ 55% RH, • Sự phụ thuộc nhiệt độ thấp, • Đ iện áp ỉối tỷ lệ với điện áp nguồn ni, • P hù hợp với điện áp nguồn từ tới 10 vôn M ột độ phân giải theo độ ẩm 0,2% RH đạt bàng cách sử dụng A /D 10-bit A /D vi điều khiển ATM ega8535 Đ ể ứ ng dụng R PM vào ứ ong hệ thống đo, hiệu chỉnh để cố khả ghi m ẫu giọng nói theo định dạng tệp C ho ví dụ, để thơng báo nhiệt độ đo ứng đụng này, lời đọc số câu “N hiệt độ là”, “độ C ” cần Luận Vẫn Cao Học Nguyễn Kiêm Hừng -9 - ghi âm Sau tổ hợp âm cho phép thông báo kết m ong m uổn, chẳng hạn như: “N hiệt độ 23 độ C” 3 K ế t q u ả VÀ bàn lu ậ n B ản m ạch hệ đo sau lắp ráp hình 3-42 Hình 3-42: Bản mạch hệ đo D ự báo th i tiế t đ n giản: Áp suất khí bề m ặt trái đất m ột kết đo lường sử đụng để đự báo thời tiết Khơng khí vùng áp suất cao bị nén ấm lên bị hạ thấp Sự ấm lên khơng khí ngăn chặn hình thành đám mây Do đó, trời thường có nhiều nắng vùng áp suất cao với m ột khả nhỏ có sương mù Tuy nhiên, vùng áp suất khí thấp, khơng khỉ dâng lên cao bị làm lạnh Với độ ẩm đủ lớn khơng khí, phần khơng khí bốc lên bị làm lạnh đi, khơng khí bị ngưng tụ tạo thành m ây v ả kết tủa dạng m ưa tuyết Thiết kế ghi lại kết đọc áp suất thời so sánh với kết áp suất đọc tnróc Nó tạo m ột định có m ột giảm tăng áp suất Bằng cách sử đụng thông tin áp suất đo với thông tin nhiệt độ độ ẩm mơi trường tạo m ột dự đoán thời tiết đơn giản bàng cách phát thông báo dạng âm hiển Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -9 - thị LCD, chẳng hạn “ứời nắng” có tăng áp suất, “ư ời m ưa” có giảm áp suất “thời tiết ổn định” thay đổi đáng kể áp suất K ế t q u ả : Các thông số đo gồm áp suất khí liền truởc đó, nhiệt độ, độ ẩm kết dự báo thời tiết đơn giản hiển thị m àn LCD Đ ồng thời thông tin thơng báo giọng nói tiếng Việt 3.2.3.4 K ế t luận Đ ây m ột nhiều ứng dụng m ôđun RPM kết hợp với m ột vi điều khiển cảm biến hệ thống đo lường để thông báo kết giọng nói T hiết kế cỏ thể sử dụng m ột ví dụ tham khảo cho việc phát triển ứng dụng đo luờng điều khiển phức tạp hom trạm dự báo thời tiết cầm tay, máy bán hàng tự động, đo lường từ xa, hệ thống giám sát y tể hệ thống tự động công nghiệp Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -96- K É T LU Ậ N H ệ thống vi điện tử MEMS phát triển từ công nghệ m ạch tích hợp nhàm m ục đích tạo nên vi cảm biến cấu chấp hành cực nhỏ Ban đầu q u trình cơng nghệ chế tạo vật liệu sử dụng bán đẫn, nhiên chúng tích hợp hệ thống khác sinh học, học, quang học, thủy khí T huật ngữ M EM S xuất Hoa Kỳ để thiết bị vi điện tử có chứa phận di động biến dạng Ở châu  u hệ thống gọi công nghệ v i cấu trúc M ST (M icro-System Technology), N hật Bản nhiều nước châu Á gọi vi m áy M S (M icroM achines) M EM S sử dụng phổ biển công nghiệp tự động nhu cảm biến gia tốc ừong hệ thống túi khí Bên cạnh M EM S có nhiều ứng dụng khác lĩnh vự c quân sự, thiết bị y té, thiết bị gia dụng V V N hờ tiến đạt ttong công nghệ vi cơ, hàng trăm thiết bị M EM S cỗ thể tạo từ m ột w afer silic kích thước 8-inch Bởi vỉ tồn hệ thống tạo với kích thước nhỏ với sổ lượng lón vậy, giá thành sản phẩm theo công nghệ giảm M EM S phần chuyển độ n g vỉ chúng ổn định hệ thống - điện thông thường Bởi giá thảnh giảm độ tin cậy tăng nên khơng có giới hạn ứng dụng cảm biến áp suất công nghệ MEMS Trên tác giả trình bày kiến thứ c đo áp suất suất với cảm biến công nghệ M EM S với kết thực nghiệm đạt thông q u a thiết kể ứng dụng cụ thể Đây chi ỉà ứ ng dụng nhỏ đơn giản số ứng dụng mà cảm biến M EM S cỏ thể sử dụng Các thiết kế c ó thể sử dụng ỉà ví dụ m inh hoạ cho việc phát triển ứng dụ n g đo lường điều khiển phức tạp hệ thống cảnh báo m ực nước, máy bán hàng tự động, đo lường từ xa, hệ thống giám sát y té v Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -9 - hệ thống tự động công nghiệp Từ kết nghiên cửu đạt đến m ột số đánh giá nhận xét sau: • N gày nay, hệ thống đo lường v điều khiển điện tử dần thay hệ thống khí chuyển đổi cảm biến áp suất sở silic trở thành lựa chọn số Cảm biến vi silic cung cấp m ột độ xóc cao m ột giá thành thấp v đảm nhiệm vai trò ghép nối g iữ a giới học hệ thống điện • Áp suất đo áp suất phức tạp rác rối Tuy nhiên, với hầu hết hệ thống tương đối dễ dàng để nhận kết đo áp suất xác phương pháp kỹ thuật thích hợp sử dụng • Các cảm biến áp suất nói chung tương đối ồn, dẫn đến lỗi đáng kể sử đụng kết hợp với m ột biến đổi A/D có độ phân giải cao Do tuỳ theo ứng dụng cụ thể kỹ thuật khử ồn, tự điều chỉnh điểm để bù lại sai số cần cân nhắc sử dụng m ột cách hợp lý • Các cảm biến áp suất MEMS nói chung M otorola nói riêng phong phú v đa dạng chủng loại, dải áp suất đo mức độ tích hợp m ộ t chip N hững m ức độ tích hợp cảm biến khơng có m ạch bù nhiệt, khơng hiệu chuẩn tới cảm biến tích hợp hồn tồn m ạch bù nhiệt, hiệu chuẩn định dạng tín hiệu D o đó, với ứng dụng cụ thể cần phân tích kỹ u cầu tốn đặt để có lựa chọn cảm biến p h ù hợp với yêu cầu Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -98- D A N H M Ụ C C Á C C Ô N G T R ÌN H Đ Ã C Ơ N G BỐ • N gô D iên Tập Nguyễn Kiêm Hùng, T h e a p p lica tio n o f M E M S p r e s s u r e s e n s o rs to m e a su re th e resista n ce o f c o n stru c tin g m a te ria ls, T he 8th International Conference on M echaừonics Technology, ICM T-2004, H anoi, V ietnam • N gô Diên Tập Nguyễn Kiêm H ùng, T h e a p p lica tio n o f P IC m ic r o ­ c o n tro lle r to in vestig a te th e tra n sitio n o f d ie se l e n g in e, V ietnam conference on R adio & Electronics, 2004 • N gơ D iên Tập Nguyễn K iêm H ùng, T h n g h iệ m k ỹ th u ậ t th u p h t â m s ố v i v i đ iề u k h iể n A VR, Tạp chí khoa học, Đại học quốc gia H N ội, 2005 • N gơ D iên Tập Nguyễn Kiêm H ùng, Design and testing measurement system reading data in Vietnamese voice, T h e first y o u n g V ie tn a m e se s c ie n tis ts m e etin g , 005 • N gơ D iên Tập Nguyễn K iêm Hùng, T h iế t b ị đ o độ cao trê n c s c ả m b iến p s u ấ t M E M S , Hội nghị K hoa học K ỹ thuật Đo lường toàn quốc lần th ứ IV, H N ội, 10-11/11/2005 • N gơ D iên Tập Nguyễn Kiêm Hùng, T ích h ợ p cá c c h ip c h u y ê n d ụ n g tro n g h ệ th ố n g đo lư n g vậ t lý, Hội nghị V ật lý toàn quốc lần thứ VI, H N ội 22- 25/11/2005 • N gơ D iên Tập Nguyễn K iêm Hùng, A ltim e te r b a sed on th e M E M S sen so r, T he 9th International Conference on M echatronics Technology, ICM T-2005, K uala Lum pur, M alaysia Luận Vãn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng -9 - TÀI L IỆ U T H A M K H Ả O T iến g V iệ t Phòng thí nghiệm Cơ-Lý đất V ật liệu Xây Dựng, Trường Đại học c ầ n Thơ N gô D iên Tập (2003), K ỹ thuật Vi đ iề u khiển A VR, NXB K hoa học kỹ thuật, H Nội http://tcvn.gov.vn/ T iến g A n h Atmel Corp (2003), ATMega8535 Data sheet A lbert D H elfrick and W illiam D Cooper, M odern electronic instrum entation a n d m ea su rem en t techniques , Prentice H all Inc., 1994, page 365-366 Cypress M icrosystem s, Inc (2004), - D o cu m en t No 38-12023 Rev H um irel Sensor Divice D ata / HCP0Q9-20 Rev Intersem a Corp (2005), M S5535A D ata sheet M otorola Corp (2003), P ressure sensors M X xx D a ta sheet 10 M otorola Corp (2003), P ressure sen so rs M P X Ả Ỉ5 A D a ta sh eet 11 M axStream Corp USA (2005), M axstream 9XTend, R F 0 M H z D a ta s h e e t 12 R obert E Bicking, Honeywell M icro Switch, F u n d a m en ta ls o f p re ssu re se n so r technology 13 Sencer Yeralan, A shutosh Ahluwwalia (2001), P ro g m m in g a n d In te rfa cin g th e A VR M icrocontroller, Addision-W esley Publishing Company 14 http://w w w w orldoftest.com / 15 http://w w w answ ers.com / 16 http://w w w avionix.com /ralt.htm l 17 http://w w w geneq.com /catalog/ 18 http://w w w coastalenvironm ental.com 19 http://w w w sensorsm ag.com / 20 http://w w w freescale.com / Luận Văn Cao Học Nguyễn Kiêm Hùng ... khơng, áp suất khí với áp suất khác Áp suất tuyệt đổi: đo so với áp suất chân khơng lý tưởng Một ví dụ đo áp suất khí Áp suất vi sai đo sai khác áp suất điểm phép đo Thiết kế cảm biến đo áp suất. .. 2.2.2 Cảm biến áp suất áp trử MEMS Đa số cảm biến sử đụng phần tử cảm bién áp trở để phát sức căng màng mỏng silic phản ứng lại tải áp suất đặt tới Một vài thiết kế khác sử dụng phương pháp điện... sở, • AR; thay đổi trờ kháng theo áp suất toàn thang 1.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN ÁP SUẤT 1.2.1 Cảm biến áp suất biến trở Các cảm biến áp suẩt kiểu biến trở sử dụng Bourđon, capxun, ống xếp để điều khiển