Đề tài thiết kế thiết bị đo áp suất ba kênh sử dụng cảm biến áp suất có tín hiệu ra 4 20ma

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  VIỆN ĐIỆN  ******      BÁO CÁO ĐỒ ÁN Đề tài:   Thiết kế thiết bị đo áp suất ba kênh sử dụng cảm biến áp suất có tín hiệu 4-20mA   Giảng viên hướng dẫn: ThS Chu Đức Việt Nhóm sinh viên: Họ tên Tống Xuân Sơn Lê Đức Anh Nguyễn Văn Bão MSSV 20186313 20181339 Mục lụ CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA PHÉP ĐO ÁP SUẤT .4 1.1 Áp suất 1.2 Cảm biến áp suất gì? 1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất 1.4 Ứng dụng cảm biến áp suất CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1 Mộ hình thiết bị 2.2 Lựa chọn linh kiện 2.2.1 Modun wifi esp32 2.2.2 Modun chuyển tín hiệu dịng áp .9 CHƯƠNG 3: MƠI TRƯỜNG LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 10 3.1 Mơi trường lập trình adruino cho ESP32 .10 3.2 Thingspeak 10 3.3 Phầm mềm mô 11 3.4 Phần mềm thiết kế mạch điện tử 12 CHƯƠNG 4: THỰC THI THIẾT KẾ 13 4.1 Thiết kế phần cứng .13 4.1.1 Thiết kế modun chuyển đổi tín hiệu dịng-áp 13 4.2.2 Thiết kế nguồn cho modun chuyển đổi tín hiệu dòng áp: 16 CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 17 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN .19 Tài liệu tham khảo 20 Danh mục hình ảnh Hình Cảm biến áp suất hệ thống bơm nước .5 Hình Cấu tạo cảm biến áp suất Hình Nguyên lí hoạt động cám biến áp suất Hình Ứng dụng cảm biến áp suất Hình Mơ hình thiết bị đo áp suất Hình Sơ đồ cổng giao tiếp ESP32 Hình Phần mềm Arduino IDE 10 Hình Trang Web Thingspeak 11 Hình Phần mềm Proteus 11 Hình 10 Phần mềm Altium designer 12 Hình 11 Mạch chuyển tín hiệu dịng thành tín hiệu điện áp 13 Hình 12 Mạch cộng đảo .13 Hình 13 Mạch điều chỉnh tín hiệu điện áp giá trị mong muốn 14 Hình 14 Mạch chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-3.3V 15 Hình 15 Mô mạch chuyển đổi tín hiệu 15 Hình 16 Mạch PCB 2D 3D 16 Hình 17 Modun chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-3.3V 16 Hình 18 Nguồn đối xựng tạo từ Adapter .16 Hình 19 Modun chuyển đổi tín hiệu dịng áp .17 Hình 20 Mơ hình kiểm tra đánh giá thiết bị đo áp suất 17 Hình 21 Kết đo Thingspeak 18 Danh mục bảng biểu Bảng Tín hiệu vào kết hệ thống 18 Lời cảm ơn Chúng em xin chân cảm ơn thầy Chu Đức Việt tận tình hướng dẫn truyền thụ kiến thức để chúng em hồn đồ án Tuy vậy, hạn chế kiến thức thực tế nên đồ án cịn nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy để hoan thiện đồ án Mở đầu Đo áp suất chức đo ngành công nghiệp Từ nhà máy lọc dầu đến xe ủi đất, việc đo áp suất khí nén, lưu chất thủy lực, chất lỏng quy trình, nước vô số môi trường trung gian khác chuyện xảy hàng ngày đóng vai trị then chốt tất cách thức điều khiển Việc có liệu xác có ý nghĩa quan trọng hệ thống giám sát điều khiển động cơ, điều khuển trinh hay chuyển đổi áp suất Các cảm biến đo áp suất sử dụng nhà máy để kiểm soát mức áp suất hợp lý cho hệ thống, ví dụ nhà máy nhiệt điện, nhà máy có hệ thống nung hay nén vật liệu càn giam sát áp suất chặt chẽ… Với ứng dụng phổ biến nêu trên, việc nguyên cứu thiết bị đo lường nói chung thiết bị đo áp suất nói riêng quan trọng kỹ sư Đồ án gồm chương: Chương 1: Cơ sở lí thuyết phép đo áp suất Chương 2: Thiết kế Chương 3: Mơi trường lập trình phần mềm phụ trợ Chương 4: Thực thi thiết kế Chương 5: Thử nghiệm đánh giá Chương 6: Kết luận CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA PHÉP ĐO ÁP SUẤT 1.1 Áp suất Trong vật lý học, áp suất ( thường viết tắt p) biểu thị lực tác động lên bề mặt vật thể (theo hướng vng góc) đơn vị diện tích Để tính áp suất, người ta sử dụng cơng thức sau: P=F/S Trong đó:   P là áp suất (đơn vị: N/m2, Pa, Bar, mmHg, atm…)  F là áp lực tác dụng lên mặt bị ép (đơn vị N)  S là diện tích bị ép (đơn vị: m2) Đơn vị đo áp suất: hệ SI: N/m2 hay gọi Pa: Pa=1 N/m2 Ngồi cịn có mốt số đơn vịkhacs : asmotphere, torr, mmHg Trong trường hợp chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu áp suất tĩnh trọng lượng chát lưu áp suát khí tác động lên mặt thống chất lưu Chất lưu truyền nguyên vẹn áp suất theo phương Trên mặt phẳng nằm ngang lòng chất lưu điẻm có áp suất Áp suất điểm có độ cao khác khác Công thức tinh áp suất chất lưu: p= p 0+ ρgh Trong p0là áp suất khí h Là khối lượng riêng chất lưu g Là gia tốc trọng trường h Là độ sâu tinh từ điểm áp suất tới mặt thoang chất lưu Trong trường hợp chất lưu chuyển động: p= p t + pd ρv Trong Pd = ; v vận tốc chuyển động chất lưu 1.2 Cảm biến áp suất gì? - Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện, thường dùng để đo áp suất ứng dụng có liên quan đến áp suất - Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống loại cảm biến khác cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị vi xử lý, vi xử lý tín hiệu đưa tín hiệu Sơ đồ khối cảm biến áp suất Sơ đồ khối cảm biến áp suất Áp suất: nguồn áp suất cần kiểm tra áp suất khí, hơi, chất lỏng… Hình Cảm biến áp suất hệ thống bơm nước 1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất Hình Cấu tạo cảm biến áp suất Cấu tạo cảm biến áp suất gồm phần chính:  Cảm biến: phận nhận tín hiệu từ áp suất truyền tín hiệu khối xử lý Tùy thuộc vào loại cảm biến mà chuyển từ tín hiệu áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện… khối xử lý  Khối xử lý: có chức nhận tính hiệu từ khối cảm biến thực xử lý để chuyển đổi tín hiệu sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn lĩnh vực đo áp suất tín hiệu ngõ điện áp ~ 20 mA (tín hiệu thường sử dụng nhất) , ~ VDC, ~ 10 VDC, ~ VDC)  Tùy vào loại cảm biến cách thức hoạt động khác nhau, có loại hoạt động dựa biến dạng vật liệu để làm thay đổi điện trở, loại thay đổi điện dung, loại sử dụng vật liệu áp điện, dạng áp điện trở kiểu điện dung sử dụng nhiều Hình Nguyên lí hoạt động cám biến áp suất Theo hình trên, giả sử áp suất dương (+) đưa vào lớp màng căng lên từ trái sang phải, đưa vào áp suất âm (-) lớp màng căng ngược lại Chính nhờ thay đổi tín hiệu xử lý đưa tín hiệu để biết áp suất Lớp màng cảm biến chứa cảm biến nhỏ để phát thay đổi Khi có lực tác động vào lớp màng bị thay đổi theo chiều tương ứng với chiều lực tác động Sau cảm biến so sánh thay đổi với lúc ban đầu để biết biến dạng % Từ đó, xuất tín hiệu ngõ tương ứng Các tín hiệu ngõ 420ma 0-10V tương ứng với áp suất ngõ vào 1.4 Ứng dụng cảm biến áp suất  Đo áp suất nước, Đo áp suất khí nén, Dùng để đo áp suất thuỷ lực, Dùng đo áp suất gas, Đo áp suất chất lỏng khác…  Cảm biến áp suất dùng để đo hệ thống lò hơi, thường đo trực tiếp lò Khu vực cần đo xác cao & phải chịu nhiệt độ cao  Các máy nên khí cần phải đo áp suất để giới hạn áp suất đầu ra, tránh trường hợp áp dẩn đến hư hỏng & cháy nổ  Trên trạm bơm nước cần cảm biến áp suất để giám sát áp suất đưa PLC biến tần để điều khiển bơm nước  Để điều áp điều khiển áp suất sau van điều khiển thì cảm biến áp suất đóng vai trị quan trọng ảnh hưởng trực tiếp áp suất đầu sau van điều khiển  Trên xe cẩu thường có ben thuỷ lực, yêu cầu giám sát ben thuỷ lực quan trọng ảnh hưởng đến lực kéo ben Vì họ ln lắp cảm biến áp suất để giám sát áp suất ben thuỷ lực  Các tank chứa nước nguyên vật liệu thường dùng cảm biến áp suất để đo mức tank Hình Ứng dụng cảm biến áp suất CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1 Mộ hình thiết bị Hình Mơ hình thiết bị đo áp suất Tín hiệu dịng 4-20mA từ cảm biến chuyển thành tín hiệu điện áp 03.3V truyền vào modun ESP32 Dữ liệu sau xử lí qua ESP32 tải lên Thingspeak Wifi 2.2 Lựa chọn linh kiện 2.2.1 Modun wifi esp32 Từ yêu cầu đề tài thiết bị đo nhiều kênh truyền liệu đo lên cloud ta chọn xử lý cho thiết bị modun Nodemcu ESP32 Cầu hình esp32:  o o o o CPU: CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor Chạy hệ 32 bit Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz (tùy chỉnh lập trình) o RAM: 520 KByte SRAM 520 KB SRAM liền chip –(trong KB RAM RTC tốc độ cao – KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng chế độ DeepSleep)  Hỗ trợ giao tiếp không giây: o Wifi: 802.11 b/g/n/e/i o Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE  Các cổng giao tiếp: Hình Sơ đồ cổng giao tiếp ESP32  Khi sử dụng Wifi, chân ADC2 không sử dụng được, nên sử dụng chân ADC1 2.2.2 Modun chuyển tín hiệu dịng áp Tín hiệu cảm biến tín hiệu dịng 4-20mA ESP32 nhận tín hiệu đầu vào tín hiệu điện áp 0-3.3V nên ta cần thêm modun chuyển đổi tín hiệu dịng 4-20mA sang tín hiệu điện áp 0-3.3V 10 CHƯƠNG 3: MƠI TRƯỜNG LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 3.1 Mơi trường lập trình adruino cho ESP32 Hình Phần mềm Arduino IDE Với người quen thuộc với Arduino hiểu nguyên lý lập trình Arduino IDE sử dụng lệnh chuẩn Arduino Serial.begin(), digitalRead(), digitalWrite(), analogRead(), v.v… Sử dụng hàm dễ dàng với nhiều người khơng có kiến thức phần cứng chun sâu khơng cần làm việc trực tiếp với ghi điều khiển phần cứng tất board hỗ trợ Arduino cung cấp hàm Arduino giống nên không cần phải học tập lệnh riêng biệt cho board MCU lập trình truyền thống Với ESP32 không ngoại lệ, cộng đồng open source phát triển thư viện cho ESP32 Arduino Chúng ta cần cài đặt thư viện vào Arduino IDE, tìm hiểu lệnh Arduino hỗ trợ sử dụng lệnh cần thiết lập trình 3.2 Thingspeak ThingSpeak ứng dụng API Internet of Things (IoT) nguồn mở để lưu trữ truy xuất liệu sử dụng giao thức HTTP MQTT qua Internet qua Mạng cục ThingSpeak cho phép tạo ứng dụng cảm biến, ghi nhật ký, ứng dụng theo dõi vị trí mạng cảm biến có cập nhật trạng thái lên máy chủ ThingSpeak ban đầu ioBridge mắt vào năm 2010 dịch vụ hỗ trợ ứng dụng IoT 11 Hình Trang Web Thingspeak ThingSpeak tích hợp hỗ trợ từ phần mềm điện toán số MATLAB MathWorks cho phép người dùng ThingSpeak phân tích trực quan hóa liệu tải lên Matlab mà không cần phải mua giấy phép Matlab từ Mathworks ThingSpeak có mối quan hệ chặt chẽ với Mathworks, Inc Trên thực tế, tất tài liệu ThingSpeak tích hợp vào trang tài liệu Matlab Mathworks chí cho phép tài khoản người dùng Mathworks đăng ký làm thông tin đăng nhập hợp lệ trang web ThingSpeak 3.3 Phầm mềm mô Hình Phần mềm Proteus Phần mềm Proteus là một công cụ thiết kế, vẽ mạch điện nổi tiếng giới Nó cho phép người sử dụng vẽ mạch ngun lí mơ hoạt động, vẽ mạch in PCB Proteus mơ tả hầu hết linh kiện điện tử thông dụng 12 nay, đặc biệt hỗ trợ cho phần mềm 8051, PIC, Motorola, AVR Nó có khả mơ hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết trình điều khiển cho loại vi điều khiển MCS-51, AVR, PIC… 3.4 Phần mềm thiết kế mạch điện tử Hình 10 Phần mềm Altium designer Altium Designer bổ sung một áp dụng kết hợp tổng cộng cơng nghệ, tính thiết yếu cho việc tăng trưởng sản phẩm điện tử hoàn chỉnh, thiết kế hệ thống mức bo mạch, FPGA, tăng trưởng phần mềm nhúng cho FPGA, giải rời rạc, sắp xếp mạch in (PCB)… Altium Designer thống nhất tất chu trình lại, cho phép bạn quản lý được mọi mặt quá trình phát triển hệ thống mơi trường tích hợp độc nhất. kỹ năng đó kết hợp với khả năng quan sát quản lý liệu thiết kế hiện đại cho phép người sử dụng Altium Designer tạo nhiều đồ điện tử lanh lợi, với tiền bạc sản phẩm thấp hơn , thời gian tăng trưởng ngắn 13 CHƯƠNG 4: THỰC THI THIẾT KẾ 4.1 Thiết kế phần cứng 4.1.1 Thiết kế modun chuyển đổi tín hiệu dịng-áp a Thiết kế mạch nguyên lí Để chuyển đổi khuếch đại tín hiệu chúng em sử dụng IC LM324N Hình 11 Mạch chuyển tín hiệu dịng thành tín hiệu điện áp Tín hiệu vào IN1 tín hiệu 4÷20mA cảm biến áp suất Sau qua opamp thứ có giá trị cổng số U1 = 1.32 ÷ 6.6 V Để chuyển điện áp từ -1.32÷ -6.6 V sang 0÷3.3V ta sử dụng mạch cộng đảo Hình 12 Mạch cộng đảo Biếu thức mối quan hệ giữ Uout U1, U2: 14 U out =−R3 ( U1 U2 + ) R1 R2 Chọn R1 = R2 = 10k (Ω) ta được: U out = −R (U +U ) R1 Để Uout nhận giá trị 0÷3.3 V R3 = 6250 (Ω) U2 = 1.32 (V) Từ ta thiết kế mạch cộng đảo: Hình 13 Mạch điều chỉnh tín hiệu điện áp giá trị mong muốn Chọn R5 = 1k (Ω) => R6 = 7355 (Ω) Do điện trở thực tế có sai số nên ta thay điện trở R6 R3 biến trở 10k (Ω) 15 Hình 14 Mạch chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-3.3V  Khi tín hiệu vào 4mA điều chỉnh biến trở VR1 để điện áp Uout = V  Sau điều chỉnh VR1, đặt tín hiệu vào 20mA, điều chỉnh VR2 để điện áp Uout = 3.3 V Kết mô phỏng: Hình 15 Mô mạch chuyển đổi tín hiệu b Tiến hành làm mạch in: Từ mạch nguyên lí thiết kế, ta sử dụng phần mềm Altium designer để vẽ mạch in: 16 Hình 16 Mạch PCB 2D 3D Sau tiến hành in làm mạch thủ cơng thu mạch: Hình 17 Modun chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-3.3V 4.2.2 Thiết kế nguồn cho modun chuyển đổi tín hiệu dịng áp: Modun chuyển đổi tín hiệu dịng áp 12V sử dụng nguồn đối xứng 12V, em sử dụng adapter đầu nối tiếp, điểm nối chung GND Hình 18 Nguồn đối xựng tạo từ Adapter 17 CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ  Kiểm tra tính ổn định modun chuyển đổi tín hiệu dịng áp  Cho tín hiệu dịng điện 4mA vào modun, điều chỉnh VR1 để tín hiệu đầu 0V  Sau đó, tăng tín hiệu dịng vào lên 20mA, điều chỉnh VR2 đến tín hiệu đầu nhận giá tri 3.3V Thay đổi tín hiệu dòng vào khác khoảng 4-20mA ta thu điện áp đầu tương ứng kết mạch chuyển đổi xác tín hiệu dịng 4-20mA sang tín hiệu điện áp 0-3.3V Hình 19 Modun chuyển đổi tín hiệu dịng áp  Kiểm tra hoạt động hệ thống Hình 20 Mơ hình kiểm tra đánh giá thiết bị đo áp suất 18 Hình 21 Kết đo Thingspeak Do điều kiện khơng có cảm biến tín hiệu 4-20mA nên chúng em sử dụng biến trở để tạo dòng tiến hiệu vào thiết bị Tín hiệu thay đổi cách thay đổi giá trị điện trở để có tín hiệu điện áp dự liệu gửi lên Thingspeak tương ứng Theo dõi giá trị đồng hồ Thingspeak ta thấy hệ thống hoạt động tương đối xác, ổn định Bảng Tín hiệu vào kết hệ thống Tín hiệu dịng Tín hiệu điện áp Thingspeak (mA) (V) (bar) 4.0 0 13.7 2.0 0.66 11.0 1.44 0.55 8.4 0.9 0.42 STT 19 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN Với đặc trưng riêng loại cảm biến, tùy thuộc vào ứng dụng mà người ta chọn cảm biến khác để đảm bảo độ có thơng số cần thiết cho ứng dụng Với tốc độ cơng nghiệp hóa phát triển ngày nhanh, nhu cầu tự động hóa xí nghiệp cơng nghiệp ngày cao vai trị cảm biến đo áp suất ngày quan trọng Vì thế, người ta ngày trọng để cải tiến loại cảm biến đo áp suất tối ưu hóa đạt độ xác cao Qua đề tài chúng em tìm hiểu thêm loại cảm biến có tín hiệu đầu 4-20mA, ngun lí hoạt động, cách thức giao tiếp sử dụng chúng Bên cạnh đó, chúng em bước đầu biết thiết kế làm thủ công mạch PCB đơn giản Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Chu Đức Việt nhiệt tình bảo hướng dẫn để chúng em hồn thành báo cáo 20 Tài liệu tham khảo Sách Điện tử tương tự Web: https://baoanjsc.com.vn/vn/duan.aspx Web: https://cambiendo.vn/cam-bien-ap-suat-la-gi/ Web: https://vi.wikipedia.org/wiki/%C3%81p_su%E1%BA%A5t Web: https://www.makerlab.vn/iot-thingspeak-va-esp8266/ Web: https://banlinhkien.com/ Web: http://arduino.vn/ 21 ... dùng cảm biến áp suất để đo mức tank Hình Ứng dụng cảm biến áp suất CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1 Mộ hình thiết bị Hình Mơ hình thiết bị đo áp suất Tín hiệu dịng 4- 20mA từ cảm biến chuyển thành tín hiệu. .. PHÉP ĐO ÁP SUẤT .4 1.1 Áp suất 1.2 Cảm biến áp suất gì? 1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất 1 .4 Ứng dụng cảm biến áp suất CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ... áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị vi xử lý, vi xử lý tín hiệu đưa tín hiệu Sơ đồ khối cảm biến áp suất Sơ đồ khối cảm biến áp suất