Nghiên cứu và chế tạo máy dò kim loại sử dụng cảm biến từ trường HMC2003

Nguyên lí nhận biết kim loại sắt từ của cảm biến từ HMC1053

Đặt trong môi trường bình thường, dưới tác dụng của từ trường trái đất, giá trị các dây từ trở cảm biến thay đổi và tạo ra một chênh áp ở đầu ra của cầu. Từ trường này tác động vào cảm biến, làm biến đổi giá trị từ trở của các dây film Permalloy, từ đó thay đổi điện áp đầu ra của cầu. Vi điều khiển sẽ tính toán và hiển thị được giá trị cường độ từ trường H1 bình thường của môi trường trái đất cũng như giá trị từ trường H2 khi có vật liệu sắt từ, lúc này là một xe ôtô, xuất hiện.

Cảm biến đo từ trường HMC1053 đưa ra 3 đầu ra tín hiệu điện áp qua bộ khuyếch đại trở thành 3 tín hiệu tương tự trong dải 0-5V, đòi hỏi vi điều khiển tiếp nhận và xử lí. Như vậy, nếu sử dụng các loại vi điều khiển thông thường, ta sẽ cần sử dụng thêm một bộ dồn kênh MUX bên ngoài và một bộ chuyển đổi ADC để chuyển đổi chuẩn hóa trước khi đưa tín hiệu vào vi điều khiển. Là một trong những loại vi điều khiển hàng đầu sử dụng công nghệ System-on-chip, PSoC là giải pháp mới thích hợp cho các ứng dụng đo lường, điều khiển.

Các chip chế tạo theo công nghệ PSoC cho phép thay đổi được cấu hình đơn giản bằng cách gán chức năng cho các khối tài nguyên có sẵn trên chip. Bản thân trong chip PSoC đã tích hợp các bộ dồn kênh tương tự và các bộ ADC có độ phân giải cao, rất phù hợp với yêu cầu của ứng dụng, góp phần làm giảm kích thước mạch điện cũng như giảm chi phí của thiết bị.

THIẾT KẾ THIẾT BỊ

-Thiết bị đo và hiển thị lên máy tính giá trị của ba vectơ cường độ từ trường của môi trường xung quanh theo 3 trục X, Y, Z và độ lớn cường độ từ trường trái đất H tại vị trí đang xét. - Thiết bị cũng dò tìm và nhận biết sự xuất hiện của vật thể sắt từ bằng cách xác định và tính toán giá trị biến thiên từ trường giữa từ trường tại vị trí cần kiểm tra và từ trường trái đất. Giá trị biến thiên này được hiển thị trên màn hình LCD đặt trên thiết bị, đồng thời truyền thông hiển thị giá trị và vẽ sơ đồ giá trị từ trường biến thiên trên máy tính.

- Khi giá trị từ trường biến thiên đạt đến giá trị ngưỡng ΔH định trước, thiết bị phát tiếng kêu Beep và đèn Led nháy sáng báo hiệu cho người sử dụng. Thiết bị sử dụng các cảm biến từ trường HMC1053 và HMC2003, là các cảm biến được xây dựng trên công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng (AMR sensor) của Honeywell, có độ nhạy cao, độ tin cậy lớn và chi phí thấp. Thiết bị sử dụng vi điều khiển PSoC CY8C29466 để tận dụng tính vượt trội về khả năng tích hợp các khối tương tự và số, tích hợp bộ dồn kênh tương tự AMUX, ADC 12-bit trong một vi điều khiển đơn chip giúp giảm diện tích mạch, hạ giá thành, đồng thời khả năng tự cấu hình phần cứng giúp nâng cao độ bảo mật cho hệ thống.

-Độ khuyếch đại có thể lập trình với 33 cấp, độ khuyếch đại tối đa là 48 -Một đầu ra đơn với điện áp tham chiếu có thể lựa chọn. Do thiết đặt phần cứng về vị trí của AMUX và ADC, tín hiệu điện áp do AMUX chọn sẽ đi qua PGA vào ADC. Thiết bị truyền thông lên máy tính theo chuẩn RS232, sử dụng IC MAX232 để trao đổi thông tin giữa máy tính và thiết bị.

Thiết bị gồm 2 phần: đầu dò Far Sensor đo từ trường tại vị trí cần xét và đầu thu Near Sensor nhận tín hiệu, tính toán và truyền thông hiển thị. Các tín hiệu này đi qua bộ khuyếch đại thuật toán với hệ số khuyếch đại K= 200 trở thành 3 tín hiệu điện áp tương tự X, Y, Z có dải điện áp trong khoảng 0 – 5V đưa vào vi điều khiển. Khối dồn kênh AMUX lần lượt đưa 3 tín hiệu này vào ADC để tạo ra giá trị số hạng hex đưa vào CPU.

CPU thu thập, xử lí hai giá trị từ trường này, tính toán giá trị cường độ từ trường biến thiên ΔH, so sánh với giá trị ΔH ngưỡng và đưa ra kết luận về sự xuất hiện của vật sắt. Các số liệu tính toán được hiển thị lên LCD và truyền thông để hiển thị và vẽ đồ thị trên máy tính. Khối Set/Reset để khử từ trường dư của HMC1053, đảm bảo cảm biến hoạt động ổn định và chính xác.

Thiết kế phần mềm

Khác với các dòng vi điều khiển trước, chíp PSoC trắng ban đầu chưa có cấu hình phần cứng xác định. Khi chưa được cấu hình chip PSoC không thể thực hiện được bất kỳ một chức năng nào. Người sử dụng có thể và cần phải thiết đặt cấu hình phần cứng bên trong cho PSoC phù hợp với yêu cầu hệ thống của mình.

Điều này cho thấy tính linh hoạt của vi điều khiển PSoC so với các vi điều khiển thông thường khác. Để hỗ trợ việc thiết đặt cấu hình phần cứng bên trong PSoC được đơn giản và dễ dàng, hãng Cypress đã thiết kế chương trình phần mềm PSoC Designer, sử dụng phương pháp lập trình kéo - thả để người dùng có thể thiết đặt cấu hình phần cứng của PSoC được tiện lợi. - Đưa con trỏ về danh mục File trong menu của PSoC Designer, tìm tới danh mục New Project -> ấn Create New.

- Để lựa chọn thiết bị sử dụng, ta đưa con trỏ tới các danh mục bên trái của màn hình giao diện, kích vào các danh mục, các thiết bị tương ứng trong nhóm sẽ hiển thị. Data sheet: thông tin xem trực tiếp về thiết bị với đầy đủ thông tin như phần cứng, thí dụ lập trình cho thiết bị…. Từ sơ đồ khối này, người sử dụng sẽ biết các chân trên thiết bị LCD, để từ đó phối ghép phần cứng bên ngoài cho phù hợp.

- Sau khi đã chọn được các thiết bị phần cứng cần thiết, trở về màn hình Interconnect View bằng việc ấn nút Interconnect View trên thanh điều khiển hoặc trong danh mục Config -> Interconnect. Ở đây, ta đặt bộ khuyếch đại PGA có hệ số khuyếch đại =1, độ phân giải của bộ chuyển đổi ADC là 13 bit, xung đầu vào của bộ đếm là. - Sau khi đã hoàn tất các bước ở trên, đưa con trỏ về danh mục Config -> Generate Application để tạo các tệp tương ứng của thiết bị vào trong project.

Lúc này ta có thể trở về màn hình soạn thảo bằng cách ấn nút Application Editor hoặc vào danh mục Config -> ấn chức năng Application Editor để lập trình thao tác trên thiết bị đã chọn sử dụng. Sau khi đã lập trình xong những yêu cầu cần thiết, đưa con trỏ tới danh mục Build -> Rebuild All. Trong cửa sổ Output của trình biên dịch hiển thị như hình trên có nghĩa project không mắc lỗi cú pháp khi lập trình.