* Đối với môi trường điện môi là lúa, gạo.
- Tụ điện phải có giá trị điện dung nhỏ hơn 100pF.
- Khoảng cách hai bản cực phải tương thích với diện tích của bản cực để giá trị điện dung có giá trị nhỏ hơn 100pF.
* Từ lý thuyết về tụ điện, cảm biến điện dung ta thiết kế cảm biến có hai bản cực thỏa các yêu cầu sau:
- Giữa hai bản cực cách nhau bằng một vật liệu cách điện gọi là điện môi (lúa, gạo). - Phải luôn luôn cố định khoảng cách hai bản cực.
- Diện tích bản cực phải cố định. 3.1.2 Mô hình thiết kế
3.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 1
3.2.1 Yêu cầu của mạch điện 1
- Yêu cầu đặc ra là làm thế nào để xác định được giá trị điện dung của tụ điện và làm thế nào để chuyển giá trị điện dung thành một tín hiệu số.
- Chúng tôi đã thực hiện thí nghiệm với yêu cầu thiết kế một mạch chuyển giá trị điện dung thành giá trị điện áp DC cho những tụ điện 0,1nF, 1nF, 3,3nF, 4,7nF, 10nF.
3.2.2 Sơ đồ khối mạch điện 1 chứng minh mối liên quan tần số, tụ điện, điện áp áp
Hình 5: Sơ đồ khối mạch điện 1 [17], [18], [19]
3.2.3 Thiết kế mạch điện chứng minh mối liên quan tần số, tụ điện, điện áp
Hình 6: Mạch dao động [20]
Sơ đồ hình 6 là mạch dao động cầu Wien với tần số, biên độ và độ biến dạng có thể điểu chỉnh được.
- Mạch chỉ dao động khi độ lợi điện áp Av ≥ 3, và tần số dao động được xác định bởi:
2 1 2 1 1 0 ) ( 2 1 C C R VR R f (3.1)
Để thay đổi tần số dao động của mạch ta điều chỉnh độ lớn của biến trở VR1. Khi VR1
- Khi Av >> 3, mạch dễ dao động nhưng độ biến dạng cao (đỉnh dương và đỉnh âm của tín hiệu sin bị cắt) nên ta mắc thêm diode D1, D2 để khắc phục vấn đề này.
Khi biên độ tín hiệu ra còn nhỏ (< 0.5V), D1 và D2 không dẫn điện và không ảnh hưởng đến mạch. Khi biên độ đỉnh đủ lớn, hai diode dẫn điện và khi dẫn mạnh nhất điện áp ngang diode xấp xỉ 0.7V. D1 và D2 hoạt động như một điện trở nối tiếp R5 và song song R4 làm giảm độ lợi của mạch, ta mắc thêm biến trở VR2 nối tiếp với D1, D2
để điều chỉnh độ lợi của mạch sao cho độ biến dạng thấp nhất.
- Điện trở R3 và biến trở VR3 được sử dụng để điểu chỉnh biên độ ngõ ra, kết hợp với opamp OP3 làm bộ khuếch đại đệm với độ lợi Av = R11/R9.
Hình 7: Mạch khuếch đại đảo [16]
Hình 7 là mạch khuếch đại đảo với Vin là điện áp ngõ ra của cảm biến điện dung, độ lợi điện áp của mạch được quy định bởi:
g f v R R A (3.2) - R1 được tính toán sao cho:
f g f g R R R R R 1 (3.3) - Ta tín R1 để tín hiệu nhiễu ở mức thấp nhất.
Hình 8: Mạch tách sóng [21] [22]
Khi chọn các giá trị điện trở, tụ điện và diode phải thỏa các điều kiện sau: - Với điện trở, ta có:
rdf <<R2 << rdr (3.4) Trong đó: rdf : Là điện trở nền của diode khi diode được phân cực thuận.
rdr : Là điện trở nền của diode khi diode được phân cực nghịch. - Tụ điện C có thời hằng nạp là:
1 rdf x C1 (3.5) - Tụ điện C có thời hằng xả:
2= R2 xC1 (3.6) Nếu 2 quá nhỏ, điện áp trên tụ C không phải là hằng số mà chỉ là đỉnh của tín hiệu vào. Nếu 2 quá lớn, mạch không thể đáp ứng nhanh với sự thay đổi của biên độ tín hiệu vào.
Thông thường giá trị nhỏ nhất của 2 là:
f
10 2
, trong đó f là tần số tín hiệu vào. Nên
thay R2 bằng biến trở để điều chỉnh 2 thích hợp nhất.
- Do dòng điện qua diode không lớn và đòi hỏi thời gian phục hồi ngược của diode nhanh nên diode 1N4148 thường được sử dụng.
Hình 9: Mạch lọc hạ thông [20] [23]
Mạch lọc được sử dụng để thí nghiệm là mạch lọc hạ thông tích cực bậc ba (60dB) được kết hợp giữa bộ lọc bậc một với bộ lọc bậc hai, các giá trị tụ điện, điện trở, tần số được xác định như sau:
- Bộ lọc bậc một: 1 1 1 1 2 f C a R c (3.7)
Với R1 ta chọn trước giá trị tụ C, và tần số cắt fc1 (≤ 1Hz) sau đó tính để tìm R1, với hệ số a1=1 (loại bộ lọc Butterworth). - Bộ lọc bậc hai: 3 2 2 3 2 2 2 3 2 2 3 2 3 , 2 4 4 C C f C C b C a C a R c (3.8)
Bộ lộc bậc hai với R23 chọn trước giá trị C2, C3 và tần số cắt fc2 (≤ 1Hz) sau đó tính để tìm R1, R2, với hệ số a2=b2=1 (loại bộ lọc Butterworth).
Chú ý: Khi chọn tụ điện phải thỏa điều kiện:
2 2 2 2 3 4 a b C C (3.9)
Hình 10: Mạch bán cầu điện dung [24] - Ta có điện áp ngõ ra: x x in out C C C osc V V 0 ) ( (3.10) Để đạt độ tuyến tính tốt nhất, ta chọn Co ≥ 10Cx, điện áp ngõ ra được xác định lại như sau: 0 ) ( C C osc V V in x out (3.11) Trong đó:
- Cx: Là cảm biến điện dung (tụ điện cần đo giá trị điện dung) - C0: Là tụ điện chuẩn.
3.2.4 Ý nghĩa mạch 1
- Biết được mối liên quan giữa giá trị điện dung và giá trị điện áp ngõ ra khi thay đổi tần số là cở sở quan trọng cho việc thiết kế mạch dao động.
- Biết được mối liên quan giữa tần số và giá trị điện dung là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế hai bản cực chuẩn cho tụ điện và là cở sở quan trọng cho việc thiết kế cảm biến điện dung.
3.2.5 Phương pháp thực hiện thí nghiệm
- Ta dùng mạch 1 để xác định điện áp DC ngõ ra cho các tụ điện 0,1nF, 1nF, 3,3nF, 4,7nF, 10nF khi thay đổi tần số.
- Ta lập bảng số liệu và vẽ đồ thị về mối liên quan giữa tụ điện và điện áp ngõ ra khi thay đổi tần số, mối liên quan giữa tần số và giá trị điện dung.
3.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 2
3.3.1 Yêu cầu mạch điện 2
- Với yêu cầu là chuyển giá trị điện dung của cảm biến điện dung thành một giá trị hiển thị trên màn hình LCD với môi trường điện môi là lúa, gạo. Chúng tôi thiết kế một mạch chuyển giá trị điện dung thành giá trị điện áp DC cho môi trường điện môi là lúa, gạo bằng cách cải tiến mạch 1 phần mạch dao động đảo thành mạch dao động không đảo.
3.2.2 Sơ đồ khối mạch điện 2
Hình 12: Sơ đồ khối mạch điện 2 [17], [18], [19]
3.3.3 Thiết kế thí nghiệm mạch chuyển giá trị điện dung thành giá trị điện áp DC với môi trường điện môi là lúa, gạo DC với môi trường điện môi là lúa, gạo
- Mạch điện 2 có những điều chỉnh so với mạch điện 1 như sau:
+ Tụ chuẩn C0 của mạch bán cầu điện dung được điều chỉnh từ tụ 100nF thành tụ 1nF do giá trị điện dung của cảm biến lớn nhất là nhỏ hơn 0,1nF.
+ Mạch khuếch đại tín hiệu điện áp ngõ ra của cảm biến được điều chỉnh thành mạch khuếch đại không đảo (Hình 12).
Với các giá trị của Rs, Rt, Rf, Rg được tính toán để nhiễu ở ngõ ra là thấp nhất [26]:
Với RE là trở kháng của tín hiệu vào, RE càng nhỏ thì nhiễu ở ngõ ra của mạch càng thấp.
Hình 13: Mạch khuếch đại không đảo [26]
- Nguyên nhân điều chỉnh:
+ Điều chỉnh tụ chuẩn C0: Do xác định được giá trị thực tế của cảm biến (<0.1nF). + Điều chỉnh mạch khuếch đại đảo thành không đảo: Có thể thay thế nguồn cung cấp từ ngồn đôi thành nguồn đơn để thuận tiện cho việc thiết kế về sau (tín hiệu chuyển đổi ADC là tín hiệu ≥0V, khi sử dụng nguồn đơn kết hợp mạch khuếch đại đảo dẫn đến kết quả sai).
Hình 14: Mạch chuyển đổi giá trị điện dung thành giá trị điện áp DC đo độ ẩm lúa, gạo [23]
* Opamp được sử dụng là OPA2211 và LM7372 vì những đặc tính sau: - Băng thông hoạt động lớn (vài trăm MHz).
- Khoảng điện áp ngõ vào rộng từ -Vcc đến +Vcc.
- Khoảng điện áp ngõ ra lớn gần bằng điện áp nguồn Vcc.
- Dòng điện ngõ ra lớn (>30mA), điều khiển được tải điện dung đến 10nF. - Nhiễu ở tần số cao rất thấp 1.1nV/ Hz tại tần số 1kHz.
- Điện áp offset ngõ vào thấp (lớn nhất 125µV).
Hình 15: Phần cứng mạch chuyển đổi giá trị điện dung thành giá trị điện áp
3.3.4 Sử dụng chức năng ADC của vi điều khiển MSP430G2553 28 chân * Mạch nguyên lý: * Mạch nguyên lý:
Hình 16: Mạch chuyển đổi ADC 10bit
- Module xử lý sử dụng mạch ADC 10bit tích hợp sẵn trong MSP430G2553 để đọc tín hiệu DC từ mạch chuyển giá trị điện dung thành điện áp.
* Phần cứng:
Hình 17: Phần cứng mạch chuyển đổi ADC 10bit
3.3.5 Ý nghĩa mạch 2
- Mạch 2 được thiết kế nhằm thực hiện thí nghiệm tìm hệ số A, B, C.
- Cách chuyển giá trị ADC ra độ ẩm bằng cách nội suy kỹ thuật. Xây dựng công thức chuyển đổi như sau:
y = Ax2 – Bx + C (3.13) + Với: A, B, C là hệ số của phương trình (3.13).
y: Là giá trị độ ẩm của lúa, gạo.
x: Giá trị ADC của lúa, gạo cần đo độ ẩm. + Hệ số A, B, C được tìm ra trong quá trình thí nghiệm.
3.3.6 Quá trình thực hiện thí nghiệm
- Quá trình lấy mẫu phải thực hiện dưới trời nắng để phơi hạt, lấy hạt ở những thời điểm khác nhau để có kết quả độ ẩm chính xác nhất ở mỗi lần đo, ở những mức độ ẩm khác nhau.
Hình 19: Mẫu lúa làm thí nghiệm
- Mẫu lúa, gạo làm thí nghiệm phải có số lượng, khối lượng bằng nhau để hạn chế tối đa sai số, trong quá trình lấy mẫu chúng tôi phải đếm từng hạt (đối với gạo khoảng 60 hạt, đối với lúa khoảng 48 hạt) để kết quả chính xác nhất. Ở mỗi mức độ ẩm chúng tôi thường lấy mẫu rất nhiều lần, mỗi lần khoảng 10 mẫu. Trong thời gian thí nghiệm mẫu khô rất nhanh nếu không thí nghiệm kịp thời sẽ làm cho độ chính xác có sự chênh lệch nhau và phải làm lại từ đầu.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ Ý NGHĨA
4.1 KẾT QUẢ MẠCH 1 THỂ HIỆN MỐI LIÊN QUAN GIỮA TỤ ĐIỆN, ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ VÀ TẦN SỐ
4.1.1 Mối liên quan giữa tụ điện và điện áp ngõ ra khi thay đổi tần số
- Với thiết kế mạch 1 ta khẳng định về mối quan hệ giữa tụ điện và điện áp khi thay đồi tần số như sau:
Bảng 1 thí nghiệm xem sự thay đổi của điện áp DC ngõ ra (mV) với tần số khác nhau. Với mỗi tần số khác nhau đó thì giá trị điện áp ngõ ra cũng khác nhau, ở mỗi tụ điện khi dao động ở một tần số xác định thì giá trị điện áp DC ngõ ra khác nhau. Đây là thí nghiệm dùng để xác định tần số mạch dao động.
Biểu đồ 1 mối quan hệ giữa tụ điện với điện áp ngõ ra khi thay đổi tần số
* Nhận xét đồ thị trên:
- Tại một giá trị tần số cố định khi tăng giá trị tụ điện thì dao động ngõ ra đều tăng theo một phương trình bật hai. Là cơ sở xác định phương trình xác định độ ẩm hạt.
- Tại một giá trị tụ điện khi tần số tăng thì biên độ điện áp ngõ ra đều tăng theo.
- Khi tần số dao động càng lớn thì biên độ điện áp ngõ ra tại mỗi giá trị tụ điện (Cx) gần như không thay đổi.
4.1.2 Mối quan hệ giữa tần số và biên độ ngõ ra khi thay đổi tụ điện
- Dựa vào bảng 1 ta vẽ biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa tần số và biên độ ngõ ra khi thay đổi tụ điện.
Biểu đồ 2 mối quan hệ giữa tần số và biên độ ngõ ra khi thay đổi tụ điện
* Nhận xét đồ thị trên:
- Tụ 10nF (103) có biên độ điện áp ngõ ra biến thiên lớn nhất và tụ 1nF (101) có biên độ điện áp ngõ ra biến thiên thấp nhất khi tăng tần số (với tụ chuẩn C0=100nF).
- Khi chọn tụ chuẩn C0 càng lớn so với tụ cần đo (C0 ≥ 10Cx) thì biên độ điện áp ngõ ra không phụ thuộc vào tần số nữa mà chỉ phụ thuộc vào tụ cần đo (Cx).
4.2 KẾT QUẢ MẠCH 2 VỀ MỐI QUAN HỆ GIỮA GIÁ TRỊ ADC VÀ GIÁ TRỊ ĐỘ ẨM TƯƠNG ỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY KỸ THUẬT ĐỘ ẨM TƯƠNG ỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY KỸ THUẬT
4.2.1 Kết quả về mối liên hệ giữa giá trị ADC và giá trị độ ẩm gạo
- Nhờ có sự hỗ trợ của máy KETT chúng tôi so sánh được kết quả độ ẩm của mô hình thí nghiệm, lập ra bảng kết quả có ở bảng 2 và bảng 3.
- Với bảng kết quả đo độ ẩm lúa, gạo từ máy KETT chúng tôi so sánh với bảng thí nghiệm của mô hình nghiên cứu. Nhờ vậy chúng tôi điều chỉnh độ chính xác đến 99,47 %.
- Chúng tôi tiến hành lấy giá trị ADC của gạo so với giá trị độ ẩm của máy KETT và thu được số liệu bảng 2: Bên trái bảng 2 là độ ẩm của gạo đo từ máy KETT ở độ ẩm từ 10% đến 19%, bên phải bảng 2 là giá trị ADC đo được từ mô hình nghiên cứu tương ứng độ ẩm ở máy KETT, với máy KETT ta làm thí nghiệm 3 lần ở mỗi độ ẩm và lấy giá trị trung bình của 3 lần thí nghiệm. Ứng với mỗi lần thí nghiệm của máy KETT là giá trị ADC đo được của mô hình nghiên cứu ghi ra ở bảng bên phải. Máy KETT đo được độ ẩm gạo 10% đến 20%.
Bảng 2 số liệu lấy mẫu từ máy KETT và mô hình (mẫu gạo)
* Giải thích bảngtrên:
- Bảng 2 biểu diễn giá trị ADC thu được từ mô hình và độ ẩm đọc từ máy KETT trên cùng một mẫu gạo với độ ẩm khác nhau.
- Gạo được ngâm nước một ngày và được làm khô từ từ. Trong quá trình làm khô gạo sẽ tiến hành lấy mẫu ở những thời điểm khác nhau để đo lấy số liệu.
- Mỗi mẫu gạo được chia làm nhiều phần để đo và ghi lại giá trị đọc được, lập lại ít nhất ba lần đo trên cùng một mẫu gạo. Sau đó lấy giá trị trung bình của các lần đo rồi vẽ đồ thị để tìm ra hàm biểu diễn giá trị độ ẩm gạo.
- Lần thí nghiệm với mẫu gạo có độ ẩm khoảng 10%: Ta lấy mẫu lần thứ nhất độ ẩm đo được là 10% ở máy KETT thì giá trị ADC đo được của mô hình nghiên cứu là 242 bảng 2 bên phải, lần hai độ ẩm 10% giá trị ADC là 240, lần ba độ ẩm 10% giá trị ADC là 242, giá trị trung bình 3 lần thí nghiệm là 10% ở máy KETT bảng 2 bên trái tương ứng có giá trị ADC trung bình là 241,33 ở bảng 2 bên phải của mô hình nghiên cứu.