a) Lựa chọn phương án thiết kế
Cơ sởđể lựa chọn phương án thiết kế là yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật đối với thiết bị và các tính năng kỹ thuật của cảm biến. Các chỉ tiêu kiểm tra thiết kế được tiến hành theo các bước sau:
Nguồn nuôi: Được lựa chọn là ăc qui, pin xạc loại NiMH với dung lượng 2200 mAh. Với 4 pin xạc, điện áp khi được nạp đầy là 5,6 V (4 x 1,4 V) và khi gần hết là 4,8 V (4 x 1,2 V). Như vậy, thiết bị cần có bộ phận theo dõi điện áp nguồn nuôi để dừng hoạt động khi pin sắp hết (điện áp nguồn thấp hơn ngưỡng dưới). Dung lượng pin cho phép thiết bị hoạt động liên tục trong thời gian không dưới 8 giờ (1 ca làm việc), với dòng tiêu thụ tối đa là 250 mA khi đo.
Căn cứđể tính toán dòng tiêu thụ tối đa là công suất đốt của cảm biến. Cảm biến chỉ nhạy khí khi hoạt động tại nhiệt độ từ 250 đến 450 oC, vì vậy cần cung cấp điện năng cho lò vi nhiệt của cảm biến. Theo thiết kế hiện nay của cảm biến, điện áp đốt tối đa là 2,8 V, dòng đốt khoảng 180 mA. Đây là nguồn tiêu tốn dòng lớn nhất trong thiết bị.
Linh kiện: Do nguồn nuôi là nguồn đơn, nên các loại linh kiện (kể cả khuếch đại, biến đổi AD...) đều được lựa chọn là linh kiện sử dụng nguồn đơn (không dùng nguồn điện áp âm) để giảm tiêu tốn năng lượng và thể tích máy.
Hiển thị: Sử dụng màn hình tinh thể lỏng LCD (2 hàng x 16 ký tự) nhằm giảm điện năng tiêu thụ (so với LED) và cung cấp tối đa các thông tin cho người sử dụng.
b) Thiết kế chế tạo phần cứng
Đối với các thiết bị đo nồng độ cao, sau nhiều lần thử nghiệm sơ đồ mạch cầu cho kết quả tốt nhất. Sơđồ khối của thiết bịđo được trình bày trên hình 6.1.
Nguồn điện áp chuẩn (Vreference) có nhiệm vụ:
• Cung cấp điện áp ổn định (Vheater) cho sợi đốt của cảm biến.
• Là nguồn chuẩn, trên cơ sở đó tính toán điện áp pin (để kiểm tra tình trạng pin) và điện áp từ cảm biến (tức là nồng độ khí sau khi qui đổi).
Do mang tính chất quyết định tới độ chính xác của phép đo khi điện áp pin thay đổi, nên điện áp chuẩn phải rất ổn định. Trong thiết bị này, nguồn điện áp cung cấp điện áp chuẩn 2490 mV tại 25 oC với độ trôi 54 ppm/oC, tức là khoảng 3,36 mV trong dải nhiệt độ hoạt động từ 0 đến 50 oC (sai số tương đối 0,14 %).
Hình 6.1. Sơđồ khối thiết bịđo nồng độ khí.
Khuếch đại thuật toán (Amplifier):
Các vi mạch khuếch đại thuật toán trong thiết bịđều sử dụng nguồn đơn (từ 3 V trở lên). Sai số do vi mạch khuếch đại thuật toán gây ra chủ yếu là do trôi điện áp offset (khoảng 7 μV/oC, tương ứng 0,18 mV trong dải 0 oC - 50 oC). Bản thân điện áp offset (7 mV tối đa) được bù trừ bằng phần mềm, cho sai số không quá 0,5 mV toàn thang.
Biến đổi tương tự - số AD:
Phương án được lựa chọn là sử dụng bộ biến đổi từ điện áp sang tần số (VFC) loại LM331. Ưu điểm của lựa chọn này là : sử dụng nguồn đơn (từ 4 V trở lên), độ tuyến tính cao (0,03 %), dải điện áp vào rộng (0 - 2/3 V+) và độ phân giải cao (tới 15 - bit, tuỳ theo lựa chọn linh kiện và thời gian lấy mẫu).
Vi điều khiển và các khối ngoại vi :
Toàn bộ hoạt động của thiết bị do vi điều khiển MC (Micro Controller) điều hành. Vi điều khiển hoạt động với tần số chuẩn 11,059 MHz, có các chức năng sau : • Nhận tín hiệu từ các phím điều khiển (control switches) để chọn chế độ vận
• Đo và tính toán các điện áp đầu vào (V+, Vref và Vx) thông qua bộ biến đổi VFC. Để tiết kiệm năng lượng, nguồn V+ chỉđược cung cấp cho phần analog (gồm lò vi nhiệt của sensor, khuếch đại thuật toán và VFC) trong quá trình đo. Khi nguồn pin yếu, MC sẽ dừng đo và thông báo trên màn hình LCD. Nếu nồng độ khí đo vượt ngưỡng cho phép, sẽ có báo hiệu bằng âm thanh. • Hiển thị lưu trữ và đọc lại (Backup) các kết quả đo. Bộ nhớ EEPROM cho
phép lưu trữ tối đa 999 kết quả đo. Nếu số lần đo vượt quá 999, số liệu của các lần đo đầu sẽ bị xoá bỏ.
• Cổng giao tiếp RS - 232 cho phép truyền số liệu lưu trữ vào máy tính để xử lý tiếp. Cho phét in kết quả mỗi lần đo qua máy in xách tay.
Nạp pin:
Bộ nạp pin được cung cấp nguồn một chiều 12 V từ bên ngoài. Dòng nạp 0,5 A, tự ngắt khi pin đầy. Thời gian nạp khoảng 05 giờ liên tục.
Trong cấu trúc phần cứng của thiết bị, phần tương tự (analog) là phần quan trọng nhất, quyết định tới độ chính xác của phép đo. Sơ đồ nguyên lý của phần tương tự được trình bày trên hình 6.2. Các điện trở trong sơđồ đều là linh kiện hàn bề mặt, có sai số 1% và hệ số nhiệt 100 ppm/oC.
Khi được cấp nguồn V+ (khi đo), điện áp chuẩn 2490 mV (hiệu chỉnh bằng chiết áp VR1). Điện áp này được Q1 khuếch đại thêm khoảng 20 %, tạo ra điện áp Vref với giá trị khoảng 3 V. Có thể coi Vref là “đất” (analog ground), cho phép khuếch đại thuật toán hoạt động ở vùng tương đối tuyến tính, khi điện áp lối vào thay đổi từ 0,5 V đến 3,3 V.
Điện áp đốt cho cảm biến được cấp từ nguồn pin E+ nhờ Q2 và T1. Giá trị điện áp đốt được hiệu chỉnh bằng chiết áp VR2.
Điện áp tín hiệu từ cảm biến được đưa vào Q3. Trong môi trường sạch, điện áp này được bù trừ (tức là hiệu chỉnh điểm 0) nhờ chiết áp VR3. Khi có khí, tín hiệu từ Q3 được Q4 khuếch đại đảo pha (âm hơn so với Vref) 10 lần, nhờđó có thểđạt độ phân giải tới 0,1 mV trong dải điện áp từ 0 tới 250 mV lấy từ cảm biến.
Thông qua bộ chọn tín hiệu (Analog Multiplexer MUX - Hình 6.1), các điện áp V+ / Vref / Vx lần lượt được đưa vào VFC để biến đổi sang tần số. Nhờđộ tuyến tính cao nên tần số ra của VFC hầu như phụ thuộc tuyến tính vào điện áp vào theo công thức:
Fout = G .Vin (6.1)
trong đó G là hệ số chuyển đổi. Giá trị G phụ thuộc vào các linh kiện của VFC. Ta có thể nhận thấy là các giá trị V+ và Vx không phụ thuộc vào hệ số chuyển đổi G của VFC. Vì vậy, ảnh hưởng độ trôi theo nhiệt độ của VFC hầu như không đáng kể.
c) Lắp ráp thiết bịđo hơi cồn Lắp ráp thiết bịđo hơi cồn, bao gồm: - Lắp ráp mạch điện tử. - Chế tạo bộ nạp pin ắc qui. - Lắp các bộ phận khác vào vỏ máy thành thiết bịđo hoàn chỉnh. - Đo đạc các đặc trưng kỹ thuật của thiết bị, như đường chuẩn tại các nồng độ trong khoảng đo và thời gian đáp ứng.
Hình 6.3.Ảnh máy đo Alco-I cầm tay ghép nối với máy in mini.
- Nạp đường chuẩn, kiểm tra độổn định của thiết bị.
- Đánh giá sai số phép đo và kiểm tra các chức năng của thiết bị. - Dán nhãn mác.
- Kiểm tra và hiệu chỉnh hoạt động của thiết bị.
Thiết bị có thểđược kiểm tra bằng khí chuẩn và hiệu chỉnh bằng phần mềm sau một thời gian sử dụng. Phần mềm hiệu chỉnh kết quả đo: gồm có phần thay đổi độ trôi của điện áp offset (giá trị đo trong môi trường chỉ có không khí sạch, hoặc có hàm lượng khí cần đo nhỏ hơn giới hạn mà phương tiện đo có thể phát hiện được); phần thay đổi độ dốc của hàm tín hiệu phụ thuộc nồng độ khí. Hình ảnh máy đo Alco-I cầm tay ghép nối với máy in mini được minh họa trên hình 6.3 và các tính năng kỹ thuật cơ bản của máy đo nồng độ cồn trong hơi thở được trình bày trong bảng 6.1.
Bảng 6.1. Các thông số kỹ thuật của thiết bịđo nồng độ cồn
TT Thông số kỹ thuật Alco-I
1 Dải đo 0,000 - 2,000 mg/l 2 Độ phân giải 0,001 mg/l 3 Độ chính xác ± 0,005 mg/l 4 Dung lượng bộ nhớ 999 lần đo 5 Dạng lưu trữ Số thứ tự lần đo; giá trị nồng độ; thời gian 6 Màn hình (LCD) 2 x 16 ký tự
7 Nhiệt độ môi trường 0 - 40 oC 8 Độẩm tương đối Tối đa 90 %
9 Kích thước 155 x 85 x 35 mmm
10 Trọng lượng < 300 g
11 Nguồn nuôi AC/DC - 12 V, 500 mA
12 Số lần đo > 600 ( 1 phút / lần đo với ắcqui nạp đủ)