CHUONG 1: CƠ SỞ LÝ THUYET 1.1. TINH TÍCH CUC VA SANG TẠO CUA HỌC SINH TRONG HỌC TAP
1.4. TONG QUAN VE CAM BIEN
Cảm biến là thiết bi dùng dé biến đổi các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thé đưa vào bộ chuyên đổi ADC va đưa vào máy tính dé xử lý
tính toán.
Các đại lượng cần đo m thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, độ dài ...) tác động lên cảm biến cho một đặc trưng s mang tính chất điện (như điện
tích, điện áp, dòng điện...) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng
đo. Đặc trưng s là hàm của đại lượng cần đo m: s = F(m).
Người ta gọi s là đại lượng đầu ra hoặc là phan ứng của cảm biến, m là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc s cho phép nhận biết giá trị của m.
1.4.1. Cảm biến đo lực
Cảm biến lực (Loadcell) là loại cảm biến hoạt động dựa vào việc đo độ chênh lệch điện thế giữa hai điểm trên một mạch cầu khi có lực tác dụng lên cảm biến. Mỗi loadcell gồm một vật đàn hồi (thường là khối nhôm được xử lý đặc biệt có hình dạng tùy thuộc vào mục đích sử dụng) đóng vai trò như vật chịu tải (load), trên khối nhôm có dán 4 tắm strain gauge giống nhau (cell) đóng vai trò như các điện trở mắc thành mach cầu
Wheastone (Hình 1.7) trong đó có 2 strain gauge chịu nén và 2 strain gauge chịu dan.
Hình 1. 7. Mach cầu Wheastone và tam strain gauge.
20
Strain gauge là những phần tử cảm biến được chế tạo bằng bán dẫn hay kim loại
mà điện trở R của nó thay đôi khi có tác động của ngoại lực.
Đề cho mạch cầu Wheastone hoạt động cần phải cung cấp một điện áp nuôi Vex (excitation voltage). Nguồn điện này thường có giá trị trong khoảng 3 V — 15 V. Ngõ ra Vo là điện thế chênh lệch giữa 2 nút a và b [2].
_ R33
Yo = ( — Vex (1.1)
Khi không bị tác động lực, điện trở của 4 tam strain gauge (R¡, R2, R3 và R4) bang nhau, nên cầu ở trạng thái cân băng (Vo = 0). Khi bị tac động, vật bi biến dạng, các tắm cảm biến thay đổi điện trở làm cầu mất cân bằng nên xuất hiện ở ngõ ra a, b một điện áp
Vo.
Gauge in
tension F
(Ret AR)
=!
Le
Gauge in
compression
( Re . AR)
Hình 1. 8. Mạch cầu Wheastone khi các strain gauge bị biến dạng.
Điện thé Vo được tính theo công thức (1.2) [2, tr.5]:
R-AR — R+AR AR
1 =(= ~ we) Vex = Vex (1.2)
Từ công thức (1.2) ta thay điện áp ngõ ra của mạch cau tỉ lệ với lượng thay đổi điện trở của tắm strain gauge. Do lượng thay đổi điện trở của strain gauge rất bé nên ta
cân có một mạch khuêch đại điện thê đê có thê thu nhận được tín hiệu đâu ra.
1.4.2. Cảm biến đo gia tốc
1.4.2.1. Giới thiệu về cảm gia do tốc
21
Cảm biến đo gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc được chế tạo dự trên công nghệ MEMS - Công nghệ vi cơ [9]. Đó là sự tích hợp vi mạch điện tử được chế tạo trên phiến silic với các linh kiện, chỉ tiết vi cơ. Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở. Việc đo gia tốc thông qua cảm biến gia tốc MEMS có thé được mô tả như một hệ gồm một khối lượng m và một lò
XO.
y |[Accelerometer
Hình 1. 9. Nguyên lý do gia tốc của cảm biến công nghệ MEMS.
Khi hệ quy chiếu được gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối m thông qua lò xo. Lò xo giãn ra hoặc nén lại và độ dich chuyển này được xác định bởi một cảm biến độ dịch chuyền. Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo và có độ lớn F = kx, với k là độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển SO VỚI VỊ trí cân bang. Như vậy, dé đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng dịch chuyền x thông qua sử dụng thuộc tính điện của tụ điện có hai bản cực song song, khoảng cách giữa hai bản tụ có thé thay
đôi được. Nếu gan khối lượng m của cảm biến vào bản tụ nằm giữa hệ hai tụ điện nối tiếp
thì có thể xác định được độ dịch chuyên của nó dưới tác dụng của lực F, tức là xác định được gia tốc thông qua việc xác định sự thay đổi giá trị điện dung.
Phân loại:
— Dựa vào tín hiệu ngõ ra: cảm biến tương tự (analog) và cảm biến tín hiệu số
(digital).
— Dựa vào sô tín ngõ ra: cảm biên gia toc một trục, hai trục và ba trục.
22
1.4.2.2. Cảm biến do gia tốc ADXL335
Trong dé tài này, cảm biến đo gia tốc ADXL335 [9] được sử dụng dé đo gia tốc của đối tượng cần khảo sát. Đây là loại cảm biến gia tốc theo công nghệ MEMS do hãng AnalogDevices sản xuất, cho phép xác định một cách độc lập gia tốc theo các phương
trục tọa độ X,Y và Z. Tín hiệu ngõ ra là tín hiệu tương tự với điện áp ở mỗi trục trục tỉ lệ
tuyến tính với gia tốc theo phương đó.
Hình 1. 10. Cam biến do gia tốc ADXL335.
Các thông số hoạt động cảm biến gia tốc:
— Điện áp hoạt động: 3.3 V.
— Tín hiệu ra: từ 0 V đến 3.3 V.
— Giới hạn đo trên cả 3 trục: +3 g (g là gia tốc trọng trường).
— Nhiệt độ làm việc: -40° C đến 85°C.
— Độ nhạy: 270 - 330 mV/g.
Bang 1.2. Chức năng các chân cảm biến ADXL335.
STT Tên Chức năng
1 Vcc Chân nguồn 3.3 V
2 X_ out Điện áp ngõ ra trục X (V)
3 Y_ out Điện áp ngõ ra trục Y (V) 4 Z-out Điện áp ngõ ra trục Z (V)
23
5 | GND | Chan tiép dat
1.4.3. Kỹ thuật lập trình bang ngôn ngữ Labview
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một
phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments, Mỹ.
LabVIEW là môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị. LabVIEW hỗ trợ việc xây dựng và thực thi các thuật toán một cách nhanh, gon và dễ hiểu nhờ các khối hình anh có tính gợi nhớ và cách thức hoạt động theo kiểu dòng đữ liệu (data flow) lần lượt từ trái qua phải. Các thuật toán này sau đó được áp dụng lên các mạch điện và cơ cầu chấp hành thực nhờ vào việc kết nối hệ thống thật với LabVIEW thông qua nhiều chuẩn giao tiếp nhờ chuẩn giao tiếp RS232,
chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIB,... LabVIEW hỗ trợ hầu hết các hệ điều hành Windows 2000, XP, Vista, Windows7, Linux, MacOS... Vì tính khả thi và mềm dẻo của phần mềm trên, đề tài này lựa chọn ngôn ngữ LabVIEW 2012 dé thiết kế giao diện dạy học [5, tr.5].
1.4.3.1. Cấu trúc chương trình
Một chương trình Labview đơn giản hay phức tạp đều được tạo nên từ bốn thành phần cơ bản: các khối điều khiển (Control) đóng vai trò nhập giá trị đầu vào, các chỉ thị (Indicator) dong vai trò hiển thị kết quả, các ham (Function) và các dây nỗi (wire) nối các khối và hàm lại với nhau. Các Control và Indicator đều có ảnh của chính mình bên trong Block Diagram, ảnh này tự động tạo ra khi lấy các Control và Indicator ở Front Panel (Hình 1.11). Các Control và Indicator nằm ở cửa số trước (Front Panel) và hàm nằm ở cửa số sau gọi là cửa số chứa các sơ đồ khối (Block Diagram) [1, tr 25].
Tim cuc tri.vi Front Panel *
File Edit View Project Operate Tools Window Help
[2 |] OL] | 18pt VN-Times
Graph
79- 60-|
50-|
40-]
30-|
20- 10-]
00-
-10-]
=20+|
30-4 -40-|
-50-]
Amplitude
00 05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Time
t
Hình 1. 11. Front Panel (a) va Block Diagram (b) của một chương trình.
Front Panel là nơi giao tiếp giữa người dùng và chương trình, nơi ta có thé thao tác với chương trình thông qua bàn phím (hoặc chuột) và xem kết quả từ màn hình. Block Diagram là nơi chữa các hàm, mệnh dé, toán tử, chương trình con,... giúp thực thi
chương trình.
1.4.3.2. Phương pháp tạo một chương trình giao tiếp và đọc đữ liệu
Dé tạo một chương trình doc dữ liệu từ phan cứng bên ngoài bằng truyền thông nối tiếp ta lần lượt thực hiện các bước sau:
— Sử dụng hàm Visa Resourse name trong thư viện hỗ trợ giao tiếp dé nhận dữ liệu từ công COM, đặt các thông số tốc độ truyền là 9600 (Baud rate), 8 bit dir liệu (Data bit), thiết lập thời gian (Timeout) cho truyền thông nỗi tiếp.
25
VISA CONFIGURE SERIAL aan mm
No Etlo Error ¥
Luuuu on
Ẻ 3] [abe
isa]
Visa ee
1 ee
call aa l 5 =>
16 H D ee
Thiết lập các
thông số
Đọc đữ liệu trong bộ đệm
cho cổng COM.
Vong lap While doc dữ liệu.
Hình 1. 12. Khối Block Diagram chương trình đọc dữ liệu thông qua cổng COM.
— Sử dụng thêm hàm VISA Set I/O Buffer Size Function thiết lập cd cho /O
Buffer, chạy ham VISA Configuration Serial Port.
— Ham VISA Read trong cấu trúc Case đọc ngược 200 byte vào trong bộ đệm đọc (read buffer). Cấu trúc Case — Error checking và Error Handling giúp thực thi chương trình nếu không có lỗi và bỏ qua chương trình khi có một lỗi phát sinh.
Dùng ham VISA Close dé đóng các sự kiện được cấu hình bởi VISA resource
name. Tat cả các hàm chức năng đêu năm trong vòng lặp While.
26