Tổng quan về cảm biến
Khái niệm
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý không có tính chất điện, như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng và độ ẩm, thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý Những đại lượng này tác động lên cảm biến, tạo ra một đặc trưng điện như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng, từ đó cung cấp thông tin để xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng này được biểu diễn dưới dạng hàm của đại lượng cần đo: s = f(m).
Trong công thức, s đại diện cho đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến, trong khi m là đầu vào hay kích thích, vốn là đại lượng cần đo Việc đo đạc giá trị s cho phép xác định giá trị của kích thích m một cách chính xác.
Phân loại cảm biến
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Theo tính năng của bộ cảm biến
Theo phạm vi sử dụng
Theo thông số của mô hình mạch thay thế
Một số đặc trưng cơ bản
Cảm biến tuyến tính có độ nhạy đặc trưng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm, được biểu diễn bằng công thức Δs = S.Δm, trong đó S là hệ số độ nhạy xác định giá trị của biến thiên đầu ra.
được gọi là độ nhạy của cảm biến
Độ nhạy S của cảm biến được xác định bằng tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào, xung quanh giá trị mi của đại lượng đo.
Để đảm bảo độ chính xác cao trong phép đo, khi thiết kế và sử dụng cảm biến, cần duy trì độ nhạy S của cảm biến không thay đổi, tức là giảm thiểu sự phụ thuộc vào các yếu tố khác.
Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó
Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh
Giá trị S thường được cung cấp bởi nhà sản xuất tương ứng với điều kiện làm việc nhất định của cảm biến b Độ tuyến tính
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính của cảm biến thể hiện sự không phụ thuộc của độ nhạy vào giá trị của đại lượng đo Điều này được minh chứng qua các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến, cho thấy cảm biến hoạt động tuyến tính khi đại lượng đo nằm trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính phản ánh sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, cùng với các thông số quyết định hồi đáp như tần số riêng f0 và hệ số tắt dần ξ Đối với cảm biến không tuyến tính, việc hiệu chỉnh mạch đo là cần thiết để đảm bảo tín hiệu điện đầu ra tỷ lệ thuận với sự thay đổi của đại lượng đo đầu vào, quá trình này được gọi là tuyến tính hóa Sai số và độ chính xác cũng là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của cảm biến.
Cảm biến không chỉ đo đại lượng cần thiết mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố vật lý khác, dẫn đến sai số giữa giá trị đo và giá trị thực Độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực được ký hiệu là Δx, trong khi sai số tương đối của bộ cảm biến được tính toán dựa trên độ lệch này.
Sai số của bộ cảm biến được coi là ước tính do không thể xác định chính xác giá trị thực của đại lượng đo Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân loại thành hai dạng: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống là loại sai số không thay đổi theo số lần đo, có giá trị ổn định hoặc biến đổi chậm theo thời gian, và tạo ra một độ lệch cố định giữa giá trị thực và giá trị đo được Nguyên nhân gây ra sai số hệ thống thường do điều kiện sử dụng không tốt hoặc do người đo thiếu hiểu biết về phương pháp đo.
+ Do nguyên lý của cảm biến
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng
+ Do đặc tính của bộ cảm biến
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng
+ Do xử lý kết quả đo
Sai số ngẫu nhiên là loại sai số có độ lớn và chiều không xác định, xuất hiện trong quá trình đo lường Mặc dù nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể được dự đoán, nhưng độ lớn và dấu của sai số ngẫu nhiên lại không thể xác định trước Một số nguyên nhân phổ biến dẫn đến sai số ngẫu nhiên bao gồm các yếu tố môi trường, thiết bị đo không chính xác và sự thay đổi trong điều kiện thử nghiệm.
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến
Để giảm thiểu sai số ngẫu nhiên, cần áp dụng một số biện pháp thực nghiệm như bảo vệ các mạch đo khỏi nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn, bù đắp ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số, cũng như thực hiện các phép đo thống kê Độ nhanh của cảm biến phản ánh khả năng theo kịp biến đổi của đại lượng đầu ra so với đại lượng đầu vào, trong khi thời gian hồi đáp là thước đo cho độ nhanh này Thời gian hồi đáp tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng % Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% cho biết khoảng thời gian cần thiết để đạt được giá trị đầu ra chính xác sau khi có sự biến thiên.
Thời gian hồi đáp của cảm biến là yếu tố quan trọng trong việc xác định chế độ quá độ, và nó ảnh hưởng đến các thông số thời gian cần thiết để thiết lập chế độ này.
Khi đại lượng đo thay đổi theo dạng bậc thang, hai thông số thời gian quan trọng cần xem xét là thời gian trễ khi tăng tdm và thời gian tăng tm Thời gian trễ tdm là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra đạt 10% biến thiên tổng cộng, trong khi thời gian tăng tm là thời gian để đại lượng đầu ra tăng từ 10% lên 90% của biến thiên tổng cộng.
Hình 1.1 Xác định các khoảng thời gian của cảm biến
Khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm TDC là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng Trong khi đó, khoảng thời gian giảm TC là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 90% đến 10% biến thiên tổng cộng của nó.
Các thông số như thời gian tr, t dm, t m, t dc và t c của cảm biến giúp đánh giá thời gian hồi đáp của nó Ngoài ra, việc hiểu rõ giới hạn sử dụng của cảm biến cũng rất quan trọng.
Trong quá trình sử dụng cảm biến, chúng luôn phải đối mặt với các tác động như ứng lực cơ học và nhiệt độ Khi những tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, đặc trưng làm việc của cảm biến sẽ bị thay đổi Do đó, việc hiểu rõ các giới hạn này là rất quan trọng khi sử dụng cảm biến.
Vùng làm việc danh định
Nguyên lý đo của cảm biến
Với các loại cảm biến tích cực
Cảm biến tích cực là thiết bị hoạt động như máy phát, chuyển đổi các dạng năng lượng như nhiệt, cơ, hay bức xạ thành điện năng thông qua các hiệu ứng vật lý Một trong những loại cảm biến phổ biến là cảm biến dựa trên hiệu ứng nhiệt điện.
Hai dây dẫn M1 và M2 có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại thành một mạch điện kín Khi nhiệt độ ở hai mối hàn T1 và T2 khác nhau, mạch sẽ xuất hiện một suất điện động e(T1, T2), có độ lớn phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ này.
10 nhiệt độ giữa T1 và T 2 Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0 0 C
Hình 1.2 Sơ đồ hiệu ứng điện b Hiệu ứng hỏa điện
Một số tinh thể như tinh thể Sulfate triglycine được gọi là tinh thể hỏa điện, có khả năng phân cực điện tự phát Độ phân cực này phụ thuộc vào nhiệt độ, dẫn đến sự xuất hiện của điện tích trái dấu trên các mặt đối diện của tinh thể Độ lớn điện áp giữa hai mặt của tinh thể hỏa điện phụ thuộc vào mức độ phân cực của chúng.
Hiệu ứng hỏa điện được sử dụng để đo thông lượng bức xạ ánh sáng bằng cách chiếu chùm ánh sáng vào tinh thể hỏa điện Khi ánh sáng được hấp thụ, nhiệt độ của tinh thể tăng lên, dẫn đến sự thay đổi trong phân cực điện Bằng cách đo điện áp V, chúng ta có thể xác định thông lượng ánh sáng Φ một cách chính xác.
Hình 1.3 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện c Hiệu ứng áp điện
Vật liệu áp điện, như thạch anh, khi chịu tác động của lực cơ học sẽ xuất hiện điện tích trái dấu trên các mặt đối diện, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện Bằng cách đo điện áp (V), chúng ta có thể xác định cường độ của lực tác dụng (F).
Hình 1.4 Ứng dụng hiệu ứng áp điện d Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, suất điện động xuất hiện tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, tức là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây Tương tự, trong khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên, suất điện động cũng tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.
Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ e Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang dẫn, hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội, là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu, thường là bán dẫn, khi tiếp xúc với bức xạ ánh sáng hoặc bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.
Hiệu ứng quang phát xạ điện tử, hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài, là hiện tượng mà các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu, tạo thành dòng điện có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.
Khi một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng tác động lên vật liệu bán dẫn, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với cả từ trường và bức xạ ánh sáng.
Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ g Hiệu ứng Hall
Khi một tấm mỏng bán dẫn có dòng điện I chạy qua được đặt trong một từ trường B tạo với dòng điện một góc θ, sẽ xuất hiện hiệu điện thế VH vuông góc với cả B và I Công thức tính hiệu điện thế này được biểu diễn bằng V H = K I B H sin θ.
Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu
Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall là phương pháp xác định vị trí của vật chuyển động liên kết với thanh nam châm Vị trí của thanh nam châm quyết định giá trị từ trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng Do đó, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.
Với các loại cảm biến thụ động
Cảm biến thụ động được thiết kế từ một trở kháng nhạy cảm với các đại lượng đo, với giá trị phụ thuộc vào kích thước hình học và tính chất điện của vật liệu chế tạo như điện trở suất, độ từ thẩm và hằng số điện môi Do đó, tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng đến kích thước hình học, tính chất điện, hoặc cả hai yếu tố này.
Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng trong cảm biến diễn ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng Đối với cảm biến có phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử sẽ tương ứng với một giá trị trở kháng xác định, cho phép xác định vị trí của đối tượng Trong khi đó, ở cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử dưới tác động của lực hoặc các đại lượng gây ra lực sẽ dẫn đến sự thay đổi của trở kháng, từ đó ảnh hưởng đến khả năng đo lường.
Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, điều này cho phép chúng ta xác định được đại lượng cần đo Bằng cách xác định trở kháng, chúng ta có thể nắm bắt chính xác thông tin về đại lượng mà mình đang nghiên cứu.
Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và các yếu tố tác động như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, và độ ẩm Để chế tạo cảm biến, cần chọn vật liệu sao cho tính chất điện chỉ nhạy với một đại lượng vật lý cụ thể, trong khi ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể Nhờ đó, có thể thiết lập mối quan hệ đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến.
Một số cảm biến thông dụng
Cảm biến quang
Cảm biến quang bao gồm cảm biến quang dẫn và cảm biến quang điện phát xạ Cảm biến quang dẫn, như photodiot và phototransistor, hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở khi ánh sáng chiếu vào Trong khi đó, cảm biến quang điện phát xạ, bao gồm tế bào quang điện chân không và tế bào quang điện dạng khí, hoạt động khi bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định chiếu vào bề mặt, giải phóng điện tử và tạo thành dòng điện.
Hình 1.8 Phototransistor trong chế độ chuyển mạch (Role, Role sau khuếch đại, cổng logic, Thyristor)
Cảm biến đo nhiệt độ
Nhiệt độ được đo gián tiếp thông qua sự thay đổi tính chất vật liệu theo nhiệt độ, với các cảm biến nhiệt độ như thermistor, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở và nhiệt kế bức xạ Mỗi loại cảm biến hoạt động theo nguyên lý riêng nhưng đều tuân theo các thang đo nhiệt độ như Kelvin, Celsius và Fahrenheit.
Cảm biến đo độ ẩm
Cảm biến đo độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ hơi nước, khiến các thành phần cảm nhận như LiCl và P2O5 thay đổi tính chất Sự thay đổi này làm biến đổi điện trở của cảm biến, từ đó xác định được mức độ ẩm trong môi trường.
Cảm biến thông minh
Các cảm biến sơ cấp Si chuyển đổi các đại lượng đo và yếu tố ảnh hưởng thành tín hiệu điện, sau đó tín hiệu này được đưa vào các bộ chuyển đổi chuẩn hóa CĐCH Các bộ chuyển đổi này tạo ra tín hiệu chuẩn, thường là điện áp từ 0 – 5V hoặc 0 – 10V, để đưa vào bộ dồn kênh MUX Bộ dồn kênh MUX có nhiệm vụ chuyển tín hiệu vào bộ chuyển đổi tương tự - số A/D trước khi tín hiệu được xử lý bởi bộ vi xử lý μP.
Nếu sử dụng cảm biến thông thường ở đầu vào, đầu ra sẽ được xử lý qua một vi mạch công nghệ lai Vi mạch này bao gồm các bộ chuyển đổi chuẩn hóa, bộ dồn kênh MUX, bộ chuyển đổi tương tự - số A/D và vi xử lý μP Cuối cùng, thông tin sẽ được truyền đi xa qua bộ ghép nối, đến máy tính cấp trên hoặc bộ ghi chương trình cho EPROM.
Nếu cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn những thiết bị sau đều được để trong một khối công nghệ lai
Hoạt động của cảm biến được điều khiển bởi vi xử lý, tổ chức sự tương tác giữa các khâu dựa trên thuật toán chọn tần suất xuất hiện của tín hiệu, xác định giới hạn đo của từng kênh và tính toán sai số đo Trong quá trình này, các khâu trao đổi lệnh thông qua ngôn ngữ chung, thường là hợp ngữ Các chương trình phần mềm đảm bảo mọi hoạt động của cảm biến diễn ra suôn sẻ.
Chương trình thu thập dữ liệu khởi động các thiết bị như ngăn xếp và cổng thông tin nối tiếp, đồng thời đọc số liệu từ cổng vào bộ ADC và điều khiển hoạt động của bộ dồn kênh MUX.
Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi các giá trị đo được thành mã BCD và mã ASCII, đồng thời thực hiện các chương trình xử lý số liệu đo hiệu quả.
Chương trình giao diện có chức năng hiển thị thông tin trên LED hoặc màn hình, in ấn, và xử lý dữ liệu từ bàn phím Nó cũng có khả năng truyền kết quả ra cổng thông tin, kết nối vào mạng, hoặc gửi dữ liệu tới máy tính cấp trên.
Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc một cảm biến thông minh.
Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm
Cảm biến đo độ ẩm HS1101
Độ ẩm là hàm lượng hơi nước có trong không khí hoặc các chất khí khác, được xác định qua nồng độ hơi nước trong không khí Thông thường, độ ẩm được đo lường để hiểu rõ hơn về điều kiện khí hậu và môi trường.
Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí, được đo bằng gam trên mét khối ([g/m3]) Điểm sương là nhiệt độ và áp suất mà tại đó khí bắt đầu ngưng tụ hơi nước thành chất lỏng.
Độ ẩm tương đối (RH) là tỷ lệ giữa hàm lượng hơi ẩm trong không khí và mức độ hơi ẩm bão hòa tại cùng một nhiệt độ và áp suất Nó được tính bằng phần trăm [%RH] và thể hiện mối quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm cực đại khi hơi nước đạt trạng thái bão hòa.
Độ ẩm là một thông số quan trọng tác động trực tiếp đến con người, đến thiết bị máy móc và các quán trình lý hóa
Độ ẩm trong môi trường có thể dao động từ 30% đến 70% Khi độ ẩm dưới 35%, hệ tiêu hóa sẽ bị kích thích, trong khi đó, nếu độ ẩm vượt quá 75%, quá trình ra mồ hôi sẽ bị giảm đáng kể.
Trong ngành công nghiệp, độ ẩm có tác động trực tiếp đến hiệu suất của thiết bị và máy móc, đặc biệt là các thiết bị điện và điện tử Do đó, việc đo lường và kiểm soát độ ẩm là rất quan trọng trong quy trình công nghệ, cũng như trong thiết kế và chế tạo thiết bị Việc lựa chọn cảm biến độ ẩm phù hợp và hiểu rõ các đặc tính kỹ thuật của chúng là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả hoạt động và độ bền của thiết bị.
Sự khác biệt giữa các loại cảm biến về độ chính xác, khả năng thay thế lấp lẫn, những ưu nhược điểm của mỗi loại
Những tiêu chí quan trọng trọng lựa chọn cảm biến độ ẩm bao gồm:
Tính thay thế và lắp lẫn
Tính lặp lại đặc tính kỹ thuật
Khẳ năng phục hồi sau ngưng tụ hơi nước
Tính kháng nhiễm tạp chất, chất bẩn
Kích cỡ và bao gói
Tính hiệu quả và giá thành
Giá thành thay thế và bảo dưỡng khi có hỏng hóc
Tính phức hợp và hiện thực hóa quá trình chuẩn hóa tín hiệu và mạch thu nhập dữ liệu
17 c Lựa chọn cảm cảm biến RH kiểu điện dung
Các ứng dụng đối với cảm biến độ RH kiểu điện dung chiếm một phạm vi rộng bao gồm:
Các thiết bị bên trong ô tô như bộ phận chống đóng băng kính chắn gió
Các máy in, máy vi tính
Các thiết bị y tế như quạt thông gió và lò ấp
Những ứng dụng dân dụng như lò vi sóng, tủ lạnh, máy sấy quần áo
HVAC (Nhiệt, thông gió và điều hòa không khí)
Các máy thu và ghi dữ liệu
Bộ phận phát hiện rò rỉ
Thiết bị công nghiệp và xử lý thực phẩm
Nhờ vào những tiến bộ trong thiết kế chế tạo chất bán dẫn, nhiều cảm biến điện dung hiện nay đã đạt được độ trôi và độ trễ tối thiểu, đồng thời có độ bền cao Việc ứng dụng công nghệ CMOS trong các bộ phát xung định thời đã giúp các cảm biến này tạo ra tín hiệu điện áp đầu ra gần như tuyến tính.
Điện áp ra của cảm biến có bộ định thời CMOS có độ bất định khoảng ±2% RH trong phạm vi độ ẩm từ 5% đến 95% khi sử dụng hiệu chuẩn hai điểm Tuy nhiên, hiệu ứng điện dung của cáp nối có thể ảnh hưởng đến những thay đổi điện dung nhỏ của cảm biến, từ đó hạn chế khoảng cách lắp đặt của phần tử.
Cảm biến đến mạch chuẩn hóa tín hiệu có phạm vi thực tế dưới 100 feet Việc điều hưởng tinh giúp giảm độ biến động xuống ±2%, từ đó tăng khả năng thay thế lẫn nhau một cách hiệu quả.
Các chương trình máy tính hiệu chuẩn lại cũng có khả năng bù lại cho điện dung cảm biến từ 100 đến 500pF
Cảm biến độ ẩm kiểu điện dung không tuyến tính dưới vài phần trăm độ ẩm tương đối (RH), dẫn đến việc nhiều cảm biến trong hệ thống đo điểm sương sử dụng vi xử lý để lưu trữ dữ liệu hiệu chuẩn Sự phát triển này đã giúp giảm chi phí cho máy đo độ ẩm và máy truyền phát trong các ứng dụng điều hòa không khí và thám báo khí tượng viễn thông.
Cảm biến độ ẩm không khí kiểu điện trở có nhiều ưu điểm, bao gồm điện áp ra gần như tuyến tính, phạm vi đo độ ẩm (RH) và dung sai ngưng tụ hơi nước rộng, cùng với tính thay thế lẫn nhau khi sử dụng điều hưởng tinh bằng laser và tính ổn định trong thời gian dài Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của loại cảm biến này là khoảng cách từ phần tử cảm biến tới mạch chuẩn hóa tín hiệu bị giới hạn.
Cảm biến điện trở là loại cảm biến độ ẩm nhỏ gọn, giá cả phải chăng, nổi bật với độ ổn định cao và khả năng thay thế dễ dàng Chúng rất phù hợp cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp, thương mại và dân dụng, đặc biệt trong việc kiểm tra và chỉ thị chất lượng sản phẩm.
Cảm biến điện trở phản ứng phi tuyến với sự thay đổi độ ẩm, nhưng có thể được tuyến tính hóa thông qua các phương pháp tương tự hoặc số Điện trở của chúng thường dao động từ vài kΩ đến hàng trăm MΩ, với tần số kích thích định mức từ 30Hz đến 10kHz.
Cảm biến độ ẩm tương đối (RH) có khả năng thay thế cao trong phạm vi ±2% RH, cho phép hiệu chuẩn tín hiệu tại một điểm RH cố định mà không cần nhiều chuẩn độ ẩm Độ chính xác của cảm biến có thể được kiểm nghiệm trong buồng hiệu chuẩn RH hoặc thông qua hệ tiêu chuẩn so với môi trường tiêu chuẩn Các cảm biến điện trở hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ -40 đến 100°C.
Tuổi thọ của cảm biến thường dự kiến dưới 5 năm trong các ứng dụng thương mại và dân dụng Tuy nhiên, việc sử dụng cảm biến trong môi trường bám bẩn có thể dẫn đến hỏng hóc sớm.
Cảm biến kiểu điện trở thường gặp hiện tượng suy giảm chỉ số khi tiếp xúc với hơi nước ngưng tụ, đặc biệt khi sử dụng các lớp phủ hòa tan trong nước.
+ Không cần chuẩn hiệu chỉnh, có tính thay thế lắp lẫn cao và khả năng thay thế tại chỗ
+ có tính ổn định lâu bền
+ Có khả năng sử dụng những vị trí lắp đặt xa
+ Việc phản ứng với hơi hóa chất và bám bẩn
Trị số đo có thể bị suy dời bở sử dụng lớp phủ hòa tan được trong nước e Lựa chọn cảm cảm biến kiểu nhiệt dẫn
THIẾT KẾ BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG TÍN HIỆU SỐ
Các yêu cầu, tính năng của bộ đo nhiệt độ, độ ẩm
2.1.1 Yêu cầu của thiết bị
Đo được nhiệt độ, độ ẩm của không khí hiển thị bằng tín hiệu số
Có thể đo tốt trong môi trường là ngoài trời không mưa, trong phòng ở, phòng thí nghiệm, máy ấp trứng, mấy sấy tỏi
2.1.2 Tính năng của thiết bị
Thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm không khí hoạt động hiệu quả trong điều kiện thời tiết khô ráo, đặc biệt là khi được đặt ngoài trời Nhiệt độ đo được chính xác trong khoảng từ -40 °C đến 125 °C, trong khi độ ẩm cũng được đo với độ chính xác cao.
Thiết bị chủ yếu được sử dụng trong nhà, là loại cầm tay hoạt động bằng pin 9V, giúp linh hoạt trong việc đo nhiệt độ và độ ẩm ở các không gian khác nhau.
Kết quả được hiển thị số lên màn hình lcd 16x2
Nhiệt độ và độ ẩm được đo đồng thời, hiển thị đồng thời
Không hiển thị thời gian, thời điểm xem là tức thời.
Thiết lập sơ đồ khối của bộ đô nhiệt độ, độ ẩm
Hình 2.1 Sơ đồ khối chính của thiết bị
2.2.2 Cấu tạo, chức năng của từng khối
Khối INPUT a Khối cảm biến nhiệt độ dùng DS18B20
Khối cảm biến DS18B20 cấu tạo gồm có một cảm biến DS18B20 và một điện trở Được mắc theo sơ đồ sau:
Hình 2.2 Sơ đồ mắc mạch khối cảm biến nhiệt độ
Khối đo nhiệt độ sử dụng cảm biến DS18B20 để nhận tín hiệu nhiệt độ từ môi trường xung quanh, sau đó gửi thông tin về khối xử lý để hiển thị tín hiệu số Bên cạnh đó, khối cảm biến độ ẩm sử dụng HS1101 để đo độ ẩm trong không khí.
Khối có cấu tạo gồm một số linh kiện điện tử chính như: cảm biến độ ẩm HS1101, IC555, điện trở Được mắc theo sơ đồ sau:
Hình 2.3 Sơ đồ mắc mạch khối cảm biến độ ẩm
Khối đo độ ẩm môi trường sử dụng cảm biến HS1101, hoạt động như một tụ điện có điện dung thay đổi theo độ ẩm Sự thay đổi điện dung này được IC 555 chuyển thành xung, từ đó điều chế độ rộng xung (PWM) gửi về khối xử lý Cuối cùng, tín hiệu số được hiển thị trên màn hình thông qua khối vi xử lý 8051.
Khối xử lý được cấu tạo từ chip 89S52, cho phép nạp chương trình trực tiếp trên mạch mà không cần mạch nạp riêng Hệ thống bao gồm thạch anh tạo dao động và nút bấm reset, được kết nối theo sơ đồ đã chỉ định.
Hình 2.4 Sơ đồ khối vi xử lý 8051
Các tín hiệu đầu vào như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm và bàn phím được xử lý và chuyển đổi thành tín hiệu số, hiển thị trên màn hình hoặc phát ra loa Dựa vào những tín hiệu này, chúng ta có thể phát triển nhiều ứng dụng đa dạng.
Khối output của thiết bị gồm màn hình LCD 16x2 và vi chỉnh 103 Được mắc theo sơ đồ sau:
Hình 2.5 Sơ đồ mạch khối hiển thị
Nhận tín hiệu từ khối xử lý và hiển thị số
Khối gồm nhưng linh kiện chính là cầu chì, tụ điện, LM7805, đèn báo nguồn Được mắc theo sơ đồ sau:
Hình 2.6 Sơ đồ mạch khối lọc nguồn DC 5V
Chuyển đổi nguồn cấp từ 9V, 12V xuống còn 5V để nuôi các khối In, Out, chip, màn hình
Phần mở rộng về sau của thiết bị
Ngoài các khối chính đã đề cập, thiết bị còn bao gồm khối truyền thông lên máy tính và khối relay tự động đóng ngắt theo nhiệt độ, độ ẩm, tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng Thiết bị này được kết nối theo hai sơ đồ khác nhau.
Hình 2.7 Sơ đồ mắc mạch khối relay
Hình 2.8 Sơ đồ mắc mạch khối truyền thông
Thiết kế phần cứng
Hình 2.9 Sơ đồ mạch của toàn thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm
Sử dụng phần mềm Altium, chúng ta thiết kế mạch nguyên lý cho các linh kiện, như hình 2.9, dựa trên các khối đã đề cập Đặc biệt, với chip 8051 dễ bị nhiễu, việc chống nhiễu được ưu tiên hàng đầu Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng tụ gốm và tụ hóa mắc song song ở khối nguồn, đồng thời phủ mát GND cho toàn bộ mạch.
Sau khi hoàn tất việc vẽ mạch nguyên lý, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm Altium để thiết kế mạch in cho thiết bị Mục tiêu là tạo ra một mạch nhỏ gọn nhưng vẫn chứa đủ các khối chính và hai khối mở rộng, đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật Mạch in được thiết kế với kích thước 88x65mm, như thể hiện trong hình 2.10 – 2.11 dưới đây.
Hình 2.10 Thiết kế mạch in trên Altium Hình 2.11 Mô phỏng mạch 3D trên Altium
CHẾ TẠO BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM
Các bước chuẩn bị, thực hiện chung
Phầm mềm mô phỏng proteus
Máy hàn thiếc, thiếc hàn
Linh kiện điện tử cần thiết cho mạch nguyên lý bao gồm cục nguồn 9-12V, pin 9V, cầu chì, chip, tụ điện (tụ gốm và tụ hóa), điện trở, thạch anh, nút bấm, đèn LED, màn hình LCD, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, chân đế & IC555, Jum cắm, chân đế & chip 89S52, cùng một số linh kiện bổ sung cho khối mở rộng.
Phần mền nạp chíp Progisp
Làm mạch, hàn linh kiện, chạy thực tế
Mô phỏng thiết bị trên phần mềm
Để dễ dàng quan sát và thử nghiệm mã code, việc xây dựng mạch mô phỏng là rất cần thiết Mạch mô phỏng hoạt động giống như mạch thực tế, cho phép lập trình viên nạp chương trình vào trước để kiểm tra tính chính xác và sửa lỗi một cách thuận tiện Sau khi xác nhận mã code hoạt động đúng, người dùng mới nạp vào mạch bên ngoài, giúp tránh việc phải xóa và nạp liên tục trên chip khi chương trình chưa hoàn chỉnh.
Sử dụng phần mềm Proteus để để vẽ và chạy mạch mô phỏng dựa trên sơ đồ nguyên lý (hình 2.9)
Hình 3.1 Mạch mô phỏng đo nhiệt độ, độ ẩm
Chạy trên bo test
Khi mạch mô phỏng hoạt động đúng yêu cầu, chúng ta có thể tiến hành lắp ráp mạch, hàn linh kiện và vận hành thiết bị thực tế Tuy nhiên, để đảm bảo tính ổn định và tránh lỗi linh kiện điện tử, việc thử nghiệm trên bo test là cần thiết trước khi triển khai.
Cắm linh kiện trên bo test dựa theo sơ đồ nguyên lý (hình 2.9), sử dụng phần mềm nạp Progisp (hình 3.3) để nạp code đã lập trình cho chíp
Hình 3.2 Mạch nạp và Sơ đồ mắc mạch khối nạp SPI cho 8051
Sau khi nạp chương trình vào chip, nếu bo mạch test không hoạt động hoặc không đáp ứng yêu cầu, cần kiểm tra lại các chân cắm và linh kiện Khi bo mạch test hoạt động bình thường, chúng ta tiến hành bước tiếp theo là chế tạo bộ điều khiển và gán chương trình đã lập trình.
Chế tạo bộ điều khiển và gán chương trình đã lập trình
Từ thiết kế mạch in trên phần mềm Altium, chúng ta tiến hành sản xuất mạch in thực tế trên fip đồng bằng hai phương pháp: ủi mạch – ăn mòn hóa học và phương pháp film cảm quang.
Sau khi hoàn thiện mạch in, tiến hành hàn các linh kiện điện tử vào đúng vị trí theo thiết kế ban đầu bằng máy hàn thiếc Nên sử dụng những linh kiện đã thử nghiệm trên bo test trước đó để đảm bảo tính ổn định và tăng tỷ lệ thành công trong quá trình lắp đặt.
Chương trình đã lập trình sẽ tạo ra một file hex, được mã hóa để chip có thể đọc File hex này được nạp vào mạch mô phỏng trên bo test, và nếu sử dụng chip đã được nạp sẵn trên bo test, không cần phải nạp lại chương trình.
Hình 3.3 Giao diện phần mềm nạp chíp progisp
Kết quả
Kết quả ta thu được thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm thực tế
Hình 3.4.Thiết bị thực tế trước khi đóng hộp
Hình 3.5 Thiết bị chạy khi đã hoàn thành
