Cảm biến và thiết bị đo thông minh đo áp suất bằng áp kế điện trở

Cảm biến và thiết bị đo thông minh.

ĐO ÁP SUẤT BẰNG ÁP KẾ ĐIỆN TRỞ
I.

Lý thuyết
1. Áp suất
Khái niệm: khi một chất lỏng hay khí được chứa trong bình chứa, do chuyển
động nhiệt hỗn loạn, các phân tử vật chất sẽ tác dụng lên thành bình một lực. Nếu
ta xét lực này trên một đơn vị diện tích ta có khái niệm áp suất. Như vậy áp suất
được định nghĩa là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích và được xác
định theo công thức sau:
P=

F
S

Trong đó: F là lực tác dụng, có đơn vị là Newton (N);
S là diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị là m2
Trong hệ SI áp suất có đơn vị là N/m2
Đơn vị dẫn xuất của áp suất là pascal (Pa), 1pascal tương đương với áp suất
đồng dạng do lực 1 Newton tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng1 m 2
(1Pa=1N/1m2 ). Áp suất 1Pa tương đối nhỏ, trong công nghiệp người ta thường
dùng đơn vị áp suất là bar (1 bar = 105 Pa). Một đơn vị cũng hay được dùng nhất
là trong y tế đó là mmHg hay torr.
Để đo áp suất ta có thể sử dụng một trong các loại áp kế sau :
• Áp kế thủy tĩnh
• Áp kế cơ học.
• Áp kế pittong.
• Áp kế điện.
Trong phạm vi đề tài này nhóm sẽ đi sâu nghiên cứu về loại áp kế điện.

2. Áp kế điện trở lực căng
o Nguyên lý làm việc: hoạt động dựa trên hiệu ứng Tenzo (piezoresistive/
strain gauge)
o Hiệu ứng Tenzo là khi dây dẫn bị biến dạng cơ học thì điện trở của nó
cũng thay đổi
o Sự biến đổi theo hiệu ứng Tenzo còn được gọi là biến đổi điện trở lực
căng.

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 1


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.

Hình 1: Cảm biến biến dạng (strain gauge)
3. Cảm biến áp suất điện trở:
 Cấu tạo :
Cảm biến áp suất kiểu điện trở có cấu tạo gồm 1 strain gauge được dán cố định
trên màng mỏng (phân cách phần áp suất cao và phần áp suất thấp) biến dạng như
hình hình 2. Khi áp suất chất lưu tác động lên cảm biến ở phần áp suất cao, màng
phân cách bị biến dạng làm cho Strain gauge bị biến dạng theo. Khi strain gauge bị
biến dạng, điện trở của nó sẽ thay đổi. Strain gauge này kết hợp với 3 điện trở khác
để tạo thành cầu Wheatstone như hình 3, từ đó ta có được tín hiệu điện áp vi sai ở
ngõ ra tỷ lệ với áp suất.

Hình 2: Cấu tạo và một số dạng của cảm biến áp suất kiểu điện trở

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến.
 Phân loại:

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 2


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
- Cảm biến áp suất tuyệt đối (Absolute)
- Cảm biến áp suất tương đối
- Cảm biến vi sai

(a)
Hình4: (a)Cảm biến áp suất tuyệt đối
(c)Cảm biến áp suất vi sai

(b)

(c)
(b)Cảm biến áp suất tương đối

Nói chung, cả ba loại cảm biến này đều hoạt động theo nguyên lý so sánh áp
suất cần đo với một áp suất khác, thường đã biết trước, là áp suất chuẩn. Với cảm
biến áp suất tuyệt đối, áp suất cần đo được so sánh với áp suất của chân không,
còn cảm biến áp suất tương đối thì áp suất cần đo được so sánh với áp suất khí
quyển.
 Nguyên lý hoạt động :

Hình 5 : sơ đồ hoạt động của mạch cảm biến.
Khi không có áp suất đặt lên màng, cầu điện trở ở trạng thái cân bằng, điện thế
lối ra lúc này là bằng 0. Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biến dạng, áp lực
Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 3


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
phân bố trên màng sẽ bị thay đổi. Do hiệu ứng áp điện trở, các giá trị của các điện
trở trong mạch cầu bị thay đổi, cụ thể nếu các điện trở song song với cạnh màng có
giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màng sẽ tăng giá trị và ngược
lại. Kết quả là cầu sẽ bị mất cân bằng và điện áp lối ra là khác 0. Sự thay đổi giá trị
điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên độ
lớn của tín hiệu lối ra cũng phụ thuộc vào áp suất. Bằng cách đo điện thế lối ra ta
có thể đo được độ lớn tương ứng của áp suất tác dụng lên màng.
Ưu điểm lớn nhất của cảm biến áp suất vi cơ điện tử là độ nhạy. Cụ thể đối với
dải điện áp thấp, độ nhạy của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến
3mV/mbar phụ thuộc dạng hình học của màng và cường độ dòng điện, trong dải áp
suất từ khoảng vài trăm mbar đến hàng trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0,2 đến
12,5mV/bar. Một ưu điểm nữa đó là kích thước của các cảm biến này do chế tạo
theo công nghệ MEMS nên kích thước rất nhỏ, thuận tiện sử dụng trong mọi thiết
bị.
Cảm biến áp suất áp trở hoạt động dựa trên sự thay đổi của giá trị áp trở gắn
trên màng cảm biến khi có áp suất tác động. Từ sự thay đổi giá trị của của áp trở
thì ta nhận được sự thay đổi của điện áp ngõ ra. Để đưa vào ADC để đọc giá trị áp
suất thì ta cần khuếch đại tín hiệu đó sang tín hiệu điện áp bằng bộ khuếch đại.
 Ứng dụng của cảm biến áp suất:
Cảm biến áp suất là một trong những loại cảm biến thường dùng nhất trong
công nghiệp. Trong y tế thì cảm biến áp suất thường được sử dụng để đo áp suất
máu trong động mạch và trong tĩnh mạch.
Vi cảm biến áp suất được dùng để đo áp suất chất lưu như: đo áp suất chất lỏng
trong đường ống, đo áp suất khí trong các đường ống dẫn khí, đo áp suất hơi trong
nồi hơi… Ngoài ra nó còn có thể được dùng để đo cao trình cột chất lỏng thông

qua áp suất thuỷ tĩnh.

II.
Thiết kế mạch :
1. Sơ đồ khối :

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 4


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
Một mạch cảm biến hoàn chỉnh phục vụ trong công nghiệp có sơ đồ khối như
sau:
Áp Suất

Cảm biến áp suất

Khuếch đại

ADC

Hiển thị tại chỗ

Module truyền thông

2. Giới thiệu cảm biến áp suất MP3H6115A:
MP3H6115A là một cảm biến được tích hợp trong một con chip. Bên trong vi
cảm biến này có một mạch khuyếch đại lưỡng cực và một mạng màng điện trở
mỏng. Mạch khuyếch đại lưỡng cực này nhằm mục đích cho tín hiệu đầu ra ở mức

cao để phù hợp cho việc điều khiển và kết nối với các thiết bị. Màng điện trở mỏng
đó nhằm mục đích bù nhiệt. Nó cung cấp một lượng điện áp rất chính xác và tuyến
tính tỷ lệ với áp lực tác dụng. Vi cảm biến này lại loại vi cảm biến kiểu áp trở nên
có cấu tạo giống như trình bày ở phần trên. Hình 6 là sơ đồ cắt ngang của vi cảm
biến MP3H6115A.

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 5


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.

Hình 6: Vi cảm biến áp suất MP3H6115A

Hình 7: Sơ đồ cắt ngang của MP3H6115A
 Phân bố chân của vi cảm biến :

Các chân 1,5,6,7 và 8 là các chân kết nối bên trong của thiết bị không kết nối
ra ngoài hay các thiết bị xung quanh. Vi cảm biến này có 1 chân nguồn ra V OUT,
một chân nối đất và một chân nguồn nuôi VS có giá trị là 3V.
 Đặc tuyến của MP3H6115A
Với điện áp nguồn cung cấp 3 VDC và nhiệt độ của môi trường khoảng 25ºC
thì vi cảm biến áp suất này có một số đặc tính như sau

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 6

Cảm biến và thiết bị đo thông minh.

 Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và áp suất của MP3H6115A
Với điện áp nguồn cung cấp cho vi cảm biến là 3V DC và nhiệt độ môi trường
trong khoảng từ 0-85ºC thì điện áp đầu ra của vi cảm biến là từ 0-2.75V DC giá trị
điện áp đầu ra không những phụ thuộc vào điện áp đầu vào mà nó còn phụ thuộc
vào nhiệt độ của môi trường và ảnh hưởng của nhiễu.

Hình 8 – Mối quan hệ giữa điện áp và áp suất của MP3H6115A

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 7


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
3. Mạch khuếch đại tín hiệu:
Do vi cảm biến này chỉ có một đầu ra nên ta sử dụng mạch khuếch đại không
đảo như sau.

Hình 7 : Mạch khuếch đại.
 Tính chọn linh kiện cho khối khuếch đại :
Điện áp đầu ra của vi cảm biến có giá trị từ 0 – 2.82 V DC nên để đưa vào ADC
của bộ vi điều khiển PIC ta cần khuyếch đại 5/2.82 = 1.773 lần.
Ta có hệ số khuyếch đại của mạch trên là:

Do giá trị điện áp đầu ra mong muốn là từ 0 – 5 V DC nên ta chọn R1 là một điện
trở còn R2 là một biến trở với các giá trị như sau.
R1 = 4.7 kΩ
R2 là biến trở 5 kΩ

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 8


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
Chọn khuếch đại thuật toán là loại LM 358, có sơ đồ chân như sau:

LM358 là khuyếch đại thuật toán có đặc tính khuếch đại tốt, có hệ số khuyếch
đại cao khoảng 100dB, có khả năng hoạt động với một nguồn nuôi hoạc là hai
nuôi có dãi điện áp rộng. Với nguồn đơn thì dải điện áp khoảng từ 3 – 32V còn
với nguồn đôi thì khoảng ± 1.5 - ± 16 V
4. Module ADC, hiển thị tại chỗ và truyền thông:
Chúng tôi gộp chung 3 module này lại làm một vì cả 3 module đều được thực
hiện trên vi điều khiển PIC. Để thực hiên 3 module này nhóm đã chọn VĐK Pic
VC C

16F877A làm vi điều khiển chính.
D 25
4148

R 32
10k
SW 5

PVN _1
R
R
R

R
R
R

A
A
A
A
A
A

0
1
2
3
4
5

2
3
4
5
6
7

R C 0
R C 1
R C 2

C 14

1
1
1
1
2
2
2
2

TX
R X

33p

5
6
7
8
3
4
5
6

13

G N D

Y 2
C 15

M C L R * /V P P
R
R
R
R
R
R

A
A
A
A
A
A

0
1
2
3
4
5

/A N 0
/A N 1
/A N 2 /V R E F -/C V R E F
/A N 3 /V R E F +
/T 0 C K I/C 1 O U T
/A N 4 /S S * /C 2 O U T

R
R
R
R
R
R
R
R

C
C
C
C
C
C
C
C

0
1
2
3
4
5
6
7

/T 1 O S O /T 1 C K I
/T 1 O S I/C C P 2
/C C P 1

/S C K /S C L
/S D I/S D A
/S D O
/T X /C K
/R X /D T

12
31
G N D

33p

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

R
R
R
R
R
R
R
R

D
D
D
D
D
D
D

D

0
1
2
3
4
5
6
7

/P
/P
/P
/P
/P
/P
/P
/P

S
S
S
S
S
S
S
S

P

P
P
P
P
P
P
P

0
1
2
3
4
5
6
7

O S C 1 /C L K IN
R E 0 /R D * /A N 5
R E 1 /W R */A N 6
R E 2 /C S * /A N 7

20M
14

R B 0 /IN T
R B1
R B2
R B 3 /P G M
R B4

R B5
R B 6 /P G C
R B 7 /P G D

3
3
3
3
3
3
3
4

3
4
5
6
7
8
9
0

R
R
R
R
R
R
R
R

B
B
B
B
B
B
B
B

0
1
2
3
4
5
6
7

1
2
2
2
2
2
2
3

9
0

1
2
7
8
9
0

R
R
R
R
R
R
R
R

D
D
D
D
D
D
D
D

0
1
2
3
4

5
6
7

R E0
R E1
R E2

8
9
10

O S C 2 /C L K O U T
VSS
VSS

VD D
VD D
P IC 1 6 F 8 7 7 A

11
32
VC C

G N D

1

V D K P I C 1 6 f8 7 7 A

Trang : 9


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
 ADC : để biến đổi tín hiệu từ tương tự sang số ta dùng bộ ADC có trong
vi điều khiển PIC. Đầu vào của ADC nằm ở các chân A0, A1, A2, A3, A5, E0,
E1, E2 của Pic 16F877A, ta có thể chọn bất kỳ 1 trong các chân trên để nối với
đầu ra của khâu khuếch đại.
 Khâu hiển thị : nhóm sử dụng 4 LED 7 đoạn để hiển thị các kết quả đo
được. Các tín hiệu đầu vào được lấy từ port D và các chân C0, C1, C2, C3 của
port C của pic 16F87A
VC C

VC C

V C C

VC C

D
D
D
D
D
D
D
D

0
1

2
3
4
5
6
7

S W D IP -8

S W 48

R
R
R
R
R
R
R
R

8
8
9
9
9
9
9
9

Q 622

VC C

U 610
VC C

R 83
A 1015
R

1

1
3

3

Q 621
2

R

H
G
F
E
D
C
B
A

H
G
F
E
D
C
B
A

V C C

U 611
VC C

R 84
A1015

U 609
VC C

U 608
VC C
V C C

Q 623

H
G
F

E
D
C
B
A

3

2

R

1

R 86
A 1015

VC C

Q 624

H
G
F
E
D
C
B
A

R

S W D IP -4 /S M

3
2

R 87
A1015

2

0
1
2
3

1

SW 49
C
C
C
C

8
9
0
1
2

3
4
5

Các điện trở sử dụng trong mạch này là các điện trở hạn chế dòng qua led
nên ta chọn giá trị của chúng bằng 330 Ω.
 Khâu truyền thông : Kết quả của phép đo sẽ được truyền lên các cấp cao

hơn nhằm để thu thập dữ liệu và thực hiện các phép điều khiển trong công
nghiệp. Để thực hiện điều này thì nhóm sử dụng module truyền thông có sẵn
trong PIC theo chuẩn RS232.
 Hiển thị lên máy tính: Lập trình giao diện trên Visual Basic. Sử dụng
cổng COM để giao tiếp giữa bo mạch với máy tính. Trên giao diện Visual
Basic, ta vẽ được đồ thị của áp suất. Hiển thị được số liệu lên máy tính từ đó

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 10


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
chúng ta có thể thu thập số liệu lưu trữ nhằm mục đích sử dụng về sau này.
Đồng thời chúng ta cũng có thể gửi các lệnh điều khiển xuống vi điêu khiển.
VC C

C 14

P1

1 0 u /5 0 V

C 17

C 1 8 1 0 u /5 0 V
VC C

6
2
7
9
10
8

16
VC C

T1O U T
R 1 IN

4 7 u /5 0 V
C 2C 2+

V-

C 1-

V+

C 1+

5
C 15
1 0 u /5 0 V

4
3
1

C 16
1 0 u /5 0 V

T2O U T
R 2O U T
T 2 IN
R 2 IN

MAX232

T 1 IN
R 1O U T

G N D

C O N N E C TO R D B9

14
13

U3

11
12

TXD
R XD

C 6
C 7

15

1
6
2
7
3
8
4
9
5

Các giá trị của các linh kiện trong mạch giao tiếp được chọn theo datasheet của
IC MAX232 và có giá trị như trên hình.
Chương trình nạp vào Pic 16F877A
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// CHUONG TRINH DOC CAM BIEM AP SUAT
//
//
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include <16F877A.h>
#DEVICE ADC=10
#include <math.h>
#fuses HS,NOLVP,NOWDT,NOPROTECT
#use delay(clock=20000000)
#use delay(clock=20000000)
#use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8)
#define LED0 PIN_B0
#define LED1 PIN_B1
#define LED2 PIN_B2

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 11


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
#define LED3 PIN_B3
byte const MALED[10] = {0xC0,0xCF,0x64,0x46,0x4B,0x52,0x50,0xC7,0x40,0x42};
//MA LED
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

int8 time=0;
float apsuat;
int1 TFlag=1;
long adc;

#int_TIMER1
void TIMER1_isr(void)
{
disable_interrupts(global);
time++;
if(time==5)
{
time=0;
set_timer1(3035);
delay_ms(1);
TFlag=1;
}
else
set_timer1(3035);
enable_interrupts(GLOBAL);
}

void hienthi(float32 so)
{
float32 tam;
int nghin,tram,chuc,donvi,point;
int16 tem;
point=0;
if (so>=100)
{

tam=ceil(so*10);

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 12


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
point=1;
}
else
if(so>10)
{
tam=ceil(so*100);
point=2;
}
else
{
tam=ceil(so*1000);
point=3;
}
tem=(int16)tam;
nghin=tem/1000;
tem=tem%1000;
tram=tem/100;
tem=tem%100;
chuc=tem/10;
donvi=tem%10;

output_low(LED0);

output_D(MALED[donvi]);
delay_ms(5);
output_high(LED0);
output_low(LED1);
output_D(MALED[chuc]);
if(point==1)
output_low(PIN_D6);
delay_ms(5);
output_high(LED1);
output_low(LED2);
output_D(MALED[tram]);
if(point==2)

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 13


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
output_low(PIN_D6);
delay_ms(5);
output_high(LED2);
output_low(LED3);
output_D(MALED[nghin]);
if(point==3)
output_low(PIN_D6);
delay_ms(5);
output_high(LED3);
}

void main()
{
setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
setup_adc_ports(ALL_ANALOG);
setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_1);
setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8);
setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1);
enable_interrupts(INT_TIMER1);
enable_interrupts(GLOBAL);

set_tris_D(0x00);
set_tris_B(0x00);
output_D(0xFF);
output_B(0xFF);
set_timer1(3035);
int i;
long value=0;
while(1)
{
//SU DUNG TIME DE DOC ADC SAU MOI 1/2S
if (TFlag==1)

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 14


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.
{
apsuat=0;

value=0;
delay_ms(1);
//DOC ADC KET HOP VOI LOC NHIEU TAN SO CAO
set_adc_channel(0);
for(i=0;i<15;i++)
{
value=value+read_adc();
}
adc=value/15;
apsuat=(float)(value/15);
apsuat=apsuat*115/1023;
//GOI DU LIEU LEN MAY TINH BANG CHUAN RS232
delay_ms(1);
disable_interrupts(global);
putc(adc>>8);
putc(adc);
enable_interrupts(global);

TFlag=0;
}
else
hienthi(apsuat);
}
}

III. Kết quả và đánh giá
1. Kết quả:
Việc thực hiện đề tài đã thu được kết quả tốt, chúng tôi đã thiết kế được bo
mạch. Thực hiện đo thử nghiệm cho kết quả chính xác có thể kết nối với máy tính
thực hiện truyền và nhận dữ liệu.

• Giao diện giao tiếp với máy tính:
Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 15


Cảm biến và thiết bị đo thông minh.

2. Đánh giá:
Việc thực hiện đề tài đã cho kết quả tốt, giao diện dễ sử dụng và chương trình
dễ hiểu. Tuy nhiên do phạm vi thực hiện đề tài chỉ cho phép trong một môn học
và một số điều kiện thực tế không cho phép chúng tôi tiếp tục thực hiện đề tài với
mục đích lớn hơn nên bo mạch của chúng tôi chỉ cho phép làm việc với môi
trường có áp suất từ 15 – 115 kPa tương đương với áp suất không khí (gần 100
kPa).

Đo áp suất bằng áp kế điện trở

Trang : 16