Ghép nối đầu đo áp suất cho nút mạng cảm nhận không dây với phần mềm nhúng

1
TÓM TẮT NỘI DUNG CỦA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

Trong khoá luận này tôi đã nghiên cứu vể một loại đầu đo ứng dụng công nghệ vi
cảm biến tương tự, đó là dùng đầu đo áp suất để đo độ sâu của nước. Từ các đặc trưng
cơ bản của các bộ cảm biến nói chung cũng như của cảm biến áp suất nói riêng, bản
luận văn này đã đưa ra cấu trúc cùng nguyên lý hoạt động của đầu đo áp suất - mức
nước. Đó là một loại đầu đo thuộc loại cảm biến tương tự được chế tạo theo công nghệ
vi cảm biến áp suất kiểu áp điện trở có độ nhạy và độ ổn định cao.
Qua việc thực nghiệm đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng hoặc giảm độ sâu
của nước tôi đã rút ra được một số đặc trưng cơ bản của đầu đo là độ nhạy và độ tuyến
tính. Đầu đo này sử dụng module XFPM-200KPG của hãng Fujiura - Nhật, có độ phân
giải 1cm, độ nhạy của đầu đo cỡ 2mV/cm, đầu đo có thể đo được độ sâu của nước
khoảng 600cm.
Trong khoá luận này tôi cũng xin giới thiệu về một mạng cảm nhận không dây có
các nút mạng sử dụng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon – Nauy. Từ việc
nghiên cứu các đặc tính của mạng, của nút mạng cảm nhận, chúng tôi đã xây dựng các
bước để ghép nối đầu đo áp suất với nút mạng đồng thời xây dựng một chương trình
nhúng truyền nhận không dây qua nút mạng cơ sở và tiến hành thực nghiệm việc
truyền nhận này qua một số nút mạng.

2
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 4

CHƢƠNG 1: ĐẦU ĐO ÁP SUẤT - MỨC NƢỚC ................................................... 6
1.1. Giới thiệu về cảm biến. ....................................................................................... 7
1.1.1. Khái niệm. ...................................................................................................... 7
1.1.2. Đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến. ................................................................. 8
1.1.2.1. Hàm truyền. ............................................................................................. 8
1.1.2.2. Độ lớn của tín hiệu vào. ........................................................................... 9
1.1.2.3. Sai số và độ chính xác. ............................................................................. 9
1.1.3. Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối. ...................................... 10
1.2. Các phƣơng pháp đo áp suất. ........................................................................... 11
1.2.1. Tồng quan về áp suất. ................................................................................... 12
1.2.2. Nguyên tắc và các phương pháp đo áp suất. .................................................. 13
1.2.3. Đầu đo áp suất - mức nước. .......................................................................... 16
1.3. Khảo sát một số đặc trƣng của đầu đo: độ nhạy, độ tuyến tính. .................... 21
1.3.1. Dụng cụ thí nghiệm ...................................................................................... 21
1.3.2. Mục đích thí nghiệm. .................................................................................... 22
1.3.3. Đo điện thế lối ra của đầu đo khi giảm độ cao của cột nước. ......................... 22
1.3.4. Đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng độ cao của cột nước. .......................... 27
1.3.5. Kết luận. ....................................................................................................... 28

CHƢƠNG 2: GHÉP NỐI ĐẦU ĐO VỚI NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG

DÂY .......................................................................................................................... 30
2.1. Giới thiệu mạng cảm nhận không dây. ............................................................ 30
2.1.1. Các ứng dụng của mạng cảm nhận. ............................................................... 30
2.1.2. Các chỉ tiêu hệ thống. ................................................................................... 32
2.1.3. Các chỉ tiêu nút mạng. .................................................................................. 33
2.2. Giới thiệu về nút mạng. .................................................................................... 35
2.2.1. Một số vi điều khiển có thể làm nút mạng cảm nhận. .................................... 35
2.2.2. Giới thiệu về vi điều khiển CC1010. ............................................................. 36
2.2.2.1. Các đặc điểm chính. ............................................................................... 36
2.2.2.2. Cổng. ..................................................................................................... 36
2.2.2.3. Ngắt. ...................................................................................................... 37
3
2.2.2.4. Biến đổi ADC. ....................................................................................... 39
2.2.2.5. Bộ định thời. .......................................................................................... 39
2.2.2.6. Bộ thu phát không dây RF (RF transceiver). .......................................... 40
2.2.2.6.1. Miêu tả chung. ................................................................................. 40
2.2.2.6.2. Mạch ứng dụng RF. ......................................................................... 42
2.2.2.6.3. Điều khiển bộ thu phát RF và quản lý năng lượng. .......................... 43
2.2.2.6.4. Điều chế dữ liệu và các chế độ dữ liệu. ............................................ 44
2.2.2.6.5. Tốc độ Baud. ................................................................................... 44
2.2.2.6.6. Truyền và nhận dữ liệu. ................................................................... 45
2.2.2.7. Module CC1010EM. .............................................................................. 47
2.3. Ghép nối nút mạng CC1010 với đầu đo áp suất - mức nƣớc. ......................... 48
2.4. Kết luận. ............................................................................................................ 49

CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH NHÚNG TRUYỀN/NHẬN THÔNG QUA NÚT
MẠNG CƠ SỞ ......................................................................................................... 51
3.1. Giới thiệu về chƣơng trình nhúng. ................................................................... 51
3.1.1. Tổng quan về phần mềm nhúng. ................................................................... 51
3.1.2. Các bước xây dựng một phần mềm nhúng. ................................................... 52

3.2. Phần mềm nhúng viết cho CC1010. ................................................................. 52
3.3. Chƣơng trình khảo sát quan hệ áp suất - độ cao cột nƣớc. ............................. 57
3.4. Kết luận. ............................................................................................................ 77

PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................. 78
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 83









4
MỞ ĐẦU

Trong số các ngành công nghiệp khác nhau các cảm biến áp suất được ứng
dụng nhiều nhất trong nhiều lĩnh vực. Đó là vì trong các thiết bị cung cấp năng lượng
thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân … cần phải đo và theo dõi áp suất một cách liên tục. Nếu áp
suất vượt ngưỡng cho phép sẽ gây nhiều hậu quả nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và
tính mạng con người. Chính vì vậy, cảm biến áp suất là rất quan trọng trong đời sống.
Trong y tế cũng có rất nhiều ứng dụng của cảm biến áp suất như dùng để đo
huyết áp, nhịp tim và đo nồng độ máu từ xa.
Trong khoá luận này chúng ta sẽ khảo sát một số đặc tính của một cảm biến áp
suất dùng để đo độ sâu của nước. Đây là loại cảm biến có rất nhiều ứng dụng và ý
nghĩa trong khoa học cũng như trong thực tế, chúng có thể dùng để đo liên tục suốt
ngày đêm và trong tự động hoá thì ngày càng có lợi. Đặc biệt ứng dụng trong theo dõi

diễn biến môi trường, thời tiết, ứng dụng trong thu thập thông tin và cảnh báo,… thì
việc theo dõi được một cách liên tục sẽ rất có lợi, phục vụ đắc lực cho con người.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay có rất nhiều loại đầu
đo áp suất ra đời với những ưu thế vượt trội, ngày càng đáp ứng nhu cầu sử dụng của
đời sống. Các loại đầu đo này đạt được độ chính xác càng cao càng tốt, cỡ centimet
(cm), decimet (dm), thậm chí lên đến hang chục centimet, và chúng có độ tuyến tính
trên một dải rộng.
Để thu thập và xử lý các thông tin từ đầu đo áp suất thì cần phải kết nối đầu đo
với một số thiết bị khác có thể truyền/nhận, xử lý, tính toán các dữ liệu thông tin đó để
phục vụ cho những mục đích khác nhau của con người. Một trong các thiết bị đó là
mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN).
Một đặc điểm nổi bật của mạng cảm nhận không dây là sự kết hợp việc cảm
nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ. Thông qua mạng hình lưới,
những thiết bị này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Trong khi khả
năng của từng thiết bị là rất nhỏ, sự kết hợp hang trăm thiết bị như vậy yêu cầu phải có
công nghệ mới.
Thế mạnh của WSN là khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có
thể tự thiết lập cấu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời
gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc hình dạng thiết
bị.
5
Hầu hết những ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa với tần số lấy
dữ liệu thấp.Chẳng hạn, có thể dễ dàng giám sát sự rò rỉ của một nhà máy hóa chất bời
hang trăm cảm biến tự động kết nối thành hệ thống mạng không dây để ngay lập tức
phát hiện và thông báo có sự rò rỉ. Không giống những hệ thống có dây truyền thống,
chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu. Thay vì hang ngàn mét dây dẫn thông
qua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ việc đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi
cần thiết. Mạng có thể được mở rộng chỉ bằng cách đơn giản là thêm các thiết bị,
không cần các thao tác phức tạp như trong hệ thống mạng có dây. Hệ thống cũng có
khả năng hoạt động trong vài năm chỉ với một nguồn pin duy nhất.

Nhìn chung, khi nói đến mạng không dây thì người ta thương sẽ nghĩ đến các
thiết bị di động, PDA hay laptop. Đó là những thiết bị có giá thành cao, được ứng dụng
theo một mục đích cho trước, và dựa trên cơ sở hạ tầng đã có sẵn. Ngược lại, mạng
cảm nhận không dây lại sử dụng các thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho các ứng
dụng đa dạng và không dựa trên bất kì cơ sở hạ tầng nào đã sẵn có từ trước. Không
giống các thiết bị không dây truyền thống, các nút mạng WSN không cần truyền trực
tiếp tới trạm gốc, mà chỉ cần truyền tới mạng gần nó, rồi lần lượt truyền vể trạm gốc
theo dạng truyền thông multihop.
Một thách thức cơ bản của WSN là đưa các ràng buộc khắt khe vào chỉ trong
một thiết bị đơn lẻ. Rất nhiều ràng buộc đối với các thiết bị được triển khai với số
lượng lớn cần có kích thước nhỏ và giá thành thấp. Kích thước giảm là điều chủ yếu
dẫn đến giá thành giảm cũng như khả năng cho phép được sử dụng trong một dải rộng
các ứng dụng.
Một khó khăn lớn của WSN là năng lượng tiêu thụ. Kích thước vật lý giảm thì
cũng làm giảm năng lượng tiêu thụ, các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên những
giới hạn tính toán.
Bản luận văn “Ghép nối đầu đo áp suất cho nút mạng cảm nhận không dây
với phần mềm nhúng” sẽ giới thiệu về một loại vi cảm biến thuộc công nghệ MEMS
là đầu đo áp suất - mức nước, khảo sát một số đặc trưng của đầu đo như độ nhạy, độ
tuyến tính, khả năng làm việc… Đồng thời bản luận văn này cũng khái quát hoá về
mạng cảm nhận không dây WSN và xây dựng một thử nghiệm mạng cảm nhận không
dây dùng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon – Nauy.
Bản luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ
lục và tài liệu tham khảo.
6
Chương 1: Đầu đo áp suất - mức nước sẽ tổng quát về đầu đo, các đặc trưng cơ
bản của cảm biến, đưa ra các phương pháp đo áp suất cùng các đặc trưng chính của
đầu đo.
Chương 2: Ghép nối đầu đo với nút mạng cảm nhận không dây. Chương này sẽ
giới thiệu qua về mạng cảm nhận không dây và nút mạng cơ sở dùng vi điều khiển

CC1010, đồng thời chỉ ra phương thức kết nối giữa đầu đo và nút mạng.
Chương 3: Chương trình nhúng truyền/ nhận thông qua nút mạng cơ sở.
Chương này giới thiệu về phần mềm nhúng, các bước xây dựng một phần mềm nhúng
và chương trình nhúng cụ thể dùng để ghép nối đầu đo cảm biến cho nút mạng không
dây cơ sở.
Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt
được, đồng thời đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.
Để hoàn thành được khoá luận này là nhờ sự hướng dẫn tận tình của PGS
TS.Vương Đạo Vy, thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại
học Quốc gia Hà Nội, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện
khoá luận. Tôi xin chân thành gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc nhất.
















7
CHƢƠNG 1
ĐẦU ĐO ÁP SUẤT - MỨC NƢỚC

1.1. Giới thiệu về cảm biến.
Đầu đo áp suất - mức nước là một loại vi cảm biến MEMS. Trước khi đi vào
khảo sát các đặc tính của đầu đo này, tôi xin đưa ra một số đặc tính cơ bản của bộ cảm
biến, từ đó sẽ hiểu được các đặc tính của đầu đo.

1.1.1. Khái niệm.
Trong các hệ thống đo lường điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi
các trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… Các cảm biến trạng thái này
thường là các đại lượng không điện. Để điều khiển các quá trình thì ta cần thu thập
thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các cảm
biến thực hiện chức năng này chúng thu nhận, đáp ứng và kích thích, là “tai mắt” của
các hợat động khoa học và công nghệ của con người.
Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và
đáp ứng với các tín hiệu và kích thích.
Hay như trong từ điển bách khoa toàn thư Việt Nam thì: cảm biến là dụng cụ có
thể cảm nhận trị số tuyệt đối hoặc độ biến thiên của một đại lượng vật lý (ví dụ: nhiệt
độ, áp suất tốc độ dòng chảy, độ pH, cường độ ánh sang, âm thanh hoặc sóng vô tuyến,
vv…) và biến đổi thành một tín hiệu đầu vào hữu hiệu cho một hệ thống thu thầp và
xử lý thông tin.
Trong mô tả mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa, trong đó đầu
vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích
đầu vào x:
x y
kích thích đáp ứng
Phương trình mô tả giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng:
y = f(x)
Bộ cảm biến
8
Trong các hệ thống đo lường - điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý

dữ liệu thường do máy tính đảm nhiệm.









Trong sơ đồ hình 1.1, quá trình (đối tượng) được đặc trưng bởi các biến trạng
thái và được các bộ cảm biến thu nhận rồi đưa đến bộ xử lý. Đầu ra của bộ vi xử lý
được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình. Đây là sơ đồ điều
khiển tự động, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các
thông số của hệ thống, bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều
khiển quá trình.

1.1.2. Đặc trƣng cơ bản của bộ cảm biến.
1.1.2.1. Hàm truyền.
Gọi x là tín hiệu kích thích, y là đáp ứng của bộ cảm biến. Hàm truyền cho ta
quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng
tuyến tính, phi tuyến, logarit, hàm luỹ thừa hay hàm mũ.
Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng:
y = ax + b
trong đó: a là hằng số, a bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không.
b là độ nhạy.
y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra, y có thể là biên độ
hoặc pha tuỳ theo tính chất của bộ cảm biến.
Quá trình
(Các biến trạng thái)

Cơ cấu
chấp hành
Bộ cảm
biến
Chương trình
Bộ vi xử lý
Hình 1.1 Hệ thống tự động điều khiển qúa trình
9
Hàm truyền dạng logarit:
y = 1 + blnx
Dạng mũ:
y = ae
kx

Dạng luỹ thừa:
y = a
0
+ a
1
x
k
với k là hằng số.

Các bộ cảm biến phi tuyến không được đặc trưng bởi các ham truyền kể trên
đây mà ta phải dùng đến các hàm gần đúng bậc cao. Đối với hàm truyền phi tuyến thì
độ nhạy b được định nghĩa theo biểu thức:

dx
xody
b

)(


Trong một số trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng
phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn.

1.1.2.2. Độ lớn của tín hiệu vào.
Là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá
ngưỡng cho phép.

1.1.2.3. Sai số và độ chính xác.
Cũng như các ứng dụng đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) bộ
cảm biến còn chịu nhiều tác động của bộ cảm biến gây nên sai số giữa giá trị đo được
và giá trị của đại lượng cần đo.
Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo được và giá trị thực x, sai số tương
đối của bộ cảm biến được tính theo công thức:
Δ% =
100.
x
x

Có hai loại sai số thường dùng là: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên:
10
Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi
hoặc thay đổi rất chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá
trị thực và giá trị đo được. Sai số này thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo hoặc do
điều kiện sử dụng không tốt.
Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện thay đổi theo số lần đo, có độ lớn và chiều
không xác định.

1.1.3. Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối.
Nhìn chung, cảm biến là một thiết bị được thiết kế thu thập thông tin về một đối
tượng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Một cảm biến cổ điển có thể bao gồm 4 khối
như hình 1.2:




Khối đầu tiên là khối cảm nhận (ví dụ: điện trở, điện dung, bán dẫn, vật liệu áp
điện, photodiot, cầu điện trở, …). Tín hiệu từ khối này thường bị nhiễu, do có cần có
các kĩ thuật xử lý tín hiệu như khuếch đại, tuyến tính hoá, bù và lọc để giảm thiểu
những tác động của nhiễu.
Trong trường hợp thu thập dữ liệu, tín hiệu từ cảm biến có dạng nối tiếp hay
song song. Chức năng này có thể nhận ra bởi bộ biến đổi tương tự - số hoặc tần số - số.
Khối bus giao tiếp nối tất cả các dữ liệu nguồn với các nơi nhận, hệ thống bus
điều khiển tất cả các dữ liệu truyền và được nối với một giao tiếp phù hợp mà cảm
biến có thể gửi dữ liệu tới máy tính.
Sơ đồ giao tiếp giữa cảm biến với vi điều khiển được thể hiện ở hình 1.3:




Thành phần
cảm nhận
Xử lý tín hiệu
Chuyển đổi
A/D
Bus giao tiếp Máy tính
Hình 1.2. Cảm biến tích hợp

11








Có hai loại cảm biến cơ bản là cảm biến tương tự và cảm biến số.
Cảm biến tương tự thường đưa tín hiệu tương tự dạng dòng điện hay điện áp về
vi điều khiển, sau đó vi điều khiển phải thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi mới
đọc dữ liệu. Tín hiệu từ cảm biến truyền đi là tín hiệu tương tự rất dễ bị ảnh hưởng bởi
nhiễu.
Cảm biến số ngay bản thân nó đã thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi đưa
giá trị đã chuyển đổi về vi điều khiển dưới dạng các xung thể hiện giá trị của cảm biến,
Như vậy cảm biến số có ưu thế hơn cảm biến tương tự ở chỗ cảm biến số có khả
năng chống nhiễu tốt hơn do nó sử dụng đường truyền số nên rất khó bị ảnh hưởng bởi
nhiễu lúc truyền dữ liệu.
Tuy nhiên trong khoá luận này chúng tôi lại chọn thử nghiệm với một loại đầu đo
là cảm biến tương tự để thấy được những đặc tính của đầu đo cũng như của cảm biến
tương tự ngày nay vẫn được sử dụng và phục vụ rất hữu ích cho đời sống con người.

1.2. Các phƣơng pháp đo áp suất.
1.2.1. Tồng quan về áp suất.
Áp suất là đại lượng đặc trưng cho cường độ lực nén trung bình tác động theo
phương vuông góc trên bề mặt vật thể, được xác định bằng tỉ số giữa lực phân bố đều
và diện tích bề mặt bị tác động:
P =
S

F

Vi điều khiển Cảm biến
GND
Vcc
DATA
SCK
Hình 1.3. Sơ đồ giao tiếp điển hình giữa vi điều khiển và cảm biến nối tiếp
12
Trong đó: P là áp suất.
F là lực phân bố đều trên bề mặt diện tích S
Đơn vị của l ực F là Newton (N), đơn vị của diện tích S là m
2
, trong hệ SI áp
suất có đơn vị là N/m
2
.
Đơn vị dẫn suất của áp suất là Pascal (Pa). 1Pa tương ứng với áp suất đồng
dạng do lực 1N tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng 1m
2

1Pa = 1N/m
2

Áp suất 1Pa tương đối nhỏ, trong công nghiệp người ta thường dùng đơn vị áp
suất là bar (1bar = 10
5
Pa).
Một đơn vị cũng hay được dùng trong y tế là mmHg hay torr.
Mối quan hệ tương đối giữa các đơn vị đo áp suất hay được sử dụng cho trong

bảng 1.1.
Đơn vị đo
áp suất
Pasca
l (Pa)
bar(b) g/cm
2
Atmosphe mmHg mbar
1 pascal
1 10
-5
1,02.10
-5
0,9869.10
-5

0,75.
10
-2

10
-2
1 bar
10
5
1 1,02 0,9869 750 1000
1kg/cm
2
98.10
3

0,980 1 0,986 735 980
1 atmosphe
10132
5
1,013 1,033 1 760 1013
1g/cm
2
98 98.10
-5
1.10
-3
0,968.10
-3
0,735 0,98
1mmHg
133,3 13,33.10
-4
1,36.10
-3
1,315.10
-3
1 1,333
1mbar
100 1.10
-3
1,02.10
-3
0,9869.10
-3
0,750 1

Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất.
13
1.2.2. Nguyên tắc và các phƣơng pháp đo áp suất.
Có rất nhiều phương pháp đo áp suất. Một phương pháp cổ điển là dùng áp suất
kế Torricielli (hình 1.4). Áp suất kế Torricielli là một ống thuỷ tinh bịt kín, đầu phía
trên được úp xuống một bể đựng thuỷ ngân (Hg). Khi đó, áp suất tác dụng lên bề mặt
thuỷ ngân trong bể bằng độ lớn cột thuỷ ngân trong ống. Đơn vị đo áp suất sử dụng áp
suất kế là mmHg.

















Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, rất nhiều loại cảm biến áp suất ra đời.
Để đo áp suất, người ta đo lực F tác dụng lên diện tích S của một thành bình phân chia
hai môi trường, trong đó một môi trường chứa chất lưu là đối tượng cần đo áp suất.
Cách đo này có thể chia làm ba trường hợp chính sau:
- Đo áp suất lấy qua một lỗ có diện tích hình tròn được khoan trên thành

bình.
- Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên.
- Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào là áp suất
thành tín hiệu đầu ra chứa thông tin liên quan đến giá trị của áp suất cần đo và
sự thay đổi của nó theo thời gian,
Hình 1.4: Áp suất kế torricelli
670mmHg
H
i
g
h
t
èng thuû
tinh
§Çu bÞt kÝn
1 atm
1 atm
§Çu hë
Thñy ng©n
14
Cách đo thứ nhất phải sử dụng một cảm biến đặt ngay gần sát thành bình, sai số
của phép đo sẽ nhỏ với điều kiện là thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến phải không
đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất.
Trường hợp thứ hai người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo
biến dạng của thành bình, biến dạng này là một hàm của áp suất.
Cách thứ ba đo bằng cảm biến áp suất với các vật trung gian thường là các phần
tử đo lực có một thông số. Thông số này có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F
= P.S, phổ biến nhất là sử dụng màng. Màng (diaphrahm) là một tấm mỏng, thường là
chất bán dẫn, có khả năng bị biến dạng khi có áp suất đặt lên. Khi áp suất bên ngoài
tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào sự chênh lệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn so

sánh mà màng bị biến dạng. Độ biến dạng của màng phụ thuộc vào độ lớn của áp suất
tác dụng vào.
Cảm biến áp suất kiểu màng có một số cấu trúc như sau:
Mµng
máng
Ch©n kh«ng Kh«ng khÝ
Px Px
P1
P2
Mµng
máng
Mµng
máng
(a)
(b) (c)


Hình 1.5: Các loại cảm biến áp suất kiểu màng.
a) Cảm biến áp suất tuyệt đối.
b) Cảm biến áp suất tương đối.
c) Cảm biến áp suất vi sai.
Người ta có thể biến đổi độ biến dạng của màng mỏng thành các tín hiệu điện
thông qua sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung sử dụng hiệu ứng áp điện, dao
động cơ điện, dùng phương pháp quang điện, phương pháp transistor áp điện …
Trong công nghệ MEMS có hai phương pháp được sử dụng rộng rãi là cảm biến
kiểu tụ điện và cảm biến kiểu áp trở. Trong khoá luận này chúng tôi sử dụng đầu đo áp
suất thuộc loại vi cảm biến kiểu áp trở. Để đi vào khảo sát các đặc tính của đầu đo này
15
chúng ta cùng tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng như phương pháp chế tạo vi cảm
biến áp suất kiểu màng hiệu ứng áp điện trở:

Nguyên lý làm việc chung của các vi cảm biến kiểu áp trở là dựa trên sự thay đổi
của cấu trúc màng hay cấu trúc dầm (gọi chung là các phần tử nhạy cơ) được chuyển
thành tín hiệu điện tương ứng nhờ các áp điện trở được cấy trên phần tử nhạy cơ. Khi
phần tử nhạy cơ bị uốn cong thì các áp điện trở cũng thay đổi giá trị. Độ nhạy cũng
như vùng làm việc tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào kích thước cấu
trúc cơ, dạng và kích thước các áp điện trở, vị trí của các áp điện trở trên phần tử nhạy
cơ.
Cấu trúc của cảm biến áp suất được chỉ ra trong hình 1.7. Cảm biến được chế tạo
trên một phiến (đế) Silic loại n có định hướng bề mặt là {100}, bằng phương pháp ăn
mòn điện hoá tạo ra một màng silicon với kích thước và bề dày thay đổi được, màng
này rất nhạy với các tín hiệu áp suất. Sau đó bốn điện trở được đặt lên màng silicon tại
trung điểm của các cạnh hình vuông bằng phương pháp khuếch tán Boron từ nguồn
nạp hoặc bằng phương pháp cấy ion tạo thành cầu Wheatstone. Các điện trở này được
đặt một cách chính xác, trong đó hai điện trở được đặt song song với cạnh màng, hai
điện trở còn lại được đặt vuông góc với cạnh màng, các cạnh màng có định hướng là
{110}.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến: khi không có áp suất đặt lên màng, cầu điện
trở ở trạng thái cân bằng, điện thế lối ra bằng không. Khi có áp suất đặt lên, màng

mỏng sẽ bị biến dạng, áp lực phân bố trên màng bị thay đổi dẫn tới các giá trị của các
điện trở trong mạch cầu bị thay đổi do hiệu ứng áp điện trở, cụ thể là nếu các điện trở
song song với cạnh màng có giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màng


Hình 1.7: Cấu trúc cảm biến
kiểu áp trở
16
sẽ tăng giá trị và ngược lại. Kết quả là cầu sẽ bị mất cân bằng và điện áp lối ra là khác
không. Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của màng, tức phụ
thuộc vào áp suất, do đó 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 đặt lên màng.
Sau đây chúng tôi xin giới thiêu một đầu đo áp suất sử dụng vi cảm biến kiểu áp
điện trở có nguyên lý hoạt động cũng như cấu trúc đã nêu ở trên. Sơ đồ đầu đo thường
có dạng như hình 1.8.


Hình 1.8: Sơ đồ đâu đo áp suất.

1.2.3. Đầu đo áp suất - mức nƣớc.
Để đo được độ sâu của nước có rất nhiều cách khác nhau. Trong khoá luận này
chúng tôi sử dụng đầu đo áp suất để đo, bởi cảm biến áp suất là một trong những loại
cảm biến thường dùng nhất trong công nghiệp. 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 áp suất
thay đổi trong khoảng từ 0.1 đến 3mV/mbar (hay 10 đến 300 mV/Pa) phụ thuộc hình
dạng của màng và cường độ dòng điện; trong dải áp suất từ vài trăm mbar đến hang
trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0.3 đến 12.5mV/bar. Một ưu điểm nữa đó là kích thước
của cảm biến này do chế tạo theo công nghệ MEMS nên rất nhỏ, thuận tiện sử dụng
trong mọi thiết bị.
Phần tử cảm biến trong đầu đo là loại cảm biến áp điện trở có độ nhạy và độ ổn

định cao. Tín hiệu ra của cảm biến rất nhỏ nên được khuếch đại ngay khi ra khỏi cảm
biến. Ngoài ra, do khoảng cách giữa trạm đo và đầu đo khá xa nên tín hiệu áp được
chuyển sang tín hiệu dòng để tránh nhiễu và suy giảm tín hiệu. Cảm biến và mạch
khuếch đại được bố trí bên trong một buồng kín bằng thép không gỉ, mặt tiếp xúc với
nước của cảm biến được cách ly bằng một lớp lưới bằng thép không gỉ để tránh va
chạm vào bề mặt cảm biến. Đầu đo loại này thường có dạng như hình 1.9.
17


Hình 1.9: Đầu đo trước khi lắp ráp.
Mô hình hoạt động của đầu đo:

Hình 1.10: Mô hình hoạt động của đầu đo.
Như vậy bên trong đầu đo vừa chứa áp trở, vừa chứa mạch khuếch đại và tín hiệu
trước khi ra ngoài đầu đo đã được xử lý sơ bộ.
Ngày nay có nhiều loại cảm biến áp suất dùng siêu âm, có độ tin cậy cao hơn,
vì thiết bị đo bằng siêu âm để trên cao, không phải nhúng dưới nước nên bền hơn.
Nhưng một nhược điểm của thiết bị đo siêu âm này là chùm tia có góc khoảng 8 độ
nên dải đo càng lớn thì không gian nơi cần đo phải càng rộng để phạm vi chum tia siêu
âm không được chạm vào vật cản. Đầu đo áp suất ở trên tuy có độ tin cậy không cao
bằng thiết bị đo siêu âm nhưng lại có ưu điểm là nhỏ gọn và có thể dễ dàng đo độ sâu
của nước tại những nơi có không gian hẹp.
Module sensor áp suất có dạng như hình 1.11
18

Hình 1.11: Module sensor áp suất, trong đó:
V
cc
= +5V, dải áp suất từ 0 đến 200KPa
chân 1 là GND, chân 2 là V

out
, chân 3 là V
cc
.
Trong modul có sử dụng XFPM-200KPG của hãng Fujiura - Nhật với các đặc
tính nổi bật sau:
- Điện áp nguồn làm việc: +5V.
- Dòng tiêu thụ nhỏ hơn 200mA.
- Dải nhiệt độ làm việc: -40
0
C → 125
0
C.
- Tín hiệu lối ra của sensor bình thường có độ rộng 0.5V → 4.5V.
- Sensor có thể kết nối trực tiếp vời bộ chuyển đổi A/D hoặc có thể kết nối
trực tiếp với Microprocessor xử lý tín hiệu số.
Sơ đồ nguyên lý của đầu đo như hình 1.12.
19

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của đầu đo.
Trong đó, sơ đồ chân của XFPM:

Hình 1.13: Sơ đồ chân của XFPM.
Với: chân 1 và chân 6: nối đất GND.
Chân 2: lối ra Vout.
Chân 3: nguồn nuôi Vcc.
Chân 4 và chân 5 là không kết nối, chúng hoàn toàn thả nổi, không nối
với bất kì đường dây nào và không nối với nhau.
Để hiểu rõ hơn vể XFPM bạn có thể xem thêm ở tài liệu tham khảo [7].
20

Nguyên lý hoạt động của XFPM thể hiện qua công thức:
V
out
= V
s
× (P × α + β) ± (sai số áp suất × sai số theo nhiệt độ × α ×V
s
) (1)
Trong đó:
V
s
= 5.0V
Điện thế lối ra V
out
không hoàn toàn tỉ lệ với điện thế nguồn nuôi).
P: áp suất lối vào, đơn vị kPa
α, β: các hằng số:
α = 0.0045
β = 0.04
Sai số áp suất = 5.0 (kPa) với loại XFPM-200KPG
Sai số theo nhiệt độ thể hiện ở đồ thị sau:
Đồ thị sai số theo nhiệt độ
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperature (độ C)
Temperature Error Multiplier

Hình 1.12: Đồ thị sai số theo nhiệt độ.
Từ công thức (1) suy ra:
V
out
= 5.0 × (P × 0.0045 + 0.04) ± (5.0 × sai số theo nhiệt độ × 0.0045 × 5.0)
Chẳng hạn ở nhiệt độ làm việc là 25
0
C thì ta có:
V
out
= 5 × (P × 0.0045 + 0.04) ± (5 × 1 × 0.0045 × 5)
= 5 × (P × 0.0045 + 0.04) ± 0.1125
21
Thiết bị đo áp suất dựa trên nguyên lý đo áp suất của nước tại một điểm cố
định, quan hệ giữa áp suất và độ sâu của nước tại điểm đo là tuyến tính và phụ thuộc
vào khối lượng riêng của nước.
Độ sâu thực tế của nước được tính theo công thức:

Trong đó: h: độ sâu thực tế của nước.
h
0
: độ sâu tham chiếu ban đầu.
p: áp suất của nước tương ứng độ cao h.
p
0
: áp suất tham chiếu tương ứng với độ cao tham chiếu h

0
.
ρ: khối lượng riêng của nước.
g: gia tốc trọng trường.
Như vậy, khi đo điện thế lối ra ta có thể tính được áp suất lối vào cũng như biết
được độ sâu của nước tại thời điểm đo.
Phần tiếp theo đây chúng ta sẽ tiến hành thử nghiệm khảo sát một số đặc trưng
của đầu đo như độ nhạy và độ tuyến tính.

1.3. Khảo sát một số đặc trƣng của đầu đo: độ nhạy, độ tuyến tính.
1.3.1. Dụng cụ thí nghiệm
Bao gồm:
- Module sensor áp suất như đã giới thiệu ở trên.
- Ống nhựa chức nước hình trụ: đường kính 10cm, cao 150cm, một đầu bịt
kín, một đầu để hở, thành ống có gắn thang chia độ để dễ theo dõi mực nước.
- Mạch khuếch đại ngoài sẽ được mô tả ở phần tiếp theo.
- Nguồn nuôi 3.5V.
- Đồng hồ đo thế.


22
1.3.2. Mục đích thí nghiệm.
Các thí nghiệm sau đây nhằm mục đích khảo sát độ nhạy, độ tuyến tính, khả
năng phân giải của đầu đo, để từ đó viết chương trình nhúng truyền, nhận và xử lý
thông tin qua mạng cảm nhận không dây.
1.3.3. Đo điện thế lối ra của đầu đo khi giảm độ cao của cột nƣớc.
Mô hình thí nghiệm như sau:
v

Hình 1.13: Sơ đồ thí nghiệm.
Đổ đầy nước vào ống chứa nước hình trụ, thả đầu đo vào ống sao cho đầu đo
vừa trạm đáy ống, để đầu đo cố định. Lối ra của đầu đo được nối trực tiếp vào đồng hồ
đo điện thế (như hình 1.14).
Hạ từng cm nước trong ống ta thu được giá trị điện áp lối ra tương ứng của đầu
đo tại một số điểm chính như bảng 1.2.

Mức nước (cm) 0 20 40 60 80 100 120 140 150
Điện thế ra (mV) 141 175 215 257 298 340 382 425 448

Bảng 1.2: Điện thế lối ra khi hạ dần mức nước.
Từ các số liệu thu được ta có đồ thị thể hiện sự tuyến tính của điện thế ra theo
mực nước:
23
Đồ thị thể hiện thế ra theo mức nước khi hạ từng cm nước
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Mức nước (cm)
Điện thế lối ra (mV)

Hình 1.14: Đồ thị thể hiện thế ra theo mức nước khị hạ từng cm nước.

Các số liệu đo cụ thể bạn có thể xem trong phần phụ lục 01.
Từ đồ thị 1.15 ta thấy điện thế ra của đầu đo tỉ lệ rất tuyến tính với độ cao của
cột nước, cụ thể là khi mực nước giảm thì điện thể lối ra cũng giảm và ngược lại.
Độ nhạy của đầu đo chính là hệ số góc của đồ thị, được tính như sau:
Gọi ε là độ nhạy của đầu đo thì ta có:
ε = (V
2
– V
1
)/(h
2
– h
1
)
Với V
2
là điện thế ra khi mức nước là h
2
.
V
1
là điện thế ra khi mức nước là h
1
.
Độ nhạy của đầu đo chính là sự thay đổi điện thế khi thay đổi một cm nước. Từ
thực nghiệm ta có độ lệch điện thế khi thay đổi 1cm nước, hay độ nhạy của đầu đo là
ε = 2.074 ± 0.314 (mV/cm)
Như vậy, độ nhạy của đầu đo cỡ 2mV/cm, độ phân giải của đầu đo là 1cm, mặc

dù ngay bên trong đầu đo đã bao gồm cả khuếch đại nhưng sự khuếch đại này chưa thể
hiện được rõ đặc tính trên của đầu đo, do đó ta cần dùng thêm một bộ khuếch đại
ngoài, và bởi vì tín hiệu ra của đầu đo được truyền qua mạng cảm nhận không dây qua
các lối vào AD(0:2) của module ADC-10bit của nút mạng cơ sở, việc khuếch đại thêm
tín hiệu một lần nữa sẽ làm cho độ phân giải của ADC được tốt hơn.
Độ phân giải của ADC được tính bằng:
24
V
in max
– V
in min

2
10

Với V
in max
, V
in min
là các điện thế lối vào cực đại, cực tiểu tương ứng của ADC,
cũng chính là lối ra cực đại, cực tiểu của đầu đo; n = 10.
Độ phân giải này còn tuỳ thuộc vào tham chiếu ban đầu đặt cho lối vào ADC.
Chẳng hạn: nếu lối vào ADC là 0V đến 1.25V thì độ phân giải là:
(1250 – 0)/2
10
= 1.22 (mV)
Nếu chọn tham chiếu ban đầu lối vào ADC là 0V đến 3.5V, tức là V
in max
= V
cc

= 3.5V, khi đó độ phân giải của ADC sẽ là:
(3500 - 0)/2
10
= 3.42 (mV)
Ta thấy rằng nếu chọn tham chiếu ADC là 1.25V thì độ phân giải ADC nhỏ hơn
độ nhạy của đầu đo, có nghĩa là khi thay đổi 1cm nước thì chưa thể hiện được sự thay
đổi thể của lối ra đầu đo. Do đó nên chọn tham chiếu cho ADC là 3.5V thì độ phân
giải của ADC lớn hơn độ nhạy của đầu đo, sẽ thể hiện được tốt hơn sự thay đổi thế lối
ra của đầu đo khi thay đổi 1cm nước, đáp ứng được yêu cầu độ phân giải của đầu đo là
1cm.
Bộ khuếch đại ngoài được dùng trong thực nghiệm là một bộ khuếch đại lặp
không đảo, có sơ đồ nguyên lý như hình 1.16.
Trong sơ đồ ta có:
R
1
= 5.52 kΩ
R
2
= 10.11kΩ
Suy ra hệ số khuếch đại của mạch là:
A = (1 + R
2
/R
1
) ≈ 2.83
Các chân lối vào và ra của bộ khuếch đại:
Lối vào:
Chân 1 và 7: đất GND.
Chân 6: tín hiệu lối vào IN

Chân 5 và 9: nguồn V
cc

Lối ra:
25
Chân 1 và 2: đất GND.
Chân 4: lối ra của bộ khuếch đại OUT.
Chân 5: nguồn V
cc



Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại ngoài.

Khả năng phân giải của ADC có liên quan đến độ sâu cực đại mà đầu đo có thể
đo được. Cụ thể, nếu chọnt ham chiếu lối vào cho ADC là 3.5V, theo trên mạch
khuếch đại ngoài có hệ số khuếch đại là 2.83, thì điện thế lối ra cực đại của đầu đo là:
3.5 / 2.83 = 1.24 (V) = 1240 (mV)
Độ sâu tối đa của nước mà đầu đo có thể đo được là:
1240(mV) / 2.074(mV/cm) = 598 (cm)
Như vậy ta có sơ đồ kết nối như hình 1.17.


Hình 1.16: Sơ đồ kết nối giữa đầu đo, bộ khuếch đại và ADC.