Thiết kế mạch xử lý tín hiệu và truyền phát không dây cho đầu dò nhấp nháy báo cáo thực tập tôt nghiệp

Thiết kế mạch xử lý tín hiệu và truyền
phát không dây cho đầu dò nhấp nháy


Lời cảm ơn


Để hoàn thành được bài báo cáo thực tập này, tôi xin chân thành
gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Th.S Bùi Ngọc Hà hiện đang công tác
tại Viện Kĩ Thuật Hạt Nhân và Vật Lý Môi Trường.



Xin được gửi lời cảm ơn tới toàn thể giảng viên, cán bộ nhân
viên Viện Kĩ Thuật Hạt Nhân và Vật Lý Môi Trường đã tận tình
giảng dạy, tôi trong suốt quá trình học.



Cuối cùng, xin được cảm ơn tới Gia đình, tập thể lớp Kỹ thuật
Hạt nhân K58 đã ủng hộ, khích lệ và động viên tôi trong quá
trình thực tập và báo cáo tốt nghiệp.


Mở đầu


Trong lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân, đo phóng xạ nhằm đảm bảo an
toàn cho dân chúng và các phép đo với nguồn phóng xạ cũng
phải đảm bảo an toàn cho người tiến hành.



Hầu hết các hệ đo phóng xạ đều sử dụng kết nối có dây, người
tiến hành cần túc trực ở hiện trường đo đạc và cũng nhận thêm
liều chiếu. Tích hợp các kết nối không dây với hệ đo phóng xạ có
thể giúp giảm liều chiếu cho nhân viên tiến hành, cập nhật số liệu
liên tục lên máy tính và giúp người tiến hành thuận tiện trong
việc lắp đặt, tháo dỡ, di chuyển hệ đo.



Do đó trong quá trình thực tập tốt nghiệp tại viện Kĩ thuật hạt
nhân và Vật lý môi trường, tôi đã lựa chọn đề tài : “Thiết kế
mạch xử lý tín hiệu và truyền phát không dây cho đầu dò nhấp
nháy”


Mở đầu


Với mục đích của đề tài :



Thiết kế mạch xử lý tín hiệu và truyền phát Bluetooth cho đầu dò
nhấp nháy



Nội dung thực tập tốt nghiệp gồm hai nhiệm vụ chính :



Thiết kế mạch xử lý tín hiệu cho đầu dò nhấp nháy



Thiết kế mạch truyền phát Bluetooth


Phần 1: Đặt vấn đề

Đầu dò nhấp nháy
Hệ xử lý tín hiệu đầu
dò


Đầu dò nhấp nháy

Khi một bức xạ đi vào chất nhấp nháy, chúng sẽ phát ra một
photon đi vào ống nhân quang điện, ở đó tín hiệu được nhân
lên nhiều lần tạo ra một tín hiệu điện khá lớn ở lối ra.


Hệ xử lý tín hiệu đầu dò



Hệ xử lý tín hiệu gồm: tiền khuyếch đại, khối khuyếch đại
và khối đếm xung.

Phần 2: Phương pháp và thực
nghiệm
Sơ đồ khối
Khối xử lý tín hiệu
Khối vi điều khiển
Khối truyền phát không
dây


1.Sơ đồ khối

Đầu dò

Tiền
khuyếch
đại

Vi điều
khiển

Bluetoot
h

Máy tính



Tiền khuyếch đại có nhiệm vụ phối hợp trở kháng với đầu dò, tăng

tỉ số S/N, khuyếch đại tín hiệu và tạo xung vuông biên độ chuẩn
5V



Khối vi điều khiển đếm xung và gửi tới khối Bluetooth.



Khối Bluetooth có nhiệm vụ truyền dữ liệu tới máy tính.


2. Khối xử lý tín hiệu

 
Tiền

khuyếch đại nhạy điện tích có nhiệm vụ :



Phối hợp trở kháng với đầu dò



Nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp âm



Tích phân các tín hiệu điện tích, biến đổi chúng thành xung

điện thế



và tạo thành một mạch vi phân :



và tạo thành một mạch tích phân:



Lọc nhiễu:



Hệ số khuyếch đại:


2. Khối xử lý tín hiệu


Mạch so sánh: Tạo xung vuông chuẩn 5V



Sử dụng các IC tốc độ cao như LF356 (5MHz), LM318 (15MHz)…


3. Khối vi điều khiển và hiển thị



Sử dụng Kit vi điều khiển Atmega 328p, 16MHz. Có đầy đủ
các ngoại vi như ADC, Bộ đếm, các chân điều khiển.



Phần mềm lập trình: Arduino IDE, hỗ trợ đầy đủ các tập
lệnh, giúp người dùng nhanh chóng nắm bắt vi điều khiển.



Thông dụng trên thế giới, cộng đồng hỗ trợ mạnh mẽ.


3. Khối vi điều khiển và hiển thị



Chuẩn giao tiếp UART : Dữ liệu sẽ truyền từng chút một cho đến khi dữ liệu được
truyền hết.



UART cách giao tiếp cơ bản và đơn giản nhất giữa vi điều khiển và máy tính, hổ trợ việc
gỡ lỗi chương trình.



Việc thao tác trên UART đã được đơn giản hóa bằng các hàm trong thư viện Arduino.



Serial.begin( tốc độ kết nối ): khởi tạo kêt nối serial.



Serial.print(val): Hàm này sẽ biến đổi dữ liệu sang chuỗi trước khi gửi.


3. Khối vi điều khiển và hiển thị



Timer/Counter có chức năng định thời, đếm sự kiện, tạo xung....



Trên chip Atmega328p của Arduino có 3 bộ Timer/Counter



Sử dụng Timer/Counter 1 để đếm xung và Timer/Counter0 để định thời


4.Khối truyền phát không dây


Bluetooth ra đời với mục đích "không

dây hóa" chuẩn serial RS-232 và
chuẩn hóa các giao tiếp serial.



Bluetooth là một giao tiếp bằng sóng
radio ở băng tần 2.4 đến 2.480 GHz.



Băng tần hoạt động của Bluetooth thay
đổi liên tục với 79 kênh (từ 2.400 GHz
đên 2.480 GHz). Đảm bảo bluetooth
chống lại việc xâm nhập rất hiệu quả



Bước sóng của bluetooth là khoảng
12cm. Đây cũng là chiều dài của ănten trên các module.


4.Khối truyền phát không dây


Bluetooth thực hiện giao tiếp chủ-tớ.
Thông tin được truyền đi theo
phương thức giao chuyển gói



Giả sử có 1 mạng 6 thiết bị, User 1
muốn gửi thông tin đến User 5.



User 1 sẽ chia thông tin cần chuyển
thành gói nhỏ.  Các gói thông tin
được bằng đường truyền khác nhau.
Thông tin có thể truyền đi rất nhanh
chóng. Sau khi nhận các gói sẽ được
sắp xếp lại theo thứ tự ban đầu.


4.Khối truyền phát không dây


Module Bluetooth HC-05 có hai chế độ
hoạt động là Command Mode và Data
Mode.



Command Mode: sử dụng tập lệnh AT.
 AT+PSWD=1234
 AT+INQ:

Set Pin cho thiết bị

Bắt đầu tìm kiếm thiết bị để

ghép nối


Ở chế độ Data Mode module có thể
truyền nhận dữ liệu tới module bluetooth
khác.


Thực nghiệm

1.Chế tạo, đo đạc
khối xử lý tín hiệu
2.Chế tạo, đo đạc
khối vi điều khiển và
hiển thị


1.Chế tạo, đo đạc khối xử lý tín hiệu


Mạch thực tế Khối xử lý tín
hiệu và ghép nối với đầu dò
nhấp nháy



Thông số kĩ thuật:



Nguồn nuôi: +5V



Dòng tiêu thụ: 20mA tại 5V



Công suất tiêu thụ: 100mW



Đầu vào: kết nối với dinode
của ống nhân quang



Đầu ra: Xung vuông biên độ
chuẩn 5V


1.Chế tạo, đo đạc khối xử lý tín hiệu


Kết quả đo đạc với nguồn Cs-137:

Xung ra từ dinode, xung dương,
300mV,20us

Xung ra từ khối tiền khuyếch đại nhạy

điện tích, xung âm, 1000mV,20us


1.Chế tạo, đo đạc khối xử lý tín hiệu


Kết quả đo đạc với nguồn Cs-137:

Xung ra từ tầng khuyếch đại đảo,
Xung ra từ mạch so sánh, xung dương,
xung dương, biên độ 3V, độ rộng 20us
biên độ 5V, độ rộng 15 us


2.Chế tạo, đo đạc khối vi điều khiển
và hiển thị
Thông số kĩ thuật:
• Tần số xung vuông cực đại :
2.5MHz
• Sai số bộ đếm: 0,05->0,25 % ( hoạt
động liên tục 2h nhiệt độ 30 độ C)
• Khoảng cách truyền: 15m
• Chuẩn truyền: Bluetooth 2.0
• Nguồn nuôi: 5V
• Dòng tiêu thụ: 10mA
• Công suất tiêu thụ: 50mW

Mạch 3D khối vi điều khiển và truyền
phát Bluetooth

2.Chế tạo, đo đạc khối vi điều khiển
và hiển thị


Phần mềm hiển thị:



Arduino Serial Plotter: vẽ đồ thị
đầu ra của các dự án Arduino
trong thời gian thực, sử dụng
thông qua kết nối USB.

Số đếm truyền lên máy tính khi đo đạc
với nguồn Cs 137 sát đầu dò.


Phần 3: Kết luận


Kết quả :
 Hiểu

được nguyên lý hoạt động đầu dò nhấp nháy

 Thiết

kế thành công mạch xử lý tín hiệu và truyền phát Bluetooth cho đầu dò
nhấp nháy



Ưu điểm:
 Tích

hợp tiền khuyếch đại, khuyếch đại, khối đếm vào cùng một mạch

 Truyền

dữ liệu không dây giúp đảm bảo an toàn cho người đo tại các phép đo
sử dụng nguồn phóng xạ hoạt độ lớn



Nhược điểm:
 Mạch

còn nhiều tín hiệu nhiễu, tiêu thụ công suất cao


Phần 3: Kết luận


Hướng phát triển:
 Nâng

cao độ ổn định độ bền, giảm nhiễu tín hiệu,

 Nâng

cao khoảng cách truyền phát không dây bằng cách sử dụng wifi,
Bluetooth 4.0 để đảm bảo an toàn cho người đo đạc.



Xây dựng các trạm quan trắc phóng xạ truyền dữ liệu lên internet và điện
thoại thông minh

 Xây

dựng các thiết bị đo đạc truyền phát không dây ứng dụng trong kiểm tra
không phá hủy

 Xây

dựng robot ứng phó khẩn cấp trong khi xảy ra các sự cố liên quan đến
nguồn phóng xạ, thay thế con người vào đo đạc, gắp nguồn tại các vùng suất
liều cao.