5
Hu ht nhng ng dng ca WSN l giỏm sỏt mụi trng t xa vi tn s ly
d liu thp.Chng hn, cú th d dng giỏm sỏt s rũ r ca mt nh mỏy húa cht bi
hang trm cm bin t ng kt ni thnh h thng mng khụng dõy ngay lp tc
phỏt hin v thụng bỏo cú s rũ r. Khụng ging nhng h thng cú dõy truyn thng,
chi phớ trin khai cho WSN c gim thiu. Thay vỡ hang ngn một dõy dn thụng
qua cỏc ng dn bo v, ngi lp t ch vic n gin l t thit b nh gn vo ni
cn thit. Mng cú th c m rng ch bng cỏch n gin l thờm cỏc thit b,
khụng cn cỏc thao tỏc phc tp nh trong h thng mng cú dõy. H thng cng cú
kh nng hot ng trong vi nm ch vi mt ngun pin duy nht.
Nhỡn chung, khi núi n mng khụng dõy thỡ ngi ta thng s ngh n cỏc
thit b di ng, PDA hay laptop. ú l nhng thit b cú giỏ thnh cao, c ng dng
theo mt mc ớch cho trc, v da trờn c s h tng ó cú sn. Ngc li, mng
cm nhn khụng dõy li s dng cỏc thit b nhỳng nh, giỏ thnh thp cho cỏc ng
dng a dng v khụng da trờn bt kỡ c s h tng no ó sn cú t trc. Khụng
ging cỏc thit b khụng dõy truyn thng, cỏc nỳt mng WSN khụng cn truyn trc
tip ti trm gc, m ch cn truyn ti mng gn nú, ri ln lt truyn v trm gc
theo dng truyn thụng multihop.
Mt thỏch thc c bn ca WSN l a cỏc rng buc kht khe vo ch trong
mt thit b n l. Rt nhiu rng buc i vi cỏc thit b c trin khai vi s
lng ln cn cú kớch thc nh v giỏ thnh thp. Kớch thc gim l iu ch yu
dn n giỏ thnh gim cng nh kh nng cho phộp c s dng trong mt di rng
cỏc ng dng.
Mt khú khn ln ca WSN l nng lng tiờu th. Kớch thc vt lý gim thỡ
cng lm gim nng lng tiờu th, cỏc rng buc v nng lng s to nờn nhng
gii hn tớnh toỏn.
Bn lun vn Ghộp ni u o ỏp sut cho nỳt mng cm nhn khụng dõy
vi phn mm nhỳng s gii thiu v mt loi vi cm bin thuc cụng ngh MEMS
l u o ỏp sut - mc nc, kho sỏt mt s c trng ca u o nh nhy,
tuyn tớnh, kh nng lm vic ng thi bn lun vn ny cng khỏi quỏt hoỏ v
mng cm nhn khụng dõy WSN v xõy dng mt th nghim mng cm nhn khụng
dõy dựng vi iu khin CC1010 ca hóng Chipcon Nauy.
Bn lun vn gm 3 chng ni dung, phn m u, phn kt lun, phn ph
lc v ti liu tham kho.
6
Chng 1: u o ỏp sut - mc nc s tng quỏt v u o, cỏc c trng c
bn ca cm bin, a ra cỏc phng phỏp o ỏp sut cựng cỏc c trng chớnh ca
u o.
Chng 2: Ghộp ni u o vi nỳt mng cm nhn khụng dõy. Chng ny s
gii thiu qua v mng cm nhn khụng dõy v nỳt mng c s dựng vi iu khin
CC1010, ng thi ch ra phng thc kt ni gia u o v nỳt mng.
Chng 3: Chng trỡnh nhỳng truyn/ nhn thụng qua nỳt mng c s.
Chng ny gii thiu v phn mm nhỳng, cỏc bc xõy dng mt phn mm nhỳng
v chng trỡnh nhỳng c th dựng ghộp ni u o cm bin cho nỳt mng khụng
dõy c s.
Phn kt lun tng kt nhng cụng vic ó thc hin v nhng kt qu ó t
c, ng thi cp n cụng vic v hng nghiờn cu trong tng lai.
hon thnh c khoỏ lun ny l nh s hng dn tn tỡnh ca PGS
TS.Vng o Vy, thuc Khoa in t - Vin thụng, trng i hc Cụng ngh, i
hc Quc gia H Ni, ngi ó giỳp tụi rt nhiu trong sut quỏ trỡnh thc hin
khoỏ lun. Tụi xin chõn thnh gi ti thy li cm n sõu sc nht.
7
CHNG 1
U O P SUT - MC NC
1.1. Gii thiu v cm bin.
u o ỏp sut - mc nc l mt loi vi cm bin MEMS. Trc khi i vo
kho sỏt cỏc c tớnh ca u o ny, tụi xin a ra mt s c tớnh c bn ca b cm
bin, t ú s hiu c cỏc c tớnh ca u o.
1.1.1. Khỏi nim.
Trong cỏc h thng o lng iu khin, mi quỏ trỡnh u c c trng bi
cỏc trng thỏi nh nhit , ỏp sut, tc , momen Cỏc cm bin trng thỏi ny
thng l cỏc i lng khụng in. iu khin cỏc quỏ trỡnh thỡ ta cn thu thp
thụng tin, o c, theo dừi s bin thiờn ca cỏc bin trng thỏi ca quỏ trỡnh. Cỏc cm
bin thc hin chc nng ny chỳng thu nhn, ỏp ng v kớch thớch, l tai mt ca
cỏc hat ng khoa hc v cụng ngh ca con ngi.
Cỏc b cm bin thng c nh ngha theo ngha rng l thit b cm nhn v
ỏp ng vi cỏc tớn hiu v kớch thớch.
Hay nh trong t in bỏch khoa ton th Vit Nam thỡ: cm bin l dng c cú
th cm nhn tr s tuyt i hoc bin thiờn ca mt i lng vt lý (vớ d: nhit
, ỏp sut tc dũng chy, pH, cng ỏnh sang, õm thanh hoc súng vụ tuyn,
vv) v bin i thnh mt tớn hiu u vo hu hiu cho mt h thng thu thp v
x lý thụng tin.
Trong mụ t mch ta cú th coi b cm bin nh mt mng hai ca, trong ú u
vo l bin trng thỏi cn o x v ca ra l ỏp ng y ca b cm bin vi kớch thớch
u vo x:
x y
kớch thớch ỏp ng
Phng trỡnh mụ t gia ỏp ng y v kớch thớch x ca b cm bin cú dng:
y = f(x)
B cm bin
8
Trong cỏc h thng o lng - iu khin hin i, quỏ trỡnh thu thp v x lý
d liu thng do mỏy tớnh m nhim.
Trong s hỡnh 1.1, quỏ trỡnh (i tng) c c trng bi cỏc bin trng
thỏi v c cỏc b cm bin thu nhn ri a n b x lý. u ra ca b vi x lý
c phi ghộp vi c cu chp hnh nhm tỏc ng lờn quỏ trỡnh. õy l s iu
khin t ng, trong ú b cm bin úng vai trũ cm nhn, o c v ỏnh giỏ cỏc
thụng s ca h thng, b vi x lý lm nhim v x lý thụng tin v a ra tớn hiu iu
khin quỏ trỡnh.
1.1.2. c trng c bn ca b cm bin.
1.1.2.1. Hm truyn.
Gi x l tớn hiu kớch thớch, y l ỏp ng ca b cm bin. Hm truyn cho ta
quan h gia ỏp ng v kớch thớch. Hm truyn cú th c biu din di dng
tuyn tớnh, phi tuyn, logarit, hm lu tha hay hm m.
Quan h tuyn tớnh gia ỏp ng v kớch thớch cú dng:
y = ax + b
trong ú: a l hng s, a bng tớn hiu ra khi tớn hiu vo bng khụng.
b l nhy.
y l mt trong cỏc c trng ca tớn hiu ra, y cú th l biờn
hoc pha tu theo tớnh cht ca b cm bin.
Quỏ trỡnh
(Cỏc bin trng thỏi)
C cu
chp hnh
B cm
bin
Chng trỡnh
B vi x lý
Hỡnh 1.1 H thng t ng iu khin qỳa trỡnh
9
Hm truyn dng logarit:
y = 1 + blnx
Dng m:
y = ae
kx
Dng lu tha:
y = a
0
+ a
1
x
k
vi k l hng s.
Cỏc b cm bin phi tuyn khụng c c trng bi cỏc ham truyn k trờn
õy m ta phi dựng n cỏc hm gn ỳng bc cao. i vi hm truyn phi tuyn thỡ
nhy b c nh ngha theo biu thc:
dx
xody
b
)(
Trong mt s trng hp ta cú th lm gn ỳng hm truyn phi tuyn bng
phng phỏp tuyn tớnh hoỏ tng on.
1.1.2.2. ln ca tớn hiu vo.
L giỏ tr ln nht ca tớn hiu t vo b cm bin m sai s khụng vt quỏ
ngng cho phộp.
1.1.2.3. Sai s v chớnh xỏc.
Cng nh cỏc ng dng o lng khỏc, ngoi i lng cn o (cm nhn) b
cm bin cũn chu nhiu tỏc ng ca b cm bin gõy nờn sai s gia giỏ tr o c
v giỏ tr ca i lng cn o.
Gi x l lch tuyt i gia giỏ tr o c v giỏ tr thc x, sai s tng
i ca b cm bin c tớnh theo cụng thc:
% =
100.
x
x
Cú hai loi sai s thng dựng l: sai s h thng v sai s ngu nhiờn:
10
Sai s h thng l sai s khụng ph thuc vo s ln o, cú giỏ tr khụng i
hoc thay i rt chm theo thi gian o v thờm vo mt lch khụng i gia giỏ
tr thc v giỏ tr o c. Sai s ny thng do s thiu hiu bit v h o hoc do
iu kin s dng khụng tt.
Sai s ngu nhiờn l sai s xut hin thay i theo s ln o, cú ln v chiu
khụng xỏc nh.
1.1.3. Mt s iu v cm bin ni tip v cỏch ghộp ni.
Nhỡn chung, cm bin l mt thit b c thit k thu thp thụng tin v mt i
tng v chuyn i thnh tớn hiu in. Mt cm bin c in cú th bao gm 4 khi
nh hỡnh 1.2:
Khi u tiờn l khi cm nhn (vớ d: in tr, in dung, bỏn dn, vt liu ỏp
in, photodiot, cu in tr, ). Tớn hiu t khi ny thng b nhiu, do cú cn cú
cỏc k thut x lý tớn hiu nh khuch i, tuyn tớnh hoỏ, bự v lc gim thiu
nhng tỏc ng ca nhiu.
Trong trng hp thu thp d liu, tớn hiu t cm bin cú dng ni tip hay
song song. Chc nng ny cú th nhn ra bi b bin i tng t - s hoc tn s - s.
Khi bus giao tip ni tt c cỏc d liu ngun vi cỏc ni nhn, h thng bus
iu khin tt c cỏc d liu truyn v c ni vi mt giao tip phự hp m cm
bin cú th gi d liu ti mỏy tớnh.
S giao tip gia cm bin vi vi iu khin c th hin hỡnh 1.3:
Thnh phn
cm nhn
X lý tớn hiu
Chuyn i
A/D
Bus giao tip Mỏy tớnh
Hỡnh 1.2. Cm bin tớch hp
11
Cú hai loi cm bin c bn l cm bin tng t v cm bin s.
Cm bin tng t thng a tớn hiu tng t dng dũng in hay in ỏp v
vi iu khin, sau ú vi iu khin phi thc hin vic chuyn i tng t - s ri mi
c d liu. Tớn hiu t cm bin truyn i l tớn hiu tng t rt d b nh hng bi
nhiu.
Cm bin s ngay bn thõn nú ó thc hin vic chuyn i tng t - s ri a
giỏ tr ó chuyn i v vi iu khin di dng cỏc xung th hin giỏ tr ca cm bin,
Nh vy cm bin s cú u th hn cm bin tng t ch cm bin s cú kh
nng chng nhiu tt hn do nú s dng ng truyn s nờn rt khú b nh hng bi
nhiu lỳc truyn d liu.
Tuy nhiờn trong khoỏ lun ny chỳng tụi li chn th nghim vi mt loi u o
l cm bin tng t thy c nhng c tớnh ca u o cng nh ca cm bin
tng t ngy nay vn c s dng v phc v rt hu ớch cho i sng con ngi.
1.2. Cỏc phng phỏp o ỏp sut.
1.2.1. Tng quan v ỏp sut.
p sut l i lng c trng cho cng lc nộn trung bỡnh tỏc ng theo
phng vuụng gúc trờn b mt vt th, c xỏc nh bng t s gia lc phõn b u
v din tớch b mt b tỏc ng:
P =
S
F
Vi iu khin Cm bin
GND
Vcc
DATA
SCK
Hỡnh 1.3. S giao tip in hỡnh gia vi iu khin v cm bin ni tip
12
Trong ú: P l ỏp sut.
F l lc phõn b u trờn b mt din tớch S
n v ca l c F l Newton (N), n v ca din tớch S l m
2
, trong h SI ỏp
sut cú n v l N/m
2
.
n v dn sut ca ỏp sut l Pascal (Pa). 1Pa tng ng vi ỏp sut ng
dng do lc 1N tỏc dng lờn b mt phng cú din tớch bng 1m
2
1Pa = 1N/m
2
p sut 1Pa tng i nh, trong cụng nghip ngi ta thng dựng n v ỏp
sut l bar (1bar = 10
5
Pa).
Mt n v cng hay c dựng trong y t l mmHg hay torr.
Mi quan h tng i gia cỏc n v o ỏp sut hay c s dng cho trong
bng 1.1.
n v o
ỏp sut
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
Bng 1.1: Mi quan h gia cỏc n v o ỏp sut.
13
1.2.2. Nguyờn tc v cỏc phng phỏp o ỏp sut.
Cú rt nhiu phng phỏp o ỏp sut. Mt phng phỏp c in l dựng ỏp sut
k Torricielli (hỡnh 1.4). p sut k Torricielli l mt ng thu tinh bt kớn, u phớa
trờn c ỳp xung mt b ng thu ngõn (Hg). Khi ú, ỏp sut tỏc dng lờn b mt
thu ngõn trong b bng ln ct thu ngõn trong ng. n v o ỏp sut s dng ỏp
sut k l mmHg.
Ngy nay, vi nhiu cụng ngh khỏc nhau, rt nhiu loi cm bin ỏp sut ra i.
o ỏp sut, ngi ta o lc F tỏc dng lờn din tớch S ca mt thnh bỡnh phõn chia
hai mụi trng, trong ú mt mụi trng cha cht lu l i tng cn o ỏp sut.
Cỏch o ny cú th chia lm ba trng hp chớnh sau:
- o ỏp sut ly qua mt l cú din tớch hỡnh trũn c khoan trờn thnh
bỡnh.
- o trc tip s bin dng ca thnh bỡnh do ỏp sut gõy nờn.
- o bng mt cm bin ỏp sut chuyn tớn hiu u vo l ỏp sut
thnh tớn hiu u ra cha thụng tin liờn quan n giỏ tr ca ỏp sut cn o v
s thay i ca nú theo thi gian,
Hỡnh 1.4: p sut k torricelli
670mmHg
H
i
g
h
t
ống thuỷ
tinh
Đầu bịt kín
1 atm
1 atm
Đầu hở
Thủy ngân
14
Cỏch o th nht phi s dng mt cm bin t ngay gn sỏt thnh bỡnh, sai s
ca phộp o s nh vi iu kin l th tớch cht ca kờnh dn v cm bin phi khụng
ỏng k so vi th tớch tng cng ca cht lu cn o ỏp sut.
Trng hp th hai ngi ta gn lờn thnh bỡnh cỏc cm bin o ng sut o
bin dng ca thnh bỡnh, bin dng ny l mt hm ca ỏp sut.
Cỏch th ba o bng cm bin ỏp sut vi cỏc vt trung gian thng l cỏc phn
t o lc cú mt thụng s. Thụng s ny cú kh nng thay i di tỏc dng ca lc F
= P.S, ph bin nht l s dng mng. Mng (diaphrahm) l mt tm mng, thng l
cht bỏn dn, cú kh nng b bin dng khi cú ỏp sut t lờn. Khi ỏp sut bờn ngoi
tỏc dng lờn mng, tu thuc vo s chờnh lch ỏp sut cn o v ỏp sut chun so
sỏnh m mng b bin dng. bin dng ca mng ph thuc vo ln ca ỏp sut
tỏc dng vo.
Cm bin ỏp sut kiu mng cú mt s cu trỳc nh sau:
Màng
mỏng
Chân không Không khí
Px Px
P1
P2
Màng
mỏng
Màng
mỏng
(a)
(b) (c)
Hỡnh 1.5: Cỏc loi cm bin ỏp sut kiu mng.
a) Cm bin ỏp sut tuyt i.
b) Cm bin ỏp sut tng i.
c) Cm bin ỏp sut vi sai.
Ngi ta cú th bin i bin dng ca mng mng thnh cỏc tớn hiu in
thụng qua s bin thiờn t cm, bin thiờn in dung s dng hiu ng ỏp in, dao
ng c in, dựng phng phỏp quang in, phng phỏp transistor ỏp in
Trong cụng ngh MEMS cú hai phng phỏp c s dng rng rói l cm bin
kiu t in v cm bin kiu ỏp tr. Trong khoỏ lun ny chỳng tụi s dng u o ỏp
sut thuc loi vi cm bin kiu ỏp tr. i vo kho sỏt cỏc c tớnh ca u o ny
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét