Báo cáo Nghiên cứu và chế tạo máy dò kim loại

LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Kĩ Thuật Đo và Tin Học Công Nghiệp đã tận tâm nhiệt tình dạy dỗ chúng em trong suốt những năm học vừa qua. Nếu không có những kiến thức rất bổ ích mà em đã tiếp thu được của các thầy cô thì em sẽ không thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này. Em xin cảm ơn Phòng Công nghệ Tự Động Hoá - Viện Công Nghệ Thông Tin - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện học tập và làm việc tốt cho em trong thời gian thực tập và làm đồ án. Em xin cảm ơn GS.TSKH. Phạm Thượng Cát và TS. Phạm Minh Tuấn và các bác, các anh chị trong phòng Công nghệ Tự Động Hoá đã giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em thực hiện đồ án tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và đặc biệt là trong thời kỳ làm đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Quốc Cường - người đã tận tâm hướng dẫn em và cho em nhiều lời khuyên quí báu trong quá trình thực hiện đồ án này. Hà Nội tháng 5 năm 2007 Sinh viên Nguyễn Thùy Giang LỜI MỞ ĐẦU Chiếc máy dò kim loại đầu tiên trên thế giới được chế tạo bởi nhà khoa học Gerhard Fischer, người Mỹ gốc Thụy Điển, đã được cấp bằng sáng chế năm 1937. Kể từ khi ra đời, chiếc máy dò kim loại, hoạt động dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, đã được sử dụng nhiều trong quân đội, đáp ứng nhu cầu dò mìn và vũ khí trong chiến tranh thế giới thứ II. Cho đến nay, máy dò kim loại đã có ứng dụng rộng rãi, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như các lĩnh vực an ninh, khảo cổ, xây dựng… Dù đã đem lại nhiều lợi ích đáp ứng nhu cầu của đời sống, song với hoạt động theo nguyên lí cảm ứng điện từ, chiếc máy còn nhiều nhược điểm như độ nhạy thấp, cấu trúc phức tạp và tiêu tốn nhiều điện năng. Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển cùng với sự phát triển lớn mạnh của công nghệ vi điện tử, các nhà sản xuất đã đưa ra một công nghệ dò tìm kim loại mới: sử dụng cảm biến từ trường, tích hợp với vi điều khiển tạo ra những chiếc máy dò kim loại hiện đại được vi tính hoá. Công nghệ microchip cho phép người sử dụng có thể tự ý thiết lập độ nhạy, loại kim loại cần dò, tốc độ dò, mức ngưỡng…v.v và lưu giữ lại các thông số đo được. So với các máy dò kim loại theo nguyên lí cũ, những chiếc máy công nghệ mới này có khối lượng nhẹ hơn, khả năng tìm kiếm sâu hơn, tiêu tốn ít năng lượng, và đặc biệt là khả năng phân biệt loại kim loại, xác định đúng loại kim loại cần tìm. Một trong những nhà sản xuất đi đầu trong lĩnh vực này là Honeywell với công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng AMR sensor, tạo ra những cảm biến có độ chính xác và độ nhạy cao dùng trong các máy dò kim loại sắt từ. Với những tính năng ưu việt do công nghệ mới đem lại, các máy dò kim loại mới này đang dần thay thế các máy dò kiểu cũ. Vừa qua hãng điện tử Phillips đã đăng kí sản phẩm điện thoại di động tích hợp cảm biến từ độ nhạy cao của Honeywell, có ứng dụng dò tìm kim loại để tung ra thị trường trong thời gian tới. Với sự quan tâm và hứng thú tìm hiểu công nghệ mới, trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nghiên cứu, tìm hiểu về cảm biến từ trở không đẳng hướng của Honeywell, và ứng dụng thiết kế, chế tạo một máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm biến này. Với đề tài “Nghiên cứu và chế tạo máy dò kim loại”, báo cáo của em gồm những phần chính sau: Phần 1: Trình bày các kiến thức tổng quan về cảm biến từ trường, công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng, cảm biến HMC1053 và HMC2003 của Honeywell. Phần 2: Trình bày ý tưởng thiết kế và thiết kế cụ thể máy dò kim loại sắt từ sử dụng cảm biến HMC1053, HMC2003, lập trình phần mềm trên vi điều khiển PSoC và lập trình giao diện trên máy tính bằng phần mềm Visual Basic. Phần 3: Phụ lục. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do thời gian làm đồ án tốt nghiệp có hạn và kinh nghiệm làm thực tế còn yếu, đề tài hoàn thành chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để mình có thể hiểu sâu vấn đề hơn và để có thể phát triển đề tài trở nên hoàn thiện hơn. Em xin cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Quốc Cường đã hướng dẫn em thực hiện đề tài này. Em xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn đã dạy em những kiến thức trong những năm qua, tạo điều kiện tốt cho em thực hiện đề tài này. Hà Nội, tháng 5 năm 2007 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thùy Giang CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG HMC1053 I.CẢM BIẾN ĐO TỪ TRƯỜNG Từ xa xưa, các dụng cụ phát hiện được từ trường trái đất như la bàn đã giúp cho người thám hiểm định hướng trên biển hay trong rừng rậm bằng cách xác định các cực từ trái đất. Ngày nay, việc nhận biết và đo đạc từ trường đã phát triển mạnh do nền công nghiệp hiện đại yêu cầu nhiều loại cảm biến từ trường khác nhau để nhận biết sự xuất hiện, cường độ hay hướng của các từ trường không chỉ của trái đất mà còn từ trường tạo bởi nam châm vĩnh cửu, nam châm từ hóa, từ trường nhiễu do xe cộ tạo ra và các từ trường tạo bởi dòng điện. Các cảm biến từ trường có thể xác định các đặc tính này mà không cần có một tiếp xúc vật lí nào. Chúng đã trở thành mắt nhìn của nhiều hệ thống điều khiển công nghiệp. 1. Cảm biến từ trường Các cảm biến từ trường đã được sử dụng từ hơn 2000 năm với những ứng dụng ban đầu để xác định hướng và trong lĩnh vực hàng hải. Ngày nay, cảm biến từ trường vẫn là một trong những dụng cụ cơ bản trong ngành hàng hải nhưng bên cạnh đó còn rất nhiều ứng dụng khác nữa. Công nghệ cảm biến từ trường cũng đã phát triển theo yêu cầu ngày càng cao về độ nhạy, kích cỡ nhỏ, và độ tương thích với các hệ thống điện tử. Từ đó xuất hiện một mạch điện tích hợp dựa trên cảm biến từ trường, đo từ trường trong phạm vi dải từ trường trái đất: cảm biến từ trở không đẳng hướng (AMR sensor). Các cảm biến này có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Một vấn đề phổ biến khi sử dụng cảm biến từ trường, đó là từ trường không phải đại lượng chính cần đo. Thông số cần đo thường là tốc độ bánh xe, sự xuất hiện của mực từ, phát hiện xe cộ, hay định hướng. Những thông số này không thể đo trực tiếp, nhưng có thể suy được từ những thay đổi hay nhiễu trong từ trường. Các cảm biến thông thường như cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, sức căng, hay các cảm biến quanh đều có thể chuyển trực tiếp thông số cần đo về một giá trị đầu ra tỉ lệ điện áp hay dòng điện. Nhưng mặt khác, việc sử dụng cảm biến từ để định hướng, nhận biết sự xuất hiện, chiều quay, góc quay hay dòng điện đều chỉ có thể được xác định gián tiếp thông qua giá trị từ trường. Trước tiên, các giá trị đầu vào này phải tạo ra được, hay làm thay đổi một từ trường. Một dòng điện trong cuộn dây, một bánh răng quay qua một nam châm vĩnh cửu, hay một vật thể có chứa sắt di chuyển trong từ trường trái đất có thể tạo ra biến đổi từ trường này. Khi sensor từ trường phát hiện ra sự thay đổi đó, tín hiệu đầu ra đòi hỏi cần được xử lí để giải mã tín hiệu từ cảm biến thành giá trị của đại lượng mong muốn. Điều này làm cho việc sử dụng cảm biến từ trường có phức tạp hơn so với cảm biến nhiệt độ, áp suất… Nhưng xác định được biến đổi từ trường có thể đem lại khả năng cảm nhận và đo đạc chính xác, tin cậy các đại lượng phức tạp. Cảm biến đo các đại lượng thông thường và cảm biến từ 2. Phân loại cảm biến từ trường Một cách để phân loại cảm biến từ trường là phân theo cường độ từ trường đo được. Theo cách này ta chia cảm biến từ trường thành 3 loại: - Cảm biến từ trường cường độ thấp: < 1 µGauss - Cảm biến từ trường cường độ trung bình: từ 1 µGauss đến 10 Gauss: sensor từ trường trái đất - Cảm biến từ trường cường độ cao: > 10 Gauss Bảng sau liệt kê một số công nghệ sensor và dải đo của chúng Ứng dụng mạch điện dò kim loại sử dụng các cảm biến từ trường không đẳng hướng (AMR sensor), làm việc trong phạm vi giá trị từ trường trái đất. Các sensor AMR có thể phát hiện cả hướng và độ lớn của từ trường, dùng trong các ứng dụng phát hiện vật thể bằng sắt. 3. Cảm biến từ trở không đẳng hướng (Sensor AMR) Sensor AMR (cảm biến từ trở không đẳng hướng) là cảm biến thích hợp với dải đo từ trường trái đất. Sensor AMR có thể nhận biết các từ trường tĩnh một chiều, đo được cường độ và hướng của từ trường. Sensor này là một sợi mỏng làm bằng hợp kim Ni-Fe đặt trong một vỏ silicon như một dây điện trở, gọi là film Permalloy. Cấu trúc vật liệu chế tạo của film Permalloy làm giá trị trở kháng của nó thay đổi 2-3% khi xuất hiện từ trường. Thông thường, 4 dây từ trở này được nối với nhau theo dạng mạch cầu Wheatstone, nhờ vậy có thể đo cả hướng và độ lớn của 1 từ trường theo 1 trục nhất định. Điện trở thông thường của cầu là vào khoảng 1 kΩ. Với các sensor AMR thông thường, dải thông vào khoảng 1-5MHz. Giá trị của cảm biến từ trở biến đổi rất nhanh khi từ trường thay đổi và không bị giới hạn bởi cuộn dây hay tần số dao động. Ưu điểm của sensor AMR là có thể gắn vào các mạch tích hợp thương mại, điều này cho phép sensor AMR có thể tự kết hợp với các mạch và linh kiện hệ thống khác. Mạch cầu cảm biến AMR Đặc tính của sensor AMR Các film Permalloy đặt vào các cầu trở khác nhau, đưa ra các đầu ra có giá trị dễ đoán trước khi đặt trong từ trường. Ưu điểm của sensor AMR là chi phí thấp, độ nhạy cao, kích thước nhỏ, khả năng chống nhiễu tốt, và độ tin cậy cao, dễ lắp ráp. Đặc tính của film Permalloy là giá trị điện trở của nó thay đổi ΔR khi từ trường xung quanh biến đổi , từ đó mà có khái niệm từ trở. Việc thay đổi giá trị từ trở này gây ra một sự biến đổi tương ứng điện áp đầu ra. Độ nhạy của cầu thường được biểu diễn cỡ mV/V/Oe. V là kí hiệu của điện áp vào cầu Vbridge = Vb. Nếu độ nhạy là 3mV/V/Oe và Vb=5V thì giá trị áp ra sẽ là 15mV/Oe. Bằng cách chọn bộ khuyếch đại cầu phù hợp, ta có thể thu được mức điện áp ra là 1 microVolt. Điều này dẫn đến độ phân giải từ 67microOersted, hay 1/15000 Oersted. Nếu hệ số khuyếch đại điện áp cầu ra là 67 thì độ nhạy đầu ra tổng sẽ là 1V/gauss. (=67 x 15 mV/gauss). Nếu dải đo là ±2 Gauss, thì đầu ra biến thiên trong khoảng từ 0,5V đến 4,5V. Mức tín hiệu này thích hợp với hầu hết các bộ chuyển đổi ADC. Sử dụng một sensor AMR và một bộ khuyếch đại, có thể nhận biết được chính xác hướng và độ lớn của từ trường. Có những kĩ thuật thiết kế cụ thể để tạo ra các hệ thống phụ sensor từ trường nhạy. Bằng cách đơn giản đổi đặc tính của film Permalloy, điện áp offset của sensor cũng như độ trôi nhiệt của sensor và khuyếch đại có thể loại bỏ. Các dây offset on-chip có thể dùng để tự động căn chỉnh sensor AMR trong các ứng dụng cụ thể, khi hoạt động bình thường. Biến đổi khuyếch đại đầu ra do nhiệt có thể giảm đáng kể bằng cách sử dụng một kĩ thuật hồi tiếp vòng kín, nhờ vậy sensor hoạt động trong môi trường từ ban đầu bằng 0. 4. Cảm biến đo từ trường HMC1053 (Honeywell) HMC1053 là bộ cảm biến đo vectơ từ trường trên 3 trục X, Y, Z dùng để đo các từ trường có cường độ nhỏ (gấp 2 đến 3 lần từ trường trái đất). HMC1053 sử dụng công nghệ cảm biến từ trở không đẳng hướng AMR của Honeywell có độ nhạy và độ chính xác cao, cung cấp những ưu điểm vượt trội so với các cảm biến từ theo công nghệ cảm ứng qua vòng dây cổ điển. HMC1053 là các cảm biến từ trạng thái tĩnh, độ nhạy cao chuyên dùng để đo hướng và độ lớn của từ trường trái đất, có giá trị cường độ trong khoảng từ 120 µGauss đến 6 Gauss.Các cảm biến từ trường của Honeywell là một trong những cảm biến có độ nhạy và độ tin cậy cao nhất trong công nghiệp, với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như la bàn, từ kế, phát hiện kim loại và cảm biến dòng… Mặt dưới cảm biến HMC1053 Đặc điểm - Kích thước nhỏ thích hợp cho các ứng dụng cầm tay, cỡ nhỏ - Khả năng đo chính xác 3 trục vectơ từ trường (x,y,z) - Điện áp hoạt động thấp (min 1.8V) - Thích hợp cho các ứng dụng dùng pin - Giá thành rẻ, chi phí thấp - Mạch cầu Wheatstone 4 dây từ trở - Độ nhiễu thấp - Dải đo từ trường rộng (+/- 6 Oe) - Có thể dùng trong các môi trường từ mạnh - Các dây Set/Reset và Offset linh hoạt, tiện lợi Sơ đồ chân HMC1053 HMC1053 tích hợp cảm biến từ trở là các thiết bị cầu Wheatstone, dùng để đo các từ trường có cường độ thấp. Cấp điện áp cho mạch cầu, cảm biến chuyển đổi các giá trị từ trường thành độ chênh các giá trị điện áp ra. Tích hợp cùng cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone là 2 cặp dây có từ tính: cặp dây offset và cặp dây set/reset. Các cặp dây này được Honeywell thiết kế để điều chỉnh các từ trường nhiễu ngẫu nhiên và thay thế cho cho các cuộn trường bên ngoài và cung cấp các chế độ hoạt động khác nhau. Honeywell tạo ra các dây offset tích hợp (Xoff+ và Xoff-…) có thể dùng để đưa các từ trường cục bộ vào cầu để xử lí hay chỉnh một trường ứng dụng nào đó. Kĩ thuật này có thể dùng để huỷ bỏ các từ trường không mong muốn xung quanh. Dây offset về danh nghĩa là cung cấp từ trường 1 Gauss dọc theo trục nhạy với 48mA của dòng offset qua mỗi dây. Dây offset điều chỉnh các chế độ hoạt động khi có dòng trực tiếp đi qua. Các chế độ đó là: 1) loại trừ các từ trường nhiễu bên ngoài 2) bỏ điện áp offset của cầu 3) bỏ từ trường mạch kín 4) tự động căn chỉnh cầu. Hầu hết các ứng dụng không dùng đến chân offset. Khi đó, ta có thể để hở một hay cả hai đầu Off+ và Off- hay nối đất một trong 2 chân. Chú ý không được nối 2 chân vào nhau để tránh làm ngắn mạch từ. Dây set/reset là dây kim loại xoắn, có giá trị trở kháng nhỏ, vào khoảng 3 đến 6 Ω với giá trị dòng đỉnh tối thiểu qua dây là 0,4A để tạo xung Set và Reset. Thông thường, dây Set/Reset phải được dùng theo chu kì nhất định để điều hoà lại các miền từ của dây từ trở, đảm bảo hoạt động tin cậy và ổn định. Dây set/reset có thể nhận xung dòng cao để thực hiện: 1) cho phép sensor thực hiện các ứng dụng đo đòi hỏi độ nhạy cao 2) đảo cực điện áp cầu ra 3) nạp xung theo chu kì để tăng độ tuyến tính, giảm tác động của nhiệt. Thông thường thì một xung Reset được gửi đi trước, tiếp đến là xung Set sau đó vài mili giây. Bằng cách đẩy các miền từ về hai hướng hoàn toàn ngược nhau, bất cứ nhiễu từ dư nào đều bị xoá hoàn toàn bằng cặp xung trên. Sensor khi chịu tác động của từ trường cường độ cao có thể dẫn đến đo sai, giảm độ nhạy, hay điện áp đầu ra của sensor không biến đổi (kẹt sensor). Cho tới khi nhận được tác động của xung Set/Reset, sensor mới có thể trở về hoạt động bình thường Mạch điều khiển Set/Reset có tác dụng tạo dòng xung giải phóng từ trường khỏi cầu sensor, để tránh làm giảm đặc tính hoạt động của sensor sau khi chịu từ trường cao bất thường (từ trường vượt quá ±10 Gauss). Từ trường cao có thể gây ra bởi nam châm vĩnh cửu, động cơ điện, và các dây cáp mang dòng lớn. Bằng cách gửi theo chu kì các xung có độ lớn dòng thích hợp, phần từ dư trong film Permalloy sẽ bị xoá. Quá trình này tương tự như xoá nội dung của một băng từ, chúng có điểm chung là cùng chứa các film Permalloy. Sơ đồ mạch Set/Reset dùng IRF7509N. 5. Cảm biến đo từ trường HMC2003 (Honeywell) Các tín hiệu ra từ cảm biến HMC1053 cần phải đưa qua một khuyếch đại thuật toán Op-Amp để có thể đi vào bộ chuyển đổi tương tự-số ADC. Với mục đích cung cấp sự tiện lợi cho người sử dụng cũng như đáp ứng khả năng sử dụng linh hoạt cho các ứng dụng khác nhau, Honeywell cũng đã đưa ra thị trường cảm biến HMC2003 là bộ cảm biến tích hợp cảm biến từ HMC1053 và ba bộ khuyếch đại tín hiệu. Tín hiệu điện áp đầu ra Xout, Yout và Zout nằm trong dải điện áp 0 – 5V sẵn sàng để đi vào chuyển đổi tương tự - số ADC, giúp người sử dụng không cần phải lắp thêm bộ khuyếch đại bên ngoài. Các chân Xout, Yout, Zout là các tín hiệu điện áp đầu ra của cầu, đã đi qua bộ khuyếch đại với hệ số khuyếch đại thích hợp để tạo ra dải điện áp 0 – 5V. Ngoài ra, hãng Honeywell cũng đưa ra các chân Xtrim, Ytrim, Ztrim là tín hiệu điện áp đầu ra của cầu chưa đi qua bộ khuyếch đại để người sử dụng có thể tự lựa chọn bộ khuyếch đại với hệ số thích hợp cho ứng dụng của riêng mình. Các giá trị điện áp Xtrim, Ytrim, Ztrim là các điện áp tương tự đầu ra của cầu so với đất GND, tương ứng với giá trị điện áp giữa hai chân Xout+ / Xout-, Yout+ / Yout- và Zout+ / Zout- của cảm biến HMC1053. Một ưu điểm nữa của HMC2003 là có tích hợp một nguồn dòng kích thích trong và các giá trị điện trở offset, trở khuyếch đại do các kĩ thuật viên của Honeywell tính toán, thiết kế và kiểm tra, giúp làm giảm sai số do nhiệt và độ trôi offset. Ba bộ khuyếch đại đo lường chính xác, nhiễu thấp với các bộ lọc thông thấp 1kHz giúp đảm bảo việc đo lường chính xác khi đã loại bỏ các nhiễu không mong muốn. - Đóng vỏ IC DIP20 - Khả năng đo chính xác 3 trục vecto từ trường (X,Y,Z) - Đầu ra tương tự có căn chỉnh -Vref= +2,5 V Onboard - Điện áp hoạt động: +6 đến +15VDC - Chứa vật liệu từ thấp - Dải thông 1kHz - Nhiệt độ hoạt động: -40ºC đến 85ºC Cảm biến HMC2003 Sơ đồ chân cảm biến HMC2003: Do khối trọng tâm bên trong là cảm biến HMC1053 nên nguyên lí hoạt động nói chung cũng như khả năng nhận biết kim loại sắt từ nói riêng của HMC2003 cũng tương tự như HMC1053. Hiểu biết về hoạt động của cảm biến HMC1053, ta có thể thiết kế các sơ đồ mạch nhận biết kim loại sắt từ sử dụng cả hai loại cảm biến này. II. Nguyên lí nhận biết kim loại sắt từ của cảm biến từ HMC1053 1. Từ trường trái đất Trái đất tạo ra một từ trường có giá trị cố định không đổi trên một diện tích rộng (khoảng vài km2). Từ trường trái đất mà la bàn thu được có cường độ khoảng 0,5 đến 0,6 Gauss, và có thể coi gần bằng từ trường tạo ra từ một nam châm lưỡng cực như hình dưới đây. Điều này tương tự như đặt 1 thanh dài nam châm từ hoá dọc theo trục đi qua tâm trái đất. Các cực của thanh nam châm này lệch khoảng 11,5˚ so với cực địa lí trái đất. Cực nam của nam châm ứng với cực bắc trái đất. Từ trường trái đất coi như một từ trường đều có cường độ 0,5-0,6 Gauss xuyên qua mọi vật giữa 2 cực từ bắc-nam. Như vậy, ta dùng một cảm biến từ trường cường độ nhỏ như HMC1053 để đo tín hiệu từ trường này của trái đất, đồng thời đo từ trường nhiễu mà các vật thể bằng sắt ở gần đó tạo ra. Hình dưới đây mô tả một ví dụ về các đường sức từ của trái đất ở điều kiện bình thường, và nhiễu từ khi xung quanh có một vật bằng sắt xuất hiện. vật thể chứa sắt + từ trường không đổi của trái đất = nhiễu từ Khi các đường sức từ bị kéo tập trung lại hay tản ra, một cảm biến đặt gần đó cũng sẽ chịu ảnh hưởng của từ trường do vật sắt tạo ra tác động lên từ trường trái đất. Như vậy, dựa vào sự thay đổi độ lớn của cường độ từ trường đo được, cảm biến có thể nhận biết được sự xuất hiện của các vật thể bằng sắt trong khoảng không gian giới hạn xung quanh. Hình sau chỉ rõ một vật làm bằng sắt , trường hợp này là một ôtô có thể tạo ra một nhiễu cục bộ trong từ trường này khi nó đang đứng yên hay di chuyển. Cảm biến HMC1053 có thể phát hiện ra các thay đổi trong từ trường này của trái đất do chiếc ôtô gây ra, từ đó có thể tạo ra các ứng dụng khác nhau. 2. Nguyên lí nhận biết kim loại sắt từ của cảm biến từ HMC1053 Từ trường trái đất tạo ra có giá trị cố định không đổi trên một diện tích rộng khoảng vài km2. Đặt trong môi trường bình thường, dưới tác dụng của từ trường trái đất, giá trị các dây từ trở cảm biến thay đổi và tạo ra một chênh áp ở đầu ra của cầu. Đầu ra cảm biến HMC1053 tạo ra giá trị điện áp V1. Khi trong môi trường xung quanh cảm biến xuất hiện một vật liệu sắt từ, ví dụ một xe ôtô. Khối lượng sắt trong xe làm biến đổi giá trị của từ trường xung quanh vị trí xe xuất hiện. Từ trường này tác động vào cảm biến, làm biến đổi giá trị từ trở của các dây film Permalloy, từ đó thay đổi điện áp đầu ra của cầu. Lúc này xuất hiện giá trị điện áp V2 ở đầu ra cảm biến HMC1053. Các giá trị điện áp V1 và V2 này được đưa qua một bộ khuyếch đại với hệ số khuyếch đại thích hợp và được đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ tính toán và hiển thị được giá trị cường độ từ trường H1 bình thường của môi trường trái đất cũng như giá trị từ trường H2 khi có vật liệu sắt từ, lúc này là một xe ôtô, xuất hiện. Đồng thời, qua giá trị ∆H = H1 - H2 , vi điều khiển sẽ xử lí và nhận biết được sự xuất hiện của khối vật liệu sắt từ. Cảm biến đo từ trường HMC1053 đưa ra 3 đầu ra tín hiệu điện áp qua bộ khuyếch đại trở thành 3 tín hiệu tương tự trong dải 0-5V. Ba tín hiệu tương tự này sau đó đi qua 1 bộ dồn kênh vào chuyển đổi ADC để có thể đưa vào vi xử lí tính toán. Sơ đồ nguyên lí Cảm biến đo từ trường HMC1053 đưa ra 3 đầu ra tín hiệu điện áp qua bộ khuyếch đại trở thành 3 tín hiệu tương tự trong dải 0-5V, đòi hỏi vi điều khiển tiếp nhận và xử lí. Ba tín hiệu tương tự này cần đi qua 1 bộ dồn kênh vào chuyển đổi ADC để có thể đưa vào bộ xử lí CPU. Như vậy, nếu sử dụng các loại vi điều khiển thông thường, ta sẽ cần sử dụng thêm một bộ dồn kênh MUX bên ngoài và một bộ chuyển đổi ADC để chuyển đổi chuẩn hóa trước khi đưa tín hiệu vào vi điều khiển. Điều này có hạn chế là làm tăng kích thước mạch điện cũng như giá thành thiết bị. Vì vậy, em đã sử dụng vi điều khiển PSoC, nhằm giải quyết được những hạn chế này. Là một trong những loại vi điều khiển hàng đầu sử dụng công nghệ System-on-chip, PSoC là giải pháp mới thích hợp cho các ứng dụng đo lường, điều khiển. PSoC (Programmable System on Chip) nghĩa là hệ thống khả trình trên một chip. Các chip chế tạo theo công nghệ PSoC cho phép thay đổi được cấu hình đơn giản bằng cách gán chức năng cho các khối tài nguyên có sẵn trên chip. Hơn nữa nó còn có thể kết nối tương đối mềm dẻo các khối chức năng với nhau hoặc giữa các khối chức năng với các cổng vào ra. Chính vì vậy mà PSoC có thể thay thế cho rất nhiều chức năng nền của một số hệ thống cơ bản chỉ bằng một đơn chip. Bản thân trong chip PSoC đã tích hợp các bộ dồn kênh tương tự và các bộ ADC có độ phân giải cao, rất phù hợp với yêu cầu của ứng dụng, góp phần làm giảm kích thước mạch điện cũng như giảm chi phí của thiết bị. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ I. Nguyên lí làm việc của thiết bị Thiết bị gồm một đầu dò và một đầu thu, đặt cách nhau 1,2 đến 1,5m. Hai đầu dò và thu được đặt song song, cách nhau 1,2 – 1,5m nên các trục vectơ Hx, Hy, Hz song song với nhau từng đôi một. Một đầu dò H1 di chuyển sát mặt đất để đo cường độ từ trường nhiễu gây bởi vật liệu sắt từ (nếu có) tại vị trí gần mặt đất, đầu thu H2 ở độ cao cách mặt đất 1,2 – 1,5m không bị ảnh hưởng của nhiễu từ do vật liệu sắt từ gây ra, cường độ từ trường H2 đầu thu đo được chính là cường độ từ trường tự nhiên, không đổi của môi trường xung quanh. H1 2 = Hx12 +Hy12 + Hz12 H2 2 = Hx22 +Hy22 + Hz22 Vì đầu dò và đầu thu được đặt song song, nếu có một khối vật liệu sắt từ lớn nào đó ở môi trường xung quanh tác động vào thì ảnh hưởng của nó đến cường độ từ trường hai đầu thu được là như nhau, dẫn đến có thể loại trừ sai số do tác động bên ngoài của môi trường, không ảnh hưởng đến biến đổi từ trường gây bởi vật liệu sắt từ dưới đất cần phát hiện. Trong trường hợp khoảng không dưới mặt đất tại vị trí của đầu dò H1 không có vật liệu sắt từ, lúc này Hx1 ≈ Hx2, Hy1 ≈ Hy2, Hz1 ≈ Hz2, từ đó dẫn đến H1 ≈ H2, màn hình LCD hiển thị ∆Hx ≈ ∆Hy ≈ ∆Hz ≈ ∆H ≈ 0 máy không phát tín hiệu. Khi dưới mặt đất tại vị trí đầu dò H1 xuất hiện vật liệu sắt từ nằm trong vùng cảm nhận từ của đầu dò H1, đầu dò H1 sẽ thu được giá trị vectơ từ trường biến đổi Hx1, Hy1, Hz1 do vật liệu sắt từ gây ra. Trong khi đó, khoảng cách giữa vật liệu sắt từ dưới đất và đầu thu H2 lớn hơn 1m nên cảm biến của đầu thu H2 không thu được giá trị từ trường biến đổi do vật liệu sắt từ gây ra. Từ trường mà đầu thu H2 thu được là từ trường không đổi của trái đất. Trường hợp này Hx1 ≠ Hx2, Hy1 ≠ Hy2, Hz1 ≠ Hz2 , ta có H1 ≠ H2 Người sử dụng đọc được trên màn hình LCD ∆Hx ≠ ∆Hy ≠ ∆Hz ≠ 0 và giá trị ∆H ≠ 0. Dựa vào độ lớn của giá trị ∆H tại vị trí đầu dò H1 hiện tại và biến đổi ∆H khi đưa đầu dò sang các vị trí lân cận, người sử dụng có thể khoanh vùng được vị trí hẹp của vật liệu sắt từ bên dưới mặt đất. Khi giá trị ∆H tiến đến một độ lớn cụ thể đã định trước (ví dụ 500 mGauss _ là độ biến thiên từ trường ∆H gây bởi một vật liệu sắt từ khối lượng 0.7 kg, mức ngưỡng của vật thể cần tìm), đầu thu H2 sẽ báo tín hiệu âm thanh Beep, đồng thời đèn Led trên thiết bị sẽ nháy sáng để gây chú ý cho người sử dụng. Trên thiết bị có gắn cổng RS232 để truyền giá trị Hx1, Hy1, Hz1 và độ lớn H1 về máy tính để xử lí, lưu giữ và vẽ đồ thị biến đổi Hx1, Hy1, Hz1. Dựa vào đồ thị biểu diễn cường độ từ trường H1 người sử dụng cũng có thể xác định được vị trí của vật thể sắt từ. Hình sau minh họa đồ thị biến thiên Hx1, Hy1, Hz1 và H1 khi đầu dò H1 quét qua một vật thể sắt từ. Nhìn đồ thị ta có thể nhận thấy trong khoảng thời gian từ giây thứ 1 – 51 và 101 – 151, khoảng không gian bên dưới xung quanh đầu dò không có vật thể sắt từ, giá trị vectơ từ trường đo được trên cả 3 trục X, Y,Z không biến đổi, biểu hiện bằng đường thẳng tương đối trong tọa độ thời gian 1 – 51 và 101 – 151. Còn trong khoảng tọa độ thời gian 51 – 101, giá trị từ trường trên cả 3 trục biến đổi dẫn đến biến thiên về độ lớn của từ trường H1 từ giá trị 580 mGauss lên đến khoảng 800 mGauss. Người sử dụng có thể kết luận tại vị trí đầu dò quét qua trong khoảng thời gian 51 – 101 đó, có một vật thể sắt từ nằm dưới đất. Từ trường của 3 trục biến đổi có thể chỉ ra sự xuất hiện của vật liệu sắt từ tại vị trí đầu dò 1. Đặc biệt là từ trường của trục z, giá trị Hz đạt max