فشارسنج دیجیتال باد با سنسور MPS-2108 و آپ‌امپ

مدار این پروژه بسیار خلوت و ساده است. در ادامه لیست قطعات اصلی که برای ساخت این فشارسنج نیاز داریم را بررسی می‌کنیم:

1. سنسور فشار هوا مدل MPS-2108-100GC

این سنسور به دلیل پایداری بالا و قیمت مناسب، انتخابی عالی برای پروژه‌های اندازه‌گیری است.

1. ماژول ولت‌متر دیجیتال DC سه‌سیمه

از این ماژول به عنوان نمایشگر اصلی فشار سیستم استفاده خواهیم کرد.

1. آیسی آپ‌امپ مدل LM324N

این تراشه شامل چهار آپ‌امپ مستقل است که وظیفه تقویت سیگنال را بر عهده دارد.

1. پتانسیومتر مولتی‌ترن 10 کیلواهم

مدل‌های مولتی‌ترن به تو اجازه می‌دهند کالیبراسیون و تنظیم گین را با دقت فوق‌العاده‌ای انجام دهی.

1. مقاومت‌های مورد نیاز:
2. چهار عدد 1 مگا اهم (خطای 1 درصد)
3. دو عدد 100 کیلواهم
4. یک عدد 2 کیلواهم

برای راه‌اندازی مدار، به یک منبع تغذیه 12 ولت DC رگوله‌شده نیاز داری. می‌توانی از یک آداپتور سوئیچینگ 12 ولت معمولی استفاده کنی یا اگر ترانس در دسترست هست، با یک پل دیود، خازن و آیسی رگولاتور LM7812 ولتاژ مورد نیازت را بسازی. مدار مصرف جریان پایینی دارد، پس هر منبع تغذیه 12 ولت استانداردی به خوبی جواب می‌دهد.

برای شروع کار حتما قطعات را روی یک برد بورد مونتاژ کن. بعد از اینکه مدار را کالیبره کردی و جواب قطعی گرفتی، می‌توانی همه‌چیز را روی یک برد سوراخ‌دار یا PCB لحیم کنی.

قبل از اینکه قطعات را روی برد بورد قرار دهی، بهتر است نگاهی به بلوک‌دیاگرام مدار بیندازیم تا دقیقا بدانی هر بخش چه وظیفه‌ای دارد. درک این مراحل به تو در عیب‌یابی احتمالی بسیار کمک می‌کند. همان‌طور که در تصویر اول می‌بینی، مدار ما از سه بلوک اصلی تشکیل شده است:

1. سنسور فشار MPS-2108-100GC

این سنسور بسیار دقیق است و می‌تواند فشار را تا 100 PSI اندازه‌گیری کند. طبق دیتاشیت، اگر این سنسور با ولتاژ 5 ولت تغذیه شود، ولتاژ خروجی آن در حداکثر فشار بین 70 تا 170 میلی‌ولت خواهد بود. از آنجایی که ما مدار را با 12 ولت تغذیه می‌کنیم، این بازه کمی بیشتر می‌شود.

ساختار داخلی این سنسور دقیقا شبیه یک پل وتستون است (همان شبکه مقاومتی لوزی‌شکلی که در تصویر دوم می‌بینی). برای اینکه این پل به درستی کار کند، باید اتصال بین پایه‌های مقاومت‌های داخلی را از بیرون کامل کنیم.

مدار پل وتستون به ما کمک می‌کند تغییرات مقاومت سنسور (که با میزان فشار رابطه مستقیم دارد) را اندازه‌گیری کنیم. وقتی فشاری به سنسور وارد نمی‌شود، پل در حالت تعادل است و اختلاف ولتاژ بین دو پایه خروجی صفر خواهد بود.

اما به محض اینکه فشار هوا افزایش پیدا کند، تعادل پل به هم می‌ریزد و یک اختلاف ولتاژ تفاضلی (Differential Voltage) در خروجی سنسور تولید می‌شود که در محدوده میلی‌ولت است.

حالا ما باید این سیگنال ضعیف را پردازش کنیم تا بتوانیم آن را روی یک نمایشگر معمولی نشان دهیم. اینجاست که ایده خلاقانه پروژه خودش را نشان می‌دهد.

1. ماژول ولت‌متر دیجیتال سه‌سیمه

ماژول ولت‌متر یک قطعه آماده و فوق‌العاده ارزان است که سون‌سگمنت خوانایی دارد. ترفند ما این است: مدار تقویت‌کننده را طوری تنظیم می‌کنیم که به ازای هر 1 بار (Bar) فشار، دقیقا 1 ولت خروجی بدهد. این یعنی وقتی فشار 2.5 بار است، ولتاژ خروجی 2.5 ولت می‌شود و ولت‌متر دقیقا عدد 2.5 را روی صفحه نشان می‌دهد!

برای اجرای این ایده، فقط باید سیگنال میلی‌ولتی سنسور را با یک ضریب مشخص (Gain) تقویت کنیم. این وظیفه به بلوک میانی مدار سپرده می‌شود.

1. تقویت‌کننده ابزاردقیق (Instrumentation Amplifier)

تقویت‌کننده‌های عملیاتی (آپ‌امپ‌ها) می‌توانند سیگنال‌ها را تقویت کنند. اما مدارهای معمول مثل تقویت‌کننده معکوس‌کننده یا غیرمعکوس‌کننده، فقط یک پایه ورودی دارند. به این حالت، ورودی Single-ended می‌گویند که برای سنسور ما مناسب نیست.

از آنجایی که خروجی سنسور ما یک اختلاف ولتاژ بین دو پایه است، باید از مدار تقویت‌کننده تفاضلی استفاده کنیم. مشکل مدار تفاضلی ساده این است که برای تغییر میزان ضریب تقویت (گین)، باید همزمان مقدار دو مقاومت را تغییر دهیم که کار کالیبراسیون را سخت می‌کند.

به همین دلیل، بهترین انتخاب مدار "تقویت‌کننده ابزاردقیق" است. این پیکربندی دارای دو طبقه بافر ورودی است و بزرگ‌ترین مزیتش این است که ضریب تقویت مدار فقط با تغییر مقدار یک تک‌مقاومت (RG) تنظیم می‌شود؛ دقیقا همان پتانسیومتری که در لیست قطعات داشتیم!

حالا که با منطق مدار آشنا شدی، دست‌به‌کار می‌شویم و قطعات را مونتاژ می‌کنیم:

1. اتصال منبع تغذیه

ابتدا خطوط تغذیه 12 ولت DC را به برد بورد متصل کن. حتما دقت کن که قطب مثبت به ریل قرمز و قطب منفی به ریل آبی (GND) وصل شود. رعایت قطب‌ها بسیار مهم است، چون اتصال برعکس می‌تواند در همان لحظه اول به آپ‌امپ یا ماژول ولت‌متر آسیب برساند.

1. جای‌گذاری و اتصال پایه‌های سنسور

سنسور را طوری روی برد بورد قرار بده که برجستگی (Notch) آن به سمت بالا باشد. نکته طلایی این است که در این حالت، پین 1 سنسور در گوشه بالا-راست قرار می‌گیرد، نه بالا-چپ! دلیلش این است که دیتاشیت، پایه‌ها را از نمای کف سنسور شماره‌گذاری کرده است. من یک تصویر راهنما برای جهت پایه‌های سنسور ضمیمه کرده‌ام تا خیالت از این بابت راحت باشد.

حالا مطابق نقشه شماتیک پیش می‌رویم. همان‌طور که گفتیم، مدار از سه بخش اصلی تشکیل شده است. ابتدا پین 1 و پین 6 سنسور را با یک سیم جامپر به هم وصل کن (این دو پایه خط Output- را تشکیل می‌دهند).

سپس پین 2 را به خط +12 ولت، پین 3 را به عنوان خط Output+ و پین 5 را به GND برد بورد متصل کن. پین 4 نیازی به اتصال ندارد و آزاد می‌ماند. خطوط خروجی مثبت و منفی سنسور را با سیم‌های جامپر بلندتر به بخش بعدی مدار می‌رسانیم.

1. اتصال آیسی آپ‌امپ LM324N

حالا تراشه اصلی مدار یعنی LM324N را روی خط میانی برد بورد جا بزن. جهت بریدگی (نشانگر) آیسی باید رو به بالا باشد. ما با اضافه کردن چند مقاومت، از سه تا از آپ‌امپ‌های داخلی این تراشه به عنوان تقویت‌کننده ابزاردقیق استفاده می‌کنیم. برای تأمین تغذیه آیسی، پین 4 را به 12 ولت و پین 11 را به GND وصل کن.

سیم‌های خروجی سنسور را که آماده کرده بودی متصل کن؛ پایه Output+ به پین 3 و پایه Output- به پین 5 آیسی وصل می‌شود. برای تنظیم آپ‌امپ‌های ورودی، یک مقاومت 100 کیلواهم (R6) بین پین 1 و 2، و یک مقاومت 100 کیلواهم دیگر (R5) بین پین 6 و 7 قرار بده. سپس با دو جامپر، از پین 2 و پین 6 انشعاب بگیر و به بخش خالی برد بورد ببر.

در آن فضای خالی، پتانسیومتر مولتی‌ترن 10 کیلواهم را سری با مقاومت 2 کیلواهم، بین دو انشعابی که گرفتی قرار بده. این مجموعه همان مقاومت RG ما است که گین مدار را مشخص می‌کند. پایه اول پتانسیومتر آزاد می‌ماند و فقط از پایه وسط و پایه آخر استفاده می‌کنیم.

در قدم بعدی، باید خروجی بافرها را به آپ‌امپ سوم وصل کنیم. پین 1 را با یک مقاومت 1 مگا اهم به پین 10 و از همان پین 10 با یک مقاومت 1 مگا اهم دیگر به GND وصل کن. برای ورودی منفی هم، پین 7 را با یک مقاومت 1 مگا اهم به پین 9 و از پین 9 با یک مقاومت 1 مگا اهم دیگر به پین 8 متصل کن. دقت کن که خروجی نهایی مدار ما (سیگنال Vout) از روی پین شماره 8 آیسی گرفته می‌شود.

1. اتصال ماژول نمایشگر ولت‌متر

نصب نمایشگر خیلی راحت است. سیم قرمز ولت‌متر را به تغذیه 12 ولت و سیم مشکی را به GND وصل کن. تنها سیم باقی‌مانده (معمولا زرد یا سفید) را هم به پین 8 آیسی LM324 که همان سیگنال Vout است متصل کن.

حالا که سیم‌کشی تمام شد، وقت تست و تنظیم مدار است. برای کالیبره کردن این فشارسنج، به یک مرجع مطمئن مثل یک کمپرسور باد با گیج عقربه‌ای سالم نیاز داری. می‌توانی با استفاده از یک شلنگ پنوماتیک پلی‌اورتان (PU) با قطر داخلی 4 میلی‌متر، سنسور را بدون هیچ‌گونه نشتی به کمپرسور وصل کنی.

وقتی شلنگ را متصل کردی، تغذیه مدار را روشن کن. چون مخزن کمپرسور خالی است، نمایشگر باید عدد صفر را نشان دهد. حالا کمپرسور را روشن کن و حواست باشد که هیچ نشتی هوایی وجود نداشته باشد. با پر شدن مخزن، عددی که ولت‌متر نشان می‌دهد باید به آرامی بالا برود.

وقتی عقربه کمپرسور دقیقا روی فشار 2 بار (Bar) رسید، آن را خاموش کن. حالا با یک پیچ‌گوشتی کوچک، پتانسیومتر مولتی‌ترن را به آرامی بچرخان تا عدد روی ولت‌متر دقیقا روی 2.00 تنظیم شود.

برای تست نهایی، فشار مخزن را خالی کن و دوباره کمپرسور را استارت بزن. با بالا رفتن فشار، عددی که نمایشگر تو نشان می‌دهد باید ثانیه‌به‌ثانیه با گیج آنالوگ کمپرسور هماهنگ و برابر باشد.

مقدار مقاومتی (RG) که برای تنظیم مدارت به دست می‌آوری ممکن است با توجه به تلورانس قطعات و سنسور کمی متفاوت باشد. به همین راحتی توانستی یک دستگاه اندازه‌گیری دقیق و دیجیتال برای پروژه‌هایت بسازی! اگر این فشارسنج را ساختی، حتما در بخش نظرات آیسی‌مدار برایمان بنویس که مدارت روی چه مقاومتی کالیبره شد و این گجت جدید را کجا نصب کردی. بی‌صبرانه منتظر دیدن نظراتت هستیم. Thank You