Cảm biến đọc sai thường không phải do cảm biến hỏng, mà do những thứ quanh nó: nhiễu từ động cơ và rơ le, dây tín hiệu dài chạy song song dây nguồn, chân đầu vào thả nổi không có điện trở kéo, nối đất kém, hoặc nút bấm bị dội tiếp điểm. Phần lớn trường hợp sửa được bằng cách đi dây lại, thêm tụ lọc, thêm điện trở kéo và lọc số đo trong phần mềm.
Chào bạn, đây là Nhà Chế Tạo. Mạch chạy ngon trên bàn, đem ra lắp vào máy thật, dây kéo dài vài mét, động cơ bắt đầu quay, và số đo nhảy múa. Đây là lúc nhiều người đổ lỗi cho cảm biến rẻ tiền, mua cái mới, và gặp lại đúng lỗi đó. Tập này mình kể về thế giới ồn ào của điện trong một cái máy thật.
Đầu vào thả nổi: chân không biết mình đang ở đâu
Một chân đầu vào số của vi điều khiển chỉ biết hai trạng thái: cao hoặc thấp. Nếu chân đó nối với một nút bấm, khi nút nhấn, chân được nối xuống đất, rõ ràng là thấp. Nhưng khi nút nhả, chân không nối với gì cả.
Lúc đó chân ở trạng thái thả nổi. Nó như một cái ăng ten nhỏ, bắt mọi nhiễu xung quanh, và giá trị đọc được nhảy lung tung giữa cao và thấp. Chạm tay gần mạch cũng làm thay đổi.
Cách sửa là thêm điện trở kéo lên, nối chân đó lên mức điện áp nguồn qua một điện trở vài nghìn tới vài chục nghìn ôm. Khi nút nhả, chân được kéo lên cao một cách chắc chắn. Khi nhấn, nút nối xuống đất mạnh hơn điện trở, chân về thấp.
Nhiều vi điều khiển có sẵn điện trở kéo lên bên trong, bật bằng một dòng lệnh. Với dây dài và môi trường ồn, điện trở ngoài giá trị nhỏ hơn thường chắc ăn hơn.
Nút bấm dội: một lần nhấn thành nhiều lần
Tiếp điểm kim loại trong nút bấm khi đóng lại không đóng dứt khoát, mà nảy lên nảy xuống vài lần trong một khoảng thời gian rất ngắn, mắt thường không thấy. Vi điều khiển đọc rất nhanh, nên nó thấy một lần nhấn thành nhiều lần.
Nếu bạn đếm số lần nhấn, hoặc bật tắt một thứ gì đó mỗi lần nhấn, hiện tượng dội sẽ làm kết quả sai.
Cách chống dội bằng phần mềm đơn giản nhất: khi thấy trạng thái đổi, chờ một khoảng ngắn, vài chục phần nghìn giây, rồi đọc lại. Nếu vẫn giữ trạng thái mới, coi là một lần nhấn thật.
Cách bằng phần cứng là thêm một tụ điện nhỏ kết hợp với điện trở để làm mềm tín hiệu. Công tắc hành trình, cảm biến cơ khí trên máy cũng bị dội, nên cũng cần xử lý tương tự.
Nhiễu từ động cơ, rơ le và dây dài
Động cơ chổi than sinh tia lửa nhỏ liên tục ở cổ góp, phát ra nhiễu điện từ. Rơ le và cuộn dây khi ngắt sinh xung điện áp cao. Mạch điều khiển động cơ đóng cắt nhanh cũng sinh nhiễu. Tất cả lan qua dây nguồn và qua không khí.
Dây tín hiệu dài từ cảm biến về vi điều khiển giống như một ăng ten. Nếu nó chạy song song sát dây nguồn động cơ, nhiễu từ dây động cơ cảm ứng sang dây tín hiệu.
Cách đi dây tốt: tách xa dây tín hiệu khỏi dây nguồn động cơ, cắt chéo góc vuông khi phải đi qua nhau. Dùng dây xoắn đôi, xoắn dây tín hiệu với dây đất của nó, để nhiễu cảm ứng vào hai dây gần như bằng nhau và triệt tiêu.
Với động cơ chổi than nhỏ, hàn một tụ gốm nhỏ ngay giữa hai cực động cơ giúp giảm nhiễu phát ra. Với cuộn rơ le, đặt điốt ngược song song cuộn dây.
Nối đất: mốc chung mà ai cũng xem nhẹ
Mọi điện áp đều được đo so với một mốc, gọi là đất của mạch. Nếu đất ở chỗ cảm biến và đất ở chỗ vi điều khiển chênh nhau, dù chỉ một chút, số đo tương tự sẽ sai theo đúng mức chênh đó.
Chênh đất xảy ra khi dòng lớn của động cơ chạy qua cùng dây đất với tín hiệu nhỏ. Dây có điện trở, dòng lớn chạy qua tạo sụt áp, và đất ở đầu này khác đầu kia.
Cách làm tốt là đi dây đất theo kiểu hình sao: dây đất của động cơ và dây đất của mạch tín hiệu chạy riêng về một điểm chung, gần nguồn, thay vì nối nối tiếp dây này qua dây kia.
Thêm tụ lọc gần chân nguồn của vi điều khiển và của cảm biến. Một tụ gốm nhỏ cho nhiễu tần số cao, một tụ hoá lớn hơn cho dao động chậm. Đây là thói quen mà mọi bảng mạch chuyên nghiệp đều có.
Lọc trong phần mềm và kiểm tra có hệ thống
Số đo tương tự luôn có dao động nhỏ. Đọc nhiều lần rồi lấy trung bình là cách lọc đơn giản nhất. Lấy trung vị, tức bỏ những giá trị nhảy vọt bất thường, còn tốt hơn khi có nhiễu xung.
Một bộ lọc trung bình trượt, mỗi lần đọc chỉ lấy một phần giá trị mới cộng với phần lớn giá trị cũ, cho số đo mượt mà ít tốn bộ nhớ. Đổi lại, nó phản ứng chậm hơn với thay đổi thật.
Khi tìm lỗi, làm có hệ thống. Tắt động cơ, xem nhiễu có hết không. Rút ngắn dây, xem có đỡ không. Cấp nguồn bằng pin thay vì bộ đổi nguồn, xem có khác không. Mỗi lần chỉ thay một thứ.
Lọc phần mềm là lớp cuối, không phải lớp đầu. Đi dây tốt, nối đất tốt, tụ lọc đúng chỗ mới là gốc. Phần mềm chỉ dọn phần còn lại.
Câu hỏi thường gặp
Dây tín hiệu cảm biến dài bao nhiêu thì bắt đầu có vấn đề?
Không có con số cố định, tuỳ loại tín hiệu, tốc độ và môi trường nhiễu. Tín hiệu tương tự nhỏ và giao tiếp tốc độ cao nhạy hơn. Với dây dài, cân nhắc chuẩn truyền tín hiệu vi sai hoặc đặt bộ đọc gần cảm biến.
Dây có vỏ chống nhiễu nên nối đất ở đầu nào?
Thường chỉ nối đất lớp vỏ ở một đầu, phía bộ điều khiển, để tránh dòng chạy vòng qua lớp vỏ. Tuy nhiên có trường hợp khác nhau, nên tham khảo tài liệu của thiết bị.
Vì sao chạm tay vào mạch thì số đo thay đổi?
Cơ thể người như một tụ điện và ăng ten, làm thay đổi tín hiệu ở những chân thả nổi hoặc trở kháng cao. Thêm điện trở kéo và tụ lọc sẽ khắc phục.
Cảm biến nhiệt độ đọc sai vài độ có phải hỏng không?
Chưa chắc. Có thể do vị trí đặt gần nguồn nhiệt như chính vi điều khiển, do chênh đất, hoặc do sai số cho phép của cảm biến. So với nhiệt kế đáng tin để hiệu chỉnh.
Có cần mạch cách ly quang cho cảm biến không?
Khi cảm biến nằm trong môi trường nhiễu mạnh hoặc gần điện áp cao, cách ly quang giúp tách hẳn hai phần mạch. Với dự án nhỏ thấp áp, thường chưa cần.
