luan van cao hoc vi dieu khien

tính cấp thiết của đề tàiVới tính cấp thiết nh vậy, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo l ờng l u l ợng chất lỏng dựa trên họ vi điều khiển MSP430.” với mục tiêu là: 1/ Nghi

§Ò tµi: Nghiªn cøu, x©y dùng hÖ §o l êng l u l îng chÊt láng dùa trªn vi

®iÒu khiÓn MSP 430

tính cấp thiết của đề tài

Trong thời đại phát triển khoa học công nghệ nhanh và ngày càng hoàn thiện với đầy đủ các tính năng tích hợp nh ngay nay Các hãng tên tuổi lớn nh Intel, Motorola, Texas Instrument, Atmel, Phillips lần l ợt đ a ra các hệ vi điều khiển mới có khả năng tốc độ siêu xử lý, tiết kiệm năng l ợng nhất.

Họ vi điều khiển MPS 430 của hãng Texas Instrument

là một ví dụ điển hình cho các tính năng v ợt trội về tốc độ xử lý tín hiệu, tiết kiệm năng l ợng, và thông minh Hiện nay ở Việt nam, Họ vi điều khiển MSP430 còn rất mới, ch a có một tài liệu tiếng việt cụ thể nào nó rõ về họ này

tính cấp thiết của đề tài

Với tính cấp thiết nh vậy, tôi đã chọn đề tài “Nghiên

cứu, xây dựng hệ đo l ờng l u l ợng chất lỏng dựa trên họ vi điều khiển MSP430.” với mục tiêu là:

1/ Nghiên cứu tổ chức phần cứng, phần mềm của MSP

430 ch a đ ợc phổ biến rộng rãi để làm sáng tỏ đ ợc các đặc tính công nghệ mới, u việt của họ vi điều khiển nhằm ứng dụng vào trong thực tiễn cuộc sống

2/ Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng một hệ ứng dụng điển hình: Hệ đo l ờng l u l ợng chất lỏng dựa trên vi điều khiển MSP

430 Từ đó khẳng định đ ợc việc làm chủ họ vi điều khiển MSP

430 sau thời gian nghiên cứu lý thuyết cấu trúc phần cứng của MSP430, cũng nh trình biên dịch AQ430 dành cho nó.

1.1 Giới thiệu chung

Vi điều khiển là mạch tích hợp trên một chíp có thể lập trình đ ợc Nhằm để biểu diễn hoạt động của một hệ thống theo các tập lệnh của ng ời lập trình Bộ vi điều khiển tiến hành đọc thông tin, l u trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành

đóng mở một cơ cấu nào đó

Bộ vi điều khiển với dung l ợng RAM, ROM trên chip và cổng vào - ra đã trở nên trong nhiều ứng dụng yêu cầu giá thành hạ và không gian sử dụng hạn chế Những ứng dụng, ví dụ

nh bộ điều khiển TV từ xa, điều hoà, máy giặt, điện thoại Các

hệ thống càng “Thông minh” thì vai trò của bộ vi điều khiển càng quan trọng.

- Bộ vi điều khiển đ ợc phát triển từ bộ vi xử lý, từ những năm của thập kỷ 70, dựa trên kỹ thuật MOS ( Metal-Oxide- Semiconductor).

- Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lý 4 bit loại TMS1000 do hãng TI (Texas Instruments) phát minh

- Năm 1976 hãng INTEL(Interlligen-Elictronics) mới cho

ra đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi

8048

- Đến năm 1980 hãng INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ điều khiển đơn chip với tên gọi 8051 Sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình thành họ vi

điều khiển MCS-51.

- Mới đây hãng TI (Texas Itruments) đã cho ra đời một

họ vi điều khiển mới có tính công nghệ cao, công nghệ RISS bit, CMOS, và trên họ vi điều khiển MSP430 còn tích hợp đ ợc rất nhiều tính năng nh : Tốc độ tính toán, hệ thống xung đồng hồ, bộ chuyển đổi ADC, DCA

16-1.3 Kh¶o s¸t hä vi ®iÒu khiÓn 8051

C¸c tÝnh n¨ng kü thuËt v îc bËc næi tréi cña MSP 430:

C«ng nghÖ CMOS tiªu thô n¨ng l îng thÊp, nguån nu«i RAM 0.1-mA, 0.8-mA.

Tiªu chuÈn analog cho phÐp ®o chÝnh x¸c.

Bé so s¸nh ®iÖn ¸p thÊp, cã kh¶ n¨ng kÕt nèi víi thiÕt

Kết luận ch ơng 1:

 Đã định nghĩa và làm rõ đ ợc khái niệm về vi điều khiển, các khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực đời sống, khoa học kỹ thuật.

hãng tên tuổi trên thế giới nh INTEL, TI, Motorola , nêu sơ qua đ ợc các đặc tính kỹ thuật của chúng

 Khảo sát sơ bộ về họ vi điều khiển MSP 430 mà mục

đính của luận văn cần đề cập Nêu đ ợc các đặc tính nổi trội

về công nghệ so với các hộ vi điều khiển cổ điển Đây là họ

vi điều khiển đang còn rất mới với thị tr ờng Việt Nam.

Ch ¬ng 2

Tæ chøc phÇn cøng MSP 430

Ch ¬ng 2

Tæ chøc phÇn cøng MSP 430

2.1- Sơ đồ kiến trúc

3 Thanh ghi trạng thái đ ợc cất vào ngăn xếp.

4 Ngắt với mức u tiên cao nhất đ ợc chọn, nếu có nhiều ngắt xuất hiện sau lệnh cuối cùng và đang chờ đ ợc phục vụ.

5 Yêu cầu ngắt tự động thiết lập lại cờ.

6 Thanh ghi trạng thái SR đ ợc xóa với việc không tính đến SCG0.

7 Nội dung của vecto ngắt đ ợc nạp vào PC: Ch ơng trình tiếp tục với trình phục vụ ngắt tại địa chỉ đó.

2.4 CPU

Các đặc tr ng CPU bao gồm:

- Kiến trúc RISC với 27 lệnh và 7 chế độ định địa chỉ.

- Kiến trúc trực giao với mỗi lệnh có thể sử dụng mỗi chế độ định địa chỉ.

- Truy cập thanh ghi đầy đủ bao gồm PC, SR, và SP

- Các hoạt động thanh ghi một chu kỳ.

- Tập thanh ghi rộng 16-bit giảm tìm nạp tới bộ nhớ Bus địa chỉ 16-bit cho phép truy cập trực tiếp và rẽ nhánh khắp nơi toàn bộ bộ nhớ.

- Bus dữ liệu 16-bit cho phép thao tác trực tiếp các đối số có độ rộng từ.

- Bộ phát hằng số cung cấp nhiều nhất 6 giá trị đ ợc sử dụng tức thì làm giảm kích th ớc mã

- Bộ chuyển đổi trực tiếp bộ nhớ không cần các thanh ghi trung gian

- Địa chỉ byte và từ, và định dạng lệnh

Bộ nhân phần cứng là một ngoại vi và không là bộ phận của CPU MSP430 Cách thức này, hoạt động của nó không gây trở ngại với hoạt động của CPU Các thanh ghi bộ nhân và thanh ghi ngoại vi đ ợc nạp và đọc bởi các lệnh CPU

Các đặc tính của bộ điều khiển DMA gồm:

Ba kênh truyền độc lập

Mức u tiên kênh DMA có thể cấu hình đ ợc

Chỉ yêu cầu hai chu kỳ đồng hồ MCLK

Có khả năng truyền byte, word hoặc kết hợp cả hai

Kích th ớc khối lên đến 65535 byte hoặc word

Việc lựa chọn trigger (kích thích) truyền có thể cấu hình đ ợc

Có thể chọn trigger truyền theo mức hoặc theo s ờn

Bốn mode định địa chỉ

Các mode truyền gồm: truyền đơn, theo khối hoặc cụm khối (burst-bloc)

2.7 Các chân vào/ Ra số

Thiết bị MSP 430 có thể có đến 6 cổng vào ra số, P1 – P6 Mỗi cổng có 8 chân vào ra Mỗi chân vào ra có thể cấu hình cho h ớng vào hoặc ra, và mỗi đ ờng vào ra có thể đọc ra hoặc ghi vào một cách riêng rẽ.

Cổng P1 và P2 có khả năng ngắt Mỗi ngắt cho các đ ờng vào

ra của cổng P1 và P2 có thể cấu hình và cho phép một cách riêng rẽ trên mỗi đ ờng vào ra để cung cấp một ngắt theo s ờn d ơng hoặc theo s

ờn âm của tín hiệu vào Tất cả các đ ờng vào ra của cổng P1 tạo thành nguồn của một vector ngắt, và toàn bộ các đ ờng vào ra của cổng P2 cũng tạo thành nguồn của một vector ngắt khác, đây cũng là một vector ngắt đơn.

* Các đặc tính của vào ra số: Có thể lập trình độc lập trên mỗi

đ ờng vào ra; Có thể kết hợp mọi kiểu vào hoặc ra; Các ngắt P1 và P2

có thể cấu hình riêng rẽ; Các thanh ghi dữ liệu vào và ra độc lập với nhau; Có 7 thanh ghi đ ợc dùng để cấu hình cổng P1 và P2 Có 4 thanh

ghi đ ợc dùng để cấu hình các cổng P3 – P6

CácưđặcưtínhưcủaưADC12ư:

 Tốc độ chuyển đổi lớn nhất lớn hơn 200kp/s

 Chuyển đổi đều 12 bit với mã không mất

 Lấy mẫu và giữ với khoảng lấy mẫu lập trình đ ợc điều khiển bởi phần mềm hoặc các bộ định thời.

 Tạo điện áp chuẩn trên chip có thể lựa chọn đ ợc bởi phần mềm (1.5V hoặc 2.5V)

 Điện áp chuẩn trong hay ngoài có thể lựa chọn đ ợc bằng phần mềm

 Tám kênh vào ngoài có thể cấu hình riêng rẽ

 Có các kênh chuyển đổi cho bộ cảm ứng nhiệt độ bên trong, AVCC và các điện áp chuẩn ngoài

 Các nguồn chuẩn cho kênh có thể lựa chọn đ ợc theo kênh một cách độc lập cho cả chuẩn d ơng và âm.

 Thanh ghi vector ngắt giúp cho việc giải mã nhanh 18 ngắt ADC

 16 thanh ghi l u trữ kết quả chuyển đổi

Chức năng chủ yếu của module định thời cảnh giới (WDT) là thực hiện khởi động lại hệ thống sau khi xuất hiện một vấn đề ở phần mềm Nếu khoảng thời gian đã chọn trôi qua thì

nó sẽ thực hiện reset hệ thống Nếu chức năng cảnh giới là không cần thiết trong ứng dụng thì module này có thể đ ợc cấu hình nh một bộ định thời nội và có thể tạo ra ngắt tại các khoảng thời gian nhất định.

* Các đặc tính của module định thời cảnh giới:

- Bốn khoảng thời gian lựa chọn đ ợc bởi phần mềm

- Mode cảnh giới

- Mode khoảng thời gian

- Truy nhập tới thanh ghi điều khiển WDT đ ợc bảo vệ bằng mật khẩu

- Chức năng điều khiển chân RST/NMI

- Nguồn đồng hồ có thể lựa chọn

- Có thể dừng lại để tiết kiệm năng l ợng

Sau khi đã nghiên cứu phần cứng và cấu trúc của họ vi điều khiển MSP430, Có thể tóm tắt các đặc tr ng nổi bật của MSP430 bao gồm: Công suất tiêu thụ trong các chế độ làm việc của CPU rất thấp Tích hợp đầy đủ các ngoại vi trên một chip Có hệ thống xung đồng hồ

đ ợc điều khiển mềm dẻo Bộ định thời ngoài chức năng đếm và định thời thông th ờng, có thêm chức năng so sánh, điều chế độ rộng xung PWM Các bộ biến đổi ADC, DAC đa kênh

Đặc biệt so với các họ vi điều khiển khác, MSP430 có bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp_ DMA cho phép truy cập bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU, tăng tốc độ làm việc Bộ định thời Watchdog bảo đảm cho hệ thống làm việc không bị treo

Cấu trúc CPU với tập lệnh rút gọn_ RISC làm cho không gian mã đ ợc tối thiểu hóa, việc lập trình cũng đơn giản Tất cả các lệnh có thể đ ợc sử dụng với tất cả 7 chế độ định địa chỉ trên toàn bộ cấu trúc MSP430 Không có các lệnh hay chế độ địa chỉ đặc biệt nào bị phụ thuộc khi làm việc với RAM, ngoại vi, CPU, các thanh ghi hay bất kỳ một phần nào khác của MSP430

Với các đặc tr ng nổi trội trên, MSP430 đúng là một họ vi điều khiển tiên tiến thích hợp với nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, tự

động hóa

më réng trong dßng t¹i ®iÓm gäi  

+ Cài đặt phần mềm AQ430

Trong đĩa ch ơng trình AQ430, chạy file aq4309xarm đối với

hệ điều hành 9x,chạy file aq4302karm đối với hệ điều hành

2k hoặc XP.

+ Tổ ch c giao diện chính:

Erase Info Memory (ALT R + I) : xoá thông tin bộ nhớ.

Erase Main Memory (ALT R + M): xoá bộ nhớ chính.

Program Executable (ALT R + P): ch ơng trình hiện thời nạp vào project.

Load RAM (ALT R+L): nạp RAM với giá trị đ ợc l u trong file ASCII.

Save RAM (ALT R+S): Ghi nội dung của RAM tới một file ASCII.

Compare on-chip memory with project: Cho phép ng ời sử dụng so sánh nội dung của một chip và của một project đã đ

ợc dịch

 AQ430 cho phÐp lËp tr×nh xö lý bit mét c¸ch hiÖu qu¶

 Cã tiÖn Ých Wizards hç trî lËp tr×nh øng dông víi c¸c ngo¹i vi mét c¸ch thuËn lîi.

 Ch ¬ng tr×nh gì rèi Debug cho phÐp chóng ta

kiÓm tra tõng b íc viÖc thùc­ hiÖn ch ¬ng tr×nh cña

CPU, kiÓm tra c¸c thanh ghi cña MSP 430 ngay trªn m¸y tÝnh.

Ch ¬ng 4

C¶m biÕn ®o l u l îng - vËn tèc chÊt l u øng dông trong x©y

dùng hÖ thèng ®o l êng

Ch ¬ng 4

C¶m biÕn ®o l u l îng - vËn tèc chÊt l u øng dông trong x©y

dùng hÖ thèng ®o l êng

ể đáp ng Để đáp ứng được yêu cầu trên các cảm biến được sử dụng ứng được yêu cầu trên các cảm biến được sử dụng điều khiển tự động cần đo chính xác ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của c yêu c u trên các c m bi n ần đo chính xác ản phẩm ến được sử dụng điều khiển tự động cần đo chính xác ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của c s d ng ử dụng ụng

có c u t o a d ng và ph ất lưu là các tham số quan trọng của ạo đa dạng và phương pháp đo cũng khác nhau Thực điều khiển tự động cần đo chính xác ạo đa dạng và phương pháp đo cũng khác nhau Thực ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ơng pháp đo cũng khác nhau Thực ng pháp o c ng khác nhau Th c điều khiển tự động cần đo chính xác ũng khác nhau Thực ự động cần đo chính xác

t chuy n ến được sử dụng ển tự động cần đo chính xác điều khiển tự động cần đo chính xác ộng cần đo chính xác ng c a ch t l u ủa ất lưu là các tham số quan trọng của ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của điều khiển tự động cần đo chính xác ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của điều khiển tự động cần đo chính xác ặc trưng bởi dòng chảy c c tr ng b i dòng chảy ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ởi dòng chảy mô t tính ch t v t lý c a dũng chảy c n o v n t c, kh i

Để đáp ứng được yêu cầu trên các cảm biến được sử dụng ển tự động cần đo chính xác ản phẩm ất lưu là các tham số quan trọng của ận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ủa ần đo chính xác điều khiển tự động cần đo chính xác ận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ốc chất lưu là các tham số quan trọng của ốc chất lưu là các tham số quan trọng của

l ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ng riêng, áp su t và nhi t ất lưu là các tham số quan trọng của ệ Muốn năng cao chất lượng các sản phẩm điều khiển tự động cần đo chính xác ộng cần đo chính xác ởi dòng chảy các v trí khác nhau c a l u ị trí khác nhau của lưu ủa ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của

ch t ất lưu là các tham số quan trọng của

Dòng chảy có thể là m t pha ho c nhi u pha trong đó s ộng cần đo chính xác ặc trưng bởi dòng chảy ều khiển tự động cần đo chính xác ốc chất lưu là các tham số quan trọng của

l ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ng v t ch t ận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ất lưu là các tham số quan trọng của điều khiển tự động cần đo chính xác ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của c xác điều khiển tự động cần đo chính xác ị trí khác nhau của lưu nh b ng kh i l ằng khối lượng hoặc thể tích ốc chất lưu là các tham số quan trọng của ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ng ho c th tích ặc trưng bởi dòng chảy ển tự động cần đo chính xác

t ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ơng pháp đo cũng khác nhau Thực ng ng v i các ứng được yêu cầu trên các cảm biến được sử dụng ới các đơn vị (kg, tấn) hoặc (lít, m3) điều khiển tự động cần đo chính xác ơng pháp đo cũng khác nhau Thực n v (kg, t n) hoặc (lít, m3) ị trí khác nhau của lưu ất lưu là các tham số quan trọng của

L u l ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ng v t ch t là s l ận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ất lưu là các tham số quan trọng của ốc chất lưu là các tham số quan trọng của ưu lượng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ợng, vận tốc chất lưu là các tham số quan trọng của ng ch t đó chảy qua ti t di n ất lưu là các tham số quan trọng của ến được sử dụng ệ Muốn năng cao chất lượng các sản phẩm ngang c a ng d n trong m t ủa ốc chất lưu là các tham số quan trọng của ẫn trong một đơn vị thời gian ộng cần đo chính xác điều khiển tự động cần đo chính xác ơng pháp đo cũng khác nhau Thực n v th i gian ị trí khác nhau của lưu ời gian.

( Công thức tính toán l u l ợng và khối l ợng theo thời gian đ trình ã

bày trong luận văn)

4.2 Đo lưu lượng bằng phương phỏp đếm xung

Nguyờn lý làm việc dựa trờn số vũng quay của tua bin trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với tốc độ vũng chảy.

n là số vũng quay của tua bin; k - hệ số;

v - tốc độ của dũng chảy qua tiết diện của ống dẫn.

Lưu lượng thể tớch qua ống dẫn được tớnh theo cụng thức:

Từ ( 1) thay vào (2) ta được

S - tiết diện dũng chảy;

K - hệ số phụ thuộc vào đặc tớnh và cấu tạo của cảm biến.

Đo tốc độ của vũng quay cú thể thực hiện theo 2 phương phỏp

* Biến đổi tần số thành điện ỏp (f V), chỉ thị điện ỏp tỷ lệ với số vũng quay và xỏc định lưu lượng cần đo.

* Đo tốc độ vũng quay bằng tần số kế (đếm xung) để xỏc định lưu lượng cần đo (Đâyưlàưphươngưphápưtôiưlựaưchọnưđểưnghiênưcứu)

4.3 Cảm biến đo lưu lượng

- Cảm biến đo lưu lượng là thiết bị có khả năng mã hoá bởi tín hiệu vào và sau đó tạo ra tín hiệu liên quan khác Nó cấp một đầu ra hữu ích theo tín hiệu đầu vào đo xác định là một đại lượng vật lý, tín hiệu truyền được chuyển thành dạng xung vuông đầu ra.

- Cấu tạo bộ mã hoá xung vòng quay bao gồm năm thành phần cơ bản : nguồn sáng, đĩa mã hoá, lưới tụ điện, bộ thu quang, bộ khuyếch đại điện từ.

- Các bộ mã hoá xung vòng quay hoạt động dựa trên sự di chuyển của một đĩa mã hoá giữa nguồn phát ánh sáng và bộ thu quang Khi ánh sáng đi qua các vùng trong suốt của đĩa

mã hoá, bộ thu quang đã thu được tín hiệu Tín hiệu này sẽ được chuyển thành dạng xung vuông đầu ra Mỗi một rãnh đi qua là có một lần tín hiệu (xung) đến được đầu thu, qua mạch nhận biến đổi thành tín hiệu điện truyền đến mạch CPU để xử lý.

4.4.ưBộưchuyểnưđổiưxungưđoưlưuưlượngưdùngưtrongưcộtưđoưnhiênư liệu:ư

- Bộ chuyển đổi xung chuyển đổi số vòng quay của trục buồng đong cột

đo nhiên liệu thành số l ợng xung để mạch CPU tính toán và hiển thị

-Bộ chuyển đổi xung của bộ chỉ thị điện tử th ờng đ ợc đặt trong hộp bảo

vệ bằng nhôm đúc, đảm bảo chắc chắn và không bị ảnh h ởng của điều kiện làm việc nh độ ẩm và nhiệt độ

- ưCảmưbiếnưcộtưđoưnhiênưliệu:ư

- Ví dụ về một số bộ chuyển đổi xung:

BộưchuyểnưđổiưTATSUNO

Đĩa với các rãnh

Đầu thu phát

Mạch điện tử

CấuưtạoưbênưtrongưbộưchuyểnưđổiưSEENưSEDIưVI

-ưNguyênưlýưhoạtưđộngưcủaưcộtưđoưnhiênưliệu: ư

+ Bơm hoạt động, nhiên liệu đ ợc đẩy qua buồng đong.

+ Khi buồng đong quay, mỗi một vòng quay của buồng đong (chu kỳ chuyển động của Piston) t ơng ứng với một l ợng nhiên liệu nhất định (ví dụ: cột ADAST 2 vòng/Lít , cột Bennett Mỹ là 2,09 vòng/Lít).

+ Trục buồng đong đ ợc lắp với trục của bộ chuyển đổi (phát xung) Khi buồng đong quay một vòng (t ơng ứng với một l ợng nhiên liệu nhất định) thì bộ chuyển đổi cũng quay một vòng (t

ơng ứng với một số l ợng xung nhất định đ ợc phát ra và truyền lên bộ chỉ thị điện tử).

+ Bộ chỉ thị điện tử nhận đ ợc số xung từ bộ chuyển đổi sẽ tính toán theo ch ơng trình đã đ ợc lập sẵn và hiển thị giá trị thể tích

và giá tiền t ơng ứng trên mặt hiển thị để thông báo cho khách hàng.

TÝn­hiÖu­®iÓu­khiÓn.