Tài liệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHO ĐẦU ĐO MỨC NƯỚC doc

Chúng tôi giới thiệu việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo chip đầu đo mức nước sử dụng công nghệ PSoC.. Trên cơ sở của chip, chúng tôi xây dựng hệ thống thiết bị đo và xử lý mức nước từ x

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHO ĐẦU ĐO MỨC NƯỚC

Ks Phan Minh Tân, TSKH Phạm Thượng Cát, Ks.Vũ Sĩ Thắng

Phòng Công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ Thông tin Tel 8363484, e-mail: ptcat@ioit.ncst.ac.vn

Tóm tắt: Nhu cầu đo mức nước là rất lớn trong nhiều lĩnh vực: cấp nước đô thị, thuỷ lợi, phòng chống lụt lội Chúng tôi giới thiệu việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo chip đầu đo mức nước sử dụng công nghệ PSoC Trên cơ sở của chip, chúng tôi xây dựng hệ thống thiết bị đo và xử lý mức nước từ xa Hệ thống

có thể sử dụng để đo kiểm soát mức nước cho các nhà máy nước, hệ thống thuỷ lợi, kênh tưới tiêu, mức nước của sông suối ao hồ, bể chứa

Research, Design and Develop water level monitoring using chip PSoC

Abstracts: The demand of water level monitoring is great in many fields: water supply, irrigation, flood

precaution In this paper, we introduce the process of research, design and develop water level monitoring chip using PSoC technology Based on the specialized chip, remote water level monitoring and processing system is built The system can be used to control water level of water supply plant, irrigation systems, and irrigation ditch

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhu cầu đo mức nước trong các ngành kinh tế

quốc dân là rất lớn Ví dụ trong lĩnh vực cấp nước

đô thị, thuỷ lợi và phòng chống thiên tai Hiện nay

cả nước ta đang triển khai các dự án cấp nước và

hàng trăm công trình thủy lợi nhằm kiên cố hóa

kênh mương và hiện đại hóa các trạm bơm nhằm

phục vụ chương trình phát triển nông nghiệp, nông

thôn của nhà nước

Mỗi công trình thủy nông đều cần hàng chục

đầu đo, thiết bị đo mực nước từ xa nhằm phục vụ

quy trình vận hành trạm bơm bảo đảm đủ nước tưới

tiêu cho vùng diện tích canh tác rộng mà vẫn bảo

đảm tiết kiệm điện, không lãng phí nước Mỗi thiết

bị đo mực nước kênh, hồ thủy lợi có chỉ báo từ xa,

có khả năng kết nối với PC, có bộ nhớ lưu trữ dữ

liệu đo giá tới vài ngàn đôla Mỹ

Mục tiêu nghiên cứu của chúng tôi nhằm phát

triển được thiết bị đo có chức năng vượt trội hơn

thiết bị nhập ngoại nhưng với giá thành rẻ hơn

nhiều lần đáp ứng nhu cầu trong nước

Thiết bị bao gồm:

- Đầu đo mực nước kèm theo bộ truyền dữ liệu

- Thiết bị thu nhận xử lý, tính toán, lưu trữ dữ liệu, hiển thị có khả năng kết nối máy PC và

hệ thống SCADA giám sát toàn cục

Nội dung mới ở thiết bị này là:

- Tạo ra được một chip đo mức nước chuyên dụng, xây dựng được đầu đo mực nước mới

ổn định, bảo đảm độ chính xác, có phần xử lý

và truyền dữ liệu đo dạng số tại chỗ mà không cần nguồn pin tại đầu đo

- Đa số các thiết bị hiện hành sử dụng tín hiệu tương tự 0-10V hay 4-20mA để truyền dữ liệu ở thiết bị này từ nguyên lý đo, truyền và

xử lý hoàn toàn bằng kỹ thuật số với phần mềm có các thuật lọc, xử lý đặc thù

Trong báo cáo này chúng tôi tập trung đi sâu vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra được chip chuyên dụng đo mức nước sử dụng công nghệ PSoC

2 Nguyên lý đầu đo mực nước

2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm

biến mức nước theo phương pháp tụ

Cảm biến mức nước hoạt động theo nguyên lý

tụ điện, của 2 ống inox lồng nhau được bọc lớp cách điện có độ dài trung bình từ 1m - 5m

Điện dung của cảm biến khi không có nước được tính theo công thức sau: (xem hình 1)













=

r

R ln

L

L - độ dài của cảm biến

l - độ dài của cảm biến ngập trong nước

R, r - bán kính ống ngoài và bán kính ống trong của cảm biến;

ε0 - hằng số điện môi của vật chất giữa 2 bản cực;

Nếu đặt:













=

r

R

ln

0

2 πε (2)

điện dung của cảm biến: Co = Ko⋅ L

Như chúng ta đã biết, khi cảm biến được nhúng vào

trong nước, hằng số điện môi của nước sẽ gấp xấp

xỉ εr ~ 80 lần so với không khí

Khi ta nhúng đầu đo vào nước với độ dài l, điện

dung sẽ được tính gồm 2 phần tụ C1 phần ngập

nước và C2 là phần của không khí

l K ) r

R ln(

C1 = 2 πεoεr = oεr

) l L ( K ) l L ( r

R ln













0 2

Tổng điện dung của cảm biến sẽ tính như sau:

= +

= C1 C2

C Co + ( εr − 1 ) ⋅ Ko⋅ l (4) Như vậy ta có thể thấy giá trị của tụ tỷ lệ với độ dài ngập nước của đầu đo

2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử đo mức nước

Hình 2 giới thiệu sơ đồ khối mạch điện tử

được gắn liền với cảm biếm mức nước và có nhiệm

vụ đo, tính toán, xử lý, lọc tín hiệu và truyền số liệu

về thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu Tất cả các quá trình đo đạc được số hoá toàn bộ, bảo đảm dữ liệu truyền về không bị tác động nhiều bởi nhiễu

r

R

L

l

L-l

H×nh 1 C¸c th«ng sè cña c¶m biÕn møc n−íc

Khèi

TruyÒn

số liệu

Max

485

Khối dao động ICM7555 Cảm biến

mức nước

Cảm biến nhiệt

độ nước

DS

1624

Cảm biến nhiệt

độ không khí

LM

I2C

Hình 2: Sơ đồ khối đầu đo mức nước thông minh

Chức năng của các chip trong sơ đồ:

• Chip chính là chip WLS đo mức nước được

phát triển trên công nghệ PSoC

• Chip ICM7555 - bộ tạo tần số đo

• Chip MAX485 - truyền nhận theo chuẩn

RS485 và RS422, tốc độ truyền có thể lên tới

2.5 Mbps

• Chip DS1624 - IC đo nhiệt độ, được kết nối theo chuẩn I2C

• Chip LM75 - IC đo nhiệt độ, được kết nối theo chuẩn I2C

Sơ đồ khối chức năng của chip đo mức nước WLS được mô tả trong hình 3:

3 Mô tả chu trình hoạt động của chip WLS

Cảm biến mức nước được chế tạo trên nguyên

lý: tụ C cùng 1 điện trở R đưa vào mạch 555 tạo ra

1 tần số (gọi là tần số nước) Tần số này đưa vào

Counter8-2 và Counter8-4 để giảm xuống giới hạn

mà Counter16-1 với tần số 8,uS có thể đo được độ

rộng của mức 1 của tần số nước Khi có sườn

xuống của tần số nước, 1 ngắt cứng tạo ra và

chương trình Ngắt đọc số xung mà Counter16-1

đếm được trong khoảng mức 1 của tần số nước

UART-1 truyền theo chuẩn RS485 - qua chip

MAX485 với thiết bị hiển thị mực nước từ xa

WLM Tốc độ truyền là 9600Baud Counter8-1 tạo xung đồng hồ cho UART-1 để truyền 9600Baud Counter8-3 tạo xung đồng hồ 500m giây và 12 giây Cứ 500m giây chương trình kiểm tra xem có lệnh gửi số liệu không, nếu có thì gửi số liệu của đầu đo cho thiết bị hiển thị mực nước từ xa WLM

12 giây thì đo nhiệt độ nước ( LM75 ), và nhiệt

độ không khí ở khoang điện tử (DS1624 ) để thực hiện các tính toán và hiển thị cần thiết

Tất cả việc xử lý và tính toán được CPU thực hiện theo chương trình nạp trong Flash (Hình 3)

COUNTER16-1

COUNTER8-3

COUNTER8-1

UART-1

CLK

Rx Tx

Rx

MAX485

Tx

A

B

COUNTER8-2 COUNTER8-4

5

5

5

CPU FLASH RAM

I2C

chuyên dụng

WLS

Cho đo

Hình 3: Sơ đồ khối các chức năng chính của chip WLS đo mức nước

Cấu hình Chíp đo mức mước được thiết kế như sau:

+ Các thông số hệ thống của chip được chọn:

Global Resource

CPU_Clock 12_MHz 32K_Select Internal PLL_Mode Disable Sleep_Timer 512_Hz 24V1=24MHz/N 12 24V2=24V1/N 16 Analog Power SC On/Ref High

Ref Mux (Vcc/2)+/-(Vcc/2)

A_Buff_Power High SwichModePump ON VoltMonRange 5.0V VoltMonThreshold 92%

+ Một số đặc trưng cơ bản của các chip PsoC đo mức nước :

Tần số hoạt động

Thế hiệu làm việc

Flash(kBytes)

RAM(Bytes)

Khối số

Khối tương tự

Số chân vào/ra

93,7kHz- 24MHz 3V-5,25V

16

256

8

12

24 + Sắp xếp của các khối chức năng:

Do chỉ sử dụng các modul số nên chúng tôi không giới thiệu các modul tương tự

Nhiệm vụ của các khối chức năng sử dụng trong

chíp đo mức nước

• Counter8_2, Counter8_4: Giảm tần số nước

xuống mức cần thiết

• Counter16_1: Đo độ rộng xung tần số nước

• Counter8_1: Đặt Clock cho tốc độ truyền 485

• Counter8_3: Đo thời gian cho hệ thống

• I2C: Đo nhiệt độ

• UART_1: Truyền theo chuẩn nối tiếp

+ Định nghĩa các chân của chip đo mức nước

S i g n a l P i n T a b l e ( t 1 )

2 P0[5] Port_0_5 Global_OUT_5 (Pull Up) Pull Up DisableInt

9 SMP

14 VSS

19 XRES

24 P0[0] Port_0_0 Global_OUT_0 (Pull Up) Pull Up DisableInt

25 P0[2] Port_0_2 Global_IN_2 High Z DisableInt

26 P0[4] Port_0_4 Global_IN_4 High Z DisableInt

4 Hệ thống thiết bị đo và xử lý mức nước từ xa

Với chuẩn truyền 485 ta có chức năng kết

nối mạng các đầu đo theo nguyên lý “cây tre

trăm đốt” để đo được mức nước sâu hơn

Với chip WLS chúng tôi đã chế tạo được các đầu đo 1, 2, 3m và hệ thống đo xa hiển thị kết quả đo WLM Hệ thống này có các đặc trưng kỹ thuật như sau:

Đặc tính kỹ thuật

• Đầu đo

+ Giải đo: 1m, 2m, 3m

+ Ghép nối 4 đầu đo cho đo 12m

+ Độ chính xác: ± 3mm

+ Truyền tín hiệu: Chuẩn

RS-485, tối đa 1200m

• Thiết bị chỉ báo WLM

+ Nhập và xử lý tín hiệu truyền từ đầu đo

+ Tính toán và hiển thị mực nước 4 digit

+ Chế độ tự chuẩn định

+ Lưu dữ liệu đo với các thời gian cắt mẫu

khác nhau

+ Kết nối qua cổng RS-232 với các PC hoặc

thiết bị truyền xa, Modem

+ Nguồn nuôi: 220VAC/50Hz

5 Kết luận

Với công nghệ tạo chip thông minh chúng

tôi đã tạo ra được một chip chuyên dụng đo mức

nước WLS và từ chip này đã chế tạo ra nhiều loại

đầu đo và hệ thống đo xa mức nước cho các nhà

máy nước và các hệ thống thuỷ lợi Các đầu đo

nước và hệ thống đo xa đã được thử nghiệm với

nhiều điều kiện môi trường nước khác nhau cho kết

quả tin cậy Khả năng ứng dụng của hệ thống có thể

kể đến là:

• Đo kiểm soát mức nước các hệ thống

thủy lợi, kênh tưới tiêu, đập, hồ chứa

nước

• Đo kiểm soát lưu trữ mực nước sông,

suối, ao hồ

• Đo mực nước từ xa bể chứa ở các nhà

máy nước

Tài liệu tham khảo:

[1] WLS đầu đo mức nước Tài liệu kỹ thuật của Phòng công nghệ tự động hoá, Viện Công nghệ thông tin

[2] Vũ Sĩ Thắng, Phan Minh Tân, Phạm Thượng Cát

“Nghiên cứu phát triển hệ thống đo và xử lí mực nước từ xa với độ chính xác cao thay thế nhập ngoại” Tuyển tập các báo cáo khoa học, Hội nghị khoa học toàn quốc VICA5 lần thứ 5 về Tự động hoá 24-26/10/2002, trang 374-379

[3] Tài liệu về chip PSoC CY8C26443 [4] PSoC Designer 4.0

[5] Max 485 Data sheet [6] LM75 Data sheet [7] DS1624 Data sheet