NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM VÀ ĐIỂM SƯƠNG THDP-1 SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PSoC Ks.. Chúng tôi giới thiệu trong báo cáo này việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo t
Trang 1NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ,
ĐỘ ẨM VÀ ĐIỂM SƯƠNG THDP-1 SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PSoC
Ks Phan Minh Tân, Ks Nguyễn Xuân Hoàng, Ks Bùi Thị Thanh Quyên
TSKH Phạm Thượng Cát
Phòng Công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ Thông tin Tel 8363484, e-mail: ptcat@ioit.ncst.ac.vn
Tóm tắt: Việc kiểm tra nhiệt độ độ ẩm và điểm sương ở các kho tàng cất giữ hàng hoá, thóc gạo, các điểm bảo
quản máy móc vũ khí, đạn dược có nhu cầu lớn Chúng tôi giới thiệu trong báo cáo này việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương THDP-1 sử dụng công nghệ PSoC Thiết bị gọn nhỏ tiêu ít năng lượng, độ tin cậy cao, giá thành thấp hơn thiết bị nhập ngoại có tính năng tương đương
Research, Design and Develop temperature, humidity, dew-point monitoring device
THDP-1 using PSoC technology
Abstracts: Temperature, humidity, and dew-point monitoring in goods and rice storehouse, weapon and
ammunition maintenance point have very large demand In this paper, we introduce the process of research, design and develop of Temperature, Humidity, and Dew-point monitoring device THDP-1 using PSoC technology The device is neat, low-power consumption, highly reliable, lower cost compare to imported device with comparable characteristics
1 Giíi thiÖu chung
Ngày nay khi nền công nông nghiệp phát
triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú
thì nhu cầu lưu trữ hàng hoá trong các kho lưu hàng
càng nhiều Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo
quản, lưu trữ các sản phẩm công-nông nghiệp trong
các kho chứa hàng là rất quan trọng Thông thường
với các loại hàng hoá được lưu trữ, nhiệt độ, độ ẩm
trong phòng lưu trữ phải luôn duy trì ở 1 mức nhất
định Ở nước ta nhiều gian hàng bảo quản vẫn làm
theo các phương pháp thủ công như cán bộ kỹ thuật
tiến hành đo đạc, sau đó đưa ra các giải pháp để
tăng hoặc giảm nhiệt độ, độ ẩm theo yêu cầu
Cũng giống như trên, trong các phòng thí
nghiệm, trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng
cây cảnh, trong các khu sản xuất rau sạch…kỹ thuật
viên cũng cần giám sát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng…
để điều chỉnh môi trường thích hợp với cây trồng
Với các phương pháp thủ công, chúng ta sẽ
mất rất nhiều thời gian và công sức mà công việc
lại không hiệu quả Cùng với sự phát triển mạnh mẽ
của công nghệ thông tin, chúng ta đã và đang đưa
tự động hoá vào từng ngõ ngách trong cuộc sống
Với thiết bị THDP-1 chúng ta có thể đo được nhiệt
độ, độ ẩm, điểm sương và có thể thu thập dữ liệu về
máy tính, từ đó đưa ra các biện pháp xử lý thích
hợp Không giống các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm
thông thường THDP-1 không chỉ đơn thuần là thiết
bị hiển thị số liệu đo được mà nó có thể kết nối với
nhau thành mạng DH-485 và truyền nhận xử lý dữ
liệu từ máy tính Với một máy tính PC, mét người
điều hành có thể giám sát nhiều điểm đo khác nhau
trên diện rộng
Đặc biệt trong các kho tàng cất giữ hàng hoá, thóc gạo, các điểm bảo quản máy móc, vũ khí, đạn dược v.v…thì vấn đề đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương của môi trường không khí là rất cần thiết
Đa số các đầu đo, thiết bị đo nhiệt độ và độ
ẩm có tính thông minh hiện hành sử dụng một số chip vi xử lý và phần mềm đơn giản để thiết bị có một số chức năng tự chỉnh định và suy diễn Các hệ thống đo truyền xa thường lấy chuẩn truyền tương
tự 4-20mA, 0-10V hoặc truyền số theo chuẩn nối tiếp RS232/485 Các thiết bị đầu đo này mua của nước ngoài, giá thành cao
Để phát huy nội lực trong nước, sản xuất ra hàng Việt nam chất lượng cao, giá cả cạnh tranh, chúng tôi nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo
nhiệt độ độ ẩm và điểm sương THDP-1 với các lựa
chọn sau:
a Chúng tôi lựa chọn công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) của hãng Cypress Micro System làm công nghệ chủ chốt để phát triển thiết bị đo nhiệt độ, độ
ẩm và điểm sương PSoC có khả năng xử
lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số Nó cho
ta khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh, dễ dàng mở rộng các chức năng mới sau này Công nghệ này cho nhiều giải pháp lựa chọn và hỗ trợ cho đa dạng ứng dụng từ đo lường, xử lý, điều khiển, truyền thông, kết nối mạng trên cùng một chip với giá thành thấp
b Lựa chọn chip sensor SHTxx của hãng SENSIRION Đây là chip có các chỉ tiêu
kỹ thuật và giá cả phù hợp
Trang 22 NGUYấN Lí HOẠT ĐỘNG
* Sơ đồ nguyờn lý
Hỡnh 1 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động
* Thiết bị chạy độc lập
Chip sensor SHTxx nhận lệnh và gửi số liệu
về cho PSoC theo chuẩn phối ghộp nối tiếp tương
tự I2C: tớn hiệu đồng hồ đồng bộ SCK do PSoC
phỏt ra, dõy số liệu data 2 chiều để PSoC phỏt
lệnh và SHTxx gửi số liệu về (sử dụng 2 chõn
PSoC) Số liệu được PSoC tớnh toỏn và hiển thị
lờn LCD (sử dụng khối chức năng LCD) Thời
gian hiển thị lần lượt nhiệt độ, độ ẩm và điểm
sương do Counter Timer quyết định
* Thiết bị nối mạng RS 485
4 cụng tắc CT để đặt địa chỉ 485 cho thiết bị Mỏy tớnh PC cú thể lấy số liệu cực đại 16 thiết bị THDP-1 qua chuẩn RS485 để xử lý, hiển thị, lưu trữ.v…v Tốc độ truyền của RS485 là 9600 baud,
do Counter BaudRate làm Clock cho tốc độ của khối chức năng Phỏt và Nhận: Rx và Tx Chip MAX485 để chuyển đổi mức tớn hiệu của chuẩn
485 (Xem hỡnh 2)
Hình 2 Sơ đồ mạch điện tử của thiết bị
PSoc
Cy8c2644
3
CPU RAM FLASH Va`
Phần Mềm Counter
Timer
LCD
LcD
8x2
ĐK(3)
Data(4)
+5V
CT
Tx8
Counter BaudRate
Rx8
MAX
485
SHT1x
PC
RS485
Trang 33 CHIP ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM SHT1x
SHT1x là một chip có sensor đo nhiệt độ, độ
ẩm tương đối, điểm sương và có cả phần chuyển
đổi ra giá trị số đã được chuẩn định Nhiệt độ có độ
phân giải 14 bits, độ ẩm 12 bits Trên chip còn có
mạch phối ghép nối tiếp theo kiểu I2C (Inter IC),
nhưng không tương thích với chuẩn này Kết quả
module cho ra tín hiệu chất lượng cao, thời gian trả
lời nhanh, không bị ảnh hưởng của nhiễu và có giá
cả cạnh tranh Từng chip SHXxx đã được chuẩn
định trong buồng có độ ẩm xác định với việc làm lạnh đo bằng máy đo độ ẩm làm chuẩn Các hệ số được lập trình vào bộ nhớ Các hệ số này đã được
sử dụng trong quá trình đo để chuẩn định tín hiệu từ sensor Mạch phối ghép nối tiếp 2 dây và việc hiệu chỉnh thế hiệu bên trong cho phép tích hợp hệ thống
dễ dàng và nhanh chóng Kích thước nhỏ và công suất nuôi thấp, giá cả cạnh tranh, nên nó thường được lựa chọn cho phần lớn các ứng dụng (Xem Hình 3 Chip SHT1x)
Hoạt động của chip SHT1x
Như sơ đồ nguyên lý đã giới thiệu (Hình 1), chip
SHT1x gửi số liệu khi PSoC phát lệnh và tín hiệu
đồng hồ nối tiếp SCK Quá trình truyền này được khởi động bằng 1 trình tự gọi là “Transmission Start” theo sơ đồ sau:
Nếu quá trình truyền bị đứt thì phải khởi động lại
quá trình này như sau:
SHT1x có các lệnh đo nhiệt độ, độ ẩm riêng biệt:
Command Code Reserved 0000x Measure Temperature 00011
Read Status Register 00111 Write Status Register 00110 Reserved 0101x-1110x Soft reset, resets the interface, clears the
status to default values Wait minimum 11 ms before next command
11110 H×nh 3 Chip SHT1x
Trang 4Sau khi phát lệnh, SHT1x gửi số liệu về cho PSoC trên đường Data Số liệu vẫn được đồng bộ bằng tín hiệu SCK do PSoC phát Nhiệt độ 14 bits, độ ẩm 12 bits
Điểm sương được tính ra trên cơ sở nhiệt độ và độ ẩm theo công thức sau:
với temper là nhiệt độ, humid là độ ẩm
4 THIẾT KẾ CHIP PSoC
Như sơ đồ nguyên lý (Hình 1) đã giới thiệu,
để lấy số liệu nhiệt độ độ ẩm từ chip SHT1x chúng
tôi sử dụng một chip trắng PSoC Cy8c26443 28
chân làm chip Master
4.1 Phần cứng của PSoC
Trong các loại chip điều khiển siêu nhỏ dạng
“Hệ thống trên một chip” thì nổi bật nhất là các
chip của hãng CYPRESS MICROSYSTEMS Họ
chip điều khiển siêu nhỏ này được gọi là “Hệ thống
khả trình trên một chip” (PSoC: Programmable
System-on-Chip) Chip điều khiển siêu nhỏ PSoC
bao gồm CPU nhanh, bộ nhớ chứa chương trình
Flash, bộ nhớ chứa số liệu SRAM, các khối tương
tự và số có thể đặt cấu hình trong một phạm vi của
các chân ra và độ lớn bộ nhớ thích hợp Trái tim của chip điều khiển siêu nhỏ này là CPU 8bit Clock của CPU có sẵn 24MHz, nhưng có thể chạy với tốc độ thấp hơn CPU có một bộ lệnh để hỗ trợ cho việc lập trình ở ngôn ngữ assembler và C Tất
cả các chip của họ này đều chứa cả hai loại khối ngoại vi có thể định cấu hình là tương tự và số Các khối này cho phép người sử dụng tạo ra các chức năng khi đặt cấu hình cho chip Có 12 khối tương
tự và 8 khối số
+ Khối số có khả năng đặt thành các modul chức năng: timer, counter, UART, v.v
+ Khối tương tự có thể sử dụng cho các modul: ADC, DAC, lọc, khuyếch đại, v.v
+ CPU có nhiều thanh ghi để lập trình và nhiều tuỳ chọn cho các xung đồng hồ
Các thông số global của PSoC đã được lựa 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)
logEx = 0.66077 + 7.5*temper/(237.3+temper)+(log10(humid)-2);
dewpoint = (logEx - 0.66077)*237.3/(0.66077 + 7.5 - logEx);
Trang 5Op-Amp Bias High A_Buff_Power High SwichModePump ON VoltMonRange 5.0V VoltMonThreshold 92%
Supply Voltage 5.0V
4.2 Phần mềm của PSoC
Hóng Cypress MicroSystems cung cấp phần
mềm thiết kế PSoC Designer để cú thể định cấu
hỡnh phần cứng và lập trỡnh phần mềm cho cỏc chip
PSoC trờn mỏy PC thụng thường và sau đú nạp vào
cho Chip qua Kit ICE, tạo ra 1 chip điều khiển siờu
nhỏ chuyờn dụng Sử dụng chương trỡnh Designer
chỳng tụi thiết kế ra chip cho mỏy đo nhiệt độ độ
ẩm cú cỏc module chức năng như đó giới thiệu ở
hỡnh 2:
+ Tớn hiệu SCK: tạo xung đồng hồ để đồng bộ cỏc
bit truyền cho SHT1x và + Tớn hiệu Data: Lệnh của PSoC gửi cho SHT1x
chiều ngược lại là số liệu của SHT1x trả lời lại theo lệnh
Hai tớn hiệu này được tạo ra và lập trỡnh bằng phần
mềm trờn hai chõn của PSoC
Cỏc khối chức năng sử dụng trong chớp PSoC
• LCD: Hiển thị số liệu nhiệt độ độ ẩm và điểm
sương lờn màn hỡnh LCD 8kớ tự x 2hàng
• Counter_Timer: Chia thời gian để hiển thị lần
lượt:
+Nhiệt độ độ ẩm
+Điểm sương
• Counter_BaudRate: Tạo Clock cho UART truyền với tốc độ 9600Baud
• Tx8: PSoC phỏt lệnh cho SHT1x
• Rx8: PSoC nhận số liệu kết quả từ SHT1x Tớn hiệu Tx8 và Rx8 được chuyển đổi theo chuẩn RS485 qua chip MAX485
• 4 cụng tắc mini CT được nối vào 4 chõn PSoC
để đặt địa chỉ cho mạng RS485
Chương trỡnh nhỳng trong PSoC
Lưu đồ của chương trỡnh nhỳng được giới thiệu theo hỡnh 5 Khi bật điện chương trỡnh khởi tạo toàn bộ hệ thống: cỏc khối chức năng, tốc độ truyền 9600 Baud, 8 bit data, no parity, 1 bit stop, thời gian hiển thị .Chương trỡnh phỏt lệnh đo nhiệt độ độ ẩm (và cả tớn hiệu SCK) cho SHT1x Tiếp đú PSoC đọc số liệu do SHT1x gửi trả và tớnh toỏn điểm sương Chương trỡnh kiểm tra tiếp xem
cú lệnh của PC gửi sang qua mạng RS485 Nếu cú chương trỡnh gửi cỏc giỏ trị Nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương Nếu khụng cú thỡ chương trỡnh đọc Timer để xem phải hiển thị gỡ Nhiệt độ độ ẩm hiển thị 10 giõy, sau đú tới điểm sương hiển thị 10 giõy
Hình 4: Sơ đồ khối của PSoC
Trang 6Sau đây là cấu hình các chân (pin) của chip đo nhiệt độ và độ ẩm:
S i g n a l P i n T a b l e ( s h t 1 x _ r s 4 8 5 _ v e r 0 1 _ 1 2 m h z )
P i n # P o r t L a b e l S e l e c t D r i v e I n t e r r u p t
1 P0[7] Port_0_7 StdCPU Pull Down DisableInt
2 P0[5] Port_0_5 StdCPU Pull Down DisableInt
3 P0[3] Port_0_3 StdCPU Pull Down DisableInt
4 P0[1] Port_0_1 StdCPU Pull Down DisableInt
5 P2[7] Port_2_7 StdCPU Pull Down DisableInt
9 SMP
14 VSS
17 P1[4] Port_1_4 Global_IN_4 High Z DisableInt
Khởi tạo hệ thống
Có lệnh từ
PC
Phát lệnh
đo
Gửi số liệu Y
N
Hiển thị điểm sương
Đọc và tính toán số liệu
N
Đọc Timer hiển thị DS
Y
Hiển thị nhiệt độ
độ ẩm
Hình 5: Lưu đồ chương trình chính của chip đo nhiệt độ và độ ẩm
Trang 719 XRES
25 P0[2] Port_0_2 StdCPU Pull Down DisableInt
26 P0[4] Port_0_4 StdCPU Pull Down DisableInt
27 P0[6] Port_0_6 StdCPU Pull Down DisableInt
5 XÂY DỰNG THIẾT BỊ THDP-1
Trờn cơ sở tạo được chip chuyờn dụng cho
đo nhiệt độ và độ ẩm, chỳng tụi xõy dựng thiết bị
đo nhiệt độ độ ẩm và điểm sương Hỡnh trờn cựng
giới thiệu thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm và điểm sương
THDP-1
• Cỏc thụng số kỹ thuật của thiết bị THDP-1:
Min Typ Max Đơn vị
Nhiệt độ:
Dải làm việc -40 123,8 oC
Độ phõn giải 0,04 0,01 0,01 oC
12 14 14 bit
Độ chớnh xỏc +0,4 oC (5 - 40 oC)
Độ ẩm
Dải làm việc 0 100 %RH
Độ phõn giải 0,5 0,3 0,3 %RH
8 12 12 bit
Độ chớnh xỏc +2,0 %RH
• Kớch thước: 85x80x25 mm
• Trọng lượng: 150 g
• Nguồn nuụi: 9 - 15V DC
• Dũng tiờu thụ: < 200 mA
• Cổng truyền mạng : RS485
6 KẾT LUẬN
Với ưu điểm gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng,
độ tin cậy cao, giỏ thành hạ so với thiết bị nhập ngoại nhưng tớnh năng tương đương, thiết bị THDP_1 cú khả năng ứng dụng rộng rói trong cỏc lĩnh vực đo và giám sát nhiệt độ độ ẩm điểm sương…v.v trong cỏc kho tàng, nhà mỏy, xớ nghiệp Với sản phẩm thiết bị THDP_1, chỳng tụi mong muốn đem đến cho khỏch hàng nhiều lợi ớch trong quản lý, bảo vệ kho tàng có hiệu quả, gúp phần tăng chất lượng và giảm giỏ thành sản phẩm
Tài liệu tham khảo:
[1] CY8C26xxx Data sheet [2] PsoC Designer 4.0 Usermanual [3] SHTxx Data Sheet
[4] NAX 485 Data sheet
