Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương THDP-1 sử dụng công nghệ PSoC

1 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. 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. 2 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG * Sơ đồ nguyên lý Hình 1 : S¬ ®å nguyªn lý ho¹t ®éng * Thiết bị chạy độc lập Chip sensor SHTxx nhận lệnh và gửi số liệu về cho PSoC theo chuẩn phối ghép nối tiếp tương tự I2C: tín hiệu đồng hồ đồng bộ SCK do PSoC phát ra, dây số liệu data 2 chiều để PSoC phát lệnh và SHTxx gửi số liệu về (sử dụng 2 chân PSoC). Số liệu được PSoC tính toán và hiển thị lên 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 công tắc CT để đặt địa chỉ 485 cho thiết bị. Máy tính PC có 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 Phát và Nhận: Rx và Tx. Chip MAX485 để chuyển đổi mức tín hiệu của chuẩn 485 (Xem hình 2). H×nh 2. S¬ ®å m¹ch ®iÖn tö cña thiÕt bÞ PSoc Cy8c2644 3 CPU RAM FLASH Va` PhÇn MÒm Counter Timer LCD LcD 8x2 §K(3) Data(4) +5V CT Tx8 Counter BaudRate Rx8 MAX 485 SHT1x PC RS485 3 3. 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 Measure Humidity 00101 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 4 Sau 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); 5 Op-Amp Bias High A_Buff_Power High SwichModePump ON VoltMonRange 5.0V VoltMonThreshold 92% Supply Voltage 5.0V 4.2. Phần mềm của PSoC Hãng Cypress MicroSystems cung cấp phần mềm thiết kế PSoC Designer để có thể định cấu hình phần cứng và lập trình phần mềm cho các chip PSoC trên máy PC thông thường và sau đó nạp vào cho Chip qua Kit ICE, tạo ra 1 chip điều khiển siêu nhỏ chuyên dụng. Sử dụng chương trình Designer chúng tôi thiết kế ra chip cho máy đo nhiệt độ độ ẩm có các module chức năng như đã giới thiệu ở hình 2: + Tín hiệu SCK: tạo xung đồng hồ để đồng bộ các bit truyền cho SHT1x và + Tín hiệu Data: Lệnh của PSoC gửi cho SHT1x chiều ngược lại là số liệu của SHT1x trả lời lại theo lệnh. Hai tín hiệu này được tạo ra và lập trình bằng phần mềm trên hai chân của PSoC. Các khối chức năng sử dụng trong chíp PSoC • LCD: Hiển thị số liệu nhiệt độ độ ẩm và điểm sương lên màn hình LCD 8kí 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 phát lệnh cho SHT1x. • Rx8: PSoC nhận số liệu kết quả từ SHT1x. Tín hiệu Tx8 và Rx8 được chuyển đổi theo chuẩn RS485 qua chip MAX485. • 4 công tắc mini CT được nối vào 4 chân PSoC để đặt địa chỉ cho mạng RS485. Chương trình nhúng trong PSoC Lưu đồ của chương trình nhúng được giới thiệu theo hình 5. Khi bật điện chương trình khởi tạo toàn bộ hệ thống: các khối chức năng, tốc độ truyền 9600 Baud, 8 bit data, no parity, 1 bit stop, thời gian hiển thị. . .Chương trình phát lệnh đo nhiệt độ độ ẩm (và cả tín hiệu SCK) cho SHT1x. Tiếp đó PSoC đọc số liệu do SHT1x gửi trả và tính toán điểm sương. Chương trình kiểm tra tiếp xem có lệnh của PC gửi sang qua mạng RS485. Nếu có chương trình gửi các giá trị Nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương. Nếu không có thì chương trình đọc Timer để xem phải hiển thị gì. Nhiệt độ độ ẩm hiển thị 10 giây, sau đó tới điểm sương hiển thị 10 giây. H×nh 4: S¬ ®å khèi cña PSoC 6 Sau 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 6 P2[5] LCD_1RS StdCPU Strong DisableInt 7 P2[3] LCD_1D7 StdCPU Strong DisableInt 8 P2[1] LCD_1D5 StdCPU Strong DisableInt 9 SMP 10 P1[7] Port_1_7 StdCPU High Z DisableInt 11 P1[5] Port_1_5 StdCPU High Z DisableInt 12 P1[3] Port_1_3 StdCPU Strong DisableInt 13 P1[1] Port_1_1 StdCPU High Z DisableInt 14 VSS 15 P1[0] Port_1_0 StdCPU High Z DisableInt 16 P1[2] Port_1_2 StdCPU Strong DisableInt 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 7 19 XRES 20 P2[0] LCD_1D4 StdCPU Strong DisableInt 21 P2[2] LCD_1D6 StdCPU Strong DisableInt 22 P2[4] LCD_1E StdCPU Strong DisableInt 23 P2[6] LCD_1RW StdCPU Strong DisableInt 24 P0[0] Port_0_0 StdCPU High Z DisableInt 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 Trên cơ sở tạo được chip chuyên dụng cho đo nhiệt độ và độ ẩm, chúng tôi xây dựng thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm và điểm sương. Hình trên cùng giới thiệu thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm và điểm sương THDP-1. • Các thông số kỹ thuật của thiết bị THDP-1: Min Typ Max Đơn vị Nhiệt độ: Dải làm việc -40 123,8 oC Độ phân giải 0,04 0,01 0,01 oC 12 14 14 bit Độ chính xác +0,4 oC (5 - 40 oC) Độ ẩm Dải làm việc 0 100 %RH Độ phân giải 0,5 0,3 0,3 %RH 8 12 12 bit Độ chính xác +2,0 %RH • Kích thước: 85x80x25 mm • Trọng lượng: 150 g • Nguồn nuôi: 9 - 15V DC • Dòng tiêu thụ: < 200 mA • Cổng truyền mạng : RS485 6. KẾT LUẬN Với ưu điểm gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng, độ tin cậy cao, giá thành hạ so với thiết bị nhập ngoại nhưng tính năng tương đương, thiết bị THDP_1 có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực ®o vµ gi¸m s¸t nhiÖt ®é ®é Èm ®iÓm s−¬ng…v.v.. trong các kho tµng, nhà máy, xí nghiệp. Với sản phẩm thiết bị THDP_1, chúng tôi mong muốn đem đến cho khách hàng nhiều lợi ích trong quản lý, b¶o vÖ kho tµng cã hiệu quả, góp phần tăng chÊt l−îng và giảm giá 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