NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHUYÊN DỤNG TRÊN CÔNG NGHỆ PSoC CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIÊÙ HOÀ NHIỆT ĐỘ
Nội địa hoá sản phẩm, đẩy mạnh nền công nghệ sản xuất trong nước là một yêu cầu tất yếu để hạ giá
thành sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh của các sản phẩm Việt Nam trên thị
trường trong nước cũng như quốc tế. Đây cũng là một trong những mục tiêu chính của nền công nghiệp nước ta
hiện nay. Trong bối cảnh đó, lĩnh vực sản xuất máy lạnh cũng đang từng bước chuyển sang sản xuất nội địa toàn
bộ các chi tiết của sản phẩm. Hiện nay,...
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHUYÊN DỤNG TRÊN CÔNG NGHỆ PSoC
CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIÊÙ HOÀ NHIỆT ĐỘ
PGS TSKH Phạm Thượng Cát, KS Phan Minh Tân
KS Chu Ngọc Liêm, KS Nguyễn Xuân Hoàng, KS Mai thị Phương Thảo
Phòng Công Nghệ Tự Động Hoá. Viện Công Nghệ Thông Tin.
Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam.
Fax: +84-04-8363485 Tel: +84-04-8363484 email: [email protected]
Tóm tắt: Nội địa hoá sản phẩm, đẩy mạnh nền công nghệ sản xuất trong nước là một yêu cầu tất yếu để hạ giá
thành sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh của các sản phẩm Việt Nam trên thị
trường trong nước cũng như quốc tế. Đây cũng là một trong những mục tiêu chính của nền công nghiệp nước ta
hiện nay. Trong bối cảnh đó, lĩnh vực sản xuất máy lạnh cũng đang từng bước chuyển sang sản xuất nội địa toàn
bộ các chi tiết của sản phẩm. Hiện nay, tỷ lệ nội địa hoá của máy lạnh Việt Nam vẫn còn thấp và nhất là vẫn
phải nhập ngoại toàn bộ board điều khiển cũng như các phụ kiện của nó. Đứng trước yêu cầu tăng tỉ lệ nội địa
hoá máy lạnh và chủ động sản xuất, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo sản phẩm thay thế: Board điều khiển máy
điều hoà nhiệt độ, bằng công nghệ tạo chip thông minh PSoC.
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF A CUSTOMIZED CHIP USING PSoC
TECHNOLOGY FOR AIR CONDITIONER CONTROL SYSTEM
Prof.DSC. Pham Thuong Cat, Dipl.Eng. Phan Minh Tan.
Dipl.Eng. Chu Ngoc Liem, Dipl.Eng. Nguyen Xuan Hoang, Dipl.Eng. Mai thi Phuong Thao.
Department for Automation Technology, Institute of Infomation Technology.
Viet Nam Academy of Science and Technology
Fax: +84-04-8363485 Tel: +84-04-8363484 email: [email protected]
Abstract: Local-made production, stepping up manufacture technology is an indispensable requriment of
national industry to reduce cost of production, improve quality of products, improve competitiveness of local
products on domestic market also on internationnal market. This also is one of main targets of national industry,
at this time. In the same case, air conditioner manufacture is also changing step by step in local-mading all part
of air conditioner. And now, some parts of it were made in local but still need to increase the percentage of the
local-made parts. Because, manufactorys have been not owned creating chip technology of control board in air
conditioner, main board and spare part were imported. So that, we have researched and made the replacer:
Control board for air conditioner, by PSoC technology.
1./ GIỚI THIỆU CHUNG.
Nội địa hoá sản phẩm sản xuất tại Việt phát triển ban đầu khá thấp, giá thành chip thấp, hỗ
Nam là điều mà chúng ta đang tiến tới. Tuy nhiên trợ kĩ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ dùng.
bên cạnh đó vấn để tồn tại lớn nhất chính là vốn và Chính vì vậy, nếu làm chủ được công nghệ này thì
công nghệ. Mục tiêu sản xuất với chi phí thấp, đồng chúng ta có được các ưu điểm là có thể thu gọn kích
thời làm chủ được công nghệ cao để có được sự chủ thước sản phẩm, hạn chế các chip chuyên dụng phụ
động trong sản xuất đang được các cơ sở sản xuất trợ. Do vậy, không những giá thành sản xuất được
quan tâm hàng đầu. Cũng với những mục tiêu như hạ xuống thấp, mà còn có thể đẩy nhanh quá trình
vậy, chúng tôi dùng vào công nghệ PSoC để thiết phát triển sản phẩm để đưa sản phẩm ra thị trường.
kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho máy lạnh. Và tất nhiên, công nghệ này sẽ là một công cụ hữu
PSoC (Progamable System on Chip) là một công ích không chỉ cho các sản phẩm thay thế mà cả
nghệ tạo Chip điều khiển thông minh với tính linh những sản phẩm mới theo ý tưởng sáng tạo của
hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu và người phát triển sản phẩm.
2./ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA CHIP ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỀU HOÀ MỘT CHIỀU.
Hình 1 minh hoạ tổng quát về cấu trúc của một máy cầm tay. Chip thay thế trên board điều khiển được
điều hoà nói chung. Đây chỉ là loại điều hoà một được thiết kế như sau:
chiều, vì vậy về cấu trúc điều khiển là đơn giản hơn Các đầu vào của chip điều khiển gồm có:
so với loại điều hoà hai chiều. Ta có thể chỉ cần sử +Emergency Botton: tạo xung tín hiệu trên
dụng một bo mạch điều khiển là đủ cho cả hai cổng vào mC, khởi động module Emergency trong
block trong và ngoài phòng (dàn lạnh và dàn nóng). trường hợp không có bộ điều khiển từ xa.
Hệ thống điều khiển máy điều hoà gồm +Infared Receiver: đầu nhận tín hiệu điều
board điều khiển và bộ điều khiển hồng ngoại từ xa khiển từ bộ điều khiển từ xa.
1
+Sensor 1 và Sensor 2: là các cảm biến loại động cơ bước.
nhiệt độ và cảm biến điểm đông của môi trường +Fan motor: động cơ quạt gió, có thể thay
không khí trong phòng. đổi tốc độ.
Các đầu ra của chip điều khiển gồm có: +Compessor motor: động cơ máy nén dàn
+Led display: đèn chỉ thị báo chế độ hoạt nóng.
động của máy. Hai đầu vào cho sensor nhiệt độ và điểm
+Buzzer: Loa tín hiệu, phát âm thanh khi đông được biến đổi qua các cổng ADC, các đầu I/O
nhận được lệnh bất kì. còn lại đều dùng các cổng vào ra số thông thường
+Louver motor: động cơ đảo cánh gió,
Hình 1: Sơ đồ khối tổng quát
Cấu trúc thiết kế trên chip thay thế: CON9U-15C. Các port_x_x là những tài nguyên
Hình 2 mô tả các tín hiệu của chip ĐKML được tạo vào/ra chưa sử dụng. .
ra trên công nghệ PSoC cho bo mạch chính dùng
thay thế cho board điều khiển máy điều hoà VBH-
Hình 2: Chip ĐKML được thiết kế trên
nền chip trắng CY8C26443 của công nghệ PSoC
2
Cấu trúc và tài nguyên sử dụng trong chip ĐKML
Hình 3: Cấu trúc thiết kế và tài nguyên sử dụng trong chip ĐKML
Hình 4: Sơ đồ của chíp ĐKML
Trên cấu trúc này ta đã sử dụng cả tài nguyên số Analog Power SC On/Ref High
(diagital) và tài nguyên tương tự (analog). Trong CPU_Clock 12_MHz
đó, gồm hai ADC phục vụ cho các đầu đo nhiệt độ
Ref Mux (Vcc/2)+/-(Vcc/2)
và điểm đông, hai ADC này sử dụng hết 4 khối số
và 2 khối analog. Một đầu thu tín hiệu điều khiển Supply Voltage 5.0V
hồng ngoại của bộ điều khiển cầm tay, sử dụng 3 SwitchModePump OFF
khối số. Và một khối số được dùng làm đồng hồ Trip Voltage [LVD (SMP)] 4.64V (5.00V)
xung nhịp cho hai ADC đo nhiệt độ và điểm đông. Watchdog Enable Enable
Các thông số cấu hình hoạt động của Chip:
3
3./ CHU TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM.
3.1/ Chu trinh điều khiển nhiệt độ phòng
Hình 5: Sơ đồ điều khiển
Đối tượng điều khiển ở đây là nhiệt độ Các phím điều khiển có:
phòng, với cơ cấu chấp hành chính là máy điều hoà. +Nút trên mặt máy: Run.
Với một chiến lược điều khiển thích hợp máy sẽ tác
động để thay đổi được nhiệt độ phòng theo mong +Nút trên bàn phím điều khiển: On/Off,
muốn. Nhiệt độ phòng là một đối tượng có độ quán Run mode, Speed, Oscillation, Economy,
tính khá lớn, do đó thuật điều khiển cần thiết lưu ý Mightiness, Sleep, Beforehand, Hour, Minute, Too
đến độ trễ này. warm, Too cool.
Sơ đồ điều khiển trên thực hiện một chu Mỗi phím trên sẽ được mã hoá theo qui
trình điều khiển khép kín. Ban đầu chương trình sẽ ước của người lập trình bằng một mã điều khiển
kiểm tra nhiệt độ phản hồi về của phòng thông qua tương ứng. Khi bộ điều khiển từ xa phát ra mã lệnh
sensor nhiệt độ. Nhiệt độ này sẽ được so sánh với điều khiển thì đầu thu hồng ngoại sẽ thu và giải mã
nhiệt độ đặt ở đầu vào do người dùng thiết lập. Nếu tín hiệu đó để có được lệnh yêu cầu. Các lệnh sẽ
nhiệt độ phòng cao hơn nhiệt độ đặt thì chu trình sẽ được xử lí bằng những module khác nhau. Sau đó
hoạt động tiếp tục theo thuật điều khiển đã thiết lập. các module này sẽ đưa ra lệnh điều khiển cho các
Nếu nhiệt độ phòng thấp hơn nhiệt độ đặt thì hệ cơ cấu chấp hành để có được sự tác động cần thiết
thống tạm dừng hoạt động để nhiệt độ phòng tự vào môi trường. Sự phối hợp điều khiển của các
nóng lên. module sẽ tạo ra những thay đổi theo yêu cầu của
Các lệnh điều khiển nhiệt độ, quạt gió, người sử dụng.
máy nén, động cơ bước đảo cánh gió được thực
hiện đồng thời với chu trình điều chỉnh nhiệt độ.. Lệnh điều khiển tác động tương ứng lên các
Trong chu trình hoạt động chương trình sẽ module chức năng và các cổng đầu ra điều khiển
phải quét bộ đệm lệnh để kiểm tra nếu có lệnh điều của PSoC:
khiển mới từ bộ điều khiển hồng ngoại. Quá trình
này sẽ thực hiện ngay sau khi các thiết lập phần 2.2.a./ Nút lệnh trên mặt máy:
cứng cho chip, và là các lệnh đầu tiên của chu trình. +Run (emermgency):
Quá trình này sẽ cài đặt điểm đặt nhiệt độ theo yêu Đầu vào của Emergency Botton là cổng P2[0]
cầu của người sử dụng cũng như các cài đặt cho bộ (được thể hiện trên hình 2), khi nhấn nút thì trạng
điều khiển (các thông số của các ch ế độ trong thuật thái trên cổng sẽ được đọc vào. Nhấn lần 1 là ON,
điều khiển). lần 2 là OFF. Khi nhận được lệnh ON, trước tiên
các module phần cứng sẽ được khởi tạo các thiết
2.2/ Cấu trúc phần mềm, sự phối ghép của các lập hoạt động cho PsoC. Cổng P1[4] sẽ bật LED
lệnh, module điều khiển và phần cứng. báo trạng thái nguồn lên (hạ xuống mức thấp để bật,
Sơ đồ cấu trúc phần mềm (Hình 3) trên do cấu tạo của phần cứng). Cánh đảo gió từ vị trí
được xây dựng theo chức năng của máy. Các đầu đóng kín được đưa về vị trí mở hết bằng động cơ
vào tác động đến các Module chức năng tương ứng đảo cánh. Các tham số truyền cho các khối chức
các lệnh trên bàn phím điều khiển từ xa và trên mặt năng Run Mode là Auto, Fan Mode là Auto, Louver
máy. Tại các module, lệnh được xử lí sau đó đưa Mode là Auto) nhiệt độ mặc định được đặt là 240C.
các lệnh điều khiển tới các thiết bị chấp hành và các Dựa trên tín hiệu vào từ 2 sensor và so sánh với
module khác. nhiệt dộ mặc định, động cơ dàn nóng được điều
khiển qua 1 relay, relay này được điều khiển thông
Các Module chức năng có: qua cổng P0[3] theo chế độ Auto, tốc độ quạt gió sẽ
+Power, Run mode, Fan mode, Louver được điều khiển qua 3 relay, 3 relay này được điều
mode, Timer, LED. khiển trên 3 cổng P0[0], P0[1],P0[3] theo chế độ
Auto. Động cơ đảo cánh gió được điều khiển qua
Mỗi module đều có các chức năng cụ thể các cổng P1[0], P1[1], P1[2], P1[3] cũng theo chế
và được thể hiện trong khối, tương ứng các chức độ Auto. Các động cơ dàn nóng và quạt gió được
năng của nhà sản xuất.
4
điều khiển thông qua relay với trạng thái On khi các điều khiển. Hệ thống hoạt động theo chu kì 15 phút
cổng điều khiển đưa lên mức cao, Off khi các cổng chạy, 3 phút nghỉ (cắt toàn bộ động cơ).
này ở mức thấp. Đối với động cơ đảo cánh gió là +Cool mode: Nhiệt độ sẽ được điều chỉnh
loại động cơ bước thì động cơ được điều khiển theo nằm trong khoảng 18-300C (tuỳ theo nhiêt độ đặt
phương pháp Half Stepping, phương pháp điều của người sử dụng), với phương thức hoạt động là
khiển này cho độ bền vững cao, với momen lớn hơn làm lạnh liên tục P0[2] = 1, quạt gió và cánh đảo
và mịn hơn so với hai phương pháp còn lại là Wave hoạt động theo điều khiển của người dùng.
Stepping và Full Stepping. +Dry mode: ở chế độ này quạt gió và cánh
Khi nhận được lệnh Off, các module phần cứng đảo chạy theo thông số đặt trước. Dàn nóng bật
trong PSoC sẽ ngừng hoạt động. Các cổng điều P0[2] = 1. Toàn bộ hệ thống làm lạnh 15 phút, nghỉ
khiển các động cơ bằng relay sẽ trả về mức thấp để 5 phút trong chu kì đầu tiên, sau đó hoạt động theo
dừng động cơ, các cổng điều khiển động cơ đảo chu kì 4 phút chạy và 4 phút dừng.
cánh cũng trả về mức thấp toàn bộ để tránh tổn thất +Fan mode: Trong chế độ này chỉ có quạt
năng lượng và gây nóng động cơ, cổng điều khiển hoạt động ở chế độ đã chọn trước, tốc độ do cổng
đèn LED báo nguồn đưa về mức cao để tắt đèn. P0[0], P0[1] hoặc P0[3] xác định.
Cánh đảo gió sẽ trở về vị trí đóng hoàn toàn.
c. Too Warm, Too Cool: hai lệnh này dùng để
2.2.b./ Nút lệnh trên bộ điều khiển từ xa: thiết lập lại nhiệt độ đặt đã được thiết lập trong
module Run Mode. Nhiệt độ này được dùng làm cơ
a. On/Off: Chức năng là bật và tắt nguồn, có LED sở so sánh với nhiệt độ phòng, từ đó mới đưa ra
báo trạng thái. Các khối phần cứng được khởi tạo quyết định hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động hay tạm
hoạt động, tham số của các module điều khiển được dừng để đợi sự tăng nhiệt trở lại của môi trường
giữ nguyên từ lần hoạt động trước. Các cổng điều
khiển động cơ, LED sẽ phục hồi trạng thái theo d. Speed: Lệnh này sẽ đặt các chế độ hoạt động
điều khiển của các module. Lệnh Off sẽ ngừng các cho Fan Mode.
khối phần cứng PSoC trước, sau đó tất cả các cổng
điều khiển động cơ sẽ hạ xuống mức thấp để tắt AUTO - HIGH - MEDIUM - LOW
động cơ hoàn toàn, cổng điều khiển LED sẽ nâng
lên mức cao để tắt đèn.
b. Run mode: Dùng để chọn chế độ hoạt động của
Các chế độ này được điều khiển thông qua các relay
máy
điều khiển động cơ. Động cơ quạt gió được điều
khiển tốc độ 3 cấp, thông qua việc thay đổi số vòng
AUTO - COOL - DRY - FAN của cuộn dây rotor cũng theo 3 cấp, việc này được
thực hiện bởi 3 relay. Ba relay này sẽ trực tiếp được
điều khiển bởi module Fan Mode.
Run Mode xác định các bộ tham số đặt trước cho +Auto mode: Tại chế độ này quạt gió sẽ
hai module Fan Mode và Louver Mode, tương ứng điều chỉnh tốc độ theo chu kì thời gian đặt sẵn. 10
với các chế độ được chọn. Đồng thời sẽ trực tiếp phút chạy ở tốc độ cao (P0[3] = 1), 10 phút ở tốc độ
điều khiển hoạt động của động cơ nén dàn nóng. trung bình (P0[1] = 1), và 10 phút ở tốc độ thấp
Mỗi chế độ này sẽ có một phương án điều khiển, (P0[0] = 1).
mỗi phương án điều khiển dựa trên cơ sở sự kết hợp +High mode: Quạt chạy tốc độ cao, P0[3]
điều khiển của cả ba đối tượng: cường độ bơm nhiệt = 1.
(dàn nóng), tốc độ tản nhiệt (quạt gió), và mức độ +Medium mode: Quạt chạy tốc độ trung
lan toả của luồng nhiệt (đảo cánh). Như vậy cơ cấu bình, P0[1] = 1.
chấp hành ở đây cuối cùng vẫn là các động cơ. +Low mode: Quạt chạy tốc độ thấp, P0[0]
+Auto mode: dàn nóng bật P0[2] = 1, quạt = 1.
gió chạy ở tốc độ thấp nhất P0[0] = 1, động cơ đảo Các chân điều khiển được thể hiện rất cụ thể trên
cánh hoạt động ở chế độ đã định do Louver mode hình 2.
5
e. Osicillation: Lệnh này xác định chế độ hoạt
động của Louver Mode
AUTO - CONTINUOUS - STOP
Hình 6: Giao diện điều khiển của động cơ bước và chip ĐKML
Module này sẽ điều khiển trực tiếp động cơ louver, khối điều khiển sẽ được thiết lập theo chế độ tiết
loại stepper thông qua các cổng P1[0], P1[1], P1[2], kiệm năng lượng. LED economy (Led xanh) bật lên
P1[3]. Ví dụ: khoảng cách từ góc mở nhỏ nhất tới (P1[5] = 0). Quạt chạy tốc độ thấp (P0[0] = 1), dàn
góc mở lớn nhất của cánh đảo gió là 10 000 vòng: nóng bật (P0[2] = 1), cánh đảo chạy theo chế độ
+ Auto mode: cánh đảo xuất phát từ góc định sẵn. Toàn bộ động cơ hoạt động theo chu kì 15
nhỏ nhất thì sẽ đảo lên 4000 vòng, xuống 2000 phút chạy, 5 phút dừng.
vòng, lên tiếp 4000 ngàn vòng xuống 2000 vòng
qua 5 chu kì cánh đảo mở hết sẽ thực hiện quá trình g. Mightiness: Máy được đưa vào chế độ làm lạnh
xuống cũng tương tự như vậy. Tốc độ động cơ được hết công suất. Các module được thiết lập ở chế độ
điều chỉnh ở tốc độ trung bình. Động cơ do cổng tiêu thụ tối đa năng lượng (high power). Dàn nóng
P1[0], P1[1], P1[2], P1[3] điều khiển. bật liên tục (P0[2]=1), quạt gió chạy tốc độ cao
+ Continuous mode: Chế độ này sẽ cho (P0[3]=1), cánh đảo gió chạy ở chế độ đặt trước.
động cơ đảo lên hết 10000 vòng, sau đó xuống hết
10000 vòng và lặp lại. Tốc độ động cơ được điều h. Sleep: Cài đặt giờ tắt máy, lệnh này sẽ đưa tham
chỉnh ở mức cao trong chế độ này. số vào thiết lập cho khối Timer để đếm ngược thời
+Stop: Cánh đảo sẽ dừng lập tức trong gian từ giá trị đặt về 0, sau đó truyền lệnh Off cho
trường hợp này, khi lần hoạt động tiếp theo được khối Power. Các giá trị thiết lập trước gồm có: (1
kích hoạt thì đưa động cơ trở về vị trí mở hết hoặc hour, 2hour………., 10 hour - Off).
đóng hết để bắt đầu.
i. Beforehand: Lệnh cài đặt giờ mở máy, tạo thiết
Trong quá trình đóng và mở cánh gió khi khởi động lập cho khối Timer với chức năng chuyển lệnh On
On/Off, tuỳ theo độ mở cơ khí có thể qui ra số vòng ra khối Power. Lệnh này kết hợp với hai nút Hour
quay cần thực hiện của động cơ để điều khiển quá và Minute để thiết lập giờ mở máy theo thời gian
trình này tương tự như các quá trình khác. hiện thực của đồng hồ. Khối Timer sẽ qui đổi thành
khoảng thời gian và đếm ngược đến 0, sau đó sẽ gửi
f. Economy: Đưa máy về chế độ hoạt động tiết lệnh On cho khối Power.
kiệm nhất, khi nhận được lệnh này tham số của các
Ghi chú: Tất cả các lệnh từ mặt máy hay bàn điều
khiển đều gọi tới module phát âm thanh buzzer trên
cổng P0[4], cổng này phát chuỗi xung tần số 4 kHz
để kích hoạt loa tín hiệu.
6
3. KẾT LUẬN.
Trong bài viết này, vấn đề ứng dụng công nghệ có thể áp dụng vào nhiều hệ thống nhúng khác nhau
nhằm nâng cao tỉ lệ nội địa hoá sản phẩm là vấn đề và trong nhiều lĩnh vực khác nữa. Trong ứng dụng
được đặt lên hàng đầu. Cũng như vậy, ứng dụng này vấn đề được giải quyết chưa thực sự triệt để,
của công nghệ mới để hạ giá thành sản xuất là điểm tuy nhiên để tiếp tục phát triển nhằm hoàn thiện sản
mấu chốt được đưa ra. Qua đây ta có thể thấy tiềm phẩm, và mở rộng lĩnh vực ứng dụng thì đây là một
năng ứng dụng của công nghệ PSoC là rất lớn, mà công nghệ đầy triển vọng. .
đây chỉ là một ví dụ. Ngoài ra công nghệ PSoC còn
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
[1] Air Conditioner (Mitsubishi Electric [4] Device Data Sheet for PSoC™ (Cypress
Semiconductor Application Engineering MicroSystems Inc, Aug 18 2003)
Corporation, March,2001) [5] PSoC™ (IDE) Designer Integrated
[2] Stepper motor control (Zillul Haque, Development Environment. (Cypress
MITSUBISHI ELECTRIC, 14/08/01). MicroSystems Inc, Dec 8 2003)
[3] Stepper Motor Control with an Microcontroller [6] PSoC™ (IDE) Designer C Language Compiler.
(By Bob King and Edgar Saenz, MOTOROLA (Cypress MicroSystems Inc, June 17 2003)
SEMICONDUCTOR) [7] PSoC™ (IDE) Designer Assembly Language.
(Cypress MicroSystems Inc, June 20 2003)
7
