NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM VÀ ĐIỂM SƯƠNG THDP-1 SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PSoC
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...
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: [email protected]
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 Đặc biệt trong các kho tàng cất giữ hàng
hoá, thóc gạo, các điểm bảo quản máy móc, vũ khí,
Ngày nay khi nền công nông nghiệp phát đạn dược v.v…thì vấn đề đo nhiệt độ, độ ẩm và
triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú điểm sương của môi trường không khí là rất cần
thì nhu cầu lưu trữ hàng hoá trong các kho lưu hàng thiết.
càng nhiều. Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo Đa số các đầu đo, thiết bị đo nhiệt độ và độ
quản, lưu trữ các sản phẩm công-nông nghiệp trong ẩm có tính thông minh hiện hành sử dụng một số
các kho chứa hàng là rất quan trọng. Thông thường chip vi xử lý và phần mềm đơn giản để thiết bị có
với các loại hàng hoá được lưu trữ, nhiệt độ, độ ẩm một số chức năng tự chỉnh định và suy diễn. Các hệ
trong phòng lưu trữ phải luôn duy trì ở 1 mức nhất thống đo truyền xa thường lấy chuẩn truyền tương
định. Ở nước ta nhiều gian hàng bảo quản vẫn làm tự 4-20mA, 0-10V hoặc truyền số theo chuẩn nối
theo các phương pháp thủ công như cán bộ kỹ thuật tiếp RS232/485. Các thiết bị đầu đo này mua của
tiến hành đo đạc, sau đó đưa ra các giải pháp để nước ngoài, giá thành cao.
tăng hoặc giảm nhiệt độ, độ ẩm theo yêu cầu. Để phát huy nội lực trong nước, sản xuất ra
Cũng giống như trên, trong các phòng thí hàng Việt nam chất lượng cao, giá cả cạnh tranh,
nghiệm, trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng chúng tôi nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo
cây cảnh, trong các khu sản xuất rau sạch…kỹ thuật nhiệt độ độ ẩm và điểm sương THDP-1 với các lựa
viên cũng cần giám sát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng… chọn sau:
để điều chỉnh môi trường thích hợp với cây trồng. a. Chúng tôi lựa chọn công nghệ PSoC
Với các phương pháp thủ công, chúng ta sẽ (Programmable System on Chip) của hãng
mất rất nhiều thời gian và công sức mà công việc Cypress Micro System làm công nghệ chủ
lại không hiệu quả. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ chốt để phát triển thiết bị đo nhiệt độ, độ
của công nghệ thông tin, chúng ta đã và đang đưa ẩm và điểm sương. PSoC có khả năng xử
tự động hoá vào từng ngõ ngách trong cuộc sống. lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số. Nó cho
Với thiết bị THDP-1 chúng ta có thể đo được nhiệt ta khả năng phát triển các sản phẩm mới
độ, độ ẩm, điểm sương và có thể thu thập dữ liệu về nhanh, dễ dàng mở rộng các chức năng
máy tính, từ đó đưa ra các biện pháp xử lý thích mới sau này. Công nghệ này cho nhiều
hợp. Không giống các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm giải pháp lựa chọn và hỗ trợ cho đa dạng
thông thường THDP-1 không chỉ đơn thuần là thiết ứng dụng từ đo lường, xử lý, điều khiển,
bị hiển thị số liệu đo được mà nó có thể kết nối với truyền thông, kết nối mạng trên cùng một
nhau thành mạng DH-485 và truyền nhận xử lý dữ chip với giá thành thấp.
liệu từ máy tính. Với một máy tính PC, mét người b. Lựa chọn chip sensor SHTxx của hãng
điều hành có thể giám sát nhiều điểm đo khác nhau SENSIRION. Đây là chip có các chỉ tiêu
trên diện rộng. kỹ thuật và giá cả phù hợp.
1
2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
* Sơ đồ nguyên lý
PC
RS485
Hình 1 : S¬ ®å nguyªn lý ho¹t ®éng
* Thiết bị chạy độc lập * Thiết bị nối mạng RS 485
Chip sensor SHTxx nhận lệnh và gửi số liệu 4 công tắc CT để đặt địa chỉ 485 cho thiết bị.
về cho PSoC theo chuẩn phối ghép nối tiếp tương Máy tính PC có thể lấy số liệu cực đại 16 thiết bị
tự I2C: tín hiệu đồng hồ đồng bộ SCK do PSoC THDP-1 qua chuẩn RS485 để xử lý, hiển thị, lưu
phát ra, dây số liệu data 2 chiều để PSoC phát trữ.v…v. Tốc độ truyền của RS485 là 9600 baud,
lệnh và SHTxx gửi số liệu về (sử dụng 2 chân do Counter BaudRate làm Clock cho tốc độ của
PSoC). Số liệu được PSoC tính toán và hiển thị khối chức năng Phát và Nhận: Rx và Tx. Chip
lên LCD (sử dụng khối chức năng LCD). Thời MAX485 để chuyển đổi mức tín hiệu của chuẩn
gian hiển thị lần lượt nhiệt độ, độ ẩm và điểm 485 (Xem hình 2).
sương do Counter Timer quyết định.
PSoc
Cy8c2644
3
§K(3) SHT1x
LcD CPU
8x2 LCD
RAM
FLASH
Data(4) Va`
PhÇn
MÒm Counter
Counter BaudRate
+5V
Timer
Tx8
MAX
485
CT Rx8
H×nh 2. S¬ ®å m¹ch ®iÖn tö cña thiÕt bÞ
2
3. CHIP ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM SHT1x định trong buồng có độ ẩm xác định với việc làm
lạnh đo bằng máy đo độ ẩm làm chuẩn. Các hệ số
SHT1x là một chip có sensor đo nhiệt độ, độ được lập trình vào bộ nhớ. Các hệ số này đã được
ẩm tương đối, điểm sương và có cả phần chuyển sử dụng trong quá trình đo để chuẩn định tín hiệu từ
đổi ra giá trị số đã được chuẩn định. Nhiệt độ có độ sensor. Mạch phối ghép nối tiếp 2 dây và việc hiệu
phân giải 14 bits, độ ẩm 12 bits. Trên chip còn có chỉnh thế hiệu bên trong cho phép tích hợp hệ thống
mạch phối ghép nối tiếp theo kiểu I2C (Inter IC), dễ dàng và nhanh chóng. Kích thước nhỏ và công
nhưng không tương thích với chuẩn này. Kết quả suất nuôi thấp, giá cả cạnh tranh, nên nó thường
module cho ra tín hiệu chất lượng cao, thời gian trả được lựa chọn cho phần lớn các ứng dụng (Xem
lời nhanh, không bị ảnh hưởng của nhiễu và có giá Hình 3. Chip SHT1x).
cả cạnh tranh. Từng chip SHXxx đã được chuẩn
H×nh 3. Chip SHT1x
Hoạt động của chip SHT1x đồng hồ nối tiếp SCK. Quá trình truyền này được
Như sơ đồ nguyên lý đã giới thiệu (Hình 1), chip khởi động bằng 1 trình tự gọi là “Transmission
SHT1x gửi số liệu khi PSoC phát lệnh và tín hiệu 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 11110
status to default values
Wait minimum 11 ms before next command
3
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:
logEx = 0.66077 + 7.5*temper/(237.3+temper)+(log10(humid)-2);
dewpoint = (logEx - 0.66077)*237.3/(0.66077 + 7.5 - logEx);
với temper là nhiệt độ, humid là độ ẩm.
các chân ra và độ lớn bộ nhớ thích hợp. Trái tim
4. THIẾT KẾ CHIP PSoC của chip điều khiển siêu nhỏ này là CPU 8bit.
Clock của CPU có sẵn 24MHz, nhưng có thể chạy
Như sơ đồ nguyên lý (Hình 1) đã giới thiệu, với tốc độ thấp hơn. CPU có một bộ lệnh để hỗ trợ
để lấy số liệu nhiệt độ độ ẩm từ chip SHT1x chúng cho việc lập trình ở ngôn ngữ assembler và C. Tất
tôi sử dụng một chip trắng PSoC Cy8c26443 28 cả các chip của họ này đều chứa cả hai loại khối
chân làm chip Master. ngoại vi có thể định cấu hình là tương tự và số. Các
khối này cho phép người sử dụng tạo ra các chức
4.1. Phần cứng của PSoC năng khi đặt cấu hình cho chip. Có 12 khối tương
Trong các loại chip điều khiển siêu nhỏ dạng tự và 8 khối số.
“Hệ thống trên một chip” thì nổi bật nhất là các + Khối số có khả năng đặt thành các modul chức
chip của hãng CYPRESS MICROSYSTEMS. Họ năng: timer, counter, UART, v.v..
chip điều khiển siêu nhỏ này được gọi là “Hệ thống + Khối tương tự có thể sử dụng cho các modul:
khả trình trên một chip” (PSoC: Programmable ADC, DAC, lọc, khuyếch đại, v.v..
System-on-Chip). Chip điều khiển siêu nhỏ PSoC + CPU có nhiều thanh ghi để lập trình và nhiều tuỳ
bao gồm CPU nhanh, bộ nhớ chứa chương trình chọn cho các xung đồng hồ.
Flash, bộ nhớ chứa số liệu SRAM, các khối tương
tự và số có thể đặt cấu hình trong một phạm vi của
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)
4
Op-Amp Bias High
A_Buff_Power High
SwichModePump ON
VoltMonRange 5.0V
VoltMonThreshold 92%
Supply Voltage 5.0V
H×nh 4: S¬ ®å khèi cña PSoC
4.2. Phần mềm của PSoC • Counter_BaudRate: Tạo Clock cho UART
Hãng Cypress MicroSystems cung cấp phần truyền với tốc độ 9600Baud.
mềm thiết kế PSoC Designer để có thể định cấu • Tx8: PSoC phát lệnh cho SHT1x.
hình phần cứng và lập trình phần mềm cho các chip
• Rx8: PSoC nhận số liệu kết quả từ SHT1x.
PSoC trên máy PC thông thường và sau đó nạp vào
Tín hiệu Tx8 và Rx8 được chuyển đổi theo
cho Chip qua Kit ICE, tạo ra 1 chip điều khiển siêu
chuẩn RS485 qua chip MAX485.
nhỏ chuyên dụng. Sử dụng chương trình Designer
chúng tôi thiết kế ra chip cho máy đo nhiệt độ độ • 4 công tắc mini CT được nối vào 4 chân PSoC
ẩm có các module chức năng như đã giới thiệu ở để đặt địa chỉ cho mạng RS485.
hình 2:
+ Tín hiệu SCK: tạo xung đồng hồ để đồng bộ các Chương trình nhúng trong PSoC
bit truyền cho SHT1x và Lưu đồ của chương trình nhúng được giới
+ Tín hiệu Data: Lệnh của PSoC gửi cho SHT1x thiệu theo hình 5. Khi bật điện chương trình khởi
chiều ngược lại là số liệu của tạo toàn bộ hệ thống: các khối chức năng, tốc độ
SHT1x trả lời lại theo lệnh. truyền 9600 Baud, 8 bit data, no parity, 1 bit stop,
Hai tín hiệu này được tạo ra và lập trình bằng phần thời gian hiển thị. . .Chương trình phát lệnh đo
mềm trên hai chân của PSoC. 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
Các khối chức năng sử dụng trong chíp PSoC
có lệnh của PC gửi sang qua mạng RS485. Nếu có
• LCD: Hiển thị số liệu nhiệt độ độ ẩm và điểm
chương trình gửi các giá trị Nhiệt độ, độ ẩm và
sương lên màn hình LCD 8kí tự x 2hàng.
điểm sương. Nếu không có thì chương trình đọc
• Counter_Timer: Chia thời gian để hiển thị lần
Timer để xem phải hiển thị gì. Nhiệt độ độ ẩm hiển
lượt:
thị 10 giây, sau đó tới điểm sương hiển thị 10 giây.
+Nhiệt độ độ ẩm
+Điểm sương
5
Khởi tạo hệ thống
Hình 5: Lưu đồ chương trình chính của
Phát lệnh chip đo nhiệt độ và độ ẩm
đo
Đọc và tính
toán số liệu
Y Gửi số liệu
Có lệnh từ
PC
N
Y
Đọc Timer Hiển thị điểm
hiển thị DS sương
N
Hiển thị nhiệt độ
độ ẩm
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
6
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 • Dòng tiêu thụ: < 200 mA
• Cổng truyền mạng : RS485
Trên cơ sở tạo được chip chuyên dụng cho
6. KẾT LUẬN
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 Với ưu điểm gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng,
THDP-1. độ tin cậy cao, giá thành hạ so với thiết bị nhập
ngoại nhưng tính năng tương đương, thiết bị
• Các thông số kỹ thuật của thiết bị THDP-1:
THDP_1 có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các
Min Typ Max Đơn vị
lĩnh vực ®o vµ gi¸m s¸t nhiÖt ®é ®é Èm ®iÓm
Nhiệt độ:
s−¬ng…v.v.. trong các kho tµng, nhà máy, xí
Dải làm việc -40 123,8 oC
nghiệp. Với sản phẩm thiết bị THDP_1, chúng tôi
Độ phân giải 0,04 0,01 0,01 oC
mong muốn đem đến cho khách hàng nhiều lợi ích
12 14 14 bit
trong quản lý, b¶o vÖ kho tµng cã hiệu quả, góp
Độ chính xác +0,4 oC (5 - 40 oC)
phần tăng chÊt l−îng và giảm giá thành sản phẩm.
Độ ẩm
Dải làm việc 0 100 %RH
Tài liệu tham khảo:
Độ phân giải 0,5 0,3 0,3 %RH
[1] CY8C26xxx Data sheet
8 12 12 bit
Độ chính xác +2,0 %RH [2] PsoC Designer 4.0 Usermanual
[3] SHTxx Data Sheet
• Kích thước: 85x80x25 mm
[4] NAX 485 Data sheet
• Trọng lượng: 150 g
• Nguồn nuôi: 9 - 15V DC
7
