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

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

441
lượt xem 116
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHO ĐẦU ĐO MỨC NƯỚC

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 Thiết bị bao gồm: - Đầu đo mực nước kèm theo bộ truyền dữ Nhu cầu đo mức nước trong các ngành kinh tế liệu. quốc dân là rất lớn. Ví dụ trong lĩnh vực cấp nước - Thiết bị thu nhận xử lý, tính toán, lưu trữ dữ đô thị, thuỷ lợi và phòng chống thiên tai. Hiện nay liệu, hiển thị có khả năng kết nối máy PC và cả nước ta đang triển khai các dự án cấp nước và hệ thống SCADA giám sát toàn cục. hàng trăm công trình thủy lợi nhằm kiên cố hóa Nội dung mới ở thiết bị này là: kênh mương và hiện đại hóa các trạm bơm nhằm - Tạo ra được một chip đo mức nước chuyên phục vụ chương trình phát triển nông nghiệp, nông dụng, xây dựng được đầu đo mực nước mới thôn của nhà nước. ổn định, bảo đảm độ chính xác, có phần xử lý Mỗi công trình thủy nông đều cần hàng chục và truyền dữ liệu đo dạng số tại chỗ mà không đầu đo, thiết bị đo mực nước từ xa nhằm phục vụ cần nguồn pin tại đầu đo. quy trình vận hành trạm bơm bảo đảm đủ nước tưới - Đa số các thiết bị hiện hành sử dụng tín hiệu tiêu cho vùng diện tích canh tác rộng mà vẫn bảo tương tự 0-10V hay 4-20mA để truyền dữ đảm tiết kiệm điện, không lãng phí nước. Mỗi thiết liệu. ở thiết bị này từ nguyên lý đo, truyền và bị đo mực nước kênh, hồ thủy lợi có chỉ báo từ xa, xử lý hoàn toàn bằng kỹ thuật số với phần có khả năng kết nối với PC, có bộ nhớ lưu trữ dữ mềm có các thuật lọc, xử lý đặc thù. liệu đo giá tới vài ngàn đôla Mỹ. Trong báo cáo này chúng tôi tập trung đi sâu vào Mục tiêu nghiên cứu của chúng tôi nhằm phát nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra được chip chuyên triển được thiết bị đo có chức năng vượt trội hơn dụng đo mức nước sử dụng công nghệ PSoC. thiết bị nhập ngoại nhưng với giá thành rẻ hơn nhiều lần đáp ứng nhu cầu trong nước. Cảm biến mức nước hoạt động theo nguyên lý 2. Nguyên lý đầu đo mực nước tụ điện, của 2 ống inox lồng nhau được bọc lớp cách điện có độ dài trung bình từ 1m - 5m. 2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến mức nước theo phương pháp tụ 1
r Điện dung của cảm biến khi không có nước được tính theo công thức sau: (xem hình 1) R L C0 = 2πε 0 (1) R ln  L-l r L - độ dài của cảm biến l - độ dài của cảm biến ngập trong nước L 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; H×nh 1. C¸c th«ng sè cña c¶m biÕn møc n−íc l Nếu đặt: 2πε oε r C1 = = K o .ε r l 2πε 0 (2) R K0 = ln( ) R r ln  r 2πε 0 C2 = ( L − l ) = K0 ( L − l ) (3) điện dung của cảm biến: Co = K o ⋅ L R ln  Như chúng ta đã biết, khi cảm biến được nhúng vào r trong nước, hằng số điện môi của nước sẽ gấp xấp xỉ εr ~ 80 lần so với không khí. Tổng điện dung của cảm biến sẽ tính như sau: Khi ta nhúng đầu đo vào nước với độ dài l, điện C = C1 + C 2 = Co + ( ε r − 1 ) ⋅ K o ⋅ l (4) dung sẽ được tính gồm 2 phần tụ C1 phần ngập Như vậy ta có thể thấy giá trị của tụ tỷ lệ với độ dài nước và C2 là phần của không khí. ngập nước của đầu đo. về thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu. Tất cả các quá 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử đo mức nước trình đo đạc được số hoá toàn bộ, bảo đảm dữ liệu Hình 2 giới thiệu sơ đồ khối mạch điện tử truyền về không bị tác động nhiều bởi nhiễu. được gắn liền với cảm biếm mức nước và có nhiệm vụ đo, tính toán, xử lý, lọc tín hiệu và truyền số liệu Khối dao động Cảm CHIP WLS Đo mức nước Khèi ICM7555 biến TruyÒn mức số liệu I2C nước Max 485 Cảm Cảm biến biến nhiệt nhiệt độ độ nước không DS khí 1624 LM Hình 2: Sơ đồ khối đầu đo mức nước thông minh 2
Chức năng của các chip trong sơ đồ: • Chip DS1624 - IC đo nhiệt độ, được kết nối theo chuẩn I2C • Chip chính là chip WLS đo mức nước được • Chip LM75 - IC đo nhiệt độ, được kết nối phát triển trên công nghệ PSoC. theo chuẩn I2C. • 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 Sơ đồ khối chức năng của chip đo mức nước WLS được mô tả trong hình 3: 5 COUNTER8-2 COUNTER8-4 COUNTER16-1 5 ®Çu ®o 5 UART-1 A Rx COUNTER8-1 CLK B MAX485 Tx Rx Tx Chip chuyên dụng CPU COUNTER8-3 WLS FLASH I 2C RAM Cho đo ứ ướ LM75 DS1624 Hình 3: Sơ đồ khối các chức năng chính của chip WLS đo mức nước 3. Mô tả chu trình hoạt động của chip WLS WLM. Tốc độ truyền là 9600Baud. Counter8-1 tạo xung đồng hồ cho UART-1 để truyền 9600Baud. Cảm biến mức nước được chế tạo trên nguyên Counter8-3 tạo xung đồng hồ 500m giây và 12 lý: tụ C cùng 1 điện trở R đưa vào mạch 555 tạo ra giây. Cứ 500m giây chương trình kiểm tra xem có 1 tần số (gọi là tần số nước). Tần số này đưa vào lệnh gửi số liệu không, nếu có thì gửi số liệu của Counter8-2 và Counter8-4 để giảm xuống giới hạn đầu đo cho thiết bị hiển thị mực nước từ xa WLM. mà Counter16-1 với tần số 8,uS có thể đo được độ 12 giây thì đo nhiệt độ nước ( LM75 ), và nhiệt rộng của mức 1 của tần số nước. Khi có sườn độ không khí ở khoang điện tử (DS1624 ) để thực xuống của tần số nước, 1 ngắt cứng tạo ra và hiện các tính toán và hiển thị cần thiết. chương trình Ngắt đọc số xung mà Counter16-1 Tất cả việc xử lý và tính toán được CPU thực đếm được trong khoảng mức 1 của tần số nước. hiện theo chương trình nạp trong Flash (Hình 3). UART-1 truyền theo chuẩn RS485 - qua chip MAX485 với thiết bị hiển thị mực nước từ xa 3
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) Op-Amp Bias High A_Buff_Power High SwichModePump ON VoltMonRange 5.0V VoltMonThreshold 92% Supply Voltage 5.0V + Một số đặc trưng cơ bản của các chip PsoC đo mức nước : 28 chân Tần số hoạt động 93,7kHz- 24MHz Thế hiệu làm việc 3V-5,25V Flash(kBytes) 16 RAM(Bytes) 256 Khối số 8 Khối tương tự 12 Số chân vào/ra 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. 4
Nhiệm vụ của các khối chức năng sử dụng trong • Counter8_1: Đặt Clock cho tốc độ truyền 485. chíp đo mức nước • Counter8_3: Đo thời gian cho hệ thống. • Counter8_2, Counter8_4: Giảm tần số nước • I2C: Đo nhiệt độ xuống mức cần thiết • UART_1: Truyền theo chuẩn nối tiếp. • Counter16_1: Đo độ rộng xung tần số nước. + Định nghĩa các chân của chip đo mức nước S i g n a l P i n T a b l e ( t1 ) 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 Global_IN_7 High Z DisableInt 2 P0[5] Port_0_5 Global_OUT_5 (Pull Up) Pull Up DisableInt 3 P0[3] Port_0_3 StdCPU Pull Up DisableInt 4 P0[1] Port_0_1 StdCPU Pull Up DisableInt 5 P2[7] Port_2_7 StdCPU Strong DisableInt 6 P2[5] Port_2_5 StdCPU Pull Down DisableInt 7 P2[3] Port_2_3 StdCPU Pull Down DisableInt 8 P2[1] Port_2_1 StdCPU Pull Down DisableInt 9 SMP 10 P1[7] Port_1_7 StdCPU Pull Down DisableInt 11 P1[5] Port_1_5 StdCPU Pull Down DisableInt 12 P1[3] Port_1_3 StdCPU Pull Down DisableInt 13 P1[1] Port_1_1 StdCPU Pull Down DisableInt 14 VSS 15 P1[0] Port_1_0 StdCPU Pull Down DisableInt 16 P1[2] I2Cm_1SDA_Pin StdCPU High Z DisableInt 17 P1[4] I2Cm_1SCL_Pin StdCPU High Z DisableInt 18 P1[6] Port_1_6 StdCPU Pull Down DisableInt 19 XRES 20 P2[0] Port_2_0 StdCPU Pull Down DisableInt 21 P2[2] Port_2_2 StdCPU Pull Down DisableInt 22 P2[4] Port_2_4 StdCPU Pull Down DisableInt 23 P2[6] Port_2_6 StdCPU Pull Down DisableInt 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 27 P0[6] Port_0_6 StdCPU Pull Down DisableInt 28 VCC 5
4. Hệ thống thiết bị đo và xử lý mức nước từ xa Với chip WLS chúng tôi đã chế tạo được các đầu đo 1, 2, 3m và hệ thống đo xa hiển thị Với chuẩn truyền 485 ta có chức năng kết kết quả đo WLM. Hệ thống này có các đặc nối mạng các đầu đo theo nguyên lý “cây tre trưng kỹ thuật như sau: trăm đốt” để đo được mức nước sâu hơn 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 Tài liệu tham khảo: tôi đã tạo ra được một chip chuyên dụng đo mức [1] WLS đầu đo mức nước nước WLS và từ chip này đã chế tạo ra nhiều loại Tài liệu kỹ thuật của Phòng công nghệ tự động đầu đo và hệ thống đo xa mức nước cho các nhà hoá, Viện Công nghệ thông tin máy nước và các hệ thống thuỷ lợi. Các đầu đo [2] Vũ Sĩ Thắng, Phan Minh Tân, Phạm Thượng nước và hệ thống đo xa đã được thử nghiệm với Cát nhiều điều kiện môi trường nước khác nhau cho kết “Nghiên cứu phát triển hệ thống đo và xử lí quả tin cậy. Khả năng ứng dụng của hệ thống có thể mực nước từ xa với độ chính xác cao thay kể đến là: thế nhập ngoại”. Tuyển tập các báo cáo • Đo kiểm soát mức nước các hệ thống khoa học, Hội nghị khoa học toàn quốc thủy lợi, kênh tưới tiêu, đập, hồ chứa VICA5 lần thứ 5 về Tự động hoá 24- nước. 26/10/2002, trang 374-379 • Đo kiểm soát lưu trữ mực nước sông, [3] Tài liệu về chip PSoC CY8C26443 suối, ao hồ. [4] PSoC Designer 4.0 • Đo mực nước từ xa bể chứa ở các nhà [5] Max 485 Data sheet máy nước. [6] LM75 Data sheet [7] DS1624 Data sheet 6