THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỐI CHUYỂN ĐỔI VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN TỪ ĐẦU ĐO PHỤC VỤ ĐIỂM ĐO CẢM NHẬN MÔI TRƯỜNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỐI CHUYỂN ĐỔI VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN TỪ ĐẦU ĐO PHỤC VỤ ĐIỂM ĐO CẢM NHẬN MÔI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHÙNG CÔNG PHI KHANH THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỐI CHUYỂN ĐỔI VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN TỪ ĐẦU ĐO PHỤC VỤ ĐIỂM ĐO CẢM NHẬN MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHÙNG CÔNG PHI KHANH THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỐI CHUYỂN ĐỔI VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN TỪ ĐẦU ĐO PHỤC VỤ ĐIỂM ĐO CẢM NHẬN MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành : Kĩ thuật vô tuyến điện tử & Thông tin liên lạc Mã số : 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học PGS. TS. VƯƠNG ĐẠO VY Hà Nội - 2005 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Vương Đạo Vy, người đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả giúp tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các bạn thuộc Khoa kĩ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc Trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tậ p và thực hiện đề tài. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình cùng anh em bè bạn, những người đã luôn động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Hà Nội, tháng 6 năm 2005 Tác giả Phùng Công Phi Khanh 1 MỞ ĐẦU Mạng cảm nhận không dây nhằm đo thông số môi trường hiện nay đang được nghiên cứu và có xu hướng phát triển rộng khắp, bởi nó mang lại lợi ích về nhiều phương diện cho con người. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các mạng cảm nhận không dây để đo thông số môi trường ở những nơi như: nhà kho, hầm mỏ, phân xưởng, viện bảo tàng, bệnh viện…, ph ục vụ trong các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, y tế…, mang lại hiệu quả cao và mở ra những ý nghĩa mới trong đo đạc giám sát và cảnh báo. Đề tài luận văn đi vào nghiên cứu: “Thiết kế chế tạo khối chuyển đổi và xử lý thông tin từ đầu đo phục vụ điểm đo cảm nhận môi trường”. Mục tiêu cụ thể của đề tài là: - Nghiên cứu một lo ại đầu đo. - Thiết kế và chế tạo khối chuyển đổi và xử lý dữ liệu cho đầu đo. - Truyền nhận dữ liệu không dây và hiển thị trên máy tính. Đây là bước cơ bản tiến tới xây dựng nút mạng cảm nhận môi trường nói riêng và có thể có ích cho nhiều ứng dụng khác nói chung. Kết cấu luận văn bao gồm năm chương. Chương 1: Tổng quan về đề tài. Chươ ng 2 : Chức năng và hoạt động của các modul. Chương 3 : Thiết kế và chế tạo hệ thống. Chương 4 : Thiết kế phần mềm. Chương 5 : Thử nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả. 2 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Sơ đồ khối thiết kế Với mục đích thiết kế chế tạo khối chuyển đổi và xử lý thông tin từ đầu đo phục vụ điểm đo cảm nhận môi trường như trên, chúng tôi xây dựng sơ đồ khối làm việc của nó như hình 1. Hình 1: Sơ đồ khối. Chú thích : Đường truyền vô tuyến. Đường truyền hữu tuyến. Sơ đồ bao gồm khối cảm nhận làm nhiệm vụ thu nhận các thông số môi trường và đưa đến khối xử lý. Khối xử lý có nhiệm vụ điều khiển hoạt động của các khối khác, đồng thời xử lý dữ liệu để thuận tiện cho việc truyền và nhận dữ liệu. Khối phát thông tin tiế p nhận dữ liệu từ khối xử lý và truyền không dây đến nơi thu. Nơi thu sau khi nhận dữ liệu sẽ truyền vào máy tính để hoàn tất công việc và hiển thị. 1.2 Khối cảm nhận Khối cảm nhận của mạng cảm nhận môi trường bao gồm các sensor và các mạch điện đi kèm thực hiện việc đo các thông số môi trường khác nhau. Trong luận văn này khối cảm nhậ n môi trường là modul sensor MS5535, hình dáng bên ngoài được thể hiện ở hình 2. MS5535 là một modul sensor tích hợp dạng MEMS phù hợp với mục đích xây dựng điểm đo trong nghiên cứu của đề tài. khối cảm nhận khối xử lý thông tin khối phát thông tin khối thu thông tin Máy tính Hình 2: Hình dáng MS5535. 3 1.3 Khối xử lý thông tin Khối xử lý có nhiệm vụ điều khiển hoạt động các khối khác và thu nhận xử lý các thông tin. Khối này thường là các vi điều khiển hoặc các bộ vi xử lý. Với điều kiện thực tiễn và mục tiêu đề tài, chúng tôi chọn sử dụng vi điều khiển 89C52 với hình dáng bên ngoài chỉ ra trên hình 3. Vi điều khiển 89C52 có đầy đủ thông số kĩ thuật cần thiết cho nghiên cứu của đề tài, đặc biệt là 89C52 thông dụng trên thị trường nên thuận lợi cho việc lắp ráp và thử nghiệm. 1.4 Khối phát và thu dữ liệu Điểm đo cảm nhận môi trường thường cơ động linh hoạt vì vậy phương pháp thu nhận dữ liệu không dây là thích hợp. Do đó khối thu phát dữ liệu đưa vào điểm đo cảm nhận môi trường là cần thiết. Trong s ơ đồ hình 1 khối phát và thu dữ liệu có nhiệm vụ liên kết điểm đo với nơi thu nhận kết quả đo, khối này nhận dữ liệu từ khối xử lý rồi truyền không dây đến nơi thu. Việc thu phát vô tuyến ngày nay rất phổ biến đem lại thuận tiện cho người sử dụng. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng cặp thu phát số : TX2-433-160-5V và RX2-433-160-5V hình dáng bên ngoài củ a các vi mạch này thể hiện ở hình 4. TX2 và RX2 là một cặp thu phát trong dải UHF. TX2 và RX2 đã được kiểm tra là làm theo chuẩn truyền thông. Hình 3: Hình dáng 89C52. Hình 4: Hình dáng của TX2 và RX2. 4 Chương 2: CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC MODUL 2.1 Modul MS5535 ♦ Khái quát về MS5535 MS5535 là một thiết bị dạng MEMS, tích hợp một sensor áp suất và một sensor nhiệt độ kết hợp với IC giao diện và ADC. Cung cấp một từ 16 bít dữ liệu mang thông tin áp suất và 16 bít dữ liệu mang thông tin nhiệt độ. Modul sensor MS5535 với các đặc điểm cơ bản: - Là sensor nhiệt độ và áp suất được tích hợp cùng nhau. - Dải nhiệt độ làm việc t ừ - 40 0 C đến + 60 0 C. - Dải áp suất có thể đo từ 0 đến 14 bar (200PSI). - Độ phân giải 15 bít ADC. - 6 hệ số on-chip sử dụng cho bù giá trị áp suất và nhiệt độ. - Giao diện nối tiếp 3 dây. - Hệ thống xung đồng hồ (32,768KHz). - Điện áp thấp từ 2,2v đến 3,6v. - Kích thước nhỏ (9x9x5,5mm 3 ). - Không phụ thuộc thành phần bên ngoài. - Dễ kết nối với máy tính và các thiết bị quan sát. ♦ Cấu tạo bên trong của MS5535. Sơ đồ khối cấu tạo của MS5535 được thể hiện trên hình 5. Từ sơ đồ khối ta có thể thấy modul MS5535 phần cảm nhận là sensor áp suất và sensor nhiệt độ. Ở đây modul có chức năng đo áp suất, có thể không dùng giá trị nhiệt độ nhưng vẫn phải đo nhiệt độ, vì giá trị áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ nên cần đo nhiệt độ để tính toán hệ số bù cho giá trị áp suất. Một bộ chọn kênh được dùng để lựa chọn giá trị đưa vào ADC là 5 áp suất hay nhiệt độ. Một bộ chuyển đổi dữ liệu từ tương tự thành số, IC giao diện và bộ nhớ 64 bít dùng để lưu các hệ số bù tính toán cho nhiệt độ và áp suất của modul. Các giá trị bù này được chuẩn hoá từ nhà máy dưới dạng 6 hệ số chia ra làm bốn từ lưu trong bộ nhớ PROM 64 bít. Mỗi MS5535 sẽ có các hệ số bù cho nó để sau khi tính toán kết quả ra là giá trị áp suất và giá trị nhiệ t độ đúng mà không cần phải so sánh lại với một thiết bị chuẩn nào Chuyển đổi đo áp suất cũng như đo nhiệt độ được bắt đầu bởi một điều khiển từ giao diện nối tiếp của MS5535. Bình thường MS5535 ở chế độ chờ khi có yêu cầu đo áp suất hay nhiệt độ thì cảm biến áp suất hay nhiệt độ tương ứng s ẽ được đóng mạch và thông tin được đưa đến ADC. Nhờ ADC tín hiệu được số hoá để thông qua IC giao diện giao tiếp với mạch điện bên ngoài. Thời gian chuyển đổi của ADC khoảng 2ms, sau khi chuyển đổi xong cảm biến được tắt để tiết kiệm năng lượng của nguồn. Đối với bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số AD-converter cho độ phân giải áp suất là 15 bít, thờ i gian chuyển đổi cực đại là 35 ms. Sai số giới hạn Hình 5: Sơ đồ khối của MS5535. 6 bởi phi tuyến của ADC cực tiểu là ±2 LSB (bít có giá trị nhỏ nhất), cực đại là ±7 LSB. Dải ra của ADC từ số đếm 5000 đến 37000, vì vậy lối ra là một từ 16 bít. Thông tin về nhiệt độ trong một số ứng dụng có thể không sử dụng nhưng nó cần thiết cho phép bù nhiệt độ với lối ra của áp suất. Khoảng sai số nhiệt độ từ – 0,8 0 C đến + 0,8 0 C xét ở nhiệt độ 25 0 C với hệ số bù cung cấp bởi modul MS5535 lưu trữ trong IC giao diện. Độ phân giải nhiệt độ trong khoảng 0.005 0 C đến 0.015 0 C. Sai số theo nguồn cực đại khoảng – 0,3 0 C/V đến + 0,3 0 C/V với nguồn cung cấp trong khoảng 2,2 V đến 3,6 V ♦ Giá trị bù nhiệt độ và áp suất của nhà máy Điện áp ra của một sensor áp suất phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và cách tác động, nên cần thiết phải bù cho các tác động đó. MS5535 đã có giải pháp bù. Thủ tục bù này được thực hiện bởi phần mềm sử dụng vi điều khiển bên ngoài. Thủ tục được viết thông thường có thể sử d ụng và chương trình hoá. MS5535 được chuẩn hoá ở hai nhiệt độ T 1 = 10 0 C và T 2 =35 0 C, và hai áp suất P 1 =1000 mbar và P 2 =6000 mbar. MS5535 mang 64 bít bộ nhớ PROM, được chia nhỏ thành 4 WORD (từ) 16 bít gọi là: WORD1, WORD2, WORD3, WORD4, nó lưu trữ thông tin bù dưới dạng 6 hệ số C1, C2, C3, C4, C5, C6 được tách ra từ 4 WORD nói trên. ♦ Đo áp suất và nhiệt độ Quy trình nối tiếp đọc áp suất và nhiệt độ cũng như đọc phần mềm bù được mô tả như hình 7. Đầu tiên các word (word1, word2, word3, word4 ) được đọc thông qua giao diện nối tiếp. Các word có thể được đọc một lần sau khi reset vi điều khiển. Sau đ ó các hệ số bù từ C 1 đến C6 được tách ra. 7 Hình 7: Biểu đồ thu giá trị áp suất và nhiệt độ. Đọc giữ liệu bù từ PROM của MS5535. WORD 1, WORD 2, WORD 3, WORD 4 (4x16 Bít) Khởi tạo Chuyển dữ liệu bù ra 6 hệ số. C 1 = Độ nhạy áp suất (13Bít) C 2 = Bù áp suất (13Bít) C 3 = Hệ số nhiệt độ của nhạy nhiệt độ (10Bít) C 4 = Hệ số nhiệt độ của bù áp suất (9Bít) C 5 = Nhiệt độ so sánh (12Bít) C 6 = Hệ số nhiệt độ của nhiệt độ (7Bít) Đọc giá trị áp suất D 1 (16 Bít) từ MS5535. Đọc giá trị nhiệt độ D 2 (16 Bít) từ MS5535. Tính toán nhiệt độ bù áp suất và nhiệt độ. Khác nhau giữa nhiệt độ thật và nhiệt độ so sánh. dt=D 2 - (8*C 5 + 10000) Bù cho nhiệt độ thực. OFF= C 2 + (C 4 - 250)*dt/2 12 +10000 Độ nhậy với nhiệt độ thực. SENS=C 1 /2 + (C 3 +200)*dt/2 13 +3000 Áp suất thực tính ra mbar. P = SENS *(D 1 - OFF)/2 12 +1000 Nhiệt độ thực tính ra 0 C. TEMP = (200 + dt*(C 6 + 100)/2 11 )/10 Hiển thị giá trị áp suất và nhiệt độ [...]... đồ khối thiết kế Với mục đích thiết kế chế tạo khối chuyển đổi và xử lý thông tin từ đầu đo phục vụ điểm đo cảm nhận môi trường như trên, chúng tôi xây dựng sơ đồ khối làm việc của nó như hình 1 khối cảm nhận khối xử lý thông tin khối phát thông tin khối thu thông tin Máy tính Hình 1: Sơ đồ khối Chú thích : Đường truyền vô tuyến Đường truyền hữu tuyến Sơ đồ bao gồm khối cảm nhận làm nhiệm vụ thu nhận. .. luận văn đi vào nghiên cứu: Thiết kế chế tạo khối chuyển đổi và xử lý thông tin từ đầu đo phục vụ điểm đo cảm nhận môi trường Mục tiêu cụ thể của đề tài là: - Nghiên cứu một loại đầu đo - Thiết kế và chế tạo khối chuyển đổi và xử lý dữ liệu cho đầu đo - Truyền nhận dữ liệu không dây và hiển thị trên máy tính Đây là bước cơ bản tiến tới xây dựng nút mạng cảm nhận môi trường nói riêng và có thể có... sẽ truyền các thông số thu được đến nơi nhận Nút mạng cảm nhận môi trường vừa làm chức năng đo đạc, xử lý thông tin vừa làm chức năng mạng Thông thường mỗi nút mạng như vậy bao gồm nhiều khối chức năng như: khối cảm nhận, khối xử lý, khối nguồn…, mỗi khối này có những nhiệm vụ và đặc điểm riêng tuỳ theo mục đích của mạng cảm nhận cần thiết kế Mạng cảm nhận không dây nhằm đo thông số môi trường hiện nay... các thông số môi trường và đưa đến khối xử lý Khối xử lý có nhiệm vụ điều khiển hoạt động của các khối khác, đồng thời xử lý dữ liệu để thuận tiện cho việc truyền và nhận dữ liệu Khối phát thông tin tiếp nhận dữ liệu từ khối xử lý và truyền không dây đến nơi thu Nơi thu sau khi nhận dữ liệu sẽ truyền vào máy tính để hoàn tất công việc và hiển thị 1.2 Khối cảm nhận Tuỳ thuộc vào mục đích của mạng cảm nhận. .. Hình 17 cho ta sơ đồ chân của chíp 89C52 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG Để thực hiện đề tài chúng tôi thiết kế phần cứng thành hai modul gọi là modul 1 và modul 2 Modul 1 bao gồm khối cảm nhận, khối xử lý, khối nguồn và khối phát thông tin Modul 2 bao gồm khối thu thông tin, nguồn nuôi, và thiết bị ghép nối với máy vi tính 3.1 Thiết kế chế tạo modul 1 Ở đây MS5535 sử dụng nguồn 3 V còn vi điều... thông Hình 3: Hình dáng 89C52 dụng trên thị trường nên thuận lợi cho việc lắp ráp và thử nghiệm 1.4 Khối phát và thu dữ liệu Điểm đo cảm nhận môi trường thường cơ động linh hoạt và gọn gàng vì vậy phương pháp thu nhận dữ liệu không dây là rất thích hợp Do đó khối thu phát dữ liệu đưa vào điểm đo cảm nhận môi trường là cần thiết Trong sơ đồ hình 1 khối phát và thu dữ liệu có nhiệm vụ liên kết điểm đo. .. nay Với đặc điểm này MS5535 là modul sensor rất phù hợp với mục đích xây dựng điểm đo trong nghiên cứu của đề tài 1.3 Khối xử lý thông tin Để điểm đo có thể làm việc tự động, độc lập thì phải có một CPU, đó chính là khối xử lý Trong sơ đồ hình 1, khối xử lý có nhiệm vụ điều khiển hoạt động các khối khác và thu nhận xử lý các thông tin Khối này thường là các vi điều khiển hoặc các bộ vi xử lý Với điều... tiện, hiệu quả cao và mạch điện bên ngoài phục vụ cho nó đơn giản Đại diện cho các modul sensor này là modul MS5535 dùng để đo áp suất và nhiệt độ, modul SHT11 dùng đo nhiệt độ và độ ẩm Khối cảm nhận của mạng cảm nhận môi trường bao gồm các sensor và các mạch điện đi kèm thực hiện việc đo các thông số môi trường khác nhau Trong luận văn này khối cảm nhận môi trường là modul sensor MS5535, hình dáng... phát và thu dữ liệu có nhiệm vụ liên kết điểm đo với nơi thu nhận kết quả đo, khối này nhận dữ liệu từ khối xử lý rồi truyền không dây đến nơi thu Tùy từng mục đích khác nhau của điểm đo cảm nhận môi trường như: khoảng cách, tốc độ truyền nhận dữ liệu, khối thu phát số có thể được tích hợp với một bộ vi điều khiển hay bộ vi xử lý Thông qua vi xử lý để điều khiển việc thu phát dữ liệu thí dụ như bộ vi điều... MỞ ĐẦU 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 6 1.1 Sơ đồ khối thiết kế 6 1.2 Khối cảm nhận 6 1.3 Khối xử lý thông tin 8 1.4 Khối phát và thu dữ liệu 8 Chương 2: CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC MODUL 10 2.1 Modul MS5535 10 2.2 Modul TX2 và RX2 22 2.3 Vi điều khiển 89C52 30 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG 38 3.1 Thiết