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

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

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 tập 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

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…, phục 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 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 ích cho nhiều ứng dụng khác nói chung

Kết cấu luận văn bao gồm năm chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 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

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 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

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 bên ngoài

khối phát thông tin

khối thu thông tin

Máy tính

Hình 2: Hình dáng MS5535

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 sơ 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 của 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

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 từ - 400C đến + 600C

- 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 (9x9x5,5mm3)

- 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

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 nhiệt

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 sẽ 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, thời gian chuyển đổi cực đại là 35 ms Sai số giới hạn

Hình 5: Sơ đồ khối của MS5535

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

♦ 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 dụng và chương trình hoá

MS5535 được chuẩn hoá ở hai nhiệt độ T1= 100C và T2=350C, và hai

áp suất P1=1000 mbar và P2=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 đó các hệ số bù từ C1 đến C6 được tách ra

Hình 7: Biểu đồ thu giá trị áp suất và nhiệt độ

Đọc giữ liệu bù từ PROM của MS5535

WORD1, WORD2, WORD3, WORD4 (4x16 Bít)

Khởi tạo

Chuyển dữ liệu bù ra 6 hệ số

C1= Độ nhạy áp suất (13Bít)

C2= Bù áp suất (13Bít)

C3= Hệ số nhiệt độ của nhạy nhiệt độ (10Bít)

C4= Hệ số nhiệt độ của bù áp suất (9Bít)

C5= Nhiệt độ so sánh (12Bít)

C6= Hệ số nhiệt độ của nhiệt độ (7Bít)

Đọc giá trị áp suất D1(16 Bít) từ MS5535

Đọc giá trị nhiệt độ D2(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

TEMP = (200 + dt*(C6 + 100)/211 )/10

Hiển thị giá trị áp suất và nhiệt độ

Để đo áp suất vi điều khiển phải đọc giá trị 16 bít thông tin áp suất (D1) và 16 bít thông tin nhiệt độ (D2) cùng một giao diện nối tiếp Sau đó giá trị áp suất được tính ra từ D1, D2 và C1 đến C6 theo công thức như trong hình 7 Tất cả các tính toán có thể được thay đổi với 16 bít Kết quả lúc đó có thể dài 32 bít nhưng chỉ có 16 bít cao là đáng kể

♦ Nguyên lý đo áp suất và nhiệt độ

Đo áp suất và nhiệt độ sử dụng chung một ADC Để đo áp suất, điện

áp khác nhau từ sensor áp suất được chuyển đổi Để đo nhiệt độ, điện áp từ cầu điện trở sensor được chuyển đổi

Trong suốt thời gian đo sensor sẽ bật tắt trong một thời gian ngắn để giảm tiêu thụ của nguồn ADC được đánh giá là tuyến tính (giá trị số trong dải từ 5000 đến 37000) cho tất cả các biến đổi của sensor

♦ Giao diện nối tiếp

MS5535 truyền thông với vi sử lý và các hệ thống số khác thông qua giao diện nối tiếp 3 dây Chân SCLK (serial clock) dùng để làm hiệu lệnh cho cả việc truyền và nhận dữ liệu trên các chân DIN và DOUT Khi truyền dữ liệu mỗi bít truyền rơi vào sườn lên của xung SCLK Khi nhận

dữ liệu thi ngược lại với mỗi bít nhận rơi vào sườn xuống của xung SCLK Tín hiệu SCLK phát ra từ hệ thống vi xử lý Tín hiệu DOUT (Data Out) dùng làm hiệu lệnh cho tình trạng truyền dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu Dữ liệu số cung cấp bởi chân DOUT là kết quả của sự chuyển đổi, và dữ liệu phần mềm bù cho nhưng sai số của sensor Lựa chọn dữ liệu ra phụ thuộc

dữ liệu định dạng của tín hiệu DIN

2.2 Modul TX2 và RX2

♦ Modul phát tín hiệu TX2

cao tần trong dải UHF với tần số là 433,92MHz TX2 được sản suất theo chuẩn châu Âu EN 300 220-3, sử dụng và phát ra +9 dBm từ nguồn cung cấp 5 V với dòng 12 mA TX2 cho phép truyền với tốc độ lên tới 160 kbít/giây với khoảng cách lên tới 75m trong nhà và 300m ngoài trời TX2

có kích thước nhỏ gọn 33x12x3,8 mm Cấu tạo TX2 có sơ đồ khối như hình 10

TX2-433-160-5V bao gồm một lối vào dữ liệu số đưa đến một bộ lọc thông thấp 100KHz Một bộ dao động nội ổn định và bộ điều chế SAW Tín hiệu đưa ra qua một bộ đệm và cuối cùng là bộ lọc thông dải 433 MHz trước khi đưa ra anten

♦ Modul thu tín hiệu RX2

Modul RX2 modul thu FM đổi tần hai lần có khả năng thu tín hiệu lên tới 160kbps Modul thu RX2 có kích thước 48x17,5x4,5 mm Nó vận hành ở nguồn cung cấp từ 3V đến 6V tiêu thụ dòng điện 14mA khi nhận

dữ liệu RX2 tìm sóng mang nhanh (1ms) Cho phép tiết kiệm nguồn bằng cách sử dụng nguồn ngắt mở RX2 có độ nhạy là 107dBm, Kết hợp với bộ lọc đầu và cuối SAW kết quả thực thi ở RF tốt

Hình 10: Sơ đồ khối cấu tạo của TX2

Modul thu RX2 có sơ đồ khối cấu tạo như hình 12:

Cấu tạo bao gồm một lối vào RF, qua một bộ lọc thông dải 433 MHz đưa đến một bộ khuếch đại tín hiệu Tín hiệu sau khi được khuếch đại sẽ qua

bộ lọc băng thông SAW và đưa đến bộ trộn thứ nhất để ra tín hiệu trung tần IF qua bộ trộn thứ hai được tín hiệu AF tín hiệu này được qua bộ lọc thông thấp rồi đưa ra ngoài Một đường tín hiệu đưa qua bộ tạo dữ liệu thích nghi đưa ra dữ liệu số nơi phát

2.3 Vi điều khiển 89C52

Vi điều khiển 89C52 thuộc họ vi

điều khiển 8051 của intel Vi mạch

Hình 12: Sơ đồ khối của RX2

Hình 17: Sơ đồ chân của 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 khiển sử dụng nguồn 5V Như vậy có hai giá trị điện áp nguồn khác nhau Để đơn giản và phù hợp với ý tưởng mạng cảm nhận không dây, chúng tôi dùng nguồn pin 9 V

và sử dụng hai bộ ổn áp 5 V và 3 V tạo ra giá trị nguồn 5 V cho vi điều khiển 89C52 và TX2 và 3 V cho modul MS5535 như chỉ ra ở hình 24

Hình 24: Sơ đồ phần nguồn

Vi điều khiển 89C52 hoạt động với các mức logic vào ra với mức cao là từ 2,8 V đến 5 V, và mức thấp là từ 0 V đến 2,4 V Với MS5535 như trên thì làm việc với mức cao là 2,4 V đến 3 V (từ 80%Vcc đến 100%Vcc) và mức thấp là từ 0 V đến 0,6 V (từ 0 đến 20%Vcc) Với mức thấp thì việc ghép nối giữa vi điều khiển với MS5535 không có khó khăn, nhưng với mức cao thì không phù hợp Vi điều khiển 89C52 có port 0 không có điện trở treo lên nguồn nên có thể sử dụng port này với trở bên ngoài 5K1 treo lên nguồn 3V Để dễ dàng cho việc lắp mạch chúng tôi

Pin 9V Lọc

ổn áp 5V

Lọc ổn áp 3V

Lọc

chọn chân 2, 3, 4, 5 của MS5535 tương ứng với P0.2, P0.3, P0.4, P0.5 của

vi điều khiển (còn chân 1 nối mát và chân 6 nối với nguồn 3V)

Với vi điều khiển 89C52 chúng tôi sử dụng dao động thạch anh 11,0592 MHz sự lựa chọn này sẽ thuận lợi cho việc chuyền thông qua port nối tiếp

Chú thích: R1=5k1Ω, R2=10kΩ, R3=100Ω, C1=10µF, C2=C3=33PF, y=11,0592MHz

Ghép nối giữa khối xử lý và khối phát thông tin Ở đây khá thuận lợi

vì chúng sử dụng chung nguồn 5V Modul TX2-433-160-5V là dạng modul tương thích với vi điều khiển Sơ đồ ghép nối của vi điều khiển 89C52 với MS5535 và TX2 trên hình 25

3.2 Thiết kế chế tạo modul 2

Tín hiệu được thu từ anten vào RX2, sau đó đưa ra dữ liệu số ở chân

6 Để giao tiếp với máy tính qua cổng COM chúng tôi sử dụng IC MAX232 RX2 và MAX232 sử dụng nguồn 5V nên chúng tôi sử dụng nguồn 5V tạo ra bằng cách ổn áp 5V từ pin 9V

Hình 25: Sơ đồ mạch điện modul 1

Chương 4: THIẾT KẾT PHẦN MỀM

4.1 Khái quát các phần mềm cho hệ thống

Từ mục đích đề tài và thiết kế phần cứng, ta có hai phần mềm

cần thiết kế để mạch điện làm việc là:

- Lập trình phần mềm nhúng cho vi điều khiển 89C52

Phần mềm để 89C52 giao tiếp với MS5535 điều khiển và thu dữ liệu từ MS5535, xử lý dữ liệu và truyền đến TX2 qua port nối tiếp

- Phần mềm lập trình trên máy vi tính để đọc dữ liệu từ cổng COM

xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả ra màn hình

Để thu được giá trị áp suất và nhiệt độ cần phải sử dụng biểu đồ thu

áp suất, nhiệt độ hình 7 Các giá trị WORD1, WORD2, WORD3, WORT4 mang thông tin về các hệ số bù được chuẩn hoá của nhà máy, nên không

10

16

15

6 7 2

chỉ cần đọc một lần các giá trị WORD1, WORD2, WORD3, WORD4 còn các giá trị D1, D2 thì đọc liên tục trước mỗi lần hiển thị Để thuận tiện, cần đọc giá trị WORD1, WORD2, WORD3, WORD4 rồi tính các hệ số C1, C2, C3, C4, C5, C6 sau đó lưu vào máy tính

Máy tính đọc các giá trị D1, D2 từ modul 2 qua cổng com, tính toán D1, D2 với 6 hệ số C1, C2, C3, C4, C5, C6 để thu các giá trị nhiệt độ và

áp suất và hiển thị kết quả lên màn hình

Vi điều khiển làm nhiệm vụ đọc giá trị D1, D2 đưa ra port nối tiếp

Để dữ liệu thu được chính xác phải gửi dữ liệu theo từng khung

Giao thức truyền nhận dữ liệu theo khung được định dạng như sau:

Start Data End

Trong đó :

Tên nhóm byte Số lượng (byte) Chú thích

Data 4 Nhóm byte dữ liệu D1 và D2 End 1 Nhóm byte kết thúc của frame

4.2 Phần mềm nhúng cho vi điều khiển

Trong phần cứng cho thấy chân 2, 3, 4, 5 của MS5535 nối với P0.2, P0.3, P0.4, P0.5 nên phần mềm lập trình cho vi điều khiển có các nhiệm vụ:

- Tạo ra tần số MCLK ổn định cho MS5535, tần số này đưa ra trên chân P0.5 Tần số MCLK của MS5535 nằm trong dải từ 30 KHz đến 35 KHz Mạch vi điều khiển 89C52 làn việc với dao động thạch anh là 11,0592 MHz nên chọn tần số 32,914 KHz có được bằng cách dùng bộ định thời 0 ở chế độ tự nạp lại 8 bít với giá trị nạp cho bộ định thời là –14

- Khởi động port nối tiếp của vi điều khiển 89C52 với tốc độ 9600 baund, tốc độ này có được bằng cách đặt bộ định thời 1 ở chế độ nạp lại 8

- Tạo chuỗi xung reset P0.4 để reset MS5535, xung reset được dùng đến trước mỗi lần điều khiển MS5535 để đọc dữ liệu

- Tạo ra các chuỗi xung trên chân P0.4 điều khiển MS5535 và thu giá trị trên chân P0.3 (nối với chân DOUT của MS5535)

- Truyền các gói tin ra port nối tiếp theo định dạng đã thiết kế

Sơ đồ thuật toán của nó như hình 28 Phần mềm nhúng cho vi điều khiển được viết bằng hợp ngữ

Hình 28 Sơ đồ thuật toán phần mềm nhúng cho vi điều khiển

khởi tạo

- Tạo tần số MCLK cho MS5535

- Khởi động port tốc độ 9600 baund

- Gọi xung Reset MS5535

- Tạo xung SCLK thu giá trị D1

- Đọc giá trị D1 vào vi điều khiển

- Gọi xung reset MS5535

- Tạo xung SCLK thu giá trị D2

- Đọc giá trị D2 vào vi điều khiển

Truyền giá trị D1 và D2 ra port nối tiếp

theo khung đã được định dạng

4.3 Lập trình cho máy vi tính

Ở máy vi tính có nhiệm vụ thu nhận các gói tin từ cổng COM rồi tính

ra các giá trị nhiệt độ áp suất hiển thị ra màn hình Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic Chúng tôi chọn ngôn ngữ này để đơn giản trong thiết kế Phần mềm phải thực hiện được những mục đích sau:

- Điều khiển thu nhận dữ liệu từ cổng COM máy vi tính

- Đọc gói tin và kiểm tra gói tin

- Tách thông tin từ gói tin và thực hiện tính toán các giá trị D1, D2 với các hệ số để thu được giá trị nhiệt độ và áp suất

- Hiển thị giá trị nhiệt độ và áp suất ra màn hình

Phần mềm cho máy vi tính thực hiện các mục đích trên có sơ đồ thuật toán như hình 29

Hình 29: Sơ đồ thuật toán phần mềm nhận và xử lí dữ liệu trên máy tính

Khởi tạo

Khởi động port nối tiếp ở chế độ nhận với tốc độ 9600 baund

- Đọc giá trị của port theo các khung truyền

- Kiểm tra lỗi của khung truyền

- Tách tín hiệu D1 và D2 ra khỏi khung

Tính toán D1 và D2 với các hệ số C1, C2, C3, C4, C5, C6 để thu được giá trị áp suất và nhiệt độ

Hiển thị giá trị áp suất và nhiệt độ

5.1 Tổ chức thử nghiệm

Để thử nghiệm hệ thống có nhiều cách Do không có điều kiện thử nghiệm với các thiết bị chính xác cao nên chúng tôi đã thử nghiện với thí nghiệm như hình 31

Thử nghiệm bao gồm modul

MS5535 đặt trong một bình không

khí cách li với bên ngoài MS5535

nối ra modul 1 bên ngoài Bình

không khí được nối ra ngoài với

một ống nước và thông với khí trời

Lúc này áp suất trong bình không

khí nơi đặt modul MS5535 sẽ bằng

áp suất tại mặt nước trong bình

không khí và tỉ lệ với áp suất của

cột nước h Khi chiều cao h của cột nước thay đổi thì áp suất trong ống nơi đặt MS5535 cũng thay đổi theo Nhờ vậy ta có thể có được các giá trị áp suất khác nhau Thử nghiệm việc thay đổi chiều cao của cột nước h thực hiện bằng việc đưa ống nước lên cao hay hạ thấp xuống trong khi bình không khí vẫn để cố định

5.2 Cách tính toán thông số áp suất

Từ sơ đồ này ta thấy áp suất nơi đặt MS5535 sẽ là:

Pss ± 2α/R = Pkq + Pn± 2α/R0

Pss là áp suất trong bình không khí nơi đặt modul sensor MS5535

R0 là bán kính của ống bên ngoài

R là bán kính của bình không khí

Pkq là áp suất khí quyển bên ngoài

Pn là áp suất của cột nước

α = 0,073 là hệ số căng mặt ngoài của nước Giá trị 2α/R và 2α/R0 là sức căng mặt ngoài của nước trong bình không khí và trong ống bên ngoài, vì

α rất nhỏ và R,R0 lớn nên ta bỏ qua tác động này Khi đó ta có:

Pss = Pkq + Pn

Áp suất Pkq là áp suất đo được bên ngoài của bình không khí (áp suất khí quyển) tại thời điểm thử nghiệm và coi như không đổi trong suốt quá trình thử nghiệm

Pn là áp suất của cột nước: Pn = D.g.h

D = 1000kg/m3 là khối lượng riêng của nước

g = 10m/s2 Là gia tốc rơi tự do

h là chiều cao cột nước

Nếu h lấy đơn vị là m thì áp suất Pn sẽ là:

Pn = D.g.h (N/m2) = 104.h (N/m2) = 100.h (mbar)

Nếu h lấy đơn vị là mm thì ta có

Pss = h/10 + Pkq (mbar)

5.3 Kết quả của thử nghiệm

Với những giả thiết và tính toán trên Chúng tôi đã tiến hành đo và thu được những kết quả sau những kết quả này một số là kết quả chính xác, nhưng một số kết quả là trung bình của vài phép đo

Pkq = 1018 mbar (áp suất không khí lý thuyết là 1013 mbar tại mức mặt biển)

Plt = Áp suất theo tính toán lý thuyết: Plt = h/10 +1018 (mbar)

Ptn = Áp suất theo thực nghiệm đo được

Từ những kết quả trên ta nhận thấy sai số lớn nhất là 8 (mbar) và sai

số nhỏ nhất là 0 (mbar) Những kết quả này mới là bước đầu chưa thể hiện hết toàn dải đo của MS5535 Nhưng những kết quả đó rất khả quan để đánh giá độ chính xác của MS5535 đúng như nhà sản xuất đưa ra và tin cậy được

Có thể vẽ biểu đồ của áp suất Plt và Ptn theo chiều cao cột nước h Trên biểu đồ hình 32 cho thấy đường Ptn bám rất sát đường Plt điều này cho thấy MS5535 đánh giá khá chính xác giá trị áp suất Giá trị này phù hợp với những tài liệu gốc do nhà sản xuất cung cấp về MS5535

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300

0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800

h (mm)

Plt (mbar)Ptn (mbar)

Hình 32: biểu đồ áp suất theo cột nước

MỤC LỤC

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 kế chế tạo modul 1 38 3.2 Thiết kế chế tạo modul 2 40 Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 42 4.1 Khái quát về phần mềm cho hệ thống 42 4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 43 4.3 Phần mềm lập trình cho máy vi tính 44 Chương 5: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 47 5.1 Tổ chức thử nghiệm 47 5.2 Cách tính toán thông số áp suất 47 5.3 Kết quả thử nghiệm 48 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 1 53 PHỤ LỤC 2 66 PHỤ LỤC 3 73

Luận văn thạc sĩ 4 Phùng Công Phi Khanh

MỞ ĐẦU

Mạng cảm nhận không dây đo thông số môi trường bao gồm nhiều nút mạng liên kết vô tuyến với nhau Các nút mạng này tiêu thụ năng lượng ít, kích thước nhỏ, có khả năng hoạt động độc lập đo các thông số môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ mặn, độ PH… tại vị trí của nó, sau đó nút mạng 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 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…, phục 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 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 ích cho nhiều ứng dụng khác nói chung

Kết cấu luận văn bao gồm năm chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 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

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài theo các khối chức năng và phân tích lựa chọn các linh kiện, thiết bị cho các khối chức năng đó Chương 2: Trình bầy các nghiên cứu về đặc điểm kĩ thuật và chức năng của các linh kiện thiết bị đã lựa chọn

Chương 3: Xây dựng mạch điện cho các thiết kế của hệ thống

Chương 4: Xây dựng sơ đồ thuật toán, viết chương trình các cấu trúc phần mềm cho máy vi tính nơi nhận tín hiệu và phần mềm nhúng cho vi điều khiển của điểm đo

Chương 5: Là phần thực nghiệm của đề tài bao gồm mô hình thử ngiệm và những kết quả thử nghiệm thu được

Luận văn thạc sĩ 6 Phùng Công Phi Khanh

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 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 môi trường mà nút mạng

sẽ có những đặc điểm khác nhau; những thông số kĩ thuật của các sensor trong khối này là điều kiện cơ bản quyết định thông tin chính xác của mạng cảm nhận Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các sensor ngày càng đa dạng, phong phú có thể đo được nhiều thông số môi trường khác nhau với độ chính xác cao như: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ mặn, độ ô xi trong nước , mỗi sensor có nhiệm vụ chuyển hoá một đại lượng vât lý, hoá

khối phát thông tin

khối thu thông tin

Máy tính

học hay sinh học thành một đại lượng điện, sau đó được số hoá để giao tiếp trong mạng cảm nhận môi trường Các tín hiệu sau khi được số hoá đều cần một thiết bị chuẩn hoá bên ngoài để tương ứng với mỗi giá trị số là một thông

số môi trường tương ứng Xu thế ngày nay thì khác, với sự phát triển của khoa học công nghệ người ta đã tích hợp nhiều mạch điện với các sensor tạo thành các modul sensor mà kích thước của chúng vẫn nhỏ gọn, nhờ vậy mà các sensor được chuẩn hoá từ nhà máy Tín hiệu đưa ra từ các modul sensor là tín hiệu số, tương thích với các vi điều khiển, vi xử lý và bằng một số tính toán với thuật toán cho sẵn, cho ta thông số môi trường với độ chính xác như nhà sản suất đưa ra Việc sử dụng các modul sensor này ngày nay rất thuận 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 bên ngoài được thể hiện ở hình 2

MS5535 là một modul sensor tích hợp

dạng MEMS Các sensor khác cùng họ với

nó như: MS7812, MS7212 chúng là các

sensor áp suất dải đo từ 0 đến 12 bar,

MS7310, MS761 là các sensor áp suất dải đo

từ 0 đến 1 bar [5], nhưng nói chung chúng chỉ lá các sensor áp suất thuần tuý với chức năng chuyển đổi một giá trị áp suất ra một giá trị điện áp tương ứng Việc sử dụng vẫn cần có ADC và chuẩn hoá để giao tiếp với mạng cảm nhận không dây MS5535 là một tiến bộ trong họ sensor này nó có đầy đủ tính chất

Hình 2: Hình dáng MS5535.

Luận văn thạc sĩ 8 Phùng Công Phi Khanh

của xu thế sensor ngày 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 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 thuộc họ 8051 Bộ vi điều khiển 8051 được sử dụng nhiều trong các bộ điều

khiển ngày nay Vi điều khiển 89C52 có

đầy đủ thông số kĩ thuật cần thiết cho

nghiên cứu của đề tài như: bộ nhớ

ROM, RAM, số cổng suất nhập, mạch

giao tiếp nối tiếp, số bộ định thời [1],

[4] Đặc biệt hơn là 89C52 rất 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 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 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 khiển CC1010 Việc thu phát

Hình 3: Hình dáng 89C52

vô tuyến ngày nay rất phổ biến bởi nó 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 Của công ty

kiểm tra là làm theo chuẩn

truyền thông TX2 và RX2 có kích thước nhỏ, nguồn cung cấp thấp phù hợp cho các ứng dụng di động nói chung TX2 và RX2 sử dụng nguồn ngắt mở để tiết kiệm năng lượng và đặc biệt hơn là tính modul Đặc tính này rất thuận lợi cho việc giao tiếp sử dụng [6] Tất nhiên ở khối thu dữ liệu ngoài modul RX2 còn sử dụng một IC giao diện MAX232 để truyền thông tới cổng COM của máy vi tính[3]

Hình 4: Hình dáng của TX2 và RX2

Luận văn thạc sĩ 10 Phùng Công Phi Khanh

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 Vì các sensor áp suất thường nhạy cảm với nhiệt độ môi trường làm thông tin áp suất không chính xác Mặt khác để tương ứng với mỗi giá trị ADC đưa ra phải là một thông tin nhiệt độ hay áp suất đúng như mong muốn của nhà sản xuất Thực hiện điều này tại nơi sản xuất MS5535 đã chuẩn hoá giá trị áp suất và nhiệt độ ở một số điều kiện biết trước và đưa ra công thức tính toán thông tin

áp suất và thông tin nhiệt độ với các hệ số bù tương ứng với từng modul Nhờ

ưu điểm này mà MS5535 không phụ thuộc vào thành phần (hay thiết bị chuẩn) bên ngoài Khi sử dụng MS5535 không cần có một thiết bị để chuẩn hoá và nếu cần chỉ kiểm tra lại độ chính xác của sensor [5]

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 từ - 400C đến + 600C

- 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 phần mềm 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 (9x9x5,5mm3)

- 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 áp suất hay nhiệt độ Một bộ chuyển đổi dữ liệu từ tương tự thành số (bộ ADC) Một

IC giao diện và một 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 nhiệt độ đúng mà không cần phải so sánh lại với một thiết bị chuẩn nào Sự chính xác về nhiệt độ và áp suất có được là từ nhà máy [5]

♦ Sơ đồ chân của MS5535

Sơ đồ bố trí chân của MS5535 được thể hiện trong hình 6

Hình 5: Sơ đồ khối của MS5535

Luận văn thạc sĩ 12 Phùng Công Phi Khanh

Ý nghĩa các chân cho bởi bảng 1

Tên chân Chân số kiểu chân Chức năng

Bảng 1: Diễn tả các chân của MS5535

Chú thích : - G kiểu nối mát (đất)

- I Kiểu dữ liệu vào

- O Kiểu dữ liệu ra

- P Nguồn cung cấp

Ở đây chân 7 (PEN) và chân 8 (PV) không dùng với người sử dụng, chỉ

sử dụng ở nơi sản suất với mục đích lưu các hệ số bù nhiệt độ và áp suất

Hình 6: Sơ đồ chân của MS5535.

♦ Giới hạn cho phép các thông số của MS5535 được cho bởi bảng 2

Chỉ số Kí hiệu Cực tiểu Cực đại Đơn vị

Nhiệt độ bảo quản TStg -45 +70 0C

Bảng 2: Dải giá trị cực đại các thông số của MS5535

♦ Các thông số khuyến nghị vận hành cho bởi bảng 3

Cực đại

Luận văn thạc sĩ 14 Phùng Công Phi Khanh

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

(stanby mode) khi có yêu cầu đo áp suất hay nhiệt độ thì cảm biến áp suất hay

nhiệt độ tương ứng sẽ 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 Trong chế độ chờ

MS5535 tự động tắt MCLK (xung đồng hồ chính) giúp giảm nguồn tiêu thụ

MS5535 là thiết bị nhạy với những thay đổi của xung đồng hồ, vì vậy phải

dùng một dao động thạch anh để tạo xung MCLK Dạng xung vuông là cần

Cực đại

Đơn

vị Điện áp vào cao VIH VDD=2,2…3,6V 80%

Bảng 4: Đặc điểm của điện áp ra và vào của MS5535

Đối với bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số AD-converter cho độ phân giải áp suất là 15 bít, thời gian chuyển đổi cực đại là 35 ms Sai số giới hạn 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 – 0,80C đến + 0,80C xét ở nhiệt độ 250C với hệ số bù cung cấp bởi modul MS5535 lưu trữ trong IC giao diện Độ phân giải nhiệt độ trong khoảng 0.0050C đến 0.0150C Sai số theo nguồn cực đại khoảng – 0,30C/V đến + 0,30C/V với nguồn cung cấp trong khoảng 2,2 V đến 3,6 V [5]

♦ Đặc điểm áp suất và nhiệt độ lối ra trình bầy ở bảng 5

Đọc giá trị áp suất ổn định bằng cách lấy trung bình của 4 đến 8 giá trị

áp suất đúng liên tiếp Độ phân giải tốt hơn có thể đạt được với càng nhiều giá trị trung bình

♦ 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 dụng và chương trình hoá MS5535 được chuẩn hoá ở hai nhiệt độ T1= 100C và T2=350C, và hai áp suất P1=1000 mbar và P2=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

Luận văn thạc sĩ 16 Phùng Công Phi Khanh

tiểu

Trung bình

Cực đại

Đơn

vị

P=0… 5 bar P=0….10 bar P=0….14 bar (T=- 00C… + 500C)

-25 -60 -160

+20

+20 +20

mbar mbar mbar

Sai số áp suất

tuyệt đối

P=0……5 bar P=0… 10 bar P=0… 14 bar (T=- 400C…+ 600C)

-60 -60 -160

60

140

150

mbar mbar mbar

Sai số cực đại áp

suất do nhiệt độ

T=- 400C……+ 600C P=const

Sai số cực đại áp

suất do nguồn

VDD=2,2… 3,6 V -20 +20 mbar/V

Phân giải nhiệt độ 0,005 0,015 0C

Sai số nhiệt độ Nhiệt độ tham khảo

Bảng 5: Đặc điểm của áp suất và nhiệt độ lối ra

♦ 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 đó các hệ số bù từ C1 đến C6 được tách ra (hình 8)

Hình 7: Biểu đồ thu giá trị áp suất và nhiệt độ

Đọc giữ liệu bù từ PROM của MS5535

WORD1, WORD2, WORD3, WORD4 (4x16 Bít)

Chuyển dữ liệu bù ra 6 hệ số

C1= Độ nhạy áp suất (13Bít)

C2= Bù áp suất (13Bít)

C3= Hệ số nhiệt độ của nhạy nhiệt độ (10Bít)

C4= Hệ số nhiệt độ của bù áp suất (9Bít)

C5= Nhiệt độ so sánh (12Bít)

C6= Hệ số nhiệt độ của nhiệt độ (7Bít)

Đọc giá trị áp suất D1(16 Bít) từ MS5535

Đọc giá trị nhiệt độ D2(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

TEMP = (200 + dt*(C6 + 100)/211 )/10

Hiển thị giá trị áp suất và nhiệt độ

Luận văn thạc sĩ 18 Phùng Công Phi Khanh

Hình 8: Dữ liệu định cỡ WORD1, WORD2, WORD3, WORD4

Để đo áp suất vi điều khiển phải đọc giá trị 16 bít thông tin áp suất (D1)

và 16 bít thông tin nhiệt độ (D2) cùng một giao diện nối tiếp Sau đó giá trị áp suất được tính ra từ D1, D2 và C1 đến C6 theo công thức như trong hình 7 Tất

cả các tính toán có thể được thay đổi với 16 bít Kết quả lúc đó có thể dài 32 bít nhưng chỉ có 16 bít cao là đáng kể kết quả phép chia có thể được đưa về

số nguyên [5]

♦ Nguyên lý đo áp suất và nhiệt độ

Đo áp suất và nhiệt độ sử dụng chung một ADC Để đo áp suất, điện áp khác nhau từ sensor áp suất được chuyển đổi Để đo nhiệt độ, điện áp từ cầu điện trở sensor được chuyển đổi

Trong suốt thời gian đo sensor sẽ bật tắt trong một thời gian ngắn để giảm tiêu thụ của nguồn ADC được đánh giá là tuyến tính (giá trị số trong dải

từ 5000 đến 37000) cho tất cả các biến đổi của sensor như trong lý thuyết của nhiệt độ và áp suất

♦ Giao diện nối tiếp

MS5535 truyền thông với vi sử lý và các hệ thống số khác thông qua giao diện nối tiếp 3 dây Chân SCLK (serial clock) dùng để làm hiệu lệnh cho

DIN DOUT SCLK

Bit

13 Bit14

Bit 15

Hình 9a: Chuỗi xung reset 21 bít

cả việc truyền và nhận dữ liệu trên các chân DIN và DOUT Khi truyền dữ liệu mỗi bít truyền rơi vào sườn lên của xung SCLK Khi nhận dữ liệu thi ngược lại với mỗi bít nhận rơi vào sườn xuống của xung SCLK Tín hiệu SCLK phát ra từ hệ thống vi xử lý Tín hiệu DOUT (Data Out) dùng làm hiệu lệnh cho tình trạng truyền dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu Dữ liệu số cung cấp bởi chân DOUT là kết quả của sự chuyển đổi, và dữ liệu phần mềm bù cho nhưng sai số của sensor Lựa chọn dữ liệu ra phụ thuộc dữ liệu định dạng của tín hiệu DIN

Đây là cấu trúc dữ liệu ra:

- Bắt đầu chuyển đổi đo áp suất và dữ liệu ADC ra D1. (hình 9b)

- Bắt đầu chuyển đổi đo nhiệt độ và dữ liệu ADC out D2. (hình 9c)

- Chuỗi đọc giá trị định cỡ cho WORD1 và WORD3 (hình 9d)

- Chuỗi đọc giá trị định cỡ cho WORD2 và WORD4 (hình 9e) Bắt đầu truyền thông với một cấu trúc chuỗi ở chân DIN Các hình 9a, 9b, 9c, 9d, 9e chỉ ra sơ đồ thời gian cho MS5535 Thiết bị không cần tín hiệu chip select (chọn vỏ) Có một start-sequence (chuỗi bắt đầu) 3 bít cao và một stop-sequence (chuỗi kết thúc) 3 bít thấp cho mỗi lần đọc