Xây dựng hệ đo điều khiển cường đồ ánh sáng dùng psoc (1)

Mục lục CHƯƠNG I GiớI THIệU Về CảM BIếN, CảM BIếN QUANG ĐO Cường độ ánh sáng Trang 1.1 Giới thiệu chung cảm biến 1.2 Cảm biến quang (Tế bào quang dẫn) Chương II tổng quan PSoC 2.1 Giới thiệu chíp PsoC 10 2.2 Giới thiệu chip PSoC CY8C27443-24PXI 11 2.2.1 Thông số CY8C27443-24PXI 11 2.2.2 Các chế độ địa PsoC 15 2.2.3 Ngắt điều khiển ngắt 17 2.2.4 Các cổng vào đa chức 21 2.2.5 Các tạo dao động 29 2.2.6 Các khối PSoC số 33 2.2.7 Hệ thống khối PSoC tương tự 37 2.3 Giới thiệu chung PSoC Designer 43 2.4 Các bước thiết kế lập trình PSoC Designer 45 Chương II Xây dựng hệ đo, ĐIềU KHIểN CƯờng độ ánh sáng sử dụng chip PSOC CY8C27443-24PXI 3.1 Sơ đồ khối chức hệ thống 81 3.2 Sơ đồ nguyên lý chức thành phần 81 3.2.1 Sơ đồ mạch nguồn 81 3.2.2 Sơ đồ mạch định pha Dimmer 82 3.2.3 Sơ đồ mạch công suất 83 3.2.4 Modul giao tiếp máy tính 3.2.5 chíp Psoc CY8C27443-24PXI 84 86 3.2.6 Cảm biến quang (Quang trở) 87 3.3 Lưu đồ thuật toán 90 CHƯƠNG I GiớI THIệU Về CảM BIếN, CảM BIếN QUANG ĐO Cường độ ánh sáng 1.1.Giới thiệu chung cảm biến Cảm biến phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi đại lượng đo lường, kiểm tra hay điều khiển từ dạng sang dạng khác thuận tiện cho việc tác động phần tử khác Cảm biến thiết bị chịu tác động đại lượng cần đo ma khơng có tính chất điện cho đặc trưng mang chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) kí hiệu s có s = F(m) Cảm biến thường dùng khâu đo lường kiểm tra Các loại cảm biến sử dụng rộng rãi tự động hóa trình sản xuất điều khiển tự động hệ thống khác Chúng có chức biến đổi thay đổi liên tục đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, đại lượng khơng điện thành thay đổi đại lượng đầu đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha, Căn theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân loại cảm biến như: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, mơ men quay, nhiệt độ, áp suất, quang, xạ, 1.1.1 Các thông số cảm biến 1.1.1.1 Độ nhạy S=ÄYÄX X: gia số đại lượng đầu vào.Với: + Y: gia số đại lượng đầu ra.+ Trong thực tế sử dụng độ nhạy tương đối: S0= Với: Y đại lượng X đại lượng vào Cảm biến tuyến tính S0=const phi tuyến S0= var Cảm biến phi tuyến có độ nhạy phụ thuộc vào giá trị đại lượng vào (X) 1.1.1.2 Sai số Sự phụ thuộc đại lượng Y vào đại lượng đầu vào X gọi đặc tính vào cảm biến Sự sai khác đặc tính vào thực với đặc tính chuẩn (đặc tính tính tốn hay đặc tính cho lí lịch) đánh giá sai số Phân làm hai loại sai số + Sai số tuyệt đối ÄX=X'#X X': giá trị đo được; X: giá trị thực + Sai số tương đối a=ÄXX Các nguyên nhân ảnh hưởng tới sai số Có nhiều nguyên nhân khách quan chủ quan ảnh hưởng tới sai số, thực tế người ta đưa tiêu chuẩn điều kiện kĩ thuật để hạn chế mức độ ảnh hưởng phạm vi cho phép Sai số giá trị định mức yếu tố bên gọi sai số Nếu yếu tố bên vượt khỏi giới hạn định mức xuất sai số phụ Để giảm sai số phụ phải giảm độ nhạy cảm biến với yếu tố hạn chế ảnh hưởng chúng chắn hay môi trường khác 1.1.2 Các yêu cầu cảm biến Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có tính chất sau: + Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết + Thích ứng thuận tiện với sơ đồ đo lường, kiểm tra + ảnh hưởng đến đại lượng đầu vào + Có qn tính nhỏ Hiện có nhiều loại cảm biến, chúng làm việc theo nhiều nguyên lí khác nhau, kết cấu cảm biến đa dạng phong phú Bảng 7-1 nguyên lí làm việc lãnh vực cảm biến cảm ứng, loại phổ biến tự động hóa điều khiển tự động 1.1.3 Phân loại cảm biến Có thể phân cảm biến làm hai nhóm chính: cảm biến tham số (thụ động) cảm biến phát (chủ động hay tích cực) * Nhóm phát bao gồm loại cảm biến sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ, hiệu ứng điện áp, hiệu ứng Holl xuất sức điện động cặp nhiệt ngẫu, tế bào quang điện + Hiệu ứng cảm ứng điện từ: dây dẫn chuyển động từ trường không đổi xuất sức điện động tỉ lệ với từ thông cắt ngang dây đơn vị thời gian, nghĩa tỉ lệ với tốc độ dịch chuyển dây dẫn Hiệu ứng cảm ứng điện từ ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng + Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: tượng điện tử giải phóng khỏi vật liệu tạo thành dòng thu lại tác dụng điện trường + Hiệu ứng quang điện chất bán dẫn: tượng chuyển tiếp P-N chiếu sáng phát sinh cặp điện tử-lỗ trống, chúng chuyển động tác dụng điện trường chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện hai đầu chuyển tiếp + Hiệu ứng Holl: vật liệu (thường bán dẫn) dạng mỏng có dòng điện chạy qua đặt từ trường B có phương tạo thành góc với dòng điện I xuất hiệu điện U theo hướng vng góc với B I Hiệu ứng Holl ứng dụng để xác định vị trí vật chuyển động Vật ghép nối học với nam châm, thời điểm vị trí nam châm xác định giá trị từ trường góc lệch tương ứng với bán dẫn mỏng làm trung gian Hiệu điện đo hai cạnh bán dẫn trường hợp (gián tiếp) hàm phụ thuộc vị trí vật khơng gian Hình Cảm biến loại cảm biến tích cực trường hợp nguồn dòng điện I (chứ khơng phải đại lượng cần đo) cung cấp lượng liên quan đến tín hiệu đo + Hiệu ứng điện áp: tác dụng lực học lên vật làm vật liệu áp điện (như thạch anh) gây nên biến dạng vật làm xuất lượng điện tích trái dấu mặt đối diện vật (là hiệu ứng điện áp) Hiệu ứng ứng dụng để xác định lực đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc, ) thông qua việc đo điện áp hai cực tụ điện Ngoài cảm biến nhiệt điện, cảm biến hóa điện, * Cảm biến tham số (thụ động): thường chế tạo từ trở kháng có thơng số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Một mặt giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học mẫu, mặt khác phụ thuộc vào tính chất điện vật liệu như: điện trở suất, từ thẩm, số điện mơi Vì giá trị trở kháng thay đổi tác dụng đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến tính chất hình học, tính chất điện đồng thời ảnh hưởng hai Thơng số hình học kích thước trở kháng thay đổi cảm biến có phần tử chuyển động phần tử biến dạng + Trường hợp có phần tử động vị trí phần tử tương ứng với giá trị trở kháng, đo trở kháng xác định vị trí đối tượng Đây nguyên lí nhiều cảm biến cảm biến vị trí, cảm biến dịch chuyển + Trường hợp cảm biến có phần tử biến dạng, biến dạng gây nên lực đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp gián tiếp lên cảm biến làm thay đổi trở kháng Sự thay đổi trở kháng liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa tác động đại lượng cần đo biến đổi thành tín hiệu điện (hiệu ứng áp trở) Trở kháng cảm biến thụ động thay đổi trở kháng tác dụng đại lượng cần đo xác định cảm biến thành phần mạch điện Trong thực tế tùy trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo thích hợp với cảm biến 1.2 Cảm biến quang (Tế bào quang dẫn) Các tế bào quang dẫn cảm biến quang có độ nhạy cao Cơ sở vật lí tế bào quang dẫn tượng quang dẫn kết hiệu ứng quang điện nội (hiện tượng giải phóng hạt tải điện vật liệu tác dụng ánh sáng làm tăng độ dẫn điện vật liệu) 1.2.1.Vật liệu để chế tạo cảm biến Cảm biến quang thường chế tạo chất bán dẫn đa tinh thể đồng đơn tinh thể, bán dẫn riêng bán dẫn pha tạp, ví dụ như: - Đa tinh thể :CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe - Đơn tinh thể:Ge, Si tinh khiết pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn,PIn, CdHgTe Vùng phổ làm việc vật liệu khác 1.2.2 Các đặc trưng - Điện trở: giá trị điện trở tối Rc0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt độ chất lí hóa vật liệu quang dẫn Điện trở Rc cảm biến bị chiếu sáng giảm nhanh độ rọi tăng lên Sự phụ thuộc điện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến tính, nhiên tuyến tính hóa cách sử dụng điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn - Độ nhạy: độ dẫn tế bào quang dẫn tổng độ dẫn tối độ dẫn chiếu sáng Độ nhạy phổ hàm nhiệt độ nguồn sáng: nhiệt độ tăng độ nhạy phổ tăng lên Tế bào quang dẫn ứng dụng nhiều chúng có tỉ lệ chuyển đổi tĩnh độ nhạy cao cho phép đơn giản hóa việc ứng dụng (ví dụ điều khiển rơle hình 7-14) Nhược điểm tế bào quang dẫn là: - Hồi đáp phụ thuộc cách không tuyến tính vào thơng lượng - Thời gian hồi đáp lớn - Các đặc trưng khơng ổn định (già hóa) - Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ - Một số loại đòi hỏi phải làm nguội Người ta khơng dùng tế bào quang dẫn để xác định xác thông lượng Thông thường chúng sử dụng để phân biệt mức sáng khác (trạng thái tối- sáng xung ánh sáng) Thực tế tế bào quang dẫn thường ứng dụng :Thu tín hiệu quang dùng để biến đổi xung quang thành xung điện Sự ngắt quãng xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn phản ánh trung thực qua xung điện mạch đo, ứng dẫn để đo tốc độ quay đĩa đếm vật Đơn vị đo cường độ ánh sáng: Lux (ký hiệu: lx) đơn vị độ rọi SI Nó sử dụng trắc quang học để đánh giá cường độ ánh sáng cảm nhận Đây đơn vị dẫn xuất SI, nghĩa định nghĩa từ đơn vị "cơ bản" Cụ thể, độ rọi quang thông diện tích: lx = lm/m2 Đơn vị đo quang thông SI, lumen, lại đơn vị dẫn xuất nên: lx = cd sr / m2 Một văn phòng sáng sủa có độ rọi khoảng 400 lux Chương II tổng quan PSoC 2.1 Giới thiệu chíp PSoC: Ngày Trong hệ thống nhúng (Embeded system), hay sản phẩm, thiết bị phức tạp khác kết hợp khối ngoại vi như: Các lọc, khuyếch đại, điều chế độ rộng xung PWM, hay chuyển đổi tương tự - số (ADC), số - tương tự (DAC) , cần thiết giúp giải nhiều toán đặt từ hệ thống tự động phức tạp đến thiết bị điện tử văn phòng, gia dụng Càng nhiều thành phần hệ thống chiếm nhiều khơng gian, nảy sinh vấn đề việc thiết kế mạch, kết hợp thành phần, tăng độ phức tạp hệ thống Để giải vấn đề ngày cơng nghệ SoC (Sytem on chip) đời với xu hướng tích hợp hệ thống chíp Đi đầu việc phát triển ứng dụng công nghệ hãng Cypress MicroSystems với việc cho đời chip PSoC Thuật ngữ PSoC viết tắt cụm từ tiếng anh Programmable System on Chip, nghĩa hệ thống khả trình chip Các chíp PSoC thay đổi cấu hình đơn giản băng cách gán chức cho khối tài nguyên có sẵn chip Hơn ta kết nối tương đối mềm dẻo khối chức với hay cổng vào ra, đem lại thuận tiện cho phương án thiết kế Thành phần chíp PSoc gồm có: Bộ vi xử lý bit, Bộ nhớ chương trình (EEROM) lập trình nhớ RAM lớn tùy thuộc vào khác họ Để lập trình cho PSoC Cypress MicroSystems cung cấp phần mềm PSoC Designer Phần mềm thiết kế sở hướng đối tượng với cấu trúc mơ đun hóa Mỗi khối chức mô đun mềm Các khối chức chia làm hai loại, khối tương tự khối số Cấu hình chíp thực cách sử dụng chức có sẵn Để sử dụng chức nào, người sử dụng cần kéo chức gán vào khối tài nguyên Tùy vào nhiệm vụ cụ thể chức chiếm số lượng khối số, khối tương tự khối số khối tương tự định Người lập trình cho PSoC thiết lập chức chế độ hoạt động cho chân vào chip Với khả thiết lập cấu hình linh hoạt mạnh mẽ thiết bị đo lường, điều khiển gói gọn chíp Chính hãng Cypress MicroSystems khơng gọi PSoC “Micro controller” (Vi điều khiển), mà gọi “PSoC device” hay “Thiết bị PSoC” với hy vọng người sử dụng có thiết bị đo lường, điều khiển có kích thước nhỏ gọn, hoạt động ổn định giá thành rẻ Thay thiết bị dựa vi xử lý vi điều khiển có trước 2.2 Giới thiệu chip PSoC CY8C27443-24PXI : 2.2.1 Thông số CY8C27443-24PXI : * Bộ vi xử lý với cấu trúc harvard - Bộ vi xử lý có tốc độ lên đến 24MHz - Lệnh nhân 8bit x bit, ghi tích lũy 32bit - Có thể hoạt động tốc độ cao mà tiêu tốn lượng - Dải điện áp hoạt động từ 3.00V tới 5.25V - Điện áp hoạt động giảm xuống 1.0V sử dụng chế độ kích điện áp - Dải nhiệt độ chịu đựng từ - 400C đến 850C Bảng 2.34: Bảng điện áp tham chiếu tạo PSoC 2.3 Giới thiệu chung PSoC Designer Để thiết kế cấu hình phần cứng lập trình cho họ chip PSoC, hãng Cypress MicroSystems đưa phần mềm PSoC Designer Đây công cụ mạnh cho phép ta thiết lập cấu hình cho chíp, lập trình nạp chíp dễ dàng Việc thiết lập cấu hình cho chíp thiết kế theo hướng mơđun hóa chức sử dụng Trong môi trường thiết kế PSoC Designer có khối chức năng, khối chức môđun mềm chia làm hai loại: khối số khối tương tự Số lượng khối chức khác tùy thuộc vào chíp họ Khi thiết lập chức cho chíp khối số khối tương tự sử dụng độc lập kết hợp với tùy vào chức sử dụng Các chân vào tùy chọn cấu hình sử dụng để thuận tiện cho việc sử dụng chíp ứng dụng thực tế Khi lập trình PSoC Designer ta lựa chọn ngơn ngữ C Assembler PSoC Designer cung cấp cho người lập trình thư viện phong phú hàm, lệnh cho chức sử dụng, giúp đơn giản việc lập trình bao quát chương trình Phương pháp thiết kế cấu hình chip theo khối chức PSoC Designer giúp người lập trình sử dụng dễ dàng, nên thời gian thiết kế lập trình rút ngắn đáng kể 2.4 Các bước thiết kế lập trình PSoC Designer Khi khởi động chương trình cửa sổ Start Để tạo project ta chọn “Start new project” Cửa sổ new Project Ta đánh tên project vào ô “New project name” Tiếp theo cửa sổ Create New Project ta chọn loại chíp sử dụng “View catalog” (ở ta sử dụng chip CYC27443-24PXI) chọn ngơn ngữ lập trình C Assembler “Generate ‘Main’ file using:” kết thúc trình lựa chọn ban đầu Để thiết lập cấu hình lập trình PSoC Designer ta sử dụng cơng cụ sau: User module selection view: Cơng cụ cho phép ta lựa chọn chức cần sử dụng trình thiết kế Như ta thấy có thư viện ADC, DAC, Ampliiers, Counters, Filters, PWM, Times Sau lựa chọn module cần sử dụng cửa sổ “Selected User Modules” có module chọn: ta sử dụng ADC cho phép biến đổi tín hiệu tương tự đầu vào sang tín hiệu số, khuyếch đại (PGA), Một truyền thông số UART modul điều chế độ rộng xung PWM Đồng thời cửa sổ “Resource Meter” cho ta biết tổng số khối PSoC số, tương tự, dung lượng RAM, ROM sử dụng Tiếp theo ta chọn công cụ Interconnect View: Đây công cụ để ta thiết lập cấu hình cho chip thực kết nối khối sử dụng với chân vào Như ta thấy chíp CY8C27443-24PXI Gồm có khối PSoC số 12 khối PSoC tương tự Có đường bus vào, bit đó: bus đầu vào bit GIO[7:0], GIE[7:0] cho phép tín hiệu từ chân chíp đến CPU bus đầu bit GOO[7:0], GOE[7:0] cho phép tín hiệu từ CPU đến chân chíp Các đường bus RI0[0], RI0[1], RI0[2], RI0[3], RO0[0], RO0[1], RO0[2], RO1[3], RI1[0], RI1[1], RI1[2], RI1[3], RO1[0], RO1[1], RO1[2], RO1[3] dùng để kết nối khối PSoC số với đường bus vào Cửa sổ Global resources để thiết lập tài ngun tồn cục cho chip Có thể lựa chọn kết nối chân vào khối PSoC số, tương tự sử dụng module trực tiếp đường bus cửa sổ “User Module parameters” Sau thiết lập cấu hình cụ thể chân thấy cửa sổ sau: Sau thiết lập xong thông số Usermodul ta phải ‘Generate Application’ (phát mã cho trình viết mã ) cách chọn nút cơng cụ: chờ trình phát mã thành cơng ta thấy hình vẽ sau: Kết thúc trình kết nối thiết lập cấu hình ta chuyển sang lập trình cho chip cơng cụ cửa sổ làm việc sau: Để lập trình ngơn ngữ C ta chọn main.c Các lệnh sử dụng module cho thư viện ‘Library Source, Library Header’ Sau viết chương trình xong ta chọn cơng cụ buil để dịch sang file hex nạp vào chip Nếu trình dịch thành cơng chương trình khơng có lỗi ta thấy hình vẽ sau: Chương III Xây dựng hệ đo, ĐIềU KHIểN CƯờng độ ánh sáng sử dụng chip PSOC CY8C27443-24PXI 3.1 Sơ đồ khối chức hệ thống 3.2 Sơ đồ nguyên lý chức thành phần 3.2.1 Sơ đồ mạch nguồn: Mạch nguồn Điện áp 220V xoay chiều, sau qua biến áp nhận điện áp xoay chiều 15V, đưa đến cầu Diot 2A để nắn sang điện áp chiều Chân (+) cầu cấp trực tiếp cho ổn áp 7812, ,mục đính để ổn định dòng 12V cấp cho mạch điện Đầu ổn áp dương 7812 nối vào chân nguồn đầu vào ổn áp 7805, cấp nguồn ổn định 5V Chân (-) cầu diode nối với chân đầu vào ổn áp âm 7912, ổn định dòng -12V Các tụ mác có tác dụng lọc phẳng điện áp trước đưa vào chíp 3.2.3 Sơ đồ mạch cơng suất: Mạch cơng suất: Tín hiệu điều khiển từ đầu Chíp đưa vào IC TL084CN, sử dụng khuếch đại đảo IC để đưa đầu có dảI từ 0->12V, mục đích để thay đổi góc mở Thyristor điều chỉnh điện áp cấp cho bóng đèn, thay đổi cường độ sáng bóng đèn Tầng khuếch đại thứ khuếch đại tín hiệu đầu vào dải từ 0->5V từ Psóc, cho đầu dảI từ -15V ->0V, khuếch đại âm tuyến tính có hệ số khuếch đại : K = - R1 R3 Ta nên chọn R1 = 10k, R3 = 4,7k, R8 = 10k cho hệ số khuếch đại tuyến tính (k = 2,4) Tầng khuếch đại thứ dùng để dảo cực tính điện áp, điện áp đầu khoảng 0->12V, điện áp cấp cho chân điều khiển góc mở thyristor Hệ số khuếch đại tầng K = -1 Điện áp xoay chiều ~220V cấp cho đèn thông qua thyristor, sơ đồ mắc hình vẽ Do góc mở thyristor bị thay đổi góc mở nên điện áp chạy qua thay đổi theo 3.2.5 chíp Psoc CY8C27443-24PXI Là vi xử lý trung tâm Chuyển đổi tín hiệu điện áp từ quang trở thành giá trị cường độ ánh sáng hiển thị lên máy tính Xử lý thơng tin đưa lên máy tính từ tạo tín hiệu điều khiển đưa xuống phần tử chấp hành 3.2.6 Cảm biến quang (Quang trở) Quang trở đấu nối tiếp với biến trở để điều chỉnh giá trị quang trở Quang trở đo cường độ ánh sáng chuyển đổi thành tín hiệu điện áp đưa đến chân Analog in chíp Sơ đồ mạch chip 36 3.3 Chương trình trình điều khiển đo, điều khiển hiển thị cường độ ánh sáng 3.3.1 Lưu đồ thuật toán 3.3.2 Code: //==========================START================== =============== // -// C main line // #include // part specific constants and macros #include "PSoCAPI.h" // PSoC API definitions for all User Modules // 50 Point lookup table stored in ROM const char Table30[] = { 0,10,20,30,40,50, 60,70,80,90,100,110, 120,130,140,150,160, 170,180,190,200,210, 220,230,240,250,254 }; unsigned int ADC; BYTE Pointer,tudong,bangtay,tang,giam; unsigned char buf[],buf1[]; unsigned char gtfim,i; ///////////////////////////// #pragma interrupt_handler Timer8_1_ISR; void Timer8_1_ISR(void); void quet_phim(void); void delay(unsigned int c); ///////////////////////////// void Timer8_1_ISR() { quet_phim(); } //////////////////////////// void delay(unsigned int c) { int j; for(j=0;j