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

Mục lục CHƯƠNG I GiớI THIệU Về CảM BIếN, CảM BIếN QUANG ĐO Trang Cờng độ ánh sáng 1.1. Giới thiệu chung về cảm biến 3 1.2. Cảm biến quang (Tế bào quang dẫn) 7 Chơng II tổng quan về PSoC 2.1. Giới thiệu về chíp PsoC 10 2.2 . Giới thiệu về chip PSoC CY8C27443-24PXI 11 2.2.1. Thông số của CY8C27443-24PXI 11 2.2.2. Cấu trúc vi xử lý 16 2.2.3. Định dạng của lệnh 20 2.2.4. Các chế độ địa chỉ trong PsoC 21 2.2.5. Ngắt và bộ điều khiển ngắt 23 2.2.6. Các cổng vào ra đa chức năng 28 2.2.7. Các bộ tạo dao động 36 2.2.8. Vòng khóa pha Phase Locked Loop (PLL) 40 2.2.9. Sleep And Watchdog 41 2.2.10. Hệ thống khối PSoC số 50 2.2.11. Kết nối dãy các khối Psoc số 55 2.2.12 . Kết nối các khối theo hàng 56 1 2.2.13. Các khối PSoC số 63 2.2.14 . Hệ thống khối PSoC tơng tự. 68 2.3. Giới thiệu chung về PSoC Designer. 73 2.4. Các bớc thiết kế và lập trình trong PSoC Designer. 75 Chơng III Xây dựng hệ đo, ĐIềU KHIểN CƯờng độ ánh sáng sử dụng chip PSOC CY8C27443-24PXI 3.1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống. 81 3.2 .Sơ đồ nguyên lý và chức năng của các 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 84 3.2.5. chíp Psoc CY8C27443-24PXI 86 3.2.6. Cảm biến quang (Quang trở) 87 3.3. Lu đồ thuật toán 90 2 CHƯƠNG I GiớI THIệU Về CảM BIếN, CảM BIếN QUANG ĐO Cờng độ ánh sáng 1.1.Giới thiệu chung về cảm biến. Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lợng đo lờng, kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tác động của các phần tử khác. Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lợng cần đo ma không có tính chất điện và cho một đặc trng mang bản chất điện (nh điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) kí hiệu là s có s = F(m). Cảm biến thờng dùng ở khâu đo lờng và kiểm tra. Các loại cảm biến đợc sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lợng đầu vào (đại lợng đo lờng - kiểm tra, là các đại lợng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lợng đầu ra là đại lợng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha, Căn cứ theo dạng đại lợng đầu vào ngời ta phân ra các loại cảm biến nh: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, mô men quay, nhiệt độ, áp suất, quang, bức xạ, 1.1.1 . Các thông số cơ bản của cảm biến 1.1.1.1. Độ nhạy S=YX 3 X: gia số đại lợng đầu vào. Với: + Y: gia số đại lợng đầu ra. + Trong thực tế còn sử dụng độ nhạy tơng đối: S0= Với: Y là đại lợng ra. X là đại lợng vào. Cảm biến có thể là tuyến tính nếu S0=const hoặc là phi tuyến nếu S0= var. Cảm biến phi tuyến có độ nhạy phụ thuộc vào giá trị đại lợng vào (X). 1.1.1.2. Sai số Sự phụ thuộc của đại lợng ra Y vào đại lợng đầu vào X gọi là đặc tính vào ra của cảm biến. Sự sai khác giữa đặc tính vào ra thực với đặc tính chuẩn (đặc tính tính toán hay đặc tính cho trong lí lịch) đợc đánh giá bằng sai số. Phân làm hai loại sai số + Sai số tuyệt đối X=X'#X X': giá trị đo đợc; X: giá trị thực. + Sai số tơng đối a=XX Các nguyên nhân ảnh hởng tới sai số Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan ảnh hởng tới sai số, trong thực tế ngời ta đa ra các tiêu chuẩn và các điều kiện kĩ thuật để hạn chế mức độ ảnh hởng này trong phạm vi cho phép. Sai số ở giá trị định mức do yếu tố của bên ngoài gọi là sai số cơ bản. Nếu yếu tố của bên ngoài vợt ra khỏi giới hạn định mức thì xuất hiện sai số phụ. Để giảm sai số phụ phải giảm độ nhạy của cảm biến với yếu tố ngoài hoặc hạn chế ảnh hởng của chúng bằng màn chắn hay môi trờng khác. 1.1.2. Các yêu cầu của cảm biến Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau: + Có dải thay đổi đại lợng vào cần thiết. 4 + Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lờng, kiểm tra. + ảnh hởng ít nhất đến đại lợng đầu vào. + Có quán tính nhỏ. Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến, chúng làm việc theo nhiều nguyên lí khác nhau, do vậy kết cấu của cảm biến rất đa dạng và phong phú. Bảng 7-1 là nguyên lí làm việc và lãnh vực của cảm biến cảm ứng, là loại phổ biến trong tự động hóa và điều khiển tự động. 1.1.3. Phân loại cảm biến Có thể phân các cảm biến làm hai nhóm chính: là cảm biến tham số (thụ động) và cảm biến phát (chủ động hay tích cực). * Nhóm phát bao gồm các loại cảm biến sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ, hiệu ứng điện áp, hiệu ứng Holl và sự xuất hiện sức điện động của cặp nhiệt ngẫu, tế bào quang điện. + Hiệu ứng cảm ứng điện từ: trong một dây dẫn chuyển động trong một từ trờng không đổi sẽ xuất hiện một sức điện động tỉ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỉ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây dẫn. Hiệu ứng cảm ứng điện từ đợc ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng. + Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện tợng các điện tử đợc giải phóng thoát ra khỏi vật liệu tạo thành dòng đợc thu lại dới tác dụng của điện trờng. + Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: là hiện tợng khi một chuyển tiếp P-N đợc chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện tử-lỗ trống, chúng chuyển động dới tác dụng của điện trờng chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp. 5 + Hiệu ứng Holl: trong vật liệu (thờng là bán dẫn) dạng tấm mỏng có dòng điện chạy qua đặt trong từ trờng B có phơng tạo thành một góc với dòng điện I sẽ xuất hiện một hiệu điện thế U theo hớng vuông góc với B và I. Hiệu ứng Holl đợc ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật sẽ đợc ghép nối cơ học với một thanh nam châm, ở mọi thời điểm vị trí của thanh nam châm xác định giá trị của từ trờng và góc lệch tơng ứng với tấm bán dẫn mỏng làm trung gian. Hiệu điện thế đo đợc giữa hai cạnh tấm bán dẫn trong tr- ờng hợp này (gián tiếp) là hàm phụ thuộc vị trí của vật trong không gian. Hình 1 Cảm biến loại này là cảm biến tích cực vì trong trờng hợp này nguồn của dòng điện I (chứ không phải đại lợng cần đo) cung cấp năng lợng liên quan đến tín hiệu đo. + Hiệu ứng điện áp: khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện (nh thạch anh) sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện l- ợng điện tích bằng nhau nhng trái dấu nhau trên các mặt đối diện của vật (là hiệu ứng điện áp). Hiệu ứng này đợc ứng dụng để xác định lực hoặc các đại l- ợng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (nh áp suất, gia tốc, ) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực tụ điện. Ngoài ra còn cảm biến nhiệt điện, cảm biến hóa điện, 6 * Cảm biến tham số (thụ động): thờng đợc chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lợng cần đo. Một mặt giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thớc hình học của mẫu, nhng mặt khác nó còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu nh: điện trở suất, từ thẩm, hằng số điện môi. Vì vậy giá trị của trở kháng thay đổi dới tác dụng của đại lợng đo ảnh hởng riêng biệt đến tính chất hình học, tính chất điện hoặc đồng thời ảnh hởng cả hai. Thông số hình học hoặc kích thớc của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng. + Trờng hợp khi có phần tử động thì mỗi vị trí của phần tử sẽ tơng ứng với một giá trị trở kháng, đo trở kháng sẽ xác định đợc vị trí đối tợng. Đây là nguyên lí nhiều cảm biến nh cảm biến vị trí, cảm biến dịch chuyển. + Trờng hợp cảm biến có phần tử biến dạng, thì sự biến dạng gây nên bởi lực hoặc các đại lợng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hoặc 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 là tác động của đại lợng cần đo đợc biến đổi thành tín hiệu điện (hiệu ứng áp trở). Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dới tác dụng của đại lợng cần đo chỉ có thể xác định đợc khi cảm biến là một thành phần của mạch điện. Trong thực tế tùy từng trờng hợp cụ thể mà ngời ta chọn mạch đo thích hợp với cảm biến 1.2. Cảm biến quang (Tế bào quang dẫn) Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao. Cơ sở vật lí của tế bào quang dẫn là hiện tợng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội (hiện tợng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu). 1.2.1. Vật liệu để chế tạo cảm biến 7 Cảm biến quang thờng đợc chế tạo bằng các chất bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, ví dụ nh: - Đa tinh thể :CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe. - Đơn tinh thể:Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn,PIn, CdHgTe. Vùng phổ làm việc của các vật liệu này khác nhau. 1.2.2. Các đặc trng - Điện trở: giá trị điện trở tối Rc0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích th- ớc, nhiệt độ và bản chất lí hóa của vật liệu quang dẫn. Điện trở Rc của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lợng ánh sáng không tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tính hóa bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn. - Độ nhạy: độ dẫn của tế bào quang dẫn là tổng của độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng. Độ nhạy phổ là hàm của nhiệt độ nguồn sáng: khi nhiệt độ tăng thì độ nhạy phổ tăng lên. Tế bào quang dẫn đợc ứng dụng nhiều bởi chúng có tỉ lệ chuyển đổi tĩnh và độ nhạy cao cho phép đơn giản hóa trong việc ứng dụng (ví dụ điều khiển các rơle hình 7-14). Nhợc điểm chính của tế bào quang dẫn là: - Hồi đáp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào thông lợng. - Thời gian hồi đáp lớn. - Các đặc trng không ổn định (già hóa). - Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ. - Một số loại đòi hỏi phải làm nguội. Ngời ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông lợng. Thông thờng chúng đợc sử dụng để phân biệt mức sáng khác nhau (trạng thái tối- sáng hoặc xung ánh sáng). Thực tế thì tế bào quang dẫn thờng ứng dụng :Thu tín hiệu quang dùng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt 8 quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ đợc phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, ứng dẫn để đo tốc độ quay của đĩa hoặc đếm vật. Đơn vị đo cờng độ ánh sáng: Lux (ký hiệu: lx) là đơn vị đo độ rọi trong SI. Nó đợc sử dụng trong trắc quang học để đánh giá cờng độ ánh sáng cảm nhận đợc. Đây là một đơn vị dẫn xuất trong SI, nghĩa là nó đợc định nghĩa từ các đơn vị "cơ bản" hơn. Cụ thể, do độ rọi bằng quang thông trên diện tích: 1 lx = 1 lm/m 2 Đơn vị đo quang thông trong SI, lumen, lại là một đơn vị dẫn xuất nên: 1 lx = 1 cd sr / m 2 Một văn phòng sáng sủa có độ rọi khoảng 400 lux 9 Chơng II tổng quan về PSoC 2.1. Giới thiệu về chíp PSoC: Ngày nay. Trong một hệ thống nhúng (Embeded system), hay sản phẩm, thiết bị phức tạp khác thì sự kết hợp của các khối ngoại vi nh: Các bộ lọc, khuyếch đại, bộ điều chế độ rộng xung PWM, hay các bộ chuyển đổi tơng tự số (ADC), số - tơng tự (DAC) v.v . là rất cần thiết và giúp giải quyết rất nhiều bài toán đặt ra từ các hệ thống tự động phức tạp đến các thiết bị điện tử văn phòng, gia dụng. Càng nhiều thành phần trong một hệ thống thì càng chiếm nhiều không gian, nảy sinh các vấn đề trong việc thiết kế mạch, kết hợp các thành phần, và tăng độ phức tạp của hệ thống. Để giải quyết vấn đề trên thì ngày nay công nghệ SoC (Sytem on chip) ra đời với xu hớng tích hợp hệ thống trong một con chíp. Đi đầu trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ này là hãng Cypress MicroSystems với việc cho ra đời chip PSoC. Thuật ngữ PSoC là viết tắt của cụm từ tiếng anh Programmable System on Chip, nghĩa là hệ thống khả trình trong một chip. Các chíp PSoC có thể thay đổi cấu hình rất đơn giản băng cách gán các chức năng cho các khối tài nguyên có sẵn trên chip. Hơn nữa ta cũng có thể kết nối tơng đối mềm dẻo các khối chức năng với nhau hay các cổng vào ra, đem lại sự thuận tiện cho các phơng án thiết kế. 10 [...]... cho PSoC có thể thiết lập chức năng và chế độ hoạt động cho từng chân vào ra của chip Với khả năng thiết lập cấu hình linh hoạt và mạnh mẽ nh vậy một thiết bị đo lờng, điều khiển có thể đợc gói gọn trong một chíp Chính vì vậy hãng Cypress MicroSystems không gọi PSoC là Micro controller (Vi điều khiển) , mà gọi là PSoC device hay Thiết bị PSoC với hy vọng rằng ngời sử dụng sẽ có đợc những thiết bị đo. .. Column 3 23 6 0018h VC3 7 001Ch GPIO 8 0020h PSOC Block DBB 00 9 0024h PSOC Block DBB 01 10 0028h PSOC Block DBB 02 11 002Ch PSOC Block DBB 03 12 0030h PSOC Block DBB 10 13 0034h PSOC Block DBB 11 14 0038h PSOC Block DBB 12 15 003Ch PSOC Block DBB 13 24 0060h I2C 25(Thấp nhất) 0064h Sleep Timer Bảng 2.10 : Bảng các vecter ngắt 2.2.5.1: Mô tả cấu trúc của bộ điều khiển ngắt Posted Interrup t Pending Interrupt... Các thanh ghi của bộ điều khiển ngắt Bộ điều khiển ngắt cho phép một đo n mã của ngời lập trình đợc thực hiện mỗi khi có một ngắt sinh ra từ các khối chức năng trong chíp PSoC Mỗi một khối số có một ngắt riêng và mỗi cột khối tơng tự cũng có một ngắt riêng Mỗi một ngắt cho nguồn cấp, chế độ ngủ, xung nhịp thay đổi, và một ngắt toàn cục cho các chân vào ra đa chức năng Bộ điều khiển ngắt cùng với những... điều khiển) , mà gọi là PSoC device hay Thiết bị PSoC với hy vọng rằng ngời sử dụng sẽ có đợc những thiết bị đo lờng, điều khiển có kích thớc nhỏ gọn, sự hoạt động ổn định và giá thành rẻ Thay thế đợc các thiết bị dựa trên vi xử lý và vi điều khiển đã có trớc đây 2.2 Giới thiệu về chip PSoC CY8C27443-24PXI : 2.2.1 Thông số của CY8C27443-24PXI : * Bộ vi xử lý với cấu trúc harvard - Bộ vi xử lý có tốc... giống hệt nhau Mỗi một khối GPIO đều đợc kết nối với bit có số thứ tự tơng ứng trong địa chỉ và thanh ghi Bởi vậy, những thanh ghi trong bảng 2-22 thực sự chỉ dành cho một cổng (bao gồm 8 khối GPIO) Trong đó thì vị trí của các bit sẽ chỉ rõ là khối GPIO nào trong 8 khối đợc điều khiển với cổng vào ra Mỗi một khối GPIO có thể đợc sử dụng cho những kiểu vào ra sau: - Vào ra số (Vào ra số điều khiển bởi... ghi hoạt động chế độ RW:00 27 RW:00 RW:00 RW:00 RW:FF 1,xxh 0) PRTxDM1 Driver Mode 1 (Thanh ghi hoạt động chế độ RW:FF 1,xxh PRTxIC0 1) Interrupt Control 0 (Thanh ghi điều khiển RW:00 PRTxIC1 ngắt 0) Interrupt Control 1 (Thanh ghi điều khiển RW:00 1,xxh ngắt 1) Bảng 2.11: Các thanh ghi vào ra đa chức năng Chú ý: Ký tự X sau dấu phẩy trong trờng địa chỉ có nghĩa là các cổng vào ra đều có riêng biệt các... cục của chân đó bị khoá 32 Thanh ghi PRTxDMx Có 8 chế độ điều khiển cho mỗi một chân của cổng Ba bit chế độ đợc sử dụng để lựa chọn một trong 8 chế độ nói trên Ba bit chế độ đợc phân chia trong ba thanh ghi khác nhau, (PRTxDM0, PRTxDM1, PRTxDM2) Vị trí tơng ứng của bit trong ba thanh ghi sẽ tơng ứng với vị trí chân ra của cổng (Ví dụ ba bit điều khiển cho chân P2[1] sẽ là bit PRT2DM0[1], PRT2DM1[1],...Thành phần của các chíp PSoc gồm có: Bộ vi xử lý 8 bit, Bộ nhớ ch ơng trình (EEROM) có thể lập trình đợc và bộ nhớ RAM khá lớn tùy thuộc vào từng con khác nhau trong họ Để lập trình cho PSoC Cypress MicroSystems cung cấp phần mềm PSoC Designer Phần mềm này đợc thiết kế trên cơ sở hớng đối tợng với cấu trúc mô đun hóa Mỗi khối... đựng từ - 400C đến 850C 12 13 14 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc CY8C27443-24PXI Các khối ngoại vi có thể đợc sử dụng độc lập hoặc kết hợp tùy vào chức năng sử dụng Có 12 khối ngoại vi tơng tự đợc thiết lập để làm các nhiệm vụ: - Các bộ ADC lên tới 14 bit - Các bộ DAC lên tới 9 bit - Các bộ khuyếch đại có thể tùy chọn đợc hệ số khuyếch đại - Các bộ lọc và các bộ so sánh có thể lập trình đợc Có 8 khối ngoại vi... khiển ngắt Posted Interrup t Pending Interrupt Priority Encoder Interrupt Request M8C Core R Interrupt Source (Timer, GPIO, etc) D Q INT_MSKx Mask Bit Setting GIE CPU_F[0] Hình 2.2: Sơ đồ khối hoạt động của bộ điều khiển ngắt Interrupt Source: Nguồn ngắt (bộ định thời, các chân vào ra đa chức năng) Interrupt Taken or INT_CLRx Write: Thi hành ngắt hoặc xoá ngắt INT_MSKx: Lập mặt nạ che ngắt Post Interrupt: . III Xây dựng hệ đo, ĐIềU KHIểN CƯờng độ ánh sáng sử dụng chip PSOC CY8C27443-24PXI 3.1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống. . đo cờng độ ánh sáng: Lux (ký hiệu: lx) là đơn vị đo độ rọi trong SI. Nó đợc sử dụng trong trắc quang học để ánh giá cờng độ ánh sáng