1. Tổng quan về thiết bị đo nồng độ khí NH3
3.1.5. Khối xử lý trung tâm của thiết bị đo
Từ các chức năng của thiết bị đo nên vi xử lý trung tâm cần có các chuẩn truyền thông cơ bản để ghép nối với các thiết bị ngoại vi (bộ nhớ ngoài, PC, phím điều khiển…). IC PSoC (Programmable System on Chip) có khả năng tích hợp các
chức năng ghép nối cơ bản nên có tính mở, tính linh hoạt, khả năng kết nối với các thiết bị ngoại vi. Sử dụng IC PSoC tạo ra đƣợc các thiết bị đo nhỏ gọn, đầy đủ các chức năng cần thiết, thuận tiện cho ngƣời sử dụng. Do đó IC PSoC hoàn toàn thích hợp làm vi xử lý trung tâm cho thiết bị đo. Trong đồ án sử dụng PSoC CY8C29566 của hãng Cypress.
PSoC (Programmable System -on-chips) là chip mà có thể tích hợp cả vi điều khiển các thành phần tƣơng tự và thành phần số xung quanh vi điều khiển nhúng vào một hệ thống.
Khối số gồm có nhiều khối khả trình nhỏ có thể đƣợc cấu hình cho các ứng dụng khác nhau.
Khối tƣơng tự đƣợc sử dụng cho các công cụ Analog nhƣ bộ lọc, bộ so sánh tín hiệu tƣơng tự, các bộ khuyếch đại đảo, không đảo nhƣ AD, DA.
G N D P 0 ( 7 ) 40 P 0 ( 5 ) 41 P 0 ( 3 ) 42 P 0 ( 1 ) 43 P 2 ( 7 ) 44 P 2 ( 5 ) 1 P 2 ( 3 ) 2 P 2 ( 1 ) 3 SM P 8 P 1(7)/SC L 13 P 1(5)/SD A 14 P 1(3) 15 P 1(1)/X T A L in/SC L 16 V ss 17 P 1(0)/X T A L out/SD A 18 P 1(2) 19 P 1(4)/E X T C L K 20 P 1(6) 21 X R E S 26 P 2 ( 0 ) 31 P 2 ( 2 ) 32 P 2 ( 4 ) / E X T A G N D 33 P 2 ( 6 ) / E X T V R E F 34 P 0 ( 0 ) 35 P 0 ( 2 ) 36 P 0 ( 4 ) 37 P 0 ( 6 ) 38 V d d 39 P 4(0) 27 P 4(2) 28 P 4(4) 29 P 4(6) 30 P 4(7) 4 P 4(5) 5 P 4(3) 6 P 4(1) 7 P 3(7) 9 P 3(5) 10 P 3(3) 11 P 3(1) 12 P 3(0) 22 P 3(2) 23 P 3(4) 24 P 3(6) 25 U 3 C Y 8C 29566-24A X I X R E S SC L SD A V2 V1 K 5 K 4 K 3 K 2 S C L _ I 2 C S D A _ I 2 C P 4_0 P 4_1 P 4_2 P 4_3 P 4_4 P 4_5 P 4_6 K 1 R E /D E T X D R X D M ISO _P SO C IN 4 IN 5 C SN _P SO C M O SI_P SO C IN 6 D A T A S C K V C C G N D 1 2 3 4 5 P 4 P rogram m ing V C C G N D X R E S SC L SD A G N D L E D 470R R 9 104 C 17 V C C G N D 104 C 18 1 2 S C K 1 M O S I 1 M I S O 1 C S 1 LED I N 1 I N 2 I N 3 K H O I V I X U L Y T R U N G T A M
GND GND VCC 1 3 RV V0 MAN HINH LCD BT Battery3.3V GND GND SCL_I2C VCC SDA_I2C CX1 CX2 VCC VCC GND VCC GND P0(7) 40 P0(5) 41 P0(3) 42 P0(1) 43 P2(7) 44 P2(5) 1 P2(3) 2 P2(1) 3 SMP 8 P1(7)/SCL 13 P1(5)/SDA 14 P1(3) 15 P1(1)/XTALin/SCL 16 Vss 17 P1(0)/XTALout/SDA 18 P1(2) 19 P1(4)/EXTCLK 20 P1(6) 21 XRES 26 P2(0) 31 P2(2) 32 P2(4)/EXT AGND 33 P2(6)/EXT VREF 34 P0(0) 35 P0(2) 36 P0(4) 37 P0(6) 38 Vdd 39 P4(0) 27 P4(2) 28 P4(4) 29 P4(6) 30 P4(7) 4 P4(5) 5 P4(3) 6 P4(1) 7 P3(7) 9 P3(5) 10 P3(3) 11 P3(1) 12 P3(0) 22 P3(2) 23 P3(4) 24 P3(6) 25 U3 CY8C29566-24AXI XRES SCL SDA V2 V1 K5 K4 K3 K2 SCL_I2C SDA_I2C P4_0 P4_1 P4_2 P4_3 P4_4 P4_5 P4_6 K1 RE/DE TXD RXD MISO_PSOC IN4 IN5 CSN_PSOC MOSI_PSOC IN6 DATA SCK VCC GND 1 2 3 4 5 P4 Programming VCC GND XRES SCL SDA GND LED 32K GND GND VCC KHèI USB V33 GND GND GND VCC_PC GND GND RXD TXD GND VCC USB+ USB- GND Y1 12MHz VCC_PC GND VCC_PC 1uF C7 Tu Tantalum 104 C8 1uF C9 Tu Tantalum
NGUON CUNG CAP
24V GND IN 1 3 OUT 2 GND 5 ON/OFF FEEDBACK 4 T1 LM2576_(dan) D1 3A 100mH L1
Cuon cam (dan)
VCC 10uF C11 10uF C12 GND 24V 1 2 ON LCD VSS 1 VDD 2 V0 3 RS 4 R/W 5 E 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 A 15 K 16 LCD LCD LCD16x2 V0 GND VCC P4_0 P4_1 P4_2 P4_3 P4_4 P4_5 P4_6 VCC 1 2 6 5 4 3 2 1 M MC Header 6 THE NHO MMC GND SCK1 MOSI1 MISO1 VCC VCC GND CS1 1K R1 4K7 R2 4K7 R3 1K5 R4 27R R5 27R R6 470R R8 470R R9 104 C1 104 C2 22p C3 22p C4 104 C6 104 C10 104 C17 VCC GND 104 C18 1 2 X1 1 X2 2 VBAT 3 GND 4 SDA 5 SCL 6 SQW/OUT 7 VCC 8 U1 DS1307 SCK1 MOSI1 MISO1 CS1 LED
IN1 IN2 IN3
Khoi thoi gian thuc
GND 1 2 M DC Header 2 - M 1 2 3 4 USB_COM Header 4Hien TXD 1 DTR_N 2 RST_N 3 VCCIO 4 RXD 5 RI_N 6 GND 7 NC 8 DSR_N 9 DCD_N 10 CTS_N 11 SHTD_N 12 EE_CLK 13 EE_DATA 14 USBDP 15 USBDM 16 VO_33 17 GND 18 NC 19 VCC 20 GND 21 GP0 22 GP1 23 NC 24 AGND 25 PLL_TEST 26 OSC1 27 OSC2 28 U2 PL2303HX GND DM DP
KHOI VI XU LY TRUNG TAM
VCC GND IN1 1 2 3 4 5 6 7 8 IN_SS Header 8 Sensor IN2 IN3 IN4 IN5 IN6
3.1.6. Lưu đồ thuật toán TH=1? N TH=2? RESET MMC: - STT=1 - TH=1 Y N TH=3? Y N TH=4? Y N - Đọc dữ liệu từ thẻ nhớ MMC lên PC Đọc giá trị và hiển thị kết quả lên LCD
- Khởi tạo các khối chức năng -TH=1
- Dọc STT từ MMC - Khởi tạo ADC
Begin
Y Thời gian = 1 phút?
Y Lưu dữ liệu vào MMC Hiển thị dữ liệu lên PC Ngắt UART? Y Xư lý tín hiệu ngắt, nhập giá trị biến TH? N
Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán
- Bắt đầu”ta khởi tạo các khối chức năng: Khối sensor, khối thời gian thực, khối thẻ nhớ MMC, khối truyền thông thiết bị và máy tính, khối vi xử lý trung tâm, khối màn hình LCD. Tiếp đó lúc này ta sẽ cho trƣờng hợp (TH) = 1, cùng
với đó là khởi tạo khối ADC trong vi xử lý để chuyển tín hiệu sau khi chuẩn hóa thành tín hiệu số. Và đọc các dữ liệu từ thẻ nhớ MMC.
- Lúc này khi bật máy (tức cấp nguồn cho thiết bị) ta mặc định cho TH=1, nếu đúng thì thiết bị sẽ đọc giá trị nồng độ đo đƣợc của khí NH3 và đƣa kết quả lên màn hình LCD.
- Ta sẽ cài đặt thời gian lặp lại là 1 phút nếu đúng mỗi phút nó sẽ đọc lại giá trị và hiển thị lên LCD một lần đồng thời nó sẽ lƣu kết quả đó vào thẻ nhớ SD. Nếu sai nó sẽ sau lại về ban đầu kiểm tra xem TH = 1 không?
- Khi báo ngắt UART đƣợc báo về cho CPU để tạm dừng chƣơng trình đang hoạt động và xử lý ngắt này lúc này máy tính sẽ kiểm tra giá trị biến TH tƣơng ứng từng lệnh với lệnh điều khiển.
- Với Trƣờng hợp khi TH = 2 nếu đúng thì t sẽ reset lại thẻ nhớ MMC, STT =1 và lúc này TH =1. (Ở đây ta chia thẻ nhớ ngăn nhổ STT, sau chạy ta sẽ lƣu dữu liệu vào STT+1).
- Nếu sai thì lúc này sẽ kiểm tra biến TH = 3 không? Nếu đúng chƣơng trình sẽ cho hiển thị dữ liệu lên PC.
- Cuối cùng là kiểm tra trƣờng hợp TH = 4, nếu đúng ta sẽ đọc dữ liệu từ
thẻ nhớ MMC lên PC để giám sát. Nếu sai thì tiếp tục quay lại về ban đầu kiểm
tra”TH
3.1.7. Sơ đồ mạch in
Hình 3.8b. Mặt dưới của mạch in
3.1.8. Thiết bị sau khi thi công và đóng hộp
Các thiết kế trên đây đã đƣợc thử nghiệm hoàn chỉnh trên các phần mềm mô phỏng, các sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch cứng đã đƣợc hoàn thiện. Thiết bị nhỏ gọn, có kích thƣớc 10,5 x 7,5 x 2 (cm)
Nguyên lí hoạt động:
Sensor MQ-135 lấy thông tin từ đối tƣợng cần đo (khí NH3) trong môi trƣờng. Trong trƣờng hợp này MQ-135 đã đƣợc chuẩn hóa tín hiệu ra dƣới dạng điện áp là từ 0-5V.
Từ đó tín hiệu điện áp đã đƣợc chuẩn hóa này đƣa vào vi xử lý PSoC biến đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số rồi xử lý đƣa kết quả hiển thị lên màn hình LCD cùng với đó là nhờ khối thẻ nhớ SD giúp ta lƣu trữ một thông tin lớn trong thời gian dài để tiện cho quá trình giám sát.
Bên cạnh đó PSoC đƣa có thể tín hiệu lên máy tính thông qua khối truyền thông sử dụng chuẩn USB để giám sát thiết bị. Trên PC ta có thể xem lại giây, phút, giờ, ngày, tháng, năm của các lần đo thông qua khối thời gian thực.
Hình 3.9. Hình ảnh của thiết bị
3.2. Phần mềm trên PC để tải dữ liệu giám sát thông số nồng độ khí NH3
Giao diện kết nối giữa máy tính với thiết bị thông qua chuẩn USB
Toàn bộ thao tác phần mềm trên một giao diện chính hình 3.9, thể hiện trong hình 3.10 dƣới đây.
Hình 3.10. Hình ảnh giao diện phần mềm trên PC Giao diện chính được chia làm 5 khối như sau:
- Khối I: Khối chọn file cơ sở dữ liệu, định dạng Excel, thao tác vận hành nhƣ sau:
o Bƣớc 1: Chọn đƣờng dẫn và tên file ở ô I.1
o Bƣớc 2: Chọn sheet của file excel ơ ô I.2
o Bƣớc 3: Click chuột vào nút “Khởi tạo file” để xác nhận. Ví dụ:
Hình 3.11. Khối chọn file cơ sở dữ liệu, định dạng Excel
- Khối III: Khối hiển thị online các thông số: ngày tháng, thời gian, nồng độ NH3. Sau khi click chuột vào nút “Connect” ở khối V, nó sẽ kết nối với thiết bị và yêu cầu gửi dữ liệu.
Hình 3.12. Khối hiển thị online các thông số
- Khối IV: Khối kết nối với thẻ nhớ MMC của thiết bị. Chức năng chính là đọc dữ liệu từ thẻ nhớ để ghi vào file cơ sở dữ liệu.
Giới thiệu:
IV.1
IV.2 IV.3 IV.4
Hình 3.13. Khối kết nối với thẻ nhớ MMC của thiết bị
Trong đó:
- IV.1: Hiển thị % dung lƣợng dữ liệu đọc xong.
- IV.2: Nhập số thứ tự (STT) điểm đầu – đọc dữ liệu từ MMC từ điểm
đầu đến điểm cuối (tƣơng đƣơng với số giá trị cần đọc từ MMC)
- IV.3: Nhập số thứ tự (STT) điểm cuối
- IV.4: Nút “Doc MMC”- lệnh bắt đầu đọc dữ liệu từ thẻ nhớ.
o Thao tác vận hành:
Bƣớc 1: Đầu tiên nhập số giá trị cần đọc từ MMC (nhập
thông số vào IV.2 và IV.3).
Bƣớc 2: Click chuột vào nút “Doc MMC” để bắt đầu đọc
- Khối V: Khối điều khiển
- V.1: Nút Connect- lệnh kêt nối với thiết bị qua cổng USB
- V.2: Nút Exit- Thoát khỏi giao diện - V.3: Nút STT=1- Reset MMC
Kết quả đọc dữ liệu từ thiết bị lên máy tính dƣới dạng file Microsoft Excel nhƣ bảng 3.1.
Bảng 3.1: Kết quả nồng độ khí đo được
Kết quả đo đƣợc đƣợc hiển thị trên bảng dữ liệu Excel (Bảng 3.1) bao gồm: Số thứ tự lần đo, ngày, tháng, năm, giờ đo và nồng độ khí NH3 (ppm).
