+ Trong trường hợp này ta chọn cỏc hệ số tỷ lệ như sau: Ge = 0.35
G∆e = 20 Gu = 0.33 Gu = 0.11
Hỡnh 4.19: Đỏp ứng của hệ thống lũ điện trở cho FPIC (--); STFPIC (___) Và bộ PID chọn theo phương phỏp Ziegler –
Nichols I
Luận văn cao học – 2009
Hỡnh 4.20: Đỏp ứng của hệ thống lũ điện trở cho FPIC (--); STFPIC (___) Và bộ PID chọn theo phương phỏp Ziegler – Nichols II
* Nhận xột
Qua kết quả mụ phỏng ta thấy đỏp ứng của hệ thống mờ tự chỉnh là tốt hơn so với cỏc bộ điều khiển PID truyền thống chọn theo phương phỏp Ziegler – Nichols
69
Ch ơng V
thiết kế hệ thống lò xấy gỗ tự động Mô hình lò xấy gỗ tự động trong thực tế
Hình 5.1: Mô hình lò xấy gỗ tự động
Từ mô hình trên và khảo sát thực tế ta nhận thấy một lò xấy đ ợc chia làm 3 phần cơ bản
• Hệ thống điều khiển
• Hệ thống công suất
• Vỏ lò và hệ thống van phun ẩm, cửa thoát ẩm.
Trong ch ơng này của đồ án sẽ đề xuất các ph ơng án thiết kế các phần trên 5.1 Thiết kế hệ thống điều khiển :
Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển lò xấy gỗ tự động là thu thập tất cả các thông số của lò xấy nh : Độ ẩm môi tr ờng ( EMC ), nhiệt độ môi tr ờng ( Temperature ), độ ẩm thanh gỗ ( Timber moisture ) từ hệ thống đầu đo cảm ứng .
70
Luận văn cao học – 2009
Các thông số này đ ợc đ a về bộ vi xử lý trung tâm để tính toán tạo ra các tín hiệu điều khiển giúp lò xấy hoạt động theo đúng các chế độ xấy đã cài đặt tr ớc . Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật có rất nhiều bộ điều khiển số với tốc độ xử lý cao có khả năng đáp ứng đ ợc yêu cầu trên . Trong phạm vi bản luận
văn này em xin đề xuất sử dụng họ vi xử lý MSP430 của hãng Texas Intruments làm vi xử lý trung tâm. Trong phần tiếp theo ta sẽ tìm hiểu thêm về họ MSP430.
5.1.1 Tổng quan về MSP 430
MSP430 là loại vi điều khiển tiết kiệm năng lượng 16 bit- RISC với cấu trỳc tiờn tiến và được cài đặt nhiều thiết bị ngoại vi. Trong cấu trỳc của MSP430 cú sử dụng bộ định thời nõng cao và thiết kế đặc trưng , chỳng hỗ trợ cho nhau cao độ để thực hiện chương trỡnh một cỏc hiệu quả và linh hoạt. Cấu trỳc này được gọi là “ Von Neumann” , trong đú tất cả chương trinh, bộ nhớ dữ liệu, và cỏc thiết bị ngoại vi đều sử dụng một cấu trỳc Bus chung. RISC cú nghĩa là “ Reduced instruction set computer” . Chỉ cú 27 lệnh cơ bản , tuy nhiờn thụng qua cụng nghệ kết hợp cỏc lệnh cơ bản mà nú được mở rộng thành 51 lệnh. Cỏc lệnh cơ bản được đưa vào phần cứng , trong khi cỏc lệnh mụ phỏng được hỡnh thành bởi hợp ngữ ( Chương trỡnh mà dịch hợp ngữ và chuyển thành mó mỏy ) .
Các đặc điểm cơ bản của MSP 430 :
8K bytes bộ nhớ ch ơng trình (Flash) với khả năng lập trình trong hệ thống.
Sử dụng nguồn nuôi thấp 3.3V tiết kiệm điện năng tiêu thụ
512 bytes EEPROM, 1K byte SRAM, 32 thanh ghi mục đích dùng chung, 32 đ ờng vào/ra mục đích dùng chung.
Brownreset là chức năng Reset VDK khi nguồn cấp tới hạn thấp Hai Timer 16-bit có thể sử dụng linh hoạt ở các chế độ khác nhau . Hỗ trợ đầy đủ các ngắt trong và ngắt ngoài.
71
Giao diện SCI với một bộ thu/phát (USART) lập trình đ ợc có thể hoạt động ở hai chế độ: đồng bộ và không đồng bộ, nên rất linh hoạt và hữu ích trong nhiều ứng dụng truyền thông.
Giao diện SPI hỗ trợ truyền thông đồng bộ ở khoảng cách gần. Hỗ trợ giao diện hai dây (TWI – Two-wire Interface).
Tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi t ơng tự số (ADC-12 bit ) và bộ chuyển đổi Số t ơng tự (DAC)
Tích hợp sẵn tập lệnh điều khiển LCD với 80 lệnh cơ bản
Từ những đặc tính trên cho ta thấy chíp MSP 430 cung cấp cho ta toàn bộ các tài nguyên trên chíp giúp cho ng ời lập trình dễ dàng hơn trong quá trình lập trình mà vẫn đảm bảo hoàn thành nhiệm vụ đề ra.Bên cạnh đó nó còn cung cấp cho ta nhiều giao diện truyền thông có thể lựa chọn linh hoạt phù hợp với những ứng dụng cao về tốc độ xử lý cũng truyền thông với thế giới bên ngoài
Sơ đồ cấu trỳc của MSP430 được biểu diễn như hỡnh vẽ :
Hỡnh 5.2 : Sơ đồ cấu trỳc MSP430 Trong đó :
Khối xử lý trung tõm CPU
72
Luận văn cao học – 2009
Khối xử lý trung tõm của cỏc dũng là tương tự nhau . Theo trờn, nú là CPU 16bit RISC. Nú bao gồm một ALU 16 Bit, 16 thanh ghi và lệnh logic điều khiờn. Cỏc thanh ghi được sắp xếp như hỡnh 1.2a. Cú 4 thanh ghi với chức năng đặc biệt là : Program counter, stack pointer,status register và constant generator. Cỏc thanh ghi cũn lại cú cựng chức năng ghi
ễ nhớ chương trỡnh và ụ nhớ dữ liệu
Sơ đồ bộ nhớ được biểu diễn trờn hỡnh 1.2. Cú tất cả 64KB bộ nhớ địa chỉ trống được chia ra từ 0000H đến 0FFFFH. Cỏc thanh ghi cú chưc năng đặc biệt địa chỉ khối thiết bị ngoại vi được đỏnh giỏ trị từ 0 đến 01FFH . Cỏc địa chỉ ụ nhớ từ 0200H đến 0FFFFH được sủ dụng dể lưu giữ dữ liệu và mó chương trỡnh . Cỏc
ụ nhớ cú địa chỉ từ 0FFE0H đến 0FFFFH được dành cho cỏc vector ngăt (Interrupt) trongt Flash/Rom. , do đú cỏc vector điều khiển và vector dữ liệu là ở dưới địa chỉ 0FFDFH.
Hỡnh 5.3 Cấu trỳc CPU, thanh ghi và bộ nhớ
73
Nếu một dữ liệu loại Word ( 2 byte) thỡ chỉ được đặt vào địa chỉ chẵn, trong khi một byte thỡ cú thể được đặt cả vào địa chỉ chẵn và lẻ . Nếu một word được đặt vào địa chỉ chẵn thỡ byte thấp được đặt vào địa chỉ chẵn và byte cao là ở địa chỉ lẻ kế tiếp. Điển hỡnh của việc sắp xếp cỏc ụ nhớ như ở hỡnh 1.2c.
Cũng cần chỳ ý thờm rằng nếu module ngoại vi là module 16bit, thỡ địa chỉ của nú sẽ nằm giữa địa chỉ 0100H và 01FFH. Nếu nú là một module 8bits, thỡ địa chỉ của nú sẽ nằm giữa 010H và 0FFH. Cỏc ụ nhớ địa chỉ từ 0 đến 0FH được dành cho thanh ghi chức năng đặc biờt ,SFRs. Chức năng của từng phần trong bộ nhớ được trỡnh bày như hỡnh vẽ 7-2b. Và ta cũng thấy rằng một vài chức năng chỉ cú thể truy cập được với 8bit hoặc 16 bit, và cố một số khỏc thỡ lại cú thể truy cập được bằng cả 8 bit và 16 bit.
Cỏc lệnh được nạp từ bộ nhớ chương trỡnh với 16 bit địa chỉ , trong khi ụ nhớ dữ liệu cú thể được đỏnh dấu địa chỉ bằng 16 bit hoặc 8 bit lệnh.Mó chương trỡnh cú thể trong Flash/Rom hoặc Ram vỡ Flash/Rom và Ram được kết nối với 2 Bus tương tự nhau : MAB và MDB.
Watchdog timer.
Chức năng chớnh của Watchdog timer là cho phộp điều khiển khởi động lại hệ thống sau khi cú sự cố phần mềm. Điều này giỳp bảo vệ hệ thống trong trường hợp do trục trặc phần mềm. Sau một khoảng thời gian đó định, tớn hiệu Reset hệ thống được phỏt ra và chương trỡnh được Reset. Một điều quan trọng là chương trỡnh phải đặt lại Watchdog timer khi mà khoảng thời gian của nú chưa hết hạn, nếu khụng hệ thống sẽ bị Reset.
Bộ tạo dao động
Trong cỏc VDK bộ tao dao động sử dung cỏc tinh thể thạch anh bờn ngoài. Bộ tạo dao động thụng thường sử dụng một watch crytal và dao động ở tần số 32,768Hz., đồng thời sử dụng một tinh thể dao động ở tần số cao hơn nú cú thể dao động ở tần số từ 1Mhz cho dến 8MhZ. Ngoài ra việc thiết kế thờm cỏc bộ tạo
74
Luận văn cao học – 2009
dao động điều khiển số giỳp ta linh hoạt hơn trong việc chọn một tần số để hoạt động.
5.1.2 Thiết kế phần cứng cho bộ điều khiển
Đối với phần cứng của hệ thống điều khiển trong bản luận văn này ta dùng trực tiếp kit cú tờn MSP-EXP430FG4618 do hóng Texas Instruments sản xuất và nú thuộc họ vi điều khiển dựng MSP 430. bao gồm MSP430FG4618 và MSP430F2013 được cung cấp bởi nguồn 3V do 2 pin AAA 1,5V.
Hình 5.4 Kit ứng dụng dùng MSP 430
75
Hỡnh 5.5 Sơ đồ cỏc khối chớnh trong mạch ứng dụng MSP430
Sơ đồ trờn cung cấp cỏc ứng dụng khỏc nhau bằng cỏch thay đổi cỏch đấu chõn trờn bảng linh kiện. Từ cỏc thiết bị như LCD, bộ nối UART, vi xử lý, đầu ra õm thanh, bộ loa, bộ biến đổi điện dung nhờ việc tiếp xỳc tay… ta cú thể phỏt triển một cỏch đa dạng những ứng dụng khỏc nhau của mạch.
Cấu trỳc mạch cấp nguồn
Hỡnh 5.6 Sơ đồ nối khối nguồn cung cấp
76
Luận văn cao học – 2009
Nguồn cấp cho mạch cú thể là 2 pin AAA hoặc là mạch nguồn bờn ngoài. Bằng cỏc Jumper VCC1, VCC2, BATT ta cú thể cung cấp nguồn cho MSP430 một cỏch độc lập.
Jumper BATT được dựng để chọn cỏc pin cung cấp cho hệ thống và nú độc lập với FET.
Jumper VCC1, VCC2 để lựa chọn nguồn nối giữa bản mạch và mỗi bộ giao diện FET. VCC1 dựng để chọn MSP430FG4618 cũn VCC2 dựng để chọn
MSP430F2013.
PWR1 và PWR2 dựng để cung cấp nguồn cho từng mạch nhỏ MSP430s trong đú PWR1 cung cấp cho MSP430FG4618 cũn PWR2 cung cấp nguồn cho MSP430F2013.
Bộ hiển thị LCD:
Hỡnh 5.7 Hỡnh dạng và kớch thước của LCD SBLCDA4.
Bộ này cú tờn là SBLCDA4 sử dụng 4 cổng giao tiếp với MSP430FG4618. Cấu tạo của LCD gồm nhiều thanh led nhỏ nờn cú thể hiển thị được nhiều hỡnh khỏc nhau, đặc biệt cũn cú thể mụ phỏng khụng gian và cú đa dạng hỡnh ảnh.
+ Mạch được cấp nguồn từ 2.7 – 3.6V cú thể dựng với 4 bộ dồn kờnh.
+ Cú thể hiển thị được dấu õm “-”,$, bỏo lỗi, ký hiệu bộ nhớ.
+ LCD hiển thị một cỏch đa dạng cỏc ký tự mẫu và cú 5 chức năng chớnh.
77
+Cú cỏc nỳt di chuyển và cú thể dễ dàng kiểm tra lại cỏc phần đó hiển thị từ trước.
+ Mạch cũn cú phần low cost cho phộp điều chỉnh độ sỏng tối, độ tương phản, nhiệt độ hoạt động.
+ LCD làm việc trong điều kiện nhiệt độ từ -20 0 C – 50 0 C.
+ Ngoài ra cũn cú bộ vi xử lý dễ dàng phản hồi tớn hiệu về cho mạch điều khiển. MSP430FG4618: Hỡnh 5.8: Sơ đồ chõn MSP430FG4618 Hỡnh 5.9 : Sơ đồ chức năng MSP430FG4618 78 download by : skknchat@gmail.com
Luận văn cao học – 2009
CPU MSP430 cú 16 bit với cấu trỳc mạch cú thể ứng dụng cho nhiều chương trỡnh khỏc nhau. Tất cả cỏc chương trỡnh được định dạng trờn cỏc thanh ghi với 7 chế độ địa chỉ toỏn hạng và 4 địa chỉ cho vựng địa chỉ đớch.
MSP430FG4618 rất phự hợp để ỏp dụng cho quỏ trỡnh đo đạc và hiển thị cỏc thụng số trong lũ sấy gỗ nhờ những ưu điểm nổi trội của nú:
- Nú được tớch hợp bộ ADC 10bit, 12bit và sigma-delta ADC 16bit cú khả năng đỏp ứng yờu cầu cú độ chớnh xỏc rất cao chỉ bằng những thủ tục đơn giản. Cỏc bộ này đều là cỏc bộ đa kờnh cú thể cựng một lỳc xử lý được nhiều dữ liệu tương tự.Cỏc bộ ACD này đều cú 1 cảm biến nhiệt độ gắn sẵn với dải đo - 50oCữ100oC và độ phõn giải 0.00355V/1oC.
- Nú cũng bao gồm 2 bộ LCD driver cú khả năng điều khiển cỏc loại LCD 2-mux, 3-mux, 4mux giỳp cho việc hiện thị kết quả đo dễ dàng.
- Chế độ hoạt động tiờu tốn ớt năng lượng và sử dụng nguồn 3V làm cho nú cú khả năng hoạt động lõu dài hơn.
Ở trong đồ ỏn này, chỳng ta sẽ sử dụng MSP430FG4618 trờn bảng mạch thớ nghiệm, tận dụng LCD và cổng giao tiếp RS232 cú sắn trờn bẳng mạch để thực hiện những nhiệm vụ cú tớnh thử nghiệm sau sau:
- Đo nhiệt độ bằng ACD 12 trong từng 1s, độ chớnh xỏc đến 0,1oC
- Liờn tục gửi nhiệt độ đo được lờn mỏy tớnh qua kết nối RS232
- Trong vũng 1 phỳt, hiển thị nhiệt độ đo được lờn LCD trong 20s đầu, cỏc 20s tiếp theo lần lượt hiển thị độ ẩm mụi trường và độ ẩm gỗ. ( Giỏ trị độ ẩm được mặc định từ trước nhưng trong thực tế cú thể kết nối cỏc cảm biến vào FG4618 để xử lý đưa ra LCD)
- Nếu cú một dữ liệu đực gửi từ mỏy tớnh qua cổng RS232, vi điều khiển sẽ ngừng việc hiện thị nhiệt độ đo dược để hiện thị dữ liệu nhiệt độ do mỏy tớnh gửi ra.
79
MSP430F2013
Hỡnh 5..10 Sơ đồ chõn của MSP430F2013.
Hỡnh 5.11 Sơ đồ cấu trỳc của MSP430F2013 Cổng giao tiếp RS232:
80
Luận văn cao học – 2009
Hỡnh 5.12: Sơ đồ giao tiếp RS232
Bảng mạch sử dụng cỏch ly quang để bảo vệ quỏ điện ỏp trong giao tiếp qua RS233, qua đú mở ra khả năng giao tiếp với mỏy tớnh để mở rộng chức năng của bảng mạch.
81
Hình 5.13 Sơ đồ thiết bị của Kit MSP-EXP430FG4618 82
Luận văn cao học – 2009
5.1.3 Thiết kế phần mềm
a. Thiết kế các modul cho vi xử lý : Cỏc timer.
Ở đõy ta sử dụng 2 bộ định thời Basic Timer và Watch Dog Timer (WDT) để làm bộ đếm thời gian và tận dụng cỏc ngắt của nú như cỏc chương trỡnh con. WDT ở đõy được tắt chức năng kiểm tra bảo vệ mà chỉ sử dụng như 1 bộ đếm bỡnh thường.
LCD driver.
LCD trờn board thớ nghiệm là LCD 4 mux, được nối qua cỏc chõn tử port 7 cho đến port 10 của FG4618, chỳng được điều khiển một cỏch đơn giản bằng cỏch ghi cỏc giỏ trị vào cỏc thanh ghi LCDM, mỗi thanh ghi LCD mờ tương ứng với 8 segment của 1 ký tự.
USCI_A
Đõy là 1 trong cỏc bộ phận xử lý truyền thụng nối tiếp của FG4618, ở đõy được sử dụng như một UART cho RS232 ( USCI_A cũn cú thể xử lý truyền
thụng SPI và I2C).
Ở đõy chỳng ta set baud rate =9600, và xử lý tớn hiệu nhận vào trong ISR của ngắt khi cú tớn hiệu gửi vào.
ADC12
ADC12 là bộ phận xử lý hoạt động của ADC 12 bit, ở đõy chỳng ta đặt cỏc hàm hiện thi LCD và gửi ra mỏy tớnh trong ISR của ngắt của ADC12, ngắt này xảy ra khi ADC 12 bit thực hiện xong 1 chuyển đổi
L u đồ thuật toán của ch ơng trình:
83
MAI N
Cỏc khởi tạo ban đầu của Timer,ADC12, LCD,
USCI A
Bật Basic timer để đếm 1s
Đưa VĐK vào trạng thỏi tiết
kiệm năng lượng trong lỳc
Dữ liệu
Ngắt của USCI_A ( khi cú dữ liệu gửi vào từ
m ỏy t ớnh)
Tạo vũng lặp trễ 5s, trong
đú tắt ngắt ADC12,xử lý dữ
liệu nhận được và hiển thị
Sau vũng lặp bật lại ADC12
Ngắt của Basic timer (thực hiện khi đếm
đến 1s) Mở Vref của ADC12
Bật WDT để đếm 16ms để Vref ổn định
Ngắt của WDT (thực hiện khi đếm đến
Bật ADC1216m. Kếts) quả sẽ
được lưu vào thanh ghi ADCMEM0
Ngắt của ADC12 (thực hiện khi chuyển đổi
Chuyển dữxong)liệuthanh ghi sang
nhiệt độ thực tế Hiện thị LCD Gửi ra RS232 Hỡnh 5.14: L u đồ ch ơng trìn h chí nh
8 4
download by : skknchat@gmail.com
Khởi tạo ADC ( Set các thanh ghi ADC12MCTL0
, ADC12CTL1,ADCCTL0 ) Mở Vref ( Bit ADC12TL0.REFON) Ổn định điện ỏp đặt WDT đếm 0 Đó ổn định 1 BẬT ADC khởi động quỏ trỡnh chuyển đổi 0
Đó chuyển đổi xong
1
Hỡnh 5.15:L u đồ ch ơng trình chính 5.1.4 Thiết kế Giao diện máy tính
Phần mềm giao diện trên máy tính PC giao tiếp với mạch vi xử lý thông qua cổng truyền thông nối tiếp RS – 232.