Để thử nghiệm hệ thống luận văn chỉ thử nghiệm thiết kế kờnh đo thụng số nhiệt độ, cỏc kờnh đo thụng số khỏc cũng cú thể được tiến hành tương tự nhờ vào việc thiết kế mạch trờn PSoC
3.2.1. Cảm biến
Để đo nhiệt độ được chớnh xỏc, tất nhiờn cần cú một cảm biến đú là một cảm biến nhiệt độ cú nhiệm vụ chuyển đổi từ nhiệt độ qua tớn hiệu điện. Dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế ta dựng phương phỏp đo bằng IC bỏn dẫn đo nhiệt độ. Cỏc IC cảm biến nhiệt độ cú độ chớnh xỏc cao, dễ tỡm và giỏ thành rẻ. Một trong số đú là IC LM335, là loại thụng dụng trờn thị trường hiện nay, đồng thời nú cú những đặc tớnh làm việc phự hợp với thiết kế chi tiết của mạch.
3.2.1.1 Một số tớnh chất cơ bản của LM335:
LM335 cú điện ỏp đầu ra biến thiờn theo nhiệt độ: 10mV / 1oC.
Độ chớnh xỏc cao, tớnh năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25oC nú cú sai
số khụng quỏ 1%. Với khoảng đo từ -50oC – 200oC, tớn hiệu ra tuyến tớnh với những thay đổi của tớn hiệu vào.
Thụng số kỹ thuật:
• Tiờu tỏn cụng suất thấp.
• Dũng làm việc từ 400àA – 5mA. • Dũng ngược 15mA.
• Dũng thuận 10mA.
• Độ chớnh xỏc: khi làm việc ở nhiệt độ 25oC với dũng làm việc 1mA thỡ điện ỏp ra từ 2,94V – 3,04V.
Đặc tớnh điện:
Theo thụng số của nhà sản xuất LM335, quan hệ giữa nhiệt độ và điện ỏp ra như
sau: Vout = 0,01ìToK
= 2,73 + 0,01ToC.
Vậy ứng với khoảng hoạt động từ 0oC – 100oC ta cú sự biến thiờn điện ỏp ra là: ở 0oC thỡ điện ỏp ngừ ra Vout = 2,73 (V).
Nguyễn Quang Huy 53
……………………………….
ở 100oC thỡ điện ỏp ngừ ra Vout = 3,73 (V).
Khoảng biến thiờn điện ỏp tương ứng với nhiệt độ từ 0oC - 100oC là 1V.
3.2.1.2 Thiết kế cụ thể mạch cảm biến dựng LM335:
• Sơ đồ mạch :
Hỡnh 23: Sơ đồ mạch cảm biến LM335
• Tớnh toỏn và chọn linh kiện:
Ta cú: 400àA < IR < 5mA. 400àA < R V0 5− < 5 mA mA V 5 5− 0 < R < A V à 400 5− 0 Vỡ: 2,73V ≤ Vo ≤ 3,73 Nờn: 254 < R < 5,7 k (1)
Mặt khỏc, theo thụng số của nhà sản xuất điện ỏp trờn LM335 tại Tc = 25oC, IR = 1mA thỡ Vo = 2,98 (V), ta cú: 400àA < R 98 , 2 5− < 5mA (2) Từ (1) và (2): chọn R = 1 kΩ chọn biến trở chỉnh offset VR = 10 kΩ.
Khi chạy mạch lần đầu, ta cần dựng biến trở để điều chỉnh sao cho giỏ trị nhiệt độ đo được chuẩn về nhiệt đú hiện tại.
Cỏc lần chạy sau khụng cần tinh chỉnh.
Vout
VR +5V
Nguyễn Quang Huy 54
3.2.2. Cỏc khối chức năng PSoC sử dụng cho thiết kế
Cỏc đặc điểm chớnh của PSoC đú là việc cấu hỡnh linh hoạt và tuỳ biến, với mỗi ứng dụng khỏc nhau ta cú thể lập trỡnh để PSoC cú cỏc khối chức năng khỏc nhau. Trong thiết kế này, cỏc khối chức năng trong hệ thống như MUX, khuếch đại, ADC, vi điều khiển,… đều được sử dụng và cấu hỡnh trong 1 chip PSoC duy nhất. Điều này tạo nờn ưu điểm về kớch thước nhỏ gọn cho mạch thu thập, điều khiển và linh hoạt trong việc phỏt triển thờm cỏc cảm biến bờn ngoài (khi thờm hay bớt cỏc tớn hiệu cảm biến, ta chỉ cần lập trỡnh lại PSoC mà khụng cần thay đổi nhiều mạch cứng bờn ngoài).
3.2.2.1 Khối chọn kờnh MUX
Trong PSoC cú hỗ trợ bộ chọn kờnh AMUX4 cú đặc điểm:
• Cú thể lập trỡnh lựa chọn 1 trong 4 đầu vào tương tự
• Cú trở khỏng đầu vào cao
Khối này cú nhiệm vụ lần lượt chọn 1 trong 4 đầu vào tương tự ứng với cỏc tớn hiệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ỏp suất, ỏnh sỏng.
3.2.2.2 Khối khuếch đại
Tớn hiệu sau khi qua bộ chọn kờnh MUX được đưa đến khối khuyếch đại. Do đặc điểm của cỏc tớn hiệu cảm biến là khỏc nhau nờn hệ số khuếch đại cần thiết ứng với mỗi tớn hiệu là khỏc nhau, vỡ vậy cần chọn bộ khuếch đại cú khả năng lập trỡnh thay đổi hệ số khuếch đại. Một giải phỏp phự hợp đú là sử dụng bộ khuếch đại khụng đảo PGA -
Programmable Gain Amplifier
• Độ khuếch đại cú thể lập trỡnh với 33 cấp, độ khuếch đại tối đa là 48
• Một đầu ra đơn với điện ỏp tham chiếu cú thể lựa chọn
• Trở khỏng đầu vào cao
Module PGA là một module dựa trờn bộ khuếch đại khụng đảo, với hệ số khuếch đại cú thể lập trỡnh được. Bộ khuếch đại này cú trở khỏng đầu vào cao, băng thụng rộng và điện ỏp tham chiếu cú thể lựa chọn được. Trong thiết kế này, với việc lựa chọn bộ
khuếchđại PGA, ta khụng cần phải thay đổimạch cứng bờn ngoài khi thay đổi cảm biến, mà tuỳ thuộc vào từng loại cảm biến khỏc nhau mà ta cú thể lập trỡnh hệ số khuyếch đại
cho phự hợp.
3.2.2.3 Khối chuyển đổi tương tự số - ADC
Tớn hiệu cảm biến sau khi được khuếch đại để phự hợp với dải đầu vào của ADC được đưa vào ADC để chuyển đổi sang dạng số. PSoC cú hỗ trợ cỏc loại ADC khỏc nhau,
tuỳ vào từng ứng dụng ta cú thể chọn cỏc ADC cú độ phõn giải, tốc độ lấy mẫu khỏc
nhau. Với ứng dụng này, tốc độ lấy mẫu và độ phõn giải khụng cần lớn, ta cú thể lựa
chọn khối ADCINC12 (12 bit Incremental ADC) với đặc điểm:
Nguyễn Quang Huy 55
• Tốc độ lấy mẫu: 7,8 ữ 480 mẫu/giõy
• Dải đầu vào: AGND ± Vref
• Xung nhịp bờn trong hoặc bờn ngoài
ADCINC12 là một bộ ADC kiểu tớch phõn. ADCINC12 là bộ biến đổi A/D 12 bit, bự 2 toàn dải (dải đếm từ –2048 ữ 2047) với nhiều dải đầu vào cú thể chọn lựa. Dải điện ỏp đầu vào cú thể được đo bằng cỏch tạo ra những điện ỏp tham chiếu và “đất” của
Analog chớnh xỏc. Trong thiết kế này, do tốc độ biến thiờn cỏc tớn hiệu cảm biến mụi trường là khụng lớn nờn ta chỉ cần chọn tốcđộ lấy mẫu là 40 mẫu/s.
3.2.2.4 Bộ truyền thụng khụng đồng bộ UART
Ta sử dụng bộ truyền thụng UART để truyền dữ liệu đo được cũng như trạng thỏi thiết bị điều khiển về mỏy tớnh thụng qua mụ đun chuyển đổi RS232 Bluetooth. Dữ liệu được định dạng là 8 bit dữ liệu, 1 bit stop, khụng sử dụng Parity bit và tốcđộ truyền
là 9600 bps.
• Khối UART trong PSoC cú những đặc điểm chớnh sau:
• Bộ nhận và truyền tớn hiệu khụng đồng bộ
• Định dạng dữ liệu tương thớch với định dạng dữ liệu RS-232
• Khung dữ liệu bao gồm bit Start, bit chẵn lẻ (tuỳ chọn) và cỏc bit Stop
• Ngắt khi thanh ghi nhận đầy (tuỳ chọn) hoặc là khi bộ đệm truyền rỗng Module UART được xõy dựng bởi hai module TX và RX cựng với một số thư viện hỗ trợ cho việc truyền thụng, vỡ vậy module TX và RX cú thểđược sử dụng riờng.
3.2.3. Khối điều khiển LCD
Module LCD là một tập thư viện cỏc chương trỡnh con để ghi cỏc xõu ký tự và định dạng cỏc sốtheo một chuẩn chung hai hoặc bốn hàng, cỏc thanh đồ họa ngang hoặc dọc được hỗ trợ bằng cỏch sử dụng những đặc điểm đồ họa hay ký tự của Module LCD này. Thư viện này sử dụng chế độ giao diện 4-bit để tiết kiệm cỏc chõn vào ra cho chớp.
Khối chức năng này được dựng để giao tiếp với LCD bờn ngoài với mục đớch hiển thị giỏ
trị đo được cũng như trạng thỏi hoạt động của thiết bị điều khiển.
3.2.3.1 Khối điều
chế độ rộng
Nguyễn Quang Huy 56
Sử dụng khối PWM để thực hiện việc cảnh bỏo dựa vào giỏ trị đầu vào cảm biến.
Khối PWM trong PSoC cú cỏc đặc điểm sau:
• Bộ điều chế độ rộng xung 8 bit hoặc 16 bit sử dụng 1 hoặc 2 khối số
• Nguồn xung nhịp cú thể lờn tới 48MHz
• Tự động nạp lại giỏ trị điều chế khi kết thỳc một chu kỳ điều chế xung.
• Cú thể lập trỡnh độ rộng xung
• Mở và khúa ngắt ngay cả khi bộ điều chế đang hoạt động
• Ngắt cú thể lựa chọn theo sườn dương của đầu ra hoặc theo giỏ trị đếm cuối
• Đầu vào xung nhịp và đầu vào cho phộp cú thể được lựa chọn từ nhiều nguồn khỏc nhau
• Đầu ra cú thể được nối tới một chõn vào ra hoặc được sử dụng nội bộ bờn
trong chớp PSoC.
3.2.3.2 Hiển thị LCD 16x2
Với mục đớch thiết kế mạch thu thập và điều khiểnvừa cú khả năng giao tiếp với
server lại vừa cú khả năng hoạt động độc lập, mạch được tớch hợp một LCD để hiển thị
thụng tin về giỏ trị cảm biến đo được, đồng thời hiển thị trạng thỏi hiện tại của thiết bị điều khiển.
Hỡnh 24: LCD 16x2
LCD sẽ cú 16 chõn tớn hiệu vào, bao gồm 2 chõn cấp nguồn cho LCD, 2 chõn cấp nguồn cho đốn, 12 chõn tớn hiệu (trong đú cú 8 chõn dữ liệu).
Nguyễn Quang Huy 57
Hỡnh 25: Chức năng cỏc chõn của LCD charracter 16x2
3.2.4. Bộ điều khiển đường truyền MAX232
Hỡnh 26: Chip Max232 của hóng Maxim
Chức năng của MAX232 là chuyển đổi tớn hiệu đầu ra bộ UART cú mức điện ỏp
TTL của PSoC thành tớn hiệu tương ứng cú mức điện ỏp chuẩn RS232 trước khi đưa vào
đầu vào của mụ đun RS232Bluetooth để truyền đi.