THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỐI CHUYỂN ĐỔI VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN TỪ ĐẦU ĐO PHỤC VỤ ĐIỂM ĐO CẢM NHẬN MÔI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





PHÙNG CÔNG PHI KHANH




THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỐI CHUYỂN ĐỔI VÀ XỬ LÝ
THÔNG TIN TỪ ĐẦU ĐO PHỤC VỤ ĐIỂM ĐO CẢM NHẬN
MÔI TRƯỜNG





LUẬN VĂN THẠC SĨ







Hà Nội - 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



PHÙNG CÔNG PHI KHANH



THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỐI CHUYỂN ĐỔI VÀ XỬ LÝ
THÔNG TIN TỪ ĐẦU ĐO PHỤC VỤ ĐIỂM ĐO CẢM NHẬN
MÔI TRƯỜNG


Chuyên ngành : Kĩ thuật vô tuyến điện tử & Thông tin liên lạc
Mã số : 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ




Người hướng dẫn khoa học
PGS. TS. VƯƠNG ĐẠO VY




Hà Nội - 2005
LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Vương Đạo Vy, người
đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả giúp tôi hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các bạn thuộc Khoa kĩ thuật vô tuyến
điện tử và thông tin liên lạc Trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà
Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tậ
p và thực hiện đề tài.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình cùng anh em bè bạn, những người
đã luôn động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn.

Hà Nội, tháng 6 năm 2005
Tác giả


Phùng Công Phi Khanh


1
MỞ ĐẦU
Mạng cảm nhận không dây nhằm đo thông số môi trường hiện nay đang
được nghiên cứu và có xu hướng phát triển rộng khắp, bởi nó mang lại lợi
ích về nhiều phương diện cho con người. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các
mạng cảm nhận không dây để đo thông số môi trường ở những nơi như:
nhà kho, hầm mỏ, phân xưởng, viện bảo tàng, bệnh viện…, ph
ục vụ trong
các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, y tế…, mang lại hiệu quả cao và
mở ra những ý nghĩa mới trong đo đạc giám sát và cảnh báo.
Đề tài luận văn đi vào nghiên cứu:

“Thiết kế chế tạo khối chuyển đổi và xử lý thông tin từ đầu đo phục vụ
điểm đo cảm nhận môi trường”.
Mục tiêu cụ thể của đề tài là:
- Nghiên cứu một lo
ại đầu đo.
- Thiết kế và chế tạo khối chuyển đổi và xử lý dữ liệu cho đầu đo.
- Truyền nhận dữ liệu không dây và hiển thị trên máy tính.
Đây là bước cơ bản tiến tới xây dựng nút mạng cảm nhận môi trường nói
riêng và có thể có ích cho nhiều ứng dụng khác nói chung.
Kết cấu luận văn bao gồm năm chương.
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Chươ
ng 2 : Chức năng và hoạt động của các modul.
Chương 3 : Thiết kế và chế tạo hệ thống.
Chương 4 : Thiết kế phần mềm.
Chương 5 : Thử nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả.





2
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Sơ đồ khối thiết kế
Với mục đích thiết kế chế tạo khối chuyển đổi và xử lý thông tin từ
đầu đo phục vụ điểm đo cảm nhận môi trường như trên, chúng tôi xây
dựng sơ đồ khối làm việc của nó như hình 1.

Hình 1: Sơ đồ khối.
Chú thích : Đường truyền vô tuyến.

Đường truyền hữu tuyến.
Sơ đồ bao gồm khối cảm nhận làm nhiệm vụ thu nhận các thông số
môi trường và đưa đến khối xử lý. Khối xử lý có nhiệm vụ điều khiển hoạt
động của các khối khác, đồng thời xử lý dữ liệu để thuận tiện cho việc
truyền và nhận dữ liệu. Khối phát thông tin tiế
p nhận dữ liệu từ khối xử lý
và truyền không dây đến nơi thu. Nơi thu sau khi nhận dữ liệu sẽ truyền
vào máy tính để hoàn tất công việc và hiển thị.
1.2 Khối cảm nhận
Khối cảm nhận của mạng cảm nhận môi trường bao gồm các sensor
và các mạch điện đi kèm thực hiện việc đo
các thông số môi trường khác nhau. Trong
luận văn này khối cảm nhậ
n môi trường là
modul sensor MS5535, hình dáng bên ngoài
được thể hiện ở hình 2. MS5535 là một
modul sensor tích hợp dạng MEMS phù hợp
với mục đích xây dựng điểm đo trong nghiên cứu của đề tài.
khối
cảm
nhận
khối
xử lý
thông tin
khối
phát
thông tin
khối
thu
thông tin

Máy
tính

Hình 2: Hình dáng MS5535.


3
1.3 Khối xử lý thông tin
Khối xử lý có nhiệm vụ điều khiển hoạt động các khối khác và thu
nhận xử lý các thông tin. Khối này thường là các vi điều khiển hoặc các bộ
vi xử lý. Với điều kiện thực tiễn và mục tiêu đề tài, chúng tôi chọn sử dụng
vi điều khiển 89C52 với hình dáng bên
ngoài chỉ ra trên hình 3. Vi điều khiển
89C52 có đầy đủ thông số kĩ thuật cần
thiết cho nghiên cứu của đề tài, đặc biệt
là 89C52 thông dụng trên thị trường
nên thuận lợi cho việc lắp ráp và thử
nghiệm.
1.4 Khối phát và thu dữ liệu
Điểm đo cảm nhận môi trường thường cơ động linh hoạt vì vậy phương
pháp thu nhận dữ liệu không dây là thích hợp. Do đó khối thu phát dữ liệu
đưa vào điểm đo cảm nhận môi trường là cần thiết. Trong s
ơ đồ hình 1
khối phát và thu dữ liệu có nhiệm vụ liên kết điểm đo với nơi thu nhận kết
quả đo, khối này nhận dữ liệu từ
khối xử lý rồi truyền không dây
đến nơi thu. Việc thu phát vô
tuyến ngày nay rất phổ biến đem
lại thuận tiện cho người sử dụng.
Trong luận văn này chúng tôi sử

dụng cặp thu phát số : TX2-433-160-5V và RX2-433-160-5V hình dáng
bên ngoài củ
a các vi mạch này thể hiện ở hình 4. TX2 và RX2 là một cặp
thu phát trong dải UHF. TX2 và RX2 đã được kiểm tra là làm theo chuẩn
truyền thông.



Hình 3: Hình dáng 89C52.

Hình 4: Hình dáng của TX2 và RX2.


4
Chương 2: CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC MODUL
2.1 Modul MS5535
♦ Khái quát về MS5535
MS5535 là một thiết bị dạng MEMS, tích hợp một sensor áp suất và
một sensor nhiệt độ kết hợp với IC giao diện và ADC. Cung cấp một từ 16
bít dữ liệu mang thông tin áp suất và 16 bít dữ liệu mang thông tin nhiệt
độ.
Modul sensor MS5535 với các đặc điểm cơ bản:
- Là sensor nhiệt độ và áp suất được tích hợp cùng nhau.
- Dải nhiệt độ làm việc t
ừ - 40
0
C đến + 60
0
C.
- Dải áp suất có thể đo từ 0 đến 14 bar (200PSI).

- Độ phân giải 15 bít ADC.
- 6 hệ số on-chip sử dụng cho bù giá trị áp suất và nhiệt độ.
- Giao diện nối tiếp 3 dây.
- Hệ thống xung đồng hồ (32,768KHz).
- Điện áp thấp từ 2,2v đến 3,6v.
- Kích thước nhỏ (9x9x5,5mm
3
).
- Không phụ thuộc thành phần bên ngoài.
- Dễ kết nối với máy tính và các thiết bị quan sát.
♦ Cấu tạo bên trong của MS5535.
Sơ đồ khối cấu tạo của MS5535 được thể hiện trên hình 5.
Từ sơ đồ khối ta có thể thấy modul MS5535 phần cảm nhận là sensor áp
suất và sensor nhiệt độ. Ở đây modul có chức năng đo áp suất, có thể
không dùng giá trị nhiệt độ nhưng vẫn phải
đo nhiệt độ, vì giá trị áp suất
phụ thuộc vào nhiệt độ nên cần đo nhiệt độ để tính toán hệ số bù cho giá trị
áp suất. Một bộ chọn kênh được dùng để lựa chọn giá trị đưa vào ADC là


5
áp suất hay nhiệt độ. Một bộ chuyển đổi dữ liệu từ tương tự thành số, IC
giao diện và bộ nhớ 64 bít dùng để lưu các hệ số bù tính toán cho nhiệt độ
và áp suất của modul.
Các giá trị bù này được chuẩn hoá từ nhà máy dưới dạng 6 hệ số chia
ra làm bốn từ lưu trong bộ nhớ PROM 64 bít. Mỗi MS5535 sẽ có các hệ số
bù cho nó để sau khi tính toán kết quả ra là giá trị áp suất và giá trị nhiệ
t
độ đúng mà không cần phải so sánh lại với một thiết bị chuẩn nào
Chuyển đổi đo áp suất cũng như đo nhiệt độ được bắt đầu bởi một

điều khiển từ giao diện nối tiếp của MS5535. Bình thường MS5535 ở chế
độ chờ khi có yêu cầu đo áp suất hay nhiệt độ thì cảm biến áp suất hay
nhiệt độ tương ứng s
ẽ được đóng mạch và thông tin được đưa đến ADC.
Nhờ ADC tín hiệu được số hoá để thông qua IC giao diện giao tiếp với
mạch điện bên ngoài. Thời gian chuyển đổi của ADC khoảng 2ms, sau khi
chuyển đổi xong cảm biến được tắt để tiết kiệm năng lượng của nguồn.
Đối với bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số AD-converter cho độ phân
giải áp suất là 15 bít, thờ
i gian chuyển đổi cực đại là 35 ms. Sai số giới hạn

Hình 5: Sơ đồ khối của MS5535.


6
bởi phi tuyến của ADC cực tiểu là ±2 LSB (bít có giá trị nhỏ nhất), cực đại
là ±7 LSB. Dải ra của ADC từ số đếm 5000 đến 37000, vì vậy lối ra là một
từ 16 bít.
Thông tin về nhiệt độ trong một số ứng dụng có thể không sử dụng
nhưng nó cần thiết cho phép bù nhiệt độ với lối ra của áp suất. Khoảng sai
số nhiệt độ từ – 0,8
0
C đến + 0,8
0
C xét ở nhiệt độ 25
0
C với hệ số bù cung
cấp bởi modul MS5535 lưu trữ trong IC giao diện. Độ phân giải nhiệt độ
trong khoảng 0.005
0

C đến 0.015
0
C. Sai số theo nguồn cực đại khoảng –
0,3
0
C/V đến + 0,3
0
C/V với nguồn cung cấp trong khoảng 2,2 V đến 3,6 V
♦ Giá trị bù nhiệt độ và áp suất của nhà máy
Điện áp ra của một sensor áp suất phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và
cách tác động, nên cần thiết phải bù cho các tác động đó. MS5535 đã có
giải pháp bù. Thủ tục bù này được thực hiện bởi phần mềm sử dụng vi
điều khiển bên ngoài. Thủ tục được viết thông thường có thể sử d
ụng và
chương trình hoá.
MS5535 được chuẩn hoá ở hai nhiệt độ T
1
= 10
0
C và T
2
=35
0
C, và hai
áp suất P
1
=1000 mbar và P
2
=6000 mbar. MS5535 mang 64 bít bộ nhớ
PROM, được chia nhỏ thành 4 WORD (từ) 16 bít gọi là: WORD1,

WORD2, WORD3, WORD4, nó lưu trữ thông tin bù dưới dạng 6 hệ số
C1, C2, C3, C4, C5, C6 được tách ra từ 4 WORD nói trên.
♦ Đo áp suất và nhiệt độ
Quy trình nối tiếp đọc áp suất và nhiệt độ cũng như đọc phần mềm bù
được mô tả như hình 7. Đầu tiên các word (word1, word2, word3, word4 )
được đọc thông qua giao diện nối tiếp. Các word có thể được đọc một lần
sau khi reset vi điều khiển. Sau đ
ó các hệ số bù từ C
1
đến C6 được tách ra.



7

Hình 7: Biểu đồ thu giá trị áp suất và nhiệt độ.
Đọc giữ liệu bù từ PROM của MS5535.
WORD
1,
WORD
2,
WORD
3,
WORD
4
(4x16 Bít)
Khởi tạo
Chuyển dữ liệu bù ra 6 hệ số.
C
1
= Độ nhạy áp suất (13Bít)
C
2
= Bù áp suất (13Bít)
C
3

= Hệ số nhiệt độ của nhạy nhiệt độ (10Bít)
C
4
= Hệ số nhiệt độ của bù áp suất (9Bít)
C
5
= Nhiệt độ so sánh (12Bít)
C
6
= Hệ số nhiệt độ của nhiệt độ (7Bít)
Đọc giá trị áp suất D
1
(16 Bít) từ MS5535.
Đọc giá trị nhiệt độ D
2
(16 Bít) từ MS5535.
Tính toán nhiệt độ bù áp suất và nhiệt độ.
Khác nhau giữa nhiệt độ thật và nhiệt độ so sánh.
dt=D
2
- (8*C
5
+ 10000)
Bù cho nhiệt độ thực.
OFF= C
2
+ (C
4
- 250)*dt/2
12

+10000
Độ nhậy với nhiệt độ thực.
SENS=C
1
/2 + (C
3
+200)*dt/2
13
+3000
Áp suất thực tính ra mbar.
P = SENS *(D
1
- OFF)/2
12
+1000
Nhiệt độ thực tính ra
0
C.
TEMP = (200 + dt*(C
6
+ 100)/2
11
)/10
Hiển thị giá trị áp suất và nhiệt độ


8
Để đo áp suất vi điều khiển phải đọc giá trị 16 bít thông tin áp suất
(D
1

) và 16 bít thông tin nhiệt độ (D
2
) cùng một giao diện nối tiếp. Sau đó
giá trị áp suất được tính ra từ D
1
, D
2
và C
1
đến C
6
theo công thức như
trong hình 7. Tất cả các tính toán có thể được thay đổi với 16 bít. Kết quả
lúc đó có thể dài 32 bít nhưng chỉ có 16 bít cao là đáng kể.
♦ Nguyên lý đo áp suất và nhiệt độ
Đo áp suất và nhiệt độ sử dụng chung một ADC. Để đo áp suất, điện
áp khác nhau từ sensor áp suất được chuyển đổi. Để đo nhiệt độ, điện áp từ
cầu điệ
n trở sensor được chuyển đổi.
Trong suốt thời gian đo sensor sẽ bật tắt trong một thời gian ngắn để
giảm tiêu thụ của nguồn. ADC được đánh giá là tuyến tính (giá trị số trong
dải từ 5000 đến 37000) cho tất cả các biến đổi của sensor.
♦ Giao diện nối tiếp
MS5535 truyền thông với vi sử lý và các hệ thống số khác thông qua
giao diện nối tiếp 3 dây. Chân SCLK (serial clock) dùng để làm hiệu lệnh
cho c
ả việc truyền và nhận dữ liệu trên các chân DIN và DOUT. Khi
truyền dữ liệu mỗi bít truyền rơi vào sườn lên của xung SCLK. Khi nhận
dữ liệu thi ngược lại với mỗi bít nhận rơi vào sườn xuống của xung SCLK.
Tín hiệu SCLK phát ra từ hệ thống vi xử lý. Tín hiệu DOUT (Data Out)

dùng làm hiệu lệnh cho tình trạng truyền dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu. Dữ
liệu số cung cấp bởi chân DOUT là kết qu
ả của sự chuyển đổi, và dữ liệu
phần mềm bù cho nhưng sai số của sensor. Lựa chọn dữ liệu ra phụ thuộc
dữ liệu định dạng của tín hiệu DIN.
2.2 Modul TX2 và RX2
♦ Modul phát tín hiệu TX2


9
TX2 làm việc với nguồn cung cấp thấp từ 2,2V đến 6V phát tín hiệu
cao tần trong dải UHF với tần số là 433,92MHz. TX2 được sản suất theo
chuẩn châu Âu EN 300 220-3, sử dụng và phát ra +9 dBm từ nguồn cung
cấp 5 V với dòng 12 mA. TX2 cho phép truyền với tốc độ lên tới 160
kbít/giây với khoảng cách lên tới 75m trong nhà và 300m ngoài trời. TX2
có kích thước nhỏ gọn 33x12x3,8 mm. Cấu tạo TX2 có sơ đồ khối như
hình 10.
TX2-433-160-5V bao gồm một lối vào dữ liệu số
đưa đến một bộ lọc
thông thấp 100KHz. Một bộ dao động nội ổn định và bộ điều chế SAW.
Tín hiệu đưa ra qua một bộ đệm và cuối cùng là bộ lọc thông dải 433 MHz
trước khi đưa ra anten.
♦ Modul thu tín hiệu RX2
Modul RX2 modul thu FM đổi tần hai lần có khả năng thu tín hiệu
lên tới 160kbps. Modul thu RX2 có kích thước 48x17,5x4,5 mm. Nó vận
hành ở nguồn cung cấp từ 3V đến 6V tiêu thụ dòng điện 14mA khi nhận
dữ liệu. RX2 tìm sóng mang nhanh (1ms). Cho phép tiết kiệm nguồn bằng
cách sử dụng nguồn ngắt mở. RX2 có độ nhạy là 107dBm, Kết hợp với bộ
lọc đầu và cuối SAW kết quả thực thi ở RF tốt .

Hình 10: Sơ đồ khối cấu tạo của TX2


10
Modul thu RX2 có sơ đồ khối cấu tạo như hình 12:
Cấu tạo bao gồm một lối vào RF, qua một bộ lọc thông dải 433 MHz đưa
đến một bộ khuếch đại tín hiệu. Tín hiệu sau khi được khuếch đại sẽ qua
bộ lọc băng thông SAW và đưa đến bộ trộn thứ nhất để ra tín hiệu trung
tần IF qua bộ trộn thứ hai được tín hiệu AF tín hiệu này được qua bộ lọc
thông th
ấp rồi đưa ra ngoài. Một đường tín hiệu đưa qua bộ tạo dữ liệu
thích nghi đưa ra dữ liệu số nơi phát.
2.3 Vi điều khiển 89C52
Vi điều khiển 89C52 thuộc họ vi
điều khiển 8051 của intel. Vi mạch
89C52 có các đặc trưng sau :
- 8KB ROM.
- 256 byte RAM.
- 4 port xuất nhập 8-bít.
- 3 Bộ định thời 16-bít.
- Mạch giao tiếp nối tiếp.
- Bộ xử lý bít.
- Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64k.
- Không gian nhớ
chương trình ngoài

Hình 12: Sơ đồ khối của RX2

Hình 17: Sơ đồ chân của 89C52

11
64k. Hình 17 cho ta sơ đồ chân của chíp 89C52.
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG
Để thực hiện đề tài chúng tôi thiết kế phần cứng thành hai modul gọi
là modul 1 và modul 2. Modul 1 bao gồm khối cảm nhận, khối xử lý, khối
nguồn và khối phát thông tin. Modul 2 bao gồm khối thu thông tin, nguồn
nuôi, và thiết bị ghép nối với máy vi tính.
3.1 Thiết kế chế tạo modul 1
Ở đây MS5535 sử dụng nguồn 3 V còn vi điều khiển s
ử dụng nguồn
5V. Như vậy có hai giá trị điện áp nguồn khác nhau. Để đơn giản và phù
hợp với ý tưởng mạng cảm nhận không dây, chúng tôi dùng nguồn pin 9 V
và sử dụng hai bộ ổn áp 5 V và 3 V tạo ra giá trị nguồn 5 V cho vi điều
khiển 89C52 và TX2 và 3 V cho modul MS5535 như chỉ ra ở hình 24.

Hình 24: Sơ đồ phần nguồn.
Vi điều khiển 89C52 hoạt động với các mức logic vào ra với mức
cao là từ 2,8 V đến 5 V, và mức thấp là từ 0 V đến 2,4 V. Với MS5535
như trên thì làm việc với mức cao là 2,4 V đến 3 V (từ 80%Vcc đến
100%Vcc) và mức thấp là từ 0 V đến 0,6 V (từ 0 đến 20%Vcc). Với mức
thấp thì việc ghép nối giữa vi điều khiển với MS5535 không có khó khăn,
nhưng với mức cao thì không phù hợp. Vi điều khiển 89C52 có port 0
không có
điện trở treo lên nguồn nên có thể sử dụng port này với trở bên
ngoài 5K1 treo lên nguồn 3V. Để dễ dàng cho việc lắp mạch chúng tôi

Pin 9V
Lọc
ổn áp 5V

Lọc ổn áp 3V
Lọc


12
chọn chân 2, 3, 4, 5 của MS5535 tương ứng với P0.2, P0.3, P0.4, P0.5 của
vi điều khiển (còn chân 1 nối mát và chân 6 nối với nguồn 3V).
Với vi điều khiển 89C52 chúng tôi sử dụng dao động thạch anh 11,0592
MHz sự lựa chọn này sẽ thuận lợi cho việc chuyền thông qua port nối tiếp.

Chú thích: R1=5k1Ω, R2=10kΩ, R3=100Ω, C1=10µF, C2=C3=33PF,
y=11,0592MHz.
Ghép nối giữa khối xử lý và khối phát thông tin. Ở đây khá thuận lợi
vì chúng sử dụng chung nguồn 5V. Modul TX2-433-160-5V là d
ạng
modul tương thích với vi điều khiển. Sơ đồ ghép nối của vi điều khiển
89C52 với MS5535 và TX2 trên hình 25.
3.2 Thiết kế chế tạo modul 2
Tín hiệu được thu từ anten vào RX2, sau đó đưa ra dữ liệu số ở chân
6. Để giao tiếp với máy tính qua cổng COM chúng tôi sử dụng IC
MAX232. RX2 và MAX232 sử dụng nguồn 5V nên chúng tôi sử dụng
nguồn 5V tạo ra bằng cách ổn áp 5V từ pin 9V.
Mạch điện modul 2 đượ
c vẽ trên hình 26 .


MS
5535

89C52




TX2
5V
3V
5V
R2
R3
4 R1
6
5
4
3
2
1
P0.5
P0.4
P0.3
P0.2
9
18
19
40 31
11
20
5

2
4
1
3
C1
C2
C3
y
Reset

Hình 25: Sơ đồ mạch điện modul 1


13

Chương 4: THIẾT KẾT PHẦN MỀM
4.1 Khái quát các phần mềm cho hệ thống.
Từ mục đích đề tài và thiết kế phần cứng, ta có hai phần mềm
cần thiết kế để mạch điện làm việc là:
- Lập trình phần mềm nhúng cho vi điều khiển 89C52
Phần mềm để 89C52 giao tiếp với MS5535 điều khiển và thu dữ liệu từ
MS5535, xử lý dữ liệ
u và truyền đến TX2 qua port nối tiếp.
- Phần mềm lập trình trên máy vi tính để đọc dữ liệu từ cổng COM
xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả ra màn hình.
Để thu được giá trị áp suất và nhiệt độ cần phải sử dụng biểu đồ thu
áp suất, nhiệt độ hình 7. Các giá trị WORD1, WORD2, WORD3, WORT4
mang thông tin về các hệ số bù được chuẩn hoá của nhà máy, nên không
thay đổi giá trị, chỉ có D1, D2 là thay đổi theo nhiệt độ
và áp suất. Khi đó

Hình 26: Sơ đồ mạch điện modul 2

Chú thích: T =A564, C1=C2=C=C4=1µF, R=10k

Pin 9V
Lọc
ổn áp 5V
Lọc

RX2




MAX232
PC
1
2
4
6
5
3
T
R
C1
C2
C3
C4
1
3
4
5
10
16
15
6
7

2
5V


14
chỉ cần đọc một lần các giá trị WORD1, WORD2, WORD3, WORD4 còn
các giá trị D1, D2 thì đọc liên tục trước mỗi lần hiển thị. Để thuận tiện, cần
đọc giá trị WORD1, WORD2, WORD3, WORD4 rồi tính các hệ số C1,
C2, C3, C4, C5, C6 sau đó lưu vào máy tính .
Máy tính đọc các giá trị D1, D2 từ modul 2 qua cổng com, tính toán
D1, D2 với 6 hệ số C1, C2, C3, C4, C5, C6 để thu các giá trị nhiệt độ và
áp suất và hiển thị kết quả lên màn hình.
Vi điều khiển làm nhiệm vụ đọc giá tr
ị D1, D2 đưa ra port nối tiếp.
Để dữ liệu thu được chính xác phải gửi dữ liệu theo từng khung.
Giao thức truyền nhận dữ liệu theo khung được định dạng như sau:
Start Data End
Trong đó :
Tên nhóm byte Số lượng (byte) Chú thích
Start 1 Nhóm byte bắt đầu của frame
Data 4 Nhóm byte dữ liệu D1 và D2
End 1 Nhóm byte kết thúc của frame
4.2 Phần mềm nhúng cho vi điều khiển.
Trong phần cứng cho thấy chân 2, 3, 4, 5 của MS5535 nối với P0.2,
P0.3, P0.4, P0.5 nên phần mềm lập trình cho vi điều khiển có các nhiệm vụ:
- Tạo ra tần số MCLK ổn định cho MS5535, tần số này đưa ra trên
chân P0.5. Tần số MCLK của MS5535 nằm trong dải từ 30 KHz đến 35
KHz. Mạch vi
điều khiển 89C52 làn việc với dao động thạch anh là
11,0592 MHz nên chọn tần số 32,914 KHz có được bằng cách dùng bộ

định thời 0 ở chế độ tự nạp lại 8 bít với giá trị nạp cho bộ định thời là –14.
- Khởi động port nối tiếp của vi điều khiển 89C52 với tốc độ 9600
baund, tốc độ này có được bằng cách đặt bộ định thời 1 ở chế độ n
ạp lại 8


15
bít với giá trị nạp là –3.
- Tạo chuỗi xung reset P0.4 để reset MS5535, xung reset được dùng
đến trước mỗi lần điều khiển MS5535 để đọc dữ liệu.
- Tạo ra các chuỗi xung trên chân P0.4 điều khiển MS5535 và thu giá
trị trên chân P0.3 (nối với chân DOUT của MS5535).
- Truyền các gói tin ra port nối tiếp theo định dạng đã thiết kế.
Sơ đồ thuật toán của nó như hình 28. Phần mềm nhúng cho vi điều
khiển được viết b
ằng hợp ngữ.

Hình 28 Sơ đồ thuật toán phần mềm nhúng cho vi điều khiển.
khởi tạo
- Tạo tần số MCLK cho MS5535
- Khởi động port tốc độ 9600 baund
- Gọi xung Reset MS5535
- Tạo xung SCLK thu giá trị D1
- Đọc giá trị D1 vào vi điều khiển
- Gọi xung reset MS5535
- Tạo xung SCLK thu giá trị D2
- Đọc giá trị D2 vào vi điều khiển
Truyền giá trị D1 và D2 ra port nối tiếp
theo khung đã được định dạng


16
4.3 Lập trình cho máy vi tính
Ở máy vi tính có nhiệm vụ thu nhận các gói tin từ cổng COM rồi tính
ra các giá trị nhiệt độ áp suất hiển thị ra màn hình. Phần mềm được viết
bằng ngôn ngữ Visual Basic. Chúng tôi chọn ngôn ngữ này để đơn giản
trong thiết kế. Phần mềm phải thực hiện được những mục đích sau:
- Điều khiển thu nhận dữ liệu từ cổng COM máy vi tính
- Đọc gói tin và kiểm tra gói tin.
- Tách thông tin từ gói tin và th
ực hiện tính toán các giá trị D1, D2
với các hệ số để thu được giá trị nhiệt độ và áp suất.
- Hiển thị giá trị nhiệt độ và áp suất ra màn hình.
Phần mềm cho máy vi tính thực hiện các mục đích trên có sơ đồ

thuật toán như hình 29.













Hình 29: Sơ đồ thuật toán phần mềm nhận và xử lí dữ liệu trên máy tính
Khởi tạo
Khởi động port nối tiếp ở chế độ
nhận với tốc độ 9600 baund
- Đọc giá trị của port theo các khung truyền
- Kiểm tra lỗi của khung truyền
- Tách tín hiệu D1 và D2 ra khỏi khung
Tính toán D1 và D2 với các hệ số
C1, C2, C3, C4, C5, C6 để thu được
giá trị áp suất và nhiệt độ.
Hiển thị giá trị áp suất và nhiệt độ.


17
Chương 5. THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

5.1 Tổ chức thử nghiệm
Để thử nghiệm hệ thống có nhiều cách. Do không có điều kiện thử
nghiệm với các thiết bị chính xác cao nên chúng tôi đã thử nghiện với thí
nghiệm như hình 31.
Thử nghiệm bao gồm modul
MS5535 đặt trong một bình không
khí cách li với bên ngoài. MS5535
nối ra modul 1 bên ngoài. Bình
không khí được nối ra ngoài với
một ống nướ
c và thông với khí trời.
Lúc này áp suất trong bình không
khí nơi đặt modul MS5535 sẽ bằng
áp suất tại mặt nước trong bình
không khí và tỉ lệ với áp suất của
cột nước h. Khi chiều cao h của cột nước thay đổi thì áp suất trong ống nơi
đặt MS5535 cũng thay đổi theo. Nhờ vậy ta có thể có được các giá trị áp
suất khác nhau. Thử nghiệm việc thay đổi chiều cao của cột nước h thực
hiện bằng việ
c đưa ống nước lên cao hay hạ thấp xuống trong khi bình
không khí vẫn để cố định.
5.2 Cách tính toán thông số áp suất.
Từ sơ đồ này ta thấy áp suất nơi đặt MS5535 sẽ là:
P
ss
± 2α/R = P
kq
+ P
n
± 2α/R

0
P
ss
là áp suất trong bình không khí nơi đặt modul sensor MS5535.
R
0
là bán kính của ống bên ngoài.

Modul 1
h
MS5535
P
kq
P
ss


Hình 31: Sơ đồ thử nghiệm


18
R là bán kính của bình không khí.
P
kq
là áp suất khí quyển bên ngoài.
P
n
là áp suất của cột nước.
α = 0,073 là hệ số căng mặt ngoài của nước. Giá trị 2α/R và 2α/R
0

là sức
căng mặt ngoài của nước trong bình không khí và trong ống bên ngoài, vì
α rất nhỏ và R,R
0
lớn nên ta bỏ qua tác động này. Khi đó ta có:
P
ss
= P
kq
+ P
n
Áp suất P
kq
là áp suất đo được bên ngoài của bình không khí (áp suất
khí quyển) tại thời điểm thử nghiệm và coi như không đổi trong suốt quá
trình thử nghiệm.
P
n
là áp suất của cột nước: P
n
= D.g.h
D = 1000kg/m
3
là khối lượng riêng của nước.
g = 10m/s
2
Là gia tốc rơi tự do.
h là chiều cao cột nước.
Nếu h lấy đơn vị là m thì áp suất P
n

sẽ là:
P
n
= D.g.h (N/m
2
) = 10
4
.h (N/m
2
) = 100.h (mbar)
Nếu h lấy đơn vị là mm thì ta có
P
ss
= h/10 + P
kq
(mbar).
5.3 Kết quả của thử nghiệm.
Với những giả thiết và tính toán trên. Chúng tôi đã tiến hành đo và
thu được những kết quả sau. những kết quả này một số là kết quả chính
xác, nhưng một số kết quả là trung bình của vài phép đo.
P
kq
= 1018 mbar (áp suất không khí lý thuyết là 1013 mbar tại mức mặt
biển).
P
lt
= Áp suất theo tính toán lý thuyết: P
lt
= h/10 +1018 (mbar)
P

tn
= Áp suất theo thực nghiệm đo được.


19
STT Chiều cao h
(mm)
P
lt
(mbar) P
tn
(mbar) Sai số (P
tn
-
P
lt
)
1 250 1043 1046 +3
2 350 1053 1055 +2
3 450 1063 1064 +1
4 550 1073 1074 +1
5 650 1083 1083 0
6 750 1093 1092 -1
7 850 1103 1102 -1
8 950 1113 1112 -1
9 1050 1123 1122 -1
10 1150 1133 1134 +1
11 1250 1143 1141 -2
12 1350 1153 1150 -3
13 1450 1163 1158 -5

14 1550 1173 1168 -5
15 1650 1183 1179 -4
16 1750 1193 1189 -4
17 1850 1203 1197 -4
18 1950 1213 1208 -5
19 2050 1223 1218 -5
20 2150 1233 1225 -8
21 2250 1243 1236 -7
22 2350 1253 1245 -8
23 2450 1263 1256 -7
24 2550 1273 1265 -8


20
Từ những kết quả trên ta nhận thấy sai số lớn nhất là 8 (mbar) và sai
số nhỏ nhất là 0 (mbar). Những kết quả này mới là bước đầu chưa thể hiện
hết toàn dải đo của MS5535. Nhưng những kết quả đó rất khả quan để
đánh giá độ chính xác của MS5535 đúng như nhà sản xuất đưa ra và tin
cậy được.
Có thể vẽ biểu đồ của áp su
ất P
lt
và P
tn
theo chiều cao cột nước h.
Trên biểu đồ hình 32 cho thấy đường P
tn
bám rất sát đường P
lt
điều

này cho thấy MS5535 đánh giá khá chính xác giá trị áp suất. Giá trị này
phù hợp với những tài liệu gốc do nhà sản xuất cung cấp về MS5535.
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800
h (mm)
P (mbar)
Plt (mbar)
Ptn (mbar)


Hình 32: biểu đồ áp suất theo cột nước.
Lun vn thc s

Phùng Công Phi Khanh


3

MỤC LỤC
M U................................................................................................. 4
Chng 1: TNG QUAN V  TÀI................................................... 6
1.1 S  khi thit k......................................................................... 6
1.2 Khi cm nhn............................................................................... 6
1.3 Khi x lý thông tin....................................................................... 8

1.4 Khi phát và thu d liu................................................................. 8
Chng 2: CHC NNG VÀ HOT NG CA CÁC MODUL..... 10
2.1 Modul MS5535.............................................................................. 10
2.2 Modul TX2 và RX2....................................................................... 22
2.3 Vi iu khin 89C52...................................................................... 30
Chng 3: THIT K VÀ CH TO H THNG.............................. 38
3.1 Thit k ch t
o modul 1................................................................ 38
3.2 Thit k ch to modul 2................................................................ 40
Chng 4: THIT K PHN MM..................................................... 42
4.1 Khái quát v phn mm cho h thng........................................... 42
4.2 Phn mm lp trình cho vi iu khin............................................ 43
4.3 Phn mm lp trình cho máy vi tính.............................................. 44
Chng 5: TH NGHIM H THNG VÀ ÁNH GIÁ KT QU.. 47
5.1 T chc th nghim........................................................................ 47
5.2 Cách tính toán thông s áp sut....................................................... 47
5.3 Kt qu th nghim........................................................................ 48
KT LUN............................................................................................. 51
TÀI LIU THAM KHO....................................................................... 52
PH LC 1............................................................................................. 53
PH LC 2............................................................................................. 66
PH LC 3............................................................................................. 73
Lun vn thc s

Phùng Công Phi Khanh


4

MỞ ĐẦU

Mng cm nhn không dây o thông s môi trng bao gm nhiu nút
mng liên kt vô tuyn vi nhau. Các nút mng này tiêu th nng lng ít,
kích thc nh, có kh nng hot ng c lp o các thông s môi trng
nh: nhit ,  m, áp sut,  mn,  PH… ti v trí ca nó, sau ó nút
mng s truyn các thông s thu c 
n ni nhn. Nút mng cm nhn môi
trng va làm chc nng o c, x lý thông tin va làm chc nng mng.
Thông thng mi nút mng nh vy bao gm nhiu khi chc nng nh:
khi cm nhn, khi x lý, khi ngun…, mi khi này có nhng nhim v
và c im riêng tu theo mc ích ca mng cm nh
n cn thit k.
Mng cm nhn không dây nhm o thông s môi trng hin nay ang
c nghiên cu và có xu hng phát trin rng khp, bi nó mang li li ích
v nhiu phng din cho con ngi. Nghiên cu thit k, ch to các mng
cm nhn không dây  o thông s môi trng  nhng ni nh: nhà kho,
hm m, phân xng, vin bo tàng, b
nh vin…, phc v trong các lnh vc
nông nghip, công nghip, y t…, mang li hiu qu cao và m ra nhng ý
ngha mi trong o c giám sát và cnh báo.
 tài lun vn i vào nghiên cu:
“Thit k ch to khi chuyn i và x lý thông tin t u o phc v
im o cm nhn môi trng”.
Mc tiêu c th ca  tài là:
- Nghiên c
u mt loi u o.
- Thit k và ch to khi chuyn i và x lý d liu cho u o.
- Truyn nhn d liu không dây và hin th trên máy tính.
ây là bc c bn tin ti xây dng nút mng cm nhn môi trng
nói riêng và có th có ích cho nhiu ng dng khác nói chung.