Tài liệu NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHUYÊN DỤNG TRÊN CÔNG NGHỆ PSoC CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIÊÙ HOÀ NHIỆT ĐỘ pdf

1
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHUYÊN DỤNG TRÊN CÔNG NGHỆ PSoC
CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIÊÙ HOÀ NHIỆT ĐỘ
PGS TSKH Phạm Thượng Cát, KS Phan Minh Tân
KS Chu Ngọc Liêm, KS Nguyễn Xuân Hoàng, KS Mai thị Phương Thảo
Phòng Công Nghệ Tự Động Hoá. Viện Công Nghệ Thông Tin.
Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam.
Fax: +84-04-8363485 Tel: +84-04-8363484 email:

Tóm tắt: Nội địa hoá sản phẩm, đẩy mạnh nền công nghệ sản xuất trong nước là một yêu cầu tất yếu để hạ giá
thành sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh của các sản phẩm Việt Nam trên thị
trường trong nước cũng như quốc tế. Đây cũng là một trong những mục tiêu chính của nền công nghiệp nước ta
hiện nay. Trong bối cảnh đó, lĩnh vực sản xuất máy lạnh cũng đang từng bước chuyển sang sản xuất nội địa toàn
bộ các chi tiết của sản phẩm. Hiện nay, tỷ lệ nội địa hoá của máy lạnh Việt Nam vẫn còn thấp và nhất là vẫn
phải nhập ngoại toàn bộ board điều khiển cũng như các phụ kiện của nó. Đứng trước yêu cầu tăng tỉ lệ nội địa
hoá máy lạnh và chủ động sản xuất, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo sản phẩm thay thế: Board điều khiển máy
điều hoà nhiệt độ, bằng công nghệ tạo chip thông minh PSoC.

RESEARCH AND DEVELOPMENT OF A CUSTOMIZED CHIP USING PSoC
TECHNOLOGY FOR AIR CONDITIONER CONTROL SYSTEM
Prof.DSC. Pham Thuong Cat, Dipl.Eng. Phan Minh Tan.
Dipl.Eng. Chu Ngoc Liem, Dipl.Eng. Nguyen Xuan Hoang, Dipl.Eng. Mai thi Phuong Thao.
Department for Automation Technology, Institute of Infomation Technology.
Viet Nam Academy of Science and Technology
Fax: +84-04-8363485 Tel: +84-04-8363484 email:

Abstract: Local-made production, stepping up manufacture technology is an indispensable requriment of
national industry to reduce cost of production, improve quality of products, improve competitiveness of local
products on domestic market also on internationnal market. This also is one of main targets of national industry,

at this time. In the same case, air conditioner manufacture is also changing step by step in local-mading all part
of air conditioner. And now, some parts of it were made in local but still need to increase the percentage of the
local-made parts. Because, manufactorys have been not owned creating chip technology of control board in air
conditioner, main board and spare part were imported. So that, we have researched and made the replacer:
Control board for air conditioner, by PSoC technology.

1./ GIỚI THIỆU CHUNG.
Nội địa hoá sản phẩm sản xuất tại Việt
Nam là điều mà chúng ta đang tiến tới. Tuy nhiên
bên cạnh đó vấn để tồn tại lớn nhất chính là vốn và
công nghệ. Mục tiêu sản xuất với chi phí thấp, đồng
thời làm chủ được công nghệ cao để có được sự chủ
động trong sản xuất đang được các cơ sở sản xuất
quan tâm hàng đầu. Cũng với những mục tiêu như
vậy, chúng tôi dùng vào công nghệ PSoC để thiết
kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho máy lạnh.
PSoC (Progamable System on Chip) là một công
nghệ tạo Chip điều khiển thông minh với tính linh
hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu và
phát triển ban đầu khá thấp, giá thành chip thấp, hỗ
trợ kĩ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ dùng.
Chính vì vậy, nếu làm chủ được công nghệ này thì
chúng ta có được các ưu điểm là có thể thu gọn kích
thước sản phẩm, hạn chế các chip chuyên dụng phụ
trợ. Do vậy, không những giá thành sản xuất được
hạ xuống thấp, mà còn có thể đẩy nhanh quá trình
phát triển sản phẩm để đưa sản phẩm ra thị trường.
Và tất nhiên, công nghệ này sẽ là một công cụ hữu
ích không chỉ cho các sản phẩm thay thế mà cả
những sản phẩm mới theo ý tưởng sáng tạo của

người phát triển sản phẩm.
2./ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA CHIP ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỀU HOÀ MỘT CHIỀU.
Hình 1 minh hoạ tổng quát về cấu trúc của một máy
điều hoà nói chung. Đây chỉ là loại điều hoà một
chiều, vì vậy về cấu trúc điều khiển là đơn giản hơn
so với loại điều hoà hai chiều. Ta có thể chỉ cần sử
dụng một bo mạch điều khiển là đủ cho cả hai
block trong và ngoài phòng (dàn lạnh và dàn nóng).
Hệ thống điều khiển máy điều hoà gồm
board điều khiển và bộ điều khiển hồng ngoại từ xa
cầm tay. Chip thay thế trên board điều khiển được
được thiết kế như sau:
Các đầu vào của chip điều khiển gồm có:

+Emergency Botton: tạo xung tín hiệu trên
cổng vào mC, khởi động module Emergency trong
trường hợp không có bộ điều khiển từ xa.
+Infared Receiver: đầu nhận tín hiệu điều
khiển từ bộ điều khiển từ xa.


2
+Sensor 1 và Sensor 2: là các cảm biến
nhiệt độ và cảm biến điểm đông của môi trường
không khí trong phòng.
Các đầu ra của chip điều khiển gồm có:

+Led display: đèn chỉ thị báo chế độ hoạt
động của máy.
+Buzzer: Loa tín hiệu, phát âm thanh khi

nhận được lệnh bất kì.
+Louver motor: động cơ đảo cánh gió,
loại động cơ bước.
+Fan motor: động cơ quạt gió, có thể thay
đổi tốc độ.
+Compessor motor: động cơ máy nén dàn
nóng.
Hai đầu vào cho sensor nhiệt độ và điểm
đông được biến đổi qua các cổng ADC, các đầu I/O
còn lại đều dùng các cổng vào ra số thông thường
Cấu trúc thiết kế trên chip thay thế:

Hình 2 mô tả các tín hiệu của chip ĐKML được tạo
ra trên công nghệ PSoC cho bo mạch chính dùng
thay thế cho board điều khiển máy điều hoà VBH-
CON9U-15C. Các port_x_x là những tài
nguyên
vào/ra chưa sử dụng. .
Hình 1: Sơ đồ khối tổng quát
Hình 2: Chip ĐKML được thiết kế trên
nền chip trắng CY8C26443 của công nghệ PSoC


3
Cấu trúc và tài nguyên sử dụng trong chip ĐKML
Trên cấu trúc này ta đã sử dụng cả tài nguyên số
(diagital) và tài nguyên tương tự (analog). Trong
đó, gồm hai ADC phục vụ cho các đầu đo nhiệt độ
và điểm đông, hai ADC này sử dụng hết 4 khối số
và 2 khối analog. Một đầu thu tín hiệu điều khiển

hồng ngoại của bộ điều khiển cầm tay, sử dụng 3
khối số. Và một khối số được dùng làm đồng hồ
xung nhịp cho hai ADC đo nhiệt độ và điểm đông.
Các thông số cấu hình hoạt động của Chip:
Analog Power SC On/Ref High
CPU_Clock 12_MHz
Ref Mux (Vcc/2)+/-(Vcc/2)
Supply Voltage 5.0V
SwitchModePump OFF
Trip Voltage [LVD (SMP)] 4.64V (5.00V)
Watchdog Enable Enable
Hình 3: Cấu trúc thiết kế và tài nguyên sử dụng trong chip ĐKML
Hình 4: Sơ đồ của chíp ĐKML


4
3./ CHU TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM
.
3.1/ Chu trinh điều khiển nhiệt độ phòng
Đối tượng điều khiển ở đây là nhiệt độ
phòng, với cơ cấu chấp hành chính là máy điều hoà.
Với một chiến lược điều khiển thích hợp máy sẽ tác
động để thay đổi được nhiệt độ phòng theo mong
muốn. Nhiệt độ phòng là một đối tượng có độ quán
tính khá lớn, do đó thuật điều khiển cần thiết lưu ý
đến độ trễ này.
Sơ đồ điều khiển trên thực hiện một chu
trình điều khiển khép kín. Ban đầu chương trình sẽ
kiểm tra nhiệt độ phản hồi về của phòng thông qua
sensor nhiệt độ. Nhiệt độ này sẽ được so sánh với

nhiệt độ đặt ở đầu vào do người dùng thiết lập. Nếu
nhiệt độ phòng cao hơn nhiệt độ đặt thì chu trình sẽ
hoạt động tiếp tục theo thuật điều khiển đã thiết lập.
Nếu nhiệt độ phòng thấp hơn nhiệt độ đặt thì hệ
thống tạm dừng hoạt động để nhiệt độ phòng tự
nóng lên.
Các lệnh điều khiển nhiệt độ, quạt gió,
máy nén, động cơ bước đảo cánh gió được thực
hiện đồng thời với chu trình điều chỉnh nhiệt độ..
Trong chu trình hoạt động chương trình sẽ
phải quét bộ đệm lệnh để kiểm tra nếu có lệnh điều
khiển mới từ bộ điều khiển hồng ngoại. Quá trình
này sẽ thực hiện ngay sau khi các thiết lập phần
cứng cho chip, và là các lệnh đầu tiên của chu trình.
Quá trình này sẽ cài đặt điểm đặt nhiệt độ theo yêu
cầu của người sử dụng cũng như các cài đặt cho bộ
điều khiển (các thông số của các ch ế độ trong thuật
điều khiển).

2.2/ Cấu trúc phần mềm, sự phối ghép của các
lệnh, module điều khiển và phần cứng.
Sơ đồ cấu trúc phần mềm (Hình 3) trên
được xây dựng theo chức năng của máy. Các đầu
vào tác động đến các Module chức năng tương ứng
các lệnh trên bàn phím điều khiển từ xa và trên mặt
máy. Tại các module, lệnh được xử lí sau đó đưa
các lệnh điều khiển tới các thiết bị chấp hành và các
module khác.
Các Module chức năng có:

+Power, Run mode, Fan mode, Louver
mode, Timer, LED.
Mỗi module đều có các chức năng cụ thể
và được thể hiện trong khối, tương ứng các chức
năng của nhà sản xuất.
Các phím điều khiển có:

+Nút trên mặt máy: Run.
+Nút trên bàn phím điều khiển: On/Off,
Run mode, Speed, Oscillation, Economy,
Mightiness, Sleep, Beforehand, Hour, Minute, Too
warm, Too cool.
Mỗi phím trên sẽ được mã hoá theo qui
ước của người lập trình bằng một mã điều khiển
tương ứng. Khi bộ điều khiển từ xa phát ra mã lệnh
điều khiển thì đầu thu hồng ngoại sẽ thu và giải mã
tín hiệu đó để có được lệnh yêu cầu. Các lệnh sẽ
được xử lí bằng những module khác nhau. Sau đó
các module này sẽ đưa ra lệnh điều khiển cho các
cơ cấu chấp hành để có được sự tác động cần thiết
vào môi trường. Sự phối hợp điều khiển của các
module sẽ tạo ra những thay đổi theo yêu cầu của
người sử dụng.

Lệnh điều khiển tác động tương ứng lên các
module chức năng và các cổng đầu ra điều khiển
của PSoC:

2.2.a./ Nút lệnh trên mặt máy:
+Run (emermgency):

Đầu vào của Emergency Botton là cổng P2[0]
(được thể hiện trên hình 2), khi nhấn nút thì trạng
thái trên cổng sẽ được đọc vào. Nhấn lần 1 là ON,
lần 2 là OFF. Khi nhận được lệnh ON, trước tiên
các module phần cứng sẽ được khởi tạo các thiết
lập hoạt động cho PsoC. Cổng P1[4] sẽ bật LED
báo trạng thái nguồn lên (hạ xuống mức thấp để bật,
do cấu tạo của phần cứng). Cánh đảo gió từ vị trí
đóng kín được đưa về vị trí mở hết bằng động cơ
đảo cánh. Các tham số truyền cho các khối chức
năng Run Mode là Auto, Fan Mode là Auto, Louver
Mode là Auto) nhiệt độ mặc định được đặt là 24
0
C.
Dựa trên tín hiệu vào từ 2 sensor và so sánh với
nhiệt dộ mặc định, động cơ dàn nóng được điều
khiển qua 1 relay, relay này được điều khiển thông
qua cổng P0[3] theo chế độ Auto, tốc độ quạt gió sẽ
được điều khiển qua 3 relay, 3 relay này được điều
khiển trên 3 cổng P0[0], P0[1],P0[3] theo chế độ
Auto. Động cơ đảo cánh gió được điều khiển qua
các cổng P1[0], P1[1], P1[2], P1[3] cũng theo chế
độ Auto. Các động cơ dàn nóng và quạt gió được
Hình 5: Sơ đồ điều khiển


5
điều khiển thông qua relay với trạng thái On khi các
cổng điều khiển đưa lên mức cao, Off khi các cổng
này ở mức thấp. Đối với động cơ đảo cánh gió là

loại động cơ bước thì động cơ được điều khiển theo
phương pháp Half Stepping, phương pháp điều
khiển này cho độ bền vững cao, với momen lớn hơn
và mịn hơn so với hai phương pháp còn lại là Wave
Stepping và Full Stepping.
Khi nhận được lệnh Off, các module phần cứng
trong PSoC sẽ ngừng hoạt động. Các cổng điều
khiển các động cơ bằng relay sẽ trả về mức thấp để
dừng động cơ, các cổng điều khiển động cơ đảo
cánh cũng trả về mức thấp toàn bộ để tránh tổn thất
năng lượng và gây nóng động cơ, cổng điều khiển
đèn LED báo nguồn đưa về mức cao để tắt đèn.
Cánh đảo gió sẽ trở về vị trí đóng hoàn toàn.

2.2.b./ Nút lệnh trên bộ điều khiển từ xa:

a. On/Off: Chức năng là bật và tắt nguồn, có LED
báo trạng thái. Các khối phần cứng được khởi tạo
hoạt động, tham số của các module điều khiển được
giữ nguyên từ lần hoạt động trước. Các cổng điều
khiển động cơ, LED sẽ phục hồi trạng thái theo
điều khiển của các module. Lệnh Off sẽ ngừng các
khối phần cứng PSoC trước, sau đó tất cả các cổng
điều khiển động cơ sẽ hạ xuống mức thấp để tắt
động cơ hoàn toàn, cổng điều khiển LED sẽ nâng
lên mức cao để tắt đèn.

b. Run mode: Dùng để chọn chế độ hoạt động của
máy

Run Mode xác định các bộ tham số đặt trước cho
hai module Fan Mode và Louver Mode, tương ứng
với các chế độ được chọn. Đồng thời sẽ trực tiếp
điều khiển hoạt động của động cơ nén dàn nóng.
Mỗi chế độ này sẽ có một phương án điều khiển,
mỗi phương án điều khiển dựa trên cơ sở sự kết hợp
điều khiển của cả ba đối tượng: cường độ bơm nhiệt
(dàn nóng), tốc độ tản nhiệt (quạt gió), và mức độ
lan toả của luồng nhiệt (đảo cánh). Như vậy cơ cấu
chấp hành ở đây cuối cùng vẫn là các động cơ.
+Auto mode: dàn nóng bật P0[2] = 1, quạt
gió chạy ở tốc độ thấp nhất P0[0] = 1, động cơ đảo
cánh hoạt động ở chế độ đã định do Louver mode
điều khiển. Hệ thống hoạt động theo chu kì 15 phút
chạy, 3 phút nghỉ (cắt toàn bộ động cơ).
+Cool mode: Nhiệt độ sẽ được điều chỉnh
nằm trong khoảng 18-30
0
C (tuỳ theo nhiêt độ đặt
của người sử dụng), với phương thức hoạt động là
làm lạnh liên tục P0[2] = 1, quạt gió và cánh đảo
hoạt động theo điều khiển của người dùng.
+Dry mode: ở chế độ này quạt gió và cánh
đảo chạy theo thông số đặt trước. Dàn nóng bật
P0[2] = 1. Toàn bộ hệ thống làm lạnh 15 phút, nghỉ
5 phút trong chu kì đầu tiên, sau đó hoạt động theo
chu kì 4 phút chạy và 4 phút dừng.
+Fan mode: Trong chế độ này chỉ có quạt
hoạt động ở chế độ đã chọn trước, tốc độ do cổng
P0[0], P0[1] hoặc P0[3] xác định.

c. Too Warm, Too Cool: hai lệnh này dùng để
thiết lập lại nhiệt độ đặt đã được thiết lập trong
module Run Mode. Nhiệt độ này được dùng làm cơ
sở so sánh với nhiệt độ phòng, từ đó mới đưa ra
quyết định hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động hay tạm
dừng để đợi sự tăng nhiệt trở lại của môi trường

d. Speed: Lệnh này sẽ đặt các chế độ hoạt động
cho Fan Mode.

Các chế độ này được điều khiển thông qua các relay
điều khiển động cơ. Động cơ quạt gió được điều
khiển tốc độ 3 cấp, thông qua việc thay đổi số vòng
của cuộn dây rotor cũng theo 3 cấp, việc này được
thực hiện bởi 3 relay. Ba relay này sẽ trực tiếp được
điều khiển bởi module Fan Mode.
+Auto mode: Tại chế độ này quạt gió sẽ
điều chỉnh tốc độ theo chu kì thời gian đặt sẵn. 10
phút chạy ở tốc độ cao (P0[3] = 1), 10 phút ở tốc độ
trung bình (P0[1] = 1), và 10 phút ở tốc độ thấp
(P0[0] = 1).
+High mode: Quạt chạy tốc độ cao, P0[3]
= 1.
+Medium mode: Quạt chạy tốc độ trung
bình, P0[1] = 1.
+Low mode: Quạt chạy tốc độ thấp, P0[0]
= 1.
Các chân điều khiển được thể hiện rất cụ thể trên
hình 2.

AUTO - COOL - DRY - FAN
AUTO - HIGH - MEDIUM - LOW