Tài liệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHO ĐẦU ĐO MỨC NƯỚC doc

1
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHO ĐẦU ĐO MỨC NƯỚC
Ks. Phan Minh Tân, TSKH. Phạm Thượng Cát, Ks.Vũ Sĩ Thắng
Phòng Công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ Thông tin
Tel. 8363484, e-mail:


Tóm tắt: Nhu cầu đo mức nước là rất lớn trong nhiều lĩnh vực: cấp nước đô thị, thuỷ lợi, phòng chống lụt lội...
Chúng tôi giới thiệu việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo chip đầu đo mức nước sử dụng công nghệ
PSoC. Trên cơ sở của chip, chúng tôi xây dựng hệ thống thiết bị đo và xử lý mức nước từ xa. Hệ thống
có thể sử dụng để đo kiểm soát mức nước cho các nhà máy nước, hệ thống thuỷ lợi, kênh tưới tiêu, mức
nước của sông suối ao hồ, bể chứa.
Research, Design and Develop water level monitoring using chip PSoC

Abstracts: The demand of water level monitoring is great in many fields: water supply, irrigation, flood
precaution... In this paper, we introduce the process of research, design and develop water level
monitoring chip using PSoC technology. Based on the specialized chip, remote water level
monitoring and processing system is built. The system can be used to control water level of water
supply plant, irrigation systems, and irrigation ditch...



1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhu cầu đo mức nước trong các ngành kinh tế
quốc dân là rất lớn. Ví dụ trong lĩnh vực cấp nước
đô thị, thuỷ lợi và phòng chống thiên tai. Hiện nay
cả nước ta đang triển khai các dự án cấp nước và
hàng trăm công trình thủy lợi nhằm kiên cố hóa
kênh mương và hiện đại hóa các trạm bơm nhằm
phục vụ chương trình phát triển nông nghiệp, nông
thôn của nhà nước.

Mỗi công trình thủy nông đều cần hàng chục
đầu đo, thiết bị đo mực nước từ xa nhằm phục vụ
quy trình vận hành trạm bơm bảo đảm đủ nước tưới
tiêu cho vùng diện tích canh tác rộng mà vẫn bảo
đảm tiết kiệm điện, không lãng phí nước. Mỗi thiết
bị đo mực nước kênh, hồ thủy lợi có chỉ báo từ xa,
có khả năng kết nối với PC, có bộ nhớ lưu trữ dữ
liệu đo giá tới vài ngàn đôla Mỹ.
Mục tiêu nghiên cứu của chúng tôi nhằm phát
triển được thiết bị đo có chức năng vượt trội hơn
thiết bị nhập ngoại nhưng với giá thành rẻ hơn
nhiều lần đáp ứng nhu cầu trong nước.
Thiết bị bao gồm:
- Đầu đo mực nước kèm theo bộ truyền dữ
liệu.
- Thiết bị thu nhận xử lý, tính toán, lưu trữ dữ
liệu, hiển thị có khả năng kết nối máy PC và
hệ thống SCADA giám sát toàn cục.
Nội dung mới ở thiết bị này là:

- Tạo ra được một chip đo mức nước chuyên
dụng, xây dựng được đầu đo mực nước mới
ổn định, bảo đảm độ chính xác, có phần xử lý
và truyền dữ liệu đo dạng số tại chỗ mà không
cần nguồn pin tại đầu đo.
- Đa số các thiết bị hiện hành sử dụng tín hiệu
tương tự 0-10V hay 4-20mA để truyền dữ
liệu. ở thiết bị này từ nguyên lý đo, truyền và
xử lý hoàn toàn bằng kỹ thuật số với phần
mềm có các thuật lọc, xử lý đặc thù.

Trong báo cáo này chúng tôi tập trung đi sâu vào
nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra được chip chuyên
dụng đo mức nước sử dụng công nghệ PSoC.
2. Nguyên lý đầu đo mực nước
2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm
biến mức nước theo phương pháp tụ
Cảm biến mức nước hoạt động theo nguyên lý
tụ điện, của 2 ống inox lồng nhau được bọc lớp
cách điện có độ dài trung bình từ 1m - 5m.










2

Điện dung của cảm biến khi không có nước được tính theo công thức sau:
(xem hình 1)






=

r
R
ln
L
C
00
2
πε
(1)
L - độ dài của cảm biến
l - độ dài của cảm biến ngập trong nước
R, r - bán kính ống ngoài và bán kính ống trong của cảm biến;
ε
0
- hằng số điện môi của vật chất giữa 2 bản cực;







Nếu đặt:






=

r
R
ln
K
0
0
2
πε
(2)
điện dung của cảm biến:
LKC
oo
⋅=

Như chúng ta đã biết, khi cảm biến được nhúng vào
trong nước, hằng số điện môi của nước sẽ gấp xấp
xỉ ε
r
~ 80 lần so với không khí.
Khi ta nhúng đầu đo vào nước với độ dài l, điện
dung sẽ được tính gồm 2 phần tụ C1 phần ngập
nước và C2 là phần của không khí.

l.K
)
r
R
ln(
C
ro

ro
ε
επε
==
2
1

)lL(K)lL(
r
R
ln
C −=−






=
0
0
2
2
πε
(3)
Tổng điện dung của cảm biến sẽ tính như sau:
=+=
21
CCC

lK)(C
oro
⋅⋅−+
1
ε
(4)
Như vậy ta có thể thấy giá trị của tụ tỷ lệ với độ dài
ngập nước của đầu đo.

2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử đo mức nước
Hình 2 giới thiệu sơ đồ khối mạch điện tử
được gắn liền với cảm biếm mức nước và có nhiệm
vụ đo, tính toán, xử lý, lọc tín hiệu và truyền số liệu
về thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu. Tất cả các quá
trình đo đạc được số hoá toàn bộ, bảo đảm dữ liệu
truyền về không bị tác động nhiều bởi nhiễu.











r
R
L

l
L-l
H×nh 1. C¸c th«ng sè cña c¶m biÕn møc n−íc
Khèi
TruyÒn
số liệu
Max
485
CHIP WLS Đo mức nước

Khối dao
động

ICM7555


Cảm
biến
mức
nước
Cảm
biến
nhiệt
độ
nước
DS
1624
Cảm
biến
nhiệt

độ
không
khí
LM

I
2
C
Hình 2: Sơ đồ khối đầu đo mức nước thông minh
3
Chức năng của các chip trong sơ đồ:
• Chip chính là chip WLS đo mức nước được
phát triển trên công nghệ PSoC.
• Chip ICM7555 - bộ tạo tần số đo
• Chip MAX485 - truyền nhận theo chuẩn
RS485 và RS422, tốc độ truyền có thể lên tới
2.5 Mbps
• Chip DS1624 - IC đo nhiệt độ, được kết nối
theo chuẩn I2C
• Chip LM75 - IC đo nhiệt độ, được kết nối
theo chuẩn I2C.

Sơ đồ khối chức năng của chip đo mức nước WLS được mô tả trong hình 3:

3. Mô tả chu trình hoạt động của chip WLS
Cảm biến mức nước được chế tạo trên nguyên
lý: tụ C cùng 1 điện trở R đưa vào mạch 555 tạo ra
1 tần số (gọi là tần số nước). Tần số này đưa vào
Counter8-2 và Counter8-4 để giảm xuống giới hạn
mà Counter16-1 với tần số 8,uS có thể đo được độ
rộng của mức 1 của tần số nước. Khi có sườn
xuống của tần số nước, 1 ngắt cứng tạo ra và
chương trình Ngắt đọc số xung mà Counter16-1
đếm được trong khoảng mức 1 của tần số nước.
UART-1 truyền theo chuẩn RS485 - qua chip

MAX485 với thiết bị hiển thị mực nước từ xa
WLM. Tốc độ truyền là 9600Baud. Counter8-1 tạo
xung đồng hồ cho UART-1 để truyền 9600Baud.
Counter8-3 tạo xung đồng hồ 500m giây và 12
giây. Cứ 500m giây chương trình kiểm tra xem có
lệnh gửi số liệu không, nếu có thì gửi số liệu của
đầu đo cho thiết bị hiển thị mực nước từ xa WLM.
12 giây thì đo nhiệt độ nước ( LM75 ), và nhiệt
độ không khí ở khoang điện tử (DS1624 ) để thực
hiện các tính toán và hiển thị cần thiết.
Tất cả việc xử lý và tính toán được CPU thực
hiện theo chương trình nạp trong Flash (Hình 3).
COUNTER16-1


COUNTER8-3


COUNTER8-1


UART-1

CLK

Rx Tx
Rx

MAX485
Tx

A
B
COUNTER8-2



COUNTER8-4



5
5
5
CPU
FLASH
RAM

I
2
C


LM75


DS1624
Chip

chuyên dụng
WLS

Cho đo
ứ ướ
®Çu ®o
Hình 3: Sơ đồ khối các chức năng chính của chip WLS đo mức nước
4
Cấu hình Chíp đo mức mước được thiết kế như sau:
+ Các thông số hệ thống của chip được chọn:
Global Resource
CPU_Clock 12_MHz
32K_Select Internal
PLL_Mode Disable
Sleep_Timer 512_Hz
24V1=24MHz/N 12
24V2=24V1/N 16
Analog Power SC On/Ref High
Ref Mux (Vcc/2)+/-(Vcc/2)
Op-Amp Bias High
A_Buff_Power High
SwichModePump ON
VoltMonRange 5.0V
VoltMonThreshold 92%
Supply Voltage 5.0V
+ Một số đặc trưng cơ bản của các chip PsoC đo mức nước :
28 chân
Tần số hoạt động
Thế hiệu làm việc
Flash(kBytes)
RAM(Bytes)
Khối số

Khối tương tự
Số chân vào/ra
93,7kHz- 24MHz
3V-5,25V
16
256
8
12
24

+ Sắp xếp của các khối chức năng:





Do chỉ sử dụng các modul số nên chúng tôi không giới thiệu các modul tương tự.

5
Nhiệm vụ của các khối chức năng sử dụng trong
chíp đo mức nước
• Counter8_2, Counter8_4: Giảm tần số nước
xuống mức cần thiết
• Counter16_1: Đo độ rộng xung tần số nước.
• Counter8_1: Đặt Clock cho tốc độ truyền 485.
• Counter8_3: Đo thời gian cho hệ thống.
• I2C: Đo nhiệt độ
• UART_1: Truyền theo chuẩn nối tiếp.

+ Định nghĩa các chân của chip đo mức nước
Signal Pin Table (t1)
Pin# Port Label Select Drive Interrupt
1 P0[7] Port_0_7 Global_IN_7 High Z DisableInt
2 P0[5] Port_0_5 Global_OUT_5 (Pull Up) Pull Up DisableInt
3 P0[3] Port_0_3 StdCPU Pull Up DisableInt
4 P0[1] Port_0_1 StdCPU Pull Up DisableInt
5 P2[7] Port_2_7 StdCPU Strong DisableInt
6 P2[5] Port_2_5 StdCPU Pull Down DisableInt
7 P2[3] Port_2_3 StdCPU Pull Down DisableInt
8 P2[1] Port_2_1 StdCPU Pull Down DisableInt
9 SMP
10 P1[7] Port_1_7 StdCPU Pull Down DisableInt
11 P1[5] Port_1_5 StdCPU Pull Down DisableInt
12 P1[3] Port_1_3 StdCPU Pull Down DisableInt
13 P1[1] Port_1_1 StdCPU Pull Down DisableInt
14 VSS

15 P1[0] Port_1_0 StdCPU Pull Down DisableInt
16 P1[2] I2Cm_1SDA_Pin StdCPU High Z DisableInt
17 P1[4] I2Cm_1SCL_Pin StdCPU High Z DisableInt
18 P1[6] Port_1_6 StdCPU Pull Down DisableInt
19 XRES
20 P2[0] Port_2_0 StdCPU Pull Down DisableInt
21 P2[2] Port_2_2 StdCPU Pull Down DisableInt
22 P2[4] Port_2_4 StdCPU Pull Down DisableInt
23 P2[6] Port_2_6 StdCPU Pull Down DisableInt
24 P0[0] Port_0_0 Global_OUT_0 (Pull Up) Pull Up DisableInt
25 P0[2] Port_0_2 Global_IN_2 High Z DisableInt
26 P0[4] Port_0_4 Global_IN_4 High Z DisableInt
27 P0[6] Port_0_6 StdCPU Pull Down DisableInt
28 VCC