Tài liệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM VÀ ĐIỂM SƯƠNG THDP-1 SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PSoC pdf

1

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ,
ĐỘ ẨM VÀ ĐIỂM SƯƠNG THDP-1 SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PSoC

Ks. Phan Minh Tân, Ks. Nguyễn Xuân Hoàng, Ks. Bùi Thị Thanh Quyên
TSKH. Phạm Thượng Cát
Phòng Công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ Thông tin
Tel. 8363484, e-mail:



Tóm tắt: Việc kiểm tra nhiệt độ độ ẩm và điểm sương ở các kho tàng cất giữ hàng hoá, thóc gạo, các điểm bảo
quản máy móc vũ khí, đạn dược ...có nhu cầu lớn. Chúng tôi giới thiệu trong báo cáo này việc nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương THDP-1 sử dụng công nghệ PSoC.
Thiết bị gọn nhỏ tiêu ít năng lượng, độ tin cậy cao, giá thành thấp hơn thiết bị nhập ngoại có tính năng
tương đương.

Research, Design and Develop temperature, humidity, dew-point monitoring device
THDP-1 using PSoC technology

Abstracts: Temperature, humidity, and dew-point monitoring in goods and rice storehouse, weapon and
ammunition maintenance point ... have very large demand. In this paper, we introduce the process of
research, design and develop of Temperature, Humidity, and Dew-point monitoring device THDP-1
using PSoC technology. The device is neat, low-power consumption, highly reliable, lower cost
compare to imported device with comparable characteristics.


1. Giíi thiÖu chung

Ngày nay khi nền công nông nghiệp phát

triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú
thì nhu cầu lưu trữ hàng hoá trong các kho lưu hàng
càng nhiều. Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo
quản, lưu trữ các sản phẩm công-nông nghiệp trong
các kho chứa hàng là rất quan trọng. Thông thường
với các loại hàng hoá được lưu trữ, nhiệt độ, độ ẩm
trong phòng lưu trữ phải luôn duy trì ở 1 mức nhất
định. Ở nước ta nhiều gian hàng bảo quản vẫn làm
theo các phương pháp thủ công như cán bộ kỹ thuật
tiến hành đo đạc, sau đó đưa ra các giải pháp để
tăng hoặc giảm nhiệt độ, độ ẩm theo yêu cầu.
Cũng giống như trên, trong các phòng thí
nghiệm, trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng
cây cảnh, trong các khu sản xuất rau sạch…kỹ thuật
viên cũng cần giám sát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng…
để điều chỉnh môi trường thích hợp với cây trồng.
Với các phương pháp thủ công, chúng ta sẽ
mất rất nhiều thời gian và công sức mà công việc
lại không hiệu quả. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ
của công nghệ thông tin, chúng ta đã và đang đưa
tự động hoá vào từng ngõ ngách trong cuộc sống.
Với thiết bị THDP-1 chúng ta có thể đo được nhiệt
độ, độ ẩm, điểm sương và có thể thu thập dữ liệu về
máy tính, từ đó đưa ra các biện pháp xử lý thích
hợp. Không giống các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm
thông thường THDP-1 không chỉ đơn thuần là thiết
bị hiển thị số liệu đo được mà nó có thể kết nối với
nhau thành mạng DH-485 và truyền nhận xử lý dữ
liệu từ máy tính. Với một máy tính PC, mét người
điều hành có thể giám sát nhiều điểm đo khác nhau

trên diện rộng.
Đặc biệt trong các kho tàng cất giữ hàng
hoá, thóc gạo, các điểm bảo quản máy móc, vũ khí,
đạn dược v.v…thì vấn đề đo nhiệt độ, độ ẩm và
điểm sương của môi trường không khí là rất cần
thiết.
Đa số các đầu đo, thiết bị đo nhiệt độ và độ
ẩm có tính thông minh hiện hành sử dụng một số
chip vi xử lý và phần mềm đơn giản để thiết bị có
một số chức năng tự chỉnh định và suy diễn. Các hệ
thống đo truyền xa thường lấy chuẩn truyền tương
tự 4-20mA, 0-10V hoặc truyền số theo chuẩn nối
tiếp RS232/485. Các thiết bị đầu đo này mua của
nước ngoài, giá thành cao.
Để phát huy nội lực trong nước, sản xuất ra
hàng Việt nam chất lượng cao, giá cả cạnh tranh,
chúng tôi nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo
nhiệt độ độ ẩm và điểm sương THDP-1 với các lựa
chọn sau:
a. Chúng tôi lựa chọn công nghệ PSoC
(Programmable System on Chip) của hãng
Cypress Micro System làm công nghệ chủ
chốt để phát triển thiết bị đo nhiệt độ, độ
ẩm và điểm sương. PSoC có khả năng xử
lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số. Nó cho
ta khả năng phát triển các sản phẩm mới
nhanh, dễ dàng mở rộng các chức năng
mới sau này. Công nghệ này cho nhiều
giải pháp lựa chọn và hỗ trợ cho đa dạng
ứng dụng từ đo lường, xử lý, điều khiển,

truyền thông, kết nối mạng trên cùng một
chip với giá thành thấp.
b. Lựa chọn chip sensor SHTxx của hãng
SENSIRION. Đây là chip có các chỉ tiêu
kỹ thuật và giá cả phù hợp.
2


2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
* Sơ đồ nguyên lý







Hình 1 : S¬ ®å nguyªn lý ho¹t ®éng

* Thiết bị chạy độc lập

Chip sensor SHTxx nhận lệnh và gửi số liệu
về cho PSoC theo chuẩn phối ghép nối tiếp tương
tự I2C: tín hiệu đồng hồ đồng bộ SCK do PSoC
phát ra, dây số liệu data 2 chiều để PSoC phát
lệnh và SHTxx gửi số liệu về (sử dụng 2 chân
PSoC). Số liệu được PSoC tính toán và hiển thị
lên LCD (sử dụng khối chức năng LCD). Thời
gian hiển thị lần lượt nhiệt độ, độ ẩm và điểm
sương do Counter Timer quyết định.

* Thiết bị nối mạng RS 485

4 công tắc CT để đặt địa chỉ 485 cho thiết bị.
Máy tính PC có thể lấy số liệu cực đại 16 thiết bị
THDP-1 qua chuẩn RS485 để xử lý, hiển thị, lưu
trữ.v…v. Tốc độ truyền của RS485 là 9600 baud,
do Counter BaudRate làm Clock cho tốc độ của
khối chức năng Phát và Nhận: Rx và Tx. Chip
MAX485 để chuyển đổi mức tín hiệu của chuẩn
485 (Xem hình 2).

H×nh 2. S¬ ®å m¹ch ®iÖn tö cña thiÕt bÞ
PS
o
c
Cy8c2644
3




CPU

RAM
FLASH
Va`
PhÇn
MÒm
Counter
Timer
LCD
LcD
8x2
§K(3)
Data(4)

+5V
CT
Tx8
Counter
BaudRate
Rx8

MAX
485
SHT1
x
PC

RS485
3

3. CHIP ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM SHT1x

SHT1x là một chip có sensor đo nhiệt độ, độ
ẩm tương đối, điểm sương và có cả phần chuyển
đổi ra giá trị số đã được chuẩn định. Nhiệt độ có độ
phân giải 14 bits, độ ẩm 12 bits. Trên chip còn có
mạch phối ghép nối tiếp theo kiểu I2C (Inter IC),
nhưng không tương thích với chuẩn này. Kết quả
module cho ra tín hiệu chất lượng cao, thời gian trả
lời nhanh, không bị ảnh hưởng của nhiễu và có giá
cả cạnh tranh. Từng chip SHXxx đã được chuẩn
định trong buồng có độ ẩm xác định với việc làm
lạnh đo bằng máy đo độ ẩm làm chuẩn. Các hệ số
được lập trình vào bộ nhớ. Các hệ số này đã được
sử dụng trong quá trình đo để chuẩn định tín hiệu từ
sensor. Mạch phối ghép nối tiếp 2 dây và việc hiệu
chỉnh thế hiệu bên trong cho phép tích hợp hệ thống
dễ dàng và nhanh chóng. Kích thước nhỏ và công
suất nuôi thấp, giá cả cạnh tranh, nên nó thường
được lựa chọn cho phần lớn các ứng dụng (Xem
Hình 3. Chip SHT1x).

Hoạt động của chip SHT1x
Như sơ đồ nguyên lý đã giới thiệu (Hình 1), chip
SHT1x gửi số liệu khi PSoC phát lệnh và tín hiệu
đồng hồ nối tiếp SCK. Quá trình truyền này được
khởi động bằng 1 trình tự gọi là “Transmission
Start” theo sơ đồ sau:








Nếu quá trình truyền bị đứt thì phải khởi động lại
quá trình này như sau:









SHT1x có các lệnh đo nhiệt độ, độ ẩm riêng biệt:

Command Code
Reserved 0000x
Measure Temperature 00011
Measure Humidity 00101
Read Status Register 00111
Write Status Register 00110
Reserved 0101x-1110x
Soft reset, resets the interface, clears the
status to default values
Wait minimum 11 ms before next command
11110







H×nh 3. Chip SHT1x


4


Sau khi phát lệnh, SHT1x gửi số liệu về cho PSoC trên đường Data. Số liệu vẫn được đồng bộ bằng tín hiệu
SCK do PSoC phát. Nhiệt độ 14 bits, độ ẩm 12 bits.

Điểm sương được tính ra trên cơ sở nhiệt độ và độ ẩm theo công thức sau:






với temper là nhiệt độ, humid là độ ẩm.

4. THIẾT KẾ CHIP PSoC
Như sơ đồ nguyên lý (Hình 1) đã giới thiệu,
để lấy số liệu nhiệt độ độ ẩm từ chip SHT1x chúng
tôi sử dụng một chip trắng PSoC Cy8c26443 28
chân làm chip Master.
4.1. Phần cứng của PSoC
Trong các loại chip điều khiển siêu nhỏ dạng
“Hệ thống trên một chip” thì nổi bật nhất là các
chip của hãng CYPRESS MICROSYSTEMS. Họ
chip điều khiển siêu nhỏ này được gọi là “Hệ thống
khả trình trên một chip” (PSoC: Programmable
System-on-Chip). Chip điều khiển siêu nhỏ PSoC
bao gồm CPU nhanh, bộ nhớ chứa chương trình
Flash, bộ nhớ chứa số liệu SRAM, các khối tương
tự và số có thể đặt cấu hình trong một phạm vi của
các chân ra và độ lớn bộ nhớ thích hợp. Trái tim
của chip điều khiển siêu nhỏ này là CPU 8bit.
Clock của CPU có sẵn 24MHz, nhưng có thể chạy

với tốc độ thấp hơn. CPU có một bộ lệnh để hỗ trợ
cho việc lập trình ở ngôn ngữ assembler và C. Tất
cả các chip của họ này đều chứa cả hai loại khối
ngoại vi có thể định cấu hình là tương tự và số. Các
khối này cho phép người sử dụng tạo ra các chức
năng khi đặt cấu hình cho chip. Có 12 khối tương
tự và 8 khối số.
+ Khối số có khả năng đặt thành các modul chức
năng: timer, counter, UART, v.v..
+ Khối tương tự có thể sử dụng cho các modul:
ADC, DAC, lọc, khuyếch đại, v.v..
+ CPU có nhiều thanh ghi để lập trình và nhiều tuỳ
chọn cho các xung đồng hồ.

Các thông số global của PSoC đã được lựa 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)
logEx = 0.66077 + 7.5*temper/(237.3+temper)+(log10(humid)-2);
dewpoint = (logEx - 0.66077)*237.3/(0.66077 + 7.5 - logEx);
5

Op-Amp Bias High

A_Buff_Power High
SwichModePump ON
VoltMonRange 5.0V
VoltMonThreshold 92%
Supply Voltage 5.0V
















4.2. Phần mềm của PSoC
Hãng Cypress MicroSystems cung cấp phần
mềm thiết kế PSoC Designer để có thể định cấu
hình phần cứng và lập trình phần mềm cho các chip
PSoC trên máy PC thông thường và sau đó nạp vào
cho Chip qua Kit ICE, tạo ra 1 chip điều khiển siêu
nhỏ chuyên dụng. Sử dụng chương trình Designer
chúng tôi thiết kế ra chip cho máy đo nhiệt độ độ
ẩm có các module chức năng như đã giới thiệu ở

hình 2:
+ Tín hiệu SCK: tạo xung đồng hồ để đồng bộ các
bit truyền cho SHT1x và
+ Tín hiệu Data: Lệnh của PSoC gửi cho SHT1x
chiều ngược lại là số liệu của
SHT1x trả lời lại theo lệnh.
Hai tín hiệu này được tạo ra và lập trình bằng phần
mềm trên hai chân của PSoC.
Các khối chức năng sử dụng trong chíp PSoC
• LCD: Hiển thị số liệu nhiệt độ độ ẩm và điểm
sương lên màn hình LCD 8kí tự x 2hàng.
• Counter_Timer: Chia thời gian để hiển thị lần
lượt:
+Nhiệt độ độ ẩm
+Điểm sương
• Counter_BaudRate: Tạo Clock cho UART
truyền với tốc độ 9600Baud.
• Tx8: PSoC phát lệnh cho SHT1x.
• Rx8: PSoC nhận số liệu kết quả từ SHT1x.
Tín hiệu Tx8 và Rx8 được chuyển đổi theo
chuẩn RS485 qua chip MAX485.
• 4 công tắc mini CT được nối vào 4 chân PSoC
để đặt địa chỉ cho mạng RS485.
Chương trình nhúng trong PSoC
Lưu đồ của chương trình nhúng được giới
thiệu theo hình 5. Khi bật điện chương trình khởi
tạo toàn bộ hệ thống: các khối chức năng, tốc độ
truyền 9600 Baud, 8 bit data, no parity, 1 bit stop,
thời gian hiển thị. . .Chương trình phát lệnh đo
nhiệt độ độ ẩm (và cả tín hiệu SCK) cho SHT1x.

Tiếp đó PSoC đọc số liệu do SHT1x gửi trả và tính
toán điểm sương. Chương trình kiểm tra tiếp xem
có lệnh của PC gửi sang qua mạng RS485. Nếu có
chương trình gửi các giá trị Nhiệt độ, độ ẩm và
điểm sương. Nếu không có thì chương trình đọc
Timer để xem phải hiển thị gì. Nhiệt độ độ ẩm hiển
thị 10 giây, sau đó tới điểm sương hiển thị 10 giây.


H×nh 4: S¬ ®å khèi cña PSoC