Đề tài Nghiên cứu thiết kế và chế tạo chip cho đầu đo mức nước

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: ptcat@ioit.ncst.ac.vn 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 Rln LC 00 2πε (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; ε0 - hằng số điện môi của vật chất giữa 2 bản cực; Nếu đặt:       = r Rln K 00 2πε (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 εr ~ 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 Rln( C roro ε επε == 2 1 )lL(K)lL( r Rln C −=−       = 0 0 2 2πε (3) Tổng điện dung của cảm biến sẽ tính như sau: =+= 21 CCC lK)(C oro ⋅⋅−+ 1ε (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 C H IP W LS Đ o m ức n ướ c Khối dao động ICM7555 Cảm biến mức nước Cảm biến nhiệt độ nước DS 1624 Cảm biến nhiệt độ không khí LM I2C 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 I2C LM75 DS1624 Chip chuyên dụng WLS Cho đo ứ ướ ®Ç u ®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 S i g n a l P i n T a b l e ( t 1 ) P i n # P o r t L a b e l S e l e c t D r i v e I n t e r r u p t 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 6 4. Hệ thống thiết bị đo và xử lý mức nước từ xa Với chuẩn truyền 485 ta có chức năng kết nối mạng các đầu đo theo nguyên lý “cây tre trăm đốt” để đo được mức nước sâu hơn Với chip WLS chúng tôi đã chế tạo được các đầu đo 1, 2, 3m và hệ thống đo xa hiển thị kết quả đo WLM. Hệ thống này có các đặc trưng kỹ thuật như sau: Đặc tính kỹ thuật • Đầu đo + Giải đo: 1m, 2m, 3m + Ghép nối 4 đầu đo cho đo 12m + Độ chính xác: ± 3mm + Truyền tín hiệu: Chuẩn RS-485, tối đa 1200m • Thiết bị chỉ báo WLM + Nhập và xử lý tín hiệu truyền từ đầu đo + Tính toán và hiển thị mực nước 4 digit + Chế độ tự chuẩn định + Lưu dữ liệu đo với các thời gian cắt mẫu khác nhau + Kết nối qua cổng RS-232 với các PC hoặc thiết bị truyền xa, Modem + Nguồn nuôi: 220VAC/50Hz 5. Kết luận Với công nghệ tạo chip thông minh chúng tôi đã tạo ra được một chip chuyên dụng đo mức nước WLS và từ chip này đã chế tạo ra nhiều loại đầu đo và hệ thống đo xa mức nước cho các nhà máy nước và các hệ thống thuỷ lợi. Các đầu đo nước và hệ thống đo xa đã được thử nghiệm với nhiều điều kiện môi trường nước khác nhau cho kết quả tin cậy. Khả năng ứng dụng của hệ thống có thể kể đến là: • Đo kiểm soát mức nước các hệ thống thủy lợi, kênh tưới tiêu, đập, hồ chứa nước. • Đo kiểm soát lưu trữ mực nước sông, suối, ao hồ. • Đo mực nước từ xa bể chứa ở các nhà máy nước. Tài liệu tham khảo: [1] WLS đầu đo mức nước Tài liệu kỹ thuật của Phòng công nghệ tự động hoá, Viện Công nghệ thông tin [2] Vũ Sĩ Thắng, Phan Minh Tân, Phạm Thượng Cát “Nghiên cứu phát triển hệ thống đo và xử lí mực nước từ xa với độ chính xác cao thay thế nhập ngoại”. Tuyển tập các báo cáo khoa học, Hội nghị khoa học toàn quốc VICA5 lần thứ 5 về Tự động hoá 24- 26/10/2002, trang 374-379 [3] Tài liệu về chip PSoC CY8C26443 [4] PSoC Designer 4.0 [5] Max 485 Data sheet [6] LM75 Data sheet [7] DS1624 Data sheet