Thiết kế chế tạo khối chuyển đổi và xử lý thông tin từ đầu đo phục vụ điểm đo cảm nhận môi trường

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 tập 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…, phục 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 loại 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. Chương 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 tiếp 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 nhận 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 sơ 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 của 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 từ - 400C đến + 600C. - 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 (9x9x5,5mm3). - 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 nhiệt 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 sẽ 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, thời 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 – 0,80C đến + 0,80C xét ở nhiệt độ 250C với hệ số bù cung cấp bởi modul MS5535 lưu trữ trong IC giao diện. Độ phân giải nhiệt độ trong khoảng 0.0050C đến 0.0150C. Sai số theo nguồn cực đại khoảng – 0,30C/V đến + 0,30C/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 dụng và chương trình hoá. MS5535 được chuẩn hoá ở hai nhiệt độ T1= 100C và T2=350C, và hai áp suất P1=1000 mbar và P2=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 đó các hệ số bù từ C1 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. WORD1, WORD2, WORD3, WORD4 (4x16 Bít) Khởi tạo Chuyển dữ liệu bù ra 6 hệ số. C1= Độ nhạy áp suất (13Bít) C2= Bù áp suất (13Bít) C3= Hệ số nhiệt độ của nhạy nhiệt độ (10Bít) C4= Hệ số nhiệt độ của bù áp suất (9Bít) C5= Nhiệt độ so sánh (12Bít) C6= Hệ số nhiệt độ của nhiệt độ (7Bít) Đọc giá trị áp suất D1(16 Bít) từ MS5535. Đọc giá trị nhiệt độ D2(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=D2 - (8*C5 + 10000) Bù cho nhiệt độ thực. OFF= C2 + (C4 - 250)*dt/212 +10000 Độ nhậy với nhiệt độ thực. SENS=C1/2 + (C3 +200)*dt/213 +3000 Áp suất thực tính ra mbar. P = SENS *(D1 - OFF)/212 +1000 Nhiệt độ thực tính ra 0C. TEMP = (200 + dt*(C6 + 100)/211 )/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 (D1) và 16 bít thông tin nhiệt độ (D2) cùng một giao diện nối tiếp. Sau đó giá trị áp suất được tính ra từ D1, D2 và C1 đến C6 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 điện 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 cả 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 quả 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 thấp 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 sử 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 dạng 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 được 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 liệu 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 trị 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 nạp 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 bằng 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 thực 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 nước 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 việc 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: Pss ± 2α/R = Pkq + Pn± 2α/R0 Pss là áp suất trong bình không khí nơi đặt modul sensor MS5535. R0 là bán kính của ống bên ngoài. Modul 1 h MS5535 Pkq Pss Hình 31: Sơ đồ thử nghiệm 18 R là bán kính của bình không khí. Pkq là áp suất khí quyển bên ngoài. Pn là áp suất của cột nước. α = 0,073 là hệ số căng mặt ngoài của nước. Giá trị 2α/R và 2α/R0 là sức căng mặt ngoài của nước trong bình không khí và trong ống bên ngoài, vì α rất nhỏ và R,R0 lớn nên ta bỏ qua tác động này. Khi đó ta có: Pss = Pkq + Pn Áp suất Pkq 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. Pn là áp suất của cột nước: Pn = D.g.h D = 1000kg/m3 là khối lượng riêng của nước. g = 10m/s2 Là gia tốc rơi tự do. h là chiều cao cột nước. Nếu h lấy đơn vị là m thì áp suất Pn sẽ là: Pn = D.g.h (N/m2) = 104.h (N/m2) = 100.h (mbar) Nếu h lấy đơn vị là mm thì ta có Pss = h/10 + Pkq (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. Pkq = 1018 mbar (áp suất không khí lý thuyết là 1013 mbar tại mức mặt biển). Plt = Áp suất theo tính toán lý thuyết: Plt = h/10 +1018 (mbar) Ptn = Áp suất theo thực nghiệm đo được. 19 STT Chiều cao h (mm) Plt (mbar) Ptn (mbar) Sai số (Ptn- Plt) 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 suất Plt và Ptn theo chiều cao cột nước h. Trên biểu đồ hình 32 cho thấy đường Ptn bám rất sát đường Plt 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 (m ba r) Plt (mbar) Ptn (mbar) Hình 32: biểu đồ áp suất theo cột nước. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU................................................................................................. 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI................................................... 6 1.1 Sơ đồ khối thiết kế......................................................................... 6 1.2 Khối cảm nhận............................................................................... 6 1.3 Khối xử lý thông tin....................................................................... 8 1.4 Khối phát và thu dữ liệu................................................................. 8 Chương 2: CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC MODUL..... 10 2.1 Modul MS5535.............................................................................. 10 2.2 Modul TX2 và RX2....................................................................... 22 2.3 Vi điều khiển 89C52...................................................................... 30 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG.............................. 38 3.1 Thiết kế chế tạo modul 1................................................................ 38 3.2 Thiết kế chế tạo modul 2................................................................ 40 Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM..................................................... 42 4.1 Khái quát về phần mềm cho hệ thống........................................... 42 4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển............................................ 43 4.3 Phần mềm lập trình cho máy vi tính.............................................. 44 Chương 5: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ.. 47 5.1 Tổ chức thử nghiệm........................................................................ 47 5.2 Cách tính toán thông số áp suất....................................................... 47 5.3 Kết quả thử nghiệm........................................................................ 48 KẾT LUẬN............................................................................................. 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 52 PHỤ LỤC 1............................................................................................. 53 PHỤ LỤC 2............................................................................................. 66 PHỤ LỤC 3............................................................................................. 73 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 4 MỞ ĐẦU Mạng cảm nhận không dây đo thông số môi trường bao gồm nhiều nút mạng liên kết vô tuyến với nhau. Các nút mạng này tiêu thụ năng lượng ít, kích thước nhỏ, có khả năng hoạt động độc lập đo các thông số môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ mặn, độ PH… tại vị trí của nó, sau đó nút mạng sẽ truyền các thông số thu được đến nơi nhận. Nút mạng cảm nhận môi trường vừa làm chức năng đo đạc, xử lý thông tin vừa làm chức năng mạng. Thông thường mỗi nút mạng như vậy bao gồm nhiều khối chức năng như: khối cảm nhận, khối xử lý, khối nguồn…, mỗi khối này có những nhiệm vụ và đặc điểm riêng tuỳ theo mục đích của mạng cảm nhận cần thiết kế. 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…, phục 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 loại 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. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 5 Kết cấu luận văn bao gồm năm chương. Chương 1: Tổng quan về đề tài. Chương 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. Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài theo các khối chức năng và phân tích lựa chọn các linh kiện, thiết bị cho các khối chức năng đó. Chương 2: Trình bầy các nghiên cứu về đặc điểm kĩ thuật và chức năng của các linh kiện thiết bị đã lựa chọn. Chương 3: Xây dựng mạch điện cho các thiết kế của hệ thống. Chương 4: Xây dựng sơ đồ thuật toán, viết chương trình các cấu trúc phần mềm cho máy vi tính nơi nhận tín hiệu và phần mềm nhúng cho vi điều khiển của điểm đo. Chương 5: Là phần thực nghiệm của đề tài bao gồm mô hình thử ngiệm và những kết quả thử nghiệm thu được. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 6 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 tiếp 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 Tuỳ thuộc vào mục đích của mạng cảm nhận môi trường mà nút mạng sẽ có những đặc điểm khác nhau; những thông số kĩ thuật của các sensor trong khối này là điều kiện cơ bản quyết định thông tin chính xác của mạng cảm nhận. Cùng với sự phát._. triển của khoa học công nghệ, các sensor ngày càng đa dạng, phong phú có thể đo được nhiều thông số môi trường khác nhau với độ chính xác cao như: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ mặn, độ ô xi trong nước..., mỗi sensor có nhiệm vụ chuyển hoá một đại lượng vât lý, hoá khối cảm nhận khối xử lý thông tin khối phát thông tin khối thu thông tin Máy tính Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 7 học hay sinh học thành một đại lượng điện, sau đó được số hoá để giao tiếp trong mạng cảm nhận môi trường. Các tín hiệu sau khi được số hoá đều cần một thiết bị chuẩn hoá bên ngoài để tương ứng với mỗi giá trị số là một thông số môi trường tương ứng. Xu thế ngày nay thì khác, với sự phát triển của khoa học công nghệ người ta đã tích hợp nhiều mạch điện với các sensor tạo thành các modul sensor mà kích thước của chúng vẫn nhỏ gọn, nhờ vậy mà các sensor được chuẩn hoá từ nhà máy. Tín hiệu đưa ra từ các modul sensor là tín hiệu số, tương thích với các vi điều khiển, vi xử lý và bằng một số tính toán với thuật toán cho sẵn, cho ta thông số môi trường với độ chính xác như nhà sản suất đưa ra. Việc sử dụng các modul sensor này ngày nay rất thuận tiện, hiệu quả cao và mạch điện bên ngoài phục vụ cho nó đơn giản. Đại diện cho các modul sensor này là modul MS5535 dùng để đo áp suất và nhiệt độ, modul SHT11 dùng đo nhiệt độ và độ ẩm... 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 nhận 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. Các sensor khác cùng họ với nó như: MS7812, MS7212 chúng là các sensor áp suất dải đo từ 0 đến 12 bar, MS7310, MS761 là các sensor áp suất dải đo từ 0 đến 1 bar [5], nhưng nói chung chúng chỉ lá các sensor áp suất thuần tuý với chức năng chuyển đổi một giá trị áp suất ra một giá trị điện áp tương ứng. Việc sử dụng vẫn cần có ADC và chuẩn hoá để giao tiếp với mạng cảm nhận không dây. MS5535 là một tiến bộ trong họ sensor này nó có đầy đủ tính chất Hình 2: Hình dáng MS5535. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 8 của xu thế sensor ngày nay. Với đặc điểm này MS5535 là modul sensor rất phù hợp với mục đích xây dựng điểm đo trong nghiên cứu của đề tài. 1.3 Khối xử lý thông tin Để điểm đo có thể làm việc tự động, độc lập thì phải có một CPU, đó chính là khối xử lý. Trong sơ đồ hình 1, 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 thuộc họ 8051. Bộ vi điều khiển 8051 được sử dụng nhiều trong các bộ điều khiển ngày nay. Vi điều khiển 89C52 có đầy đủ thông số kĩ thuật cần thiết cho nghiên cứu của đề tài như: bộ nhớ ROM, RAM, số cổng suất nhập, mạch giao tiếp nối tiếp, số bộ định thời... [1], [4]. Đặc biệt hơn là 89C52 rất 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 và gọn gàng vì vậy phương pháp thu nhận dữ liệu không dây là rất thích hợp. Do đó khối thu phát dữ liệu đưa vào điểm đo cảm nhận môi trường là cần thiết. Trong sơ 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. Tùy từng mục đích khác nhau của điểm đo cảm nhận môi trường như: khoảng cách, tốc độ truyền nhận dữ liệu, khối thu phát số có thể được tích hợp với một bộ vi điều khiển hay bộ vi xử lý. Thông qua vi xử lý để điều khiển việc thu phát dữ liệu thí dụ như bộ vi điều khiển CC1010. Việc thu phát Hình 3: Hình dáng 89C52. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 9 vô tuyến ngày nay rất phổ biến bởi nó 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 Của công ty Radiometrix hình dáng bên ngoài của 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. TX2 và RX2 có kích thước nhỏ, nguồn cung cấp thấp phù hợp cho các ứng dụng di động nói chung. TX2 và RX2 sử dụng nguồn ngắt mở để tiết kiệm năng lượng và đặc biệt hơn là tính modul. Đặc tính này rất thuận lợi cho việc giao tiếp sử dụng [6]. Tất nhiên ở khối thu dữ liệu ngoài modul RX2 còn sử dụng một IC giao diện MAX232 để truyền thông tới cổng COM của máy vi tính[3]. Hình 4: Hình dáng của TX2 và RX2. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 10 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. Vì các sensor áp suất thường nhạy cảm với nhiệt độ môi trường làm thông tin áp suất không chính xác. Mặt khác để tương ứng với mỗi giá trị ADC đưa ra phải là một thông tin nhiệt độ hay áp suất đúng như mong muốn của nhà sản xuất. Thực hiện điều này tại nơi sản xuất MS5535 đã chuẩn hoá giá trị áp suất và nhiệt độ ở một số điều kiện biết trước và đưa ra công thức tính toán thông tin áp suất và thông tin nhiệt độ với các hệ số bù tương ứng với từng modul. Nhờ ưu điểm này mà MS5535 không phụ thuộc vào thành phần (hay thiết bị chuẩn) bên ngoài. Khi sử dụng MS5535 không cần có một thiết bị để chuẩn hoá và nếu cần chỉ kiểm tra lại độ chính xác của sensor [5]. 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 từ - 400C đến + 600C. - 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 phần mềm 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 (9x9x5,5mm3). - Không phụ thuộc thành phần bên ngoài. - Dễ kết nối với máy tính và các thiết bị quan sát. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 11 ♦ 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 áp suất hay nhiệt độ. Một bộ chuyển đổi dữ liệu từ tương tự thành số (bộ ADC). Một IC giao diện và một 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 nhiệt độ đúng mà không cần phải so sánh lại với một thiết bị chuẩn nào. Sự chính xác về nhiệt độ và áp suất có được là từ nhà máy [5]. ♦ Sơ đồ chân của MS5535 Sơ đồ bố trí chân của MS5535 được thể hiện trong hình 6 Hình 5: Sơ đồ khối của MS5535. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 12 Ý nghĩa các chân cho bởi bảng 1. Tên chân Chân số kiểu chân Chức năng GND 1 G Nối đất SCLK 2 I Xung dữ liệu nối tiếp DOUT 3 O Dữ liệu ra DIN 4 I Dữ liệu vào MCLK 5 I Xung đồng hồ chính VDD 6 P Nguồn cung cấp PEN 7 I Cho phép chương trình PV 8 N Điện áp âm khi ghi chương trình Bảng 1: Diễn tả các chân của MS5535. Chú thích : - G kiểu nối mát (đất). - I Kiểu dữ liệu vào.. - O Kiểu dữ liệu ra. - P Nguồn cung cấp. Ở đây chân 7 (PEN) và chân 8 (PV) không dùng với người sử dụng, chỉ sử dụng ở nơi sản suất với mục đích lưu các hệ số bù nhiệt độ và áp suất. Hình 6: Sơ đồ chân của MS5535. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 13 ♦ Giới hạn cho phép các thông số của MS5535 được cho bởi bảng 2 Chỉ số Kí hiệu Cực tiểu Cực đại Đơn vị Nguồn cung cấp VDD -0,3 4 V Áp suất P 30 bar Nhiệt độ bảo quản TStg -45 +70 0C Bảng 2: Dải giá trị cực đại các thông số của MS5535. ♦ Các thông số khuyến nghị vận hành cho bởi bảng 3. Chỉ số Kí hiệu Điều kiện Cực tiểu Trung bình Cực đại Đơn vị Nguồn cung cấp VDD 2,2 3,0 3,6 V Dòng TB Khi Chuyển đổi Khi chờ Iavg Isc Iss VDD = 3,0V 5,0 1,0 0,5 µA mA µA Dòng tiêu thụ của MCLK MCLK=32768hHz 0,5 µA Dải áp suất 0 14 bar Dải nhiệt độ -40 +60 0C Thời gian chuyển đổi MCLK=32768Hz 35 ms Xung dao động MCLK 30000 32768 35000 Hz Tỉ lệ xung MCLK 40/60 50/50 60/50 % Xung nối tiếp SCLK 500 kHz Bảng 3: Điều kiện hoạt động của MS5535. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 14 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 (stanby mode) khi có yêu cầu đo áp suất hay nhiệt độ thì cảm biến áp suất hay nhiệt độ tương ứng sẽ 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. Trong chế độ chờ MS5535 tự động tắt MCLK (xung đồng hồ chính) giúp giảm nguồn tiêu thụ. MS5535 là thiết bị nhạy với những thay đổi của xung đồng hồ, vì vậy phải dùng một dao động thạch anh để tạo xung MCLK. Dạng xung vuông là cần thiết cho MCLK [5]. ♦ Đặc tính của điện áp vào, ra của tín hiệu cho bởi bảng 4. (T=-400C…+600C) Chỉ số Kí hiệu Điều kiện cực tiểu Trung bình Cực đại Đơn vị Điện áp vào cao VIH VDD=2,2…3,6V 80% VDD 100% VDD V Điện áp vào thấp VIL VDD=2,2…3,6V 0% VDD 20% VDD V Điện áp ra cao V0H Inguồn=0,6mA 75% VDD 100% VDD V Điện áp ra thấp V0L Ixuống=0,6mA 0% VDD 20% VDD V Thời gian xung lên TR 200 ns Thời gian xung xuống TF 200 ns Bảng 4: Đặc điểm của điện áp ra và vào của MS5535. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 15 Đối với bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số AD-converter cho độ phân giải áp suất là 15 bít, thời gian chuyển đổi cực đại là 35 ms. Sai số giới hạn 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 – 0,80C đến + 0,80C xét ở nhiệt độ 250C với hệ số bù cung cấp bởi modul MS5535 lưu trữ trong IC giao diện. Độ phân giải nhiệt độ trong khoảng 0.0050C đến 0.0150C. Sai số theo nguồn cực đại khoảng – 0,30C/V đến + 0,30C/V với nguồn cung cấp trong khoảng 2,2 V đến 3,6 V [5]. ♦ Đặc điểm áp suất và nhiệt độ lối ra trình bầy ở bảng 5. Đọc giá trị áp suất ổn định bằng cách lấy trung bình của 4 đến 8 giá trị áp suất đúng liên tiếp. Độ phân giải tốt hơn có thể đạt được với càng nhiều giá trị trung bình. ♦ 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 dụng và chương trình hoá. MS5535 được chuẩn hoá ở hai nhiệt độ T1= 100C và T2=350C, và hai áp suất P1=1000 mbar và P2=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. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 16 Chỉ số Điều kiện Cực tiểu Trung bình Cực đại Đơn vị Phân giải áp suất 1,2 mbar P=0…...5 bar P=0….10 bar P=0….14 bar (T=- 00C…..+ 500C) -25 -60 -160 +20 +20 +20 mbar mbar mbar Sai số áp suất tuyệt đối P=0……5 bar P=0…..10 bar P=0…...14 bar (T=- 400C…+ 600C) -60 -60 -160 60 140 150 mbar mbar mbar Sai số cực đại áp suất do nhiệt độ T=- 400C……+ 600C P=const -160 +150 mbar Sai số cực đại áp suất do nguồn VDD=2,2…..3,6 V -20 +20 mbar/V Phân giải nhiệt độ 0,005 0,015 0C Sai số nhiệt độ Nhiệt độ tham khảo 250C -0,8 0,8 0C Sai số cực đại nhiệt độ do nguồn VDD=2,2….3,6 V -0,3 +0,3 0C/V Bảng 5: Đặc điểm của áp suất và nhiệt độ lối ra. ♦ 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 đó các hệ số bù từ C1 đến C6 được tách ra (hình 8). Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 17 Hình 7: Biểu đồ thu giá trị áp suất và nhiệt độ. Đọc giữ liệu bù từ PROM của MS5535. WORD1, WORD2, WORD3, WORD4 (4x16 Bít) Khởi tạo Chuyển dữ liệu bù ra 6 hệ số. C1= Độ nhạy áp suất (13Bít) C2= Bù áp suất (13Bít) C3= Hệ số nhiệt độ của nhạy nhiệt độ (10Bít) C4= Hệ số nhiệt độ của bù áp suất (9Bít) C5= Nhiệt độ so sánh (12Bít) C6= Hệ số nhiệt độ của nhiệt độ (7Bít) Đọc giá trị áp suất D1(16 Bít) từ MS5535. Đọc giá trị nhiệt độ D2(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=D2 - (8*C5 + 10000) Bù cho nhiệt độ thực. OFF= C2 + (C4 - 250)*dt/212 +10000 Độ nhậy với nhiệt độ thực. SENS=C1/2 + (C3 +200)*dt/213 +3000 Áp suất thực tính ra mbar. P = SENS *(D1 - OFF)/212 +1000 Nhiệt độ thực tính ra 0C. TEMP = (200 + dt*(C6 + 100)/211 )/10 Hiển thị giá trị áp suất và nhiệt độ Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 18 Word1 C1 (13 bít) C2/I (3 bít) B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B12 B11 B10 Word2 C2/II (10 bít) C5/I (6 bít) B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B11 10 B9 B8 B7 B6 Word3 C3 (10 bít) C5/II (6 bít) B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B5 B4 B3 B2 B1 B0 Word4 C4 (9 bít) C6 (7 bít) B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 Hình 8: Dữ liệu định cỡ WORD1, WORD2, WORD3, WORD4. Để đo áp suất vi điều khiển phải đọc giá trị 16 bít thông tin áp suất (D1) và 16 bít thông tin nhiệt độ (D2) cùng một giao diện nối tiếp. Sau đó giá trị áp suất được tính ra từ D1, D2 và C1 đến C6 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. kết quả phép chia có thể được đưa về số nguyên [5]. ♦ 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 điện 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 như trong lý thuyết của nhiệt độ và áp suất. ♦ 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 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 19 DIN DOUT SCLK Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Bit 8 Bit 9 Bit 10 Bit 11 Bit 12 Bit 13 Bit 14 Bit 15 Hình 9a: Chuỗi xung reset 21 bít cả 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 quả 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. Đây là cấu trúc dữ liệu ra: - Chuỗi xung reset. (hình 9a) - Bắt đầu chuyển đổi đo áp suất và dữ liệu ADC ra D1. (hình 9b) - Bắt đầu chuyển đổi đo nhiệt độ và dữ liệu ADC out D2. (hình 9c) - Chuỗi đọc giá trị định cỡ cho WORD1 và WORD3. (hình 9d) - Chuỗi đọc giá trị định cỡ cho WORD2 và WORD4. (hình 9e) Bắt đầu truyền thông với một cấu trúc chuỗi ở chân DIN. Các hình 9a, 9b, 9c, 9d, 9e chỉ ra sơ đồ thời gian cho MS5535. Thiết bị không cần tín hiệu chip select (chọn vỏ). Có một start-sequence (chuỗi bắt đầu) 3 bít cao và một stop-sequence (chuỗi kết thúc) 3 bít thấp cho mỗi lần đọc. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 20 Theo sau start-sequence là 4 cấu trúc bít để lựa chọn đọc giá trị áp suất, nhiệt độ hay các giá trị bù. MS5535 chấp nhận bắt đầu chuyển đổi bằng một mức thấp chuyển đến mức cao ở chân DOUT trong thời gian bít cuối cùng của stop-sequence. Sau khi có tín hiệu chấp nhận chuyển đổi ở chân DOUT thì chân DIN cần thêm tối thiểu là 2 xung SCLK đưa vào. Kết thúc chuyển đổi chỉ ra bởi mức cao chuyển xuống mức thấp của chân DOUT. Tín hiệu này có thể được dùng để tạo ra một ngắt cho vi điều khiển.Vi điều khiển có thể đọc word 16 bít bằng cách đưa ra 16 xung trên DIN DOUT SCLK Conversion (33ms) Sequence: P measurement Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Bit 8 Bit 9 Start-bit Setup-bit Stop-bit Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 0 ADC - data out MSB ADC - data out LSB Hình 9b: Chuyển đổi đo áp suất và dữ liệu ADC ra D1 DIN DOUT SCLK Conversion (33ms) Sequence: T measurement Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Bit 8 Bit 9 Start-bit Setup-bit Stop-bit Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 0 ADC - data out MSB ADC - data out LSB Hình 9c: Chuyển đổi đo nhiệt độ và dữ liệu ADC ra D2 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 21 chân SCLK. Dữ liệu là đúng ở sườn xuống của xung SCLK. Một điều quan trọng là phải luôn luôn đọc kết quả chuyển đổi trước khi một chuyển đổi mới. Nên dùng reset-sequence trước chuỗi thu nhận để tránh treo. Một thuận tiện là có thể ngắt chuỗi đọc dữ liệu bằng cách dữ tín hiệu SCLK. Reset-squence thiết lập logic điều khiển bên ngoài về tình trạng bắt đầu của MS5535, chuỗi này dài 21 bít. Tín hiệu DOUT có thể thay đổi trong thời gian của chuỗi reset cho bởi hình 9a. DIN DOUT SCLK Sequence: coefficient Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 9 Start-bit Setup-bit Stop-bit Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 0 Coefficient data MSB Coefficient data LSB Bit 10 Bit 11 Bit 4 Bit 5 Bit 3 Bit 6 Bit 7 Bit 8 Address word1 Address word3 Hình 9d: Chuỗi đọc giá trị chuẩn hoá word1 và word3 DIN DOUT SCLK Sequence: coefficient Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 9 Start-bit Setup-bit Stop-bit Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 0 Coefficient data MSB Coefficient data LSB Bit 10 Bit 11 Bit 4 Bit 5 Bit 3 Bit 6 Bit 7 Bit 8 Address word2 Address word4 Hình 9e: Chuỗi đọc giá trị chuẩn hoá word2 và word4 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 22 2.2 Modul TX2 và RX2 ♦ Modul phát tín hiệu TX2 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 [6]. Cấu tạo TX2 có sơ đồ khối như hình 10 và kích thước vật lý của TX2 như hình 11. 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. Chức năng các chân: - Chân RF GND (Chân 1) Chân nối đất của RF. Bên trong nối với một màn chắn và chân 4 (0V). Chân này sẽ nối với RF đường về. Hình 10: Sơ đồ khối cấu tạo của TX2 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 23 - Chân RF out (Chân 2): Với đặc điểm 50Ω RF lối ra antenna. - VCC (Chân 3) Chân nguồn cung cấp. Modul sẽ phát ra RF khi có nguồn cung cấp. Nguồn không gợn sóng quá 0,1 Vpp. Một tụ 100 nF sử dụng cho nguồn. - 0V (Chân 4) Cung cấp nối đất. Nối với chân 1 và màn chắn. - TXD (Chân 5) DC nối với lối vào điều biên sẽ được nối với chuỗi dữ liệu số nối tiếp (0V tới mức VCC ). Trở kháng lối vào là 100 kΩ. ♦ 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 11: Kích thước vật lý Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 24 Đặc điểm về điện của TX2 được trình bầy trong bảng 6: Chỉ số Điều kiện Chú thích chân Cực tiểu Trung bình cực đại Đơn vị Nguồn cung cấp 3 4.0 5.0 6.0 V Dòng cung cấp VCC=5V 3 4 6 10 mA Công suất RF VCC=5V(1) 2 +6 +9 +12 dBm Hài (1) -65 -54 dBc Hài > 1GHz VCC=5V(1) 2 -50 -40 dBc Chính xác tần số ban đầu (1) -30 0 +30 KHz Chính xác tần số toàn bộ -70 +70 kHz Lệch FM 20 25 30 kHz Độ rộng băng biến điệu -3dB dBc 20 kHz Đô rộng băng biến điệu -3dB (2) 5 100 kHz Méo điều biên 10 % Thời gian cấp nguồn cho đến khi RF đủ 100 µs Bảng 6: Đặc điểm về điện của TX2 Chú thích : 1. Đo ở 50Ω. 2. Cho loại 160kbps. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 25 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 thấp rồi đưa ra ngoài. Một đường tín hiệu đưa qua bộ tạo dữ liệu thích nghi đưa ra dữ liệu số nơi phát. Kích thước vật lý RX2 được chỉ ra ở hình 13. Hình 12: Sơ đồ khối của RX2 Hình 13: Kích thước vật lý của RX2 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 26 Chức năng các chân: - RF in (Chân1). 50Ω RF lối vào từ antenna. Đây là DC đơn bên trong. - RF GND (Chân 2). Chân nối đất của RF, bên trong nối với màn chắn modul và chân 4 (0V). Chân này nối với tín hiệu RF đường về. - CD (chân 3) Dùng để dò sóng mang có thể được sử dụng với tranzitor PNP bên ngoài để đạt được mức logic tín hiệu dò sóng mang, nếu không đòi hỏi nó được nối với chân 5(VCC). - VCC (Chân 5). Chân nguồn cung cấp từ 3,0 V đến 6,0 V dòng nhỏ hơn 17 mA. Nguồn cung cấp phải nhỏ hơn 2 mVpp gợn sóng. Một tụ 10 µFvà một điện trở 10 Ω nối tiếp được khuyến nghị sử dụng, nếu nguồn tốt mà không sử dụng được. - AF (Chân 6) Đây là bộ đệm và lọc tương tự lối ra của giải điều chế. Có một thế DC 1,2 V và 400 mVpp tín hiệu băng cơ bản. Nó có tác dụng để kiểm tra chỉ số hoặc để điều khiển giải mã tuyến tính. Lối ra yêu cầu trở khán lớn hơn 1 kΩ và dung kháng nhỏ hơn 100 pF. - RXD (Chân 7). Lối ra số từ dữ liệu bên trong là chân 7 (AF). Nó có thể được sử dụng để điều khiển giải mã bên ngoài. Dữ liệu là dữ liệu đúng. Lối ra yêu cầu trở kháng lớn hơn 1kΩ và dung kháng nhỏ hơn 1nF. ♦ Các giá trị giới hạn. Nhiệt độ vận hành từ -100C đến +550C. Nhiệt độ bảo quản từ -400C đến +1000C. Với TX2 : VCC chân 3 giá trị từ -0,1 V đến +10 V Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 27 Dữ liệu chân 5 giá trị từ -0,1 đến +10 V. RF out chân 2 là ±50 V 10 MHz. Với RX2 : VCC chân 5 giá trị từ -0,1 đến +10.0V. Dữ liệu, DC và AF (chân 7,3,6) giá trị từ -0,1V đến +VCC. RF lối vào (Chân 1) ±50V10MHz. Không nên vận hành TX2 ở điện áp lớn hơn 6V bởi vì modul có thể bị vượt quá mức nguồn cho phép. Đặc điểm về điện của RX2 cho bởi bảng 7. Chỉ số Điều kiện Chân Cực tiểu Trung bình Cực đại Đơn vị Nguồn cung cấp 5 4 V 5 V 6 V V Dòng tiêu thụ 5 11 13 17 MA Gợn sóng của nguồn 5 12 MVpp Dữ liệu ra mức cao 100µA nguồn 7 VCC -- --0,6V V Dữ liệu ra thấp 100µA đáy 7 0,4 100 pF Độ nhạy RF cho 10dB (S+N)/N 1,6 -96 dBm Độ nhạy RF cho 1ppm BER 1,6 -90 dBm Bẳt đầu của CD 1,3 -104 dBm Độ rộng băng IF 250 kHz Lệch tần số lúc đầu 1 -30 0 +30 kHz Bảng 7: Đặc điểm về điện của RX2 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 28 Hình 15 : Một số antenna Modul TX2 hoặc RX2 có thể đặt nằm ngang hay thẳng đứng (hình 14). Phần nối đất gần anten và phần nối dữ liệu tới anten ngắn . Phần thu nhận và antenna của nó cần để xa nguồn nhiễu. Có 3 loại anten được khuyến nghị sử dụng với module (hình 15). Chú thích: - helical antenna là loại antenna xoắn ốc, được tráng một lớp đồng 0,5mm mặt cắt của nó là 3,2mm. Hình 14: Cách đặt module Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 29 - Loop antenna là loại antenna cuộn, Diện tích bên trong từ 4 đến 10 cm2. - Whip antenna là antenna roi. Mạch điện lắp ráp của module thu và phát được chỉ ra trên hình 16 [6]. Hình 16a: Mạch điện của module phát TX2 Hình 16b: Mạch điện của module thu RX2 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 30 2.3 Vi điều khiển 89C52 ♦ Khái quát chung Vi điều khiển 89C52 thuộc họ vi điều khiển 8051 của intel. Các nhà sản suất khác như simens, Advanced micro Devices, philips … Được cấp phép làm các nhà cung cấp thứ hai cho các chíp của họ 8051. 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 64k [1]. Hình 17 cho ta sơ đồ chân của chíp 89C52. Mô tả tóm tắt chức năng của từng chân như sau: 32 trong số 40 chân của 89C52 có công dụng xuất hoặc nhập, tuy nhiên 26 trong 32 đường này có mục đích khác. Mỗi một đường có thể hoạt động xuất /nhập hoặc hoạt động như một đường điều khiển hoặc hoạt động như một đường địa chỉ/dữ liệu của bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp. Các đặc trưng đã đề cập ở trên được trình bày trong sơ đồ khối ở hình 18. 32 chân nêu trên hình thành 4 port 8-bit. Như vậy các thiết kế chỉ yêu cầu một mức tối thiểu bộ nhớ ngoài hoặc các thành phần bên ngoài khác. Hình 17: Sơ đồ chân của 89C52 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 31 Ta có thể sử dụng các port này làm nhiệm vụ xuất/nhập, 8 đường cho mỗi port có thể được xử lý như một đơn vị giao tiếp với các thiết bị song song như máy in, bộ biến đổi D-A …hoặc mỗi đường có thể hoạt động độc lập giao tiếp với một thiết bị đơn bit như chuyển mạch, LED, BJT, FET cuộn dây, động cơ, loa … Hình 18: Sơ đồ khối của 89C52 Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 32 ♦ Port 0 Port 0 (các chân từ 32 đến 39 trên 89C52) có 2 công dụng. Trong các thiết kế có tối thiểu thành phần, port 0 được sử dụng làm nhiệm vụ xuất/nhập. Trong các thiết kế lớn hơn có bộ nhớ ngoài, port 0 được trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp (byte thấp của bus địa chỉ nếu là địa chỉ) ♦ Port 1 Port 1 có một công dụng xuất/nhập (các chân từ 1 đên 8 trên 89C52). Các chân của port 1 được ký hiệu là P1.0, P1.1,…., P1.7 và được dùng để giao tiếp với thiết bị bên ngoài khi có yêu cầu. Chúng được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Ta có thể sử dụng P1.0 và P1.1 hoặc làm các đường xuất/nhập hoặc làm các lối vào cho mạch định thời thứ ba. ♦ Port 2 Port 2 (các chân từ 21 đén 28 trên 89C52) có 2 công dụng, hoặc làm nhiệm vụ xuất/nhập hoặc là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16-bit cho các thiết kế có bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 byte bộ nhớ dữ liệu ngoài. ♦ Port 3 Port 3 (các chân từ 10 đến 17 trên 89C52) có 2 công dụng. Khi không hoạt động xuất/nhập, các chân của port 3 có nhiều chức năng riêng (mỗi chân có chức năng riêng liên quan đến các đặc trưng cụ thể của 89C52). Dưới đây là chức năng của các chân của port 3 và chân P1.0, P1.1 của port 1. Chân Tên Chức năng. P3.0 RxD Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp. P3.1 TxD Chân phát dữ liệu của port nối tiếp. P3.2 0INT Ngõ vào ngắt ngoài 0. P3.3 1INT Ngõ vào ngắt ngoài 1. P3.4 T0 Ngõ vào bộ định thời/đếm 0. Luận văn thạc sĩ Phùng Công Phi Khanh 33 P3.5 T1 Ngõ vào bộ định thời/đếm 1. P3.6 WR Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài. P3.7 RD Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài. P1.0 T2 Ngõ vào bộ định thời/đếm 2. P1.1 T2EX Nạp lại/thu nhận của bộ định thời 2. ♦ Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN 89C52 cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển bus. Tín hiệu cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (program store enable) là tín hiệu xuất trên chân 29. Đây l._.