điều khiển tự động

bảo vệ
luận văn cao học
Đề tài: Nghiên cứu, xây dựng hệ Đo lường lưu lượng chất lỏng dựa trên vi điều khiển MSP 430

Người thực hiện: Khổng Mạnh Tiến

Giáo viên hướng dẫn: Đại tá - Tiến sỹ - Phan Quốc Thắng
tính cấp thiết của đề tài

Trong thời đại phát triển khoa học công nghệ nhanh và ngày càng hoàn thiện với đầy đủ các tính năng tích hợp như ngay nay. Các hãng tên tuổi lớn như Intel, Motorola, Texas Instrument, Atmel, Phillips... lần lượt đưa ra các hệ vi điều khiển mới có khả năng tốc độ siêu xử lý, tiết kiệm năng lượng nhất.
Họ vi điều khiển MPS 430 của hãng Texas Instrument là một ví dụ điển hình cho các tính năng vượt trội về tốc độ xử lý tín hiệu, tiết kiệm năng lượng, và thông minh. Hiện nay ở Việt nam, Họ vi điều khiển MSP430 còn rất mới, chưa có một tài liệu tiếng việt cụ thể nào nó rõ về họ này.
tính cấp thiết của đề tài

Với tính cấp thiết như vậy, tôi đã chọn đề tài "Nghiên cứu, xây dựng hệ đo lường lưu lượng chất lỏng dựa trên họ vi điều khiển MSP430." với mục tiêu là:
1/ Nghiên cứu tổ chức phần cứng, phần mềm của MSP 430 chưa được phổ biến rộng rãi để làm sáng tỏ được các đặc tính công nghệ mới, ưu việt của họ vi điều khiển nhằm ứng dụng vào trong thực tiễn cuộc sống.
2/ Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng một hệ ứng dụng điển hình: Hệ đo lường lưu lượng chất lỏng dựa trên vi điều khiển MSP 430. Từ đó khẳng định được việc làm chủ họ vi điều khiển MSP 430 sau thời gian nghiên cứu lý thuyết cấu trúc phần cứng của MSP430, cũng như trình biên dịch AQ430 dành cho nó.
BỐ CỤC LUẬN VĂN
Chương 1. Tổng quan về vi điều khiển
1
Chương 2. Tổ chức phần cứng MSP 430
2
Chương 3. Tổ chức môi trường lập trình cho MSP 430
3
Chương 1:
Tổng quan về vi điều khiển

1.1. Giới thiệu chung

Vi điều khiển là mạch tích hợp trên một chíp có thể lập trình được. Nhằm để biểu diễn hoạt động của một hệ thống theo các tập lệnh của người lập trình. Bộ vi điều khiển tiến hành đọc thông tin, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó.

Bộ vi điều khiển với dung lượng RAM, ROM trên chip và cổng vào - ra đã trở nên trong nhiều ứng dụng yêu cầu giá thành hạ và không gian sử dụng hạn chế. Những ứng dụng, ví dụ như bộ điều khiển TV từ xa, điều hoà, máy giặt, điện thoại.... Các hệ thống càng "Thông minh" thì vai trò của bộ vi điều khiển càng quan trọng.
1.2. Lịch sử phát triển
- Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lý, từ những năm của thập kỷ 70, dựa trên kỹ thuật MOS ( Metal-Oxide-Semiconductor).
- Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lý 4 bit loại TMS1000 do hãng TI (Texas Instruments) phát minh.
- Năm 1976 hãng INTEL(Interlligen-Elictronics) mới cho ra đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048.
- Đến năm 1980 hãng INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ điều khiển đơn chip với tên gọi 8051. Sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình thành họ vi điều khiển MCS-51.
- Mới đây hãng TI (Texas Itruments) đã cho ra đời một họ vi điều khiển mới có tính công nghệ cao, công nghệ RISS 16-bit, CMOS, và trên họ vi điều khiển MSP430 còn tích hợp được rất nhiều tính năng như: Tốc độ tính toán, hệ thống xung đồng hồ, bộ chuyển đổi ADC, DCA...
1.3. Khảo sát họ vi điều khiển 8051
Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên của họ 8051. Hãng INTEL ký hiệu là MCS-51.
Bảng giới thiệu một số thông số của 8051
1.4. Khảo sát họ vi điều khiển MSP 430:
Các tính năng kỹ thuật vược bậc nổi trội của MSP 430:
Công nghệ CMOS tiêu thụ năng lượng thấp, nguồn nuôi RAM 0.1-mA, 0.8-mA.
Tiêu chuẩn analog cho phép đo chính xác.
Bộ so sánh điện áp thấp, có khả năng kết nối với thiết bị ngoại vi cực kỳ thông minh.
Bộ giám sát điện áp 16-bit RISC CPU cho phép các ứng dụng mới tại một phần nhỏ của kích thước mã.
Hệ thống lập trình Flash bên trong cho phép thay đổi mã mềm dẻo.
Bộ định thời cảnh giới (WDT). có chức năng là thực hiện khởi động lại hệ thống sau khi suất hiện vấn đề ở phần mềm.
Kết luận chương 1:

Đã định nghĩa và làm rõ được khái niệm về vi điều khiển, các khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực đời sống, khoa học kỹ thuật.

Khái quát được các dòng và họ vi điều khiển của các hãng tên tuổi trên thế giới như INTEL, TI, Motorola....., nêu sơ qua được các đặc tính kỹ thuật của chúng

Khảo sát sơ bộ về họ vi điều khiển MSP 430 mà mục đính của luận văn cần đề cập. Nêu được các đặc tính nổi trội về công nghệ so với các hộ vi điều khiển cổ điển. Đây là họ vi điều khiển đang còn rất mới với thị trường Việt Nam.
Chương 2

Tổ chức phần cứng MSP 430

2.1- Sơ đồ kiến trúc
2.2- Đặc điểm phần cứng
Bảng thông số của MSP430F169
2.3.Xử lý ngắt
Có 3 kiểu ngắt:
- Reset hệ thống.
- Không che được NMI.
- Che được.
Quy trình thực hiện ngắt như sau:
1. Lệnh hiện hành được hoàn thành.
2. Con trỏ chương trình PC, trỏ tới lệnh tiếp theo, được cất vào ngăn xếp.
3. Thanh ghi trạng thái được cất vào ngăn xếp.
4. Ngắt với mức ưu tiên cao nhất được chọn, nếu có nhiều ngắt xuất hiện sau lệnh cuối cùng và đang chờ được phục vụ.
5. Yêu cầu ngắt tự động thiết lập lại cờ.
6. Thanh ghi trạng thái SR được xóa với việc không tính đến SCG0.
7. Nội dung của vecto ngắt được nạp vào PC: Chương trình tiếp tục với trình phục vụ ngắt tại địa chỉ đó.
2.4. CPU
Các đặc trưng CPU bao gồm:
- Kiến trúc RISC với 27 lệnh và 7 chế độ định địa chỉ.
- Kiến trúc trực giao với mỗi lệnh có thể sử dụng mỗi chế độ định địa chỉ.
- Truy cập thanh ghi đầy đủ bao gồm PC, SR, và SP.
- Các hoạt động thanh ghi một chu kỳ.
- Tập thanh ghi rộng 16-bit giảm tìm nạp tới bộ nhớ. Bus địa chỉ 16-bit cho phép truy cập trực tiếp và rẽ nhánh khắp nơi toàn bộ bộ nhớ.
- Bus dữ liệu 16-bit cho phép thao tác trực tiếp các đối số có độ rộng từ.
- Bộ phát hằng số cung cấp nhiều nhất 6 giá trị được sử dụng tức thì làm giảm kích thước mã.
- Bộ chuyển đổi trực tiếp bộ nhớ không cần các thanh ghi trung gian.
- Địa chỉ byte và từ, và định dạng lệnh.
2.5. Bộ nhân phần cứng

Bộ nhân phần cứng là một ngoại vi và không là bộ phận của CPU MSP430. Cách thức này, hoạt động của nó không gây trở ngại với hoạt động của CPU. Các thanh ghi bộ nhân và thanh ghi ngoại vi được nạp và đọc bởi các lệnh CPU

Bộ nhân phần cứng hỗ trợ:

Nhân không dấu.

Nhân có dấu.

Nhân dấu tích không dấu.

Nhân tích lũy có dấu

- 16x16 bit, 16x8 bit, 8x16 bit, 8x8 bit.
2.6. Bộ điều khiển DMA
Các đặc tính của bộ điều khiển DMA gồm:
Ba kênh truyền độc lập
Mức ưu tiên kênh DMA có thể cấu hình được
Chỉ yêu cầu hai chu kỳ đồng hồ MCLK
Có khả năng truyền byte, word hoặc kết hợp cả hai
Kích thước khối lên đến 65535 byte hoặc word
Việc lựa chọn trigger (kích thích) truyền có thể cấu hình được
Có thể chọn trigger truyền theo mức hoặc theo sườn
Bốn mode định địa chỉ
Các mode truyền gồm: truyền đơn, theo khối hoặc cụm khối (burst-bloc)
2.7. Các chân vào/ Ra số
Thiết bị MSP 430 có thể có đến 6 cổng vào ra số, P1 - P6. Mỗi cổng có 8 chân vào ra. Mỗi chân vào ra có thể cấu hình cho hướng vào hoặc ra, và mỗi đường vào ra có thể đọc ra hoặc ghi vào một cách riêng rẽ.
Cổng P1 và P2 có khả năng ngắt. Mỗi ngắt cho các đường vào ra của cổng P1 và P2 có thể cấu hình và cho phép một cách riêng rẽ trên mỗi đường vào ra để cung cấp một ngắt theo sườn dương hoặc theo sườn âm của tín hiệu vào. Tất cả các đường vào ra của cổng P1 tạo thành nguồn của một vector ngắt, và toàn bộ các đường vào ra của cổng P2 cũng tạo thành nguồn của một vector ngắt khác, đây cũng là một vector ngắt đơn.
* Các đặc tính của vào ra số: Có thể lập trình độc lập trên mỗi đường vào ra; Có thể kết hợp mọi kiểu vào hoặc ra; Các ngắt P1 và P2 có thể cấu hình riêng rẽ; Các thanh ghi dữ liệu vào và ra độc lập với nhau; Có 7 thanh ghi được dùng để cấu hình cổng P1 và P2. Có 4 thanh ghi được dùng để cấu hình các cổng P3 - P6.
2.8.ADC/DAC 12 bít
Các đặc tính của ADC12 :
Tốc độ chuyển đổi lớn nhất lớn hơn 200kp/s
Chuyển đổi đều 12 bit với mã không mất
Lấy mẫu và giữ với khoảng lấy mẫu lập trình được điều khiển bởi phần mềm hoặc các bộ định thời.
Tạo điện áp chuẩn trên chip có thể lựa chọn được bởi phần mềm (1.5V hoặc 2.5V)
Điện áp chuẩn trong hay ngoài có thể lựa chọn được bằng phần mềm
Tám kênh vào ngoài có thể cấu hình riêng rẽ
Có các kênh chuyển đổi cho bộ cảm ứng nhiệt độ bên trong, AVCC và các điện áp chuẩn ngoài
Các nguồn chuẩn cho kênh có thể lựa chọn được theo kênh một cách độc lập cho cả chuẩn dương và âm.
Thanh ghi vector ngắt giúp cho việc giải mã nhanh 18 ngắt ADC
16 thanh ghi lưu trữ kết quả chuyển đổi
2.9. Watch dog timer
Chức năng chủ yếu của module định thời cảnh giới (WDT) là thực hiện khởi động lại hệ thống sau khi xuất hiện một vấn đề ở phần mềm. Nếu khoảng thời gian đã chọn trôi qua thì nó sẽ thực hiện reset hệ thống. Nếu chức năng cảnh giới là không cần thiết trong ứng dụng thì module này có thể được cấu hình như một bộ định thời nội và có thể tạo ra ngắt tại các khoảng thời gian nhất định.

* Các đặc tính của module định thời cảnh giới:
- Bốn khoảng thời gian lựa chọn được bởi phần mềm
- Mode cảnh giới
- Mode khoảng thời gian
- Truy nhập tới thanh ghi điều khiển WDT được bảo vệ bằng mật khẩu
- Chức năng điều khiển chân RST/NMI
- Nguồn đồng hồ có thể lựa chọn
- Có thể dừng lại để tiết kiệm năng lượng
2.10. Kết luận
Sau khi đã nghiên cứu phần cứng và cấu trúc của họ vi điều khiển MSP430, Có thể tóm tắt các đặc trưng nổi bật của MSP430 bao gồm: Công suất tiêu thụ trong các chế độ làm việc của CPU rất thấp. Tích hợp đầy đủ các ngoại vi trên một chip. Có hệ thống xung đồng hồ được điều khiển mềm dẻo. Bộ định thời ngoài chức năng đếm và định thời thông thường, có thêm chức năng so sánh, điều chế độ rộng xung PWM. Các bộ biến đổi ADC, DAC đa kênh.
Đặc biệt so với các họ vi điều khiển khác, MSP430 có bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp_ DMA cho phép truy cập bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU, tăng tốc độ làm việc. Bộ định thời Watchdog bảo đảm cho hệ thống làm việc không bị treo.
Cấu trúc CPU với tập lệnh rút gọn_ RISC làm cho không gian mã được tối thiểu hóa, việc lập trình cũng đơn giản. Tất cả các lệnh có thể được sử dụng với tất cả 7 chế độ định địa chỉ trên toàn bộ cấu trúc MSP430. Không có các lệnh hay chế độ địa chỉ đặc biệt nào bị phụ thuộc khi làm việc với RAM, ngoại vi, CPU, các thanh ghi hay bất kỳ một phần nào khác của MSP430.
Với các đặc trưng nổi trội trên, MSP430 đúng là một họ vi điều khiển tiên tiến thích hợp với nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử, tự động hóa.
Chương 3.

Tổ chức môi trường lập trình cho MSP 430

3.1. Giới thiệu AQ 430
Trình biên dịch C AQ 430 cho MSP430 tuân theo tiêu chuẩn ANSI/ISO 9899-1990, gồm các hàm:
+ Hàm Inline
Biến trong ROM (flash)
Biến trong RAM
Các hàm ngắt.
AQ430 C cung cấp một số hàm được cài đặt sẵn cho phép truy cập dễ dàng các đặc trưng riêng biệt của phần cứng MSP430 từ mã C. Các hàm cài đặt sẵn được mở rộng trong dòng tại điểm gọi. �
3.2. Các bước tổ chức lập trình

Bước 1. Tạo một file nguồn ( dạng C, hoặc ASM )

Bước 2. Tạo một Project

Bước 3. Nạp chương trình vào chip

Bước 4. Kết thúc việc nạp chương trình
3.3. Tổ chức giao diện
+ Cài đặt phần mềm AQ430
Trong đĩa chương trình AQ430, chạy file aq4309xarm đối với hệ điều hành 9x,chạy file aq4302karm đối với hệ điều hành 2k hoặc XP.
+ Tổ chưc giao diện chính:
Erase Info Memory (ALT R + I) : xoá thông tin bộ nhớ.
Erase Main Memory (ALT R + M): xoá bộ nhớ chính.
Program Executable (ALT R + P): chương trình hiện thời nạp vào project.
Load RAM (ALT R+L): nạp RAM với giá trị được lưu trong file ASCII.
Save RAM (ALT R+S): Ghi nội dung của RAM tới một file ASCII.
Compare on-chip memory with project: Cho phép người sử dụng so sánh nội dung của một chip và của một project đã được dịch
3.4. Kết luận chương 3
Qua việc nghiên cứu trình biên dịch AQ430, có thể khẳng định đây là một trình biên dịch rất ưu việt đối với họ vi điều khiển MSP430. Trình biên dịch AQ430 cho phép người sử dụng lập trình với ngôn ngữ C hoặc ASM. Tuy nhiên như chúng ta đã biết MSP430 có kiến trúc với tập lệnh RISC, do đó việc lập trình với ngôn ngữ ASM sẽ khó khăn cho người sử dụng. AQ430 thích hợp với ngôn ngữ C hơn. Ngoài các hàm theo chuẩn ANSI, trình biên dịch AQ430 hỗ trợ thêm rất nhiều hàm đặc biệt dành cho MSP430, làm đơn giản trong lập trình. AQ430 cho phép xây dựng một cấu trúc để thao tác đến từng bit của các thanh ghi. Đặc biệt, AQ430 có tiện ích Wizards giúp cho việc thiết lập các ngoại vi một cách nhanh chóng. Chương trình gỡ rối Debug cho phép chúng ta kiểm tra từng bước việc thực hiện chương trình của CPU, kiểm tra các thanh ghi của MSP 430 ngay trên máy tính.
3.4. Kết luận chương 3
AQ430 là một trình biên dịch mạnh với một số nét đặc trưng sau:
AQ430 cho phép lập trình kết nối với ngôn ngữ bậc cao như C hoặc với hợp ngữ ASM.
AQ430 hỗ trợ nhiều hàm đặc biệt dành cho MSP430 giúp đơn giản hoá trong quá trình trong lập trình ứng dụng.
AQ430 cho phép lập trình xử lý bit một cách hiệu quả.
Có tiện ích Wizards hỗ trợ lập trình ứng dụng với các ngoại vi một cách thuận lợi.
Chương trình gỡ rối Debug cho phép chúng ta kiểm tra từng bước việc thực hiện chương trình của CPU, kiểm tra các thanh ghi của MSP 430 ngay trên máy tính.
Chương 4

Cảm biến đo lưu lượng - vận tốc chất lưu ứng dụng trong xây dựng hệ thống đo lường
4.1. Giới thiệu:
Luu lu?ng, v?n t?c ch?t luu là các tham s? quan tr?ng c?a quá trình công ngh?. Mu?n nang cao ch?t lu?ng các s?n ph?m và hi?u qu? c?a h? th?ng di?u khi?n t? d?ng c?n do chính xác các tham s? đó.
Dể đáp ?ng du?c yêu c?u trên các c?m bi?n du?c s? d?ng có c?u t?o da d?ng và phuong pháp do cung khác nhau. Th?c t? chuy?n d?ng c?a ch?t luu du?c d?c trung b?i dòng chảy. D? mô t? tính ch?t v?t lý c?a dũng chảy c?n do v?n t?c, kh?i lu?ng riêng, áp su?t và nhi?t d? ? các v? trí khác nhau c?a luu ch?t.
Dòng chảy có thể là m?t pha ho?c nhi?u pha trong đó s? lu?ng v?t ch?t du?c xác d?nh b?ng kh?i lu?ng ho?c th? tích tuong ?ng v?i các don v? (kg, t?n) hoặc (lít, m3).
Luu lu?ng v?t ch?t là s? lu?ng ch?t đó chảy qua ti?t di?n ngang c?a ?ng d?n trong m?t don v? th?i gian.
( Công thức tính toán lưu lượng và khối lượng theo thời gian đã trình bày trong luận văn)
4.2. Đo lưu lượng bằng phương pháp đếm xung
Nguyên lý làm việc dựa trên số vòng quay của tua bin trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với tốc độ vòng chảy.
n = k . v ( 1)
n là số vòng quay của tua bin; k - hệ số;
v - tốc độ của dòng chảy qua tiết diện của ống dẫn.
Lưu lượng thể tích qua ống dẫn được tính theo công thức:
Q = v . S ( 2)
Từ ( 1) thay vào (2) ta được
Q = ( 3)
S - tiết diện dòng chảy;
K - hệ số phụ thuộc vào đặc tính và cấu tạo của cảm biến.
Đo tốc độ của vòng quay có thể thực hiện theo 2 phương pháp
* Biến đổi tần số thành điện áp (f V), chỉ thị điện áp tỷ lệ với số vòng quay và xác định lưu lượng cần đo.
* Đo tốc độ vòng quay bằng tần số kế (đếm xung) để xác định lưu lượng cần đo (§©y lµ ph­¬ng ph¸p t«i lùa chän ®Ó nghiªn cøu)
4.3. Cảm biến đo lưu lượng
- Cảm biến đo lưu lượng là thiết bị có khả năng mã hoá bởi tín hiệu vào và sau đó tạo ra tín hiệu liên quan khác. Nó cấp một đầu ra hữu ích theo tín hiệu đầu vào đo xác định là một đại lượng vật lý, tín hiệu truyền được chuyển thành dạng xung vuông đầu ra.
- Cấu tạo bộ mã hoá xung vòng quay bao gồm năm thành phần cơ bản : nguồn sáng, đĩa mã hoá, lưới tụ điện, bộ thu quang, bộ khuyếch đại điện từ.
- Các bộ mã hoá xung vòng quay hoạt động dựa trên sự di chuyển của một đĩa mã hoá giữa nguồn phát ánh sáng và bộ thu quang. Khi ánh sáng đi qua các vùng trong suốt của đĩa mã hoá, bộ thu quang đã thu được tín hiệu. Tín hiệu này sẽ được chuyển thành dạng xung vuông đầu ra. Mỗi một rãnh đi qua là có một lần tín hiệu (xung) đến được đầu thu, qua mạch nhận biến đổi thành tín hiệu điện truyền đến mạch CPU để xử lý.
4.4. Bộ chuyển đổi xung đo lưu lượng dùng trong cột đo nhiên liệu:
- Bộ chuyển đổi xung chuyển đổi số vòng quay của trục buồng đong cột đo nhiên liệu thành số lượng xung để mạch CPU tính toán và hiển thị.
Bộ chuyển đổi xung của bộ chỉ thị điện tử thường được đặt trong hộp bảo vệ bằng nhôm đúc, đảm bảo chắc chắn và không bị ảnh hưởng của điều kiện làm việc như độ ẩm và nhiệt độ.
Cảm biến cột đo nhiên liệu:
- Ví dụ về một số bộ chuyển đổi xung:
Bộ chuyển đổi TATSUNO
Đĩa với các rãnh
Đầu thu phát
Mạch điện tử
Cấu tạo bên trong bộ chuyển đổi SEEN SEDI VI
Nguyên l?ý hoạt động của cột đo nhiên liệu:

+ Bơm hoạt động, nhiên liệu được đẩy qua buồng đong.
+ Khi buồng đong quay, mỗi một vòng quay của buồng đong (chu kỳ chuyển động của Piston) tương ứng với một lượng nhiên liệu nhất định (ví dụ: cột ADAST 2 vòng/Lít , cột Bennett Mỹ là 2,09 vòng/Lít).
+ Trục buồng đong được lắp với trục của bộ chuyển đổi (phát xung). Khi buồng đong quay một vòng (tương ứng với một lượng nhiên liệu nhất định) thì bộ chuyển đổi cũng quay một vòng (tương ứng với một số lượng xung nhất định được phát ra và truyền lên bộ chỉ thị điện tử).
+ Bộ chỉ thị điện tử nhận được số xung từ bộ chuyển đổi sẽ tính toán theo chương trình đã được lập sẵn và hiển thị giá trị thể tích và giá tiền tương ứng trên mặt hiển thị để thông báo cho khách hàng.
Nguyên lý hoạt động của cột đo nhiên liệu:
Công thức tính toán thể tích nhiên liệu:
Buồng đong
V,n
Bộ chuyển đổi M,n
Bộ chỉ thị
K
Hiển thị
L
Trong đó:
V: số Lít ra trên một vòng quay buồng đong.
n: số vòng quay buồng đong ứng với số vòng quay của bộ chuyển đổi.
M: số xung trên một vòng quay của bộ chuyển đổi.
K: hệ số tính toán của bộ chỉ thị điện tử :
L: số Lít hiển thị trên mặt điện tử :
Thể tích nhiên liệu chảy qua buồng đong có thể được tính theo công thức như sau :
L= M x n x K
Nguyên lý hoạt động của CPU: cột đo nhiên liệu
Tín hiệu vào
Từ bộ chuyển đổi.
Từ công tắc vòi cấp phát
Từ bàn phím.
Tín hiệu ra
Ra hiển thị
Ra điều khiển valve, số tổng, motor
4.5. Kết luận
Nghiên cứu thuật toán do luu lu?ng, v?n t?c ch?t luu.
Nghiên cứu và xác định phương pháp đo luu lu?ng c?n do bằng đo t?c d? vòng quay t?n s? k? (d?m xung) và tìm hiểu về cảm biến đo lưu lượng.
Nghiên cứu cụ thể một bộ chuyển đổi xung chuyển đổi số vòng quay của trục buồng đong thành số lượng xung để đo lưu lượng chất lỏng dùng trong cột đo nhiên liệu.
Với việc sử dụng vi điều khiển MSP 430 cho phép đo lưu lượng lỏng với độ chính xác và độ linh hoạt cao.
Nghiên cứu, xây dựng hệ ứng dụng đo lường lưu lượng chất lỏng dựa trên vi điều khiển MSP 430 và được thực hiện trong chương 5.
4.5. Kết luận
Như vậy trong chương 4 tác giả đã nghiên cứu phuong phỏp do luu lu?ng, v?n t?c ch?t luu, lựa chọn phương pháp xỏc d?nh luu lu?ng c?n do bằng đo t?c d? vũng quay t?n s? k? (d?m xung) và tìm hiểu về cảm biến đo lưu lượng. Nghiên cứu cụ thể một bộ chuyển đổi xung chuyển đổi số vòng quay của trục buồng đong thành số lượng xung để đo lưu lượng chất lỏng dùng trong cột đo nhiên liệu.
Từ đó rút ra kết luận: Đo lưu lượng chất lỏng thực chất là thực hiện một bộ đếm, người ta đặt một sensor trong ống, rồi tuỳ theo tốc độ quay của động cơ sensor mà xác định lưu lượng lỏng. Vởy ta dùng vi điều khiển MSP 430 thiết kế bộ đếm số vòng quay, đó chính là đo lưu lượng. Cụ thể ta sẽ nghiên cứu, tiến hành thiết kế một chương trình ứng dụng hệ đo lường lưu lượng chất lỏng dựa trên vi điều khiển MSP 430 và được thực hiện trong chương 5.
Chương 5

Xây dựng ứng dụng hệ đo lường lưu lượng chất lỏng chất lỏng dựa trên vi điều khiển msp 430
Xây dựng, thiết kế các module hệ Đo lường - Điều khiển lưu lượng:
+ Xây dựng Module nguồn nuôi
+ Xây dựng Module đo lưu lượng lỏng
+ Khối chuyển đổi tín hiệu
+ Đầu vào xung
+ Đầu vào/ra số
+ Các mút bấm điều khiển
+ Xây dựng Module hiển thị
+ Module truyền thông
+ Xây dựng sơ đồ nguyên lý
Tổ chức phần mềm
+ Lưu đồ thuật toán
+ Chương trình
* Kết quả sản phẩm của đề tài
Đã hoàn thành việc chế tạo Bo mạch, nạp chương trình và cho chạy thử, bảo về trước hội đồng.
XD CẤU TRÚC HỆ ĐO LƯỜNG- ĐIỀU KHIỂN
Cấu trúc chung
Module nguồn nuôi sẽ bao gồm 4 bộ nguồn:

- Do vi x? lý MSP430F169 ho?t d?ng trong d?i di?n ỏp 1.8v -3.6V nờn c?n m?t b? ngu?n t?o di?n ỏp 3.3V cung c?p cho m?ch di?u khi?n.
- B? ngu?n th? 2 t?o di?n ỏp 5VDC s? d?ng cho khu?ch d?i thu?t toỏn.
- B? ngu?n th? 3 t?o di?n ỏp 12VDC cung c?p cho c?m bi?n, phớa so c?p cỏc d?u v�o s? (cỏc d?u v�o s? d?u du?c cỏch ly quang) v� di?u khi?n Role.
- B? ngu?n th? 4 t?o di?n ỏp 12VDC cung c?p cho cỏc b? khu?ch d?i thu?t toỏn s? d?ng trong vi?c x? lý tớn hi?u Analog.
Trong b?n thi?t k? n�y, 2 b? ngu?n 3.3V v� 12V d?u s? d?ng d?n m?t lo?i IC ?n ỏp l� LM317. Dõy l� m?t lo?i IC ?n ỏp chuyờn d?ng v?i di?n ỏp d?u v�o cú th? lờn t?i 40VDC v� d?u ra thay d?i du?c di?n ỏp trong m?t d?i r?ng t? 1.25?37VDC. Ngo�i ra LM317 du?c tớch h?p s?n cỏc ch?c nang b?o v? ng?n m?ch d?u ra, quỏ t?i, quỏ nhi?t v� h?n ch? cụng su?t l�m vi?c trong vựng an to�n (Safe Operation Area Protection).
So d? nguyờn lý co b?n c?a ?n ỏp LM317 nhu sau:


XD Module nguồn nuôi
Diện áp ra của sơ đồ được tính toán theo công thức:
Với IADJ là dòng điện đi ra từ chân tạo điện áp chuẩn ADJ, có giá trị 100?A.
Trong hầu hết các sơ đồ ổn áp ứng dụng LM317, giá trị điện trở R1 được sử
dụng là 240?. Từ đó rút ra giá trị cần của R2 theo điện áp mong muốn bởi
công thức sau:
Từ sơ đồ cơ b?n và công thức tính toán trên, ta khai triển ra thiết kế chi tiết
của module nguồn nuôi như sau:
XD Module nguồn nuôi
Đầu vào của module nguồn sử dụng một biến áp có 2 cuộn thứ cấp độc lập, đầu vào 220VAC, đầu ra 15VAC. Điện áp phía thứ cấp được đưa qua một cầu chỉnh lưu diode 2A kết hợp với tụ lọc 1000 mF_35V để lọc san phẳng điện áp trước khi đưa vào tầng ổn áp. Đầu ra của các bộ nguồn đều bố trí các đèn LED báo trạng thái hoạt động của nguồn khi có điện. Bộ nguồn được bảo vệ thêm bằng 2 cầu chì đặt ở đầu vào trong trường hợp xảy ra ngắn mạch trước tầng ổn áp.
Chän lùa Cảm biến lưu lượng bánh xe quay Signet 2536 Roto-X
Signet 2536 là một loại sensor đo lưu lượng có độ lặp lại và độ tin cậy cao, có cấu tạo chắc chắn do đó ít phải bảo dưỡng, có thể đo lưu lượng chất lỏng đầy ống và sử dụng ở áp suất thấp..
Signet 2536 Roto-X
Signet 2537

L� lo?i c?m bi?n luu lu?ng du?c c?i ti?n t? Signet 2536, cú thờm ch?c nang cụng t?c luu lu?ng, tớn hi?u ra cú th? l� tớn hi?u xung ho?c tớn hi?u dũng di?n 4-20mA. Cú th? do dũng ch?y ch?m, cụng su?t bộ. Thớch h?p v?i cỏc quỏ trỡnh húa h?c, s?n xu?t nu?c, l?c hoi d?t.
Signet 2537
Thiết kế Khối chuyển đổi tín hiệu
Ta dó bi?t vi x? lý MSP430F169 du?c tớch h?p m?t b? bi?n d?i ADC 12bit v?i di?n ỏp chu?n 1.5V ho?c 2.5V tựy ch?n. Do dú ta ph?i dua tớn hi?u dũng di?n 4-20mA th�nh tớn hi?u di?n ỏp 0-2.5V d? cú th? x? lý du?c.
Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu 4 ữ20mA sang tín hiệu 0ữ3V
So d? trờn s? d?ng khu?ch d?i thu?t toỏn Max952. Dõy l� lo?i KDTT du?c tớch h?p thờm m?t b? t?o di?n ỏp chu?n 1.2V bờn trong. Di?n ỏp chu?n n�y du?c dua ? chõn 6 nhu so d? trờn..
TK Đầu vào xung
Do cảm biến sử dụng điện áp 12VDC trong khi vi xử lý MSP430F169 chỉ làm việc với điện áp 3.3VDC nên đầu vào xung phải có khả năng cách ly và chuyển đổi mức điện áp cho phù hợp. Sơ đồ đầu vào xung sử dụng Transistor kết hợp với cách ly quang dưới đây đảm bảo cả 2 yêu cầu này và thích hợp với các sensor có đầu ra Open Collector.
Sơ đồ nguyên lý đầu vào xung
Như vậy mỗi khi Sensor lưu lượng chuyển đổi mức tín hiệu ở đầu ra thì mức logic đưa tới chân VXL cũng thay đổi tương ứng. Trạng thái đầu vào xung được thể hiện qua đèn LED D21.
TK Đầu vào số
Yêu cầu quan trọng nhất đối với các đầu vào này là khả năng cách ly. Do đó ở các đầu vào này sẽ sử dụng một phần tử cách ly quang TLP621 bố trí theo sơ đồ sau:
Sơ đồ nguyên lý đầu vào số
Bằng cách bố trí sơ đồ như trên, trạng thái các nút nhấn, công tắc phía sơ cấp tầng cách ly sẽ được chuyển thành các tín hiệu logic tương ứng phía thứ cấp và được phát hiện bởi phần mềm cài đặt trong VXL. Đèn LED D4 cho ta biết trạng thái thực tế của nút bấm.
TK Đầu ra số
Giống như đầu vào số, các đầu ra cũng phải được cách ly và còn phải đảm bảo về mặt công suất. Để đảm bảo bộ điều khiển có thể làm việc với các loại tải khác nhau tác giả vẫn lựa chọn thiết kế loại đầu ra Rơle.
Sơ đồ nguyên lý đầu ra Rơle
Tín hiệu từ MSP430 sẽ điều khiển tầng khuếch đại Darlington đóng cắt rơle. Diode D1 có nhiệm vụ bảo vệ quá điện áp cho cặp Transistor Q4, Q5 do sức điện động tự cảm của cuộn dây rơle gây ra khi đóng cắt. Trạng thái của Rơle được phản ánh bởi đèn Led D2. Mạch R6, C1 sử dụng để khóa nhanh cặp Transistor. Rơle sử dụng ở đây là loại có điện áp điều khiển 5VDC, tiếp điểm 250VAC_5A rất phổ biến.
XD hÖ thèng phÝm bấm điều khiển
Trên sơ đồ sử dụng 4 nút bấm điều khiển. Chức năng các nút bấm này sẽ do phần mềm nhúng quyết định và được giới thiệu chi tiết ở mục thiết kế phần mềm.
Sơ đồ nguyên lý các nút bấm.
a. Tổ chức phần cứng
Phần hiển thị sẽ sử dụng tới màn hình LCD loại 1602 có 2 dòng.
Màn hiển thị LCD loại LM016L.

Giao tiếp với LCD có thể được thực hiện thông qua 2 giao diện 4 bit hoặc 8 bit. Trong giao diện 4 bit, dữ liệu 8 bit được chia làm 2 loạt và gửi lần lượt 4 bit cao rồi đến 4 bit thấp.
XD Module hiển thị
Chức năng các chân của LCD LM016L
b. Tæ chøc Ghép nối với Vi xử lý.
Ghép nối LCD với VXL
Để đơn giản trong thiết kế phần cứng, tác giả lựa chọn phương án dữ liệu 4 bit, 4 bit cao của đường dữ liệu sử dụng cho việc truyền dữ liệu,còn 4 bit thấp không sử dụng đến. Chiết áp RV1 được sử dụng để điều chỉnh độ tương phản. Đèn back-light của LCD cũng sẽ được điều khiển từ VXL.
Để có thể làm việc với LCD một cách linh hoạt, chúng ta cần phải thiết lập ra một bộ thư viện các hàm chuẩn. Các hàm này sẽ thực hiện việc trao đổi dữ liệu giữa VXL và màn hình LCD ở nhiều cấp độ khác nhau như thể hiện trên hình. Mã nguồn cho thư viện này được viết bằng ngôn ngữ C và có trong phần phụ lục.
Tổ chức Module truyền thông
RS 232 là một chuẩn truyền thông nối tiếp rất phổ biến để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính PC. Hầu hết các máy tính để bàn đều được trang bị một cổng RS232 có tên là cổng COM có cấu trúc như hình dưới đây:
Cấu trúc cổng COM trên máy tính.
Cổng COM có 2 loại 9 chân (DB-9) như hình trên và một loại 25 chân (DB-25) ít phổ biến hơn. Trong chuẩn truyền thông RS232, các bit dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau theo một khuôn mẫu và tốc độ định trước. Khi không có dữ liệu, đường truyền sẽ ỏ trạng thái Mark (-10V). Một khung truyền dữ liệu sẽ bao gồm 1 bit Start, sau đó là 8 hoặc 9 bit dữ liệu, một bit kiểm tra chẵn lẽ (nếu có) và cuối cùng là 1 hoặc 2 bit Stop. Tốc độ truyền theo chuẩn RS232 là bit/s hay còn gọi là BAUD RATE. Một số giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn là 9600, 19200,56600 Baud. .
Việc ghép nối giữa 2 thiết bị giao tiếp theo chuẩn RS232 có thể dễ dàng được thực hiện với tối thiểu 3 dây dẫn.

Ghép nối giữa 2 thiết bị qua chuẩn RS232.
Một đặc điểm quan trọng của chuẩn RS232 là mức logic ‘0’ và ‘1’ phía máy tính phát ra lại ngược với mức Logic của các vi mạch số TTL thông dụng. Cụ thể là mức ‘0’ tương ứng với điện áp từ 3 đến 12V, trong khi mức 1 tương ứng với -3 đến -12V. Do đó để ghép nối truyền thông RS232 giữa các vi mạch số TTL hay các Vi xử lý với máy tính chúng ta cần có mạch điện chuyển đổi tương thích mức điện áp này. Có 2 phương pháp ghép nối giữa máy tính và các Vi xử lý qua chuẩn RS232: Một là ta sử dụng vi mạch chuyên dụng cho việc chuyển đổi mức Logic như MAX232; Hai là ta sử dụng các phần tử cách ly quang.
Sơ đồ ghép nối sử dụng phần tử cách ly quang.
Module truyền thông RS 485
RS485 là một chuẩn truyền thông nối tiếp được cải tiến từ chuẩn RS232 nhằm tăng độ dài đường truyền cũng như mở rộng số lượng nút trong một mạng lên tới con số 32. Điểm khác biệt giữa RS485 và RS232 là dạng tín hiệu điện truyền đi. Đối với RS232, mức logic ‘1’ và ‘0’ được so sánh với dây Mass. Trong chuẩn RS485 sử dụng tín hiệu vi sai, bộ truyền RS485 có 2 dây tín hiệu A và B. Nếu điện áp A âm so với B ta có mức logic ‘1’, ngược lại ta có mức logic ‘0’. Mức chênh lệch điện áp tối thiểu để phát hiện ra mức logic ở bộ thu là 200mV, đối với phía phát là 1.5V.

* Cấu trúc mạng của RS485:
Mạng 2 dây: với ưu điểm là có thể hoạt động ở chế độ Multi Master. Bất kỳ thiết bị nào tham gia mạng đều có thể gửi dữ liệu đến các thiết bị còn lại. Tuy nhiên tại một thời điểm chỉ có duy nhất một thiết bị được phép gửi dữ liệu.
Mạng 4 dây: Thích hợp với chế độ Master_Slave. Trong mạng này, đầu ra dữ liệu của thiết bị chủ (Master) được nối tới đầu vào của tất cả các thiết bị Slave. Điều đó có nghĩa là thiết bị Master có quyền ưu tiên cao nhất trong việc truyền dữ liệu, có thể truyền dữ liệu đồng loạt tới tất cả các thiết bị tớ (Slave). Còn đầu ra dữ liệu của tất cả các thiết bị Slave được nối chung với nhau và nối với đường vào dữ liệu của thiết bị Master.
* Tổ chức phần cứng:
Để có thể giao tiếp với một mạng RS485 chuẩn, người ta thường sử dụng các IC đệm (RS485 transceivers) nhằm chuyển đổi mức logic từ chuẩn TTL sang vi sai. Một trong số những IC phổ biến là SN75176 (sử dụng với cấu trúc mạng 2 dây) và SN75ALS180 (sử dụng cho cấu trúc mạng 4 dây).
Sơ đồ ứng dụng của SN75176.
Sơ đồ nguyên lý
Tổ chức chương trình phần mềm.
Do cấu trúc phần cứng được thiết kế có tính mở, nên ta có thể phát triển phần mềm theo nhiều hướng ứng dụng khác nhau. Với thời gian hạn hẹp, tác giả chỉ đưa ra một ứng dụng điển hình là điều khiển theo mẻ, phổ biến nhất là sử dụng tại các cột đo nhiên liệu. Trong đó thể tích chất lỏng được đặt từ bàn phím, bộ điều khiển sẽ đảm bảo thể tích chất lỏng bơm ra đúng bằng thể tích đặt thì dừng lại. Giả thiết bộ điều khiển có cấu hình như sau:
Cấu hình phần cứng bộ điều khiển
Bộ điều khiển gồm có 4 nút nhấn dùng để lựa chọn và chỉnh định giá trị đặt. Phím Enter được dùng để vào chế độ điều chỉnh giá trị đặt, phím tăng (increase) và giảm (decrease) sử dụng để thay đổi giá trị đặt. Nhấn phím Enter lần 2 sẽ ghi lại giá trị đặt và đưa bộ điều khiển vào chế độ hoạt động bình thường. Nhấn phím ESC sẽ thoát khỏi chế độ chỉnh định mà không lưu lại giá trị. Lưu đồ thuật toán sau đây sẽ thể hiện các thao tác trên.
Chương trình chính
Có nhiệm vụ cài đặt cấu hình các ngoại vi tích hợp trong vi xử lý như các cổng vào ra, lựa chọn tần số xung nhịp cho vi xử lý, chế độ hoạt động của bộ định thời, khởi động màn hiển thị LCD và các chế độ ngắt cần thiết. Sau đó vi xử lý sẽ không làm gì và chờ các ngắt xuất hiện. Toàn bộ các thao tác điều khiển sẽ được thực hiện bởi các chương trình ngắt. Với điều khiển lưu lượng, quá trình diễn biến là tương đối chậm, do đó để tránh nhiễu và tiết kiệm năng lượng, vi xử lý sẽ hoạt động với chu kỳ trích mẫu lựa chọn là 10ms. Khoảng thời gian giữa các chu kỳ trích mẫu vi xử lý sẽ được đưa vào trạng thái ngủ (sleep mode) và chờ ngắt xuất hiện.
Lưu đồ thuật toán:
Chuơng trình ngắt của bộ định thời với chu kỳ 10ms:
Chương trình phần mềm

Xem Phụ lục A ( Đã trình bày trong luận văn)
Module chương trình điều khiển bơm xăng theo mẻ
Đoạn chương trình điều khiển bơm xăng theo mẻ
1. void Batch_Control(void) //gọi hàm điều khiển bơm xăng theo mẻ
2. { int template_=0; //Khoi tao bien trung gian
3. if(Real_Pulse>=Set_Pulse)//Neu the tich thuc dat toi gia tri dat
{
4. PUMP_OFF; // Ngat bom
5. Set_Pulse=0; Real_Pulse=0; //Dua gia tri dat va gia tri thuc ve 0 de chuan bi cho me moi.
}
6. else //Neu the tich < gia tri dat
{
7. template_=(P1IN>>6)&0x01; //Kiem tra dau vao dieu khien bom
8. switch(template_)
{
case 0: //Neu tiep diem dong
9. PUMP_ON; //Bom chay
10. break;
11. case 1: //Neu tiep diem mo
12. PUMP_OFF; //Dung bom
13. break;
}
}
}
Một đoạn phần mềm
Kết quả sản phẩm của đề tài
Bo mạch được xây dựng dùng trong đề tài.
Kết quả sản phẩm của đề tài

Chạy chương trình
Kết luận chương 5
Trong chương 5, đã thiết kế hệ đo lường lưu lượng chất lỏng dựa trên vi điều khiển MSP 430. Xây dựng các module bộ đếm số vòng quay đo dung lượng, thiết kế bộ hiển thị số để chuyển số đếm thành đơn vị đo lưu lượng, thiết kế phần giao diện với máy tính. Chạy chương trình và chạy mô phỏng đánh giá khả thi khi áp dụng vào thực tế. Qua đây rút ra những kinh nghiệm cho việc thiết kế các ứng dụng lớn hơn trong thực tế của họ vi điều khiển MSP430.
Thông qua việc thiết kế một sản phẩm ứng dụng module ngoại vi LCD và điều khiển lưu lượng chất lỏng như trình bày. Giúp tôi khẳng định được việc làm chủ họ vi điều khiển MSP430 mà cụ thể là MSP430F169 sau thời gian nghiên cứu lý thuyết cấu trúc phần cứng của MSP430, cũng như trình biên dịch AQ430 dành cho nó. Việc thiết kế một sản phẩm như trên và lập trình với MSP430 làm cơ sở cho việc xây dựng các ứng dụng lớn hơn trong thực tế dựa trên họ vi điều khiển MSP430.
Kết luận
Luận văn về cơ bản đã đạt được các mục tiêu đặt ra, đó là:
1/ Nghiên cứu tìm hiểu tổ chức phần cứng của họ vi điều khiển MSP430, đã làm sáng tỏ được các đặc tính công nghệ mới, ưu việt của họ vi điều khiển MSP 430 của hãng Texas Instrument so với vi điều khiển khác.

2/ Tìm hiểu và làm chủ được môi trường phần mềm dùng cho họ vi điều khiển MSP 430, cụ thể là trình biên dịch AQ 430.

3/ Thiết kế, xây dựng hệ đo lường lưu lượng chất lỏng dựa trên vi điều khiển MSP 430. Đã xây dựng được các module bộ đếm số vòng quay đo dung lượng, xây dựng bộ hiển thị số để chuyển số đếm thành đơn vị đo lưu lượng, xây dựng phần giao diện với máy tính.

4/ Thực hiện thực tế thành công hệ đo lưu lượng lỏng trên cơ sở sử dụng vi điều khiển 16 bit MSP430. Ngoài khả năng đo với độ chính xác cao lưu lượng chất lỏng, hệ thống còn có thể được điều khiển bơm theo mẻ với lưu lượng định trước bất kỳ. Kết quả của luận văn là cơ sở tốt cho những ứng dụng mở rộng dựa trên vi điều khiển MSP 430 nói riêng, và các họ vi điều khiển khác nói chung.
* Định hướng phát triển
1/ Với sản phẩm đạt được của luận văn có thể dễ dàng mở rộng cho rất nhiều ứng dụng thiết thực khác trong đời sống, sản suất, cũng như trong các dây truyền công nghiệp, như: Trong các quá trình khuấy, pha trộn chất lỏng, các hệ thống bơm, trong cỏc ng�nh th?c ph?m, Bia Ru?u- Nu?c gi?i khỏt, Húa l?ng, du?c ph?m .v.v. Dõy cung l� hu?ng nghiờn c?u m? rộng r?t cú ý nghia th?c t? c?a lu?n van.
2/ MSP 430 của hãng Texas Instrument ngoài khả năng tính toán rất mạnh, còn được tích hợp trên Bo mạch các thiết bị ngoại vi hỗ trợ cho nhiều ứng dụng khi xây dựng hệ thống điều khiển trong thực tế. Vì vậy, đi sâu nghiên cứu họ MSP 430 cho phép triển khai được nhiều ứng dụng trong các hệ thống điều khiển, đo lường trong thực tế.
3/ Một trong những hướng nghiên cứu rất đáng quan tâm của luận văn là xây dựng hệ thống đo lường điều khiển thông minh trên cơ sở MSP 430 nói riêng và trên cơ sở các hệ vi điện tử khả trình nói chung.
trân trọng cảm ơn















