Hệ thống tự động giám sát mực nước qua mạng gsm

Ứng dụng của hệ thống

Hệ thống tự động giám sát mực nước qua mạng GSM được ứng dụng tại các trạm đo khí tượng thủy văn, giúp người quản lý theo dõi mức nước một cách tự động mà không cần đo đạc thủ công Hệ thống cung cấp số liệu nhanh chóng trong mọi điều kiện thời tiết, hỗ trợ quyết định kịp thời, giảm thiểu tổn thất do chậm trễ dữ liệu Với các loại hình cảnh báo đa dạng, hệ thống tự động giám sát và đưa ra cảnh báo tức thời, cho phép người quản lý giám sát từ xa qua mạng GSM Thiết kế của hệ thống cho phép nhiều người theo dõi thông số đo đạc với bảo mật cao Ngoài việc đo mức nước cho các trung tâm khí tượng thủy văn, hệ thống còn có thể được lắp đặt tại kho xăng, trạm bơm phục vụ nông nghiệp và trạm thủy điện.

Cấu trúc hệ thống

Bộ chuyển đổi ADC (AVR)

Thu/phát vô tuyến Thu/phát vô tuyến

Hình 1.1- Sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống được cấu thành từ các phần chính, bao gồm việc đo đạc và thu thập dữ liệu Quá trình này sử dụng cảm biến áp suất để thu thập thông tin và chuyển đổi chúng thành tín hiệu số.

Truyền tín hiệu: Truyền tín hiệu thông qua kênh truyền vô tuyến về trung tâm xử lý dữ liệu

Xử lý dữ liệu là quá trình nhận tín hiệu chứa thông tin đo đạc từ module RF Qua đó, hệ thống thực hiện các thao tác như tính toán mực nước cần đo, hiển thị kết quả trên LCD, gửi thông tin đến máy tính, phát cảnh báo, gửi tin nhắn SMS, và nhận các thiết lập từ bàn phím.

Truyền nhận dữ liệu qua mạng GSM sử dụng module GSM.

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống

Hệ thống hoạt động tuân theo quá trình sau đây:

- Cấp nguồn cho hệ thống

Khi đèn LED được cấp nguồn, nó sẽ phát sáng, trong khi một số đèn LED trạng thái cũng sẽ sáng, nhưng có những đèn không sáng Màn hình LCD hiển thị trạng thái nạp dữ liệu và sau đó chuyển sang hiển thị menu chính.

Khi khối đo đạc dữ liệu hoạt động hiệu quả, dữ liệu sẽ được gửi tới hệ thống, khiến đèn LED báo hiệu nhấp nháy với tốc độ tùy theo thiết lập Thông thường, nếu chưa có thiết lập, đèn LED sẽ nhấp nháy nhanh nhưng vẫn dễ quan sát Ngược lại, nếu khối đo đạc không hoạt động tốt hoặc dữ liệu không được gửi, đèn LED sẽ tắt hoặc sáng hoàn toàn mà không nhấp nháy.

Dữ liệu từ khối đo đạc sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu số và gửi về trung tâm xử lý Sau khi xử lý, hệ thống sẽ thực hiện các thao tác tiếp theo dựa vào các thiết lập đã được cài đặt Nếu không có thiết lập, màn hình LCD sẽ hiển thị menu chính.

Trong quá trình xử lý dữ liệu đo đạc, hệ thống sẽ tạm ngừng nhận dữ liệu mới cho đến khi hoàn tất việc xử lý các dữ liệu đã được ghi nhận.

- Tiến hành các thiết lập hệ thống tùy theo mục đích sử dụng mà có các thiết lập khác nhau

- Dữ liệu chỉ được hiển thị khi có thiết lập yêu cầu hiển thị

- Nếu thiết lập update dữ liệu tới PC thì hệ thống sẽ gửi dữ liệu tới PC Nếu không thiết lập thì sẽ không gửi dữ liệu

- Trong quá trình gửi dữ liệu tới PC thì hệ thống sẽ không nhận dữ liệu đo đạc

Để gửi cảnh báo và dữ liệu tới các thiết bị di động, việc nhập số điện thoại của từng thiết bị là điều cần thiết; nếu không, thiết bị sẽ không nhận được thông tin.

Nếu bạn thiết lập cập nhật dữ liệu cho các thiết bị di động, hệ thống sẽ tự động gửi dữ liệu đến những thiết bị này Ngược lại, nếu không có thiết lập, dữ liệu sẽ không được gửi đi.

- Trong quá trình gửi dữ liệu tới các thiết bị mobile thì hệ thống sẽ không nhận dữ liệu đo đạc

Khi thực hiện một thiết lập, nếu tín hiệu quét từ ma trận bàn phím hoặc bàn phím AT nhận được phím “F1”, mọi thao tác thiết lập hiện tại sẽ bị xóa và hệ thống sẽ quay về menu chính.

Khi thực hiện một thiết lập, nếu tín hiệu từ ma trận bàn phím hoặc bàn phím AT nhận được phím “ESC”, tất cả thao tác thiết lập sẽ bị xóa và hệ thống sẽ trở về menu trước đó, cho đến khi quay về menu chính.

Khi hệ thống nhận dữ liệu điều khiển từ xa, nó sẽ tiến hành xử lý dữ liệu đó Nếu dữ liệu phù hợp, hệ thống sẽ thực hiện các lệnh tương ứng Ngược lại, nếu dữ liệu không phù hợp, hệ thống sẽ xóa bỏ thông tin không cần thiết.

Chức năng của hệ thống

Hệ thống có các chức năng sau:

- Đo độ sâu mức nước

- Hiển thị kết quả lên LCD

Hệ thống cho phép nhận dữ liệu đo đạc từ xa thông qua khối đo đạc lắp đặt tại hiện trường và khối xử lý dữ liệu tại trạm đo, nâng cao tính an toàn và độ bền cho thiết bị.

- Hiển thị trạng thái hệ thống thông qua các đèn LED báo hiệu

- Cảnh báo qua các thiết bị báo động ( loa, led )

- Cài đặt các thông số qua bàn phím

- Giám sát mức nước qua tin nhắn SMS định kỳ

- Có thể được điều khiển thông qua máy tính (giao diện GUI thân thiện,dễ sử dụng)

- Lưu trữ dữ liệu đo đạc trên PC

- Tại mọi thời điểm có thể xem mức nước từ xa thông qua tin nhắn SMS với chế độ bảo mật cao.

KHỐI XỬ LÝ DỮ LIỆU

Vi điều khiển PSoC

PSoC, viết tắt của Programmable System on Chip, là hệ thống khả trình trên một chíp cho phép thay đổi cấu hình bằng cách gán chức năng cho các khối tài nguyên có sẵn Với khả năng kết nối linh hoạt giữa các khối chức năng và cổng vào ra, PSoC có thể thay thế nhiều chức năng nền của một hệ thống chỉ bằng một chíp duy nhất Chíp PSoC bao gồm các khối ngoại vi số và tương tự có thể cấu hình, bộ vi xử lý 8 bit, bộ nhớ chương trình EEROM và bộ nhớ RAM lớn Để lập trình, người dùng cần phần mềm như PSoC Designer của Cypress và một kit phát triển hoặc bộ nạp Phần mềm thiết kế dựa trên cấu trúc hướng đối tượng, cho phép lập trình viên kéo và thả các chức năng vào khối tài nguyên Việc thiết lập cấu hình, ngắt và chế độ hoạt động của chân vào ra hoàn toàn phụ thuộc vào người lập trình Nhờ vào khả năng cấu hình mạnh mẽ, một thiết bị đo lường có thể được tích hợp trên một chíp duy nhất, khiến Cypress MicroSystems không gọi sản phẩm của mình là vi điều khiển (µC) như truyền thống.

Thiết bị PSoC (PSoc device) mang đến khả năng cấu hình mạnh mẽ, giúp người dùng tạo ra các thiết bị điều khiển giá rẻ và kích thước nhỏ gọn Sản phẩm PSoC hứa hẹn sẽ thay thế các thiết bị truyền thống dựa trên vi xử lý hoặc vi điều khiển, đáp ứng nhu cầu hiện đại trong công nghệ.

PSoC có nhiều dòng sản phẩm, trong số đó dòng PSoC CY8C29466 là dòng phổ biến tại Việt Nam CY8C29466 có 28 chân ra như sau:

[http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet- pdf/view/255198/CYPRESS/CY8C29466.html]

2.1.2 Đặc tính kỹ thuật của CY8C29466

*Bộ vi xử lý với cấu trúc Harvard

- Tốc độ của bộ vi xử lý lên đến 24MHz

- Lệnh nhân 8 bit x 8 bit, thanh ghi tích luỹ là 32 bit

- Hoạt động ở tốc độ cao mà năng lượng tiêu hao ít.

- Dải điện áp hoạt động ở tốc độ cao từ 3.0 đến 5.25V

- Điện áp hoạt động có thể giảm xuống 1V sử dụng chế độ kích điện áp

- Hoạt động trong dải nhiệt độ từ -40 o c đến 85 o c

*Các khối ngoại vi có thể sử dụng độc lập hoặc kết hợp.

12 khối ngoại vi tương tự được thiết lập để làm các nhiệm vụ :

- Các bộ ADC lên tới 14 bit

- Các bộ DAC lên tới 9 bit

- Các bộ khuếch đại có thể lập trình được hệ số khuếch đại

- Các bộ lọc và các bộ so sánh có thể lập trình được

*8 khối ngoại vi có thể được thiết lập để làm nhiệm vụ:

- Các bộ định thời đa chức năng, đếm sự kiện, đồng hồ thời gian thực, bộ điều chế độ rộng xung có và không có dải an toàn (deadband)

- Các module kiểm tra lỗi (CRC modunles)

- Hai bộ truyền thông nối tiếp không đồng bộ hai chiều

- Các bộ truyền thông SPI Master hoặc Slave có thể cấu hình được

- Có thể kết nối với tất cả các chân vào ra

*Bộ nhớ linh hoạt trên chip:

- Không gian bộ nhớ chương trình Flash 32K

- Không gian bộ nhớ Ram là 2K

- Chíp có thể lập trình thông qua chuẩn nối tiếp (ISP)

- Bộ nhớ Flash có thể được cung cấp từng phần

- Chế độ bảo mật đa năng tin cậy

*Có thể lập trình được cấu hình cho từng chân của chip:

- Các chân vào ra ba trạng thái sử dụng Trigger Schmitt

- Đầu ra logic có thể cung cấp dòng 25mA với điện trở treo cao hoặc thấp bên trong

- Thay đổi được ngắt trên từng chân

- Đường ra tương tự có thể cung cấp dòng tới 40mA

*Xung nhịp của chíp có thể lập trình được.

- Bộ tạo xung dao động 24/48MHz ở bên trong(Độ chính xác là 2,5% không cần thiết bị ngoài)

- Có thể lựa chọn bộ dao động ngoài lên tới 24MHz

- Bộ tạo dao động thạch anh 32,768KHz bên trong

- Bộ tạo dao động tốc độ thấp bên trong sử dụng cho Watchdog và Sleep

*Ngoại vi được thiết lập sẵn.

- Bộ định thời Watchdog và Sleep phục vụ chế độ an toàn và chế độ nghỉ

- Module truyền thông I 2 C Master và I 2 C Slave tốc độ lên tới 400KHz

- Module phát hiện điện áp thấp được cấu hình bởi người sử dụng

- Phần mềm phát triển miễn phí (PSoC TM Designer)

- Bộ lập trình và bộ mô phỏng với đầy đủ tính năng

- Mô phỏng tốc độ cao

2.1.3 Kiến trúc vi điều khiển PSoC

Các vi điều khiển PsoC dựa trên kiến trúc CISC 8-bit Cấu trúc chung của chúng bao gồm các khối sau đây :

Khối CPU : là trung tâm của vi điều khiển có chức năng thực hiện lệnh và điều khiển chu trình hoạt động của các khối chức năng khác

Khối tạo tần số dao động cung cấp các tần số cần thiết cho hoạt động của CPU và cho các khối lập trình được Các tần số này được sinh ra dựa trên tần số tham chiếu nội bộ của PsoC hoặc từ nguồn bên ngoài.

Khối điều khiển Reset : kích hoạt cho vi điều khiển hoạt động cũng như giúp hồi phục trạng thái hoạt động bình thường của VDK khi xảy ra lỗi

Bộ định thời Watch-Dog : được sử dụng để phát hiện ra các vòng lặp vô hạn trong chương trình

Bộ định thời Sleep có khả năng kích hoạt vi điều khiển theo chu kỳ, giúp thoát khỏi chế độ tiết kiệm công suất Ngoài ra, nó còn có thể được sử dụng như một bộ định thời thông thường.

Các chân vào/ra : giúp cho việc giao tiếp giữa CPU và các khối chức năng số/tương tự lập trình được cũng như giao tiếp với ngoại vi

Khối chức năng số: có khả năng lập trình được cho phép người sử dụng tự cấu hình nên các thành phần số tùy biến

Khối chức năng tương tự có khả năng lập trình, cho phép người dùng tự cấu hình các thành phần như bộ chuyển đổi dữ liệu AD/DA, bộ lọc, bộ thu nhận mã đa tần DTMF, bộ đảo và bộ khuếch đại thuật toán.

Khối điều khiển ngắt : có chức năng xử lý các yêu cầu ngắt trong trường hợp cần thiết

Khối điều khiển I2C: giúp cho PsoC giao tiếp với các phần cứng khác theo chuyẩn

Khối tạo điện áp tham chiếu: cần thiết cho các thành phần analog và nằm bên trong các khối tương tự có khả năng lập trình được

Bộ nhân tổng MAC: thực hiện các phép nhân có dấu 8 bít

Hệ thống SMP có khả năng hoạt động như một phần của bộ chuyển đổi điện áp, cho phép cung cấp công suất cho một VDK chỉ với một pin 1.5V duy nhất.

Hình 2.3 Sơ đồ khối cấu trúc của PSoC(CY8C29466)

[http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet- pdf/view/255198/CYPRESS/CY8C29466.html]

2.1.3.1 Khối vi xử lý CPU

Các họ chip PSoC sử dụng bộ vi xử lý 8 bit mạnh mẽ với kiến trúc Harvart, trong đó bus địa chỉ, bus dữ liệu và tín hiệu điều khiển bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu hoạt động độc lập Bộ vi xử lý này có 5 thanh ghi điều khiển chính, chịu ảnh hưởng từ các lệnh khác nhau Người dùng có thể truy cập trực tiếp vào các thanh ghi này thông qua không gian bộ nhớ của chúng.

Bảng 2-1: Các thanh ghi của CPU

Thanh ghi Mã gợi nhớ

Flags (Thanh ghi cờ) CPU_F

Program Counter (Thanh ghi đếm chương trình ) CPU_PC

Accumulator (Thanh ghi chứa) CPU_A

Stack Pointer (Thanh ghi con trỏ) CPU_SP

Index (Thanh ghi chỉ số) CPU_X

Bộ đếm chương trình (CPU_PC) là một thanh ghi 16 bit, cho phép lập trình viên truy cập trực tiếp vào toàn bộ không gian bộ nhớ chương trình trên chip.

(16 kbytes đối với thành viên lớn nhất) Đây là một không gian nhớ liên tục và không cần phải tạo thành trang(no paging)

2.1.3.2 Các thanh ghi của CPU

Thanh ghi đếm CT (Program Counter - PC) là một con trỏ quan trọng trong hệ thống máy tính, dùng để lưu trữ địa chỉ của lệnh sẽ được thực hiện tiếp theo Mỗi khi có một lệnh mới, giá trị của PC sẽ tự động cập nhật để trỏ đến địa chỉ của lệnh kế tiếp trong bộ nhớ, từ đó lệnh này sẽ được giải mã và thực thi.

Bảng 2-2: Thanh ghi bộ đếm chương trình

Bit[15:0]: 16 bit dữ liệu là byte thấp và byte cao của bộ đếm chương trình

Thanh ghi con trỏ stack - Stack pointer (SP) : lưu trữ địa chỉ của bộ nhớ

RAM là bộ nhớ nơi dữ liệu được ghi và đọc thông qua các lệnh PUSH và POP Khi thực hiện các lệnh này, giá trị của con trỏ ngăn xếp (SP) sẽ tự động thay đổi, tăng hoặc giảm tương ứng.

Bảng 2-3: Thanh ghi con trỏ Stack

Read/Write System 1 System 1 System 1 System 1 System 1 System 1 System 1 System 1 Bit Name Data[7] Data[6] Data[5] Data[4] Data[3] Data[2] Data[1] Data[0]

Bit [7:0]: 8 bit dữ liệu lưu giữ giá trị con trỏ Stack hiện thời (trỏ vào đỉnh của

Thanh ghi tích lũy - Accumulator register (A) : là thanh ghi chính được dùng trong các thuật toán, các phép toán logic hoặc trao đổi dữ liệu

Bit [7:0]: 8 bit dữ liệu lưu giữ kết quả của bất cứ một lệnh toán học logic sử dụng chế độ địa chỉ nguồn

POR(Power on reset): Trạng thái của bit sau khi reset nguồn

System 1 : Do hệ thống điều chỉnh, người dùng không thể thay đổi trực tiếp được giá trị của những bit này

Thanh ghi chỉ số X (Index register) có khả năng hoạt động như một thanh ghi tích lũy cho nhiều lệnh khác nhau Ngoài ra, nó còn được sử dụng để lưu trữ chỉ số địa chỉ, đặc biệt là trong các vòng lặp.

Bảng 2-5: Thanh ghi chỉ số

Bit [7:0]: 8 bit dữ liệu lưu giữ chỉ số cho bất cứ một lệnh sử dụng chế độ địa chỉ chỉ số

Thanh ghi cờ trạng thái (Flag register - F) là một thanh ghi quan trọng, trong đó các bít phản ánh kết quả của các lệnh đã được thực hiện Thanh ghi này đóng vai trò then chốt trong việc lựa chọn các hành động tiếp theo dựa trên trạng thái của các lệnh.

Bộ nhớ RAM trong vi điều khiển PSoC có dung lượng vượt quá 256 byte Bít trạng thái Zero (Z) cho biết thanh ghi tích lũy đang lưu giữ giá trị 0, trong khi bít Carry (C) cho thấy rằng các phép toán logic hoặc thuật toán đã thực hiện có liên quan đến việc nhớ dữ liệu.

Read/Write … … … RW R RW RW RW

Bit Name Reseved Reseved Reseved XI0 Super Carry Zero Global IE

Bit7: Reseved (Chưa được định nghĩa)

Bit6: Reseved(Chưa được định nghĩa)

Bit4: XIO- Được đặt bởi người sử dụng cho phép lựa chọn giữa các dẫy thanh ghi

Bit2: Carry Được đặt bởi CPU để chỉ rõ toán tử logic hoặc toán học trước đó có nhớ hay không

0=No Carry(Không có nhớ)

Bit1: Zero Được đặt bởi CPU để chỉ rõ toán tử trong phép toán logic hoặc toán học trước đó có bằng không hay không

0= Not Equal to zero (không bằng không)

1= Equal to zero (Bằng không)

Bit0: Global IE- Quyết định toàn bộ các ngắt là cho phép hay bị cấm

2.1.4 Ngắt và bộ điều khiển ngắt

Bộ điều khiển ngắt trong chip PSoC cho phép thực hiện mã lập trình mỗi khi có ngắt từ các khối chức năng Mỗi khối số và khối tương tự đều có ngắt riêng, bao gồm ngắt cho nguồn cấp, chế độ ngủ, xung nhịp thay đổi, và ngắt toàn cục cho các chân vào ra đa chức năng.

Bộ điều khiển ngắt cùng với các thanh ghi của nó cho phép vô hiệu hóa các ngắt một cách đồng thời hoặc độc lập Các thanh ghi cung cấp phương thức cho phép người sử dụng xóa tất cả các ngắt đang chờ hoặc thông báo ngắt, cũng như xóa riêng biệt từng thông báo ngắt Kỹ thuật phần mềm được cung cấp giúp lập trình viên thiết lập ngắt một cách hiệu quả, đặc biệt hữu ích trong việc phát triển mã nguồn khi không có hệ thống phần cứng hoàn chỉnh để tạo ra một ngắt thực.

Bảng 2-7: Bảng vector ngắt của CY8C29466

Mức ưu tiên ngắt Địa chỉ Tên ngắt

2.1.4.1 Cấu trúc điều khiển ngắt

Hình 2.4 - Sơ đồ khối hoạt động của bộ điều khiển ngắt

Interrupt Source: Nguồn ngắt (bộ định thời, các chân vào ra đa chức năng)

Interrupt Taken or INT_CLRx Write: Thi hành ngắt hoặc xoá ngắt

INT_MSKx: Lập mặt nạ che ngắt

Post Interrupt: Thông báo ngắt

Priority Encoder: Bộ mã hoá mức ưu tiên của ngắt

GIE(CPU_F[0]): Cho phép ngắt toàn cục (Global Interrupt Enable)

Interrupt Request: Yêu cầu ngắt

Dãy các sự kiện xẩy ra khi một ngắt được thi hành như sau:

Màn hình hiển thị LCD

Ngày nay, màn hình LCD (Liquid Crystal Display) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của vi điều khiển LCD mang lại nhiều lợi ích so với các loại màn hình khác, như khả năng hiển thị đa dạng các ký tự, bao gồm chữ, số và ký tự đồ họa Bên cạnh đó, nó dễ dàng tích hợp vào mạch ứng dụng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng.

* Đặc tính làm việc của LCD.

Nguồn cấp (Vcc-GND): 2.7V đến 5.5V

Dòng điện cấp nguồn (ICC) dao động từ 350uA đến 600uA, với điện áp vào mức cao (VIH) từ 2.2V đến Vcc và điện áp vào mức thấp (VIL) từ -0.3V đến 0.6V Điện áp ra mức cao (DB0-DB7) tối thiểu là 2.4V khi IOH đạt -0.205mA, trong khi điện áp ra mức thấp (DB0-DB7) tối đa là 0.4V khi IOL là 1.2mA.

Dòng điện ngõ vào 0.1uA đến 1uA (khi VIN = 0 đến Vcc)

2.2.2 Chức năng các chân của LCD

Trong quá trình sản xuất màn hình LCD, các nhà sản xuất đã tích hợp chip điều khiển HD44780 bên trong vỏ màn hình, chỉ để lại những chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ tự và có tên gọi cụ thể.

Hình 2.7 Sơ đồ chân của LCD

[http://fab.cba.mit.edu/classes/MIT/863.06/11.13/44780.pdf] Bảng 2-8: Chức năng các chân của LCD

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển

2 Vdd Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển

3 Vee Chân này dùng để điều chỉnh độ tương phản của LCD

4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic“1” (VCC) để chọn thanh ghi

Trong chế độ “ghi”, bus DB0-DB7 sẽ kết nối với thanh ghi lệnh IR của LCD, trong khi ở chế độ “đọc”, nó sẽ nối với bộ đếm địa chỉ của LCD.

5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

Chân E (Enable) đóng vai trò quan trọng trong việc chấp nhận lệnh khi tín hiệu được đưa lên bus DB0-DB7 Trong chế độ ghi, LCD sẽ chuyển dữ liệu từ bus vào thanh ghi nội bộ khi phát hiện xung chuyển từ cao sang thấp của tín hiệu chân E.

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:

Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7

2.2.3 Các thanh ghi của LCD

LCD có 2 thanh ghi 8 bit quan trọng : Thanh ghi lệnh IR (Instructor Register) và thanh ghi dữ liệu DR (Data Register)

Để điều khiển LCD, người dùng cần sử dụng thanh ghi IR để gửi lệnh qua tám đường bus DB0-DB7 Mỗi lệnh được đánh địa chỉ rõ ràng bởi nhà sản xuất, và người dùng chỉ cần nạp địa chỉ lệnh vào thanh ghi IR Khi nạp một chuỗi 8 bit vào thanh ghi IR, chip HD44780 sẽ tra cứu bảng mã lệnh tại địa chỉ được cung cấp và thực hiện lệnh tương ứng.

VD : Lệnh “hiển thị màn hình” có địa chỉ lệnh là 00001100 (DB7…DB0), lệnh

“hiển thị màn hình và con trỏ” có mã lệnh là 00001110

Thanh ghi DR: Thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8 bit để ghi vào vùng RAM

DDRAM và CGRAM là hai vùng nhớ quan trọng trong chip HD44780, sử dụng để ghi và đọc dữ liệu từ MPU Khi MPU ghi thông tin vào DR, chip sẽ tự động lưu trữ dữ liệu vào DDRAM hoặc CGRAM Đồng thời, khi địa chỉ được ghi vào IR, dữ liệu tại địa chỉ đó sẽ được chuyển từ RAM nội ra DR để gửi tới MPU Việc điều khiển chân RS và R/W cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai thanh ghi này trong quá trình giao tiếp với MPU Bảng dưới đây tóm tắt các thiết lập cho chân RS và R/W theo mục đích giao tiếp.

Bảng 2-9: Chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng

0 0 Khi vào thanh ghi IR để ra lệnh cho LCD

0 1 Đọc cờ bận ở DB7 và giá trị bộ đếm địa chỉ ở DB0-DB6

1 0 Ghi vào thanh ghi DR

1 1 Đọc giữ liệu từ DR

Khi chip thực hiện các hoạt động nội bộ, mạch bên trong cần thời gian để hoàn tất Trong quá trình này, LCD ngừng giao tiếp với bên ngoài và kích hoạt cờ BF qua chân DB7 (với thiết lập RS=0, R/W=1) để thông báo cho MPU rằng nó đang "bận" Sau khi hoàn thành, LCD sẽ đặt cờ BF về mức 0.

2.2.5 Bộ đếm địa chỉ AC

Thanh ghi IR không kết nối trực tiếp với RAM mà thông qua bộ đếm địa chỉ AC Bộ đếm này kết nối với hai vùng RAM theo kiểu rẽ nhánh Khi một địa chỉ lệnh được nạp vào thanh ghi IR, thông tin sẽ được gửi tới hai vùng RAM, với việc lựa chọn vùng RAM tương tác đã được xác định trong mã lệnh.

Sau khi dữ liệu được ghi vào RAM, bộ đếm AC sẽ tự động tăng hoặc giảm 1 đơn vị Nội dung của AC sẽ được truyền đến MPU qua các chân DB0-DB6 khi thiết lập RS=0 và R/W=1.

Lưu ý rằng thời gian cập nhật AC không được tính vào thời gian thực thi lệnh Thời gian này sẽ được cập nhật khi cờ BF đạt mức cao Do đó, khi lập trình hiển thị, bạn cần phải thêm một khoảng thời gian delay t ADD từ 4-5μs ngay sau khi BF=1 trước khi nạp dữ liệu mới.

Hình 2.8 Giản đồ xung cập nhật AC

[http://fab.cba.mit.edu/classes/MIT/863.06/11.13/44780.pdf]

2.2.6 Vùng RAM hiển thị DDRAM. Đây là vùng RAM dùng để hiển thị, tức là ứng với một địa chỉ RAM là một ký tự trên màn hình và khi ghi vào vùng RAM này một mã 8 bít, LCD sẽ hiển thị trên màn hình một ký tự có mã 8 bít

Hình 2.9 Mối liên hệ giữa địa chỉ DDRAM và điểm hiển thị của LCD

Vùng RAM này có khả năng lưu trữ 80 ký tự mã 8 bit, tương đương với 80x8 bit nhớ Các vùng RAM còn lại, không được sử dụng cho hiển thị, có thể được khai thác như những vùng RAM đa mục đích.

2.2.7 Vùng ROM chứa ký tự CGROM

Vùng ROM chứa các mẫu ký tự kích thước 5x8 và 5x10 điểm ảnh, với khả năng định địa chỉ 8 bit Tuy nhiên, chỉ có 208 mẫu ký tự 5x8 và 32 mẫu ký tự 5x10, tổng cộng là 240 mẫu, thay vì 256 mẫu như dự kiến Người dùng không thể thay đổi nội dung của vùng ROM này.

Hình 2.10 Mối liên hệ giữa địa chỉ ROM và dữ liệu tạo mẫu ký tự (5x8)

Hình 2.11 Mối liên hệ giữa địa chỉ ROM và dữ liệu tạo mẫu ký tự (5x10)

Để hiển thị một ký tự y tại vị trí thứ x trên màn hình, người dùng cần ghi vào vùng DDRAM tại địa chỉ x một chuỗi mã ký tự 8 bit từ CGROM Trong bảng mã ký tự CGROM, mã ROM A00 có thể được tham khảo Ví dụ, khi ghi vào DDRAM tại địa chỉ "01" chuỗi 8 bit "01100010", ký tự "b" sẽ xuất hiện ở ô thứ 2 từ trái sang trên LCD.

Hình 2.12 Bảng mã ký tự (ROM code A00)

2.2.8 Vùng RAM chứa kí tự đồ họa CGRAM

Bàn phím Keypad

Bàn phím Keypad là thiết bị nhập liệu phổ biến trong các mạch ứng dụng điện tử, cho phép người dùng nhập số, chữ cái hoặc ký hiệu vào bộ điều khiển Khác với bàn phím máy tính, Keypad không bao gồm toàn bộ bảng mã ASCII và thường chỉ xuất hiện trong các thiết bị chuyên dụng, như máy tính điện tử cầm tay Số lượng nút nhấn trên Keypad thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng, trong đó loại Keypad 4x4 được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống.

Keypad 4x4 là loại bàn phím có 16 nút nhấn được sắp xếp theo ma trận 4 hàng và 4 cột, đây là cách bố trí phổ biến cho các loại keypad Tương tự như ma trận LED, các nút nhấn trong cùng một hàng và cột được kết nối với nhau, tạo ra tổng cộng 8 ngõ ra (4 hàng và 4 cột) Những ngõ ra này được kết nối với vi điều khiển để thực hiện quá trình đọc phím.

ĐO ĐẠC VÀ LẤY DỮ LIỆU

Vi điều khiển AVR

AVR là dòng vi điều khiển 8 bit do Atmel sản xuất, nổi bật với kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) giúp tối ưu hóa hiệu suất Với cấu trúc tập lệnh đơn giản, AVR đang thể hiện ưu thế vượt trội trong các bộ xử lý hiện nay.

* Những đặc điểm nổi bật của AVR:

So với các vi điều khiển 8 bits khác, chip AVR nổi bật với nhiều đặc tính vượt trội, đặc biệt trong tính ứng dụng dễ sử dụng và các chức năng phong phú.

Khi sử dụng AVR, chúng ta hầu như không cần thêm bất kỳ linh kiện phụ nào, bao gồm cả nguồn tạo xung clock cho chip, thường là các khối thạch anh.

Thiết bị lập trình cho AVR rất dễ sử dụng, với một số mạch nạp chỉ cần vài điện trở để hoạt động Ngoài ra, một số dòng AVR còn hỗ trợ lập trình on-chip thông qua bootloader, giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng mạch nạp.

- Bên cạnh lập trình bằng Assembly, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích

- Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên internet

* Tính năng đặc trưng của AVR:

- Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên đến 8 MHz (sai số 3%)

Bộ nhớ chương trình Flash có khả năng lập trình lại nhiều lần, dung lượng lớn và đi kèm với SRAM (Ram tĩnh) có kích thước lớn Đặc biệt, nó còn sở hữu bộ nhớ lưu trữ có thể lập trình được, mang lại nhiều lợi ích cho việc lưu trữ và xử lý dữ liệu.

- Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional)

- 8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM

- Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh

- Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232)

- Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master và Slaver

- Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)

Hình 3.1 – Vi điều khiển AVR Atmega8 [http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf]

3.1.2 Kiến trúc của vi điều khiển AVR

AVR sử dụng cấu trúc Harvard với đường truyền riêng biệt cho bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình Đường truyền bộ nhớ dữ liệu có độ rộng 8 bit, kết nối với hầu hết các thiết bị ngoại vi và register file, trong khi đường truyền bộ nhớ chương trình có độ rộng 16 bit, chỉ phục vụ cho các instruction registers Hình 3.2 minh họa cấu trúc bộ nhớ của AVR.

Bộ nhớ chương trình (Program memory) trong các chip AVR, như AT90S1200 và AT90S2313, chủ yếu bao gồm phần Application Flash Section, trong khi các chip mới còn có thêm phần Boot Flash Section Khi đề cập đến bộ nhớ chương trình, chúng ta thường chỉ nói đến Application Section, bao gồm hai phần chính: phần chứa mã lệnh (instruction) và phần chứa các vector ngắt (interrupt vectors) Các vector ngắt nằm ở đầu Application Section, bắt đầu từ địa chỉ 0x0000, và độ dài của chúng phụ thuộc vào loại chip Phần chứa instruction theo sau và chương trình viết cho chip cần được nạp vào đây Mặc dù bộ nhớ chương trình chủ yếu chứa instruction, nhưng đối với lập trình viên AVR, bộ nhớ này không được coi là quá quan trọng, vì các thanh ghi quan trọng đều nằm trong bộ nhớ dữ liệu của chip.

Hình 3.2- Tổ chức bộ nhớ của AVR

[http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf]

Bộ nhớ dữ liệu (data memory) là phần chứa các thanh ghi quan trọng nhất của chip, và việc lập trình cho chip chủ yếu liên quan đến việc truy cập bộ nhớ này Trên các chip AVR, dung lượng bộ nhớ dữ liệu có sự khác biệt tùy thuộc vào từng loại chip, nhưng cơ bản được chia thành 5 phần.

Phần 1 : là phần đầu tiên trong bộ nhớ dữ liệu, phần này bao gồm 32 thanh ghi có tên gọi là register file (RF), hay General Purpose Rgegister – GPR, hoặc đơn giản là các Thanh ghi Tất cả các thanh ghi này đều là các thanh ghi 8 bit

Tất cả các chip AVR có 32 thanh ghi Register File từ 0x0000 đến 0x001F, mỗi thanh ghi có thể chứa giá trị từ 0 đến 255 hoặc từ -128 đến 127, cũng như mã ASCII của ký tự Các thanh ghi được đặt tên từ R0 đến R31, được chia thành hai phần: phần 1 gồm R0 đến R15 và phần 2 gồm R16 đến R31.

- Được truy cập trực tiếp trong các instruction

- Các toán tử, phép toán thực hiện trên các thanh ghi này chỉ cần 1 chu kỳ xung clock

- Register File được kết nối trực tiếp với bộ xử lí trung tâm – CPU của chip

- Chúng là nguồn chứa các số hạng trong các phép toán và cũng là đích chứa kết quả trả lại của phép toán

Tất cả các instruction sử dụng RF làm toán hạng đều có thể truy nhập tất cả các

Trong một chu kỳ xung clock, RF hoạt động trực tiếp, ngoại trừ các lệnh SBCI, SUBI, CPI, ANDI và LDI Các lệnh này chỉ có khả năng truy cập các thanh ghi từ R16 trở xuống.

Thanh ghi R0 là thanh ghi duy nhất cho lệnh LPM (Load Program Memory), trong khi các thanh ghi R26, R27, R28, R29, R30 và R31 không chỉ thực hiện chức năng thông thường mà còn được sử dụng làm con trỏ trong một số lệnh truy xuất gián tiếp.

Tóm lại, 32 thanh ghi RF của AVR là một phần quan trọng của CPU, cho phép CPU truy cập nhanh chóng mà không cần địa chỉ, chỉ cần gọi tên trực tiếp Các thanh ghi này thường được sử dụng làm toán hạng trong các phép toán lập trình.

Phần 2: là phần nằm ngay sau register file, phần này bao gồm 64 thanh ghi được gọi là 64 thanh ghi nhập/xuất (64 I/O register) hay còn gọi là vùng nhớ I/O (I/O Memory) Vùng nhớ I/O là cửa ngõ giao tiếp giữa CPU và thiết bị ngoại vi Tất cả các thanh ghi điều khiển, trạng thái…của thiết bị ngoại vi đều nằm ở đây Nếu muốn truy xuất các thiết bị ngoại vi khác như Timer, chuyển đổi Analog/Digital, giao tiếp USART…đều thực hiện thông qua việc điều khiển các thanh ghi trong vùng nhớ này

Vùng nhớ I/O có thể truy cập dưới dạng SRAM hoặc thanh ghi I/O Khi sử dụng lệnh truy xuất SRAM, địa chỉ của vùng nhớ này nằm trong khoảng từ 0x0020 đến 0x005F Ngược lại, nếu truy xuất như các thanh ghi I/O, địa chỉ sẽ từ 0x0000 đến 0x003F.

Áp suất và cảm biến đo áp suất chất lỏng

3.2.1 Áp suất Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó: dS

Áp suất là một thông số quan trọng trong việc xác định trạng thái nhiệt động học của chất lỏng, khí và hơi Được đo bằng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp, áp suất có thể sử dụng các cảm biến đo lực Trong thực tế, nhu cầu đo áp suất rất đa dạng, đòi hỏi các cảm biến phải linh hoạt và phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

Trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị áp suất chính là pascal (Pa), với 1 Pa tương ứng với áp suất do lực 1N tác động lên diện tích 1m2 theo hướng pháp tuyến Do giá trị của pascal tương đối nhỏ, trong ngành công nghiệp, người ta thường sử dụng đơn vị áp suất khác như bar, với 1 bar bằng 10^5 Pa, cùng một số đơn vị khác.

Bảng 3-5: Đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng Đơn vị áp suất Pascal

Kg/cm 2 atmotsphe mmH 2 O mmHg mbar 1Pascal 1 10 5 1,02.10 -5 0,987.10 -5 1,02.10 -1 0,75.10 -2 10 -2

3.2.2 Nguyên lý đo áp suất Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh (Pt):

Đo áp suất chất lỏng là quá trình xác định lực tác động lên diện tích của thành bình Đối với chất lỏng tĩnh trong ống hở thẳng đứng, áp suất tĩnh tại điểm M, cách bề mặt tự do một khoảng h, được tính theo công thức p = p0 + ρgh.

Trong đó: p0 - áp suất khí quyển ρ - khối lượng riêng chất lưu g- gia tốc trọng trường. Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các phuơng pháp sau:

- Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp

- Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên

Trong phương pháp đo áp suất đầu tiên, cảm biến được đặt gần thành bình để đo áp suất Áp suất cần đo sẽ được cân bằng với áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng mẫu tạo ra hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực Khi sử dụng vật trung gian, cảm biến thường được trang bị bộ phận chuyển đổi điện Để đảm bảo độ chính xác cao, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến cần phải nhỏ so với tổng thể tích chất lỏng cần đo.

Trong phương pháp đo thứ hai, cảm biến đo ứng suất được gắn lên thành bình để xác định biến dạng của nó, biến dạng này tỷ lệ thuận với áp suất Đối với chất lỏng đang chuyển động, áp suất tổng (p) bao gồm áp suất tĩnh (pt) và áp suất động (pđ).

Áp suất tĩnh (P) được xác định bằng tổng của áp suất tĩnh (pt) và áp suất động (pđ) Áp suất tĩnh là áp suất xuất hiện khi chất lỏng đứng yên, được đo bằng các phương pháp đã đề cập Trong khi đó, áp suất động phát sinh từ chuyển động của chất lưu và tỉ lệ với bình phương vận tốc của chất lưu.

Trong đó ρ là khối lượng riêng chất lưu

Khi dòng chảy va đập vuông góc với mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, và áp suất tác dụng lên mặt phẳng được gọi là áp suất tổng Để đo áp suất động, người ta thường thực hiện việc đo chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Việc này thường được thực hiện bằng cách sử dụng hai cảm biến kết nối với hai đầu ra của ống Pitot, trong đó một cảm biến đo áp suất tổng và cảm biến còn lại đo áp suất tĩnh.

Hình 3.10- Đo áp suất động bằng ống Pilot

Áp suất động có thể được đo bằng cách áp dụng áp suất tổng ở mặt trước và áp suất tĩnh ở mặt sau của màng đo Tín hiệu từ cảm biến sẽ phản ánh sự chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.

Hình 3.11- Đo áp suất động bằng màng

1) Màng đo 2) Phần tử áp điện 3.2.3 Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất dựa trên nguyên lý đo sức căng là một trong những loại phổ biến nhất hiện nay Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến này dựa vào sự biến dạng đàn hồi của các phần tử nhạy cảm khi chịu tác động của áp suất Các phần tử biến dạng thường được sử dụng bao gồm ống trụ, lò xo ống, xi phông và màng mỏng.

Cảm biến áp suất gồm hai bộ phận: đầu dò áp suất và bộ chuyển đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu điện

3.2.3.1 Cấu tạo cảm biến áp suất a Phần tử biến dạng

Sơ đồ cấu tạo của phần tử biến dạng hình ống trụ được trình bày trong hình 3.12, với ống có hình dạng trụ, thành mỏng và một đầu bịt kín, được chế tạo từ kim loại.

Khi áp suất chất lưu tác động lên thành ống dài (L >> r), ống sẽ bị biến dạng, dẫn đến biến dạng ngang (ε1) và biến dạng dọc (ε2) Các biến dạng này được xác định bởi biểu thức: p e k r / Y p.

Mô đun Young (Y) và hệ số Poisson (ν) là những thông số quan trọng trong việc tính toán cơ học Trong đó, r đại diện cho bán kính trong của ống và e là chiều dày của thành ống Để chuyển đổi tín hiệu cơ (biến dạng) thành tín hiệu điện, người ta sử dụng bộ chuyển đổi điện, chẳng hạn như cảm biến lực.

Lò xo ống trong cảm biến áp suất, như mô tả trong hình 3.13, được cấu tạo từ một ống kim loại được uốn cong với một đầu cố định và một đầu tự do Khi chất lưu được đưa vào ống, áp suất tác động lên thành ống gây ra biến dạng, làm cho đầu tự do di chuyển.

Trên hình (3.13a) là sơ đồ lò xo ống một vòng, tiết diện ngang của ống hình p x k s a pab b

= γ γ γ γ γ ε trái xoan Dưới tác dụng của áp suất dư trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn dưới tác dụng của áp suất thấp nó sẽ co lại

Hình 3.13 Lò xo ống Đối với các lò xo ống thành mỏng biến thiên góc ở tâm (γ ) dưới tác dụng của áp suất (p) xác định bởi công thức:

Trong đó: ν - hệ số poisson

R là bán kính cong, h là bề dày thành ống, a và b là các bán trục của tiết diện ôvan Các hệ số β và α phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của ống Tham số chính của ống được xác định bằng công thức x = Rh/a².

Lực thành phần theo hướng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b 0,6 - 0,7) ở đầu tự do xác định theo theo biểu thức:

Trong đó s và ε là hệ số phụ thộc tỷ số b/a

Giá trị k1, k2 là hằng số đối với mỗi lò xo ống, nên ta có thể viết được biểu thức xác định lực tổng hợp: kp p k k

Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ a/b và các giá trị của R, h, γ, chúng ta có thể thay đổi giá trị của ∆γ, N và độ nhạy của phép đo Để tăng góc quay, lò xo ống một vòng có thể được thay thế bằng lò xo ống nhiều vòng như hình 3.14b Trong trường hợp lò xo ống dạng vòng, cần sử dụng các cơ cấu truyền động bổ sung để gia tăng góc quay Để tạo ra góc quay lớn hơn, lò xo xoắn với tiết diện ô van hoặc hình răng khía, như hình 3.14c, thường được sử dụng, với góc quay dao động từ 40 đến 60 độ, cho phép kim chỉ thị được gắn trực tiếp vào đầu tự do của lò xo Lò xo ống làm từ đồng thau có khả năng đo áp suất dưới 5 MPa, trong khi hợp kim nhẹ hoặc thép có thể đo áp suất dưới 1.000 MPa; đối với áp suất trên 1.000 MPa, cần sử dụng thép gió.

MODULE GSM

MODULE THU PHÁT KHÔNG DÂY HM-TR

Tiêu đề	Hệ Thống Tự Động Giám Sát Mực Nước Qua Mạng Gsm
Tác giả	Trần Lâm Tùng
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Đức
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật Điện tử
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	1,88 MB