ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHÙNG CÔNG PHI KHANH

THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHỐI CHUYỂN ĐỔI VÀ XỬ LÝ
THÔNG TIN TỪ ĐẦU ĐO PHỤC VỤ ĐIỂM ĐO CẢM NHẬN
MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2005



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 tậ
p 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…, ph
ục 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:

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 tiế
p 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 nhậ
n 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

dụng cặp thu phát số : TX2-433-160-5V và RX2-433-160-5V hình dáng
bên ngoài củ
a 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 t
ừ - 40
0
C đến + 60
0
C.
- Dải áp suất có thể đo từ 0 đến 14 bar (200PSI).

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 s
ẽ 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, thờ
i 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 – 0,8
0
C đến + 0,8
0
C xét ở nhiệt độ 25
0
C với hệ số bù cung
cấp bởi modul MS5535 lưu trữ trong IC giao diện. Độ phân giải nhiệt độ
trong khoảng 0.005
0

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 đ
ó các hệ số bù từ C
1
đến C6 được tách ra.
7


= Hệ số nhiệt độ của nhạy nhiệt độ (10Bít)
C
4
= Hệ số nhiệt độ của bù áp suất (9Bít)
C
5
= Nhiệt độ so sánh (12Bít)
C
6
= Hệ số nhiệt độ của nhiệt độ (7Bít)
Đọc giá trị áp suất D
1
(16 Bít) từ MS5535.
Đọc giá trị nhiệt độ D
2
(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=D
2
- (8*C
5
+ 10000)
Bù cho nhiệt độ thực.
OFF= C
2
+ (C
4
- 250)*dt/2
12

) và 16 bít thông tin nhiệt độ (D
2
) cùng một giao diện nối tiếp. Sau đó
giá trị áp suất được tính ra từ D
1
, D
2
và C
1
đến C
6
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 điệ
n 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 c
ả 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)

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 th
ấp 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


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 d
ạng
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 đượ
c vẽ trên hình 26 . MS
5535
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 liệ
u 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
RX2

MAX232
PC
1
2
4
6
5
3
T
R
C1
C2
C3
C4
1
3
4
5
10
16
15
6
7

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 n
ạp 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 b
ằng hợp ngữ.
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


0
P
ss
là áp suất trong bình không khí nơi đặt modul sensor MS5535.
R
0
là bán kính của ống bên ngoài.

Modul 1
h
MS5535
P
kq
P
ss Hình 31: Sơ đồ thử nghiệm 18
R là bán kính của bình không khí.
P
kq
là áp suất khí quyển bên ngoài.
P
n
là áp suất của cột nước.
α = 0,073 là hệ số căng mặt ngoài của nước. Giá trị 2α/R và 2α/R
0

sẽ là:
P
n
= D.g.h (N/m
2
) = 10
4
.h (N/m
2
) = 100.h (mbar)
Nếu h lấy đơn vị là mm thì ta có
P
ss
= h/10 + P
kq
(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.
P
kq
= 1018 mbar (áp suất không khí lý thuyết là 1013 mbar tại mức mặt
biển).
P
lt
= Áp suất theo tính toán lý thuyết: P
lt
= h/10 +1018 (mbar)
P

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 su
ất P
lt
và P
tn
theo chiều cao cột nước h.
Trên biểu đồ hình 32 cho thấy đường P
tn
bám rất sát đường P
lt
điều

1.4 Khi phát và thu d liu................................................................. 8
Chng 2: CHC NNG VÀ HOT NG CA CÁC MODUL..... 10
2.1 Modul MS5535.............................................................................. 10
2.2 Modul TX2 và RX2....................................................................... 22
2.3 Vi iu khin 89C52...................................................................... 30
Chng 3: THIT K VÀ CH TO H THNG.............................. 38
3.1 Thit k ch t
o modul 1................................................................ 38
3.2 Thit k ch to modul 2................................................................ 40
Chng 4: THIT K PHN MM..................................................... 42
4.1 Khái quát v phn mm cho h thng........................................... 42
4.2 Phn mm lp trình cho vi iu khin............................................ 43
4.3 Phn mm lp trình cho máy vi tính.............................................. 44
Chng 5: TH NGHIM H THNG VÀ ÁNH GIÁ KT QU.. 47
5.1 T chc th nghim........................................................................ 47
5.2 Cách tính toán thông s áp sut....................................................... 47
5.3 Kt qu th nghim........................................................................ 48
KT LUN............................................................................................. 51
TÀI LIU THAM KHO....................................................................... 52
PH LC 1............................................................................................. 53
PH LC 2............................................................................................. 66
PH LC 3............................................................................................. 73
Lun vn thc s

Phùng Công Phi Khanh4

MỞ ĐẦU

Trích đoạn Khối cảm nhận Khối phát và thu dữ liệu Modul TX2 và R Vi điều khiển 89C

---