1
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHO ĐẦU ĐO MỨC NƯỚC
Ks. Phan Minh Tân, TSKH. Phạm Thượng Cát, Ks.Vũ Sĩ Thắng
Phòng Công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ Thông tin
Tel. 8363484, e-mail: Tóm tắt: Nhu cầu đo mức nước là rất lớn trong nhiều lĩnh vực: cấp nước đô thị, thuỷ lợi, phòng chống lụt lội...
Chúng tôi giới thiệu việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo chip đầu đo mức nước sử dụng công nghệ
PSoC. Trên cơ sở của chip, chúng tôi xây dựng hệ thống thiết bị đo và xử lý mức nước từ xa. Hệ thống
có thể sử dụng để đo kiểm soát mức nước cho các nhà máy nước, hệ thống thuỷ lợi, kênh tưới tiêu, mức
nước của sông suối ao hồ, bể chứa.
Research, Design and Develop water level monitoring using chip PSoC

Abstracts: The demand of water level monitoring is great in many fields: water supply, irrigation, flood
precaution... In this paper, we introduce the process of research, design and develop water level
monitoring chip using PSoC technology. Based on the specialized chip, remote water level
monitoring and processing system is built. The system can be used to control water level of water
supply plant, irrigation systems, and irrigation ditch...
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nhu cầu đo mức nước trong các ngành kinh tế
quốc dân là rất lớn. Ví dụ trong lĩnh vực cấp nước
đô thị, thuỷ lợi và phòng chống thiên tai. Hiện nay
cả nước ta đang triển khai các dự án cấp nước và
hàng trăm công trình thủy lợi nhằm kiên cố hóa
kênh mương và hiện đại hóa các trạm bơm nhằm
phục vụ chương trình phát triển nông nghiệp, nông
thôn của nhà nước.

Trong báo cáo này chúng tôi tập trung đi sâu vào
nghiên cứu thiết kế và chế tạo ra được chip chuyên
dụng đo mức nước sử dụng công nghệ PSoC.
2. Nguyên lý đầu đo mực nước
2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm
biến mức nước theo phương pháp tụ
Cảm biến mức nước hoạt động theo nguyên lý
tụ điện, của 2 ống inox lồng nhau được bọc lớp
cách điện có độ dài trung bình từ 1m - 5m.

2

Điện dung của cảm biến khi không có nước được tính theo công thức sau:
(xem hình 1)






=

r
R
ln
K
0
0
2
πε
(2)
điện dung của cảm biến:
LKC
oo
⋅=

Như chúng ta đã biết, khi cảm biến được nhúng vào
trong nước, hằng số điện môi của nước sẽ gấp xấp
xỉ ε
r
~ 80 lần so với không khí.
Khi ta nhúng đầu đo vào nước với độ dài l, điện
dung sẽ được tính gồm 2 phần tụ C1 phần ngập
nước và C2 là phần của không khí.

l.K
)
r
R
ln(
C
ro

lK)(C
oro
⋅⋅−+
1
ε
(4)
Như vậy ta có thể thấy giá trị của tụ tỷ lệ với độ dài
ngập nước của đầu đo.

2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử đo mức nước
Hình 2 giới thiệu sơ đồ khối mạch điện tử
được gắn liền với cảm biếm mức nước và có nhiệm
vụ đo, tính toán, xử lý, lọc tín hiệu và truyền số liệu
về thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu. Tất cả các quá
trình đo đạc được số hoá toàn bộ, bảo đảm dữ liệu
truyền về không bị tác động nhiều bởi nhiễu. r
R
L

độ
không
khí
LM

I
2
C
Hình 2: Sơ đồ khối đầu đo mức nước thông minh
3
Chức năng của các chip trong sơ đồ:
• Chip chính là chip WLS đo mức nước được
phát triển trên công nghệ PSoC.
• Chip ICM7555 - bộ tạo tần số đo
• Chip MAX485 - truyền nhận theo chuẩn
RS485 và RS422, tốc độ truyền có thể lên tới
2.5 Mbps
• Chip DS1624 - IC đo nhiệt độ, được kết nối
theo chuẩn I2C
• Chip LM75 - IC đo nhiệt độ, được kết nối
theo chuẩn I2C.

Sơ đồ khối chức năng của chip đo mức nước WLS được mô tả trong hình 3:


MAX485 với thiết bị hiển thị mực nước từ xa
WLM. Tốc độ truyền là 9600Baud. Counter8-1 tạo
xung đồng hồ cho UART-1 để truyền 9600Baud.
Counter8-3 tạo xung đồng hồ 500m giây và 12
giây. Cứ 500m giây chương trình kiểm tra xem có
lệnh gửi số liệu không, nếu có thì gửi số liệu của
đầu đo cho thiết bị hiển thị mực nước từ xa WLM.
12 giây thì đo nhiệt độ nước ( LM75 ), và nhiệt
độ không khí ở khoang điện tử (DS1624 ) để thực
hiện các tính toán và hiển thị cần thiết.
Tất cả việc xử lý và tính toán được CPU thực
hiện theo chương trình nạp trong Flash (Hình 3).
COUNTER16-1 COUNTER8-3 COUNTER8-1 UART-1

CLK

Rx Tx
Rx

MAX485
Tx


Cho đo
ứ ướ
®Çu ®o
Hình 3: Sơ đồ khối các chức năng chính của chip WLS đo mức nước
4
Cấu hình Chíp đo mức mước được thiết kế như sau:
+ Các thông số hệ thống của chip được chọn:
Global Resource
CPU_Clock 12_MHz
32K_Select Internal
PLL_Mode Disable
Sleep_Timer 512_Hz
24V1=24MHz/N 12
24V2=24V1/N 16
Analog Power SC On/Ref High
Ref Mux (Vcc/2)+/-(Vcc/2)
Op-Amp Bias High
A_Buff_Power High
SwichModePump ON
VoltMonRange 5.0V
VoltMonThreshold 92%
Supply Voltage 5.0V
+ Một số đặc trưng cơ bản của các chip PsoC đo mức nước :
28 chân
Tần số hoạt động
Thế hiệu làm việc
Flash(kBytes)
RAM(Bytes)
Khối số
5
Nhiệm vụ của các khối chức năng sử dụng trong
chíp đo mức nước
• Counter8_2, Counter8_4: Giảm tần số nước
xuống mức cần thiết
• Counter16_1: Đo độ rộng xung tần số nước.
• Counter8_1: Đặt Clock cho tốc độ truyền 485.
• Counter8_3: Đo thời gian cho hệ thống.
• I2C: Đo nhiệt độ
• UART_1: Truyền theo chuẩn nối tiếp.

+ Định nghĩa các chân của chip đo mức nước
Signal Pin Table (t1)
Pin# Port Label Select Drive Interrupt
1 P0[7] Port_0_7 Global_IN_7 High Z DisableInt
2 P0[5] Port_0_5 Global_OUT_5 (Pull Up) Pull Up DisableInt
3 P0[3] Port_0_3 StdCPU Pull Up DisableInt
4 P0[1] Port_0_1 StdCPU Pull Up DisableInt
5 P2[7] Port_2_7 StdCPU Strong DisableInt
6 P2[5] Port_2_5 StdCPU Pull Down DisableInt
7 P2[3] Port_2_3 StdCPU Pull Down DisableInt
8 P2[1] Port_2_1 StdCPU Pull Down DisableInt
9 SMP
10 P1[7] Port_1_7 StdCPU Pull Down DisableInt
11 P1[5] Port_1_5 StdCPU Pull Down DisableInt
12 P1[3] Port_1_3 StdCPU Pull Down DisableInt
13 P1[1] Port_1_1 StdCPU Pull Down DisableInt
14 VSS