Trang chủ Diễn đàn Nghiên cứu phát triển các Chip chuyên dụng cho hệ thống điều khiển máy điều hoà nhiệt độ

Nghiên cứu phát triển các Chip chuyên dụng cho hệ thống điều khiển máy điều hoà nhiệt độ

Chỉ mục bài viết
Nghiên cứu phát triển các Chip chuyên dụng cho hệ thống điều khiển máy điều hoà nhiệt độ
Page 2
Tất cả các trang

Phạm Thượng Cát, Phan Minh Tân
Phòng Công Nghệ Tự Động Hoá. Viện Công Nghệ Thông Tin.
Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam.

Tóm tắt: Nội địa hoá sản phẩm, đẩy mạnh nền công nghệ sản xuất trong nước là một yêu cầu tất yếu để hạ giá thành sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh của các sản phẩm Việt Nam trên thị trường trong nước cũng như quốc tế. Đây cũng là một trong những mục tiêu chính của nền công nghiệp nước ta hiện nay.

Trong bối cảnh đó, lĩnh vực sản xuất máy lạnh cũng đang từng bước chuyển sang sản xuất nội địa toàn bộ các chi tiết của sản phẩm. Hiện nay, tỷ lệ nội địa hoá của máy lạnh Việt Nam vẫn còn thấp và nhất là vẫn phải nhập ngoại toàn bộ board điều khiển cũng như các phụ kiện của nó. Đứng trước yêu cầu tăng tỉ lệ nội địa hoá máy lạnh và chủ động thiết kế và chế tạo máy lạnh thương hiệu Việt nam, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo sản phẩm: Board điều khiển máy điều hoà nhiệt độ, bộ điều khiển xa hồng ngọai cho máy lạnh bằng công nghệ tạo chip thông minh PSoC. Bài báo  này trình bày  các kết quả  đã được nghiên cứu phát triển thời gian qua.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay nhiều cơ sở sản xuất các thiết bị gia dụng (điều hoà, máy giặt, tủ lạnh, nồi cơm điện...) đang phải nhập khẩu các bộ điều khiển về lắp ráp cho các sản phẩm của mình. Nhu cầu tăng tỷ lệ nội địa hoá các sản phẩm gia dụng công nghệ cao này đang là vấn đề bức xúc của các doanh nghiệp sản xuất do sức ép cạnh tranh của tiến trình hội nhập AFFA, WTO. Chính vì vậy việc nghiên cứu thiết kế các chip thông minh mang thương hiệu Việt Nam cho các dây chuyền sản xuất thiết bị gia dụng trong nước là một lựa chọn đúng và nó đáp ứng nhu cầu thực tiễn và tăng được sức cạnh tranh cho các sản phẩm của Việt nam. Số lượng các chip cần cho các bo điều khiển máy lạnh và các thiết bị gia dụng ngày càng tăng do đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện, nhu cầu sử dụng các thiết bị gia dụng hiện đại ngày càng cao. Nét mới ở đây là tạo được các chip điều khiển máy lạnh Việt Nam với chức năng phù hợp với môi trường Việt Nam. Việc nghiên cứu tạo chip cho máy lạnh Việt nam là tiền đề cho việc nghiên cứu phát triển các chip thông minh cho các sản phẩm gia dung cao cấp khác cần có tỷ lệ nội địa hóa cao như máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng, nồi cơm điện.vv.
Ở trong nước chưa có cơ sở nào tiến hành nghiên cứu phát triển các bo điều khiển cho máy lạnh để tăng tỷ lệ nội địa hóa. Các bo điều khiển nhập ngoại có chức năng nhiều khi không phù hợp với yêu cầu và thường sử dụng các chip vi điều khiển có cấu trúc cứng (fixed micro controller).  Báo cáo này sử dụng công nghệ PSoC có khả năng tái cấu hình phong phú với nhiều ngoại vi mạnh cho phép việc tăng độ thông minh của thiết bị lạnh một cách dễ dàng.

Hình 1: Sơ đồ khối tổng quát hệ điều khiển máy lạnh

2. THIẾT KẾ CHIP ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỀU Hòa MỘT CHIỀU.
Hình 1 minh họa tổng quát về cấu trúc của một máy điều hòa nói chung. Đây chỉ là loại điều hòa một chiều, vì vậy về cấu trúc điều khiển là đơn giản hơn so với loại điều hòa hai chiều. Ta có thể chỉ cần sử dụng một bo mạch điều khiển là đủ cho cả hai block trong và ngoài phòng (dàn lạnh và dàn nóng). Hệ thống điều khiển máy điều hòa gồm board điều khiển và bộ điều khiển hồng ngoại từ xa cầm tay. Đầu não của hệ thống điều khiển là các chip xử lý  trên bo mạch được thiết kế  mang tên ĐKML-1.
Chip ĐKML-1 :   
Các tín hiệu đầu vào của chip  gồm có:
+Emergency Botton: tạo xung tín hiệu trên cổng vào chip xử lý, khởi động module Emergency trong trường  hợp không có bộ điều khiển từ xa. 
+Infared Receiver: đầu nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển từ xa.
+Sensor 1 và Sensor 2: là các cảm biến nhiệt độ và cảm biến điểm đông của môi trường không khí trong phòng. Hai đầu vào cho cảm biến nhiệt độ và điểm đông được biến đổi qua các cổng ADC, các đầu I/O còn lại đều dùng các cổng vào ra số thông thường của chip.

Hình 2 : Sơ đồ chân vào ra của chip ĐKML-1

Các tín hiệu đầu ra của chip gồm có:
+Led display: đèn chỉ thị báo chế độ hoạt động của máy.
+Buzzer: Loa tín hiệu, phát âm thanh khi nhận được lệnh bất kì.
+Louver motor: động cơ đảo cánh gió, loại động cơ bước.
+Fan motor: động cơ quạt gió, có thể thay đổi tốc độ.
+Compessor motor: động cơ máy nén dàn nóng.
Chip ĐKML-1 có các đặc trưng sau:
+ Áp sử dụng: 5V
+ Tần số dồng hồ CPU 12 MHz.
+ Tần số đồng hồ hệ thống SysClk 24 Mhz
+ Tần số ngắt Sleep_Timer 1 Hz
+ Có sử dụng WatchDog
- WatchDog được dung đề phòng trường hơp hệ thống bị rơi vào trạng thái treo máy do bất kì lí do gì. máy sẽ được khởi động lại. Sleep_Timer được dùng để phục vụ WatchDog.

Hình 3 : Sơ đồ chức năng của chip ĐKML-1

Các khối chức năng khác:
+ ADC dùng kiểm soát nhiệt độ phòng và kiểm soát nhiệt độ mặt giàn lạnh.
+ Bộ phân kênh dùng cho mục đích một ADC kiểm soát nhiều điểm đo khác nhau.
+ Khuyếch đại đệm dùng ổn định đầu vào cho ADC. Khuyếch đại 1:1.
+ Timer_1 và các ngắt GPIO dùng cho các đầu vào điều khiển nút bấm và điều khiển hồng ngoại.
+ Timer_2 dùng cho mục đích Real Time Clock. Tạo ra bộ đếm xung đồng hồ dựa trên nguồn xung đồng hồ hệ thống.
Đây là các khối chức năng được xử lí bằng phần cứng, ngoài ra các module phần mềm dùng để điều khiển các đầu ra của hệ như:
+ Module hiển thị, trực tiếp điều khiển các led chỉ thị qua các Port của chip.
+ Module Buzzer, trực tiếp điều khiển loa tín hiệu bằng tần số âm thích hợp qua Port của chip, có hỗ trợ của mạch đệm công suất.
+ Module Quạt gió và máy nén, điều khiển các relay dóng cắt động cơ quạt gió và động cơ nén giàn nóng.
+ Module Louver điều khiển động cơ bước dùng cho cánh đảo gió. Áp dụng theo phương pháp điều khiển Half Stepping là phương pháp cho độ mịn bước và độ ổn định cao.
Hình 2 và Hình 3 mô tả sơ đồ chân vào ra  và các khối chức năng của chip ĐKML-1 đã được thiết kế:
3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO BO ĐIỀU KHIỂN VÀ MÁY ĐIỀU HÒA MẪU
3.1  Bo điều khiển máy lạnh 2 cục  12000 BTU và 18000 BTU
Từ chip ĐKML-1  hai bo điều khiển cho máy lạnh 2 cục 9-12000 và 18000 BTU đã được thiết kế và chế tạo. Sơ đồ nguyên lý của bo điều khiển máy lạnh bao gồm các khối sau:
+ Khối nguồn cấp.
+ Khối giao tiếp hồng ngoại, nút bấm, khối đo nhiệt độ (hai kênh) và khối chỉ thị. Tất cả đều giao tiếp trực tiếp với mC.
+ Khối đầu ra điều khiển máy nén, quạt gió, đảo cánh gió và loa tín hiệu thì có tầng đệm công suất trong giao tiếp với mC.
Sơ đồ mạch của bo điều khiển được mô tả trong Hình 4 sau:

Hình 4 : Sơ đồ mạch của bo điều khiển  sử dụng chip ĐKML-1

3.2.  Phần mềm
Phần mềm nhúng trong máy điều hoà nhiệt độ  giải quyết các nhiệm vụ chính sau:
-  Giao tiếp với các đầu vào, nhận lệnh và xử lí các lệnh đó.
-  Đo các thông số nhiệt độ hiện tại và so sánh với các thông số đặt trước để đưa ra quyết định điều khiển.
- Đo đếm đồng hồ thời gian thực dùng cho các lệnh và quyết định điều khiển theo thời gian.
- Các thuật điều khiển theo các chế độ đặt trước của người dùng.
Bốn vấn để chính trên chính là cốt lõi của phần mềm điều khiển ngoài ra còn có các module giao tiếp đầu vào và đầu ra, phục vụ cho các đầu thu thập số liệu vào và các đầu điều khiển ra. Các đầu vào và ra sẽ được xử lí theo các nguyên lí đo và điều khiển.
Trong cả bốn vấn đề cần giải quyết của phần mềm điều khiển thì ta thấy tất cả các module đó đều có thể can thiệp vào trạng thái hoạt động của máy. Chính vì vậy cần bảo đảm tất cả các module đó phải can thiệp được vào điều khiển các đầu ra của hệ thống, nhưng không được chồng chéo làm vô hiệu hoá nhau cũng như không làm rối loạn điều khiển. Bên cạnh đó để đảm bảo tính thời gian thực, phần mềm phải được phân chia các quá trình chạy xen kẽ để thực hiện một cách kịp thời các quá trình đó. Với yêu cầu như vậy, ý tưởng được xây dựng là các trạng thái hoạt động, điều khiển được xây dựng qua hệ thống các thanh ghi xác lập trạng thái hoạt động. Cùng một loạt các thanh ghi hỗ trợ dùng trong các trường hợp lưu giữ tạm thời các trạng thái điều khiển. Ngoài ra còn có các thanh ghi phụ trợ dùng để lưu trữ một số trạng thái điều khiển khác nhau trong các lệnh tạm thời và nhiều các biến trạng thái khác được sử dụng kết hợp cho xử lí các giải thuật của chương trình.  Các thanh ghi này sẽ xác lập trạng thái hoạt động của máy để xác lập các đầu ra thông qua các module điều khiển đầu ra. Các lệnh đầu vào cũng can thiệp trực tiếp lên các thanh ghi này, và các module thực hiện các giải thuật điều khiển cũng tác động lên nó.
• Phương pháp đo nhiệt độ
Trên board điều khiển có hai kênh nhiệt độ, một kênh xác định nhiệt độ phòng, kênh còn lại xác định nhiệt độ mặt giàn lạnh đề phòng hệ thống phân phối nhiệt trục trặc, gây đóng băng trên bề mặt máy. Nhiệt độ được đo qua hai cảm biến nhiệt điện trở. Nên khi xác định được giá trị điện trở của nhiệt điện trở thì ta cũng xác định được nhiệt độ bao quanh nhiệt điện trở đó. Một ADC được dùng phối hợp với một bộ phân kênh sẽ giúp giải quyết vấn đề này như sau:

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý đo nhiệt độ dùng PSoC Thông qua bộ phân kênh ta sẽ lần lượt đo được các giá trị V0, V1, V2, V3

Hai cổng P0.3 và P 0.5 là hai chân cấp áp tham chiếu, khi đặt lên hai nhánh của mạch một hiệu điện thế thì sẽ có một dòng chạy qua và tạo áp rơi trên thermistor. Với điện trở tham chiếu có giá trị biết trước, ta xác định được dòng chạy qua nhánh mạch, đồng thời ta có được áp rơi trên các thermistor đo được trên port P 0.1 và P0.7 thì tương ứng sẽ xác đinh được điện trở hiện thời của thermistor. Như vậy hoàn toàn xác định được nhiệt độ tại các điểm đo của các thermistor. Thermistor dùng loại 10k chuẩn tại 250C. Sơ đồ nguyên lí được mô tả trong Hình 5.       
Qua công thức này cho thấy, độ chính xác và ổn định của điện trở tham chiếu rất ảnh hưởng tới kết quả của thermistor đo được. Sau khi có được Rthermistor ta sẽ tính được nhiệt độ của điểm đo dựa trên đặc tính của sensor. Loại thermistor được dùng ở dây là loại NTC Thermistor EC95, độ nhạy là -4%/0C, độ chính xác có thể đạt được là 0.1 0C, giải đo là -800C  +1500C. Để tính toán được nhiệt độ cần thiết có thể sử dụng hai phương pháp tra bảng hoặc tính toán theo công thức SteinHart Hart. Với phương pháp tra bảng thì sẽ tốn bộ nhớ hơn tuy nhiên tốc độ cho ra kết quả nhanh hơn. Với phương pháp SteinHart Hart thì tiết kiệm bộ nhớ hơn, tuy nhiên tính toán phức tạp hơn, chậm hơn. Dựa trên yêu cầu thì phương pháp tinh toán SteinHart Hart được lựa chọn ở đây. Và được tính toán như sau:
Trong đó T là nhiệt độ thực tế cần tính toán. Rt là điện trở đã đo và tính được, R25 là điện trở chính xác.  Các hệ số a, b, c, d  có thể  tra theo bảng  của các catalog. Áp dụng công thức trên và bộ hệ số đã cho thì kết quả thu được sẽ chính là nhiệt độ cần đo.

Hình 6 : Nguyên lý họat động của lệnh phát từ bộ điều khiển remote

• Hội thọai với Bộ điều khiển xa hồng ngọai
Cả nút bấm và phần nhận lệnh từ bộ điều khiển xa hồng ngoại đều có trạng thái thường cao. Vì vậy cả hai đều có thể sử dụng ngắt GPIO dạng sườn xuống để nhận dạng. Với nút bấm thì khi có ngắt sườn xuống của đầu vào nút bấm nó sẽ xử lí lệnh Botton_Power. Can thiệp thanh ghi lệnh dựng cờ báo Botton_Power. Cũng như vậy, đầu thu hồng ngoại cũng được giao diện qua  ngắt GPIO. Tuy nhiên, ngắt GPIO mới là bắt đầu của quá trinh nhận dạng lệnh từ remote control. Nguyên lý của lệnh từ điều khiển từ xa được mô tả trong Hình 6.
Nguyên lí trên có đặc điểm nếu ta sử dụng một bộ đếm để đếm được khoảng hạ thấp của các bit và qui đổi theo thời gian thì có thể xác định được bit start, bit 0, bit 1,… hơn nữa số bit số liệu sẽ chủ động được chứ không giới hạn ở 8 bit. Phụ thuộc theo giới hạn của tập lệnh điều khiển. Do yêu cầu của tập lệnh điều khiển trong ứng dụng này, độ dài lệnh là 8 bit được lựa chọn đủ đáp ứng cho tập lệnh. Trong quá trinh xử lí ngắt cho tia hồng ngoại, tất cả các ngắt khác: GPIO Int, Real Time Int, Sleep Timer Int sẽ bị khoá và chỉ được mở lại khi đã thực hiện xong ngắt này để tránh tranh chấp ngắt gây sai lệch số liệu thu được. Giá trị mã lệnh thu được sẽ được xử lí trong module ngoài ngắt remote_control() để tránh làm ngắt quá dài.
• Đồng hồ thời gian thực và watchdog
Đồng hồ thời gian thực dùng đếm thời gian hệ thống. Nguyên lí thực hiện là dùng một counter đếm và dùng ngắt counter để tăng giá trị thời gian sau mỗi lần ngắt. Giá trị thời gian đếm được sẽ được xử lí trong các module chính giải quyết về giải thuật xử lí thời gian. Ngắt Sleep Timer có tính chất chu kì tương tự khi chọn nó ở tần số 1 Hz, tuy nhiên không thể sử dụng ngắt này cho đồng hồ thời gian thực với độ chính xác cao, vì ngắt này có mức độ ưu tiên thấp nhất, dễ bị làm sai lệch bởi các ngắt khác. Đây là ngắt cần thiết dùng cho WatchDog. WatchDog sẽ tự động reset hệ thống khi vì một lí do nào đó mà hệ bị treo (chương trinh lỗi, nhiễu loạn…). Khi hệ thống bị  treo khoảng 3 chu kì sleep timer thì hệ thống sẽ tự khởi động lại. Đây là một tính chất cần có để hệ thống có thể chạy ổn định mà tránh phiền phức nhất cho người sử dụng.
• Đèn chỉ thị, quạt gió và máy nén
Các đèn chỉ thị có công suất nhỏ được điều khiển trực tiếp và  không cần sử dụng tới tầng đệm công suất. Tuy nhiên, đèn được treo ở mức thường cao cho nên để bật đèn ta cần đưa chân điều khiển về mức thấp. Các đầu ra điều khiển rơ le đóng cắt động cơ quạt gió và động cơ nén đòi hỏi công suất điều khiển lớn hơn, chính vì vậy cần có tầng đệm công suất. Đệm công suất ở đây sử dùng IC ULN2003, IC này có thể chịu dòng tới 500 mA, đầu ra đảo. Do đó mặc dù các relay cũng được treo thường cao nhưng lại được điều khiển theo mức logic thông thường, mức cao sẽ đóng rơ le. Cả động cơ nén và động cơ quạt gió đều là loại động cơ AC. Động cơ nén chỉ có một cấp độ duy nhất tuy nhiên động cơ quạt gió có 3 cấp độ khác nhau. Có thể thay đổi được tốc độ nhờ 3 cấp độ đó có số vòng dây khác nhau. Nên cần điều khiển 4 trạng thái cho máy nén và quạt gió. Động cơ máy nén cần được chú ý vì nó ít thay đổi trạng thái hơn quạt gió nhưng không được khởi động nhiều lần với thời gian quá ngắn vì có thể làm tăng áp trong máy nén gây nguy hiểm.
• Động cơ đảo cánh gió
Động cơ đảo cánh gió là loại động cơ bước (Stepping Motor). Với động cơ bước có thể sử dụng những IC điều khiển động cơ tích hợp sẵn để điều khiển hoặc tự xây dựng một chương trinh điều khiển. Tuy nhiên nếu không có IC chuyên trách thì đây sẽ là một quá trình điều khiển chiếm nhiều thời gian của CPU nhất. Điều khiển động cơ bước là sự điều khiển phối hợp các pha A,B,C,D sao cho động cơ quay, có chiều và tốc độ như ta mong muốn. Ưu điểm của động cơ bước là:
+ Độ chính xác cao trong điều khiển chuyển dộng.
+ Không cần sensor tốc độ.
+Độ ổn định cao, không có những điểm mất ổn định nghiêm trọng.
Tuy nhiên momen và tốc độ của động cơ bước không cao lắm và  mô tơ hoạt động có độ rung cao. Phương pháp điều khiển động cơ bước ở đây được sử dụng theo nguyên lý half stepping. Phương pháp này có  độ ổn định ở tốc độ cao, momen lớn và độ phân giải tốt. Chương trình điều khiển động cơ đảo cánh gió được điều khiển theo phương pháp trên là phương pháp có nhiều ưu điểm nhất. Với chương trình điều khiển thực hiện cho cả hai chiều xuôi và ngược chiều kim đồng hồ. Chương trình thực hiện các bước điều khiển như nguyên lí đã xây dựng. Cần xử lí thêm việc ngắt toàn bộ pha của động cơ khi ra khỏi module điều khiển này.
• Điều khiển loa tín hiệu
Nguyên lí của điều khiển loa tín hiệu Buzzer là tạo ra một tần số âm thích hợp và kéo dài trong khoảng thời gian đủ để báo thành tín hiệu âm thanh. Với nguyên lí như vậy chỉ cần tạo ra tại cổng của PsoC một giao động xung thích hợp, và một mạch đệm công suất là có thể tạo được tín hiệu báo Buzzer.
• Module xử lý thời gian
Module xử lí thời gian dùng cập nhật thời gian, xử lí các khoảng thời gian hẹn giờ bật tắt, xử lí khoảng thời gian bắt đầu bật máy và thời gian bắt đầu tắt máy phục vụ cho vấn đề giải quyết các thuật toán bật/tắt máy. Cập nhật thời gian hệ thống để phục vụ các module khác. Tuỳ theo trạng thái của máy là đang bật hay tắt máy mà có các thông số cần cập nhật khác nhau. Dựa vào đó có thể chia ra hai dạng cập thời gian khi đang bật máy và khi đang tắt máy.




Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

 

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết




 



 

 

Mới cập nhật