Thiết kế mô phỏng mạch điện điều khiền động cơ một chiều sử dụng vi điều khển pic16f887

Nhưng phải đến thời điểm này, động cơ điện một chiềuthực tế đầu tiên có thể chạy với tốc độ không đổi trong điều kiện trọng lượng thay đổimới được sản xuất.. Khái niệm về động cơ

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG

KHOA: KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ

-NGUYỄN VĂN THÁI

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỀN ĐỘNG CƠ MỘT

CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHỂN PIC16F887

ĐỒ ÁN 1 Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Phú Thọ, 2023

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG

KHOA: KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

-NGUYỄN VĂN THÁI

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỀN ĐỘNG CƠ MỘT

CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHỂN PIC16F887

ĐỒ ÁN 1 Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Nguyễn Thị Thanh Hòa

Phú Thọ, 2023

Trang 3

MỤC LỤC

PHẦN I PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1

2.1 Đối tượng nghiên cứu 1

2.2 Phạm vi nghiên cứu 2

Phần II NỘI DUNG 2

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2

1.1 Tổng quan về động cơ điện 1 chiều 2

1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ điện một chiều 2

1.1.2 Khái niệm về động cơ một chiều 2

1.1.3 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 3

1.1.3.1 Phần cảm (startor) 4

1.1.3.2 Phần quay (Rotor, phần ứng) 5

1.1.4 Dây quấn phần ứng 6

1.1.5 Phân loại 7

1.1.6 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 7

1.1.7 Các trị số định mức của động cơ điện 1 chiều 8

1.1.8 Phương trình đặc tính cơ 8

1.1.9 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều 11

a Điều khiển tốc độ động cơ bằng thay đổi điện áp 11

b Điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh từ thông 11

c Điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện trở 11

1.2 Tổng quan về vi điều khiển PIC 16F887 12

Trang 4

1.2.1 Tổng quan về vi xử lý 12

1.2.2 Khảo sát vi điều khiển PIC16F887 13

1.2.3 Cấu hình của vi điều khiển PIC16F887 14

1.2.4 Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển PIC 17

1.2.5 Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F887 19

a Chức năng các chân của port A 20

b Chức năng các chân của port B 22

c Chức năng các chân của port C 23

d Chức năng các chân của port D 24

e Chức năng các chân phân chia theo nhóm chức năng 26

1.2.6 Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển PIC 16F887 29

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 29

1.4 Giới thiệu về phần mềm Proteus và PICC 30

1.4.1 Phần mềm Proteus 30

a Giới thiệu 30

b Chức năng của Proteus 30

1.4.2 Phần mềm PIC C 31

Chương 2 Thiết kế mô phỏng mạch 32

2.1 Lưu đồ thuật toán 32

2.2 Các thiết bị sử dụng 33

2.2.1 Vi điều khiển PIC 16F887 33

2.2.2 Điện trở 33

2.2.3 Diode 34

2.2.4 Mạch điều khiển động cơ L298 34

Trang 5

2.2.5 Tụ thạch anh 34

2.2.6 Nút nhấn 35

2.2.7 Động cơ điện 1 chiều 35

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả 36

3.1 Mô phỏng 36

3.1.1 Mạch mô phỏng 36

3.1.2 Code lập trình 37

3.1.3 Hình ảnh độ rộng xung 39

3.2 Đánh giá kết quả 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

Trang 6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Động cơ điện 1 chiều 3

Hình 2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 3

Hình 3 Cực từ chính 4

Hình 4 Giá đỡ chổi than 4

Hình 5 Phần ứng động cơ điện 1 chiều 5

Hình 6 Phiến đổi chiều và cổ góp 5

Hình 7 Dây quấn phần ứng của động cơ điện 1 chiều 6

Hình 8 Rãnh nguyên tố trong rãnh thực 6

Hình 9 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều 8

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều 9

Hình 11 Các thiết bị sử dụng vi xử lý 12

Hình 12 Hệ thống vi xử lý 13

Hình 13 Cấu hình của vi điều khiển 17

Hình 14 Cấu trúc bên trong vi điều khiển 18

Hình 15 Sơ đồ chân PIC16F887 19

Hình 16 Sơ đồ bộ nhớ chương trình và ngăn xếp 29

Hình 17 Phần mềm Proteus 30

Hình 18 Phần mềm Proteus 31

Hình 19 Lưu đồ thuật toán 32

Hình 20 PIC 16F887 33

Hình 21 Điện trở 33

Hình 22 Diode 34

Hình 23 Mạch điều khiển L298 34

Hình 24 Tụ thạch anh 35

Hình 25 Nút nhấn 35

Hình 26 Động cơ DC 35

Hình 27 Mạch mô phỏng 36

Hình 28 Code lập trình 38

Hình 29 Hình ảnh độ rộng xung thay đổi khi thay đổi cấp tốc độ 40

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Tóm tắt cấu trúc của 5 loại PIC16F88X 17

Trang 8

PHẦN I PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá, các nghành côngnghiệp đang được chú trọng và phát triển, động cơ điện một chiều được sử dụng rộngrãi trong các máy như đài FM, ổ đĩa DC, trong tivi, máy công nghiệp, các loại máy in,máy photo, v v… , Do vậy đối với các ngành công nghiệp thì tự động hoá là khôngthể thiếu, tự động hoá càng cao càng làm cho quá trình sản xuất trở lên đơn giản Vậynước nào có trình độ tự động hoá cao thì cũng đồng nghĩa với nước đó nền sản xuấttiên tiến và phát triển

Trong thời đại hiện nay, dưới sự bùng nổ và phát triển của công nghệ Đặc biệt làngành công nghệ điện tử kỹ thuật số thì những mạch ứng dụng vào thực tế càng nhiều.Các thiết bị điện tử số dù đơn giản hay là hiện đại đến đâu đi nữa thì đều hướng tới sựtiện lợi cho người sử dụng Trước những yêu cầu đòi hỏi cấp thiết của cuộc sống Vìvậy, trong quá trình học học tập, nhằm nâng cao kỹ năng cũng như tay nghề và khả

năng nghiên cứu đồ án cơ sở ngành em đã chọn đề tài“ Thiết kế mô phỏng mạch điện điều khiển động cơ một chiều sử dụng PIC 16F887”.

Trong quá trình thực hiện đồ án em đã nhận được sự chỉ bảo, hướng dân tận tìnhcủa các thầy cô trong khoa đặc biệt đó là sự chỉ bảo của cô Nguyễn Thị Thanh Hòa

Em xin trân thành cảm ơn sự chỉ bảo của các thầy cô!

Trong khi thực hiện đồ án do kiến thức còn hạn chế cũng như em chưa có nhiềuđiều kiện để đi khảo sát thực tế, với một khoảng thời gian ngắn thực hiện, do vậy mà

đồ án của em còn nhiều thiếu sót mong các thầy cô đóng góp và bổ sung ý kiến để đồ

án của em được hoàn thiện hơn

2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu.

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu về động cơ DC, phần mềm proteus, vi điều khiển PIC 16F887, IC L298, phần mềm PIC C Compiler

Trang 9

2.2 Phạm vi nghiên cứu

- Một số mạch điện sử dụng PIC 16F887

- Các linh kiện điện tử cơ bản đã học

- Ngôn ngữ lập trình C

Phần II NỘI DUNG

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1 Tổng quan về động cơ điện 1 chiều

1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ điện một chiều

Động cơ điện được phát minh thông qua công trình của nhà khoa học AndrewGordon người Scotland vào năm 1740 Sau đó các nhà khoa học khác như Michael vàJoseph henry tiếp tục phát triển chuyển động, thử nghiệm với trường điện từ và khámphá ra được cách chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học

Năm 1834 động cơ điện đầu tiên chạy bằng pin đầu tiên được sản xuất bởiThomas Davenport ở Vermont đã đánh dấu một dấu mốc vô cùng quan trọng Phátminh này của ông sử dụng để cung cấp năng lượng cho một máy in quy mô nhỏ hoạtđộng

Năm 1886: DC William Sturgeon đã phát minh ra động cơ điện một chiều đầutiên để vận hành máy móc Nhưng phải đến thời điểm này, động cơ điện một chiềuthực tế đầu tiên có thể chạy với tốc độ không đổi trong điều kiện trọng lượng thay đổimới được sản xuất Frank julian là người phát minh ra nó và chính động cơ này đãcung cấp chất xúc tác cho áp dụng rộng rãi trong động cơ điện trong các ứng dụngcông nghiệp

1.1.2 Khái niệm về động cơ một chiều

Động cơ điện một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motor) là động

cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác đây là động cơchạy bằng nguồn điện DC – điện áp 1 chiều

Trang 10

Hình 1 Động cơ điện 1 chiều

1.1.3 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

Máy điện một chiều gồm 2 phần chính, phần cảm (phần tĩnh, startor) và phầnứng (phần quay rotor)

Hình 2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

1 Lõi thép cực từ chính; 2 Dây quấn cực từ chính; 3 Mõm cực từ; 4 Lõi thép cự từ phụ; 5 Dây quấn cực từ phụ; 6 Thân máy; 7 Gông từ; 8 Ổ bi; 9 Lõi thép phần ứng;

10 Quạt gió; 11 Dây quấn phần ứng; 12 Cổ góp; 13 Chổi than.

Trang 11

1.1.3.1 Phần cảm (startor)

a b

Hình 3 Cực từ chính

a Cực từ chính: (hình 3a) là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi thép và dây

quấn kích từ (hình 3b) lồng ngoài lõi thép cực từ, dòng điện chạy trong dây quấn kích

từ sao cho các cực từ tạo ra có cực tính liên tiếp, luân phiên nhau Cực từ chính làmbằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại, ép lại tán chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông

b Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện

đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm bằng thép khối, trên thân cực từ phụ có đặtdây quấn và cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ các bulông

c Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ, nối liền giữa cấccực từ đồng thời dùng

làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ thường làm bằng thép uốn rồi hàn lại, trong động

cơ điện lớn thường dùng thép đúc

d Các bộ phận khác: Gồm có nắp máy và cơ cấu chổi than Cơ cấu chổi than để

điện từ phần quay ra ngoài gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ có lò xo

ép chổi nên chổi than tì chặt cổ góp

Hình 4 Giá đỡ chổi than

1 chổi; 2 Hộp; 3 Lò xo; 4 Cực bắt chổi; 5 Dây; 6 Tay ép

Trang 12

Hình 6 Phiến đổi chiều và cổ góp

Trang 13

1.1.4 Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Dâyquấn phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện, gồm nhiều phần tửmắc nối tiếp với nhau, đặt trong các rãnh của phần ứng tạo thành một hoặc nhiều vòngkín Phần tử của dây quấn là một bối dây gồm một hoặc nhiều vòng dây, hai đầu nốivới hai phiến đổi chiều theo sơ đồ nối dây (hình 7a),

Hình 7 Dây quấn phần ứng của động cơ điện 1 chiều

Hai cạnh tác dụng của phần tử đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác tên như(hình 7b) Trong một rãnh đặt hai lớp dây quấn Một phần tử có hai cạnh tác dụng, nênmột cạnh đặt ở lớp trên còn cạnh kia đặt ở lớp dưới Lớp trên là lớp gần mặt ứng.Yêu cầu của dây quấn phần ứng động cơ điện một chiều:

- Sinh ra được một suất điện động cần thiết

- Cho qua dòng điện nhất định mà không nóng quá nhiệt độ cho phép

- Sinh ra được mômen theo yêu cầu

- Đảm bảo đổi chiều tốt

- Hết sức tiết kiệm nguyên vật liệu

- Dây quấn có độ bền về điện, cơ, nhiệt, hóa để tuổi thọ của động cơ 15- 20 nămRãnh nguyên tố Znt.

Hình 8 Rãnh nguyên tố trong rãnh thực

Trang 14

Để giảm bớt số rãnh so với số phần tử, có thể chế tạo bối dây gộp u = 1, 2, 3, …phần tử lại với nhau, như vậy đặt bối dây vào rãnh tạo thành dây quấn 2 lớp trong rãnh

có 2u cạch tác dụng Mỗi rãnh hình thành u rãnh nguyên tố, vậy có thể nói rãnhnguyên tố là rãnh chỉ có 2 cạnh tác dụng Trên hình 8 trình bày số rãnh nguyên tốtrong rãnh thực, trong đó hình 8a có một rãnh nguyên tố trong một rãnh thực, hình 8b

có 2 rãnh nguyên tố và hình 8c có 3 rãnh nguyên tố

Gọi: u = rãnh nguyên tố trong rãnh thực

- Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp: gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn đượcmắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn được mắc song song với phần ứng

1.1.6 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng

có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường chịu tác

Trang 15

dụng tương hỗ lên nhau tạo nên momen tác dụng lên rotor, làm rotor quay Chiều tácdụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình 9a).

Hình 9 Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau, nhờ

có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến thành dòng điện xoaychiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tácdụng lên rotor cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay khôngđổi

1.1.7 Các trị số định mức của động cơ điện 1 chiều

Chế độ định mức của động cơ điện một chiều là chế độ làm việc trong nhữngđiều kiện mà nhà sản xuất quy định Chế độ đó đặc trưng bởi các đại lượng ghi trênnhãn động cơ Gọi là những đại lượng định mức

1 Công xuất định mức Pđm (KW hay W)

Đối với động cơ điện 1 chiều công xuất định mức là công xuất trên đầu trục động cơ

2 Điện áp định mức Uđm (V)

3 Dòng điện định mức Iđm (A)

4 Tốc độ định mức nđm (vòng/ph)

1.1.8 Phương trình đặc tính cơ

Đặc tính cơ là quan hệ giữ tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông…) động cơ vận hành ở chếđộ định mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm, Wđm)

Trang 16

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số haynguồn nối thêm điện trợ phụ, điện kháng vào động cơ.

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niện độ cứng đặc tính

cơ β được tính như sau: Δβ= ΔM Δω

β

đặc tính cơ tuyệt đối cứng

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều

Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từthường mắc song song với mạch phần ứng Khi nguồn điện một chiều có công suấtkhông đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độclập

60a : hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

K=

p.n

2aπ : hệ số cấu tạo của động cơ

Trang 17

Ke =

p.n

60a : hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ

Trong đó: ω0 : tốc độ không tải lý tưởng

Δω : độ sụt tốc độ

Từ phương trình đặc tính cơ: ω=

U u

K φ−

R u +R f ( K φ)2M

ta nhận thấy muốn thay đổitốc độ ω ta có thể thay đổi

φ

, U.Trường hợp R f thay đổi (U ư = U đm = const; Ф=

Ф đm = const):Độ cứng đặc tính cơ: β= ΔM Δω = −

( Kφ dm)2

R u +R f giảm Nếu Rf càng lớn thì tốcđộ động cơ càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm.Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốcđộ động cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản

Trang 18

Trường hợp thay đổi U< U đm

Tốc độ không tải ω0= U

Kφ giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ β= ΔM Δω = −(Kφ)

2

R u =

const Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song Phươngpháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động

Ảnh hưởng của từ thông:

Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω= U dm

Kφ

tăng Độ cứng đặc tính cơ: β= ΔM Δω = −( Kφ)

2

R u giảm.

1.1.9 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều

a Điều khiển tốc độ động cơ bằng thay đổi điện áp

Thực tế có hai phương pháp cơ bản điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằngđiện áp

+ Điều khiển điện áp cấp cho phần ứng của động cơ

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

Thông thường ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng Khi thay đổi phầnứng thì tốc độ động cơ thay đổi theo phương trình sau:

ω = (Uư / k.Φ¿ − ¿.R ư /k .Φ)

Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc của đặc tính cơ không đổi, còn tốc độkhông tải lý tưởng phải tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uư của hệ thống, do đó

có thể nói phương pháp này là triệt để

b Điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều khiển momentđiện từ của động cơ M = k.Φ.I ư và sức điện động quay của động cơE ư =k Khi từthông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn Nhưng theocông thức trên khi từ thông thay đổi thì moment, dòng điện cũng thay đổi nên khó tínhtoán chính xác dòng điều khiển và moment tải nên phương pháp này ít dùng

Trang 19

c Điều khiển tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện trở

ω = (Uư / k.Φ)− ¿( I ư.R ư / k.Φ) (1)Mắc nối tiếp điện trở vào phần ứng, từ 1 suy ra Rư tăng lên, suy ra ω giảm.Phương pháp này đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục nhưng do thêm điện trở tổn haotăng ko có tính kinh tế

1.2 Tổng quan về vi điều khiển PIC 16F887

1.2.1 Tổng quan về vi xử lý

Vi xử lý có rất nhiều loại bắt đầu từ 4 bit đến 32 bit, vi xử lý bit hiện nay khôngcòn nhưng vi xử lý 8 bit vẫn còn mặc dù đã có vi xử lý 64 bit

Lý do sự tồn tại của vi xử lý 8 bit là phù hợp với một số yêu cầu điều khiển trongcông nghiệp Các vi xử lý 32 bit, 64 bit thường được sử dụng trong các máy tình vìkhối lượng của máy tính là rất lớn nên cần các vi xử lý càng mạnh càng tốt

Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp sử dụng các vi xử lý 8 bit hay 16 bitnhư hệ thống điện của xe hơi, hệ thống điều hòa, hệ thống điều khiển các dây chuyềnsản xuất,

Hình 11 Các thiết bị sử dụng vi xử lý

Khi sử dụng vi xử lý cần thiết kế một hệ thống gồm có: Vi xử lý, Có bộ nhớ, cácngoại vi

Trang 20

Hình 12 Hệ thống vi xử lý

Bộ nhớ dùng để lưu chương trình cho vi xử lý thực hiện và lưu dữ liệu cần xử lý,Các ngoại vi dùng để nhập xuất dữ liệu từ bên ngoài vào xử lý và điều khiển trở lại.Các khối này liên kết với nhau tạo thành một hệ thống vi xử lý

Yêu cầu điều khiển cao thì hệ thống càng phức tạp và nếu yêu cầu điều khiểnđơn giản thì hệ thống vi xử lý vẫn cần đầy đủ các khối trên

Để kết nối các khối tạo thành một hệ thống vi xử lý đòi hỏi người thiết kế phảirất hiểu biết về tất cả các thành phần vi xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi Hệ thốngtạo ra khá phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in , vấn đề chính là đòi hỏi ngườithiết kế hiểu rõ về hệ thống Một lý do nữa là vi xử lý thường xử lý dữ liệu theo bytehoặc word trong khi đó các đối tượng trong công nghiệp thường điều khiển theo bit.Chính sự phức tạp nên các nhà chế tạo đã tích hợp bộ nhớ và các thiết bị ngoại vicùng với vi xử lý tạo thành IC gọi là vi điều khiển – Microcontroller

Khi vi điều khiển ra đời đã mang lại tiện lợi là dễ dàng sử dụng trong điều khiểncông nghiệp, việc sử dụng vi điều khiển không đòi hỏi người sử dụng hiểu biết một sốlượng kiến thức quá nhiều như người sử dụng vi xử lý

Phần tiếp theo chúng ta sẽ đi khảo sát để thấy rõ sự tiện lợi của vi điều khiển Cónhiều hãng chế tạo vi điều khiển nổi tiếng như TI, Microchip, ATMEL,… Tài liệunày sẽ trình bày vi điều khiển tiêu biểu của Microchip là PIC16F887

1.2.2 Khảo sát vi điều khiển PIC16F887

PIC là một họ của vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty MicrochipTechnology (Mỹ) Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics

Trang 21

Division thuộc General_Instrument PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “ProgrammableIntelligent Computer” (máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãngGeneral Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650 Lúc này,PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600

vì vậy, người ta cũng gọi PIC với tên “Peripheral Interface Controller” (bộ điều khiểngiao tiếp ngoại vi) CP1600 là một CPU tốt nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập,

vì vậy PIC 8 bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhậpcho CP1600

PIC sử dụng Microcode đơn giản đặt trong ROM mặc dù cụm từ RISC chưađược sử dụng thời bấy giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúcRISC, chạy lện một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động) Năm 1985 GeneralInstruments bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới hủy bỏ toàn bộ hết các

dự án lúc đó đã lỗi thời Tuy nhiên, PIC được bổ sung EPROM để tạo thành một bộđiều khiển đưa vào khả trình Ngày nay rất nhiều dòng PIC đượ xuất xưởng với hànghoạt các module ngoại vi đươc tích hợp sẵn như (USART, PWM, ADC…), với bộ nhớchương trình từ 512 word đến 32k word

1.2.3 Cấu hình của vi điều khiển PIC16F887

Đặc điểm thực thi tốc độ cao CPU RISC:

- Có 35 lệnh đơn

- Thời gian thực hiện các lệnh tất cả là một chu kỳ máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh

là 2

Tốc độ hoạt động:

- Ngõ vào xung clock có tần số 20MHz

- Chu kỳ lệnh thực hiện chênh 200ns

- Có nhiều nguồn ngắt

- Có 3 kiểu địa chỉ trực tiếp, gián tiếp và nhất thời

Cấu trúc đặc biệt của vi điều khiển:

Bộ dao động chính xác:

- Sai số ± 1%

- Có thể lựa chọn tần số từ 31KHz đến 8 MHz bằng phần mềm

Trang 22

- Cộng hưởng bằng phần mềm.

- Chế độ bắt đầu 2 cấp tốc độ

- Mạch phát hiện hỏng dao động thạch anh cho các ứng dụng quan trọng

- Có chuyển mạch nguồn xung clock trong quá trình hoạt động để tiết kiệmcông xuất

- Có chế độ ngủ tiết kiệm công xuất

- Dãy điện áp hoạt động rộng từ 2V đến 5,5

- Tầm nhiệt độ làn việc theo tiêu chuẩn công nghiệp

- Có mạch reset khi có điện

- Có bộ định thời chờ ổn định điện áp khi mới có điện và bộ định thời chờ giaocộng hoạt động ổn định khi mới cấp điện

- Có mạch tự động reset khi phát hiện nguồn cấp điện bị sụt giảm, cho phép lựachọn bằng phần mềm (Brown out Reset – BOR)

- Có bộ định thời giám sát (Watchdog Timer – WDT) dùng dao động trong chípcho phép bằng phần mềm (có thể định thời lên đến 268s)

- Đa hợp ngõ vao reset với ngõ vào có điện trở kéo lên

- Có bảo vệ code đã lập trình

- Bộ nhớ Flash cho phép xóa và lập trình 100.000 lần

- Bộ nhớ Eeprom cho phép xóa và lập trình 1.000.000 lần và có thể tồn tại trên

40 năm

- Cho phép đọc / ghi bộ nhớ chương trình khi mạch hoạt động

- Có tích hợp mạch gỡ rối

- Cấu trúc nguồn công suất thấp:

- Chế đồ chờ: Dòng điện tiêu tán khoảng 50nA, sử dụng nguồn 2V

- Dòng hoạt động

+ 11μA ở tần số hoạt động 32KHz, sử dụng nguồn 2V

+ 220μA ở tần số hoạt động 4MHz, sự dụng nguồn 2V

Bộ định thời Watchdog Timer khi hoạt động tiêu thụ 1,4μA, điện áp 2V

Cấu trúc ngoại vi:

- Có 35 chân I/O cho phép lựa chọn hướng độc lập

Trang 23

- Mỗi ngõ ra có thể nhận/cấp dòng lớn khoảng 25mA nên có thể trực tiếp điềukhiển led.

- Có các port báo ngắt khi thay đổi mức logic

- Có các port có điện trở kéo lên bên trong có thể lập trình

- Có ngõ vào báo thức khỏi chế độ công xuất cực thấp

Có module so sáng tương tự:

- Có 2 bộ so sánh điện áp tương tự

- Có module nguồn áp tham chiếu có thể lập trình

- Có nguồn điện áp tham chiều cố định bằng 0,6V

- Có các ngõ vào các ngõ ra của bộ so sánh điện áp

- Có chế độ chốt SR

Có bộ chuyển đổi tương tự sang số:

- Có 14 bộ chuyển đổi tương tự với độ phân giải 10 bit

- Có Timer 0: 8 bit hoạt động định thời/đếm xung ngoại có bộ chia trước có thểlập trình

- Có timer 1:

+16 bit hoạt động định thời/đếm xung ngoại có bộ chia trước có thể lập trình.+ Có ngõ vào cổng của Timer 1 để có thể điều khiển Timer 1 đến tín hiệu bênngoài

+ Có bộ dao động công xuất thấp có tần số 32KHz

Có timer 2:

+ 8 bit hoạt động định thời và ghi chu kỳ, có bộ chia trước và chia sau

+ Có module capture, compare và điều chế xung PWM + nâng cao

+ Có bộ capture 16 bit có thể đếm ngược xung với độ phân giải cao nhất là12,5ns

+ Có bộ điều chế xung PWM với số ngõ kênh ra là 1,2 hoặc 4 có thể lập trìnhvới tần số lớn nhất 20KHz

+ Có ngõ ra PWM điều khiển lái

+ Có module capture, compare và điều chế xung PWM

+ Có bộ capture 16 bit có thể đếm xung với chu kỳ cao nhất 12,5ns

Trang 24

+ Có bộ so sánh 16 bit có thể so sánh xung với chu kỳ lớn nhất 200ns.

+ Có bộ điều chế xung PWM có thể lập trình với tần số lớn nhất 20KHz

+ Có thể lập trình trên bo ISP thông qua 2 chân

+ Có module truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ MSSP hỗ trợ chuẩn truyền 3 dâySPI, chuẩn I2C ở 2 chế độ chủ và tớ

Bảng 1 Tóm tắt cấu trúc của 5 loại PIC16F88X

Cấu hình được minh họa như sau:

Hình 13 Cấu hình của vi điều khiển 1.2.4 Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển PIC

Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển được trình bày ở hình Các khối bên trong vi điều

khiển bao gồm:

Trang 25

Hình 14 Cấu trúc bên trong vi điều khiển

- Có khối thanh ghi định cấu hình cho vi điều khiển

- Có khối bộ nhớ chương trình có nhiều dung lượng cho 5 loại khác nhau

- Có khối bộ nhớ ngăn xếp 8 cấp (8 level stack)

- Có bộ nhớ Ram cùng với thanh ghi FSR để tính toán địa chỉ cho 2 cách truyxuất gián tiếp và trực tiếp

- Có thanh ghi lệnh (Intrusction register) dùng để lưu mã lệnh nhận về từ bộ nhớchương trình

- Có thanh ghi bộ đêm chương trình (PC) dùng để quản lý địa chỉ bộ nhớchương trình

- Có thanh ghi trạng thái (status register) cho biết trạng thái sau khi tính toáncủa khối ALU

- Có thanh ghi FSR

- Có khối ALU cùng với thanh ghi working hay thanh ghi A để xử lý dữ liệu

- Có khối các bộ định thời khi cấp điện PUT, có bộ định thời chờ giao động ổnđịnh, có mạch reset khi có điện, có bộ định thời giám sát watchdog, có mạchreset khi phát hiện sụt nguồn

Tiêu đề	Thiết kế mô phỏng mạch điện điều khiển động cơ một chiều sử dụng vi điều khiển PIC16F887
Tác giả	Nguyễn Văn Thái
Người hướng dẫn	Nguyễn Thị Thanh Hoà
Trường học	Trường Đại Học Hùng Vương
Chuyên ngành	Kỹ Thuật - Công Nghệ
Thể loại	Đồ án
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Phú Thọ

Định dạng
Số trang	50
Dung lượng	1,63 MB