thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc hiển thị trên LCD

LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình sản xuất hiện đại, đo tốc độ động cơ là việc làm không thể thiếu, nó giúp cho quá trình giám sát sản xuất nhah hơn, tốt hơn, cho ra những sản phẩm như ý, chính xác. Nếu ta không đo được tốc độ của động cơ thì không thể điều khiển tốc độ chính xác được. Với những máy móc hiện đại như ngày nay, trong quá trình sản xuất luôn chạy với nhiều tốc độ khác nhau, tùy theo mỗi giai đoạn làm việc của nó, chính vì thế mà ta cần phải biết tốc độ động cơ là bao nhiêu để điều chỉnh cho phù hợp. Ngồi trên ghế trường đại học em được trang bị một số kiến thức về lĩnh vực này, thấy được tầm quan trọng của nó và để tìm hiểu kỹ hơn thầy giáo đã giao cho em bài tập “ Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc hiển thị trên LCD“ để làm cơ sở cho sự phát triển các môn chuyên ngành.

LỜI NÓI ĐẦUTrong quá trình sản xuất hiện đại, đo tốc độ động cơ là việc làm không thểthiếu, nó giúp cho quá trình giám sát sản xuất nhah hơn, tốt hơn, cho ra những sảnphẩm như ý, chính xác Nếu ta không đo được tốc độ của động cơ thì không thểđiều khiển tốc độ chính xác được Với những máy móc hiện đại như ngày nay,trong quá trình sản xuất luôn chạy với nhiều tốc độ khác nhau, tùy theo mỗi giaiđoạn làm việc của nó, chính vì thế mà ta cần phải biết tốc độ động cơ là bao nhiêu

để điều chỉnh cho phù hợp Ngồi trên ghế trường đại học em được trang bị một sốkiến thức về lĩnh vực này, thấy được tầm quan trọng của nó và để tìm hiểu kỹ hơn

thầy giáo đã giao cho em bài tập “ Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc hiển thị trên LCD“ để làm cơ sở cho sự phát triển các môn chuyên

ngành

Với đề tài trên yêu cầu người làm phải nắm vững được các phương pháp đotốc độ động cơ, do vậy người làm đề tài này ta cần tìm hiểu phương pháp đo tốc độđộng cơ sử dụng máy phát tốc, các linh kiện sử dụng, cảm biến tốc độ, về mạchphần cứng, lưu đồ thuật toán và lập trình cho mạch Trong đề tài này dùng máyphát tốc để đọc tốc độ của roto động cơ

Bài làm của em còn nhiều sai sót mong quý thầy cô thông cảm Em xinchân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Tiến đã truyền cho em kiến thức để em cóthể hoàn thành bài tập này

Em xin chân thành cám ơn !

Hải phòng năm 2012

Sinh viên

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1Tổng quan về mạch

1.2 Nguyên lí đo tốc độ

- Trục của động cơ gắn đồng trục với trục máy phát tốc,khi động cơ quay

trục của máy phát tốc quay cùng tốc độ động cơ,và lúc này máy phát tốc hoạt độngnhư một máy phát điện 1 chiêu (tốc độ quay roto tỉ lệ với điện áp đầu ra)

- Khi tín hiệu điện áp từ máy phát tốc chuyển đến ADC0804 thì ADC0804

có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự (Điện áp) thành tín hiệu số

- Tín hiệu số từ ADC0804 được đưa vào VĐK 8051 ,bằng các phép toán ta

lập trình bên trong vi điều khiển ,vi điều khiển sẽ tính toán và đưa ra kết quả xuất

từ máy phát tốc sang tìn hiệu số

Vi xử lý xử lý tín hiệu đưa ra từ ADC0804 xuất ra

LCD

CHƯƠNG II : XÂY DỰNG MẠCH PHẦN CỨNG 2.1 Sơ đồ khối

Cấu trúc chung của hệ thống

- nút ấn: giao tiếp với vi sử lý ,dùng hiện thị trên LCD

- Bộ chuyển đổi ADC chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thành tín hiệuDigital

- Khối hiểu thi LCD hiển thị tốc độ

- Vi sử lí : nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi ADC , giao tiếp với nút ấn , hiển thị dữliệu trên LCD

- Khối động cơ,máy phát tốc

- khối nguồn để cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

2.2.Chức năng của các khối

2.2.1 Khối nguồn

- chức năng cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

- sơ đồ nguyên lý của khối nguồn

Nút nhấn

Bộ chuyển đổi

ADC

Khối hiển thị LCD

Vi xử lí

Khối động cơ,máy phát tốc

-các thành phần trong khối nguồn :

a) Diode bán dẫn:

- Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo mộttiếp giáp P-N ta được một Diode, tiếp giáp P-N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc,các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vàocác lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thànhmiền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Kí hiệu

- Các loại Diode: diode zener, diode quang, diode biến dung, diode nắn điện,…

- Diode dẫn khi được phân cực thuận (UAK > 0)

- Diode phát quang ( Light Emiting Diode: LED): là Diode phát raánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 đến 2,2Vdòng qua LED khoảng từ 5mA đến20mA Led được sử dụng để làm đèn báonguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện vv…

- Trong mạch chỉnh lưu, Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu

b) Tụ điện:

-Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, là phần tử có giá trị dòng điên qua nó tỷ

lệ với tốc độ biến đổi của điện áp trên nó theo thời gian Tụ điện đươc chia thànhhai loại: tụ phân cực và tụ không phân cực

-Tụ điện có hai bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song, ở giữa có lớp cáchđiện

- Các loại tụ thường gặp ở hai nhóm có trị số cố định hay có trị số thay đổi được.Theo đặc điểm laọi vật liệu sử dụng khi chế tạo, tụ điện đựơc phân chia thành cácloại sau:

+ Tụ gốm

+ Tụ mica+ Tụ polistiren

+ Tụ polycacbonat

+ Tụ poyeste + …

- Tụ điện có giá trị điện dung thay đổi được bao gồm hai dạng cơ bản

+ Dạng tụ điều chuẩn dung điện môi là lớp không khí giữa 2 bộ cánh cách kim loại nhôm lắp xen kẽ nhau một cách cố định, bộ kia có thể xoay 1800 nhờ một trục quay

+ Dạng tụ tinh chỉnh dùng mica làm vật liệu điện môi cách ly giữa hai hay nhiều phiến kim loại xen kẽ, điện dung thay đổi được nhờ xoay vít trục để đều chỉnh phần điện tích trùng nhau giữa các phiến kim loại, phần trùng càng nhiều thì giá trị tụ càng tăng

- Kí hiệu:

c) IC ổn áp 7805: là loại IC dùng để

ổn định điện áp +5V đầu ra

- Output (3): Chân điện áp ra 5V

- Command (2): Chân nối mass

- Input (1) : Chân điện áp vào

- Điện áp ngõ vào Vin>=5V (lớn hơn

từ 3V hay 4V), điện áp ngõ ra Vout =5V - Chân nối mass cũng rất quan trọng, nếu chân này bị hở thì áp tại ngõ ra sẽ có thể bằng với điện áp ngõ vào Điều này sẽ rât nguy hiểm nếu vi xử lý nhận được mức điện áp này + IC ổn áp 7905:là loại IC dùng để ổn định điện áp -5V đầu ra

-Output(3):chân điện áp ra -5V

- Input(2): chân điện áp vào

- Command(1) chân nối mass

Nó có 16 chân như hình vẽ

Trong đú chỳng ta cú thể thấy 2 chõn 1,2 được cấp nguồn cho LCD hoạt động,chõn thứ 3 (chõn VEE) được nối vào đầu ra của biến trở dựng để điều chỉnh độtương phản (phải điều chỉnh VSS hợp lý thỡ LCD mới hiển thị được) 2 chõn 15,16đõy là 2 chõn cấp nguồn dung để bật đốn của LCD từ chõn 4->14 là cỏc chõn điềukhiển được nối với vi điều khiển, cỏc chõn 4,5,6 được để điều khiển hoạt động củaLCD, cỏc chõn cũn lại là 8 bit Data dựng để truyền nhận dữ liệu

Trong bài tập này ta sử dụng một LCD để giới thiệu cũng như hiển thị những thụng tin cần thiết khỏc, đồng thời học cỏch giao tiếp giữa hai vi xử lý Do LCD tiờu thụ dũng khỏ lớn đặc biệt là khi bật đốn nền, làm mau hết ắcquy nờn chỉ sử dụng LCD với những trường hợp cụ thể Để bật tắt đốn nền,sử dụng một búng thuận A1015, được điều khiển bởi chõn P0.7 của vi điều khiển Khi P0.7=0 thỡ búng thụng, cực A của LCD được nối với nguồn 5V, đốn nền sỏng và ngược lại Ngoài ra trong khối cũn sử dụng một biến trở 10k tạo điện ỏp ra đưa vào chõn VEEcủa LCD để điều chỉnh độ tương phản Khi điện ỏp U VEE 0 thỡ độ tương phản là lớn nhất, UVEE  5V thỡ độ tương phản là nhỏ nhất

*sơ đồ nguyờn lý của khối hiển thị LCD

LCD hiển thị đợc 2 hàng mỗi hàng hiển thị đợc 16 ký tự (LCD có 14 chân) nh đợcminh hoạ trên hình

Thông số của LCD :

+Kích thớc hiển thị : 16 ký tự x 2 dòng

+Màu hiển thị: đen/trắng

+Chế độ giao tiếp : 8 bít và 4 bít

+Cỡ chữ hiển thị : 5x7 hoặc 5x10

_ LCD có tổng số 14 chân chia làm 3 nhóm:

Nhóm 1: (3 chân) Cấp nguồn VDD, VSS : cấp 5V, 0V

VEE: thay đổi điện áp để thay đổi độ tơng phản

Nhóm 2: (8 chân) Vào ra thông tin với VĐK : Từ chân D0-D7

Nhóm 3 : (3 chân) Điều khiển việc vào ra thông tin : E,RS,R/W

E :(bật /tắt ) (cho phép/ không cho phép trao đổi thông tin với VĐK )

RS :(loại thông tin trao đổi)Thông tin trao đổi là lệnh điều khiển hay à

dữ liệu để hiển thị R/W : (hớng truyền của thông tin) đọc trạng thái từ LCD hay thông

tin do VĐK gửi vào LCD để hiển thị

Cụ thể tên gọi và mô tả chức năng các chân đợc tổng kết trong bảng sau:

Interface Pin Connections

Chân

số Ký hiệu Tên Mô tả chức năng

2 VDD Cấp nguồn Nối với dơng nguồn (+4.5V~+5.5V)

3 VEE Contrast điều chỉnh điện áp chân này sẽ tăng giảm độ t-ơng phản của LCD cho nên nó thờng đợc nối

RS=0 : chọn chức năng ghi dữ liệu từ VĐKvàoLCD để hiểnt thị

6 E Read Write enable Cho phép/ ko cho phép LCD trao đổi thông tin

với VĐK

Chỉ khi E chuyển từ 10 thì tín hiệu ở các

chân D0-D7 mới đợc đa vào LCD.

Data bus 0-7

8 chân này đợc nốivới VĐK để vào/rathông tin

Nh trên hình minh hoạ ta có thể thấy các chân D0-D3 là đờng tín hiệu 2 chiều (đểtrao đổi thông tin Vi điều khiển và LCD) 3 chân điều khiển RS, R/W, E là chân

đa tín hiệu điều khiển từ Vi điều khiển tới LCD nên nó chỉ là đờng tín hiệu 1 chiều thôi

Vì chân Contrast (VEE) điều chỉnh độ tơng phản của LCD nên ta cấp nguồn cho nóthông qua biến trở (nh hình vẽ)

Cấu trúc bộ nhớ trong LCD.

Màn hiển thị của LCD nói chung có thể lên tới hơn 40 ký tự trên một dòng

và một màn có thể có tới 4 dòng.Trong đó có một bộ RAM để chứa mã 80 ký tự

gọi là bộ nhớ DDRAM(display data ram),màn hiển thị có thể dịch cả màn để

cũng có một bộ RAM gọi là CGRAM(character generator ram) trong bộ nhớ

này lu 8 ký tự do ngời dùng định nghĩa, các ký tự đầu tiên phải viết vào CGRAMtrớc rồi sau đó mới hiển thị ra màn hiển thị đợc

2.2.3:Nỳt nhấn

1) Chức năng: hiển thị và xúa hiện thị trờn màn hỡnh LCD

2) Sơ đồ nguyờn lý mạch nỳt nhấn:

- Các nút ấn khi chưa ấn cho mức lojic cao (1) ,khi ấn cho mức lojic thấp (0)

- Trong mô phỏng sẽ có 2 nút ấn (START và STOP) với chức năng hiển thị và tắt hiển thị động cơ trên LCD

2.2.4 Vi xử lí - AT89C51:

Intel, mà cụ thể ở đây là họ 8051 vì những lý do sau:

 Thứ nhất họ 8051 là chip vi điều khiển Đặc điểm của các chip nàynói chung là nó được tích hợp với đầy đủ chức năng của một hệ vi xử lý nhỏ, rấtthích hợp với những thiết kế hướng điều khiển Tức là trong nó bao gồm: mạch vi

xử lý, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào-ra nốitiếp và song song, mạch điều khiển ngắt

 Thứ hai là, họ vi điều khiển 8051 cùng với các họ vi điều khiển khácnói chung trong những năm gần đây được phát triển theo các hướng sau:

- Giảm nhỏ dòng tiêu thụ

- Tăng tốc độ làm việc hay tần số xugng nhịp của CPU

- Giảm điện áp nguồn nuôi

- Có thể mở rộng nhiều chức năng trên chip, mở rộng cho các thiết kế lớn.Những đặc điểm đó dẫn đến đạt được hai tính năng quan trọng là: giảmcông suất tiêu thụ và cho phép điều khiển thời gian thực nên về mặt ứng dụng nórất thích hợp với các thiết kế hướng điều khiển.

 Thứ ba là, vi điều khiển thuộc họ MCS-51 được hỗ trợ một tập lệnhphong phú nên cho phép nhiều khả năng mềm dẻo trong vấn đề viết chương trìnhphần mềm điều khiển

 Thứ tư là, dung lượng bộ nhớ trương trình và bộ nhớ dữ liệu lớn

 Cuối cùng là, các chip thuộc họ MCS-51 hiện đuộc sử dụng rất phổbiến và được coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng Mặt khác, quaviệc khảo sát thị trường linh kiện việc có được chip 8051 là dễ dàng nên mở ra khảnăng thiết kế thực tế

Vì những lý do trên mà việc lựa chọn vi điều khiển họ 8051 là một giảipháp hoàn toàn phù hợp cho thiết kế

Đặc điểm chính của họ vi xử lý 8051:

- 4k byte ROM, 128k byte RAM

- 4 port I/O 8 bit

- 2 bộ đếm/ định thời 16 bit

- Mạch giao tiếp nối tiếp

- 64k byte không gian nhớ chương trình ngoài

- 64k byte không gian nhớ dữ liệu mở rộng

- Một bộ xử lý bit ( thao tác trên các bit riêng rẽ )

- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit

- Nhân /chia trong 4 µs

XTAL2 18

XTAL1 19

ALE 30 EA 31 PSEN 29

RST 9

P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3/AD3 36P0.4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 33P0.7/AD7 32

P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT0 12P3.3/INT1 13P3.4/T0 14

P3.7/RD 17P3.6/WR 16P3.5/T1 15P2.7/A15 28

P2.0/A8 21P2.1/A9 22P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27

Hình 1.2 Sơ đồ chân IC AT89C51.

Cấu trúc các chân của 8051

Port 0 là port xuất nhập 8-bit hai chiều Port 0 còn đợc cấu hình làm bus địa

chỉ (byte thấp) và bus dữ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và bộ

nhớ chơng trình ngoài Port 0 cũng nhận các byte mã trong khi lập trình cho Flash

và xuất các byte mã trong khi kiểm tra chơng trình (Các điện trở kéo lên bên ngoàiđợc cần đến trong khi kiểm tra chơng trình)

- Port 1(1-8)

Port 1 là port xuất nhập 8-bit hai chiều Port 1 cũng nhận byte địa chỉ thấp

trong thời gian lập trình cho Flash

- Port 2 (21-28)

Port 2 là port xuất nhập 8-bit hai chiều Port 2 tạo ra các byte cao của bus

địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chơng trình ngoài và trong thời giantruy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 16-bit Trong thời gian truy xuất

bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 8-bit, Port 2 phát các nội dung của thanh ghi chức năng đặc biệt P2 Port 2 cũng nhận các bít địa chỉ cao và vài tín hiệu điều

khiển trong thời gian lập trình cho Flash và kiểm tra chơng trình

- Port 3 (10-17)

Port 3 là Port xuất nhập 8-bit hai chiều Port 3 cũng còn làm các chức năng

khác của AT89C51 Các chức năng này đợc liệt kê nh sau:

P3.0 RxD Ngõ vào Port nối tiếp

P3.1 TxD Ngõ ra Port nối tiếp

P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt ngoài 0

P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 1

P3.5 T1 Ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 0

P3.6 WR Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 RD Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Port 3 cũng nhận một vài tín hiệu điều khiển cho việc lập trình Flash và kiểm

tra chơng trình

Khi hoạt động bình thường, xung ngõ ra ALE lu«n có tần số không đổi là 1/6 tần số của mạch dao động, có thể được dùng cho các mụch đích định thời từ bên

ngoài vµ tạo xung clock Tuy nhiên, lưu ý là một xung ALE sẽ bị bỏ qua trong mỗi

một chu kỳ truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài

Khi cần, hoạt động ALE có thể được vô hiệu hoá bằng cách set bit 0 của thanh ghi chức năng đặc biệt có địa chỉ 8Eh Khi bit này được set, ALE chỉ tích

cực trong thời gan thực hiện lệnh MOVX hoặc MOVC Ngược lại, chân này sẽ

được kéo lên cao Việc set bit không cho phép hoạt động chốt byte thấp của địa chỉ

sẽ không có tác dụng nếu bộ vi điều khiển đang ở chế độ thực thi chương trình ngoài

- PSEN (29)

PSEN (Program Store Enable) là xung điều khiển truy xuất bộ nhớ chươngtrình ngoài Khi AT89C52 đang thực thi chương trình từ bộ nhớ chương trìnhngoài, PSENđược kích hoạt hai lần mỗi chu kỳ máy, nhưng hai hoạt động PSEN

sẽ bị bỏ qua mỗi khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài

- EA/Vpp (31)

EA (External Access Enable) là chân cho phép truy xuất bộ nhớ chươngtrình ngoài (bắt đầu từ địa chỉ từ 0000H đến FFFFH)

EA = 0 cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài, ngỵc l¹i EA=1 sẽ

thực thi chương trình bên trong chip

Tuy nhiên, lưu ý rằng nếu bit khoá 1 (lock-bit 1) được lập trình, EA sẽ đượcchốt bên trong khi reset

Chân này cũng nhận điện áp cho phép lập trình Vpp=12V khi lập trình Flash(khi đó ®iƯn áp lập trình 12V được chọn)

- XTAL1 và XTAL2

XTAL1 và XTAL2 là hai ngõ vào và ra của một bộ khuếch đại đảo của mạch

dao động, được cấu hình để dùng như một bộ dao động trên chip

Không có yêu cầu nào về chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu xung clock bên ngoài

do tín hiệu này phải qua một flip-flop chia hai trước khi đến mạch tạo xung clock

bên trong, tuy nhiên các chi tiết kỹ thuật về thời gian mức thấp và mức cao, điện ápcực tiểu và cực đại cần phải được xem xét

2.2.5.Bộ chuyển đổi ADC0804:

1) Chức năng: chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thành tín hiệuDigital, đưa vào 89C51 89C51 sẽ so sánh giá trị này với giá trị đặt để điều khiềngóc kích SCR sao cho điện áp VDC luôn được ổn định

2) Thành phần chính trong khối:

a) Tổng quan về ADC0804:

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãngNationalSemiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip cóđiện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổicũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổi đượcđịnh nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một

số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng

hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN và không bé hơn 110s Các chân kháccủa ADC0804 có chức năng như sau:

- CS (Chip select):Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấpđược sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 thì chân nàyphải ở mức thấp

- RD (Read):Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp Các bộchuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong

RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804 Khi

CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)

- WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung