thiết kế mạch điều khiển và đo tốc độ động cơ điện một chiều hiển thị trên lcd

Trong kiến trúc phần cứng của PIC16F877A, người ta sử dụng thanh ghiTRISA ở địa chỉ 85H để điều khiển chức năng I/O trên.. bank 2 là cùng các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR mà người

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, ngày tháng năm 2012

Giảng viên :

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi,thâm nhập ngày càng nhiều vào trong các lĩnh vực của kĩ thuật cũng như đờisống xã hội Hầu hết các thiết bị từ đơn giản như các thiết bị trong gia đình chođến các thiết bị tinh vi như máy tính hay máy công nghiệp đều có sự xuất hiệncủa các bộ vi điều khiển

Động cơ điện một chiều là loại động cơ được sử dụng rất phổ biến trongcác ứng dụng thông thường cũng như các ứng dụng phức tạp Để một động cơlàm việc một cách hiệu quả thì đòi hỏi phải có cách điều khiển tốt

Xuất phát từ thực tế đó chúng em đã tập chung nghiên cứu về ứng dụng

của vi điều khiển và cách điều khiển động cơ điện một chiều thông qua đề tài

“Thiết kế mạch điều khiển và đo tốc độ động cơ điện một chiều hiển thị trên LCD” dưới sự hướng dẫn của thầy

Do kinh nghiệm chưa nhiều, kiến thức chuyên môn chưa thực sự sâu nên

đồ án của chúng em không thể tránh khỏi những thiếu xót Chúng em rất mongđược sự đóng góp của thầy cô cùng các bạn sinh viên để đề tài của chúng emđược hoàn thiện hơn

Hưng yên tháng năm 2012

Nhóm sinh viên thực hiện

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 3

PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 5

1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Đặc điểm của đề tài 5

1.3 Mục đích của đề tài 5

PHẦN II: CƠ SỞ LÍ LUẬN 6

2.1 Vi điều khiển PIC16F877A 6

2.1.1 Khái quát về vi điều khiển PIC16F877A 6

2.1.2 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A 9

2.2 Một số linh kiện khác 19

2.2.1 IRF540 19

2.2.2 PC817 20

2.2.3 IC7805 20

2.2.4 Giới thiệu về LCD 21

2.2.5Động cơ DC 22

2.2.6Encoder 23

PHẦN III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 25

3.1 Phần Cứng 25

3.1.1 Sơ đồ khối 25

3.1.2 Mạch điều khiển 26

3.1.3 Mạch công suất 27

3.1.5 Mạch nguyên lý hoàn thiện 29

3.2 Chương trình 30

PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1Đặt vấn đề

Động cơ là 1 loại rất phổ biến với dân kĩ thuật điện và nó được ứng dụng khárộng rãi trong cuộc sống : quạt, các loại máy trong sản suất nông nghiệp ( máytuốt , máy xay sát ) trong sân chơi robocon thì động cơ điện 1 chiều được sửdụng rất nhiều : nó giúp cho robot chuyển động theo ý muốn, cũng như nâng hạ

1 số kết cấu Chính vì những ứng dụng của nó nên chúng em chon đề

tài :“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch đo và điều khiển tốc động cơ DC”.

1.2Đặc điểm của đề tài

- An toàn và hiệu quả

- Giúp sinh viên có khả năng nghiên cứu và làm việc độc lập cũng như theonhóm

PHẦN II:CƠ SỞ LÍ LUẬN

2.1 Vi điều khiển PIC16F877A

2.1.1 Khái quát về vi điều khiển PIC16F877A

2.1.1.1 Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lí của PIC16F877A

- 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND,

2 chan thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển

- 5 port của PIC16F877A bao gồm :

+ PORTB : 8 chân

dữ liệu từ ngoại vi vào vi điều khiển.

Việc xuất nhập dữ liệu ở PIC16F877A khác với họ 8051 Ở tất cả các PORTcủa PIC16F877A, ở mỗi thời điểm chỉ thực hiện được một chức năng :xuất hoặcnhập Để chuyển từ chức năng này nhập qua chức năng xuất hay ngược lại, taphải xử lý bằng phần mềm, không như 8051 tự hiểu lúc nào là chức năng nhập,lúc nào là chức năng xuất

Trong kiến trúc phần cứng của PIC16F877A, người ta sử dụng thanh ghiTRISA ở địa chỉ 85H để điều khiển chức năng I/O trên Muốn xác lập các chânnào của PORTA là nhập (input) thì ta set bit tương ứng chân đó trong thanh ghiTRISA Ngược lại, muốn chân nào là output thì ta clear bit tương ứng chân đótrong thanh ghi TRISA Điều này hoàn toàn tương tự đối với các PORT còn lạiNgoài ra, PORTA còn có các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào Analog của bộ ADC : thực hiện chức năng chuyển từ Analogsang Digital

Thanh ghi TRISB còn được tích hợp bộ điện trở kéo lên có thể điều khiểnđược bằng chương trình

PORTC

PORTC có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới

sự điều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên

Ngoài ra PORTC còn có các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng

PORTD có 8 chân Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và outputcủa PORTD tương tự như trên PORTD cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩngiao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port)

PORTE

PORTE có 3 chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Cácchân của PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điềukhiển của chuẩn giao tiếp PSP

2.1.2 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A

2.1.2.1 Cấu trúc phần cứng của PIC16F877A

PIC là tên viết tắt của “ Programmable Intelligent computer” do hãngGeneral Instrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ HãngMicrchip tiếp tục phát triển sản phầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 loạisản phẩm khác nhau

PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ chohầu hết tất cả các ứng dụng thực tế Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làmquen với PIC có thể học tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình.Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau :

- 8K Flash Rom

- 368 bytes Ram

- 256 bytes EFPROM

- 5 port vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

- 2 bộ định thời Timer0 và Timer2 8 bit

- 1 bộ định thời Timer1 16 bit có thể hoạt động ở cả chế độ tiết kiệmnăng lượng với nguồn xung clock ngoài

- 2 bộ Capture/ Compare/ PWM

- 1 bộ biến đổi Analog -> Digital 10 bit, 8 ngõ vào

- 2 bộ so sánh tương tự

- 1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)

- 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển

- 1 cổng nối tiếp

- 15 nguồn ngắt

Sơ đồ khối vi điều khiển 16F877A

Để mã hóa được địa chỉ 8K word bộ nhớ chương trình, thanh ghi đếmchương trình PC có dung lượng 13 bit.

Khi vi điều khiển reset, bộ đếm chương trình sẽ trỏ về địa chỉ 0000h Khi cóngắt xảy ra thì thanh ghi PC sẽ trỏ đến địa chỉ 0004h

Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ Stack và không được địa chỉhóa bởi bộ đém chương trình

bank 2 là cùng các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR mà người dùng khôngđược chứa dữ liệu khác trong đây thì 4 bank bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877Ađược tổ chức theo cách khác.

Mỗi bank của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A bao gồm cả các thanh ghi có chứcnăng đặc biệt SFR nằm ở các các ô nhớ địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đíchdùng chung GPR nằm ở vùng địa chỉ còn lại của mỗi bank thanh ghi Vùng ônhớ các thanh ghi mục đích dùng chung này chính là nơi người dùng sẽ lưu dữliệu trong quá trình viết chương trình Tất cả các biến dữ liệu nên được khai báochứa trong vùng địa chỉ này

Trong cấu trúc bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A, các thanh ghi SFR nào màthường xuyên được sử dụng (như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cả cácbank để thuận tiện trong việc truy xuất Sở dĩ như vậy là vì, để truy xuất mộtthanh ghi nào đó trong bộ nhớ của 16F877A ta cần phải khai báo đúng bankchứa thanh ghi đó, việc đặt các thanh ghi sử dụng thường xuyên giúp ta thuậntiên hơn rất nhiều trong quá trình truy xuất, làm giảm lệnh chương trình

Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877ADựa trên sơ đồ 4 bank bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A ta rút ra các nhận xét nhưsau :

-Bank0 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 00h đến 77h, trong đó các thanh ghidùng chung để chứa dữ liệu của người dùng địa chỉ từ 20h đến 7Fh Các thanhghi PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE đều chứa ở bank0, do đó đểtruy xuất dữ liệu các thanh ghi này ta phải chuyển đến bank0 Ngoài ra một vàicác thanh ghi thông dụng khác ( sẽ giới thiệu sau) cũng chứa ở bank0

- Bank1 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 80h đến FFh Các thanh ghi dùng chung

có địa chỉ từ A0h đến Efh Các thanh ghi TRISA, TRISB, TRISC, TRISD,TRISE cũng được chứa ở bank1

- Tương tự ta có thể suy ra các nhận xét cho bank2 và bank3 dựa trên sơ đồtrên.

Cũng quan sát trên sơ đồ, ta nhận thấy thanh ghi STATUS, FSR… có mặt trên

cả 4 bank Một điều quan trọng cần nhắc lại trong việc truy xuất dữ liệu củaPIC16F877A là : phải khai báo đúng bank chứa thanh ghi đó Nếu thanh ghi nào

mà 4 bank đều chứa thì không cần phải chuyển bank

2.1.2.3 Một vài thanh ghi chức năng đặc biệt SFR

Thanh ghi STATUS : thanh ghi này có mặt ở cả 4 bank thanh ghi ở các địa chỉ

03h, 83h, 103h và 183h : chứa kết quả thực hiện phép toán của khối ALU, trạngthái reset và các bit chọn bank cần truy xuất trong bộ nhớ dữ liệu

Thanh ghi OPTION_REG : có mặt ở bank2 và bank3 có địa chỉ 81h và 181h.

Thanh ghi này cho phép đọc và ghi, cho phép điều khiển chức năng pull_up củacác chân trong PORTB, xác lập các tham số về xung tác động, cạnh tác độngcủa ngắt ngoại vi và bộ đếm Timer0

Thanh ghi INTCON : có mặt ở cả 4 bank ở địa chỉ 0Bh,8Bh,10Bh,18Bh.

Thanh ghi cho phép đọc và ghi, chứa các bit điều khiển và các bit báo tràntimer0, ngắt ngoại vi RB0/INT và ngắt khi thay đổi trạng thái tại các chân củaPORTB

Thanh ghi PIE1 :địa chỉ 8Ch, chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của các

khối chức năng ngoại vi

Thanh ghi PIR1 : địa chỉ 0Ch, chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi,

các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE1

Thanh ghi PIE2 : địa chỉ 8Dh, chứa các bit điều khiển các ngắt của các khối

chức năng CCP, SSP bú, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM

Thanh ghi PIR2: địa chỉ 0Dh, chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi,

các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE2

Thanh ghi PCON : địa chỉ 8Eh, chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế

độ reset của vi điều khiển

2.1.2.3 Thanh ghi W(work)

Đây là thanh ghi rất đặc biệt trong PIC16F877A Nó có vai trò tương tự nhưthanh ghi Accummulator của 8051, tuy nhiên tầm ảnh hưởng của nó rộng hơnrất nhiều

Tập lệnh của PIC16F877A có tất cả 35 lệnh thì số lệnh có sự “góp mặt” củathanh ghi W là 23 lệnh Hầu hết các lệnh của PIC16F877A đều liên quan đếnthanh ghi W Ví dụ như, trong PIC chúng ta không được phép chuyển trực tiếpgiá trị của một thanh ghi này qua thanh ghi khác mà phải chuyển thông quathanh ghi W

Thanh ghi W có 8 bit và không xuất hiện trong bất kỳ bank thanh ghi nào của

bộ nhớ dữ liệu của 16F877A Mỗi dòng lệnh trong PIC16F877a được mô tảtrong 14 bit Khi ta thực hiện một lệnh nào đó, nó phải lưu địa chỉ của thanh ghi

bị tác động (chiếm 8 bit) và giá trị một hằng số k nào đó (thêm 8 bit nữa) là 16bit, vượt quá giới hạn 14 bit Do vậy ta không thể nào tiến hành một phép tínhtoàn trực tiếp nào giữa 2 thanh ghi với nhau hoặc giữa một thanh ghi với mộthằng số k Hầu hết các lệnh của PIC16F877A đều phải liên quan đến thanh ghi

W cũng vì lý do đó Khi thực hiện một dòng lệnh nào đó, thì PIC sẽ không phảitốn 8 bit để lưu địa chỉ của thanh ghi W trong mã lệnh ( vì được hiểu ngầm) Cóthể xem thanh ghi W là thanh ghi trung gian trong quá trình viết chương trìnhcho PIC16F877A

2.1.2.4 Các vấn đề về Timer

PIC16F877A có tất cả 3 timer : timer0 (8 bit), timer1 (16 bit) và timer2 (8bit)

Bộ tiền định có giá trị 1:2 chẳng hạn ,có nghĩa là : bình thường không sửdụng bộ tiền định của Timer0 (đồng nghĩa với tiền định tỉ lệ 1:1) thì cứ khi cótác động của 1 xung clock thì timer0 sẽ tăng thêm một đơn vị Nếu sử dụng bộtiền định 1:4 thì phải mất 4 xung clock thì timer0 mới tăng thêm một đơn vị Vôhình chung, giá trị của timer0 (8 bit) lúc này không còn là 255 nữa mà là255*4=1020.

Các thanh ghi liên quan đến Timer0 bao gồm :

Sơ đồ khối của Timer1Timer1 là bộ định thời 16 bit, giá trị của Timer1 sẽ được lưu trong hai thanhghi 8 bit TMR1H:TMR1L Cờ ngắt của Timer1 là bit TMR1IF, bit điều khiểncủa Timer1 là TRM1IE

Cặp thanh ghi của TMR1 sẽ tăng từ 0000h lên đến FFFFh rồi sau đó tràn về0000h Nếu ngắt được cho phép, nó sẽ xảy ra khi khi giá trị của TMR1 tràn từFFFFh rồi về 0000h, lúc này TMR1IF sẽ bật lên

Timer1 có 3 chế độ hoạt động :

- Chế độ hoạt động định thời đồng bộ : Chế độ được lựa chọn bởi bitTMR1CS Trong chế độ này xung cấp cho Timer1 là Fosc/4, bit T1SYNCkhông có tác dụng

- Chế độ đếm đồng bộ : trong chế độ này, giá trị của timer1 sẽ tăng khi cóxung cạnh lênh vào chân T1OSI/RC1 Xung clock ngoại sẽ được đồng bộ vớixung clock nội, hoạt động đồng bộ được thực hiện ngay sau bộ tiền định tỉ lệxung (prescaler)

- Chế độ đếm bất đồng bộ :chế độ này xảy ra khi bit T1SYNC được set

Bộ định thời sẽ tiếp tục đếm trong suốt quá trình ngủ của vi điều khiển và có khảnăng tạo một ngắt khi bộ định thời tràng và làm cho Vi điều khiển thoát khỏitrạng thái ngủ

Timer2 : là bộ định thời 8 bit bao gồm một bộ tiền định (prescaler), một bộ

hậu định Postscaler và một thanh ghi chu kỳ viết tắt là PR2 Việc kết hợp timer2với 2 bộ định tỉ lệ cho phép nó hoạt động như một bộ đinh thời 16 bit Moduletimer2 cung cấp thời gian hoạt động cho chế độ điều biến xung PWM nếumodule CCP được chọn

Sơ đồ khối của Timer2

2.2 Một số linh kiện khác

2.2.1 IRF540

Hình ảnh của IRF540

Dòng làm việc max Id từ 23A 33A tùy vào nhiệt độ môi trường cao hay thấp

-Tác dụng : cách li điều khiển giữa 2 tầng mạch điện khác nhau

-Mục đích : nếu có sự cố từ tầng ứng dụng như cháy ,chập , tăng áp thì cũng không làm ảnh hưởng tới tầng điều khiển

2.2.3 IC7805 , IC7812

IC7805,7812 có tác dụng gim điện áp ở ngưỡng 5v và 12v

2.2.4 Giới thiệu về LCD

Text LCD là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòngchữ hoặc số trong bảng mã ASCII Không giống các loại LCD lớn, Text LCDđược chia sẵn thành từng ô và ứng với mỗi ô chỉ có thể hiển thị một ký tựASCII Mỗi ô của text LCD bao gồm các “chấm” tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn

và hiện” các chấm này sẽ tạo thành một ký tự cần thiết hiển thị trên một dòng vàtổng số dòng mà LCD có

Hình ảnh

Kết nối LCD

Chân 1 và chân 2 là các chân nguồn, được nối với GND và nguồn 5V Chân

3 là chân chỉnh độ tương phản, chân này cần được nối với 1 biến trở chia áp nhưhình vẽ trong khi hoạt động, chỉnh để thay đổi giá trị biến trở để đạt được độtương phản cần thiết, sau đó giư mức biến trở này Các chân điều khiển RS, R/

W, EN và các đường dữ liệu được nối trực tiếp với vi điều khiển Tùy theo chế

độ hoạt động 4bit hay 8 bit mà các chân từ D0 đến D3 có thể bỏ qua hoặc nốivới vi điều khiển

2.2.5 Động cơ DC

Phương pháp điều khiển : Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi áp cấp

vào cho động cơ

2.2.6 Encoder

* Cấu tạo của encoder

Nhìn trên hình ta thấy encoder gồm : 1 tấm tròn có khắc lỗ, 1 Hệ thông LED phát và thu

* Nguyên tắc hoạt động cơ bản:

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.Số xung đếm được

và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt!

thì nó có 2 tín hiệu ra lệch pha nhau 90 Hai tín hiệu này có thể xác định được chiều quay của động cơ.

Đây là sơ đồ cấu tạo cơ bản bên trong của nó để tạo được xung vuông!

PHẦN III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 3.1 Phần Cứng

3.1.1 Sơ đồ khối

3.1.2 Mạch nguồn

Sơ đồ mạch nguồn trên có cách ly giữa nguồn điều khiển động cơ và nguồn dùng cho vi điều khiển