THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG TIẾNG VỖ TAY

Chương I. GIỚI THIỆU 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY VÀ GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 09 1.2. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 10 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI 10 Chương II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. ÂM THANH 11 2.2. PWM 11 2.3. GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 12 Chương III. CÁC KHỐI TRONG ĐỒ ÁN 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI 25 3.2. CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI 25 Chương IV.THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN 4.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢM BIẾN: 26 4.2. TÍNH TOÁN ĐỘ RỘNG XUNG PWM: 26 4.3. MẠCH NGUYÊN LÍ: 29 4.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN 5V VÀ 12V: 30 4.5. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 31 Chương V KẾT QUẢ 5.1. TOÀN MẠCH: 34 5.2. KHỐI CẢM BIẾN ÂM THANH: 35 5.3. KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐỘNG CƠ: 35

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN MÔN HỌCNGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

BẰNG TIẾNG VỖ TAY

GVHD: GV.THS NGUYỄN NGÔ LÂM

SVTH : TÔN THẤT TUẤN HOÀNG

MSSV : 11141338

Khoá : 2011

Ngành : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2014

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ĐAMH

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn ĐAMH:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị (Cho phép SV được bảo vệ hay không được bảo vệ)

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 20……

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM ĐAMH

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên chấm ĐAMH:

NHẬN XÉT 7 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

8 Ưu điểm:

9 Khuyết điểm:

10.Đề nghị (Cho phép SV được bảo vệ hay không được bảo vệ)

11.Đánh giá loại:

12.Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 20……

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong một thời đại mới, thời đại phát triển rực rỡ của Điện Tử

và Truyền Thông Điện Tử và Truyền Thông đã ở một bước phát triển cao đó là

vi điều khiển, vi xử lý và các chip thông minh Chúng ngày càng được sử dụng mộtcách rộng rãi trong smartphone, tivi, tủ lạnh, máy giặt, nhằm đáp ứng cho nhu cầuđời sống, cũng như nhu cầu trong công nghiện Mọi loại thông tin, số liệu âm thanh,hình ảnh, nhiệt độ, trong đời sống và công nghiệp có thể được đưa về dạng kỹthuật số sau đó sẽ đưa đến vi xử lý để xử lý chúng rồi xuất ra đáp ứng cho nhu cầucủa mình Từ đó, chúng có thể đáp ứng mọi nhu cầu của chúng ta một cách đơngiản, nhanh gọn, hiệu suất cao, và tốn ít thời gian

Sau một khoảng thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình

của thầy cô giáo trong ngành Công nghệ kỹ thuật điện tử - truyền thông trường

Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh em đã tích luỹ được vốn kiến thức

nhất định Được sự đồng ý của nhà trường và thầy hướng dẫn em được giao đề tài

đồ án môn học là : “Thiết Kế Mạch Điều Khiển Động Cơ DC Bằng Tiếng Vỗ

Tay”.

Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của

thầy hướng dẫn Nguyễn Ngô Lâm, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do thời

gian làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏinhững thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũngnhư là của các bạn sinh viên để bài đồ án này hoàn thiện hơn nữa Em xin chân

thành cảm ơn thầy hướng dẫn Nguyễn Ngô Lâm cùng với các thầy cô giáo trong ngành Công nghệ kỹ thuật điện tử - truyền thông trường Đại học Sư Phạm Kỹ

Thuật TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua.

Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 6 năm 2014

Sinh viên thực hiệnTôn Thất Tuấn Hoàng

MỤC LỤC

TRANG

Chương I GIỚI THIỆU

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY VÀ GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 09

1.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 10

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI 10

Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ÂM THANH 11

2.2 PWM 11

2.3 GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 12

Chương III CÁC KHỐI TRONG ĐỒ ÁN 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI 25

3.2 CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI 25

Chương IV.THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN 4.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢM BIẾN: 26

4.2 TÍNH TOÁN ĐỘ RỘNG XUNG PWM: 26

4.3 MẠCH NGUYÊN LÍ: 29

4.4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN 5V VÀ 12V: 30

4.5 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 31

Chương V KẾT QUẢ

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.3.2: Thông Số transistor 16

Bảng 2.3.6 Trạng thái ic L298 20

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Nhà Thông minh 09

Hình 2.2 dạng sóng PWM 11

Hình 2.3.1 sơ đồ chân PIC16F887 13

Hình 2.3.2 BC 548 15

Hình 2.3.3a IC 555 16

Hình 2.3.3b sơ đồ nguyên lý IC555 17

Hình 2.3.4a micro điện dung 17

Hình 2.3.4.b nguyên lý của micro 18

Hình 2.3.6 IC L298 20

Hình 2.3.7 biến áp 21

Hình 2.3.8 Sơ đồ khối của ic ổn áp 21

Hình 2.3.9.a: Thạch anh 22

Hình 2.3.9.b: Điện Trở 22

Hình 2.3.9.c: Tụ Ceramic 23

Hình 2.3.9.d: Nút Nhấn 23

Hình 2.3.9.e: Led Đơn 23

Hình 2.3.9.f: Diode 23

Hình 2.3.9.g: biến Trở Cúc Áo 24

Hình 2.3.9.h: Tụ Hóa 24

Hình 4.1 sơ đồ nguyên lý cảm biến âm thanh 26

Hình 4.3 Mạch Nguyên lí 29

Hình 4.4.1 Sơ đồ khối thiết kế mạch nguồn 30

Hình 4.4.2 Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn 30

Hình 4.5.1 Lưu đồ giải thuật 31

Hình 5.1 toàn mạch 34

Hình 5.2 Khối cảm biến âm thanh 35

Hình 5.3 Khối điều khiển và động cơ 35

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY VÀ GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI:

Cuộc sống hiện đại ngày càng tất bật, nhu cầu về việc sử dụng những ứng dụng

thông minh ngày càng phổ biến, trong đó có ngôi nhà thông minh.

Hình 1.1 Nhà Thông minh

Nhà thông minh là giải pháp tổng thể bao gồm các công cụ hỗ trợ điều khiển tựđộng giúp chúng ta kiểm soát, giám sát và sử dụng ngôi nhà một cách dễ dànghơn Với tốc độ phát triển của xã hội ngày nay thì việc con người hướng tớinhững yếu tố công nghệ cao là điều tất yếu Ngôi nhà thông minh là một lựachọn tối ưu cho những ai có nhu cầu tận hưởng cuộc sống tiện nghi, tìm đếnnhững cảm giác mới lạ mà khoa học hiện đại đem đến cho con người

Mọi ngôi nhà đều phải đem đến cho người sử dụng sự tiện nghi và thoải mái.Người sử dụng sẽ cảm nhận hết được những ý nghĩa của nhà ở hiện đại cũngnhư giá trị mà khoa học công nghệ tiên tiến đem đến cho con người Ứng dụngthông minh đem lại cho xã hội sự tiện nghi và tiết kiệm Người sử dụng hơnnữa còn cảm thấy giá trị của sức lao động đang dần trở nên có tác dụng khi sửdụng nó vào những yếu tố hữu ích

Vài năm trở lại đây, các thiết bị công nghệ mới, trong đó có điều khiển bằng âmthanh được ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực Vì thế, công nghệ điềukhiển bằng âm thanh đang khiến nhiều người lưu tâm trong lĩnh vực nhà thôngminh.

Bằng kiến thức được tìm hiểu thông qua sách báo, internet, kiến thức và thựchành đã học tại trường cùng với sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của GVHD em

Vỗ Tay”.

1.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng nhữngkiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một mạch ứng dụngthực tiễn trong việc điều khiển động cơ DC bằng tiếng vỗ tay có thể ứng dụngđược trong nhà thông minh để đem lại cho đời sống sự tiện nghi và tiết kiệm

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI:

bằng ic 555

- Hệ thống có động cơ DC cùng với 5 led trạng thái:

còn lại tắt Tức là đã được cấp nguồn khi nhận tín hiệu thì mạch hoạt động

led2 sáng, các led3,4 tắt Báo hiệu động cơ hoạt động và chạy ở mức 1

với điểm led xanh dịch chuyển sang phải

Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ÂM THANH:

 Khái niệm: Âm thanh là các dao độngcơ học (biến đổi vị trí qua lại)của các phân tử, nguyên tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyềntrong vật chất như các ung Âm thanh, giống như nhiều ung, được đặctrưng bởi tần số, bước ung, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ

 Đặc tính: Âm thanh được đặc trưng bằng các đặc tính chính nhưsau: tần số, áp suất âm thanh, công suất âm thanh, cường độ âm thanh,

sự phản xạ của sống âm thanh, trường âm, vang và trễ

 Tần số vỗ tay (Clap): nằm trong khoảng từ 1000 Hz đến 3000 Hz (tìm

hiểu)

2.2 PWM:

 Khái niệm: PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation làphương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phươngpháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫnđến sự thay đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số

và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn

có tải và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt.Phần tử thực hiện nhiện vụ đó trong mạch các van bán dẫn

Hình 2.2 dạng sóng PWM

Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung củachân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi ung PWM.

Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 – t0 ta cho van G mở toàn bộ điện

áp nguồn Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian t0 – T cho van

G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến

T ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cungcấp cho tải

+ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của

cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

 U d = U max ( t 1 /T) (V)

hay U d = U max

với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áptrung bình trên tải sẽ là :

+ Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)

+ Ud = 12.50% = 6V (Với D = 50%)

+ Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)

2.3 GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN:

2.3.1 Vi Điều Khiển PIC16F887:

KHẢO SÁT SƠ ĐỒ CHÂN VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887:

Hình 2.3.1 sơ đồ chân PIC16F887

Vi điều khiển PIC16F887 loại 40 chân, trong đó các chân đều tích hợp nhiều chức năng, chức năng của từng chân được khảo sát theo port

o PortA gồm các tín hiệu từ RA0 đến RA7

o PortB gồm các tín hiệu từ RB0 đến RB7

o PortC gồm các tín hiệu từ RC0 đến RC7

o PortD gồm các tín hiệu từ RD0 đến RD7

o PortE gồm các tín hiệu từ RE0 đến RE3

o 14 kênh ngõ vào tương tự từ AN0 đến AN13

o Hai ngõ vào nhận điện áp tham chiếu bên ngoài là Vref+ và Vref-

o Có 4 ngõ vào nhận điện áp ngõ vào âm của 2 bộ so sánh là: C12IN0-, C12IN1-, C12IN2-, C12IN3-

o Có 2 ngõ vào nhận điện áp tương tự dương cho 2 bộ so sánh là: C1IN+ và C2IN+

o Có 2 ngõ ra của 2 bộ so sánh là: C1OUT và C2OUT

o Có 1 ngõ vào nhận điện áp tham chiếu chuẩn cấp cho 2 bộ so sánh là: CVREF

 Chức năng dao động cấp xung cho CPU hoạt động:

o Có 2 ngõ vào nối với tụ thạch anh để tạo dao động là OSC1 và OSC2

o Có 1 ngõ vào nhận tín hiệu dao động từ nguồn khác là CLKIN nếu không ung tụ thạch anh, có 1 ngõ ra cấp xung clock cho thiết bị khác

là CLKOUT

o Có 1 ngõ vào nhận xung ngoại cho timer/counter T0 có tên là

o Có 1 ngõ vào nhận dữ liệu là SDI

o Có 1 ngõ ra phát dữ liệu là SDO

o Có 1 ngõ ra phát xung clock là SCK

o Có 1 ngõ vào chọn chip khi hoạt động ở chế độ tớ là SS

o Có 1 ngõ truyền/nhận dữ liệu là SDA

o Có 2 tín hiệu cho khối CCP là CCP1 và CCP2

o Có 4 tín hiệu cho khối PWM là P1A, P1B, P1C, P1D

o Có 1 tín hiệu để truyền dữ liệu là ICSPDAT

o Có 1 tín hiệu để nhận xung clock là ICSPCLK

o Có 1 tín hiệu để điều khiển nạp là PGM

o Có 1 tín hiệu để nhận điện áp lập trình là VPP

o Có 1 ngõ vào reset có tên là MCLR (master clear)

o Có 4 chân cấp nguồn: VDD cấp nguồn dương, VSS nối với 0V

2.3.2 Transistor BC548

Hình 2.3.2 BC 548

Ic(max) (A)

Dòng điện cực đại tại cực C: Là dòng điện giới hạn của

transistor, vượt qua dòng giới hạn này Transistor sẽ bịhỏng

0,1

Pc(max)

(W)

Công xuất cực đại : Khi hoat động Transistor tiêu tán

một công xuất P = UCE ICE nếu công xuất này vượtquá công xuất cực đại của Transistor thì Transistor sẽ bịhỏng

0,625

Uceo(max)

(V)

Điện áp cực đại : Là điện áp giới hạn của transistor đặt

vào cực CE , vượt qua điện áp giới hạn này Transistor sẽ

bị đánh thủng

30

Ucbo(max)

(V)

Điện áp cực đại : Là điện áp giới hạn của transistor đặt

vào cực CB , vượt qua điện áp giới hạn này Transistor sẽ

bị đánh thủng

30

gấp bao nhiêu lần dòng IBE

800

110-fT MHz

Tấn số cắt : Là tần số giới hạn mà Transistor làm việc

bình thường, vượt quá tần số này thì độ khuyếch đại củaTransistor bị giảm

+ Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW

+ Tạo xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

Hình 2.3.3b sơ đồ nguyên lý IC555

Nhìn trên hình trên ta thấy cấu trúc của 555 nó tương đương với hơn

20 transitor , 15 điện trở và 2 diode và còn phụ thuộc vào nhà sản xuất.Trong mạch tương đương trên có : đầu vào kích thích , khối so sánh, khốiđiều khiển chức năng hay công suất đầu ra.Một số đặc tính nữa của 555 là :Điện áp cung cấp nằm giữa trong khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ

3 đến 6 mA

Dòng điện ngưỡng xác định bằng giá trị lớn nhất của R + R Để điện

áp 15V thì điện trở của R + R phải là 20M Tất cả các IC thời gian đều cần

1 tụ điện ngoài để tạo ra 1 thời gian đóng cắt của xung đầu ra Nó là một chu

kì hữu hạn để cho tụ điện (C) nạp điện hay phòng điện thông qua một điệntrở R Thời gian này được xác định thông qua điện trở R và tụ điện C

2.3.4 Micro Điện Dung ( condenser microphone) :

 Thông Số:

Hình 2.3.4a micro điện dung

operating voltage 3 V dc (standard), 10 V dc (max.)

Hình 2.3.4.b nguyên lý của micro

Vận hành theo nguyên lý chuyển động của màng rung Ở trạng thái bìnhthường condenser microphone có một một bộ phận thu đa hướng Một số lỗnhỏ được đục trên "đĩa hậu" để giúp làm điều này Các lỗ nhỏ có tác dụnglàm chậm các âm thanh ở đằng sau màng rung, chờ các âm thanh ở đằngtrước, rồi sau đó lọc bỏ âm thanh ở đầu ra Tần số được lọc phụ thuộc vàokích cỡ và vị trí của các lỗ.Loại micro này có độ nhạy rất cao và bắt âmthanh chính xác, thích hợp cho thu các dạng tín hiệu mềm như giọng hát,guitar thùng, giọng nói Condenser microphone thường hơi bị rung tiếng ởkhoảng tần số từ 8 đến 12 kHz

2.3.5 Động Cơ DC:

 Định nghĩa: Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện

một chiều sang năng lượng cơ Máy điện chuyển đổi từ năng lượng cơ sang năng lượng điện là máy phát điện

 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:

Gồm có 3 phần chính stator( phần cảm), rotor ( phần ứng), và phần chỉnh lưu( chổi than và cổ góp).

- Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnhcửu, hay nam châm điện

- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

- Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyểnđộng quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ

cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

Nguyên tắc hoạt động.

Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyểnđộng quay của rotor

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotorcùng dấu, trở lại pha 1

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động

cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điệnđộng cảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotorkhi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF

(CEMF) hoặc sức điện độngđối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoàiđặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khiđộng cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tảivào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài).

2.3.6 IC L298:

Hình 2.3.6 IC L298