đề tài: điều khiển động cơ dc

đề tài: điều khiển động cơ dc

LỜI CẢM ƠN

Người thực hiện đề tài xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử và nhất là quý Thầy cô thuộc bộ môn Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho người thực hiện đồ

án trong thời gian vừa qua

Đặc biệt người thực hiện xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Đặng Phước Hải Trang vì sự tận tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho người thực hiện đồ án để có thể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này

Người thực hiện đồ án cũng không quên cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi, góp ý để người thực hiện hoàn thành đề tài này một cách tốt đẹp và đúng thời gian

Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũng như khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót…Rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từ nơi quý thầy cô và các bạn sinh viên

Người thực hiện đề tài

Võ Phong Phú

Mục lục Phần A : Giới thiệu

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Nhận xét của giáo viên phản biện

Trang chấm ĐAMH của GVHD

Lời cám ơn 1

Mục lục 2

Danh sách hình vẽ 2

Danh mục bảng biểu 3

Phần B: Nội Dung 5 Chương 1: Mở Đầu 5

1.1 Khái quát vấn đề 5

1.2 Mục tiêu yêu cầu của đề tài 6

1.3 Nội dung đề tài 6

Chương 2:Cơ sở lý thuyết 7

2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 7

2.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch 8

2.2.1 Giới thiệu vi điều khiển AT89S52 8

2.2.2 Mô tả AT89S52 9

2.2.2a Sơ đồ chân 89S52 9

2.2.2b Chức năng các chân 89S52 10

2.2.3 Led và Button 12

2.2.4 L298 N 13

2.2.5 Động cơ DC 15

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống 16

3.1 Thiết kế phần cứng 16

3.1.1 Mạch nguyên lý 16

3.1.2 Các khối chính 17

3.2 Mạch in 19

Chương 4: Thi công phần mềm, mô phỏng, kết quả nghiên cứu 20

4.1 Điều chế PWM để điều khiển động cơ DC 20

4.2 Lưu đồ chương trình 25

4.3 Chương trình 26

4.4 Kết quả mô phỏng bằng phần mềm proteus 32

4.5 Kết quả thi công mạch 32

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 33

5.1 Kết luận 33

5.2 Hướng phát triển 33

Phần C: Phụ lục tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo 34

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1 Chức năng các chân của Port 3 10

Bảng 2.2 Chức năng các chân của L298N 14

LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 7

Hình 2.2 Sơ đồ khối AT89S52 9

Hình 2.3 Sơ đồ các chân AT89S52 10

Hình 2.4 Mạch Reset vi điều khiển 11

Hình 2.5 Mạch kết nối thạch anh cho vi điều khiển 12

Hình 2.6a LED 12

Hình 2.6b Nút nhấn 4 chân 17

Hình 2.7a IC L298N 13

Hình 2.8 Động cơ DC 15

HÌnh 2.9 Cấu tạo động cơ DC 15

Hình 3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý 16

Hình 3.2 Khối hiển thị 17

Hình 3.3 Khối Led báo và reset 17

Hình 3.4 Khối mạch cầu H 18

Hình 3.5 Khối nút điều khiển 18

Hình 3.6 Khối vi điều khiển 19

Hình 3.7 Hình mạch in 19

Hình 4.1 Hình mô phỏng mạch 32

Hình 4.2 Mạch thực tế 32

Với sự ra đời và phát triển của vi xử lý thì vấn đề điều khiển động cơ 1 chiều không còn là vấn đề khó khăn nữa Động cơ có thể điều khiển với nhiều cấp tốc độ khác nhau

và điều khiển dừng, đảo chiểu , nhanh chậm dễ dàng được

1.2 Mục tiêu yêu cầu của đề tài:

Vi xử lý 8501 là loại dòng vi xử lý khá là thông dụng đã có mặt từ rất lâu và được ứng dụng vào nhiều các thiết bị điều khiển hay tự động hóa Nên việc điều khiển động cơ 1 chiều với dòng vi xử lý này là 1 phương pháp tối ưu và kinh tế đối với bài toán điều khiển động cơ DC ngày nay

1.3 Nội dung đề tài

Trên cơ sở những kiến thức đã học từ môn vi xử lý Em đã thực hiện đề tài : Điều khiển động cơ một chiều (DC) Với yêu cầu là điều khiển : Dừng, Quay thuận, Quay nghịch, Tăng tốc, Giảm tốc

Để điều khiển tốc độ của động cơ một chiều thì có rất nhiều phương pháp, trong đồ án của mình chúng em xin trình bày điều khiển động cơ dùng họ vi điều khiển 8051 bằng phương pháp đếm xung (dùng động cơ có sử dụng encoder) Trong đồ án của mình chúng em sử dụng IC 89C52 để lập trình điều khiển động cơ một chiều DC nhỏ hơn 24V, sử dụng IC L298N để tăng công suất

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

Đối với điều khiển tốc độ động cơ DC trong robot, phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) hay được gọi tắt là điều xung, băm xung hoặc PWM

2.1 Phương pháp điều xung PWM

PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫm đếm sự thay đổi điện áp

Điều xung PWM bằng phần mềm:

Điều xung PWM một cách đơn giản là đưa 1 chân nào đó của vi điều

khiển lên mức 1, sau đó đưa xuống mức 0 Công việc này được lặp

đi lặp lại liên tục sẽ tạo ra xung, và tốc độ của động cơ sẽ tương ứng

với duty cycle

2.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch

Có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau có thể sử dụng trong mạch đồng hồ này như vi điều khiển pic, avr, 8051…

Các loại vi điều khiển pic hay avr có nhiều ưu điểm hơn so với 8051 như hỗ trợ kết nối ngoại vi tốt hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn, lập trình đơn giản hơn Nhưng giá thành thì lại cao hơn nhiều so với 8051 mà trong mạch này người thực hiện đề tài sử dụng AT89S52 Việc sử dụng quá tốn kém cho một mạch là không cần thiết trong khi đó một chip cũng có thể làm được điều này mà giá thành rẻ hơn thì đó là lựa chọn tối ưu hơn

2.2.1 Giới thiệu Vi Điều Khiển AT89S52:

AT89S52 là họ IC vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất Các sản phẩm AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển Việc xử lý trên byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnh số học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia Nó cung cấp những hổ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển

AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 KByte bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa

và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP

Các đặc điểm của chip AT89S52 được tóm tắt như sau:

 8 KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xoá

 Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz

 3 mức khóa bộ nhớ lập trình

 3 bộ Timer/counter 16 Bit

 128 Byte RAM nội

 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

 Giao tiếp nối tiếp

 64 KB vùng nhớ mã ngoài

 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại

 4µs cho hoạt động nhân hoặc chia

Hình 2.2: Sơ Đồ Khối AT89S52

2.2.2 Mô tả AT89S52:

2.2.2a Sơ đồ chân 89S52:

Mặc dù các thành viên của họ 8051 (ví dụ 8751, 89S52, 89C51, DS5000) đều có các kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai hàng chân DIP (Dual In-Line Pakage), dạng vỏ dẹt vuông QPF (Quad Flat Pakage) và dạng chip không có chân đỡ LLC (Leadless Chip Carrier) thì chúng đều có 40 chân cho các chức năng khác nhau như vào ra I/O, đọc RD\, ghi WR\, địa chỉ, dữ liệu và ngắt Cần phải lưu ý một số hãng

cung cấp một phiên bản 8051 có 20 chân với số cổng vào ra ít hơn cho các ứng dụng yêu cầu thấp hơn Tuy nhiên vì hầu hết các nhà phát triển sử dụng chip đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP nên người thực hiện đề tài chỉ tập trung mô tả phiên bản này

Hình 2.3: Sơ Đồ các chân AT89S52

2.2.2b Chức năng của các chân 89S52:

Port 0: Từ chân 32 đến chân 39 (P0.0_P0.7) Port 0 có 2 chức năng: trong các thiết

kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO, đối với thiết kế lớn có bộ nhớ mở rộng nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu

Port 1: Từ chân 1 đến chân 9 (P1.0 _ P1.7) Port 1 là port IO dùng cho giao tiếp với

thiết bị bên ngoài nếu cần

Port 2: Từ chân 21 đến chân 28 (P2.0 _P2.7) Port 2 là một port có tác dụng kép

dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng

Port 3: Từ chân 10 đến chân 17 (P3.0 _ P3.7) Port 3 là port có tác dụng kép.Các

chân của port này có nhiều chức năng, có công dụng chuyển đổi có liên hệ đến các đặc

tính đặc biệt của 89S52 như ở bảng 3.1:

Bảng 2.1: Chức năng các chân của Port 3

Chân Tên Chức năng

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

PSEN (Program store enable): PSEN là tín hiệu ngõ ra có tác dụng cho phép đọc

bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE của Eprom cho phép đọc các byte mã lệnh.PSEN ở mức thấp trong thời gian 89S52 lấy lệnh Các mã lệnh của chương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu, được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 89S52 để giải mã lệnh Khi 89S52 thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN

ở mức cao

ALE (Address Latch Enable): Khi 89S52 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0 có

chức năng là bus địa chỉ vàdữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt Tín hiệu ở chân ALE là một xung trong

khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động

EA (External Access): Tín hiệu vào EA (chân 31) thường được mắc lên mức 1 hoặc

mức 0 Nếu ở mức 1, 89S52 thi hành chương trình từ ROM nội Nếu ở mức 0, 89S52 thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 89S52

RST (Reset): Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lênmức cao ít nhất 2 chu kỳ máy, các

thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống Khi cấp điện mạch phải tự động reset

Hình 2.4: Mạch RESET Vi Điều Khiển

Các ngõ vào bộ dao động X1, X2: Bộ tạo dao động được tích hợp bên trong 89S52

Khi sử dụng 89S52, người ta chỉ cần nối thêm thạch anh và các tụ Tần số thạch anh

tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng, giá trị tụ thường được chọn là 33p

Hình 2.5: Mạch kết nối thạch anh cho Vi Điều Khiển

2.2.3 Led và Button

LED (viết tắt của : Light Emitting Diode) được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n, đèn LED tạo ra nhiều ánh sáng hơn, tỏa nhiệt ít hơn

so với các thiết bị chiếu sáng khác vì vậy cũng tiêu thụ ít điện năng hơn

2.2.4 L298N

L298N là một drive chip tích hợp sẵn

hai mạch cầu H bên trong với chuẩn

điều khiển TTL, không có diode nội

bảo vệ Mosfet

IC L298

có khả năng hoạt động ở điện áp

cao,dòng cao

- Điện áp cấp lên tới 46V

- Tổng dòng một chiều chịu đ ợc tới

4A

- Điện áp bão hòa

- Chức năng bảo vệ quá nhiệt

- Logic 0 từ 1.5V trở xuống

Hình2.7a: L298N

Hình 2.7b: Sơ đồ chân của L298N

Chức năng các chân :

Bảng 2.2

2.2.5 Động cơ DC

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng một chiều Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp.Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện,tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động

cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM

Hình 2.8 Phần chính gồm Stato ( phần đứng yên ) với các cực từ (bằng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện), Roto với các cuộn dây quấn, cổ góp cùng chổi điện

Hình 2.9

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

3.1 Thiết kế phần cứng

3.1.1 Mạch nguyên lý :

Hình 3.1: Mạch nguyên lý

3.1.2 Các khối chính :

 Khối hiển thị

Hình 3.2 Dùng led 7 đoạn đôi anode chung để hiển thị tốc độ

3 transistor A1013 có chức năng điều khiển cấp dòng hoặc không cấp dòng cho led,để mỗi thời điểm chỉ cho một led sáng

 Khối led báo và reset

Hình 3.3: Khối led báo và reset

- Trong khối Reset chúng ta sử dụng điện trở 1K giúp treo áp cho chân reset của

vi điều khiển luôn ở mức 0V Tụ điện C3 1uF có tác dụng giảm nhiễu cho nút bấm

- Các led D5, D6, D7 được dùng để báo cho người sử dụng biết trạng thái hiện tại của động cơ

- Để cho phép động cơ hoạt động chúng ta cần sử dụng chân EN như trong hình

vẽ Với mức 1 là cho phép và mức 0 là ngừng hoạt động Để điều khiển động cơ theo chiều thuận nghịch và tăng giảm tốc độ động cơ ta sử dụng 1 cách linh hoạt 2 chân IN1

và IN2 giống như trong hình vẽ 1 chân sẽ cấp xung PWM và chân còn lại điều khiển chiều thuận nghịch của động cơ

 Khối điều khiển :

Hình 3.5 Khối nút điều khiển

Các nút nhấn sw1,sw2,sw3,sw4,sw5 để điều chỉnh trạng thái hoạt động của động cơ, Stop, quay thuận,nghịch, tăng tốc,giảm tốc

 Khối vi xử lý :

Hình 3.6 Khối vi điều khiển

Trong khối dao động chúng ta sử dụng 2 tụ C1, C2 cùng thạch anh 12Mhz

3.2 Mạch in

Hình 3.7

Chương 4: Thi công phần mềm,mô phỏng , kết quả nghiên cứu

4.1 Điều chế PWM để điều khiển động cơ DC

Để điều khiển được tốc độ động cơ thì ta chỉ cần thay đổi độ rộng xung trong vi điều khiển Độ rộng xung càng lớn thì động cơ quay càng nhanh

Như chúng ta đã biết thì việc điều khiển nhấp nháy 1 con LED cũng là chúng ta đã điều chế được PWM rồi nhưng xung đó có độ rộng thay đổi và tần số lớn và có thể điều khiển nó bằng hàm trễ (delay) Tuy nhiên khi dùng hàm delay thì trong thời gian xung lên 5V và xuống 0V thì vi điều khiển không làm gì cả hơn nữa việc tạo xung hàm delay thì nếu ta muốn phát xung ở 2 kênh có độ rộng thay đổi là rất khó khăn cho nên chúng ta sử dụng bộ định thời timer ở đây là phương pháp tối ưu nhất

b) Cấu hình ngắt

Trong 1 ngắt có nhiều chế độ Với ngắt Timer0 cấu hình cho nó chạy ở chế độ nào, chế độ timer hay counter, chế độ 8bit ,16bit…bằng cách gán cho giá trị tương ứng TMOD

4.1.1.2 Tạo PWM có chu kì max : 100us

a) Tạo timer 0

Do yêu cầu của bài toán là điều khiển tốc độ động cơ quay nhanh và quay chậm trong khi chạy thuận nghịch nên dữ nguyên chu kì và thay đổi thời gian mở Yêu cầu như: + Động cơ quay thuận nghịch bình thường : 1000us

+ Động cơ tăng tốc lớn nhất : 100us

+ Động cơ giảm tốc lớn nhất : 2000us

Khi bắt đầu cho timer 0 chạy thì bộ đếm của timer sẽ đếm dao động thạch anh, cứ 12 dao động cửa thạch anh thì bộ đếm timer 0 TL0 sẽ đếm tăng 1 , có thể nói timer 0 đếm chu kì máy đối với chế độ 8bit

TL0 là thanh ghi 8 bit nó đếm từ 0 đến 255 Nếu nó đếm đến 256 thì nó tràn bộ đếm TL0 lại quay về 0 và cờ ngắt TF0 tự động nạp lại giá trị 1 và ngắt được xảy ra

Như đối với bài toán này thì ta chỉ cần tạo timer 0 là 100us nên ta tính theo công thức

* Hàm khởi tạo timer0

Như đã nói ở trên muốn có giá trị timer0 nào chỉ cần gán cho TL0 để cho thanh ghi đếm sau đó tràn nhưng ở đây do tạo timer là 100us nên ta dùng chế độ 2 8 bit tự nạp void khoitaotimer0(void)// Ham khoi tao