Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhận được, lại được dẫn đến chân RXD các tín hiệu khác đóng vai trò như là tín hiệu hổ trợ khi trao đổi thông tin, và vì thế không phải trong mọi trư
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Nguyễn Tiến 07703181Lớp : ĐHĐT3A
Khoá : 2007-2011
Trang 2DÙNG PHẦN MỀM LABVIEW ĐIỀU KHIỂN ON/OFF ĐỘNG CƠ DC
Nội dung thực hiệ n :
Tìm hiểu về cách giao tiếp giữa vi xử lý và máy tính qua Labview
Điều khiển on/off động cơ DC giao tiếp với máy tính qua cổng COM.
I PHƯƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG QUA CỔNG COM
1 Giới thiệu về cổng nối tiếp:
Cổng nối tiếp RS232 là một giao diện phổ biến rộng rãi nhất Người ta còn gọi cổng này là cổng COM Giống như cổng máy in cổng COM cũng được sử dụng một cách thuận tiện cho việc giao tiếp với thiết bị ngoại vi
Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo cách nối tiếp Nghĩa
là các bit dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn Loại truyền này
có khả năng dùng cho những ứng dụng có yêu cầu truyền khoảng cách lớn hơn, bởi
vì các khả năng gây nhiễu là nhỏ đáng kể hơn khi dùng một cổng song song (cổng máy in)
Phích cắm COM có tổng cộng 8 đường dẫn, chưa kể đến đường nối đất Trên thực tế có hai loại phích cắm, một loại 9 chân và một loại 25 chân Cả hai loại này đều có chung một đặc điểm.Việc truyền dữ liệu xảy ra ở trên hai đường dẫn Qua chân cắm ra TXD máy tính gởi dữ liệu của nó đến KIT Vi điều khiển Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhận được, lại được dẫn đến chân RXD các tín hiệu khác đóng vai trò như là tín hiệu hổ trợ khi trao đổi thông tin, và vì thế không phải trong mọi trường hợp ứng dụng đều dùng hết
Bảng địa chỉ cơ bản và ngắt của cổng nối tiếp:
Tên Địa chỉ Ngắt Vị trí chứa địa chỉ
Trang 3COM1 3F8H 4 0000H:0400H
COM2 2F8H 3 0000H:0402H
COM3 3E8H 4 0000H:0404H
COM4 2E8H 3 0000H:0406H
Cổng nối tiếp được sử dụng để truyền dữ liệu hai chiều giữa máy tính và
ngoại vi, có các ưu điểm sau:
– Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song
– Số dây kết nối ít
– Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại
– Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC (Programmable Logic Device).– Cho phép nối mạng
– Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc
– Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản
Hình 1 - Cấu trúc chân của cổng Com theo chuẩn RS – 232Cổng COM có hai dạng: đầu nối DB25 (25 chân) và đầu nối DB9 (9 chân) mô tả như hình sau :
D25 D9 Tín hiệu Hướng truyền Mô tả
1 – – – Protected ground: nối đất bảo vệ
Trang 42 3 TxD DTE – DCE Transmitted data: dữ liệu truyền
3 2 RxD DCE – DTE Received data: dữ liệu nhận
4 7 RTS DTE – DCE Request to send: DTE yêu cầu
20 4 DTR DTE – DCE Data terminal ready: DTE sẵn sàng làm việc
22 9 RI DCE – DTE Ring indicator: báo chuông
23 – DSRD DCE – DTE Data signal rate detector: dò tốc độ
truyền
24 – TSET DTE – DCE tín hiệu định thời truyền đi từ DTETransmit Signal Element Timing:
15 – TSET DCE – DTE
Transmitter Signal Element Timing: tín hiệu định thời truyền từ DCE để truyền dữ liệu
17 – RSET DCE – DTE
Receiver Signal Element Timing: tín hiệu định thời truyền từ DCE để
truyền dữ liệu
18 – LL Local Loopback: kiểm tra cổng
21 – RL DCE – DTE DCE khi tín hiệu nhận từ DCE lỗiRemote Loopback: Tạo ra bởi
14 – STxD DTE– DCE Secondary Transmitted Data
16 – SRxD DCE – DTE Secondary Received Data
19 – SRTS DTE – DCE Secondary Request To Send
13 – SCTS DCE – DTE Secondary Clear To Send
12 – SDSRD DCE – DTE Secondary Received Line Signal
Detector
Trang 59,10, 25 – Dành riêng cho chế độ test
11 – Không dùng
2 Chuẩn RS - 232
Chuẩn RS-232 được đưa ra bởi EIA (Electronics Industry Associations) Chuẩn RS-232 quy định mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V (mark), mức logic 0 ứng với điện áp từ 3V đến 25V (space) và có khả năng cung cấp dòng
từ 10 mA đến 20 mA Ngoài ra, tất cả các ngõ ra đều có đặc tính chống chập mạch
Chuẩn RS-232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ lên đến 20.000 bps nhưng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps
Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 như sau:
Chiều dài cáp cực đại 15m
Giao tiếp với vi xử lý:
Vì tín hiệu cổng COM dùng chuẩn RS 232 nên không tương thích với điện áp TTL (mức cao là 3 – 5 V, mức thấp là 0 – 0,8V) nên để giao tiếp KIT Vi điều khiển họ
8051 với máy tính qua cổng COM ta phải qua một vi mạch biến đổi điện áp cho phù hợp với mức TTL, ta chọn vi mạch MAX232 để thực hiện việc chuyển đổi cho tương thích điện áp
Trang 6Hình 2 – Mạch giao tiếp với vi xử lý
` Vi mạch này nhận mức RS232 đã được gởi tới từ máy tính và biến đổi tín hiệu náy thành tín hiệu TTL để cho tương thích với IC 8051 và nó cũng thực hiện ngược lại là biến đổi tín hiệu TTL từ Vi điều khiển thành mức +12V, -12V để cho phù hợp hoạt động của máy tính Giao tiếp theo cách này, khoảng cách từ máy tính đến thiết bị ngoại vi có thể đạt tới trên 20 mét
3 Giao tiếp giữa các thiết bị
Các thiết bị ghép nối chia thành 2 loại: DTE (Data Terminal Equipment) và
DCE (Data Communication Equipment) DCE là các thiết bị trung gian như MODEM còn DTE là các thiết bị tiếp nhận hay truyền dữ liệu như máy tính, PLC,
vi điều khiển, … Việc trao đổi tín hiệu thông thường qua 2 chân RxD (nhận) và
Trang 7TxD (truyền) Các tín hiệu còn lại có chức năng hỗ trợ để thiết lập và điều khiển quá trình truyền, được gọi là các tín hiệu bắt tay (handshake) Ưu điểm của quá trình truyền dùng tín hiệu bắt tay là có thể kiểm soát đường truyền.
Các phương thức kết nối giữa DTE và DCE:
– Đơn công (simplex connection): dữ liệu chỉ được truyền theo 1 hướng – Bán song công ( half-duplex): dữ liệu truyền theo 2 hướng, nhưng mỗi thời điểm chỉ được truyền theo 1 hướng
– Song công (full-duplex): số liệu được truyền đồng thời theo 2 hướng
Ngoài ra để truyền dữ liệu qua Port COM còn cần những tham số sau: Bit mở đầu cho một đơn vị dữ liệu START Bit STOP Bit (Bit kết thúc) Parity (Kiểm tra chẵn lẻ) Baud Rate (Tốc độ truyền) tạo thành một Frame (Khung truyền)
Port COM là một thể khởi tạo bằng BIOS thông qua chức năng 0 của Interrupt 14, nạp vào thanh ghi DX1 chỉ số chọn kênh (COM1 = 0, COM2 = 1)
Thanh ghi AL được nạp vào các tham số của việc truyền dữ liệu
Khi không truyền dữ liệu, đường truyền sẽ ở trạng thái mark (điện áp -10V) Khi bắt đầu truyền, DTE sẽ đưa ra xung Start (space: 10V) và sau đó lần lượt truyền từ D0 đến D7 và Parity, cuối cùng là xung Stop (mark: –10V) để khôi phục trạng thái đường truyền Dạng tín hiệu truyền mô tả như sau (truyền ký tự A):
Trang 8Hình 3 - Tín hiệu truyền của ký tự ‘A’
Các sơ đồ khi kết nối dùng cổng nối tiếp:
Hình 4 – Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp giữa 2 thiết bị
Khi thực hiện kết nối như trên, quá trình truyền phải bảo đảm tốc độ ở đầu phát và thu giống nhau Khi có dữ liệu đến DTE, dữ liệu này sẽ được đưa vào bộ đệm và tạo ngắt
Ngoài ra, khi thực hiện kết nối giữa hai DTE, ta còn dùng sơ đồ sau:
Trang 9Hình 5 – Kết nối trong truyền thông nối tiếp dùng tín hiệu bắt tay
Khi DTE1 cần truyền dữ liệu thì cho DTR tích cực tác động lên DSR của DTE2 cho biết sẵn sàng nhận dữ liệu và cho biết đã nhận được sóng mang của MODEM (ảo) Sau đó, DTE1 tích cực chân RTS để tác động đến chân CTS của DTE2 cho biết DTE1 có thể nhận dữ liệu Khi thực hiện kết nối giữa DTE và DCE, do tốc độ truyền khác nhau nên phải thực hiện điều khiển lưu lượng Quá trinh điều khiển này có thể thực hiện bằng phần mềm hay phần cứng Quá trình điều khiển bằng phần mềm thực hiện bằng hai ký tự Xon và Xoff Ký tự Xon được DCE gởi đi khi rảnh (có thể nhận dữ liệu) Nếu DCE bận thì sẽ gởi ký tự Xoff Quá trình điều khiển bằng phần cứng dùng hai chân RTS và CTS Nếu DTE muốn truyền dữ liệu thì sẽ gởi RTS để yêu cầu truyền, DCE nếu có khả năng nhận dữ liệu (đang rảnh) thì gởi lại CTS
II VI XỬ LÝ VỚI TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾP
1 IC MAX 232
Vi mạch MAX 232 của hãng MAXIM là một vi mạch chuyên dùng trong giao diện nối tiếp với máy tính Chúng có nhiệm vụ chuyển đổi mức TTL ở lối vào thành mức +10V hoặc –10V ở phía truyền và các mức +3…+15V hoặc -3…-15V thành mức TTL ở phía nhận, Vi mạch MAX 232 có hai bộ đệm và hai bộ nhận Đường dẫn điều khiển lối vào CTS, điều khiển việc xuất ra dữ liệu ở cổng nối tiếp khi cần thiết, được nối với chân 9 của vi mạch MAX 232 Còn chân RST (chân 10 của vi mạch MAX ) nối với đường dẫn bắt tay để điều khiển quá trình nhận Thường thì các đường dẫn bắt tay được nối với cổng nối tiếp qua các cầu nối, để
Trang 10khi không dùng đến nữa có thể hở mạch các cầu này Cách truyền dữ liệu đơn giản nhất là chỉ dùng ba đường dẫn TxD, RxD và GND (mass).
IC max232 thường được dùng trong việc kết nối thiết bị ngoại vi qua cổng RS –
232 Nó cho phép chuyển đổi điện áp ngõ vào ± 30V (từ cổng Comm) thành điện
áp ngõ ra đảo 5V và 0V để giao tiếp với thiết bị ngoại vi
Tín hiệu nhận từ máy vi tính qua cổng COM với chuẩn RS232 được IC MAX232 chuyển đổi sang mức TTL để đưa vào port nối tiếp (chân RxD và TxD) của vi điều khiển
Ngược lại, khi vi điều khiển xuất tín hiệu qua port nối tiếp thì cũng được IC
MAX232 chuyển đổi sang mức RS232 để máy tính nhận được
Một vài thông số của MAX 232:
Trang 11Hình 6 – Cấu trúc Logic của MAX 232
2 IC 89V51RB2
Giới hạn trong môn này chúng ta chỉ tìm hiểu IC 89V51RB2 cho ứng dụng giao tiếp truyền thông nối tiếp
Hình 7 – Sơ đồ chân ic họ 8051Bit Tên Chức năng
P3.0 RXD Chân nhận dữ liệu cho port nối tiếp
P3.1 TXD Chân phát dữ liệu cho port nối tiếp
P3.2 INTO Ngắt ngoài 0
P3.3 INT1 Ngắt ngoài 1
P3.4 TO Ngõ vào của timer 0 /counter 0
P3.5 T1 Ngõ vào của timer 1 /counter 1
P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài
P3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài
Trang 12Các thanh ghi liên quan đến truyền nhận dữ liệu nối tiếp:
Thanh ghi TMOD: Là thanh ghi qui định chế độ hoạt động của bộ định thời , IC
89V51RB2 có 3 Timer (T0, T1, T2) dùng để định thời gian hoặc đếm xung
Thanh ghi TCON: Thanh ghi điều khiển bộ định thời
IT0: bit chọn kiểu điều khiển tác động tín hiệu ngắt ngoài timer 0 ( IT0 = 0: kích khởi mức thấp (mức 0); IT0 = 1: kích khởi cạnh âm)
ET0: cờ ngắt ngoài timer 0IE0=1 tín hiệu ngắt xuất hiện tại chân INT0
IT1: bit chọn kiểu điều khiển tác động tín hiệu ngắt ngoài timer 1 (IT1 = 0: kích khởi mức thấp (mức 0); IT1 = 1: kích khởi cạnh âm)
ET1: cờ ngắt ngoài timer 1
IE1=1 tín hiệu ngắt xuất hiện tại chân INT1
Trang 13Thanh ghi SCON : Thanh ghi điều khiển chế độ nối tiếp
Thanh ghi điều khiển ngắt IE:
EA ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0EX0 : ngắt ngoài timer0
EX1 :ngắt ngoài timer1
ET0 :ngắt timer0
ET1 :ngắt timer1
ET2 :ngắt timer2
ES : cho phép ngắt port nối tiếp
EA: cho phép tất cả các ngắt hoạt động
III.THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Yêu cầu thiết kế
Tạo được hệ thống điều khiển tốc độ động không hồi tiếp, bao gồm cả phần thiết
kế phần cứng và tạo giao diện điều khiển trên máy tính.
Thiết kế
Trang 14Về thiết kế phần cứng: Bao gồm mạch điều khiển và mạch công suất
+ Mạch điều khiển: Sử dụng vi xử lý 89V51
+ Mạch công suất: sử dụng mach điêu khiển dùng FET và ROLE
+ Dùng phần mềm Labview để giao tiếp và điều khiển
Phương pháp điều khiển
Điều khiển động cơ DC bằng cách điều biến độ rộng xung
Động cơ DC sử dụng trong dân dụng thường chỉ hoạt động ở điện áp 24V trở lại Một trong những phương pháp để điều khiển mô tơ là sử dụng mạch điều chế độ rộng xung (PWM circuit - Pulse Wide Modulation).
Mạch điều khiển mô tơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho mô tơ bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh Nguồn DC được chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông (chỉ gồm hai mức 0 volt và xấp xỉ điện áp hoạt động) Tín hiệu xung vuông này được cấp cho mô tơ Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn mô
tơ sẽ chạy với một tốc độ đều đặn phụ thuộc vào mô men của trục quay Với phương pháp PWM, điều chỉnh tốc độ của mô tơ thông qua việc điều chế độ rộng của xung, tức là thời gian "đầy xung" ("on") của chuỗi xung vuông cấp cho mô tơ Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp cho mô tơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ của mô tơ cần điều khiển.
Như trên hình, với dãy xung điều khiển trên cùng, xung ON có độ rộng nhỏ nên động cơ chạy chậm Nếu độ rộng xung ON càng lớn (như dãy xung thứ 2 và thứ 3) động
cơ DC chạy càng nhanh
Ưu điểm:
Trang 15- Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra.
- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính.
- Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM Nhược điểm:
- Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao
- Các xung kích lên điện áp cao (12 - 24V) có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ.
- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô tơ.
SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN CỨNG
Nguồn 5v cấp cho vi xử lý
Nguồn 12v cấp cho khối công suất
Trang 16Nguồn 24v cấp cho động cơ
Cách ly nguồn 5v với nguồn 12v, 24v để chống nhiễu
Công dụng từng linh kiện trong mạch:
Opto coupler (hay còn gọi là cách ly quang): Là linh kiện tích hợp có cấu tạo
gồm 1 led và 1 photo diot hay 1 photo transistor Khi có dòng nhỏ đi qua 2 đầu của led trong opto làm cho led phát sáng Được sử dụng để cách ly áp giữa hai khối vi xử lý và khối công suất nhằm bảo vệ khối vi xử lý,đồng thời tránh nhiễu cho động cơ Vì đôi khi động cơ chạy quá dòng thì dòng trả về lớn làm chết linh kiện ở mạch công suất, nếu không có cách ly quang thì dòng điện lớn sẽ theo đường mạch đến tiêu diệt vi điều khiển
và toàn bộ những linh kiện khác Ngõ ra của Opto (chân 3 và 4) được dẫn khi ngõ vào (chân 1) ở mức 1 (tương đương điện áp 5V).
Relay (18FF-12v): Dùng đảo chiều quay động cơ.
Dòng đóng ngắt là 12v-75mA để đảo chiều là phù hợp Do điện trở cuộn dây relay
là 160Ω điện áp đóng ngắt relay là 12v và dòng tối thiểu để đóng ngắt relay là 75mA Vì vậy dòng điều khiển phải được khuếch đại trước khi tới điều khiển relay để đảm bảo dòng kích relay trong trường hợp có thể dùng transistor hoặc 1 con IC… Tôi đã sử dụng
IC ULN2803 để sử dụng chức năng đó
MOSFET IRF540: Mạch công suất sử dụng transistor hiệu ứng trường MOSFET
IRF540 có khả năng cung cấp dòng lớn lên đến 5A, điều khiển bằng áp trên ngõ vào G Mạch kích được lựa chọn là đẩy kéo(PUSH PULL) cho đáp ứng xung tốt ULN2803 gồm
8 BJT ghép darlington có sẵn các điện trở và diode bảo vệ, cung cấp dòng 500mA, điện
áp làm việc lên đến 50V Ở điều kiện làm việc bình thường của ULN2803: I C =100mA,
I B =250μA, V CE =2V
Giá trị của điện trở công suất trên tải ra của mạch đẩy kéo
Công suất tiêu thụ trên điện trở .
Chọn điện trở R = 330 Ω , P =1 đến 2 W.
IC ULN2803: Dùng để khuếch đại dòng
Trang 17Điện trở phân áp cho led được tính như sau:
Chọn dòng làm việc của led là 10mA
V R =
Nguyên lý hoạt động của mạch
Ở trạng thái ngưng dẫn, khi vi điều khiển xuất ra mức 1 kích vào chân DK_PWM, ngõ ra của opto1 không được kích dẫn, dẫn đến tại ngõ vào ULN 2803(chân 1) được phân cực, nên nó được kích dẫn ULN 2803 dẫn tạo ra sự sụt áp ở ngõ ra PWM, điện áp tại chân này là mức 0 Điều này kéo theo làm cho Transitor D468 ngưng dẫn,do đó mức logic điện áp tại cực G của FET là 0 FET không được phân cực nên động cơ ngừng hoạt động Điện áp tại chân PWM không hoàn toàn ở 0V do đó diot D9 là 1N4007 được mắc nhằm ngăn không cho D468 dẫn.
Trong trường hợp ngược lại, ngõ ra của vi điều khiển ở mức 0 được kích vào chân DK_PWM, ngõ ra của opto1 được dẫn Điện áp tại chân C_PWM là 0v, dẫn đến ngõ ra tại chân PWM có áp là 12v sẽ qua diode đến cực B của tranzitor nghịch D468 làm D468 thông khi đó sẽ có 1 dòng đi từ C xuống E.tranzitor thuận B562 lúc này sẽ tắt tức là k có dòng đi từ E xuống C.Vì vậy điện áp 12V đi đến mosfet IRF540 làm mosfet này thông.Điện áp 24V sẽ qua động cơ DC và xuống mass.-> động cơ chạy
Khi opto2 được kích dẫn, tại chân C_ROLE có áp 12v dẫn đến ULN 2803 dẫn, sẽ
có dòng lớn từ chân ROLE xuống mass Điều này nhằm đáp ứng đủ dòng cho Relay có thể hút.
Diode D5 1N4007 có tác dụng dập dòng ngược Khi đóng mở Relay, cuộn hút của relay tạo ra một điện áp ngược và có dạng xung nhọn, đưa ngược về trasistor Q2, có thế gây hỏng Q2 (hỏng khóa) Do vậy, tác dụng của diode là bảo vệ khóa Nó sẽ đưa xung nhọn này về nguồn
