nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển từ xa điều khiển động cơ một chiều qua sóng RF WIRELESS

luận văn về nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển từ xa điều khiển động cơ một chiều qua sóng RF WIRELESS

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU QUA SÓNG RF WIRELESS

RESEARCH DESIGN FROM THE MINISTRY

OF REMOTE CONTROL ENGINE DC BY WIRELESS RF

SVTH: Trần Duy Phương, Trần Việt Phương, Mai Trường Sinh

Lớp 08DTD, Trường Đại học Bách khoa

GVHD: TS Nguyễn Hoàng Mai

Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa

TÓM TẮT

Trên cơ sở các thiết bị điều khiển từ xa RF wireless và họ vi điều khiển pic của hãng Microchip Bài báo ứng dụng các thiết bị này để thiết kế bộ điều khiển từ xa điều khiển động cơ điện một chiều qua sóng RF WIRELESS nhằm mục đích cùng trên một tần số phát đi ta có thể điều khiển được nhiều động cơ khác nhau có thể bật tắt thay đổi tốc độ một cách độc lập và ổn định tại tốc độ cài đặt

ABSTRACT

On the basis of remote control devices RF wireless and pic microcontroller of microchip firm The paper application of these devices to design a remote controller controls the engine DC via wave to RF WIRELESS purposes on the same broadcast frequency can be controlled by many different engines can be switched off speed change independently and stability at speed settings

1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành

kỹ thuật điều khiển, ngành tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới Tự động hóa không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm chính vì thế tự động hóa ngày càng khẳng định được vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp

và đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và

ở Việt Nam nói riêng

Không chỉ dừng lại ở đó, sự phát triển của tự động hóa còn đem lại nhiều tiện ích phục vụ đời sống hàng ngày cho con người Để phục vụ tốt hơn nữa đời sống con người trong thời điểm xã hội ngày càng hiện đại và phát triển hiện nay Thay thế dần con người làm việc ở những nơi nguy hiển, độc hại, hay những nơi con ngươi không thể tới được

Vấn đề đặt ra trước tiên khi xây dựng một hệ thống tự động hóa không còn là nên hay không nên, mà là lựa chọn hệ thống điều khiển, mạng truyền thông nào để điều khiển

và giám sát cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của thực tế Do đó em chọn đề tài

“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển từ xa qua sóng RF điều khiển động cơ DC” nhằm mục đích trên một giải tần số có thể điều khiển được nhiều động cơ một cách độc lập, với nhiều tốc độ cài đặt khác nhau và ổn định ở tốc độ cài đặt đó.Tốc độ cài đặt cập nhật từ mạch phát được hiển thị trên led 7 đoạn Mạch thu cập nhật tốc độ cài đặt được hiển thị trên LCD và tốc độ thực tếcủa động cơ được hiển thị trên led 7 đoạn

Khả năng ứng dụng của để tài nghiên cứu không chỉ dừng lại ở việc điều khiển một vài động cơ điện, mà trong tương lai có thể điều khiển các thiết bị chuyển động từ xa: Robot

tự hành mạng vác trong các nhà máy công nghiệp, các robot nạo vét cống rảnh cống ngầm, robot sửa chửa đường ống cấp thoát nước trong thành phố, các robot dò phá bom nìm ngư, điều khiển và giám sát các đèn tín hiệu giao thông từ xa, điều khiển tàu ngầm mini các thiết dưới nước ở các độ sâu mà con người không thể trực tiếp tới được, các thiết bị chửa cháy từ

xa, điều khiển các thiết ở nhửng môi trường hóa chất hoặc môi trường phóng xạ độc hại, điều khiển các thiết bị đóng cắt từ xa trong các trạm biến áp trong nhà máy điện…

2 Tổng quan về phương thức điều khiển

2.1 Tổng quan về sóng RF

Trong một phiên truyền thông, vì tận cùng bản chất của dữ liệu là bao gồm các bit 0

và 1, bên phát dữ liệu cần có một cách thức để gửi các bit 0 và 1 để gửi cho bên nhận Một tín hiệu xoay chiều hay một chiều tự nó sẽ không thực hiện tác vụ này Tuy nhiên, nếu một tín hiệu có thay đổi và dao động, dù chỉ một ít, sự thay đổi này sẽ giúp phân biệt bit 0 và bit 1 Lúc đó, dữ liệu cần truyền sẽ có thể gửi và nhận thành công dựa vào chính sự thay đổi của tín hiệu Dạng tín hiệu đã điều chế này còn được gọi là sóng mang (carrier signal)

Có ba thành phần của dạng sóng có thể thay đổi để tạo ra sóng mang, đó là biên độ, tần số

và pha Tất cả các dạng truyền thông dùng sóng vô tuyến đều dùng vài dạng điều chế để truyền dữ liệu Để mã hóa dữ liệu vào trong một tín hiệu gửi qua sóng AM/FM, điện thoại

di động, truyền hình vệ tinh, ta phải thực hiện một vài kiểu điều chế trong sóng vô tuyến đang truyền

2.1.1 Biên độ và bước sóng

Truyền thông vô tuyến bắt đầu khi các sóng vô tuyến được tạo ra từ một máy phát

và gửi đến máy nhận ở một vị trí khác Sóng vô tuyến tương tự như các cơn sóng mà bạn hay gặp ở biển, hồ, sông, suối Sóng có hai thành phần chính: biên độ và bước sóng

Biên độ là chiều cao, độ mạnh hoặc công suất của sóng

Bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm tương tự trên hai đỉnh sóng liên tiếp Biên độ và tần số cả hai đều là các thuộc tính của sóng

2.1.2 Bức xạ điện từ

Đầu tiên ta xét đến sóng điện từ Bức xạ điện từ bao gồm sóng radio, vi ba, hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, tia cực tím, tia X, và tia gamma Tất cả chúng đều truyền đi với vận tốc ánh sáng là c = 3x108 m/s và tạo ra phổ điện từ Sự khác nhau giữa các loại sóng điện từ này phụ thuộc vào bước sóng của mỗi thứ và chính cái gọi là bước sóng này liên quan trực tiếp đến năng lượng của sóng (bước sóng càng nhỏ thì năng lượng càng cao)

Hình 1 Dạng sóng điện từ

2.1.3 Pha

Pha là một thuật ngữ mang tính tương đối Nó chỉ ra mối quan hệ giữa hai sóng có cùng tần số Để xác định pha, bước sóng được chia thành 360 phần, được gọi là độ

2.2 Các phương thức điều chế

Để dữ liệu có thể được truyền, tín hiệu phải được xử lý sao cho bên máy nhận có cách để phân biệt bit 0 và 1 Phương pháp xử lý tín hiệu sao cho nó tượng trưng cho nhiều mẫu dữ liệu được gọi là điều chế Phương thức này sẽ biến tín hiệu vào trong sóng mang Phương thức này mã hóa dữ liệu sao cho nó có thể truyền

Có ba kiểu điều chế: điều biên, điều tần và điều pha

3 Mã hóa bit

Mã hóa bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (1- 0) sang một tín hiệu thích hợp để có thể truyền dẫn trong môi trường vật lý Việc chuyển đổi này chính là sử dụng một tham số thông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải Các tham số thông tin có thể được chứa đựng trong biên độ, tần số, pha hoặc sườn xung, v.v Sự thích hợp ở đây phải được đánh giá dựa theo các yêu cầu kỹ thuật như khả năng chống nhiểu cũng như gây nhiểu, khả năng đồng bộ hóa và triệt tiêu dòng một chiều

3.1 Các phương pháp mã hóa tín hiệu

Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơn giản

là gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một giá trị khác cho mức logic còn lại Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một số tính chất sau.(Phổ tần của tín hiệu, sự đồng bộ, khả năng dò sai, tính miễn nhiễu và giao thoa, mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống)

3.2 Các dạng mã phổ biến

Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục đích khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất nói trên hình 2

4 Giới thiệu về mã Manchester

Mã hóa Manchester là một phương pháp mã hóa các bit dữ liệu sử dụng trong việc

Hình 2: một số dạng mã thông dụng

truyền các tín hiệu dạng số Đây là phương pháp mã hóa các bit dữ liệu 1,0 thành các chuổi tín hiệu có mức tín hiệu thay đổi liên tục dù dãy bit dữ liệu là 1 hoặc 0 liên tiếp Do đó, ưu điểm của mã hóa Manchester là dễ dàng tạo sự tự đồng bộ giữa bên phát và bên nhận

Trong lĩnh vực truyền thông điều khiển sử dụng vi điều khiển, mã Manchester dễ thực hiện để lập trình cùng với khả năng phát hiện lỗi khi phát hiện có vi phạm mã

Đây là phương pháp sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến, hữu tuyến, Ethernet,…

5 Mạch phát RF

Thường dùng là loại module phát OOK(On/Off keyring) và ASK(Điều biên) để chuyển các tín hiệu dạng số1-0 thành trạng thái có hoặc không có tín hiệu ở phần mạch thu

6 Mạch thu RF

Sử dụng để thu lại các tín hiệu từ mạch phát, biến các trạng thái phát hay không phát thành dạng số 1 hoặc 0

Nguyên tắc khi mạch thu rảnh không nhận dữ liệu từ mạch phát thì mạch vẫn có thể thu các tín hiệu nhiễu môi trường làm cho output của nó có những tín hiệu 1, 0 không xác định Hoặc trong quá trình phát có 1 chuỗi dài bit 1 hoặc 0 liên tục

7 Ứng dụng trên PIC

Trong mạch phát sử dụng vi điều PIC 16F877A, modul phát RF BXR315A, 4 Led

7 đoạn hiển thị địa chỉ của mạch thu và tốc độ cài đặt cho động cơ ở mạch thu và các linh khiện điện tử phụ trợ Led 7 đoạn ở vị trí hàng ngàn hiện thị địa chỉ của mạch thu 3 led 7 đoạn còn lại hiển thị tốc độ cài đặt cho động cơ Động cơ sử dụng trong mô hình là động

Hình 4

Đ? ÁN T? T NGHI? P

SO Ð? NGUYÊN LÝ M? CH ÐI? U KHI? N PHÁT RF GVHD NGUY? N HOÀNG MAI

TL : 22/04/2010 Ð? I H? C ÐÀ N? NG TRU ? NG Ð? I H? C BÁCH KHOA KHOA ÐI? N - L? P 08DTDLT TR? N V I? T PH UONG

1

3

8

10

11

14

15

19

40

36

32

28

26

22

VCC

SW1RESET RA0

RA1

RE0

VCC GND

OSC2

RC0

RD0

C100

33PF C101 33PF GND DATA VCC

DXT4MHZ

RB7

RB3

VCC GND RD7

RC7

RD3

VCC

120KO

120KO 10KO

10KO 10KO 10KO 10KO 10KO 10KO

R12 R11 R10 R9 R8 R7

A1015 J1 A1015 J2 A1015 J3 A1015 J4

7

10KO

VCC

MCRL*/Vpp RA0/NA0 RA2/NA2/VREF-/CVREF

RA1/AN1 RA3/AN3/VREF+

RA4/TOCKI/C1OUT

RE0/RD*/AN5

Vdd

OSC1/CLK

OSC2/CLKO

RC0/T1OSO/T1CKI RC2/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL

RD0/PSP0 RA5/AN4/SS*/C2OUT

RB7/PGD

RB5

RB3PGM RB2

Vdd

RD7/PSP7

RC7/RX/DT

RC5/SDO RC4/SDI/SDA RD3/PSP3 RB0/INT

LM7805

VCC

GND 6VAC

DIODE

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý mạch phát tín hiệu điều khiển

cơ một chiều của Hitachi Địa chị và tốc độ cài đặt được nhập từ bàn phím Ở mô hình có

ba địa chỉ mạch thu là 1, 2, 3, địa 0 dùng cài đặt cùng lúc cho ba địa chi Tín hiệu phát truyền đi là tín hiệu 8 bit

Trong mạch thu sử dụng 2 vi điều PIC 16F877A, modul thu RF 9921A, 4 Led 7 đoạn hiển thị tốc độ thực của động cơ, LCD 16X2 hiển thị địa chỉ mạch thu và tốc độ cài cho động cơ mà động cơ cần ổn định tại tốc độ cài đặt Mạch sử dụng L298N là một driver chip tích hợp sẵn hai mạch cầu H bên trong với chuẩn điều khiển TTL không có diode nội bảo vệ Mosfet Chịu tải tối đa trên mỗi cầu là 2A, điện áp 40VDC Logic “0” ở ngõ vào lên tới 1.5V (khả năng khử nhiễu cao) Sử dụng dạng đóng gói Multiwatt15 Các thông số cần thiết khác của L298N có thể được tìm thấy tại trang web của hãng STMicroelectronics [STElectro] Khi mạch thu nhận được tín hiệu điều khiển (8 bit đầu) tín hiệu nhận vào được Pic chủ (Maxter) giải mã khi đúng địa chỉ thì cho phép nhận các bít tiếp theo 3x8bit

là tốc độ cài đặt cho động cơ khi nhận đủ thì truyền dử liệu theo chuẩn RS232(hai chân

TX, RX) này cho Pic tớ (Slaver) điều khiển động cơ Pic tớ có nhiệm vụ đọc tín hiệu Encoder nhận biết tốc độ thực của động cơ và điều chế độ rộng xung (PWM) cho phù hợp

để ổn định tốc độ động đúng tốc độ cài đặt

8 Kết luận

Đề tài đã đưa ra các mô hình ứng dụng cụ thể, có thể điều khiển và ổn định tốc độ động cơ một chiều theo hàm kín (PID) Tín hiệu phản hồi là số vòng quay của động cơ Tín hiệu truyền nhận khá ổn định và chính xác

Mạch phát tín hiệu đã làm việc ổn định đảm bảo việc phát tín hiệu điều khiển đi chính xác và ổn định, bao gồm việc nhập địa chỉ cài đặt, tốc độ cài đặt, chống được nhiểu đầu vào chỉ phát tín hiệu khi được lệnh phát

Mạch nhận tín hiệu tín hiệu nhận được khá chính xác và ổn định chỉ nhận tín hiệu

dử liệu của mạch phát không bị nhiểu ngoài tác động tín hiệu nhận được được hiển thị lên LCD 16X2 và truyền cho Pic tớ chính xác Pic tớ điều khiển tốc độ động khá chính xác tốc

độ thực của động luôn xoay quanh giá trị cài đặt sai số thấp, Nhược điểm thời gian quá độ của động cơ còn dài chưa đáp ứng một cách thời

Đ? ÁN T? T NGHI? P

SO Ð? NGUYÊN LÝ M? CH ÐI? U KHI? N THU RF GVHD GVD SVTH NGUY? N HOÀNG MAI

TL : 22/04/2010 Ð? I H? C ÐÀ N? NG TRU ? NG Ð? I H? C BÁCH KHOA TR? N VI? T PHUONG

1

3

8

11

14

15

19

40

36

32

28

24

VCC

SW1RESET

RA0

RA1

RE0

VCC

GND

OSC2

RC0

RD0

C100

33PF

C101

33PF

GND

VCC

DXT 4MHZ

RB7

R5 RB4

VCC GND RD7

RC7

RC5

33 RB0

VCC

LM7805

VCC

GND 6VAC

120KO

120KO

DIODE

1

3

8 11

14

15

40

36

32

28

26 24

VCC

SW1RESET RA0

RA1

RE0

VCC GND

OSC2

RC0

C100 33PF C101 33PF 4MHZ RB7

R5 RB4

VCC GND RD7

RC7 RC5

33 RB0

VCC

VCC

1KO

LCD HI? N TH? T? C Đ? CÀI Đ? T

VCC

VCC

GND

10KO VCC

20 RD1

5

1

9

2

C

C

GND

CCP2

VCC

VCC 30VDC

1A1

1E

1EN

VCC1

1Y1

GND

VCC 30VDC

MDC D101 D102

ENCODER

MCRL*/Vpp

RA0/NA0

RA2/NA2/VREF-/CVREF

RA1/AN1

RA3/AN3/VREF+

RA4/TOCKI/C1OUT

RE0/RD*/AN5

RE1/WR*/AN6

RE2/CS*/AN7

Vdd

OSC1/CLK

OSC2/CLKO

RC0/T1OSO/T1CKI

RC2/T1OSI/CCP2

RC2/CCP1

RC3/SCK/SCL

RD0/PSP0

RA5/AN4/SS*/C2OUT

RB7/PGD

RB5

RB3PGM

RB2

Vdd

RD7/PSP7

RC7/RX/DT

RC5/SDO

RC4/SDI/SDA

RD3/PSP3

RB0/INT

120KO

MCRL*/Vpp RA0/NA0 RA2/NA2/VREF-/CVREF

RA1/AN1 RA3/AN3/VREF+

RA4/TOCKI/C1OUT

RE0/RD*/AN5 RE1/WR*/AN6 RE2/CS*/AN7

Vdd

OSC1/CLK

OSC2/CLKO

RC0/T1OSO/T1CKI RC2/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL

RD0/PSP0 RA5/AN4/SS*/C2OUT

RB7/PGD

RB5

RB3PGM RB2

Vdd

RD7/PSP7

RC7/RX/DT RC5/SDO RC4/SDI/SDA RD3/PSP3 RB0/INT

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý mạch phát tín hiệu điều khiển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Manchester Data Encoding for Radio Communications

[2] Back to the future Manchester encoding

[3] Using the XGATE for Manchester

[4] Michael Duck, Peter Bishop, Richard Read Data communication, addison –wesley [5] Hoàng minh sơn Mạng truyền thông công nghiệp.Hoàng Minh Sơn, Nhà suất bản khoa học và kỹ thuật, suất bản năm 2001

[6] Giáo trình đo lường và điều khiển xa dùng cho sinh viên nghành kĩ thuật: Khoa điện –

Bộ môn tự động hóa Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 08-2009

[7] Đỗ Trung Tá Công nghệ ATM - giải pháp cho mạng viễn thông băng rộng 1998