Đồ án thiết kế hệ thống báo và hiển thị số kilomet còn lại của xe đạp điện

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG TRONG XE ĐẠP ĐIỆN1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của xe đạp điện 1.1.1 Lịch sử hình thành Trong thập niên 1890, xe đạp điện đã được ghi chép trong các bằn

KHOA CƠ KHÍ Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Bộ môn Cơ điện tử Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIÊT KẾ HỆ THỐNG ĐO CƠ

ĐIỆN TỬ

Đề tài: Thiết kế một hệ thống đo lường để đo và hiển thị số kilomet đi được còn lại

của pin xe đạp điện

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG TRONG XE ĐẠP ĐIỆN 4

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của xe đạp điện 4

1.1.1 Lịch sử hình thành 4

1.1.2 Sự phát triển của xe đạp điện 4

1.2 Tổng quan về xe đạp điện 5

1.2.1 Xe đạp điện và lợi ích xã hội 5

1.2.2 Một số hãng xe đạp điện hiện đang có mặt tại thị trường việt nam 6

1.2.3 Xe đạp điện Yamaha ICATS H3 6

1.2.4 Cấu tạo các hệ thống của xe đạp điện 9

Chương 2 PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN 13

2.1 Phần tử điều khiển dùng PLC 13

2.1.1 Giới thiệu chung về PLC 13

2.1.2 Ưu nhược điểm của PLC 16

2.1.3 Phạm vi ứng dụng 16

2.2 Phần tử điều khiển dùng vi điều khiển 17

2.2.1 Một số họ vi điều khiển thông dụng 17

2.2.2 Bộ vi điều khiển dùng 8051 20

2.2.2 Bộ vi điều khiển dùng PIC 23

2.2.3 Bộ vi điều khiển AVR 32

2.2.3.1 Giới thiệu chung 32

2.3 Phần tử điều khiển dùng vi xử lý 34

2.3.1 Các thế hệ vi xử lý 34

2.3.2 Phân loại và ứng dụng 35

2.4 Kết luận 35

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐO 37

3.1 Yêu cầu thiết kế 37

3.2 Tính toán thiết kế 37

3.3 Sơ đồ khối thiết kế 38

3.3.1 Khối nguồn 38

3.3.2 Khối xử lý dùng PIC16F887 39

3.3.3 Khối cảm biến dùng encorder 39

3.3.4 Khối hiển thị dùng LCD 39

3.4 Sơ đồ mạch mô phỏng 45

3.5 Code điều khiển 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay , khoa học kỹ thuật luôn không ngừng phát triển và đổi mới

Từng ngày ,từng giờ tác động trực tiếp tới đời sống con người Các hệ thốngđiện tử đã tham gia vào công nghiệp làm tăng năng suất lao động , giảm bớt sức laođộng của con người Có thể nói điện tử là ngành mũi nhọn có những bước tiến vượtbậc về công nghệ cũng như những ứng dụng trong cuộc sống

Trong lĩnh vực sản xuất cũng như trong đời sống hàng ngày Việc đo lường cácđại lượng vật lý đóng một vai trò quan trọng vì từ đó người sử dụng có thể biết đượccác thông số mình đang làm việc từ đó khống chế và điều khiển cho chúng phù hợpvới mục đích của mình

Hiện là sinh viên năm thứ 4 trường đại học kỹ thuật công nghiệp , chúng em đã

có cái nhìn sâu hơn, tổng quát hơn về ngành mình đã lựa chọn đã có thể thiết kế nhữngsản phẩm cụ thể có ứng dụng thực tế hơn để sau này ra trường em có thể ứng dụngnhiều vào thực tế

Với mục đích tìm hiểu và thiết kế một hệ thống đo lường , chúng em đã lựa chọn

đề tài : Thiết kế một hệ thống đo lường để đo và hiển thị số kilomet đi được còn lại củapin xe đạp điện

Mặc dù được sự chỉ dẫn tận tình của giảng viên hướng dẫn , chúng em đã rất cốgắng nhưng khối lượng kiến thúc và thời gian có hạn , sẽ không tránh khỏi nhữngthiếu sót mong thầy cô thông cảm Chúng em mong được đón nhận những ý kiến từcác thầy cô và các bạn để có thể tiếp tục mở rộng hướng nghiên cứu cho đề tài củamình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG TRONG XE ĐẠP ĐIỆN

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của xe đạp điện

1.1.1 Lịch sử hình thành

Trong thập niên 1890, xe đạp điện đã được ghi chép trong các bằng sáng chế khácnhau ở Mỹ, ví dụ, vào ngày 31 tháng 12 năm 1895, Ogden Bolton Jr đã được cấp bằngsáng chế Hoa Kỳ 552.271 cho một chiếc xe đạp chạy bằng pin với "6 cực bàn chải vàchuyển mạch trực tiếp (DC) động cơ trung tâm gắn kết trong các bánh xe phía sau."Không có bánh răng và động cơ có thể kéo lên đến 100 ampe (A) từ một pin 10-volt Hai năm sau đó,vào năm 1897, Ô-sê W Libbey của Boston phát minh ra mộtchiếc xe điện (US Patent 596.272), nó được chạy bởi 1 " động cơ tăng điện gấp đôi",động cơ này được thiết kế bên trong trung tâm trục của bánh xe Sau đó, vào nhữngnăm cuối 1990 Giant Lafree đã tái phát minh và cải tiến nó thành những chiếc xe đạpđiện Giant đẹp và thời trang như hiện nay

Đến năm 1898, Mathew J Steffens đã được cấp bằng sáng chế cho chiếc xe đạpđiện cải tiến của ông với thiết kế bánh sau xe đạp sử dụng một vành đai lái xe dọc theocạnh bên ngoài của bánh xe Sau đó, vào năm 1899, John Schnepf đã được trao bằngsáng chế với thiết kế bánh xe phía sau ma sát theo style xe đạp điện như hiện nay, sángchế của Schnepf sau đó đã được kiểm nghiệm lại và phát triển bởi G.A Wood Jr,những thiết bị của ông đã sử dụng động cơ 4 mã lực phân đoạn, kết nối thông qua 1loạt các bánh răng

1.1.2 Sự phát triển của xe đạp điện

Ước lượng từ năm 1993-2004, sản xuất xe đạp điện tăng trưởng khoảng 35%.Tuy nhiên, theo Gardner năm 1995 sản xuất xe đạp thường xuyên giảm so với mứcđỉnh 107 triệu đơn vị Nhìn chung đã có sự gia tăng về phạm vi và tốc độ tăng trưởngloại xe này

Vào năm 2001, các thuật ngữ như xe đạp năng lượng, "pedelec", xe đạp chân hỗtrợ, và xe đạp trợ lực đã được thường được sử dụng để đề cập đến xe đạp điện Cácloại xe máy điện đã tham khảo nhiều mô hình của xe đạp điện, cải tiến về tốc độ vớivận tốc có thể đạt tới 80 km/h (50 mph)

Trước đó, một số xe đạp điện sử dụng các loại pin axit chì cồng kềnh và đắt tiền,Tuy nhiên sau đó mô hình mới hơn thường được sử dụng NiMH, NiCd và / hoặc pinLi-ion cung cấp nhẹ hơn, pin dung lượng dày đặc hơn.Nhờ ứng dụng công nghệ tiêntiến giúp tăng dung lượng pin nên những chiếc xe điện đời mới có thể vượt qua hànhtrình dài gần trăm cây số chỉ với một lần sạc

Đến trước năm 2007, xe đạp điện được cho là chiếm từ 10% đến 20% tất cả các

xe hai bánh trên các đường phố của nhiều thành phố lớn Từ những phát minh và sángchế ban đầu, chiếc xe điện ngày nay đã được cải tiến rất nhiều về mẫu mã, tính năng

và công dụng của nó, đa dạng và phù hợp với mọi lứa tuổi

1.2Tổng quan về xe đạp điện

1.2.1 Xe đạp điện và lợi ích xã hội

Đã một thời xe đạp hầu như có mặt trên khắp các nẻo đường Bởi vì lúc đóphương tiện, nhiên liệu còn quá khó khăn và xe đạp chính là phương tiện chính để đilại lúc bấy giờ, nên thời điểm đó, nhà sản xuất và người tiêu dùng ít quan tâm đến kiểudáng, tính năng và một số yếu tố kỹ thuật khác Còn giờ đây khi xe máy trở thànhphương tiện phổ thông, thì người tiêu dùng lại sử dụng xe đạp, xe đạp điện với kiểudáng, tính năng kỹ thuật vừa mới lạ, lại vừa không thua kém xe máy về yêu cầu sửdụng Đặc biệt trong tình hình tai nạn giao thông gia tăng và yêu cầu bảo vệ môitrường như hiện nay thì mặt hàng xe đạp, xe đạp điện bắt đầu phát triển Bởi vì nhữngmặt lợi ích mà khách hàng có được khi sử dụng xe đạp điện là: Mỗi lít xăng (giákhoảng 20.000 đồng) khách hàng chỉ đi được chừng 40 đến 50km khi sử dụng cho xemáy, nhưng với xe đạp điện khách hàng chỉ cần 1 lần nạp điện (khoảng 1Kwh điện,giá 1.000 đồng) sẽ sử dụng liên tục được 60km với tốc độ tối đa 35km/giờ Nếu sửdụng bình quân 1 lít xăng/ngày thì 1 năm khách hàng tiết kiệm được gần 4.000.000đồng

+ Sử dụng xe đạp điện là bảo vệ môi trường Lượng khí thải quá lớn từ phươngtiện chạy xăng đang làm cho các thành phố trở nên ô nhiễm vì vậy việc sử dụng

xe đạp điện sẽ góp phần bảo vệ khí quyển

+ Về phương diện kĩ thuật, động cơ xe điện ưu việt hơn xe xăng rất nhiều: Hiệusuất động cơ xăng khoảng 30%, xe điện lên tới 90% Bên cạnh đó độ bền động

cơ điện cao hơn, ít rung, ít hư hỏng trong quá trình sử dụng

+Xe điện hợp thời trang: Khác hẳn với xe máy, xe điện đang trở nên rất hợpthời trang so với xe máy, bởi thiết kế khá đơn giản nên việc thiết kế trang trí rất

ấn tượng hơn xe động cơ xăng

+ Vận hành êm, không sử dụng xăng dầu, không gây ô nhiễm môi trường.+ Không bắt buộc phải đăng ký xe, không bắt buộc đội nón bảo hiểm (tuy nhiênkhuyến cáo các bạn hãy đội mũ bảo hiểm vì sự an toàn của chính mình), khôngcần bằng lái xe

+ Giá nhiên liệu ngày một tăng, môi trường ô nhiễm, sử dụng xe đạp điện làmột điều tốt Theo tính toán, chi phí sạc điện để sử dụng cho xe đạp điện trongmột ngày chỉ mất khoảng hơn 2.000 đồng, trong khi đó dùng xe gắn máy trungbình phải mất 8.000 đồng/ngày Được biết, một bình điện của xe đạp điện nếusạc đầy từ 4-8 giờ sẽ đi được từ 35km-80 km, giá một chiếc bình ắc quy daođộng từ 450.000-800.000 đồng, thì cũng không quá đắt cho người sử dụng.Cùng với những lợi ích xã hội khác, bảo đảm an toàn giao thông, phù hợp vớimức thu nhập, xu hướng chuyển sang dùng xe đạp điện là rất phù hợp với ngườitiêu dùng Việt Nam

+ Vừa có thể chạy bằng điện, vừa có thể sử dụng bàn đạp như xe đạp thôngthường Kích thước và trọng lượng xe khá gọn nhẹ, khoảng 28-35 kg Tốc độtối đa vào khoảng 20-30 km/h và mỗi lần nạp điện có thể chạy khoảng 40-60km

Một số tiện ích của xe đạp điện Trung Quốc như đèn pha, có công tơ mét hiển thịtốc độ và báo điện ắc quy, bình ắc quy đƣợc che kín nên khó vô nước , các tính năngnày hiện một số nhà sản xuất xe trong nước cũng đã khắc phục, làm được, nhưng giákhông đắt như xe nhập Sử dụng xe đạp điện sản xuất trong nước người tiêu dùng sẽđược thụ hưởng chế độ bảo hành hậu mãi chu đáo.

1.2.2 Một số hãng xe đạp điện hiện đang có mặt tại thị trường việt nam

Xe Trung Quốc sản xuất: có các thương hiệu sản xuất từ các nhà máy trung ương

và địa phương như: Jili, Asama, robo…

Xe Nhật Bản: đa phần là hàng đã qua sử dụng, tuy nhiên mẫu mã không bắt mắtbằng hàng Trung Quốc sản xuất nhưng được nhiều người dùng ưa thích vì chuộnghàng Nhật, giá vừa phải

Các nước khác chủ yếu là Đài loan với sản phẩm: Yamaha, Bridgestone

Trong nước sản xuất với các thương hiệu: Delta, Lieha

Hàng trong nước thường đơn điệu về mẫu mã, mầu sắc, tuy có giá rẻ hơn củanước ngoài song vẫn không hấp dẫn người tiêu dùng Để chọn được 1 chiếc xe đạpđiện phù hợp với khả năng tài chính và sở thích của mỗi người cũng tươngđối dễ dàng Tuy nhiên để sử dụng được hiệu quả và thuận tiện lại là nhữngvấn đề người tiêu dùng quan tâm

Ngoài kiểu dáng, mầu sắc ưa thích, khi mua bạn nên chú ý đến các thông số kỹthuật:

+ Công suất động cơ: tính bằng Watt (250W, 350W )

+ Xe sử dụng mấy bình điện (ácquy): 3 hoặc 4 bình

+ Điện áp và dòng điện của mỗi bình: 12V 12Ah

Nếu thông số này có giá trị càng lớn, có nghĩa là chiếc xe đó có tính năng kỹthuật cao

Ngoài ra, lưu ý thêm về thông số dung lượng của bình ác quy: Đi được baonhiêu km khi sạc đầy bình và thời gian sạc là bao lâu Tùy theo nhà sản xuất , có loạiphải sạc khi chưa hết bình, có xe phải sử dụng hết bình rồi mới sạc mới đảm bảo tuổithọ của bình Vị trí đặt bình điện, bộ điều tốc và động cơ cũng rất quan trọng: ở vịtrí khô ráo trên xe, động cơ, bộ điều tốc và bình điện có tuổi thọ cao và ngược lại Trong đề tài này ta chọn xe đạp điện ICATS H3 của hãng Yamaha

1.2.3 Xe đạp điện Yamaha ICATS H3

1.2.3.1 Ưu điểm

- Giá thành rẻ hơn so với các hãng xe khác

- Yamaha Icats H3 với yên xe khá thấp, nên phù hợp với những người có chiềucao khiêm tốn, cùng với chỗ để chân vừa tầm, tạo sự thoải mái cho người đi hơn.

- Thiết kế bánh khá chắc chắn, với những khớp đũa xe rất chắc chắn, nhưng cũng

dễ dàng thay thế trong các trường hợp hỏng hóc

- Bàn đạp trợ lực của xe khá tiện dụng mỗi khi xe bị hết điện, không phải dắt bộnhư những loại xe không có bàn đạp trợ lực

- Xe chạy bằng ác quy nên có tốc độ cao

- Khả năng phóng điện tốt nhất, mạnh hơn rất nhiều so với các loại pin, vì thếgiúp cho xe có được động cơ mạnh mẽ hơn, do đó, xe có thể có được tốc độ cao hơnrất nhiều so với các dòng xe chạy pin

- Dể thay thế khi hỏng hóc

1.2.3.2 Nhược điểm

- Chính vì phải dùng lượng nhiều lõi ắc quy để cho 1 chiếc xe đạp điện, chính vìthế, khối lượng của một chiếc xe đạp điện chạy ắc quy thường có khối lượng trên 50

kg, thậm chí lên đến 80kg, do đó, rất khó nhọc cho người đi khi dắt hoặc di chuyển

- Thời gian sạc đầy điện thường kéo dài hơn so với những chiếc điện chạy pinvới khoảng 8-10 giờ sạc đầy

- Nhanh bị hỏng hơn, do đó, cứ khoảng sau 1 năm sử dụng, người dùng lại phảithay ắc quy mới cho xe, nên khá tốn kém Ngoài ra, việc đi dưới trời mưa sẽ làm ắcquy bị ẩm, do đó, nhanh hỏng và công suất phóng điện không đạt được như ban đầu

- So sánh với những chiếc xe đạp chạy pin thì quãng đường mà những chiếc xechạy ắc quy thấp hơn rất nhiều, với quãng đường tối đa chạy được khi sạc đầy pin làkhoảng 30 - 40 km, do đó, rất dễ dẫn đến tình trạng đang đi thì xe bị hết điện nênngười dùng phải dắt

1.2.3.3 Thông số của Xe đạp điện Yamaha ICATS H3

Hình 1.1: Xe đạp điện Yamaha ICATS H3 Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của xe Yamaha ICATS H3

 Nguồn động lực và truyền động

 Phần điều khiển

1.2.4.1 Phần nguồn nạp pin và pin

Hiện tại các xe đạp điện sử dụng phổ biến là nguồn pin ác qui ngoài ra do côngnghệ tiên tiến hơn người ta đã áp dụng loại pin lithium có những đặc điểm tốt và tiệnlợi hơn nhiều so với pin ắc qui như: được cấu tạo chủ yếu từ axit và chì , một xe đạpđiện cần trung bình 4-6 bình ắc qui để hoạt động , với từng đó chiếc ắc qui làm cho xeđạp điện trở nên khac nặng và cồng kềnh , bên cạnh đó việc tháo lắp các bình này cũngkhá khó khăn trong khi đó những chiếc bình này cỉ đi được quãng đường 20km-30km một nhược điểm lớn đó là khi các bình này hỏng gây ảnh hưởng lớn tới môi trường vàcon người

Ta vẫn xét nguồn ắc qui tại vì nó vẫn được sử dụng phổ biến hơn

Phần mạch nạp điện ac qui :

Hình 1.2: Mạch nạp điện cho xe đạp điện

Mạch nạp ác quy gồm có những thành phần như hình , sử dụng công nghệswitching sử dụng xung điều khiển (PWM) thường biến đổi nguồn xoay chiều thànhmột chiều chuyển vào motor Thường có 3 phương thức nạp điện, lúc đầu cho nạpbằng nguồn dòng hằng (thường chọn dòng hằng khoảng 3A), sau đó chuyển qua nạpbằng nguồn áp hằng (cho ra mức áp khoảng 39V) và sau cùng là giữ cho nạp theo chế

độ duy trì (nạp bù với dòng khoảng 100mA)

1.2.4.2 Nguồn động lực và truyền động

Nguồn động lực để xe đạp điện chuyển động đó là nguồn motor Có hai loạimotor được dùng : ban đầu người ta sử dụng motor DC chạy bằng chổi than ,nhưng doloại này nhanh hỏng do mòn chổi than hay khuyết vành đồng Loại hai có ưu điểmhơn đó là motor cảm ứng 3 pha dùng linh kiện bán dẫn hiệu ứng Hall Trong đồ ánnày em xét tới loại motor cảm ứng 3 pha

Truyền động : khi nghiên cứu chế tạo xe đạp điện ban đầu motor được lắp ở vị tríbàn đạp nhưng do tốc độ xe và tải lớn nên xích nhanh hỏng người ta chuyển nó về vịtrí bánh sau khả năng tải tốt hơn hẳn trên xe đạp điện có phẩn điều chỉnh tốc độ hộptăng tốc độ quay gồm có 3 bánh xe răng, các bánh xe này có thể có vành răng bằngnhựa nó giúp điều chỉnh tốc đọ cho xe

1.2.4.3 Phần điều khiển

Có hai loại riêng biệt của bộ điều khiển được thiết kế để phù hợp với một tronghai động cơ chải hoặc động cơ không chổi than Động cơ không chổi than đang trởnên phổ biến hơn khi chi phí của bộ điều khiển tiếp tục giảm ( Xem trang trên động

cơ DC trong đó bao gồm sự khác biệt giữa hai loại )

Bộ điều khiển cho động cơ không chổi than : E- xe đạp yêu cầu mô-men xoắn banđầu cao và do đó mô hình sử dụng động cơ không chổi than thường có hội trường cảmbiến chuyển mạch để đo tốc độ Một bộ điều khiển điện tử cung cấp hỗ trợ như mộtchức năng của các đầu vào cảm biến , tốc độ xe và lực lượng cần thiết Các bộ điềukhiển thường cung cấp chiết điều chỉnh tốc độ động cơ , kiểm soát tốc độ vòng kín chođiều chỉnh tốc độ chính xác , logic bảo vệ quá áp , quá dòng và bảo vệ nhiệt Bộ điềukhiển sử dụng điều chế độ rộng xung để điều chỉnh sức mạnh cho động cơ Đôi khi hỗtrợ được cung cấp cho hệ thống phanh tái tạo nhưng phanh không thường xuyên vàtrọng lượng thấp của xe đạp giới hạn thu hồi năng lượng An thực hiện được mô tảtrong một ứng dụng ghi chú cho 200 W , 24 V DC không chổi than ( BLDC ) động

cơ Bộ điều khiển cho động cơ chải : động cơ chải cũng được sử dụng trong xeđạp điện nhưng đang trở nên ít phổ biến hơn do hiệu quả thấp hơn thực chất của chúng Bộ điều khiển cho động cơ chải tuy nhiên là đơn giản hơn nhiều và rẻ hơn do thực tế

họ không yêu cầu thông tin phản hồi cảm biến hội trường và thường được thiết kế đểđiều khiển vòng hở

1.2.4.4 Phần đo và hiển thị

+ Khối hiển thị :

Có khá nhiều cách để hiện thị như : dùng LCD , led 7 thanh …Để đơn giản hóagiảm giá thành chúng em chọn hiển thị bằng LED 7 thanh Về cấu tạo của led 7 thanhkhá đơn giản , nó gồm có 8 led đơn 7 led hình dạng thanh và 1 led hình tròn phía dướibên phải của led các cực anot (cực +) hoặc catot(cực -) được nối chung với nhau cáccực còn lại của led sẽ được nối tới các chân riêng để điều khiển

+ Khối cảm biến :

Cảm biến đo vận tốc có khá nhiều lựa chọn: encorder , cảm biến hall , tốc kếquang , tốc kế điện từ … nhưng phổ biến nhất vẫn là encorder

Ta chọn encorder là cảm biến trong mạch

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trênđĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗkhông có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽchiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Vớicác tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led cóchiếu qua lỗ hay không Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bịcắt

Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuôngnày được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vàotốc độ quay của tấm tròn đó Đối với encoder mình đang dùng thì nó có 2 tín hiệu ralệch pha nhau 90 Hai tín hiệu này có thể xác định được chiều quay của động cơ

Chú ý : Nguồn cấp cho encorder là nguồn 5v

Chương 2 PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Phần tử điều khiển dùng PLC

2.1.1 Giới thiệu chung về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình

được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông quamột ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tựcác sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác độngvào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện đượcđếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế PLC hoạt động theophương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vàothì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay StateLogic

Hình 2.1 Sơ đồ khối của PLC

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Processing Unit):CPU dùng để xử lý, thựchiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng của PLC Mỗi PLC thường có

từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm

CPU thường được chia làm hai loại: đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từngữ”:

- Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, chỉđơn thuần xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản, thời gian xử lý dài

- Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, văn bản,phép toán, đo lường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơnnhiều tuy nhiên thời gian xử lý được cải thiện nhanh hơn

Bộ nhớ:

Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông tin cần

xử lý trong chương trình của PLC

Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với cácchức năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắmthẻ nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trên module CPU.

Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện

Khối vào/ra: Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp5/15VDC) với mạch công suất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC) Khối ngõ vàothực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêu chuẩn để đưa vào

bộ xử lý Khối ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệungõ ra và cách ly quang

Bộ nguồn: Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của

ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiểnbằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng,các môi Modul mở rộng

- Giá cả cá thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và cácLogic thời gian.Tuy nhiên,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính

dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đãgây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnhnhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch

… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tínhdẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I / O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điềukhiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xácđịnh bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC

sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổihay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên

trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện mộtcách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nốihay Relay.

Cấu trúc:

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bêntrong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM) Một bộ vi xử lý có cổnggiao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC Các Modul vào /ra

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trìnhbằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM đểchứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình là đơn

vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đãđược kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với cácPLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm trachương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, …

Nguyên lý hoạt động:

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trongchương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới cácthiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vàochương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tínhiệu song song:

- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau

- Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

- Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểukhiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thôngqua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phéptruyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyểntất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuấthiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus.Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động củaPLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gianhạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bêncạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ Xung này quyếtđịnh tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệthống

Bộ nhớ:

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: Làm bộ định thời cho cáckênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời,đếm, ghi các Relay

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trítrong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉcủa từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý Bộ vi

xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địachỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi làquá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này cókhả năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớnhư RAM, EPROM đều được sử dụng

- RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa

bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điệnnuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô,

có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vàinăm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình.Khuynh hướng hiện nay dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp vàtuổi thọ lớn

- EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ màngười sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vàođược Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵntrong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người

sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bêntrong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM

- EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liênkết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dungcủa nó có thể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là

có giới hạn

- Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trongmáy lập trình Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường đượcdùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào củaPLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC) Hầu hếtcác PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc100/240VAC Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của cáckênh I / O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm trahoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản hơn.

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việcđóng hay ngắt mạch ở đầu ra

2.1.2 Ưu nhược điểm của PLC

Các điều kiện đưa ra để chế tạo PLC chính l các đặc điểm mang tính ưu việt củaPLC so với các bộ điều khiển truyền thống, trong đó ưu điểm lớn nhất là khả năngthích ứng với các chương trình điều khiển khác nhau của PLC Trong PLC khi thay đổichương trình điều khiển, do dùng các vi mạch để xử l thông tin cho nên các ghép nốicần thiết trong quá trình lập chương trình điều khiển không phải l các ghép nối cơ học

mà là các ghép nối logic được người lập trình tạo ra bằng phần mềm ( ftware) và đượccài đặt với bộ nhớ

PLC có tốc độ xử lý cao , thường xử là một lệnh trong khoảng thời gian 0,64 còn

là thiết bị tiêu tốn ít năng lượng so với các bộ điều khiển truyền thống Nó nhỏ, gọn,trọng lượng nhẹ, dễ dàng lắp đặt trong các tủ điều khiển, dễ dàng ghép nối với cácthiết bị khác của hệ thống

Sử dụng PLC trong điều khiển tự động chúng ta dễ dàng thiết lập được sự tra đổithông tin với các PLC khác thông qua các mạng như Profibus DP, LAN (Local AreaNetwork), Asi, Profinet

Tuy nhiên, hiện nay do chưa được chuẩn hoá trong phạm vị quốc tế nên mỗi hãngsản xuất PLC lại đưa ra một ngôn ngữ lập trình riêng dẫn đến thiếu tính thống nhấttòan cục

Ngày nay, PLC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển như máy, dâychuyền công nghệ sản xuất Trong đó, với các hệ thống có quy mô lớn, người ta sửdụng nhiều PLC ghép nối với nhau và được quản lý giám sát bằng máy tính hoặc giámsát trực tiếp bằng màn hình tại các trạm Đó là ưu điểm vượt trội về công nghệ điềukhiển phân tán

2.1.3 Phạm vi ứng dụng

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cảtrong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơngiản, chỉ có chức năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho cáclĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao , ứng dụng các thuật toán trong quá trìnhsản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay ba gồm:

- Hóa học và dầu khí: Định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ốngdẫn, cân động trong ngành hóa …

- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hoá trong chế tạo máy, cân động, quá trìnhlắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại…

- Bột giấy, giấy, xử lý giấy Điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, cán, gia nhiệt

- Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các turbin

…), các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ,dầu mỏ)

2.2 Phần tử điều khiển dùng vi điều khiển

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sửdụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống baogồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đanăng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đunvào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các

mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài

Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó xuất hiệnkhá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầuđọc DVD,thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v

Hình 2.2 Sơ đồ khối bộ vi điều khiển Central Processor Unit (CPU)

Đây là một đơn vị có nhiệm vụ điều khiển và giám sát tất cả các hoạt động bêntrong vi điều khiển và người sử dụng không thể tác động vào hoạt động của nó Nóbao gồm một số đơn vị con nhỏ hơn, trong đó quan trọng nhất là:

- Bộ giải mã lệnh có nhiệm vụ nhận dạng câu lệnh và điều khiển các mạch kháctheo lệnh đã giải mã Việc giải mã đươpcj thực hiện nhờ có tập lệnh

“instruction set” Mỗi họ vi điều khiển thường có các tập lệnh khác nhau

- Arithmetical Logical Unit (ALU) Thực thi tất cả các thao tác tính toán số học

và logic

- Thanh ghi tích lũy (Accumulator) là một thanh ghi SFR liên quan mật thiếtvới hoạt động của ALU Nó lưu trữ tất cả các dữ liệu cho quá trình tính toán vàlưu giá trị kết quả để chuẩn bị cho các tính toán tiếp theo Một trong các thanhghi SFR khác được gọi là thanh ghi trạng thái (Status Register) cho biết trạngthái của các giá trị lưu trong thanh ghi tích lũy

Random Access Memory (RAM):Là một loại bộ nhớ sử dụng cho các dữ liệu

lưu trữ tạm thời và kết quả trung gian được tạo ra và được sử dụng trong quá trình hoạtđộng của bộ vi điều khiển Nội dung của bộ nhớ này bị xóa một khi nguồn cung cấp bịtắt

Các cổng vào/ra (I/O Ports): Để vi điều khiển có thể hoạt động hữu ích, nó cần

có sự kết nối với các thiết bị ngoại vi Mỗi vi điều khiển sẽ có một hoặc một số thanhghi (được gọi là cổng) được kết nối với các chân của vi điều khiển

2.1.1 Một số họ vi điều khiển thông dụng

- Họ vi điều khiển AMCC (do tập đoàn "Applied Micro Circuits Corporation"sản xuất) Từ tháng 5 năm 2004, họ vi điều khiển này được phát triển vàtung ra thị trường bởi IBM

 Dòng Atmel AT91 (Kiến trúc ARM THUMB)

 Dòng AT90, Tiny & Mega – AVR (Atmel Norway design)

 Dòng Atmel AT89 (Kiến trúc Intel 8051/MCS51)

 FR-V Family (32 bit RISC)

- Họ vi điều khiển Intel

- Họ vi điều khiển Microchip

+ PIC 8-bit (xử lý dữ liệu 8-bit, 8-bit data bus)

 Từ lệnh dài 12-bit (Base-line): PIC10F, PIC12F và một vàiPIC16F

 Từ lệnh dài 14-bit (Mid-Range và Enhance Mid-Range):PIC16Fxxx, PIC16F1xxx

 Từ lệnh dài 16-bit (High Performance): PIC18F+ PIC 16-bit (xử lý dữ liệu 16-bit)

 PIC điều khiển động cơ: dsPIC30F

2.2.2.1 Giới thiệu chung

8051 là vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS51 được Intel sản xuấtvào năm 1980 Họ MCS51 là họ 8-bit có khả năng định địa chỉ 64KB bộ nhớ chươngtrình và 64KB bộ nhớ dữ liệu

Một số chip 8051 thông dụng:

Flash 4Kb 8Kb 4Kb 8Kb

Timer 2 bộ 16 bit 3 bộ 16 bit 2 bộ 16 bit 3 bộ 16 bitNgắt 6 nguồn cắt 8 nguồn cắt 6 nguồn cắt 8 nguồn cắt

Ngoài ra PORT 0 cũng được sử dụng để nạp dữ liệu cho chip.

- PORT 1:

Port 1 là cổng I/O 2 chiều có trở treo bên trong Khi mức logic 1 được viết vàoPIN của PORT 1, PIN đó được kéo lên bởi 1 trở treo bên trong, và có thể được sửdụng là cổng vào

Ngoài ra các PIN P1.0 và P1.1 có thể được cấu hình là đầu vào của bộ Timer 2(AT89S52, AT89C52) Các pin P1.5, P1.6, P1.7 (AT89S51, AT89S52) lần lượt

là các PIN MOSI, MISO, SCK khi sử dụng để nạp cho chip qua ISP (In- SystemPrograming)

- PORT 2 :

Port 2 là cổng I/O 2 chiều có trở treo bên trong Khi mức logic 1 được viết vàoPIN của PORT 2, PIN đó được kéo lên bởi 1 trở treo bên trong, và có thể được sửdụng là cổng vào

Port 2 cũng có thể được cấu hình thành bus ghép kênh 8 bit địa chỉ cao trong quátrình truy nhập bộ nhớ ngoài với 16 bit địa chỉ

- PORT 3 :

Port 3 là cổng I/O 2 chiều có trở treo bên trong Khi mức logic 1 được viết vàoPIN của PORT 3, PIN đó được kéo lên bởi 1 trở treo bên trong, và có thể được sửdụng là cổng vào.[3]

2.2.2.4 Ưu nhược điểm

- Giá thành rẻ

- Bộ nhớ thấp

-Tính ổn định không được cao