Thiết Kế Chế Tạo Bộ Điều Khiển Động Cơ Điện Một Chiều Hiển Thị LCD

Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nênđộng cơ một chiều đã được sử dụng khá phổ biến như: truyền động cho một số máy như máy nghiền, máy nâng, vận ch

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 6

1.1.Khái quát về đề tài 4

1.2.Cơ sở lí thuyết 4

1.2.1.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 4

1.2.2.Giới thiệu về động cơ điên môt chiều 6

1.3.Kết luận phương pháp chọn để điều chỉnh tốc độ động cơ 8

1.3.1.Giới thiệu phương pháp PWM 8

1.3.2.Nguyên lý hoạt động PWM 9

1.3.3.Cách tạo ra PWM điều khiển 10

1.3.4.Chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 12

1.4.IRF540N 12

1.5.PC817 13

1.6 IC7812 ,IC7805 14

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CHÍP AT89s52 15

2.1.Giới thiệu về IC 89s52: 15

2.2 Cấu trúc ram nội của 89s52 18

2.2.1.Vùng bank thanh ghi: 20

2.2.2.Vùng RAM định vị bit 21

2.3 Bộ nhớ ngoài 25

2.3.1 Truy xuất bộ nhớ mã ngoài 25

2.3.2 Truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài 26

2.3.3 Các lệnh điều khiển 28

2.4 Giới thiệu về LCD 29

2.4.1 Hoạt động của LCD 29

2.4.2 Mô tả chân của LCD 29

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO SẢN PHẨM 32

3.1.Sơ đồ cấu trúc chung 32

3.2 Tính toán và lưa chọn linh kiện cho mạch 36

3.4 Mạch in 40

3.5.Mạch thực tế 41

3.6 Code lập trình cho Vi điều khiển 42

KẾT LUẬN 46

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay công nghệ khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển Trong đónghành kỹ thuật điện tử đã đạt được nhiều thành tựu to lớn trong cuộc sống củacon người Cùng với sự phát triển đó ngành công nghệ kỹ thuật điện - điện tửcũng đã có những bước phát triển vượt bậc Trong thời đại hiện nay máy móc

đã và đang dần thay thế con người làm việc và để làm được việc đó các động

cơ điện cũng rất quan trọng trong việc truyền động cho các cơ cấu đó Gắn liềnvới việc sử dụng động cơ là quá trình điều khiển động cơ sao cho phù hợp vớiyêu cầu thực tế

Với mong muốn tìm hiểu, ứng dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuậthiện đại vào phục vụ sản xuất và phục vụ đời sống con người hơn nữa được sựhướng dẫn và giúp đỡ của thầy Nguyễn Phúc Đáo, chúng em đã đã thực hiện đềtài: “ Thiết kế chế tạo bộ điều động cơ điện một chiều ”

Do trình độ hiểu biết còn hạn chế, nên dù cố gắng hết sức trong việc thựchiện đề tài cũng không tránh khỏi thiếu sót Mong các thầy(cô) chỉ bảo thêm để

em hiểu vấn đề được sâu sắc hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.Khái quát về đề tài

Trong các ngành công nghiệp, công tác điều khiển vận hành các thiết bị theo một quy trình nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất giữ một vị trí quan trọng

Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nênđộng cơ một chiều đã được sử dụng khá phổ biến như: truyền động cho một số máy như máy nghiền, máy nâng, vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển các robot…

Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biếnthiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làmgiảm năng suất của máy sản xuất Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đềuđòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng tuỳ theo từng công việc, điều kiện làm việc mà

ta lựa chọn các tốc độ khác nhau Muốn có được các tốc độ khác nhau trênmáy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổitốc độ của động cơ truyền động chính… Nhưng ở đây chúng ta chỉ khảo sáttheo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động Ở động cơ mộtchiều, việc điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so với các loại động

cơ khác Động cơ điện một chiều không những có khả năng điều chỉnh tốc độ

dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động

cơ khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng

Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cần thiết và tấtyếu đối với các máy sản xuất trong các ngành công nghiệp hiện nay

1.2.Cơ sở lí thuyết

1.2.1.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Để điều khiển được động cơ một chiều,hay nói cách khác là điều chỉnh tốc

độ động cơ điện một chiều thì có nhiều cách khác nhau như:

+ Mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng

+ Thay đổi từ thông kích từ

+ Thay đổi điện áp phần ứng

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phầnứng để tăng R ư chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độquay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làmgiảm hiệu suất của động cơ điện Vì vậy phương pháp này ít dùng và chỉ dùngtrong cần trục

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách mắc thay đổi từ thông ( Φ ) đựơc

sử dụng trong hệ truyền động có công suất lớn hoặc có yêu cầu về tốc độ làmviệc lớn hơn tốc độ cơ bản Vì phương pháp này được thực hiện trên mạch kích

từ của động cơ ( phần kích từ có công suất rất nhỏ so với công súât động cơ)nên dễ dàng thay đổi tốc độ và đạt hiệu quả kinh tế Tuy nhiên, ta chỉ có thểđiều chỉnh theo hướng giảm từ thông, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trêntốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí vàđổi chiều của máy

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phầnứng không gây thêm tổn hao trong động cơ điện nhưng đòi hỏi phải có nguồnriêng, có điện áp điều chỉnh được Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độquay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp địnhmức của động cơ điện

Và để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ theo các phương pháp điều chỉnh tốc

độ trên thì cần có các bộ biến đổi Các bộ biến đổi đó sẽ cấp điện áp cho mạchphần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ Các bộ biến đổi được sử dụngphổ biến trong công nghiệp hiện nay là:

+ Bộ biến đổi máy điện : gồm có động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiềuhoặc máy điện khuếch đại

+ Bộ biến đổi từ : Khuếch đại từ

+ Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Thysistor

+ Bộ biến đổi xung áp một chiều : Thysistor hoặc Tranzitor

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền độngnhư sau :

+ Hệ truyền động máy phát - động cơ ( F - Đ)

+ Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ – Đ)

+ Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ ( KĐT- Đ)

+ Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ ( T- Đ) + Hệ truyền độngxung áp - động cơ ( XA – Đ)…

Ở đây chúng êm sử dụng phương pháp điều xung (tức thay đổi độ rộngxung), sử dụng vi điều khiển AT89s525, độ rộng xung càng lớn thì động cơquay càng nhanh: Phương pháp PWM

1.2.2.Giới thiệu về động cơ điên một chiều

Hình 1: Động cơ điện một chiều

a Nguyên lý chung

Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảmứng điện từ

b Cấu tạo chung

Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:

Bộ phận chỉnh lưu nó có nhiệm vụ làm đổi chiều dòng điện của cuộn Rototrong khi chuyển động quay của Roto là liên tục, thông thường bộ phận này là

bộ phận gồm có các bộ chổi than và bộ cổ góp Đây là nhược điểm chính củađộng cơ điện một chiều cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy

và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ khi sử dụng cần phải có nguồn một chiềuhoặc bộ chỉnh lưu

Một trong những phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều là sửdụng mạch điều chế độ rộng xung (PWM)

Ở đây chúng em lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ dùngphương pháp PWM

1.3.Kết luận phương pháp chọn để điều chỉnh tốc độ động cơ

1.3.1.Giới thiệu phương pháp PWM

Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation

là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương phápđiều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thayđổi điện áp ra

Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nócòn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điềukhiển hay ổn định tải thì PWM nó còn tham gia và điều chế các mạch nguồnnhư là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha PWM chúng ta còn gặp nhiềutrong thực tế và các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng

để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi

có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng củasườn dương hoặc là sườn âm

Hình 2: Đồ thị dạng xung điểu chế PWM

1.3.2.Nguyên lý hoạt động PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng cắt nguồn củatải và một cách cho chu kỳ theo điều chỉnh thời gian đóng cắt phần tử thực hiệnnhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn

Xét hoạt động cắt của các van bán dẫn Dùng van đóng cắt bằng Mosfet Giản đồ xung:

Hình 3: Sơ đồ dạng xung của van điều khiển và đầu ra

Nguyên lý: trong khoảng thời gian 0 -> to van G mở toàn bộ điện áp nguồn

Ud được đưa ra tải

Trong khoảng từ to -> 0 cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải

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

Ud = UMax (T1/T) (V)  Ud = Umax

T1 : Thời gian ở sườn dương ( khóa mở )

T : Thời gian xung của cả sường âm, sườn dương

Umax: là điện áp nguồn cung cấp cho tải

D = T1/T hệ số điều chỉnh tính bằng % tức là PWM từ đồ thị điều chế xung

ta có: Điện áp trung bình trên tải là:

Ud = 12 x 20 % = 24V (D = 20%)

Ud = 12 x 40 % = 4,8V (D = 40 %)

Ud = 12 x 90% = 10,8V (D = 90%)

1.3.3.Cách tạo ra PWM điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng

và bằng phần mềm Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay

là từ trực tiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như : 555, LM556 Trong phần mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phầnmềm để tạo PWM

a.Tạo bằng phương pháp so sánh

Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây :

+ Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM

+ Tín hiệu tựa là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC)

Xét sơ đồ mạch sau :

Hình 4: Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh

Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw)

và 1 tín hiệu 1 chiều (Ref)

+ Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V

+ Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Ur max

Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw

b Tạo bằng phương pháp dùng IC dao động

Như chúng ta đã biết thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông

mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi và ta chỉ việc lắp vào là xong Em lấy ví dụ dùng dao động IC555 vì con IC này vừa đơn giản lại dễ kiếm

Hình 5 Mạch tạo xung đơn giản dùng NE555

Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là

có thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuông khác

d.Tạo xung vuông bằng phần mềm

Đây là cách tối ưu trong các cách để tạo được xung vuông Với tạo bằng phần mềm cho độ chính xác cao về tần số và PWM Với lại mạch của chúng ta đơn giản đi rất nhiều Xung này được tạo dựa trên xung nhịp của CPU

1.3.4.Chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Với loai động cơ công suất nhỏ chúng em lựa chọn phương pháp điều khiển bằng PWM , tạo xung vuông bằng phần mềm, mạch đơn giản dễ thiết kế và điều khiển , độ chính xác cao về tần số và xung

Hình 6: Hình ảnh của IRF540N

IRF540N thuộc họ mofet loại N được kích dẫn bằng áp Ugs :

Ugs >0 thì IRF540N dẫn Ugs= <0 thì IRF540N khóa( ở 0v thì nó không dẫn)

Dòng làm việc Max từ 23A 33A tùy nhiệt độ môi trường cao hay thấp

Điện áp làm việc Vdss=100 v MAX

Kích dẫn áp MAX +-20v

Thời gian trễ turn on ( 16ns) và turn off ( 47ns)

Tần số chuyển mạch cực đại là 1Mhz

-Tác dụng : cách li điều khiển giữa 2 tầng mạch điện khác nhau

-Mục đích : nếu có sự cố từ tầng ứng dụng như cháy ,chập , tăng áp thì cũngkhông làm ảnh hưởng tới tầng điều khiển

1.6 IC7812 ,IC7805

Hình 8: Hình ảnh chung của IC78xxIC7812, có tác dụng gim điện áp bằng 12v tại đầu ra khi đầu vào >=12vIC7805 có tác dụng gim điện áp bằng 5v tại đầu ra khi đầu vào >=5v

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CHÍP AT89s52

2.1.Giới thiệu về IC 89s52:

Sơ đồ chân:

Sơ đồ chân

* Nhóm chân nguồn:

- VCC: chân 40, điện áp cung cấp 5VDC

- GND: chân 20(hay nối Mass)

* Nhóm chân dao động : gồm chân 18 và chân 19 (Chân XTAL1 và XTAL2),

cho phép ghép nối thạch anh vào mạch dao động bên trong vi điều khiển, được

sử dụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định.

XTAL 1: Ngõ vào đến mạch khuếch đại dao động đảo và ngõ vào đến mạch tạo xung clock bên trong

XTAL 2: Ngõ ra từ mạch khuếch đại dao động đảo

* Chân chọn bộ nhớ chương trình: chân 31 (EA/VPP): dùng để xác định

chương trình thực hiện được lấy từ ROM nội hay ROM ngoại

- Chân 31 nối mass: sử dụng bộ nhớ chương trình bên ngoài vi điều khiển

- Chân 31 nối VCC: sử dụng bộ nhớ chương trình (4Kb) bên trong vi điều

* RST(Chân RESET): Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết

lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy

* Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN:

PSEN ( program store enable) tín hiệu được xuất ra ở chân 29 dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài Chân này thường được nối với chân OE

(output enable) của ROM ngoài

Khi vi điều khiển làm việc với bộ nhớ chương trình ngoài, chân này phát ra tín hiệu kích hoạt ở mức thấp và được kích hoạt 2 lần trong một chu kì máy Khi thực thi một chương trình ở ROM nội, chân này được duy trì ở mức logickhông tích cực (logic 1)

(Không cần kết nối chân này khi không sử dụng đến)

* Chân ALE :(chân cho phép chốt địa chỉ-chân 30)

Khi Vi điều khiển truy xuất bộ nhớ từ bên ngoài, port 0 vừa có chức năng là bus địa chỉ, vừa có chức năng là bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu

và địa chỉ Tín hiệu ở chân ALE dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào Vi điều khiển, như vậy có thể dùng tín hiệu ở ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp cho các phần khác của hệ thống

*Ghi chú : khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này

* Nhóm chân điều khiển vào/ra:

+ Port 0:

gồm 8 chân (từ chân 32 đến 39) có hai chức năng:

- Chức năng xuất/nhập :các chân này được dùng để nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lí, hoặc dùng để xuất tín hiệu ra bên ngoài, chẳng hạn xuất tín hiệu để điều khiển led đơn sáng tắt

- Chức năng là bus dữ liệu và bus địa chỉ (AD7-AD0) : 8 chân này (hoặc Port0) còn làm nhiệm vụ lấy dữ liệu từ ROM hoặc RAM ngoại (nếu có kết nối với

bộ nhớ ngoài), đồng thời Port 0 còn được dùng để định địa chỉ của bộ nhớ ngoài

+ Port 1 (P1):

+ Port 3 (P3):

gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17):

Chức năng xuất/nhập

Với mỗi chân có một chức năng riêng:

P3.0 RxD : Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp

P3.1 TxD : Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

P3.2 INT0: Ngõ vào ngắt cứng thứ 0

P3.3 INT1: Ngõ vào ngắt cứng thứ 1

P3.4 T0 : Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0

P3.5 T1 : Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1

P3.6 WR : Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

P3.7 RD : Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài

P1.0 T2 : Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2

P1.1 T2X : Ngõ Nạp lại/thu nhận của Timer/Counter thứ 2

2.2 Cấu trúc ram nội của 89s52

Bản đồ bộ nhớ Data trên Chip như sau:

- AT8951 có 128 byte RAM nội có địa chỉ từ 00H đến FFH

2.2.1.Vùng bank thanh ghi:

Bao gồm 32 byte bắt đầu từ 00H->1FH được chia thành 4 bank , mỗi bankbao gồm 8 thanh ghi:

Tại một thời điểm chương trình có thể hoạt động cới 1 bank thanh ghi hoặcđịnh là bank 0

+ Thanh ghi PSW (Program status word):

+ Là thanh ghi chứa trạng thái của chương trình

Trạng thái chương trình ở địa chỉ DOH được tóm tắt như sau:

BIT SIMPLE ADDRESS DESCRIPTION

PSW.7 CY D7H Cary Flag

PSW.6 AC D6H Auxiliary Cary Flag

PSW.5 F0 D5H Flag 0

PSW.4 RS1 D4H Register Bank Select 1

PSW.3 RS0 D3H Register Bank Select 0

00 = Bank 0; address 00H – 07H

01 = Bank 1; address 08H – 0FH

10 = Bank 2; address 10H – 17H

11 = Bank 3; address 18H – 1FH

PSW.2 OV D2H Overlow Flag

PSW.1 - D1H Reserved

PSW.0

P D0H Even Parity Flag

CY: là cờ nhớ, CY sẽ set lên 1 khi thực hiện phép cộng có xảy ra nhớ,hoặc khi thực hiện phép trừ có xảy ra mượn

AC (Auxiliary carrier) là cờ nhớ phụ khi cộng các số BCD Cừ nhớ phụ

sẽ set lên 1 nếu kết quả của 4 bit thấp nằm trong khoảng từ 0AH đến 0FH

F0: là cờ nhớ dành cho người sử dụng