Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc hiển thị trên LED

Ngồi trên ghế trường đại học em được trang bị một số kiến thức về lĩnh vực này, thấy được tầm quan trọng của nó và để tìm hiểu kỹ hơn thầy giáo đã giao cho em bài tập “ Thiết kế hệ thống

LỜI NÓI ĐẦUTrong quá trình sản xuất hiện đại, đo tốc độ động cơ là việc làm không thể thiếu, nó giúp cho quá trình giám sát sản xuất nhah hơn, tốt hơn, cho ra những sản phẩm như ý, chính xác Nếu ta không đo được tốc độ của động cơ thì không thể điều khiển tốc độ chính xác được Với những máy móc hiện đại như ngày nay, trong quá trình sản xuất luôn chạy với nhiều tốc độ khác nhau, tùy theo mỗi giai đoạn làm việc của nó, chính vì thế mà ta cần phải biết tốc độ động cơ là bao nhiêu

để điều chỉnh cho phù hợp Ngồi trên ghế trường đại học em được trang bị một số kiến thức về lĩnh vực này, thấy được tầm quan trọng của nó và để tìm hiểu kỹ hơn

thầy giáo đã giao cho em bài tập “ Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ sử dụng

máy phát tốc hiển thị trên LED“ để làm cơ sở cho sự phát triển các môn chuyên

ngành

Với đề tài trên yêu cầu người làm phải nắm vững được các phương pháp đo tốc độ động cơ, do vậy người làm đề tài này ta cần tìm hiểu phương pháp đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc, các linh kiện sử dụng, cảm biến tốc độ, về mạch phần cứng, lưu đồ thuật toán và lập trình cho mạch Trong đề tài này dùng máy phát tốc để đọc tốc độ của roto động cơ

Hải phòng năm 2014

Sinh viên

Lưu Mạnh Thắng

MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

3.1: Lưu đồ thuật toán.

3.2: Chương trình điều khiển.

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

1.1Tổng quan về mạch

Mạch do tốc độ hiển thị trên LED sẽ có những phần tử chính gồm

từ máy phát tốc sang tìn hiệu số

Vi xử lý xử lý tín hiệu đưa ra từ ADC0804 xuất ra

LED

- Trục của động cơ gắn đồng trục với trục máy phát tốc,khi động cơ quay

trục của máy phát tốc quay cùng tốc độ động cơ,và lúc này máy phát tốc hoạt động như một máy phát điện 1 chiêu (tốc độ quay roto tỉ lệ với điện áp đầu ra)

- Khi tín hiệu điện áp từ máy phát tốc chuyển đến ADC0804 thì ADC0804

có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự (Điện áp) thành tín hiệu số

- Tín hiệu số từ ADC0804 được đưa vào VĐK 8051 ,bằng các phép toán ta

lập trình bên trong vi điều khiển ,vi điều khiển sẽ tính toán và đưa ra kết quả xuất

ra LCD

CHƯƠNG II : XÂY DỰNG MẠCH PHẦN CỨNG 2.1 Sơ đồ khối

Cấu trúc chung của hệ thống

- nút ấn: giao tiếp với vi sử lý ,dùng hiện thị trên LED

- Bộ chuyển đổi ADC chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thành tín hiệu Digital

- Khối hiểu thi LED hiển thị tốc độ

- Vi sử lí : nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi ADC , giao tiếp với nút ấn , hiển thị dữ liệu trên LED

- Khối động cơ,máy phát tốc

- khối nguồn để cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

2.2.Chức năng của các khối

2.2.1 Khối nguồn

- chức năng cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

- sơ đồ nguyên lý của khối nguồn

Nút nhấn

Bộ chuyển đổi

ADC

Khối hiển thị LED

Vi xử lí

Khối động cơ,máy phát tốc

-các thành phần trong khối nguồn :

a) Diode bán dẫn:

- Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P-N ta được một Diode, tiếp giáp P-N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Kí hiệu

- Các loại Diode: diode zener, diode quang, diode biến dung, diode nắn điện,…

- Diode dẫn khi được phân cực thuận (UAK > 0)

- Diode phát quang ( Light Emiting Diode: LED): là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 đến 2,2V dòng qua LED khoảng từ 5mA đến20mA Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện vv…

- Trong mạch chỉnh lưu, Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu

b) Tụ điện:

-Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, là phần tử có giá trị dòng điên qua nó tỷ

lệ với tốc độ biến đổi của điện áp trên nó theo thời gian Tụ điện đươc chia thành hai loại: tụ phân cực và tụ không phân cực

-Tụ điện có hai bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song, ở giữa có lớp cách điện

- Các loại tụ thường gặp ở hai nhóm có trị số cố định hay có trị số thay đổi được Theo đặc điểm laọi vật liệu sử dụng khi chế tạo, tụ điện đựơc phân chia thành các loại sau:

+ Tụ gốm

+ Tụ mica+ Tụ polistiren

+ Tụ polycacbonat

+ Tụ poyeste + …

- Tụ điện có giá trị điện dung thay đổi được bao gồm hai dạng cơ bản

+ Dạng tụ điều chuẩn dung điện môi là lớp không khí giữa 2 bộ cánh cách kim loại nhôm lắp xen kẽ nhau một cách cố định, bộ kia có thể xoay 1800 nhờ một trục quay

+ Dạng tụ tinh chỉnh dùng mica làm vật liệu điện môi cách ly giữa hai hay nhiều phiến kim loại xen kẽ, điện dung thay đổi được nhờ xoay vít trục để đều chỉnh phần điện tích trùng nhau giữa các phiến kim loại, phần trùng càng nhiều thì giá trị tụ càng tăng

- Kí hiệu:

c) IC ổn áp 7805: là loại IC dùng để

ổn định điện áp +5V đầu ra

- Output (3): Chân điện áp ra 5V

- Command (2): Chân nối mass

- Input (1) : Chân điện áp vào

- Điện áp ngõ vào Vin>=5V (lớn hơn

từ 3V hay 4V), điện áp ngõ ra Vout =5V - Chân nối mass cũng rất quan trọng, nếu chân này bị hở thì áp tại ngõ ra sẽ có thể bằng với điện áp ngõ vào Điều này sẽ rât nguy hiểm nếu vi xử lý nhận được mức điện áp này + IC ổn áp 7905:là loại IC dùng để ổn định điện áp -5V đầu ra

-Output(3):chân điện áp ra -5V

- Input(2): chân điện áp vào

- Command(1) chân nối mass

2.2.2 Khối hiển thị LED

Giới thiệu về led 7 thanh :

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7 đoạn

8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài

để kết nối với mạch điện Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0 Nếu led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led

2.2.3:Nút nhấn

1) Chức năng: hiển thị và xóa hiện thị trên màn hình LED

2) Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn:

- Các nút ấn khi chưa ấn cho mức lojic cao (1) ,khi ấn cho mức lojic thấp (0)

- Trong mô phỏng sẽ có 2 nút ấn (START và STOP) với chức năng hiển thị và tắt hiển thị động cơ trên LED

xử lý, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào-ra nối tiếp và song song, mạch điều khiển ngắt

 Thứ hai là, họ vi điều khiển 8051 cùng với các họ vi điều khiển khác nói chung trong những năm gần đây được phát triển theo các hướng sau:

- Giảm nhỏ dòng tiêu thụ

- Tăng tốc độ làm việc hay tần số xugng nhịp của CPU

- Giảm điện áp nguồn nuôi

- Có thể mở rộng nhiều chức năng trên chip, mở rộng cho các thiết kế lớn.Những đặc điểm đó dẫn đến đạt được hai tính năng quan trọng là: giảm công suất tiêu thụ và cho phép điều khiển thời gian thực nên về mặt ứng dụng nó rất thích hợp với các thiết kế hướng điều khiển.

 Thứ ba là, vi điều khiển thuộc họ MCS-51 được hỗ trợ một tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả năng mềm dẻo trong vấn đề viết chương trình phần mềm điều khiển

 Thứ tư là, dung lượng bộ nhớ trương trình và bộ nhớ dữ liệu lớn

 Cuối cùng là, các chip thuộc họ MCS-51 hiện đuộc sử dụng rất phổ biến và được coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng Mặt khác, qua việc khảo sát thị trường linh kiện việc có được chip 8051 là dễ dàng nên mở ra khả năng thiết kế thực tế

Vì những lý do trên mà việc lựa chọn vi điều khiển họ 8051 là một giải pháp hoàn toàn phù hợp cho thiết kế

Đặc điểm chính của họ vi xử lý 8051:

- 4k byte ROM, 128k byte RAM

- 4 port I/O 8 bit

- 2 bộ đếm/ định thời 16 bit

- Mạch giao tiếp nối tiếp

- 64k byte không gian nhớ chương trình ngoài

- 64k byte không gian nhớ dữ liệu mở rộng

- Một bộ xử lý bit ( thao tác trên các bit riêng rẽ )

- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit

- Nhân /chia trong 4 µs

XTAL2 18

XTAL1 19

ALE 30 EA 31 PSEN 29

RST 9

P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3/AD3 36P0.4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 33P0.7/AD7 32

P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT0 12P3.3/INT1 13P3.4/T0 14P3.7/RD 17P3.6/WR 16P3.5/T1 15P2.7/A15 28

P2.0/A8 21P2.1/A9 22P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27

Hình 1.2 Sơ đồ chân IC AT89C51.

Cấu trúc các chân của 8051

Port 0 là port xuất nhập 8-bit hai chiều Port 0 còn đợc cấu hình làm bus địa

chỉ (byte thấp) và bus dữ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và bộ

nhớ chơng trình ngoài Port 0 cũng nhận các byte mã trong khi lập trình cho Flash

và xuất các byte mã trong khi kiểm tra chơng trình (Các điện trở kéo lên bên ngoài đợc cần đến trong khi kiểm tra chơng trình)

- Port 1(1-8)

Port 1 là port xuất nhập 8-bit hai chiều Port 1 cũng nhận byte địa chỉ thấp

trong thời gian lập trình cho Flash

- Port 2 (21-28)

Port 2 là port xuất nhập 8-bit hai chiều Port 2 tạo ra các byte cao của bus

địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chơng trình ngoài và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 16-bit Trong thời gian truy xuất

bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 8-bit, Port 2 phát các nội dung của thanh ghi chức năng đặc biệt P2 Port 2 cũng nhận các bít địa chỉ cao và vài tín hiệu điều

khiển trong thời gian lập trình cho Flash và kiểm tra chơng trình

- Port 3 (10-17)

Port 3 là Port xuất nhập 8-bit hai chiều Port 3 cũng còn làm các chức năng

khác của AT89C51 Các chức năng này đợc liệt kê nh sau:

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

Port 3 cũng nhận một vài tín hiệu điều khiển cho việc lập trình Flash và kiểm

tra chơng trình

Khi hoạt động bình thường, xung ngõ ra ALE lu«n có tần số không đổi là 1/6 tần số của mạch dao động, có thể được dùng cho các mụch đích định thời từ bên

ngoài vµ tạo xung clock Tuy nhiên, lưu ý là một xung ALE sẽ bị bỏ qua trong mỗi

một chu kỳ truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài

Khi cần, hoạt động ALE có thể được vô hiệu hoá bằng cách set bit 0 của

thanh ghi chức năng đặc biệt có địa chỉ 8Eh Khi bit này được set, ALE chỉ tích

cực trong thời gan thực hiện lệnh MOVX hoặc MOVC Ngược lại, chân này sẽ

được kéo lên cao Việc set bit không cho phép hoạt động chốt byte thấp của địa chỉ

sẽ không có tác dụng nếu bộ vi điều khiển đang ở chế độ thực thi chương trình ngoài

- PSEN (29)

PSEN (Program Store Enable) là xung điều khiển truy xuất bộ nhớ chương

trình ngoài Khi AT89C52 đang thực thi chương trình từ bộ nhớ chương trình ngoài, PSENđược kích hoạt hai lần mỗi chu kỳ máy, nhưng hai hoạt động PSEN

sẽ bị bỏ qua mỗi khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài

- EA/Vpp (31)

EA (External Access Enable) là chân cho phép truy xuất bộ nhớ chương

trình ngoài (bắt đầu từ địa chỉ từ 0000H đến FFFFH)

EA = 0 cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài, ngỵc l¹i EA=1 sẽ

thực thi chương trình bên trong chip

Tuy nhiên, lưu ý rằng nếu bit khoá 1 (lock-bit 1) được lập trình, EA sẽ được

chốt bên trong khi reset

Chân này cũng nhận điện áp cho phép lập trình Vpp=12V khi lập trình Flash (khi đó ®iƯn áp lập trình 12V được chọn)

- XTAL1 và XTAL2

XTAL1 và XTAL2 là hai ngõ vào và ra của một bộ khuếch đại đảo của mạch

dao động, được cấu hình để dùng như một bộ dao động trên chip

Không có yêu cầu nào về chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu xung clock bên ngoài

do tín hiệu này phải qua một flip-flop chia hai trước khi đến mạch tạo xung clock

bên trong, tuy nhiên các chi tiết kỹ thuật về thời gian mức thấp và mức cao, điện áp cực tiểu và cực đại cần phải được xem xét

2.2.5.Bộ chuyển đổi ADC0804:

1) Chức năng: chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thành tín hiệu Digital, đưa vào 89C51 89C51 sẽ so sánh giá trị này với giá trị đặt để điều khiền góc kích SCR sao cho điện áp VDC luôn được ổn định

2) Thành phần chính trong khối:

a) Tổng quan về ADC0804:

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãng NationalSemiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip có điện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một

số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng

hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN và không bé hơn 110µs Các chân khác của ADC0804 có chức năng như sau:

- CS (Chip select): Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 thì chân này phải ở mức thấp

- RD (Read):Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp Các bộ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong

RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804 Khi

CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)

- WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương

tự Vin về số nhị phân 8 bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC

RC

f

1 1

- Vin(+) và Vin(-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong

đó Vin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) được nối tới đất và Vin(+) được dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số

- Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V Chân này còn được dùng làm điện

áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở

- Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 - +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0

- +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 - +5V

- Bảng quan hệ điện áp Vref/2 với Vin:

2.2.6 : Máy phát tốc

Máy phát tốc thường có 2 loai, máy phát tốc 1 chiều và máy phát tốc xoay chiều Máy phát tốc 1 chiều là máy phát điện 1 chiều có sức điện động tỉ lệ với tốc

độ Trục quay của máy phát nối với trục quay của đối tượng đo Khi đối tượng quay máy phát tạo ra sức điện động tỉ lệ với tốc độ quay Đo sức điện động bằng các dụng cụ đo điện áp có thể suy ra tốc độ

Đo tốc độ động cơ dùng máy phát tốc, tín hiệu từ máy phát tốc tạo ra có điện

áp thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ Do đó điện áp này được đưa qua bộ chuyển đổi ADC tạo thành các xung vuông, các xung vuông này được đưa vào bộ

vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ

CHƯƠNG III :LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH NẠP CHO

VI ĐIỀU KHIỂN 8051 3.1: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

3.1.1: Lưu đồ sơ bộ