Bài tập lớn Vi điều khiển: đo tốc độ động cơ dùng 8051

Mục lục Nội dung Lời nói đầu 2 CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 1. Tìm hiểu chung về mạch số, bộ đếm BDC, bộ giải mã cho LED 7 thanh có Catốt chung và LED 7 thanh 2. Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051 5 3. Giới thiệu tổng quan về encoder 12 4. Giới thiệu về một số linh kiện khác 19 CHƯƠNG II. NỘI DUNG 29 1 – Lưu đồ thuật toán chương trình 29 2 – Phần lập trình và mô phỏng 31 CHƯƠNG III. KẾT LUẬN 42 1. Ưu điểm 42 2. Nhược điểm 42 Tài liệu tham khảo 44

Mục lục

Nội dung

Nội dung 1

Lời nói đầu 2

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2 Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051 5

3 Giới thiệu tổng quan về encoder 12

3 Giới thiều về một số linh kiện khác 20

3.1 Sơ lược về led 7 thanh 20

CHƯƠNG II NỘI DUNG 29

1 – Lưu đồ thuật toán chương trình 29

2 – Phần lập trình và mô phỏng 31

CHƯƠNG III KẾT LUẬN 42

1 Ưu điểm 42

2 Nhược điểm 42

Tài liệu tham khảo 44

Lời nói đầuNgày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiêntiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh

và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàngloạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao,tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần chohoạt động của con người đạt hiệu quả cao

Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng

để vận hành và sử dụng được lại là một điều rất phức tạp Các bộ viđiều khiển theo thời gian cùng với sự phát triển của công nghệ bándẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ vi điều khiển 4 bit đơn giảnđến các bộ vi điều khiển 32 bit, rồi sau này là 64 bit Điện tử đangtrở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứngđược những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công – nông – lâm– ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đờisống hằng ngày

Một trong những ứng dụng thiết thực trong đó là ứng dụng về

đo và hiển thị tốc độ động cơ Đây là một ứng dụng rất quan trọngđược áp dụng trong nhiều lĩnh vực và dây chuyền sản xuất Tốc độđộng cơ sẽ được hiển thị trên màn hình nhờ led 7 thanh, Từ đóchúng ta có thể giám sát được tốc độ động cơ rùi có các quyết định

điều khiển cho phù hợp với yêu cầu Vì thế, với môn học Vi điều

khiển này, em đã quyết định nhận làm bài tập lớn về đo tốc độ

động cơ dùng 8051 Cụ thể trong bài tập này, chúng em sẽ ghép nối

vi điều khiển 89C51RD2 với 4 led 7 thanh để hiển thị tốc độ động

cơ, sử dụng encoder có 1(xung/vòng) Chúng em xin trình bày nộidụng cụ thể của bài tập lớn như sau Kính mong các thầy - cô xem

và cho nhận xét, đánh giá để bài tập lớn được đầy đủ hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày12/2/1014

2 HOÀNG VĂN ANH

3 HOÀNG THANH HẢI

4 NGUYỄN VĂN CHÚC

5 NGUYỄN QUANG ĐỈNH

6 TRẦN THANH SƠN

7 PHẠM MẠNH THẮNG

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.khái niệm về mạch số

Một điều dễ thấy là: PLC có các cổng vào/ra số và tương tự Như vậy trong PLC nói riêng và các thiết bị điều khiển hiện đại nói

chung phải có các mạch vi điện tử tương tự (mạch tương tự) và vi điện tử số (mạch số)

+ Mạch tương tự (Analog circuit): Tương tự là đại lượng vật lý

này biến đổi cùng cách thức (hiểu theo nghĩa rộng là gồm cả vận tốc, gia tốc, tần số, pha…) với đại lượng vật lý kia

Trong mạch tương tự, đại lượng vật lý này có thể hiểu là điện thế tạimột điểm nào đó trong mạch, đại lượng vật lý kia có thể hiểu là gía trị điện trở-mức cao thấp chất lỏng-giá trị điện dung-giá trị điện cảm- âm thanh…Ví dụ: Giá trị điện thế tại đầu ra của chiết áp tương

tự với góc quay của chiết áp Điện thế và dạng dao động của nó tại đầu ra của micrôphone tương tự với biên độ và dao động của âm thanh tác động vào micrôphone

Vì mạch tương tự đã quá quen thuộc, nên ở đây chỉ nêu lại bản chất vật lý

+ Mạch số (Digital circuit):

Trong mạch số, mức điện thế tại một điểm nào đó không trực tiếp biểu thị đại lượng tương tự mà chúng biểu thị số và chỉ biểu thị số 0

và số 1

2 Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051

AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit, chế tạo theo công nghệCMOS chất lượng cao, công suất thấp với 4 KB PEROM (FlashProgrameable and erasable read only memory)

Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau:

- 4KB bộ nhớ, có thể lập trình lại nhanh, có khả năng ghixóa tới 1000 chu kỳ

- Tần số hoat động từ 0 Hz đến 24 MHz

- 3 mức khóa bộ nhớ lập trình

- 2 bộ Timer/Counter 16 bit

- 128 Byte RAM nội

- 4 Port xuất/nhập (I/O) 8 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64 KB vùng nhớ mã ngoài

- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài

- Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)

- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

- 4μs cho hoạt động nhân hoặc chia

a – Sơ đồ khối và sơ đồ chân của AT89C51

Hình 1 – Sơ đồ khối của AT89C51

OTHER REGISTER 128 byte RAM

128 byte RAM 8032\8052

ROM 0K:

8031\8032 4K:8951 8K:8052

INTERRUPT

CONTROL

TEMER0 TEMER1 TEMER2 8032\8052

Hình 2 – Sơ đồ chân của AT89C51

b – Chức năng các chân của AT89C51

+ Port 0 (P0.0 – P0.7 hay chân 32 – 39): Ngoài chức năng

xuất nhập ra, port 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ (AD0 –AD7), chức năng này sẽ được sử dụng khi AT89C51 giao tiếp vớithiết bị ngoài có kiến trúc bus

Hình 3 – Port 0

+ Port 1 (P1.0 – P1.7 hay chân 1 – 8): có chức năng xuất

nhập theo bit và byte Ngoài ra, 3 chân P1.5, P1.6, P1.7 được dùng

để nạp ROM theo chuẩn ISP, 2 chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộTimer 2

Hình 4 – Port 1

+ Port 2 (P2.0 – P2.7 hay chân 21 – 28): là một port có công

dụng kép Là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đốivới các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng

Hình 5 – Port 2

+ Port 3 (P3.0 – P3.7 hay chân 10 – 17): mỗi chân trên port 3

ngoài chức năng xuất nhập ra còn có một số chức năng đặc biệt sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổi

Hình 6 – Port 3

+ RST (Reset – chân 9): mức tích cực của chân này là mức 1,

để reset ta phải đưa mức 1 (5V) đến chân này với thời gian tối thiểu

2 chu kỳ máy (tương đương 2µs đối với thạch anh 12MHz.)

+ XTAL 1, XTAL 2: AT89S52 có một bộ dao động trên chip,

nó thường được nối với một bộ dao động thạch anh có tần số lớnnhất là 33MHz, thôn thường là 12MHz

Hình minh hoạ

+ EA (External Access): EA thường được mắc lên mức cao

(+5V) hoặc mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, bộ vi điều khiển thihành chương trình từ ROM nội Nếu ở mức thấp, chương trình chỉđược thi hành từ bộ nhớ mở rộng

+ ALE (Address Latch Enable): ALE là tín hiệu để chốt địa

chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ.Sau đó các đường port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nửachu kỳ sau của bộ nhớ

+ PSEN (Program Store Enable): PSEN là điều khiển để

cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối với đến

chân /OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc cácbytes mã lệnh PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọc lệnh Các

mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua Bus vàđược chốt vào thanh ghi lệnh của bộ vi điều khiển để giải mã lệnh.Khi thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mức thụ động(mức cao)

+ Vcc, GND: AT89C51 dùng nguồn một chiều có dải điện áp

từ 4V – 5.5V được cấp qua chân 40 (+Vcc) và chân 20 (GND)

3 Giới thiệu tổng quan về encoder

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay,đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm 2 loại, absolute Encoder vàincremental Encoder Tạm dịch là Encoder tuyệt đối

và Encoder tương đối Chữ Encoder tuyệt đối dịch theo nguyên văn,nhưng vì tiếng Việt mình cái gì có 2 loại, thì loại còn lại được dịchngược lại với loại kia Cho nen dịch là Encoder tương đối choincremental Encoder

Nếu dịch sát nghĩa, khi ta đọc absolute Encoder, có nghĩa

là Encoder tuyệt đối, tức là tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ ràng vị trícủa Encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm, cũng biết chính xác

vị trí của Encoder Còn incremental Encoder, là loại Encoder chỉ có

1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ Các bạn hình dung thế này, nếu bâygiờ các bạn đục một lỗ trên một cái đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩaquay 1 vòng, các bạn sẽ nhận được tín hiệu, và các bạn đã biết đĩaquay một vòng Nếu bây giờ các bạn có nhiều lỗ hơn, các bạn sẽ cóđược thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vong, 1/8 vòng,hoặc 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm trên incremental Encoder.

Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếmlên 1 Do vậy, Encoder loại này có tênincremental Encoder (Encoder tăng lên 1 đơn vị)

Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder, LED và lỗ

Nguyên lý cơ bản của Encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanhtrục Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếulên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led khôngchiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu 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 ghinhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần conmắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được

Đây là nguyên lý rất cơ bản của Encoder

Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về Encoder.

Hình sau sẽ minh họa nguyên lý cơ bản của hoạt động Encoder

Các bạn thấy trong hình, có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố định, thực ra là để che khe hẹp ánh sáng đi qua, giúp cho việc

đọc Encoder được chính xác hơn mà thôi Chúng ta không để cập đến đĩa mặt nạ này ở đây

Hoạt động của Encoder

Ở đây ta sẽ xét đến incremental Encoder

Các bạn thấy rằng, cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì Encoder sẽ tăngmột đơn vị trong biến đếm

Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được Encoder quay hếtmột vòng? Nếu cứ đếm vô hạn như thế này, thì chúng ta không thểbiết được khi nào nó quay hết một vòng Nếu bây giờ các bạn đếm

số lỗ Encoder để biết nó đã quay một vòng, thì nếuvới Encoder 1000 lỗ chắc các bạn sẽ đếm đến sáng luôn Chưa kể,mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lýđược, Encoder sẽ bị sai một xung Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai

số này sẽ tích lũy, ngày hôm nay sai một xung, ngày hôm sau sai

một xung Đến cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi các bạnmới đếm được 1 vòng.

Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm một lỗđịnh vị để đếm số vòng đã quay của Encoder

Như vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng Encoder đingang qua lỗ định vị này, thì chúng ta sẽ biết là Encoder đã bị đếmsai ở đâu đó Nếu vì một rung động nào đó, mà chúng ta khôngthấy Encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung, và việc đi qua lỗđịnh vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của Encoder.Đây là hình Encoder có lỗ định vị:

Tuy nhiên, một vấn đề lớn nữa là, làm sao chúng ta

biết Encoder đang xoay theo chiều nào? Bởi vì cho dù xoay theo chiều nào, thì tín hiệu Encoder cũng chỉ là các xung đơn lẻ và xoay theo hai chiều đều giống nhau

Chính vì vậy, người ta đặt thêm một vòng lỗ ở giữa vòng lỗ thứ 1 và

Chú ý rằng, vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau.Các cạnh của lỗ vòng 2 nằm ngay giữa các lỗ vòng 1 và ngược lại.Chúng ta sẽ khảo sát tiếp vấn đề Encoder trong phần tín hiệu xung

để hiểu rõ hơn về Encoder Tuy nhiên, các bạn sẽ thấy một điềurằng, thay vì làm 2 vòng Encoder, và dùng 2 đèn LED đặt thẳnghàng, thì người ta chỉ cần làm 1 vòng lỗ, và đặt hai đèn LED lệchnhau

Kết quả, các bạn sẽ thường thấy các Encoder có dạng như hình 2:

Đây là dạng Encoder phổ biến nhất hiện nay

3 Giới thiều về một số linh kiện khác.

3.1 Sơ lược về led 7 thanh

a Tổng quát

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 tắtcủa 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 nốicần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều khiển

Sơ đồ vị trí các led

Các điện trở 330Ω là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng điện qua led nếu led 7 đoạn được nối với nguồn 5V.Chân nhận tín hiệu a điều khiển led a sáng tắt, ngõ vào b để điều khiển led b Tương tự với các chân và các led còn lại

b Kết nối với Vi điều khiển

Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể dùng 1 Port nào đó của Vi điều khiển để điều khiển led 7 đoạn Như vậy led 7 đoạn nhận một dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển đểđiều khiển hoạt động sáng tắt của từng led led đơn trong nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển led 7 đoạn thường được gọi là "mã hiển thị led 7 đoạn" Có hai kiểu mã hiển thị led 7 đoạn: mã dành cho led 7 đoạn có Anode(cực +) chung và mã dành cho led 7 đoạn có

Cathode(cực -) chung Chẳng hạn, để hiện thị số 1 cần làm cho các led ở vị trí b và c sáng, nếu sử dụng led 7 đoạn có Anode chung thì phải đặt vào hai chân b và c điện áp là 0V(mức 0) các chân còn lại được đặt điện áp là 5V(mức 1), nếu sử dụng led 7 đoạn có Cathode chung thì điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức là phải đặt vào chân b và c điện áp là 5V(mức 1)

Bảng mã hiển thị led 7 đoạn:

• Phần cứng được kết nối với 1 Port bất kì của Vi điều khiển, đểthuận tiện cho việc xử lí về sau phần cứng nên được kết nối như sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, lần lượt theo thứ tự cho đến Px.7 nối với chân h.

Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Anode

chung (các led đơn sáng ở mức 0):

Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của

tụ điện là hai bản cực bằng kim loại ghép cách nhau

một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay

chất điện môi cách điện có điện dung C Đặc điểm

của tụ là cho dòng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản

dòng điện một chiều

Khi tụ nạp điện thì tụ sẽ bắt đầu nạp điện từ điện áp là 0V tăngdần đến điện áp UDC theo hàm số mũ đối với thời gian t Điện áptức thời trên hai đầu tụ của tụ được tính theo công thức:

Uc (t) = UDC(1-e-t/ τ)

Khi tụ xả điện thì điện áp trên tụ từ trị số VDC sẽ giảm dầnđến 0V theo hàm số mũ đối với thời gian t Điện áp trên hai đầu tụkhi xả được tình theo công thức:

lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn Côngthức tính:

R =ρℓ/S hoặc R=U/ITrong đó :

ρ: là điện trở suất của vật liệu, Ωm hay Ωmm2/m

S: là tiết diện của dây, m2 hay mm2

ℓ : là chiều dài của dây (m)

3.4 Thạch anh dao động.

Hình dạng thực tế thạch anh dao độngThạch anh dao động có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển thích hợp phục vụ cho vi điều khiển ở đây chúng ta sử dụng thạch anh dao động loại 12 MHZ

3.5 Điện trở treo

Các điện trở treo được thay bằng điển trở thanh 9 chân, sửdụng điện trở thanh giúp việc thiết kế mạch đơn giản hơn, điệntrở thanh 9 chân thực chất là 8 điện trở cùng giá trị với mỗi đầucủa điện trở được nối với nhau và đầu chung này được đưa rangoài bằng một chân nữa Khi nhìn trên điện trở thanh, phía đầunào có dấu chấm tròn, thì chân ngoài cùng của phía đó là chânchung Thông thường chân chung này thường được nối vớinguồn Vcc

Hình dạng thực tế và sơ đồ chân của điện trở treoĐiện trở treo có nhiệm vụ tạo điện áp ở từng mức theo yêu cầutheo giá trị đặt tại các chân của nó