THIẾT kế MẠCH điều KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ có hồi TIẾP

Có thể nói, hiện nay vi điều khiển đã rất phổ biến ở Việt Nam và được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của đời sống xã hôi. Những sinh viên ngành điện, điện tử, cơ điện tử, tin học, viễn thông….hầu như ai cũng biết cách để làm việc với vi điều khiển, kéo theo đó là nhu cầu sử dụng các bộ kit trong học tập, nghiên cứu cũng như ứng dụng trên thực tế là không nhỏ. Trong số các kit đang có trên thị trường hiện nay, … dòng MSP430 của TI được đánh giá cao về sự ổn định, tiết kiệm năng lượng cũng như dễ học tập và nghiên cứu. Nhằm giúp tiếp cận thực tế về dòng vi điều khiển này nhóm chúng em đã tiến hành làm bài tập lớn thiết kế mạch điều khiển động cơ DC sử dụng MSP430G2553 và kit phát triển MSP430 của TI. Để có thể hoàn thiện được đề tài này, chúng em xin chân thành cám ơn Quý Thầy, Cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy cho chúng em suốt thời gian thực hiện và thiết kế đề tài.

BÁO CÁO - ĐỒ ÁN II -

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ CÓ HỒI TIẾP

Nhận xét (phần GVHD ghi):

Tiêu chí và chức năng

0 Các chức năng cơ bản

0.1 Chức năng: bật/tắt động cơ

0.2 Chức năng: cài đặt, hiển thị các tham số động cơ (tốc độ cài đặt, sai số cho

phép)

0.3 Chức năng: hiển thị tốc độ hiện thời của động cơ

0.4 Chức năng: hiển thị ngày, giờ hiện tại

0.5 Chức năng: chỉnh ngày, giờ hệ thống

0.6 Các chức năng đã thực hiện có đáp ứng tốt (độ nhạy, tốc độ tính toán, hiển

thị)

0.7 Chức năng: hiển thị chiều quay của động cơ

0.8 Hiển thị thời gian đáp ứng tốc độ (từ lúc điều chỉnh đến khi đạt tốc độ ổn

định đã cài đặt)

0.9 Dễ sử dụng (bàn phím lớn, ghi chú rõ ràng, thao tác đơn giản)

LỜI NÓI ĐẦU

lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thờigian và tiến hành đóng mở 1 cơ cấu nào đó.

Có thể nói, hiện nay vi điều khiển đã rất phổ biến ở Việt Nam và được ứng dụngrất nhiều trong các lĩnh vực của đời sống xã hôi Những sinh viên ngành điện, điện

tử, cơ điện tử, tin học, viễn thông….hầu như ai cũng biết cách để làm việc với viđiều khiển, kéo theo đó là nhu cầu sử dụng các bộ kit trong học tập, nghiên cứucũng như ứng dụng trên thực tế là không nhỏ Trong số các kit đang có trên thịtrường hiện nay, … dòng MSP430 của TI được đánh giá cao về sự ổn định, tiếtkiệm năng lượng cũng như dễ học tập và nghiên cứu

Nhằm giúp tiếp cận thực tế về dòng vi điều khiển này nhóm chúng em đã tiếnhành làm bài tập lớn thiết kế mạch điều khiển động cơ DC sử dụng MSP430G2553

và kit phát triển MSP430 của TI

Để có thể hoàn thiện được đề tài này, chúng em xin chân thành cám ơn Quý Thầy,

Cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy cho chúng em suốt thời gian thực hiện và thiết kế

đề tài

Mặc dù đã cố gắng hết mình tuy nhiên kết quả của nhóm em cũng không thể tránhkhỏi những thiếu sót, chúng em rất mong sẽ nhận được sự góp ý, đánh giá và giúp

đỡ của Thầy Cô để có thể hoàn thiện và đạt được kết quả tốt hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI VÀ TÌM HIỂU VỀ MSP430 CÙNG KÍT PHÁT TRIỂN MSP430

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

1.1.1 Tên đề tài

- Điều khiển và giữ ổn định tốc độ động cơ một chiều loại nhỏ bằng phương phápPWM có hồi tiếp tốc độ từ động cơ

1.1.2 Khái quát đề tài

Trong phạm vi đề tài này, nhóm chúng em tập trung tìm hiểu và nghiên cứu nhữngnội dung chính sau:

- Hiển thị tốc độ hiện tại của động cơ trên LCD

- Hiển thị ngày, tháng, năm, giờ của hệ thống

- Điều chỉnh tốc đô quay mong muốn bằng bàn phím số đầy đủ, hoặc rút gọn

1.2 TÌM HIỂU VỀ MSP430

1.2.1 Tổng quan về MSP430

MSP430 là dòng vi điều khiển được phát triển bởi hãng TI(TexasInstruments) MSP430 là sự kết hợp chặt chẽ của một CPU RISC 16 bit,những khốingoại vi và hệ thống xung linh hoạt được kết nối với nhau theo cấu trúc VON-NEUMANN, có các Bus liên kết như: Bus địa chỉ bộ nhớ (MAB), Bus dữ liệu bộnhớ ( MDB) Đây là một bộ xử lý hiện đại với các mô đun bộ nhớ tương tự vànhứng kết nối ngoại vi tín hiệu số, MSP430 đã đưa ra được những giải pháp tốt chonhững nhu cầu ứng dụng với tín hiệu hỗn tạp MSP430 đã đưa ra khá nhiều phiênbản để phù hợp với những nhu cầu ứng dụng khác nhau MSP430 có một số phiên

MSP430 có 5 thế hệ chip, được gọi là 1xx, 2xx, 3xx, 4xx, 5xx Thường xxcàng lớn thì chức năng và số chân càng nhiều.

- GPIO Options: 14, 22, 48 pins

- ADC Options: Slope, 10 & 12-bit SAR

- Other Integrated peripherals: Analog Comparator, DMA, HardwareMultiplier, SVS, 12-bit DAC

1.2.1.2 MSP430F2xx Series

Series 2xx cũng tương tự như 1xx nhưng tiêu thụ năng lượng ít hơn, tốc độ có thểlên tới 16MHz, đồng hồ on-chip có độ chính xác cao hơn (±2%) nên có thể hoạtđộng mà không cần thạch anh gắn ngoài

- 1.8–3.6 V

- Tốc độ Flash/ROM: 16 MIPS

- Có tích hợp điện trở kéo lên/kéo xuống (pull-up/pull-down)

- Ultra-Fast Wake-Up From Standby Mode in <1 μs

- Device Parameters

- Flash Options: 1–120 KB

- RAM Options: 128 B–8 KB

- GPIO Options: 10, 16, 24, 32, 48, 64 pins

- ADC Options: Slope, 10 & 12-bit SAR, 16-bit Sigma Delta

- Other Integrated peripherals: Analog Comparator, Hardware Multiplier,DMA, SVS, 12-bit DAC, Op Amps

1.2.1.3 MSP430G2xx Series

- Tương tự F2xx, chức năng ít hơn và giá thấp hơn:

- Flash Options: 0.5–16 KB

- RAM Options: 128–512 B

- GPIO Options: 10, 16, 24 pins

- ADC Options: Slope, 10-bit SAR

- GPIO Options: 14, 40 pins

- ADC Options: Slope, 14-bit SAR

- Other Integrated peripherals: LCD controller, Hardware Multiplier

- GPIO Options: 14, 32, 48, 56, 68, 72, 80 pins

- ADC Options: Slope, 10 &12-bit SAR, 16-bit Sigma Delta

- LCD Controller, Analog Comparator, 12-bit DAC, DMA, Hardware

1.2.1.6 MSP430x5xx Series

Tốc độ lên tới 25 MHz Đây là dòng có mức tiêu thụ năng lượng thấp nhấttrong họ MSP430, được tích hợp Module Giám sát Năng lượng (PowerManagement Module) để tối ưu điện năng tiêu thụ Một số chip tích hợp USB

- Fast Wake-Up From Standby Mode in <5 μs

- 1.8-3.6V

- Flash Options: up to 256 KB

- RAM Options: up to 16 KB

- ADC Options: 10 & 12-bit SAR

- USB, Analog Comparator, DMA, Hardware Multiplier, RTC, USCI, bit DAC

12-1.2.2 Cấu trúc MSP430

Cấu trúc bên trong

- ADC10/12/16/24-bit : 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, lấy mẫu vàchốt Tự động quét kênh,

điều khiển chuyển đổi dữ

1.2.3 Đặc tính của MSP430

MSP 430 là họ vi điều khiển cấu trúc RISC 16-bit được sản xuất bởi công tyTexas Instruments MSP - MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER - là dòng viđiều khiển siêu tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn thấp, khoảng điện áp nguồncấp từ 1.8V – 3.6V

MSP 430 kết hợp các đặc tính của một CPU hiện đại và tích hợp sẵn cácmodule ngoại vi Đặc biệt chip MSP 430 là giải pháp thích hợp cho những ứng dụngyêu cầu trộn tín hiệu

Những đặc tính của dòng MSP 430 bao gồm:

• Điện áp nguồn: 1.8V – 3.6 V

• Mức tiêu thụ năng lượng cực thấp:

– Chế độ hoạt động: 270 μA tại 1MHz, 2,2 V

– Chế độ chờ: 0.7 μA

– Chế độ tắt (RAM vẫn được duy trì): 0.1 μA

• Thời gian đánh thức từ chế độ Standby nhỏ hơn 1μs

• Cấu trúc RISC-16 bit, Thời gian một chu kỳ lệnh là 62.5 ns

• Cấu hình các module Clock cơ bản:

– Tần số nội lên tới 16 MHz với 4 hiệu chỉnh tần số +- 1%

– Thạch anh 32 KHz

– Tần số làm việc lên tới 16 MHz

– Bộ cộng hưởng

– Nguồn tạo xung nhịp bên ngoài

– Điện trở bên ngoài

• Timer_A 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit

• Timer_B 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit

• Giao diện truyền thông nối tiếp:

– Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự động dò tìm tốc độBaud

– Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Associatio)

– Chuẩn giao tiếp động bộ SPI

– Chuẩn giao tiếp I2C

• Bộ chuyển đổi ADC 10 bit, 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, Lấy mẫu vàchốt Tự động quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu

• Hai bộ khuếch đại thuật toán (hoạt động) có thể định cấu hình (Đối với MSP430x22x4)

• Bảo vệ sụt áp

• Bộ nạp chương trình

• Module mô phỏng trên chip

MSP430 được sử dụng và biết đến đặc biệt trong những ứng dụng vềthiết bị đo có sử dụng hoặc không sử dụng LCD với chế độ nguồn nuôi rất thấp.Với chế độ nguồn nuôi từ khoảng 1,8 đến 3,6v và 5 chế độ bảo vệ nguồn

Với sự tiêu thụ dòng rất thấp trong chế độ tích cực thì dòng tiêu thụ là200uA, 1Mhz, 2.2v; với chế độ standby thì dòng tiêu thụ là 0.7uA Và chế độ tắtchỉ duy trì bộ nhớ Ram thì dòng tiêu thụ rất nhỏ 0.1uA

MSP430 có ưu thế về chế độ nguồn nuôi Thời gian chuyển chế độ từ chế

độ standby sang chế độ tích cực rất nhỏ (< 6us) Và có tích hợp 96 kiểu hình chohiển thị LCD 16 bit thanh ghi, 16 bit RISC CPU

Có một đặc điểm của họ nhà MSP là khi MCU không có tín hiệu dao

MSP-EXP430G2 LaunchPad cũng đi kèm với 2 con chip MSP430 lên đến16KB Flash, 512B RAM, 16MHz tốc độ CPU và thiết bị ngoại vi tích hợp như 8ch10-bit ADC, giờ, giao tiếp nối tiếp (UART, I2C và SPI) và hơn thế nữa!

Miễn phí công cụ phát triển phần mềm cũng có sẵn, chẳng hạn như dựa trênEclipse của TI Code Composer Studio, IAR Embedded Workbench Phát triển mãnguồn mở cũng có sẵn nhờ vào các dự án dựa vào cộng đồng như trình biên dịchMSPGCC hoặc Energia, một chi nhánh của khung dây phổ biến

Giao diện giả lập tích hợp của LaunchPad kết nối đèn flash dựa trên các thiết

bị dòng MSP430 giá trị gia tăng với một máy tính cho thời gian thực, lập trình trong

hệ thống và sửa lỗi thông qua USB:

• Bao gồm một cáp mini USB để giao tiếp với máy tính

• Bao gồm các tính năng thiết bị MSP430G2xx:

- MSP430G2553IN20 - 16KB Flash, 512B RAM, ngắt GPIO(capacitive cảm giác có khả năng), giờ 16-bit, 8ch 10-bit ADC,sánh, nối tiếp truyền thông (USCI - I2C, SPI và UART)

- MSP430G2452IN20 - 8KB Flash, 256B RAM, ngắt GPIO(capacitive cảm giác có khả năng), 16-bit giờ, 8ch 10-bit ADC,sánh, nối tiếp truyền thông (USI - I2C và SPI) và hơn thế nữaThiết bị MSP430G2xx bao gồm có các chương trình mẫu cài đặt sẵn

Phiên bản tải về miễn phí của IAR Kickstart và Mã Composer Studio Phiênbản 5 môi trường phát triển tích hợp có sẵn và bao gồm lắp ráp, mối liên kết, môphỏng, nguồn cấp gỡ lỗi, và C-trình biên dịch Những IDE miễn phí không hạn chếtrên các thiết bị dòng MSP430 giá trị

Tuân theo chuẩn RoHS

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ ĐỀ TÀI

2.1 YÊU CẦU CHỨC NĂNG:

- Điều khiển và giữ ổn định tốc độ động cơ 1 chiều loại nhỏ bằng phươngpháp PWM có hồi tiếp tốc độ hiện tại từ động cơ

- Hiển thị tốc độ trung bình trên LCD

- Nếu động cơ ngừng quay (trạng thái nghỉ), LCD hiển thị ngày giờ

- Cài đặt các thông số của động cơ và hiển thị trên LCD

- Cài đặt, điều chỉnh ngày giờ của hệ thống (khi động cơ ngừng quay)

2.2 YÊU CẦU PHI CHỨC NĂNG

- Sử dụng MSP430G2553 và bộ kít MSP430G2 Launchpad

- Sử dụng động cơ hồi tiếp loại nhỏ, có encoder

- Sử dụng nút bấm hiển thị qua lại chế độ động cơ và chế độ nghỉ

- Nguồn nuôi 12V, battery 3V

- PIC C Compiler: soạn thảo Code C/ASM

- OrCad/ Altium Designer: thiết kế mạch (nguyên lý + Layout)

- Microsoft Project: Lập kế hoạch thực hiện bài tập lớn

2.4 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

3.2 KHỐI NGOẠI VI (BÀN PHÍM)

Các phím được nối với các chân từ P1.0, P1.1, P1.3, P1.4, P1.5, chân RST.

Các phím sẽ được kéo lên mức cao 3.3 V nhờ trở kéo 10K

Mỗi Phím bấm sẽ đảm nhận một số chức năng nhất định như: phím mode để bậtmenu , khi vào mode rồi mà ở chế độ config thì nó cho phép hủy Phím up/ down đểthay đổi

Phím next/12 24/dir thì để chọn thứ tiếp theo Nếu ở chế độ bình thường thì là phímchuyển đổi hệ 12h và 24h còn ở chế độ động cơ thì đó là đảo chiều động cơ

3.3 KHỐI HIỂN THỊ

Mạch hiển thị bao gồm màn hình LCD giao tiếp với MSP430g2553 với 4 bit nối

từ chân 20->23, có thêm biến trở để điều chỉnh độ sáng của LCD, với các chân điềukhiển của IC được nối với chân 24,25 của MSP430g2553

3.4 KHỐI MẠCH CÔNG SUẤT

Mạch công suất sử dụng IC cầu H L298, với 2 kênh A và B, mỗi kênh với điện ápđịnh mức 50V và dòng điện định mức cho tải là 2A Điện áp điều khiển 5V

Nguồn cấp cho động cơ 12V, chân encoder nối với chân P2.7 của MSP430g2553

Sử dụng IC cầu H này, không những dùng để đảo chiều động cơ, mà còn điều khiểnđộng cơ bằng phương pháp băm xung (PWM)

IC7404 dùng để đảo chiều quay động cơ

Sơ đồi khối nguyên lý khối công suất:

3.5 KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Sử dụng IC thời gian thực DS1307 để cập nhật ngày giờ của hệ thống

3.6 HOÀN THIỆN SẢN PHẨM

Ghép nối các khối với nhau, hàn các linh kiện trên mạch in, các IC, PIC có kèmtheo chân đế

3.7 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH

3.8 SƠ ĐỒ LAYOUT TOÀN MẠCH

3.9 HÌNH ẢNH THẬT CỦA SẢN PHẨM

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

• Kết quả thu được sau đề tài này:

Do kinh nghiệm còn ít và hạn chế về thời gian cho việc chỉnh sửa nên mạch

có phát sinh một số lỗi

Khuyết điểm của mạch:

- Do không áp dụng các phương pháp điều khiển (ví dụ như: PID, điều khiển mờ,…) nên tốc độ động cơ chưa được ổn định.

- Mạch cầu H sử dụng IC L298 chỉ điều khiển được động cơ DC có công suất nhỏ.

• Hướng phát triển của đề tài này:

- Cải thiện ổn định tốc độ động cơ bằng phương pháp PID hay điều khiển mờ.

- Tính toán thiết kế mạch công suất để có thể điều khiển được động cơ có công suất lớn hơn.

- Sử dụng led 7 đoạn để tăng khả năng quan sát của khối hiển thị.

- Kết nối với máy tính, sử dụng Visual Basic lập trình để điều khiển tốc độ động cơ DC.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nguyễn Đức Chung Điều khiển động cơ, tăng, giảm, đảo chiều quay Nguyễn Hữu Đăng Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in, hàn link

kiện Nguyễn Đức Tiến Điều chỉnh các thông số thời gian,hiển thị thời gian

thực lên LCD Trần Ngọc Linh Tính toán sai số, định thời tính toán tốc độ trung

bình-hiển thị LCD,

PHỤ LỤC B: SOFTWARE CODE

M C L C Ụ Ụ

LỜI NÓI ĐẦU 3CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI VÀ TÌM HIỂU VỀ MSP430 CÙNG KÍTPHÁT TRIỂN MSP430 5

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 16

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

PHỤ LỤC :PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 26

PHỤ LỤC B: SOFTWARE CODE 27