ĐỒ ÁN MÔ HÌNH HỆ THỐNG MÁI CHE TỰ ĐỘNG VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN 5303

Làm quen với việc tính toán thiết kế , chế tạo, nguyên lý hoạt động của giàn phơi và củng cố phần lý thuyết về mạch điện tử, cảm biến và mạch điều khiển bằng vi điều khiển 1.3 Nội dung đ

Đồ án

vi xử lí trong điều khiển

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đồ án môn học này là công trình nghiên cứu thực sự của nhóm, nội dung trong bài được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tiễn dưới

sự hướng dẫn của Th.S Lại Văn Song Nội dung của luận án có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo Các kết quả trong đồ án là hoàn toàn trung thực

Hà nội, ngày 15 tháng 5 năm 2013

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Anh Đức

Nguyễn Văn Giang

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên cho phép chúng em gửi lời cảm ơn tới nhà trường, khoa cơ học kĩ thuật và tự động hóa, các thầy cô đã dạy dỗ và dìu dắt chúng em trong suốt những năm học vừa qua truyền thụ cho chúng em những kiến thức về chuyên ngành cũng như các lĩnh vực liên quan để sau này khi ra đời em có thể làm việc, đóng góp cho xã hội

Trong thời gian qua chúng em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành đề tài của mình,

vì hạn chế về mặt kiến thức và nội dung nghiên cứu khá rộng nên chắc chắn sẽ có nhiều thiếu sót Chúng em xin chân thành cảm ơn Ths Lại Văn Song đã giúp đỡ và tư vấn cho em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài Sự hướng dẫn của thầy là một yếu tố quan trọng để chúng em có được thành công trong đồ án này

Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè cũng như các thành viên trong lớp K56-TĐH đã luôn sát cánh và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

-Danh mục bảng biểu, hình ảnh

Hình 2.1: Sơ đồ khối vi điều khiển 8051 -11

Hình2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 -12

Hình 2.3 Sơ đồ kết nối chân RST -14

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối chân XTAL1, XTAL2 -14

Hình 2.5 Các vùng nhớ trong AT89C51 -15

Hình 2.6 Mặt cắt ngang trục động cơ điện một chiều -16

Hình 2.7 Phân loại động cơ điện một chiều -17

Hình 2.8 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H -18

Hình 2.9 Sơ đồ chân của IC L298D -19

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lí của IC L298D -19

Hình 2.11 Cảm biến mưa -21

Hình 2.12 Công tắc hành trình -22

Hình 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển giàn phơi thông minh -26

Hình 3.2 Mạch PCB -26

Bảng 2.1 Bảng chức năng Port 3 -13

Mục lục

Lời cam đoan -2

Lời cảm ơn -3

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn -4

Danh mục bảng biểu, hình ảnh -5

Mục lục -6

Lời nói đầu -7

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ GIÀN PHƠI QUẦN ÁO THÔNG MINH -8

1.1 Giới thiệu -8

1.2 Mục tiêu của đề tài -8

1.3 Nội dung đề tài -9

1.4 Phương pháp nghiên cứu -9

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC THIẾT BỊ KHÁC -10

2.1 Vi điều khiển AT89C51 -10

2.2 Động cơ một chiều -16

2.3 Mạch cầu H ( H-Bridge Circuit ) -18

2.4 Cảm biến mưa -20

2.5 Công tắc hành trình -22

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÀN PHƠI THÔNG MINH -23

3.1 Lưu đồ giải thuật -23

3.2 Chương trình điều khiển -24

3.3 Sơ đồ nguyên lí -26

3.4 Gia công mạch in -26

Kết quả và thảo luận -27

Kết luận kiến nghị -29

Tài liệu tham khảo -30

Lời nói đầu

Ngày nay với sự phát triển của khoa hoc kĩ thuật,cũng như nhu cầu đòi hỏi cuả conngười ngày càng cao trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Trong đó có nhu cầu vềmột cuộc sống tiện nghi,thông minh Điều này đã thôi thúc những nhà khoa học thiết

kế chế tạo ra những sản phẩm đáp ứng những tiện nghi,thông minh đó Một trong số đócần kể tới là giàn phơi quần áo thông minh Với các nước phát triển thì nó được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến, còn ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam thì đang có xu hướng tìm cho mình sự tiện nghi,thông minh đó Mặt khác với sự phát triểnhiện tại thì các khu nhà hay các khu chung cư với diện tích không lớn lắm chính vì thế

mà việc nhỏ gọn mà vẫn đáp ứng được những yêu cầu là rất cần thiết nhất là các khu chung cư Vì vậy việc có một giàn phơi quần áo thông minh sẽ không chiếm diện tích của ban công hoặc là những nơi ban công rất nhỏ cũng có thể lắp được giàn phơi thông minh giúp chúng ta thoát khỏi những rắc rối trong việc phơi quần áo

Trên nhu cầu đó chúng tôi đã bắt tay vào thiết kế mạch điều khiển giàn phơi quần

áo thông minh

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ GIÀN PHƠI QUẦN ÁO

THÔNG MINH

1.1 Giới thiệu

Ngày nay, kỹ thuật điện tử đã liên tục có những tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là trong

kỹ thuật chế tạo vi mạch điện tử và công nghệ chế tạo cảm biến Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử mà đặc trưng là kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật công nghệ chế tạo cảm biến đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật tạo tiền đề cho việc chế tạo các sảm phẩm máy móc có tính năng

tự động hóa cao hơn và thông minh hơn

Với thời tiết của Việt Nam, nhất là mua hè thường xuyên xuất hiện những cơn mưarào bất chợt làm cho việc phơi quần áo gặp rất nhiều khó khăn Một vài năm gần đây trên thị trường cũng đã xuất hiện một giải pháp cho phơi quần áo ở gia đình, đó là giàn phơi thông minh Giàn phơi thông minh có nhiều ưu điểm như an toàn, tiện lợi tiết kiệm diện tích tuy nhiên các sản phẩm giàn phơi quần áo thông minh hiện đang có mặt trên thị trường là hoàn toàn nhập khẩu chủ yếu từ Đài Loan , Trung Quốc … với giá thành rất đắt

Nhằm khắc vấn nạn nhếch nhách ở các chung cư, đô thị và tạo sự tiện nghi cho

cuộc sống hằng ngày, chúng em đã bắt tay vào nghiên cứu thực hiện đề tài “thiết kế thống điều khiển cho giàn phơi quần áo thông minh’’.

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu và xây dựng mô hình điều khiển giàn phơi thông minh dựa trên vi điều khiển AT89C51 Từ đó phát triển cao hơn, đưa bộ điều khiển áp dụng vào trong thực tế

Làm quen với việc tính toán thiết kế , chế tạo, nguyên lý hoạt động của giàn phơi

và củng cố phần lý thuyết về mạch điện tử, cảm biến và mạch điều khiển bằng vi điều khiển

1.3 Nội dung đề tài

Việc thực hiện nghiên cứu đề tài ‘‘thiết kế và chế tạo bộ điều khiển cho giàn phơi quần áo thông minh ’’ trong điều kiện :

- Thời gian thực hiện đề tài chỉ trong một học kỳ

- Kinh nghiệm thực tế chưa nhiều

- Vật tư và linh kiện không đồng bộ

Vì vậy chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài với những đặc điểm chính sau đây:

- Lập trình bằng vi xử lý AT89C51

- Thiết kết chế tạo mạch điều khiển động cơ DC

- Thiết kết mô hình thí nghiệm giàn phơi

Giàn phơi quần áo thông minh rất đa dạng về nguồn gốc ,chủng loại và tính năng hoạt động Đề tài thiết kế giàn phơi thông minh cũng đã được nghiên cứu, trong đó câu lạc bộ công nghệ của đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã thiết kế được sản phẩm tương đối hoàn chỉnh

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp kế thừa: Kế thừa từ các tài liệu, công trình nghiên cứu trước đó về hai mảng chính của đề tài: Cấu trúc vi điều khiển 8051 và điều khiển động cơ điện một chiều

Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Sau khi đã xây dựng xong cơ sở lý thuyết của đề tài sẽ tiến hành thử nghiệm sự hoạt động trên các thiết bị hiện có

Các bước tiến hành nghiên cứu là tìm hiểu cơ sở lý thuyết về vấn đề nghiên cứu, tiến hành thiết kế chương trình điều khiển và mạch điều khiển, sau đó thử nghiệm trên

mô hình để đưa ra kết luận

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC

THIẾT BỊ KHÁC

2.1 Vi điều khiển AT89C51

Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn toàn tương tự như nhau Ở đây giới thiệu IC8951 là một họ IC vi điều khiển do hãng Intel của Mỹ sản xuất Chúng có các đặc điểm chung như sau:

+ 4 KB PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá

+ Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz

+ 3 mức khóa bộ nhớ lập trình

+ 128 Byte RAM nội

+ 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

Sơ đồ khối chức năng

Hình 2.1: Sơ đồ khối vi điều khiển 8051Cấu trúc kết nối phần cứng của các bộ vi điều khiển trong họ gần tương tự như nhau, một số khác biệt giữa chúng cũng được biểu diễn trên sơ đồ khối hình 2.1

Khối xử lý trung tâm (CPU) nhận tín hiệu xung nhịp từ bộ dao động, tần số ra của

bộ tạo dao động sẽ tuỳ thuộc vào tần số thạch anh bên ngoài Hầu hết các bộ vi điều khiển trong họ đều có ít nhất 128 byte RAM bên trong Các thanh ghi thông thường nằm trong phần RAM Ngoài 8031/32 các vi điều khiển còn lại đều có bộ nhớ ROM lưu trữ chương trình điều khiển Bộ nhớ ROM này có thể là Mask-ROM chỉ lập trình được bởi nhà sản xuất, có thể là EPROM hoặc EEPROM có thể lập trình lại nhiều lần bởi người sử dụng

Các bộ định thời lập trình được có thể đếm theo xung cung cấp từ bên ngoài hoặc xung chuẩn từ bộ tạo dao động, có bộ đếm này có ứng dụng rất phổ biến trong điều khiển tự động

Bộ điều khiển Bus cung cấp các tín hiệu điều khiển giao tiếp với bên ngoài, và kiểm soát hoạt động của các cổng vào ra dữ liệu song song Hai trong bốn cổng vào ra

song song (P0 và P2) có thể sử dụng làm các Bus địa chỉ và dữ liệu trong chế độ giao tiếp bộ nhớ ngoài Cổng vào ra nối tiếp có hai đường truyền và nhận dữ liệu nối tiếp với các thiết bị khác

Bộ điều khiển ngắt tích hợp trong chip cho phép nhận hai yêu cầu ngắt cung cấp thẳng từ bên ngoài, hoặc từ cổng nối tiếp và các bộ định thời bên trong

Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51

Hình2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51

Port 0( P0.0-P0.7): Các chân từ 32-39

-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 Port 0) 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(P1.0 – P1.7): Từ chân số 1 – 8.

-Port 1 có chức năng :Port xuất nhập dữ liệu (P1.0 – P1.7) Port1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài

Hình 2.3 Sơ đồ kết nối chân RST

Chân XTAL1, XTAL2: Chân số 18-19

Chức năng:

Được nối với thạch anh hoặc mạch dao động cung cấp tín hiệu xung clock cho mạch

XTAL1 _ ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip

XTAL2 _ ngõ ra mạch xung clock trong chip

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối chân XTAL1, XTAL2

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 logic không 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 kháccủa hệ thống

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

Bộ nhớ của họ MCS-51 có thể chia thành 2 phần: bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài

Bộ nhớ trong bao gồm 4 KB ROM và 128 byte RAM (256 byte trong 8052) Các byte RAM có địa chỉ từ 00h – 7Fh và các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) có địa chỉ từ 80h – 0FFh có thể truy xuất trực tiếp

Bộ nhớ ngoài bao gồm bộ nhớ chương trình (điều khiển đọc bằng tín hiệu PSEN )

và bộ nhớ dữ liệu (điều khiển bằng tín hiệu RD hay WR để cho phép đọc hay ghi dữ

liệu) Do số đường địa chỉ của MCS-51 là 16 bit (Port 0 chứa 8 bit thấp và Port 2 chứa

8 bit cao) nên bộ nhớ ngoài có thể giải mã tối đa là 64KB

2.2 Động cơ một chiều

Khái quát về động cơ điện một chiều

Hiện nay động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyềnđộng điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài watt đến hàng mê-ga watt Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ

Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu điều khiển Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ Chỉnh lưu ở đây thường sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha

Nguyên lí, cấu tạo động cơ điện một chiều

Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện một chiều cũng gồm có stator

và rotor Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi điện như trình bày trên hình sau

Hình 2.6 Mặt cắt ngang trục động cơ điện một chiềuStator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung trên các cực từ stator Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuật điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, và được gắn trên gông từ bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy

Rotor: còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần ứng lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh trên lõi thép rotor.Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor.

Cổ góp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng

Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập(a): Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn riêng biệt so với phần ứng Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ được tạo ra bằng nam châm vĩnh cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu

- Động cơ điện một chiều kích từ song song(b): Dây quấn kích từ được nối song song với mạch phần ứng.b

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp(c): Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp(d): Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp Trong đó, cuộn kích từ song song thường là cuộn chủ đạo

Hình 2.7 Phân loại động cơ điện một chiều

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản, dễ chế tạo Do

đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có yêu cầu chất lượng điều chỉnh

tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta thường sử dụng động cơ điện một chiều.

Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập Trong phạm vi đồ án này này, xét khả năng đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.3 Mạch cầu H ( H-Bridge Circuit )

Công dụng và nguyên lí hoạt động

Mạch cầu H là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng Đối tượng là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển Mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua đối tượng theo chiều A đến B hoặc B đến A Từ đó giúp đổi chiều quay của động cơ

Hiện nay, ngoài loại mạch cầu H được thiết kế từ các linh kiện rời như: BJT công suất, Mosfet, … Còn có các loại mạch cầu H được tích hợp thành các IC như: L293D

và L298D Do đối tượng điều khiển trong đề tài này là động cơ DC có điện áp 12V và công suât nhỏ nên em dùng mạch cầu H đảo chiều động cơ là IC L298

Hình 2.8 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H

Mạch cầu H L298D

L298D là một chip toch1 hợp 2 mạch trong gói 15 chân L298D có điện áp danh nghĩa cao (lớn hơn 50V) và dòng điện danh nghĩa lớn hơn 2A nên rất thích hợp cho cácứng dụng công suất nhỏ như các động cơ DC loại vừa và nhỏ