Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển động cơ DC 12v với yêu cầu quay thuận, quay ngược, tăng, giảm và đảo chiều quay

Vi điều khiển quản lý và điều khiển hoạt động của hệ thống thông qua phầnmềm, nhờ vậy mà ta có thể mở rộng và thay đổi hoạt động một cách dễ dàng bằngcách thay đổi một số thông số của ch

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC

……….

Nhóm sinh viên:

Lớp

Giáo viên hướng dẫn

Thái Nguyên – 2011

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 20

Giáo Viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét của giáo viên chấm

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 20

(Ký ghi rõ họ tên)

BM Kỹ thuật Máy tính

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Môn học:………

Nhóm Sinh viên: ………

………

………

Lớp: ……… Ngành:……….

Số đề……

Ngày giao đê: ……… Ngày hoàn thành: ……….

1.Tên đề tài ………

……….

2 Nội dung thuyết minh tính toán ………

………

……….

3 Các bản vẽ, chương trình, đồ thị ………

………

……….

Thông qua phần

Xác định yêu cầu

Thông qua phần Thiết kế

Thông qua phần Xây dựng hệ thống Đồng ý cho bảo vệ

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN

ThS Nguyễn Tuấn Linh

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay đại đa số các lĩnh vực sản xuất, điều khiển, giám sát, đo lường…

đều được trang bị hệ thống tự động hóa Một trong số vi mạch được sử dụng đó là

kỹ thuật vi điều khiển Nhờ tính năng ưu việt của bộ vi điều khiển như: khả nănglập trình phù hợp với thiết kế nhỏ và lớn cũng như giao tiếp với các thiết bị ngoại

vi và máy tính đã đem lại sự hoàn hảo, độ chính xác và tính mềm dẻo cao thôngqua giao tiếp giữa người và máy

Vi điều khiển quản lý và điều khiển hoạt động của hệ thống thông qua phầnmềm, nhờ vậy mà ta có thể mở rộng và thay đổi hoạt động một cách dễ dàng bằngcách thay đổi một số thông số của chương trình Vi điều khiển hoạt độnh theochương trình đã nạp sẵn, đọc các tín hiệu từ bên ngoài đưa vào sau đó lưu trữ và xử

lý, trên cơ sở đó đưa ra các thông báo, tín hiệu điều khiển các thiết bị bên ngoàihoạt động theo đúng thông số và yêu cầu của hệ thống

Hệ thống điện tử số sử dụng bộ vi điều khiển và máy tính trong các dâychuyền sản xuất công nghiệp, thực hiện nhiệm vụ điều khiển và giám sát hệ thống.Ngoài ra, vi điều khiển cũng có mặt trong các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùngnhư: lò vi ba, lò sưỡi, máy giặt, hệ thống cảnh báo và giám sát của các phương tiệngiao thông… và trong nhiều thiết bị công nghiệp khác

CHƯƠNG 1

KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH BÀI TOÁN

1.1 Khảo sát các hệ thống điều khiển động cơ.

Hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực đời sống và sản xuất các loại động cơ điệnngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn so với những loại động cơ sử dụng nănglượng như xăng, dầu, khí đốt… Những loại động cơ điện này có những ưu điểmhơn hẳn về hiệu suất sử dụng, cấu tạo nhỏ gọn, giá thành hợp lý, dễ dàng điềuchỉnh tốc độ, đảo chiều, cưỡng bức các quá trình khởi động, quá trình hãm dừng dễdàng.Trong thực tế có rất nhiều loại động cơ điện được sử dụng bao gồm:

+Động cơ điện cơ điện 3 pha được chia làm các loại cơ bản là: Động cơ điện 3pha dây quấn và 3 pha roto lồng sóc, động cơ điện 1 pha

+Động cơ điện 1 chiều bao gồm các loại như: kích từ song song và loại kích từnối tiếp

giảm, hãm dừng thì thương sử dụng động cơ điện 1 chiều là chủ yếu, vì sẽ dễ dàngđiều khiển hơn so với đông cơ xoay chiều Để tiến hành điều khiển động cơ 1chiều, có rất nhiều biện pháp được ứng dụng như là: thay đổi điện áp phần ứng,thay đổi từ thông, hoặc sử dụng điện trở phụ mắc thêm vào phần ứng của động cơ

Để làm được điều đó, chúng ta cần đi xây dựng những hệ thống điều khiển, có rấtnhiều hệ thống được ứng dụng như là: các hệ thống điều khiển PID, điều khiểnđộng cơ bằng Vi điều khiển, hay có thể điều khiển bằng cách sử dụng các loại khí

cụ điện Trong đề tài này chúng em sẽ tiến hành nghiên cứu các quá trình điềukhiểu động cơ bằng phương pháp sử dụng Vi điều khiển họ 8051

1.2 Yêu cầu của bài toán.

o Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển động cơ DC 12v với yêu cầuquay thuận, quay ngược, tăng, giảm và đảo chiều quay

o Thực hiển thao tác điều chỉnh các chức năng trên thông qua các nút ấnbao gồm :nút khởi động động cơ,nút điều khiển quay thuận, nút điềukhiển quay ngược, nút tăng tốc, nút giảm tốc, và nút dừng động cơ, thôngqua các nút ấn này cho phép ta có thể điều chỉnh động cơ làm việc ở 1tốc độ như mong muốn

o Hệ thống cho phép hiện thị tốc độ làm việc có thể sử dụng LCD hoặcLED 7 thanh, đồng thời có các led đơn thông báo trạng thái quay thuận,quay ngược, dừng còn giá trị tốc độ động cơ được hiển thị chi tiết là baonhiêu trên LED 7 đoạn

o Thông qua đề tài, làm quen với cách thức, nguyên lý điều khiển đốitượng động cơ 1 chiều

o Tìm hiểu thực tế các linh kiện, các loại IC, hoạt động của các loại cảmbiến….

o Viết chương trình cho vi điều khiển thực hiện thành công theo yêu cầu

đề ra

o Đánh giá về sai số, chất lượng hệ thống điều khiển

o Tìm hiểu các hướng phát triển của đề tài, nâng cao chất lượng của hệthống

o Chi phí cho cả hệ thống không quá cao, đảm bảo tính kinh tế

KHỐI ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ

CẢM BIẾN

KHỐI

HIỂN THỊ

KHỐI NGUỒN NUÔI

vi điều khiển Khối vi điều khiển xử lý tín hiệu đó và cấp xung cho khối điều chỉnhđộng cơ Khối điều chỉnh động cơ hoạt động cung cấp nguồn cho động cơ hoạt động theo tốc độ đặt và trạng thái mong muốn Encoder gắn trên trục động cơ có tác dụng phản hồi tín hiệu xung về vi điều khiển để xử lý và đưa ra khối hiển thị

+Khối nguồn nuôi:

Nguồn nuôi có tác dụng cung cấp điện năng cho toàn bộ hệ thống bao gồm:

Khối điều khiển tốc đặt, khối vi điều khiển, khối hiển thị, điều chình động cơ,cảm biến

+Khối hiển thị

Làm nhiệm vụ hiển thị tốc động động cơ và chiều quay của nó

+Khối vi điều khiển

Điều khiển hoạt động của hệ thống theo ý người lập trình Khối vi điều khiển là

bộ não trung tâm của toàn hệ thống.Nhận tín hiệu của khối điều khiển tốc độ đặt ra lệnh cho khối điều chỉnh động cơ tăng, giảm, đảo chiều Cảm biên thu thạp phản hồi tốc độ dưói dang xung gửi về vi điều khiển Vi điều khiển

xứ lý tín hiệu mà hoá dang số thập phân rùi hiển thị ra led 7 thanh

+Khối điều chỉnh động cơ

Điều chỉnh động cơ quay theo ý muồn của người lập trình

+Khối cảm biến

Phản hồi lại tốc độ của đông cơ hiển thì ra qua khối hiển thị để từ đó hiệu chỉnhlại hệ thống

+ Khối điều khiển tốc độ đặt:

Gồm các nút bấm có tác dung ra lệnh điều chìnhtốc độ đảo chiều và tắt máy

2.1.1 Sơ đồ đặc tả các khối

2.1.1.1 Khối nguồn

Module này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn xoay chiều 220V để cungcấp cho các linh kiện trong hệ thống Sử dụng biến áp để biến điện áp xoay chiều220V thành điện áp xoay chiều 12V, dùng chỉnh lưu từ 12V xoay chiều sang 12Vmột chiều, dùng IC ổn áp để lấy ra điện áp ổn định 5V ở ngõ ra

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

XTAL2 18

XTAL1 19

ALE 30

EA 31 PSEN 29

RST 9

P1.1 2

P1.2 3

P1.3 4

P1.4 5

P1.5 6

P1.6 7

P1.7 8

Điều khiển hoạt động của hệ thống theo ý người lập trình

2.1.1.4Khối điều chỉnh động cơ

 Sử dụng cảm biến đo tốc độ trên trục động cơ và hiển thị lên Led 7thanh.

 Thay đổi tốc độ động cở khi bấm nút tăng hoặc giảm

 Đảo chiều động cơ bằng các nút bấm.

2.2.2 Giải pháp thiết kế

Thiết kế là một quy trình quan trọng, ảnh hưởng rất nhiều đến sự thành côngcủa sản phẩm Thiết kế thông minh sẽ giúp quá hình hoàn thiện sản phẩm được dễdàng, giúp chính xác hoá công việc của mỗi người Các quy trình thiết kế thườngđược sử dụng như: Top-Down, Bottom-Up hoặc kết hợp cả hai quy trình trên Bàitoán trên đã có giải pháp công nghệ cả về phần mềm cũng như phần cứng Các giải

pháp này đã được phát triển trước đó ở các ứng dụng khác vì vậy bọn em quyếtđịnh sử dụng quy trình Top-Down để giải quyết bài toán trên

a, Sơ đồ khối quy trình kế top-down ở hình dưới đây:

Trong thực tế chúng ta sẽ thấy, bản chất hay mấu chốt của quy trình là vấn đề tìm hiểu và xác định bài toán, làm sao để xác định được chính xác và đầy đủ nhất các yêu cầu cũng các rằng buộc mà hệ thống phải đạt được

Phân tích vấn đề(Analyze the proplem)

Thiết kế nguyên lý(High level design)

Thiết kế kỹ thuật(Engineering design)

Kiểm tra(Test)

Xây dựng hệ thống(Implementation)

Các yêu cầu và điều kiện rằng buộc cho hệ thống mới

Các yêu cầu và các điều kiện rằng buộc đã được xác định cụ thể

Sơ đồ khối và các biểu đồ luồng dữ liệu

Các cấu trúc dữ liệuCác giao tiếp vào raBiểu đồ quan hệ giữa các khối chức năng

Phần cứngPhần mềm

Đạt yêu cầuKhông Đạt

yêu cầu

2.2.3 Sơ đồ CALLGRAPH

VI ĐIỀU KHIỂN

QUÉT

KHUYẾCH ĐẠI

BUTTON

2.2.4 Các yêu cầu và giới hạn cho hệ thống

2.2.4.1 Các yêu cầu

- Điều chỉnh được tốc động cơ loại nhỏ từ 3-24v với nhiều cấp tốc độ

- Dễ dàng thay đổi tốc độ của động cơ và đảo chiều

- Hiển thị tốc độ thực tế lên led 7 thanh

- Chi phí cho hệ thống khoảng 150.000 vnđ

2.3 Lựa chọn tổng quan linh kiện

2.3.1 Vi điều khiển AT89C51

2.3.1.1 Kiến trúc của bộ vi điều khiển

IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MCS51 có các đặt điểm sau :

 4 kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051)

 4 port I/O 8 bit

 hai bộ định thời 16 bits

 giao tiếp nối tiếp

 64KB bộ nhớ chương trình ngoài

 64KB không gian bộ nhớ dữ liệu ngoài

 bộ xử lý luận lý(thao tác trên các bit đơn )

 21 ô bit được địa chỉ hóa

 bộ nhân/chia 4μs.s

2.3.1.2 Cấu trúc bên trong của AT89C51

Phần chính của vi điều khiển 8051 là bộ xử lí trung tâm (CPU: central processingunit ) bao gồm :

Thanh ghi tích lũy A

Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia

Đơn vị logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit )

Từ trạng thái chương trình (PSW : Prorgam Status Word)

Bốn băng thanh ghi

Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom (chỉ có ở 8031) dùng để lưu trữ dữliệu và mã lệnh.

Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí Khi CPU làm việc

nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi

2.3.1.2 Chức năng các chân của vi điều khiển

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

+ Port 0 : là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 của MC 8051 Trong

các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ ngoài, PO được sử dụng như là những cổng

I/O Còn trong các thiết kế lớn có yêu cầu một số lượng đáng kể bộ nhớ ngoài thì

PO trở thành các đường truyền dữ liệu và 8 bit thấp của bus địa chỉ

+ Port 1::là một port I/O chuyên dụng trên các chân 1-8 của MC8051 Chúng

được sử dụng với một múc đích duy nhất là giao tiếp với các thiết bị ngoài khi cầnthiết

+ Port 2: là một cổng có công dụng kép trên các chân 21 – 28 của MC 8051.

Ngoài chức năng I/O, các chân này dùng làm 8 bit cao của bus địa chỉ cho những

mô hình thiết kế có bộ nhớ chương trình ROM ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu RAM códung lượng lớn hơn 256 byte

+ Port 3: là một cổng có công dụng kép trên các chân 10 – 17 của MC 8051.

Ngoài chức năng là cổng I/O, những chân này kiêm luôn nhiều chức năng khácnữa liên quan đến nhiều tính năng đặc biệt của MC 8051, được mô tả trong bảngsau :

Chức năng của các chân trên port 3.

+ PSEN (Program Store Enable ) : 8051 có 4 tín hiệu điều khiển PSEN là tín hiệu

ra trên chân 29 Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép truy xuất bộ nhớ chươngtrình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM

để cho phép đọc các byte mã lệnh của chương trình Tín hiệu PSEN ở mức thấptrong suốt phạm vi quá trình của một lệnh

PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh Các mã nhị phân của chương trình

được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mãlệnh Khi thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức cao

+ ALE (Address Latch Enable ) :

ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu của chu

kỳ bộ nhớ Sau đó, các đường Port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nữa sauchu kỳ của chu kỳ bộ nhớ

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thểđược dùng là nguồn xung nhịp cho các hệ thống Nếu xung trên 8051 là 12MHz thìALE có tần số 2MHz Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình choEPROM trong 8051

+ OSC:

Như đã thấy trong các hình trên, 8051 có một bộ dao động trên chip Nó thườngđược nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19 Tần số thạch anh thông thường là12MHz

và góc nhìn rộng

Hình 2.3 Hình dạng LED 7 thanh

b Cấu tạo

LED 7 thanh bao gồm 7 thanh LED được đánh dấu là các kí tự a, b, c, d, e,

f, g và một dấu chấm thập phân kí hiệu là dp Ta có thể xem LED 7 thanh làmột tổ hợp gồm 8 LED 8 LED này có một đầu (Anode hoặc Cathode) đượcnối chung và được bố trí theo một qui tắc nhất định dùng để hiển thị các chữ sốthập phân Có hai loại LED 7 thanh, đó là loại Anode chung (cực Anode củacác LED được nối chung với nhau) và loại Cathode chung (cực Cathode củacác LED được nối chung với nhau) Tùy theo từng loại LED mà ta có cácphương pháp điều khiển các LED trong tổ hợp đó sáng tắt một cách thích hợp.Đối với loại Anode chung, một LED sẽ được bật sang nếu mức logic đưa vàochân điều khiển đoạn LED đó là mức logic 0 Đối với loại Cathode chung, một

LED sẽ được bật sáng nếu mức logic đưa vào chân điều khiển đoạn LED đó làmức logic 1.

Phương pháp quét LED

Khi kết nối chung các đường dữ liệu của LED 7 đoạn (hình vẽ), ta không

thể cho các LED này sáng đồng thời (do ảnh hưởng lẫn nhau giữa các LED) màphải thực hiện phương pháp quét, nghĩa là tại mỗi thời điểm chỉ sáng một Led vàtắt các LED còn lại Do hiện tượng lưu ảnh của mắt, ta sẽ thấy các LED sáng đồngthời

2.3.3 Động cơ 1 chiều 12V

a, Giới thiệu

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều.Cấutạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato Phầncảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyênqua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi có dòng điện chạytrong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từtheo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Chính xác hơn, lựcđiện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từthông B và vectơ cường độ dòng điện I Dòng điện phần ứng được đưa vào rôtothông qua hệ thống chổi than và cổ góp Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗithanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với

cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn tạo

ra mômen theo một chiều nhất định)

2.3.4 Cảm biến Encoder

Nguyên lý hoạt động của cảm biến encoder : có nhiều loại encoder khác nhau.

Mỗi loại lại có một nguyên lý hoạt động khác nhau, trong khuôn khổ báo cáo đồ án

em xin trình bày phần nguyên lý loại encoder trong đề tài mà em sử dụng :Incremental encoder

SENSOR quang là một chuổi xung Mỗi encoder được chế tạo sẽ biết sẵn số xungtrên một vòng Do đó ta có thể dùng vi điều khiển đếm số xung đó trong một đơn

vị thời gian và tính ra tốc độ động cơ

Cái ENCODER mà em sử dụng trong đồ án của mình, hoàn toàn giống với môhình ở trên Tuy nhiên, mô hình trên có nhược điểm lớn là: ta không thể xác địnhđược động cơ quay trái hay quay phải, vì có quay theo chiều nào đi nữa thì chỉ cómột dạng xung đưa ra Ngoài ra điểm bắt đầu của động cơ, ta cũng không thể nàobiết được

Cải tiến mô hình 1 bằng mô hình 2 như sau: