ĐỒ án điện tử CÔNG SUẤT đề tài điều KHIỂN ĐỘNG cơ DÙNG PIC 16f877a

Vì em chỉ sài PWM và ADC nên chỉ trình bày cụ thể 2 phần này:2.2 PWM: 2.2.1 Phương pháp điều chế xung PWM: Để điều khiển tốc độ động cơ DC người ta có thể dùng nhiều phương phápkhác nhau

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

-o0o -ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG PIC

Trong những năm gần đây, nền kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ

và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất lớn củangành kĩ thuât

Với sự phát triển vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử đang xâmnhập vào tất cả các ngành khác và đáp ứng mọi nhu cầu của người dân.Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viênđang theo học tại các trường cao đẳng, đặc biệt là các trường kỹ thuật.Trong học phần đồ án điện tử công suất này em đã lựa chọn đề tài: “ Điềukhiển động cơ bằng pic 16f877a ”

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Phước đã tận tình quantâm hướng dẫn em trong suốt thời gian qua Do còn việc hạn chế về trình

độ ngoại ngữ, chuyên môn và thiếu kinh nghiệm làm bài nên đồ án của emcòn nhiều khiếm khuyết, sai sót Em mong nhận được nhiều ý kiến đónggóp cũng như những lời khuyên hữu ích từ thầy có thể thấy rõ những điềucần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết quả hoànthiện hơn và tạo tiền đề cho em sau này

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:

Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN:

Những hạn chế của ĐA/KLTN:

Đánh giá chung đề tài

Đề nghị:

TP.HCM, ngày … tháng … năm 20…

Giảng viên hướng dẫn

(GV ký tên và ghi rõ họ tên)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tóm tắt đề tài: 1

1.1.1 Giới thiệu sơ lược các modul của mạch: 1

1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch: 1

2

1.3 Cách vận hành: 3

1.4 Ưu và nhược điểm: 3

1.4.1 Nhược điểm: 3

1.4.2 Ưu điểm: 3

1.5 hướng phát triển đề tài: 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Khái quát chung về PIC 16F877A: 4

2.1.1 Khái niệm về PIC 16F877A: 4

2.1.2 sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý 5

2.2 PWM: 7

2.2.1 Phương pháp điều chế xung PWM: 7

2.3 ADC: 9

2.4 Mạch cấu H (LM298) 13

2.4.1 Công dụng và nguyên lý hoạt động của mạch: 13

2.4.2 Công dụng sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý: 15

2.5 Các linh kiện: 16

2.5.1 Tụ điện: 16

2.5.2 Nguồn DC ngõ vào: 17

2.5.3 IC 7805: 19

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 20

3.1 Thiết kế phần cứng: 20

3.1.1 khối nguồn: 20

3.1.2 khối bàn phím: 21

3.1.3 khối hiển thị: 22

3.1.4 Khối công suất: 22

3.2 giới thiệu về chương trình viết code: 24

3.3 CODE CHƯƠNG TRÌNH: 25

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: sơ đồ nguyên lý 1

Hình 2:sơ đồ khối PIC 16F877A 5

Hình 3:sơ đồ chân của pic 16f877a 6

Hình 4: Sơ đồ nguyên lí các Port của PIC 16F877A 6

Hình 5: Đồ thị dạng xung điều chế PWM 7

Hình 6 : Sơ đồ nguyên lí dùng PWM điều khiển điện áp tải (trái) Sơ đồ xung van điều khiển và đầu ra (phải) 8

Hình 7: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC

10 Hình 8: cách lưu kết quả chuyển đổi AD

10 Hình 9: Mạch cầu H

14 Hình 10: Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H

14 Hình 11: Sơ đồ chân của IC L298D (phải) IC L298D (trái)

15 Hình 12: Sơ đồ nguyên lí của IC L298D

15 Hình 13: Các loại tụ điện thông dụng 16

Hình 14: Nguồn DC thông dụng

19

19

20

Hình 19: khối hiển thị led 7 đoạn 21

Hình 20:Khối mạch công suất sử sụng IC L298 22

Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tóm tắt đề tài:

1.1.1 Giới thiệu sơ lược các modul của mạch:

-Tên đề tài đồ án : Lập trình PIC16F877A điều khiển tốc độ động cơ DC.-Yêu cầu đặt ra: Lập trình C cho Pic 16F877A điều khiển tốc độ cho động

cơ DC Tốc độ được cài đặt từ biến trở và hiện % duty cycle lên led 7 đoạn.-Tóm tắt hướng thực hiện đề tài:

 Sử dụng Pic 16F877A là vi điều khiển trung tâm Dùng chương trìnhCCS lập trình C và biên dịch chương trình

 Xây dựng nút nhấn và biến trở để khiển động cơ DC:

 1 nút xoay chiều thuận

 1 nút xoay chiều nghịch

 1 nút dừng

 1 biến trở điều chỉnh tốc độ động cơ

 Sử dụng mạch cầu H dùng IC L298 để đảo chiều động cơ

 Hiện thị % duty cycle lên led 7 đoạn

 Sử dụng PWM của vi điều khiển Pic để điều khiển tốc độ động cơ

 Đối tượng điều khiển là động cơ DC 12V

 Ngoài ra trên mạch còn có 1 nút reset cho Pic 16F877A

1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch:

Hình 1: sơ đồ nguyên lý.

Chương 1: Tổng quan

1.3 Cách vận hành:

Bước1: nạp code vào pic và sau đó sử dụng

+chương trình sẽ điều khiển tăng,giảm,đảo chiều động cơ và đồng thời hiệnthị phần trăm duty

Bước 2: cấp nguồn cho mạch pic 16f877a và lm298

+nguồn pic 16f877a là 5v

Cho nó thêm nút b5 trên mạch

1.5 hướng phát triển đề tài:

- Cải thiện ổn định tốc độ động cơ bằng phương pháp PID hay điềukhiển mờ

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

có công suất lớn hơn

- Sử dụng LCD để tăng khả năng quan sát của khối hiển thị

- Kết nối với máy tính, sử dung vi điều khiển lập trình để điều khiểntốc độ động cơ DC

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái quát chung về PIC 16F877A:

2.1.1 Khái niệm về PIC 16F877A:

PIC là tên viết tắt của “Programmable Intelligent computer” do hãngGeneral Instrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ HãngMicrchip tiếp tục phát triển sản phầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần

100 loại sản phẩm khác nhau PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, kháđầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế Đây làdòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC có thể học tập và tạo nềntảng về họ vi điều khiển PIC của mình.Cấu trúc tổng quát của PIC16F877Anhư sau:

- 8K Flash Rom

- 368 bytes Ram

- 256 bytes EFPROM

- 5 port vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập 6

- 2 bộ định thời Timer0 và Timer2 8 bit

- 1 bộ định thời Timer1 16 bit có thể hoạt động ở cả chế độ tiết kiệmnăng lượng với nguồn xung clock ngồi

- 2 bộ Capture/ Compare/ PWM

- 1 bộ biến đổi Analog -> Digital 10 bit, 8 ngõ vào

- 2 bộ so sánh tương tự

- 1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)

- 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển

- 1 cổng nối tiếp

- 15 nguồn ngắt

Sơ đồ khối:

Hình 2:sơ đồ khối PIC 16F877A

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1.2 sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ chân:

Sơ đồ chân với chip loại cắm 40 chân

Hình 3:sơ đồ chân của pic 16f877a

Hình 4: Sơ đồ nguyên lí các Port của PIC 16F877A

Sơ đồ nguyên lý:

Vì em chỉ sài PWM và ADC nên chỉ trình bày cụ thể 2 phần này:

2.2 PWM:

2.2.1 Phương pháp điều chế xung PWM:

Để điều khiển tốc độ động cơ DC người ta có thể dùng nhiều phương phápkhác nhau trong đó có một phương pháp hết sức quan trọng và thông dụng

là phương pháp điều chế độ rộng xung kích (PWM)

2.2.1.1 Điều chế PWM là gì:

Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) làphương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương phápđiều chế dựa trên sự thay độ rộng của chuỗi xung kích để điều khiển linhkiện đóng ngắt (SCR hay Transistor) dẫn đến sự thay đổi điện áp ra tải

2.2.1.2 Đồ thị dạng xung điều chế PWM:

2.2.1.3 Nguyên lí của PWM:

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc dóng ngắt nguồn cótải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt.Phần tử thựchiện nhiệm vụ đóng cắt là các van bán dẫn.Sơ đồ nguyên lí điều khiển tảidùng PWM

Hình 6 : Sơ đồ nguyên lí dùng PWM điều khiển điện áp tải (trái) Sơ

đồ xung van điều khiển và đầu ra (phải)

Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van Q1 mở toàn bộ điện áp nguồn Udđược đưa ra tải Cũn trong khoảng thời gian từ t0 đến T cho van Q1 khóa,cắt nguồn cung cấp cho tải.Vì vậy với thời gian t0 thay đổi từ 0 cho đến T

ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp chotải

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải là:

Ud = Umax (t0/T) hay Ud = Umax.D

Trong đó:Ud: là điện áp trung bình ra tải

Umax: là điện áp nguồn

t0: là thời gian xung ở sườn dương (van khóa mở)T: thời gian cả thời gian xung sươn dương và sườn âm D =t0/T: hệ số điều chỉnh hay PWM được tính bằng %

để sử dụng phương pháp này ta có thể sử dụng bộ điều chế độ rộng xung(PWM) tích hợp sẵn bên trong PIC với 2 ngõ ra xung tại hai chân CCP1(17) và CCP2 (16).Tại các chân này khi hoạt động sẽ xuất chuỗi xung

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

vuông với độ rộng điều chỉnh được dễ dàng.Xung ra này dùng để tạo tínhiệu đóng ngắt Trasistor trong mạch động lực, với độ rộng xác định sẽ tạo

ra một điện áp trung bình xác định

2.2.1.4 Cách thiết lập chế độ PWM cho PIC16F877A:

Khi hoạt động ở chế độ PWM (Pulse Width Modulation _ khối điều chế độrộng xung), tính hiệu sau khi điều chế sẽ được đưa ra các pin của khối CCP(cần ấn định các pin này là output ) Để sử dụng chức năng điều chế nàytrước tiên ta cần tiến hành các bước cài đặt sau:

- Thiết lập thời gian của 1 chu kì của xung điều chế cho PWM(period) bằng cách đưa giá trị thích hợp vào thanh ghi PR2

- Thiết lập độ rộng xung cần điều chế (duty cycle) bằng cách đưa giátrị vào thanh ghi CCPRxL và các bit CCP1CON<5:4>

- Điều khiển các pin của CCP là output bằng cách clear các bit tươngứng trong thanh ghi TRISC

- Thiết lập giá trị bộ chia tần số prescaler của Timer2 và cho phépTimer2 hoạt động bằng cách đưa giá trị thích hợp vào thanh ghiT2CON

2.3 ADC:

Khái niệm:ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyển đổi tín hiệu

giữa hai dạng tương tự và số PIC16F877A có 8 ngõ vào analog (RA4:RA0

và RE2:RE0) Hiệu điện thế chuẩn VREF có thểđược lựa chọn là VDD,VSS hay hiệu điện thể chuẩn được xác lập trên hai chân RA2 và RA3 Kếtquả chuyển đổi từ tín tiệu tương tự sang tín hiệu số là 10 bit sốtương ứng

và được lưu trong hai thanh ghi ADRESH:ADRESL Khi không sử dụngbộchuyển đổi ADC, các thanh ghi này có thểđược sử dụng như các thanhghi thông thường khác Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, kết quả sẽđượclưu vào hai thanh ghi ADRESH:ADRESL, bit ADCON0<2>) được xóa về

0 và cờ ngắt ADIF được set

Hình 7: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC

Hình 8: cách lưu kết quả chuyển đổi AD:

  Qui trình chuyển đổi từ tương tự sang số bao gồm các bước sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Bước 1: Chọn số ngõ vào, điện áp chuẩn Uc Bước 2: Chọn ngõ vào cụ thể

Bước 3: Chọn tần số chuyển đổi Bước 4: Chọn nơi chứa kết quả chuyển đổi

Bước 5: Bật bộ chuyển đổi, cho phép bộ chuyển đổi hoạt độngBước 6 :Kiểm tra chuyển đổi xong chưa? Đọc kết quả về.Nếu muốn tiếp tục thì trở lại bước 5

Các thanh ghi liên quan đến bộ chuyển đổi ADC bao gồm: INTCON

(địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép các ngắt (các bit GIE, PEIE).PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt AD (bit ADIF) PIE1 (địa chỉ 8Ch): chứabit điều khiển AD (ADIE) ADRESH (địa chỉ 1Eh) và ADRESL (địa chỉ9Eh):thanh ghi chứa kết quả PORTA (địa chỉ 05h) và TRISA (địa chỉ85h): liên quan đến I/O PORTE (địa chỉ 09h) và TRISE (địa chỉ 89h): liênquan đến I/O Các thanh ghi trên chi tiết xem bảng phụ lục trang 96

Thanh ghi điều khiển ADC: ADCON0 (địa chỉ 1Fh) và ADCON1 (địa chỉ

9Fh): xác lập các thông số cho bộchuyển đổi AD

Thanh ghiđiều khiển ADCON0: Bit 7:6 ADCS1:ADCS0: Các bit lựa

chọn tần số chuyển đổi A/D

00 =FOSC/2

01 =FOSC/4

10 =FOSC/32

11 =FRC (xung clock được lấy từ dao đông nội RC)

Bit 5:3 CHS2:CHS0: Các bit lựa chọn kênh Analog

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Bit 2 GO/ DONE: Bit báo trạng thái chuyển đổi A/D

Khi bit ADON = 1

1: Quá trình A/D đang thực hiện (Khi chúng ta set bit này lên thì quátrình chuyển đổi sẽ xảy ra, khi quá trình kết thúc nó sẽ tựđộng đượcxóa bằng phần mềm)

0: Quá trình A/D không xảy ra hoặc đã hoàn tất

Bit 1 Không sử dụng, giá trị là 0

Bit 0 ADON : Bit cho phép module A/D hoạt động

1: Nguồn được cung cấp cho A/D

0: Ngưng cung cấp nguồn cho A/D

Thanh ghi điều khiển ADCON1:

Bit 7 ADFM: Bit lựa chọn định dạng kết quả A/D

1: Canh phải, 6 bit cao nhất của thanh ghi ADRESH có giá trị 0 0: Canh trái, 6 bit thấp nhất của thanh ghi ADRESL có giá trị 0 Bit 6 ADCS2: Bit lựa chọn clock chuyển đổi A/D

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Bit 5,4 không sử dụng

Bit 3:0 PCFG3:PCFG0: Các bit điều khiển cấu hình các chân ADC

2.4

Mạch cấu H (LM298)

2.4.1 Công dụng và nguyên lý hoạt động của mạch:

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 đíchđiều khiển là cho phép dòng điện qua đối tượng theo chiều A đến B hoặc Bđến 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 thànhcác IC như: L293D và L298D Do đối tượng điều khiển trong đề tài này làđộng cơ DC có điện áp 12V và công suât nhỏ nên chúng em dùng mạch cầu

H đảo chiều động cơ là IC L298

Hình 9: Mạch cầu H

Hình 10: Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H

Khảo sát hoạt động của mạch cầu H:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.4.2 công dụng sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý:

Hình 12: Sơ đồ nguyên lí của IC L298D Hình 11: Sơ đồ chân của IC L298D (phải) IC L298D (trái)

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

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Có 2 mạch cầu H trên mỗi chip L298D nên có thể điều khiển 2 đối tượngriêng với 1 chip này Mỗi mạch cầu H bao gồm 1 đường nguồn Vs (thật ra

là đường chung cho 2 mạch cầu), một chân current sensing (cảm biếndòng) ở phần cuối của mạch cầu H, chân này không được nối đất mà bỏtrống để cho người dùng nối 1 điện trở nhỏ gọi là sensing resistor.Bằngcacch1 đo điện áp rơi trên điện trở này chúng ta có thể tính được dòng quađiện trở, cũng là dòng qua động cơ, mục đích của việc này là để xác địnhdòng quá tải Nếu việc đo lường là không cần thiết thì ta có thể nối chânnày với GND Động cơ sẽ được nối với 2 chân OUT1, OUT2 hoặc OUT3,OUT4.Chân EN (ENA và ENB) cho phép mạch cầu hoạt động, khi chânnày được kéo lên mức cao

L298D không chỉ được dùng để đảo chiều động cơ mà còn điều khiển vậntốc động cơ bằng PWM.Trong thực tế, công suất thực ma L298D có thể tảinhỏ hơn giá trị danh nghĩa của nó (U =50V, I =2A) Để tăng dòng tải củachíp lên gấp đôi, chúng ta có thể nối hai mạch cầu H song song với nhau(các chân có chức năng như nhau của 2 mạch cầu được nối chung)

2.5 Các linh kiện:

2.5.1 Tụ điện:

 Khái niệm: Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động cấu tạo bởi haibản cực đặt song song được ngăn cách bởi lớp điện môi Khi cóchênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điệntích cùng điện lượng nhưng trái dấu Tụ điện có tính chất cách điện 1chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóngnạp

Hình 14: Nguồn DC thông dụng

2.5.2 Nguồn DC ngõ vào:

Mạch tăng áp thường sử dụng ngõ vào DC được lấy từ nhiều nguồn khácnhau chẳng hạn như ắc quy, điện áp DC từ ngõ ra của mạch chỉnh lưu,điện áp DC từ các tấm pin mặt trời, pin nhiên liệu, máy phát điện mộtchiều, …

 Cấu tạo:

Một tụ điện thông thường sẽ có cấu tạo bao gồm:

Tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại.Hai bề mặt này được đặt song song với nhau và được ngăn cách bởimột lớp điện môi

Điện môi sử dụng cho tụ điện là các chất không dẫn điện gồm thủytinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí.Các điện môi này không dẫn điện nhằm tăng khả năng tích trữ nănglượng điện của tụ điện

Tùy thuộc vào chất liệu cách điện ở giữa bản cực thì tụ điện có têngọi tương ứng Ví dụ như nếu như lớp cách điện là không khí ta có tụ