Lời cảm ơn
Kính gửi Thầy TS. Nguyễn Thiện Thành!
Em là Nguyễn Uy Danh, sinh viên năm 4, khoa Điện_Điện Tử, Đại Học Bách Khoa Tp.HCM.
Học kỳ này, em rất vinh dự được thực hiện đề tài của đồ án môn học I dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy. Chính sự nhiệt tình chỉ dẫn của Thầý đã giúp em hoàn thành đồ án khá tốt, đạt được những yêu cầu cơ bản mà đề tài đặt ra. Và cũng qua đó, em đã học hỏi, tiếp cận được nhiều vấn đề thực tế hơn, bổ sung những “khe hở” kiến thức do việc học thiên về lý thuyết để lại.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy.
Cũng qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình đến gia đình, bạn bè –những người đã động viên, quan tâm hết mực đến em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Đó là những động lực thúc đẩy em cố gắng hơn, quyết tâm hơn, để cuối cùng em có được kết quả như ngày hôm nay.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả.
Chương I :
Giới thiệu về đề tài
I.Tóm tắt đề tài đồ án môn học I
1. Giới thiệu các module mạch của đề tài
Đề tài đồ án môn học I của em là : “ Điều khiển ON_OFF tốc độ động cơ DC”. Với yêu cầu đề tài như trên, hướng thực hiện đề tài của em được tóm tắt như sau:
- Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A làm chip điều khiển trung tâm.
- Xây dựng bàn phím gồm 13 phím. Trong đó:
+1 phím để đồng thời reset vi điều khiển và dừng động cơ DC
+ 10 phím ứng với 10 số từ 0 đến 9 để người dùng nhập tốc độ đặt
+ 1 phím ra lệnh động cơ quay thuận (FORWARD)
+ 1 phím ra lệnh động cơ quay ngược (REVERSE)
- Sử dụng 8 led 7 đoạn. Trong đó
+ 4 led dùng để người dùng nhập tốc độ đặt mong muốn
+ 4 led để người dùng quan sát tốc độ đo trực tiếp từ động cơ
- Sử dụng driver cầu H L293D trực tiếp điều khiển chiều quay, đóng ngắt động cơ DC
- Đối tượng điều khiển là động cơ DC có gắn encoder đồng trục.
- Ngoài ra, trên mạch còn có các linh kiện khác để thực hiện truyền tín hiệu giữa vi điều khiển trung tâm với các thiết bị hiển thị nói trên.
Tất cả các module mạch trên sẽ được em trình bày rõ trong các phần tiếp theo của đề tài.
2. Sơ đồ nguyên lý kết nối các module trong mạch
3. Cách vận hành mạch
+ Bước 1: ta sẽ nhập tốc độ đặt từ bàn phím. Tốc độ đặt này gồm có 4 chữ số, sẽ hiện lên thông qua 4 led. Ta phải nhấn đủ 4 con số thì mạch mới hoạt động được, nếu không nhấn đủ mạch sẽ “treo đó”, chờ người dùng nhấn số tiếp. Nếu nhập sai tốc độ, ta có thể nhấn phím reset để nhập tốc độ lại từ đầu. Nếu nhấn nhầm sang các phím RESERVE hoặc FORWARD trước khi nhập đủ 4 số ở phần cài đặt tốc độ thì người dùng hoàn toàn có thể nhấn lại mà không ảnh hưởng đến kết quả.
+ Bước 2: ta nhấn tiếp RESERVE hay FORWARD cho động cơ chạy theo ý muốn. Trong quá trình động cơ quay, vi điều khiển sẽ nhận liên tục nhận xung phát ra từ encoder, tính toán ra tốc độ và so sánh với tốc độ đặt ban đầu để ra quyết định ON_OFF động cơ. Tốc độ nhận về sẽ được so sánh với tốc độ đặt cứ 1ms một lần. Ngoài ra cứ 1s thì vi điều khiển sẽ cập nhật tốc độ thực của động cơ, thể hiện ra 4 led 7 đoạn để người dùng có thể theo dõi và đánh giá.
II. Các yêu cầu của đề tài
- Thông qua đề tài, làm quen với cách thức điều khiển đối tượng động cơ.
- Tìm hiểu thực tế các linh kiện, các loại IC, hoạt động của các loại cảm biến….
- Thiết kế, thi công mạch điều khiển và mạch động lực điều khiển động cơ DC
- Viết chương trình cho vi điều khiển PIC16F877A thực hiện thành công theo yêu cầu đề ra.
- Đánh giá về sai số ,chất lượng hệ thống điều khiển
- Tìm hiểu các hướng phát triển của đề tài, nâng cao chất lượng của hệ thống
Chương II :
Giới thiệu về các linh kiện, phần tử sử dụng trong mạch
I. Vi điều khiển PIC16F877A
1. Khái quát về vi điều khiển PIC16F877A
1.1.Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A
Sơ đồ chân
Sơ đồ nguyên lý
1.2. Nhận xét
Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý ở trên, ta rút ra các nhận xét ban đầu như sau :
- PIC16F877A có tất cả 40 chân
- 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chan thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển.
- 5 port của PIC16F877A bao gồm :
+ PORTB : 8 chân
+ PORTD : 8 chân
+ PORTC : 8 chân
............................................
1.4. Tại sao sử dụng PIC16F877A mà không dùng 8051 cho đề tài
Trong chương trình đào tạo của Trường Đại Học Bách Khoa, em được học và thí nghiệm trên kit của vi điều khiển 8051. Họ vi điều khiển 8051 là một họ vi điều khiển điển hình, phổ biến, dễ sử dụng và lập trình, rất phù hợp với sinh viên mới bắt đầu làm quen đến lập trình cho vi điều khiển. Tuy nhiên, cũng trong quá trình nghiên cứu và thí nghiệm với các chip điều khiển thuộc họ 8051 ( điển hình là 89C51, 89052…), em nhận thấy nó có những nhược điểm cơ bản sau đây :
- Bộ nhớ Ram nội có dung lượng thấp , chỉ có 128 bytes. Điều nàý gây trở ngại lớn khi thực hiện các dự án lớn với vi điều khiển 8051. Để khắc phục ta phải mở rộng thêm làm hạn chế số chân dành cho các ứng dụng của vi điều khiển.
- Số lượng các bộ giao tiếp với ngoại vi được tích hợp sẵn trong 8051 ít, không có các bộ ADC, PWM, truyền dữ liệu song song…. Khi muốn sử dụng các chức năng này, ta phải sử dụng thêm các IC bên ngoài, gây tốn kém và khó thực hiện vì dễ bị nhiễu nếu không biết cách chống nhiễu tốt.
- Ngoài ra còn một số hạn chế khác như số lượng Timer của 8051 ít, chỉ có 2 Timer. Chính điều này làm cho giải thuật khi viết chương trình gặp khó khăn.
Những nhược điểm căn bản trên của 8051, em đã quyết định không dùng vi điều khiển này cho đề tài “điều khiển tốc độ động cơ” của mình.
Với kỳ vọng dựa trên nền tản kiến thức tiếp thu được khi học vi điều khiển 8051, em rất muốn tự bản thân tìm hiểu một họ vi điều khiển mới mạnh hơn, đầy đủ tính năng hơn để trước mắt là phuc vụ tốt cho đồ án , luận văn, sau nữa là cho các dự án trong tương lai nếu em có dịp sử dụng vi điều khiển trong dự án của mình.
Trong quá trình tím kiếm một họ vi điều khiển mới thõa yêu cầu như em đã trình bày trên. Em nhận thấy PIC của hãng Microchip là một lựa chọn lý tưởng. Chỉ cần xem xét qua các port và chức năng của các port mà em đã trình bày ở mục 1.3, ta cũng dễ dàng nhận ra những ưu điểm vượt trội của vi điều khiển này so với 8051.
Giá của PIC16F877A mà em mua trên thị hiện trường là 50000 đồng, mắc hơn 2 lần giá một con chip họ 8051. Việc sử dụng PIC16F877A trong một đề tài không lớn như đề tài “điều khiển tốc độ động cơ” có thể là một lãng phí. Tuy nhiên với mục đích nâng cao kiến thức, nâng cao khả năng tự tìm tòi ,học hỏi qua các kênh thông tin giáo dục khác nhau, nhằm phục vụ mục đích lâu dài sau này, thì đây là một sự lựa chọn hoàn toàn xác đáng. Và trên thực tế, trong một thời gian tương đối ngắn, em đã nắm vững được những mãng kiến thức cơ bản nhất để sử dụng nó tốt trong đề tài của mình.
Trên là toàn bộ nguyên do tại sao em chọn vi điều khiển PIC16F877A cho đề tài đồ án môn học I của mình.
Ở phần tiếp theo của báo cáo đồ án môn học I em sẽ đi sâu giới thiệu những phần mà em đã nghiên cứu được để phục vụ cho việc thực hiện đồ án của mình.
2. Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A
2.1. Cấu trúc phần cứng của PIC16F877A
PIC là tên viết tắt của “ Programmable Intelligent computer” do hãng General Instrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ. Hãng Micrchip 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, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế. Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC có thể học tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình.
Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau :
- 8K Flash Rom
- 368 bytes Ram
- 256 bytes EFPROM
- 5 port vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập
- 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 kiệm năng lượng với nguồn xung clock ngoài
- 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 vi điều khiển 16F877A
2.2. Tổ chức bộ nhớ PIC16F877a
2.2.1. Bộ nhớ chương trình
Bộ nhớ chương trình PIC16F877A
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ Flash, dung lượng 8K word (1 word chứa 14bit) và được phân thành nhiều trang như hình trên.
Để mã hóa được địa chỉ 8K word bộ nhớ chương trình, thanh ghi đếm chương trình PC có dung lượng 13 bit.
Khi vi điều khiển reset, bộ đếm chương trình sẽ trỏ về địa chỉ 0000h. Khi có ngắt xảy ra thì thanh ghi PC sẽ trỏ đến địa chỉ 0004h.
Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ Stack và không được địa chỉ hóa bởi bộ đém chương trình.
2.2.2. Bộ nhớ dữ liệu
Bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được chia thành 4 bank. Mỗi bank có dụng lượng 128 byte.
Nếu như 2 bank bộ nhớ dữ liệu của 8051 phân chia riêng biệt : 128 byte đầu tiên thuộc bank1 là vùng Ram nội chỉ để chứa dữ liệu, 128 byte còn lại thuộc bank 2 là cùng các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR mà người dùng không được chứa dữ liệu khác trong đây thì 4 bank bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A được tổ chức theo cách khác.
Mỗi bank của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A bao gồm cả các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR nằm ở các các ô nhớ địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích dùng chung GPR nằm ở vùng địa chỉ còn lại của mỗi bank thanh ghi. Vùng ô nhớ các thanh ghi mục đích dùng chung này chính là nơi người dùng sẽ lưu dữ liệu trong quá trình viết chương trình. Tất cả các biến dữ liệu nên được khai báo chứa trong vùng địa chỉ này.
Trong cấu trúc bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A, các thanh ghi SFR nào mà thường xuyên được sử dụng (như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cả các bank để thuận tiện trong việc truy xuất. Sở dĩ như vậy là vì, để truy xuất một thanh ghi nào đó trong bộ nhớ của 16F877A ta cần phải khai báo đúng bank chứa thanh ghi đó, việc đặt các thanh ghi sử dụng thường xuyên giúp ta thuận tiên hơn rất nhiều trong quá trình truy xuất, làm giảm lệnh chương trình.
Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A
Dựa trên sơ đồ 4 bank bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A ta rút ra các nhận xét như sau :
-Bank0 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 00h đến 77h, trong đó các thanh ghi dùng chung để chứa dữ liệu của người dùng địa chỉ từ 20h đến 7Fh. Các thanh ghi PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE đều chứa ở bank0, do đó để truy xuất dữ liệu các thanh ghi này ta phải chuyển đến bank0. Ngoài ra một vài các thanh ghi thông dụng khác ( sẽ giới thiệu sau) cũng chứa ở bank0
- Bank1 gồm các ô nhớ có địa chỉ từ 80h đến FFh. Các thanh ghi dùng chung có địa chỉ từ A0h đến Efh. Các thanh ghi TRISA, TRISB, TRISC, TRISD, TRISE cũng được chứa ở bank1
- Tương tự ta có thể suy ra các nhận xét cho bank2 và bank3 dựa trên sơ đồ trên.
Cũng quan sát trên sơ đồ, ta nhận thấy thanh ghi STATUS, FSR… có mặt trên cả 4 bank. Một điều quan trọng cần nhắc lại trong việc truy xuất dữ liệu của PIC16F877A là : phải khai báo đúng bank chứa thanh ghi đó. Nếu thanh ghi nào mà 4 bank đều chứa thì không cần phải chuyển bank.
2.2.3. Một vài thanh ghi chức năng đặc biệt SFR
Thanh ghi STATUS: thanh ghi này có mặt ở cả 4 bank thanh ghi ở các địa chỉ 03h, 83h, 103h và 183h : chứa kết quả thực hiện phép toán của khối ALU, trạng thái reset và các bit chọn bank cần truy xuất trong bộ nhớ dữ liệu.
Thanh ghi OPTION_REG : có mặt ở bank2 và bank3 có địa chỉ 81h và 181h. Thanh ghi này cho phép đọc và ghi, cho phép điều khiển chức năng pull_up của các chân trong PORTB, xác lập các tham số về xung tác động, cạnh tác động của ngắt ngoại vi và bộ đếm Timer0
Thanh ghi INTCON : có mặt ở cả 4 bank ở địa chỉ 0Bh,8Bh,10Bh,18Bh. Thanh ghi cho phép đọc và ghi, chứa các bit điều khiển và các bit báo tràn timer0, ngắt ngoại vi RB0/INT và ngắt khi thay đổi trạng thái tại các chân của PORTB.
Thanh ghi PIE1 :địa chỉ 8Ch, chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của các khối chức năng ngoại vi.
Thanh ghi PIR1 : địa chỉ 0Ch, chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE1.
Thanh ghi PIE2 : địa chỉ 8Dh, chứa các bit điều khiển các ngắt của các khối chức năng CCP, SSP bú, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM.
Thanh ghi PIR2: địa chỉ 0Dh, chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE2
Thanh ghi PCON : địa chỉ 8Eh, chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế độ reset của vi điều khiển.
2.3. Thanh ghi W(work) và tập lệnh của PIC16F877A
2.3.1. Thanh ghi W
Đây là thanh ghi rất đặc biệt trong PIC16F877A. Nó có vai trò tương tự như thanh ghi Accummulator của 8051, tuy nhiên tầm ảnh hưởng của nó rộng hơn rất nhiều.
Tập lệnh của PIC16F877A có tất cả 35 lệnh thì số lệnh có sự “góp mặt” của thanh ghi W là 23 lệnh. Hầu hết các lệnh của PIC16F877A đều liên quan đến thanh ghi W. Ví dụ như, trong PIC chúng ta không được phép chuyển trực tiếp giá trị của một thanh ghi này qua thanh ghi khác mà phải chuyển thông qua thanh ghi W.
Thanh ghi W có 8 bit và không xuất hiện trong bất kỳ bank thanh ghi nào của bộ nhớ dữ liệu của 16F877A. Mỗi dòng lệnh trong PIC16F877a được mô tả trong 14 bit. Khi ta thực hiện một lệnh nào đó, nó phải lưu địa chỉ của thanh ghi bị tác động (chiếm 8 bit) và giá trị một hằng số k nào đó (thêm 8 bit nữa) là 16 bit, vượt quá giới hạn 14 bit. Do vậy ta không thể nào tiến hành một phép tính toàn trực tiếp nào giữa 2 thanh ghi với nhau hoặc giữa một thanh ghi với một hằng số k. Hầu hết các lệnh của PIC16F877A đều phải liên quan đến thanh ghi W cũng vì lý do đó. Khi thực hiện một dòng lệnh nào đó, thì PIC sẽ không phải tốn 8 bit để lưu địa chỉ của thanh ghi W trong mã lệnh ( vì được hiểu ngầm). Có thể xem thanh ghi W là thanh ghi trung gian trong quá trình viết chương trình cho PIC16F877A.
2.3.2. Tập lệnh của PIC16F877A
PIC16F877A có tất cả 35 lệnh và được trình bày khá rõ trong datasheet. Em sẽ đính kèm tập lệnh ở phần cuối cùng của bài báo cáo.
Trong chương trình, em sử dụng ngôn ngữ asembly để viết. Trình biên dịch là Mplab được Microchip cung cấp miễn phí cho người dùng.
2.4. Các vấn đề về Timer
PIC16F877A có tất cả 3 timer : timer0 (8 bit), timer1 (16 bit) và timer2 (8 bit).
Timer0
Sơ đồ khối của Timer0
Cũng giống như 8051, Timer0 của 16F877A cũng có 2 chức năng : định thời và đếm xung. 2 chức năng trên có thể được lựa chọn thông qua bit số 5 TOCS của thanh ghi OPTION.
Ngoài ra, ta cũng có thể lựa chọn cạnh tích cực của xung clock, cạnh tác động ngắt…thông qua thanh ghi trên.
Timer0 được tích hợp thêm bộ tiền định 8 bit (prescaler), có tác dụng mở rộng “dung lượng” của Timer0. Bộ prescaler này có thể được điều chỉnh bởi các 3 bit PS2:PS0 trong thanh ghi OPTION. Nó có thể có giá trị 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64, 1:128, 1:256 tùy thuộc vào việc thiết lập các giá trị 0 ,1 cho 3 bit trên.
Bộ tiền định có giá trị 1:2 chẳng hạn ,có nghĩa là : bình thường không sử dụng bộ tiền định của Timer0 (đồng nghĩa với tiền định tỉ lệ 1:1) thì cứ khi có tác động của 1 xung clock thì timer0 sẽ tăng thêm một đơn vị. Nếu sử dụng bộ tiền định 1:4 thì phải mất 4 xung clock thì timer0 mới tăng thêm một đơn vị. Vô hình chung, giá trị của timer0 (8 bit) lúc này không còn là 255 nữa mà là 255*4=1020.
Các thanh ghi liên quan đến Timer0 bao gồm :
- TMR0 : chứa giá trị đếm của Timer0
- INTCON : cho phép ngắt hoạt động
- OPTION_REG : điều khiển prescaler
Timer1
Sơ đồ khối của Timer1
Timer1 là bộ định thời 16 bit, giá trị của Timer1 sẽ được lưu trong hai thanh ghi 8 bit TMR1H:TMR1L. Cờ ngắt của Timer1 là bit TMR1IF, bit điều khiển của Timer1 là TRM1IE.
Cặp thanh ghi của TMR1 sẽ tăng từ 0000h lên đến FFFFh rồi sau đó tràn về 0000h. Nếu ngắt được cho phép, nó sẽ xảy ra khi khi giá trị của TMR1 tràn từ FFFFh rồi về 0000h, lúc này TMR1IF sẽ bật lên.
Timer1 có 3 chế độ hoạt động :
- Chế độ hoạt động định thời đồng bộ : Chế độ được lựa chọn bởi bit TMR1CS. Trong chế độ này xung cấp cho Timer1 là Fosc/4, bit T1SYNC không có tác dụng.
- Chế độ đếm đồng bộ : trong chế độ này, giá trị của timer1 sẽ tăng khi có xung cạnh lênh vào chân T1OSI/RC1. Xung clock ngoại sẽ được đồng bộ với xung clock nội, hoạt động đồng bộ được thực hiện ngay sau bộ tiền định tỉ lệ xung (prescaler).
- Chế độ đếm bất đồng bộ :chế độ này xảy ra khi bit T1SYNC được set. Bộ định thời sẽ tiếp tục đếm trong suốt quá trình ngủ của vi điều khiển và có khả năng tạo một ngắt khi bộ định thời tràng và làm cho Vi điều khiển thoát khỏi trạng thái ngủ.
Timer2 : là bộ định thời 8 bit bao gồm một bộ tiền định (prescaler), một bộ hậu định Postscaler và một thanh ghi chu kỳ viết tắt là PR2. Việc kết hợp timer2 với 2 bộ định tỉ lệ cho phép nó hoạt động như một bộ đinh thời 16 bit. Module timer2 cung cấp thời gian hoạt động cho chế độ điều biến xung PWM nếu module CCP được chọn.
Sơ đồ khối của Timer2
II. Motor Driver L293D :
L293D là IC dùng để điều khiển cùng 1 lúc 2 động cơ nhỏ. Trong đề tài của mình, em chỉ dùng nó để điều khiển một động cơ.
Dòng giới hạn của L293 là 600mA.
Sơ đồ chân của L293
Sơ đồ hoạt đông của L293D
Bảng điều khiển các chân chức năng của L293D
|
ENABLE |
DIRA |
DIRB |
Function |
|
High |
High |
low |
Quay phải |
|
High |
low |
high |
Quay trái |
|
High |
Low/high |
Low/high |
Dừng nhanh |
|
Low |
|
|
Dừng chậm |
Trong đồ án , em sử dụng 3 chân của PortC để điều khiển 3 chân DIR1A, DIR1B và EN1 và làm quay động cơ M1. Kết quả thu được khá tốt.
III. Các IC khác
IC74LS138
Em sử dụng IC này để chọn led được hiển thị. Đây là IC có chức năng phân kênh, từ tín hiệu mã hóa đầu vào có thể chọn được một trong 8 kênh đầu ra khác nhau (chân được chọn tích cực mức 0).
Sơ đồ chân :
Sơ đồ nguyên lý:
3 chân A, B, C được mã hóa để chọn kênh đầu ra. Các chân G2A, G2B (tích cực thấp) và G1 (tích cực cao) là các chân cho phép. Y0:Y7 là các ngõ ra.
Bảng chân trị
IC74LS47: có chức năng chuyển từ BCD sang mã để hiển thị ra led 7 đoạn.
Sơ đồ kết nối
Các chân A3:A0 là để đưa tín hiệu mã BCD. Các chân a,b,c,d,e,f,d là tín hiệu output mã led 7 đoạn (tích cực mức thấp).
Bảng chân trị
IV. Đối tượng điều khiển : Động cơ DC
Đây cà động cơ em sử dụng trong đề tài :
Bên trong động cơ có gắn một encoder đồng trục với nó dùng để xác định tốc độ và vị trí của động cơ.
Các thông số của động cơ như sau:
+ Điện áp DC cấp cho động cơ : 24VDC
+ Tốc độ tối đa 4000 vòng/phút
+ Số xung của encoder 108xung/vòng
+ Điện cảm L=102mH
Động cơ có tất cả 6 dây ra :
+ 2 dây cung cấp nguồn 24 V cho đông cơ
+ 2 dây nguồn 5V cung cấp áp cho encoder
+ 1 dây tín hiệu kênh A và 1 dây kênh A bù đưa xung encoder ra ngoài
Phương pháp điều khiển : Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi áp cấp vào cho động cơ.
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 I em xin trình bày phần nguyên lý loại encoder trong đề tài mà em sử dụng : incremental encoder.
Mô hình thứ 1
Incremental encoder về cơ bản là một đĩa tròn quay quanh một trục được đục lỗ như hình trên.
Ở 2 bên mặt của cái đĩa tròn đó, sẽ có một bộ thu phát quang. Trong quá trình encoder quay quanh trục, nếu gặp lỗ rống thì ánh sáng chiếu qua được, nếu gặp mãnh chắn thì tia sáng không chiếu quá được. Do đó tín hiệu nhận được từ sensor quang là một chuổi xung. Mỗi encoder được chế tạo sẽ biết sẵn số xung trên 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 mô hình ở trên. Tuy nhiên, mô hình trên có nhược điểm lớn là : ta không thể xác định được động cơ quay trái hay quay phải, vì có quay theo chiều nào đi nữa thì chỉ có một dạng xung đưa ra. Ngoài ra điểm bắt đầu của động cơ, ta cũng không thể nào biết được.
Cải tiến mô hình 1 bằng mô hình 2 như sau:
Mô hình thứ 2
Trong mô hình này, người ta đục tất cả là 2 vòng lỗ. Vòng ngoài cùng giống như mô hình 1, vòng giữa pha so với vòng ngoài là 90 độ. Khi đó, dạng xung ra từ 2 vòng trên như sau :
Hai xung đưa ra từ 2 vòng lệch nhau 90 độ, nếu vòng ngoài nhanh pha hơn vòng trong thì chắc chắn động cơ quay từ trái sang phải và ngược lại.
Một lỗ ở vòng trong cùng dùng để phát hiện điểm bắt đầu của động cơ. Có thể viết chương trình cho vi điều khiển nhận biết : nếu có một xung phát ra từ vòng trong cùng này, tức là động cơ đã quay đúng một vòng.
Với những đặc tính trên, encoder dùng rất phổ biến trong việc xác định vị trí góc của động cơ…..
Vấn đề quan trọng trong việc tìm mua những loại động cơ có gắn encoder như thế này để làm đồ án đối với sinh viên là : cặp mắt quang 2 bên encoder để tạo xung thường bị chết và không có đồ thay thế.
Một loại encoder thứ 2 cũng phổ biến hiện nay, đó là :absolute encoder.
Mô hình đĩa quang của loại này như sau:
Chương III :
Nguyên lý hoạt động của một số module trong mạch
I.Mạch nguồn 5 V chuẩn cung cấp cho vi điều khiển và nguồn 24 cung cấp cho động cơ.
1. Sơ đồ nguyên lý
2. Giải thích nguyên lý hoạt động
Từ trái sang :
- Dùng biến áp để chuyển từ nguồn 220VAC sang 24VAC cung cấp vào module mạch nguồn trên.
- Cầu diode D1 BRIDGE dùng để nắn dòng xoay chiều thành một chiều. Khối mạch gồm các linh kiện D14007 D8, D14007 D12, Q1 C1815, R3 2.2k, R5 100k, Led D3 dùng để báo hiệu có nguồn cung cấp ở đầu vào.
- Các tụ trong mạch này đều có tác dụng lọc nhiễu nguồn vào , cũng như lọc nhiễu nguồn đầu ra. Làm cho nguồn tương đối ổn định, không bị ảnh hưởng nhiều bởi tải (tải nhỏ).
- Transitor công suất Q2SA1302 dùng để kéo dòng cho 2 nguồn 24 V và 12V tránh hiện tượng sụt áp trên tải do dòng yếu.
- Các IC 7824, 7812, 7805 là 3 IC ổn áp, lần lượt ổn áp 24V, 12V và 5V ở đầu ra.
- 3 led D14, D15, D16 để hiển thị có áp ở đầu ra.
II. Khối mạch reset vi điều khiển PIC16F877A
1.Sơ đồ nguyên lý
2. Giải thích
Vi điều khiển 16F877A hoạt động khi chân số 1 MCLR ở mức 1 và bị reset khi bị clear về mức 0.
Với mạch reset ở trên, bình thường phím nhấn hở ra, chân reset mức 1 , vi điều khiển hoạt động. Khi nhấn phím xuống, chân 1 chạm đất bị clear về 0, vi điều khiển được reset trở lại trạng thái ban đầu. ( thanh ghi PC trỏ địa chỉ 0000h trong bộ nhớ chương trình).
III. Khối mạch quét phím
1.Sơ đồ nguyên lý
2. Giải thích kết nối
Sử dụng PORTD của vi điều khiển để thực hiển quét phím. Các chân 6,5,4 kết nối thành 3 cột (colums), các chân 3,2,1,0 kết nối thành 4 hàng (rows), chân 7 bỏ trống.
Thiết lập các chân rows là chân input, chân cols là chân output. Kéo các điện trở lên nguồn ở rows để xác định đúng mức logic bên ngoài đưa vào vi điều khiển.
3. Giải thuật quét phím
b1: Kiểm tra có kẹt phím nào không. Nếu không bị kẹt phím thì qua bước 2.
b2: Tiến hành quét phím, xem thử phím nào nhấn, lấy mã phím đó về lưu trong biến key.
b3: Mỗi giá trị biến key đại diện cho một phím trên bàn phím. Ứng với mỗi biến key, ta đặt ra một phím hiển thị trên led mong muốn.
b4: Tra bảng để đổi giá trị biến key sang mã BCD chuẩn bị đưa vào 7447 để đổi dang mã led 7 đoạn.
b5 : Lặp lại bước 1 để nhấn đúng phím tiếp theo.
IV. Giải thuật điều khiển ON_OFF động cơ DC
1.Sơ đồ nguyên lý
Nối 2 chân 3 và 6 của L293D vào 2 dây nguồn của động cơ. Sử dụng 2 bit RC6 và RC7 của PORTC vi điều khiển nối vào 2 chân 2 và 7 của L293D để điều khiển chiều quay. Bit RC5 là bit cho phép động cơ hoạt động. Chân RA4 được định ở chế độ input để nhận xung từ encoder truyền về.
2. Giải thuật điều khiển
b1: Đặt 2 bit RC6 và RC7 là 0, 1 hoặc ngược lại để xác định chiều quay của động cơ. Bật bit RC5 lên 1 cho phép động cơ quay.
b2: Dùng Timer1 định thời gian 1ms, Timer0 ở chế độ đếm xung từ encoder. Cứ sau mỗi 1ms ( thời gian lấy mẫu) ngắt timer1 xảy ra, trong chương trình phục vụ ngắt của timer1, tiến hành đọc xung của encoder chứa trong thanh ghi TMR0 của timer0.
b3 : Từ số xung của Timer0 trong 1ms, ta tính toán được tốc độ hiện tại của động cơ.
b4 : Thực hiện phép trừ giữa tốc độ đặt và tốc độ đo được. Nếu hiệu số lớn hơn 0 ( không có nhớ) thì cho động cơ tiếp tục chạy, nếu hiệu số nhỏ hơn 0 (cờ nhớ lên 1) thì tiến hành tắt động cơ bằng cách cho bit EN=0.
b5: Cứ sau 1s thì hiện tốc độ của động cơ ra led 7 đoạn một lần.
b6: Lặp lại liên tục quá trình trên, ta có tốc độ đo dao động xung quanh tốc độ đặt.
Chương IV
Chương trình viết bằng Assembly điều khiển ON_OFF động cơ DC
Phần chương trình sẽ được em trình bày trong buổi bảo vệ đồ án môn học. Các phần đánh giá chất lượng điều khiển , nhận xét v.v… sẽ được em trình bày trong bài báo cáo chính thức và trong buổi bảo vệ đồ án môn học.
Tài liệu tham khảo
- Hồ Trung Mỹ. Vi xử lý. Nhà xuất bản đại học Quốc Gia
- Microchip. Datasheet 16F877A
- Trương Sa Sanh (chủ biên). Kỹ Thuật điện Đại Cương. Nhà xuất bản đại học Quốc Gia
- Nguyễn Thị Phương Hà. Lý Thuyết điều khiển Tự Động. Nhà xuất bản đại học quốc gia.
- Các tài liệu từ internet, từ diễn đàn và các luận văn của các anh chị khóa trên.
Mục lục
Đề mục trang
Lời cảm ơn…………………………………………………………………………………………… 1
Chương I : Giới thiệu về đề tài…………………………………………………………………… 2
I. Tóm tắt đề tài đồ án môn học I …………………………………………………………… 2
1. Giới thiệu các module mạch của đề tài……………………………………….. 2
2. Sơ đồ nguyên lý kết nối các module trong mạch …………………… 3
3. Cách vận hành mạch …………………………………………………………………………….. 3
II. Các yêu cầu của đề tài ………………………………………………………………………… …………. 4
Chương II : Giới thiệu về các linh kiện, phần tử sử dụng trong mạch……………. 5
I. Vi điều khiển PIC16F877A ………………………………………………………………………………. 5
1. Khái quát về vi điều khiển PIC16F877A………………………………………. 5
1.1. Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A……………… 5
1.2. Nhận xét ……………………………………………………………………………………………. 6
1.3. Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A……………… 7
1.4. Tại sao sử dụng PIC16F877A ………………………………………………….. 8
2. Tìm hiểu về vi điều khiển PIC16F877A ………………………………………... 10
2.1. Cấu trúc phần cứng của PIC16F877A………………………………….. 10
2.2. Tổ chức bộ nhớ PIC16F877a……………………………………………………… 13
2.2.1.Bộ nhớ chương trình…………………………………………………………….. 13
2.2.2. Bộ nhớ dữ liệu ………………………………………………………………………. 14
2.2.3. Một vài thanh ghi chức năng đặc biệt SFR……………… 16
2.3. Thanh ghi W(work) và tập lệnh của PIC16F877A…………. 18
2.3.1. Thanh ghi W………………………………………………………………………….. 18
2.3.2. Tập lệnh của PIC16F877A……………………………………………… 18
2.4. Các vấn đề về Timer ……………………………………………………………… 18
II. Motor Driver L293D ………………………………………………………………………………………… 22
III. Các IC khác ………………………………………………………………………………………………………… 24
IV. Đối tượng điều khiển : Động cơ DC ………………………………………………………….. 27
Chương III :Nguyên lý hoạt động của một số module trong mạch …………… …… 31
I.Mạch nguồn 5 V chuẩn cung cấp cho vi điều khiển và nguồn 24 cung cấp cho động cơ………… …… 31
II. Khối mạch reset vi điều khiển PIC16F877A………………………………………….. 32
III. Khối mạch quét phím………………………………………………………………………………………… 33
IV. Giải thuật điều khiển ON_OFF động cơ DC…………………………………….. …… 34
Chương IV:Chương trình viết bằng Assembly điều khiển ON_OFF
động cơ DC………………………………………………………………… 36
Phụ lục: Tập lệnh PIC16F877A………………………………………………………………………………………… 37
