Tài liệu điều khiển động cơ 1 chiều và truyền thông máy tính

Lời mở đầu Ngày nay, xã hội ngày càng phát triển, cuộc sống của con người ngày càng được nâng cao. Sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật càng giúp công việc được thực hiện một cách đơn giản và hiệu quả hơn. Một trong số những ví dụ đó là điều khiển tự động. Rất nhiều các thiết bị được điều khiển tự động bằng các vi điều khiển, từ các dây truyền sản xuất trong các nhà máy cho tới các thiết bị gia dụng trong gia đình. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thì các bộ vi xử lí ngày càng phổ biến và được ứng dụng rộng rãi. Vì vậy, việc áp dụng các tiến bộ này vào trong cuộc sống là rất quan trọng. Xuất phát từ thực tế trên, nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài “ Điều khiển động cơ 1 chiều và truyền thông máy tính” làm đề tài cho Đồ án I. Vận dụng những kiến thức đã học về vi điều khiển 8051, mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự số, các tính chất cơ bản của các linh kiện điện tử khác, kĩ năng thiết kế và lắp mạch điện tử… cũng như sự hướng dẫn của cô Nguyễn Thị Huế . Trong quá trình thực hiện, chúng em còn nhiều thiếu sót, mong cô chân thành góp ý để chúng em hoàn thiện hơn trong các bài toán sau này. Trân trọng và chân thành cảm ơn ! 1 Mục Lục DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1 : PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 1. KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH BÀI 1.1.Bài toán đặt ra 1.2.Hướng giải quyết 2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP 2.1. Giải pháp công nghệ 2.2.Giải pháp thiết kế 2.3.Giới hạn cho mạch điều khiển CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT 2. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 3. LỰU CHỌN LINH KIỆN 3.1. LED 7seg 4 số 3.2. Giới thiệu về L298 (IC mạch cầu H) 3.3. Động cơ encoder 334 xung mini 3.4. Vi điều khiển AT89C51 3.5. USB TO COM PL2303 V2 Chương 3 : XÂY DỰNG HỆ THỐNG 1.THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÍ 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. Khối Động cơ và encoder 334 xung Khối nút nhấn và điều khiển ( Vi điều khiển , Modul điều khiển động cơ L298 , Computer ) Khối hiển thị LED 7SEG 4 số Khối nguồn 2.THIẾT KẾ PHẦN MỀM 2.1. Sử dụng phầm mềm Keil C để lập trình cho vi điều khiển 8051 2.2. Giao tiếp với máy tính và viết giao diện bằng Visual bassi 6 (VB6) 2 3. MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA PHẦN MỀM 4. MẠCH THỰC TẾ VÀ THỬ NGHIỆM KẾT LUẬN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 3 Danh mục hình ảnh Hình 1 : Sơ đồ tổng quát Hình 2 : Lưu đồ thuật toán Hình 3 : Nguyên lí led 7 thanh Hình 4: Sơ đồ chân của led 7 thanh Hình 5: LED 7 thanh 4 số Hình 6: Dạng đóng vỏ của L298 Hình 7 : Các giá trị đặc trưng Hình 8: Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong Hình 9 : Chức năng các chân của L298 Hình 10: Hình ảnh thực tế của động cơ DC và encoder Hình 11 : Cấu tạo bên trong của động cơ điện một chiều Hình 12 : Cấu tạo của enoder kiểu cảm ứng Hình 13 : .Cấu tạo trong của encoder tương đối Hình 14: Vị trí đặt của hai LED phát nguồn sáng , tạo tín hiệu có pha vuông góc Hình 15 :.Dạng tín hiệu cầu phương thu được ở bộ tách sóng quang khi động cơ quay Hình 16: Dạng tín hiệu lập mã quang khi động cơ có chiều quay phải ( cùng chiều kim đồng hồ) Hình 17:.Dạng tín hiệu lập mã quang khi động cơ có chiều quay trái ( ngược chiều kim đồng hồ) Hình 18: Các đặc tính cơ bản của 8051 đầu tiên Hình 19: Sơ đồ khối của bộ điều khiển 8051 Hình 20: Sơ đồ chân của 8051 Hình 21: Sơ đồ mạch reset ngoài của 8051 Hình 22 : Port 3 của vi điều khiển 8051 Hình 23: Mạch dao động cấp cho 8051 Hình 24: Nối điện trở cho cổng 0 của 8051 Hình 25: USB TO COM PL2303 V2 4 Hình 26 : Kiểm tra kết nốt driver Hình 27 : Mạch nguyên lí đo và điều khiển tốc độ động cơ Hình 28 : Khối động cơ và encoder Hình 29 : Khối nút nhấn và điều khiển Hình 30 : Khối hiển thị LED 7SEG 4 số Hình 31 : Khối nguồn ngoài 12V Hình 32 : Giao diện thiết kế giao tiếp với máy tính bằng Visual bassic 6 Hình 33 : Giao diện thiết kế giao tiếp với máy tính bằng Visual bassic 6 Hình 34 : Giao diện thiết kế giao tiếp với máy tính bằng Visual bassic 6 Hình 35: Kiểm tra kết nối cổng COM Hình 36 : Mạch mô phỏng bằng phần mềm proteus Hình 37 :Mạch thực tế và thử nghiệm 5 6 Chương 1 : Phân tích bài toán 1.KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH BÀI 1.1. Bài toán đặt ra - Thiết kế một mạch điện điều khiển động cơ DC 12 V với các yêu cầu quoay thuận,quoay nghịch, tăng tốc,giảm tốc ,khởi động và dừng động cơ . - Thực hiển thao tác điều chỉnh các chức năng trên thông qua các nút ấn trên mạch và trên máy tính bao gồm : nút khởi động động cơ , nút điều khiển quay thuận, nút điều khiển quay ngược, nút tăng tốc, nút giảm tốc , và nút dừng động cơ, thông qua các nút ấn này cho phép ta có thể điều chỉnh động cơ làm việc ở 1 tốc độ như mong muốn. - Hệ thống cho phép hiện thị tốc độ làm việc có thể sử dụng LCD hoặc LED 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 bao nhiêu trên LED 7 đoạn. - Thông qua đề tài, làm quen với cách thức, nguyên lý điều khiển đối tượng động cơ 1 chiều , truyền thông nối tiếp uart với máy tính . 1.2.Hướng giải quyết 1.2.1. Vi điều khiển - Có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau có thể sử dụng trong mạch đo và điều khiển nhiệt độ này như vi điều khiển pic, avr, 8051… - Các loại vi điều khiển PIC hay AVR có nhiều ưu điểm hơn so với 8051 như hỗ trợ kết nối ngoại vi tốt hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn, lập trình đơn giản hơn. Nhưng giá thành thì lại cao hơn nhiều so với 8051 mà trong mạch này chúng em sử dụng AT89C51. Việc sử dụng quá tốn kém cho 1 mạch là không cần thiết trong khi đó một chip cũng có thể làm được điều này mà giá thành rẻ hơn thì đó là lựa chọn tối ưu hơn. 1.2.2. Động cơ - Lựa chọn động cơ encoder 334 xung mini .Trên trục động cơ có gắn một đĩa tròn có khoét các lỗ tròn để cho ánh sáng từ led phát quang có thể đi qua tới con mắt thu quang để có thể đo được tốc độ động cơ 1.2.3. Hiển thị - Led 7 thanh: 7  Ưu điểm: hiển thị rõ ràng và thu hút được sự chú ý vì có thể nhìn ở xa.  Nhược điểm: mạch điện phức tạp cần thêm các IC chốt. - LCD 16x2:  Ưu điểm: hiển thị dễ dàng, có thể linh động hơn trong việc hiển thị thời gian,kết nối đơn giản mạch điện không phức tạp…  Nhược điểm: không thu hút được sự chú ý bằng led 7 thanh,giá thành cao… 1.2.4. Mạch điều khiển - Sử dụng modul L298N gồm 2 mạch cầu chữ H để điều khiển động cơ 2.LỰA CHỌN GIẢI PHÁP 2.4. Giải pháp công nghệ Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải ra giải pháp sử dụng vi điều khiển 8051, Modul L298N , động cơ encoder 334 xung ,LED 7seg 4 số để giải quyết bài toán đo và điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều. 2.5. Giải pháp thiết kế Việc lựa chọn giải pháp thường được xem xét trên nhiều phương diện nhưng quan trọng là giải pháp có khả thi không? Có phù hợp với với thực tế và thỏa mãn yêu cầu về kinh tế? Mạch đo và điều khiển tốc độ động cơ với bộ não điều khiển là AT89C51 và các linh kiện khác: LED 7 seg 4 số hiển thị, model L298N , USB TO COM . - AT89S52 có các ưu điểm: tính năng và tốc độ đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật trong ứng dụng không đòi hỏi cao; giá thành thấp hơn họ vi điều khiển khác; có hỗ trợ lập trình điều khiển bằng cả hợp ngữ và C... - Modul L298N tích hợp 2 mạch cầu chữ H để có thể điều khiển 2 động cơ cùng 1 lúc. - USB TO COM PL2303 V2 - Màn hình LED 7 thanh 4 số để hiện thị tốc độ và led để hiện thị chiều quay của động cơ tiết kiệm chi phí hơn . Vì vậy giải pháp thiết kế mạch đo và điều khiển tốc độ động cơ dùng các linh kiện trên giải quyết được bài toán đặt ra đồng thời đảm bảo được yêu cầu về kinh tế. 2.6. Giới hạn cho mạch điều khiển - Sử dụng nguồn điện 5V cho mạch điều khiển và 12V cho mạch lực . 8 - Kích thước phù hợp , hệ thống nhỏ gọn, chắc chắn, tính tin cậy cao. Chương 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT Hiển thị LED 7 Thanh 4 Số Nút nhấn Vi điều khiển 8051 Nguồn 5V Nguồn 12V Module điều khiển động cơ L298 Xung điện Computer Hình 1 : Sơ đồ tổng quát 9 Động cơ DC 12V Encoder 2.LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN start Khởi tạo: -Timer 0: Chế độ mode 1 - Timer 1: Chế độ mode 2 -Timer 2 : Chế độ mode 1 Kiểm tra nút nhấn STAR Đ S TR2=1 Đ TT QN QT S PWM Đ S Đ Tín hiệu ĐK Động Cơ S Đ Động cơ Xung encoder Hình 2 : Lưu đồ thuật toán Z Ngắt timer0 count ++ count ==12 Hien thi 10 STOP GT S Đ END S 3. LỰA CHỌN LINH KIỆN 3.1. LED 7seg 4 số Led 7seg có thể coi là một tập hợp của 7 led đơn ghép lại dưới dạng các thanh tạo ra .Có hai loại led 7 thanh là loại catot chung và loại anot chung. 8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện. 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện. Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0. Nếu led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1. Hình 3 : Nguyên lí led 7 thanh Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led. Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều khiển. Sơ đồ vị trí các chân được bố chí như sau: Hình 4: Sơ đồ chân của led 7 thanh Thông số kĩ thuật Led 7 thanh 4 số Anot chung :  4 Dot , 12 chân  Điện áp rơi trên led là 2.2 V  Dòng tối đa chạy qua mỗi led là 25mA 11  Dòng chạy bình thường : 10mA .Nếu nguồn 5V thì mỗi led phải nối với 1 điện trở 330Ω ( Dòng chạy qua mỗi led là 13mA ) Hình 5: LED 7 thanh 4 số 3.2. Giới thiệu về L298 (IC mạch cầu H). IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15) và POWERSO20 (linh kiện dán công suất). IC L298 là một mạch cầu đôi (dual fullbridge) có khả năng hoạt động ở điện áp cao,dòng cao.     Điện áp cấp lên tới 46V Tổng dòng một chiều chịu được tới 4A Điện áp bão hòa Chức năng bảo vệ quá nhiệt 12  Logic 0 từ 1.5V trở xuống Hình 6: Dạng đóng vỏ của L298. Hình 7 : Các giá trị đặc trưng  Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong: 13 Hình 8: Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong MW.15 1,15 powerSO 2,19 Tên senseA ,senseB Out 1,out 2 VSS 2,3 4 4,5 6 5,7 7,9 6,11 8,14 8 GND 9 1,10,11,2 0 12 10,12 13,15 13,14 15,17 - 3,18 Input 3 ,input 4 Out 3, Out 4 N.C Input1, Input 2 enableA enableB VSS Chức năng Chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND để điều khiển dòng tải Ngõ ra của cầu A , dòng của tải mắc giữa hai chân này được quy định bởi chân 1. Chân cấp nguồn cho tầng công suất.cần có một tụ điện 100nF nối giữa chân này với chân GND Chân ngõ vào của cầu A,tương thích chuẩn TTL. Chân ngõ vào enable(cho phép) tương thích chuẩn TTL.mức thấp ở chân này sẽ cấm ngõ ra cầu A (đói với chân enableA)hoặc cầu B (với enableB). Chân đất (ground) Cấp nguồn cho khối logic,cần 1 tụ 100nF nói giữa chân này với GND. Các chân ngõ vào cầu B Ngõ ra của cầu B,dòng của tải mắc giữa hai chân này được quy định bởi chân 15. Không kết nối (bỏ ngỏ) Hình 9 : Chức năng các chân của L298 3.3 Động cơ encoder 334 xung mini 14 3.3.1. Động cơ điện một chiều DC. Hình 10: Hình ảnh thực tế của động cơ DC và encoder Hình 11 : Cấu tạo bên trong của động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I. Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp. Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh 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). 3.3.2. Cấu tạo và phân loại encoder. 3.3.2.1. Phân loại. Gồm : 15  Encoder kiểu cảm ứng.  Encoder tương đối (encoder đếm xung). 3.3.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mội loại encoder. a) Encoder kiểu cảm ứng.( Absolute encoder)  Cấu tạo : - Gồm một nam châm vĩnh cửu N-S trên có một cuộn dây. - Một bánh răng trên đó có p răng.bánh răng được gắn trên trục quoay của động cơ. Hình 12 : Cấu tạo của enoder kiểu cảm ứng  Nguyên lý hoạt động. Khi động cơ quoay với tốc độ n(vong/phút) thì bánh răng cũng quoay với tốc độ n(vong/phut) → thì từ thông của nam châm vĩnh cửu gửi qua cuộn dây sẽ biến thiên.làm xuất hiện trên hai cuộn dây một sức điện động E có tần số phụ thuộc vào tốc độ quoay của bánh răng. n = 60f/p hoặc n=60f/N Trong đó : p:số răng trên bánh răng hay số lỗ. n :tốc độ của độ cơ (vong/phut). N:số xung/vòng của encoder. f :tần số của sức từ động tạo ra trên hai đầu cuộn dây.  Chỉ cần đo được tần số xung f này ta có thể xác định được tốc độ của động cơ. b) Encoder tương đối (encoder đếm xung).  Cấu tạo.  Một led hồng ngoại (bộ phát). 16  Một transistor quang P.TZT (bộ thu).  Đĩa mã hóa:nằm giữa led hồng ngoại (bộ phát) và transistor P.TZT (bộ thu). Hình 13 : .Cấu tạo trong của encoder tương đối.  Nguyên tắc hoạt động.  Để tạo mã xung thì mỗi bộ ENCODER sẽ sử dụng hai led phát và tương ứng là hai bộ tách sóng (hai con mắt thu) .hai led được đặt sao cho hai tín hiệu ra có pha vuông góc nhau để xác định chiều quoay của đĩa(tương ứng với chiều quoay của động cơ). Hình 14 : Vị trí đặt của hai LED phát nguồn sáng , tạo tín hiệu có pha vuông góc  Tốc độ quoay của đĩa được xác định nhờ vào tần số của tín hiệu.chiều được xét bằng cách xem tín hiệu nào sớm pha hay muộn pha hơn. Hình 15 :.Dạng tín hiệu cầu phương thu được ở bộ tách sóng quang khi động cơ quay 17 Hình 16: Dạng tín hiệu lập mã quang khi động cơ có chiều quay phải ( cùng chiều kim đồng hồ) Hình 17:.Dạng tín hiệu lập mã quang khi động cơ có chiều quay trái ( ngược chiều kim đồng hồ) Bộ motor encoder 334 xung mini được sử dụng có 6 chân lần lượt theo thứ tự DCA+Bnhư hình …. 3.4. Vi điều khiển AT89C51 3.4.1.Tổng quan về họ vi điều khiển Vào năm 1981 hãng Intel giới thiệu bộ vi điều khiển được gọi là 8051. Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chip, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (độ rộng 8 bit) vào – ra tất cả được đặt trên một chip. 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dự liệu 8 bit để xử lý. 8051 đã trở lên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán các dạng biến thể của 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chip khác nhau. Mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lượng nhớ ROM trên chip, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh. 18 Hình 18: Các đặc tính cơ bản của 8051 đầu tiên 3.4.2. Kiến trúc phần cứng của họ 8051 a) Sơ đồ khối của 8051 Kiến trúc cơ bản bên trong 8051 bao gồm các khối chức năng sau: CPU (Central Processing Unit): đơn vị điềều khiển trung tâm - Bộ nhớ chương trình ROM bao gồềm 4 Kbyte - Bộ nhớ dữ liệu RAM bao gồềm 128 byte Bồốn cổng xuâốt nhập - Hai bộ định thời/bộ đềốm 16 bit thực hiện chức năng định thời và đềốm sự kiện - Bộ giao diện nồối tềốp (cổng nồối tềốp) - Khồối điềều khiển ngăốt với hai nguồền ngăốt ngoài - Bộ chia tâền sồố 19 Hình 19: Sơ đồ khối của bộ điều khiển 8051 20