Tài liệu Mô hình hệ thống mái che tự động

Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Khoa Cơ - Điện ĐỒ ÁN Vi xử lý trong điều khiển Giáo viên hướng dẫn : Lại Văn Song . Người thực hiện : Hà Nội 2017 Tên đồ án: Mô hình hệ thống mái che tự động Mục lục Mở đầu CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ MÁI CHE TỰ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu của đề tài 1.3 Nội dung đề tài 1.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 1.5. Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC THIẾT BỊ KHÁC 2.1 Vi điều khiển AT89C51 2.2 Động cơ một chiều 2.3 Mạch cầu H ( H-Bridge Circuit ) 2.4 Cảm biến mưa 2.5 Công tắc hành trình 2.6 Bộ phát thu RF CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁI CHE TỰ ĐỘNG 3.1 Lưu đồ giải thuật 3.2 Chương trình điều khiển 3.3 Sơ đồ nguyên lí 3.4 Gia công mạch in CHƯƠNG IV : KẾT QUẢ THẢO LUẬN Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo. Mở đầu : Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật,cũng như nhu cầu đòi hỏi của con người ngày càng cao trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội.Trong đó có nhu cầu về một 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 đó cần kể tới là mái che tự động. Trong đời sống hiện nay,tự động hóa các thiết bị để chúng hoạt động hiệu quả hơn là một xu thế tất yếu.Đề tài “Thiết kế mái che tự động” cũng nhằm thiết kế một hệ thống mái che hoạt động hiệu quả hơn mà không cần nhiều đến sự điều khiển trực tiếp từ người sử dụng,giúp tiết kiệm thời gian, công sức và cũng làm tăng tuổi thọ mái che so với các mái che truyền thống khác. Trên nhu cầu đó chúng em đã bắt tay vào thiết kế mạch điều khiển mái che tự động. CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ MÁI CHE TỰ ĐỘNG 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 mục đích đơn giản, nếu ban ngày,trời mát,không có nắng và cũng không có mưa thì mái che sẽ tự động cuốn vào;nếu như trời nắng,hoặc mưa thì mái che sẽ tự động cuốn ra che. Như thế,người sử dụng sẽ không cần phải quay một cách thô sơ như trước nữa mà vẫn sử dụng mái che đó đúng mục đích 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 mái che tự động’’. 1.2 Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu và xây dựng mô hình điều khiển mái che tự động 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 mái che 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 mái che tự động ’’ trong điều kiện : - Thời gian thực hiện :1 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 1.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài Nghiên cứu các cơ cấu truyền động, các mạch cảm biến ,các mạch điều khiển,giúp sinh viên tiếp cận gần gũi hơn với công việc thường ngày qua đó sử dụng vốn kiến thức của mình áp dụng vào thực tế cuộc sống. 1.5 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. + 2 bộ Timer/counter 16 Bit. + 6 nguồn ngắt. + Giao tiếp nối tiếp điều khiển bằng phần cứng. + 64 KB vùng nhớ mã ngoài + 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài. + Cho phép xử lý bit. + 210 vị trí nhớ có thể định vị bit. + 4 chu kỳ máy (4 µs đối với thạch anh 12MHz) cho hoạt động nhân hoặc chia. + Có các chế độ nghỉ (Low-power Idle) và chế độ nguồn giảm (Power-down). + Ngoài ra, một số IC khác của họ MCS-51 có thêm bộ định thời thứ 3 và 256 byte RAM nội. Sơ đồ khối chức năng Hình 2.1: Sơ đồ khối vi điều khiển 8051 Cấu 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 Port 2(P2.0-P2.7): Các chân từ 21-28 -Chức năng xuất/nhập -Chức năng là bus địa chỉ cao (A8-A15): khi kết nối với bộ nhớ ngoài có dung lượng lớn,cần 2 byte để định địa chỉ của bộ nhớ, byte thấp do P0 đảm nhận, byte cao do P2 này đảm nhận. Port 3(P3.0-P3.7): Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17): -Chức năng xuất/nhập Với mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau Bảng 2.1 Bảng chức năng Port 3 Chân RST(Reset): Chân số 9 Chức năng: Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi bên trong 8051 được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống 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 khác của hệ thống. Ghi chú: khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này Chân EA Chân EA dùng để xác định chương trình thực hiện được lấy từ ROM nội hay ROM ngoại. Khi EA nối với logic 1(+5V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ nội Khi EA nối với logic 0(0V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ nhớ ngoại Cấu trúc bộ nhớ Hình 2.5 Các vùng nhớ trong AT89C51 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 truyền động 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 chiều Stator: 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 các ứng dụng công suất nhỏ như các động cơ DC loại vừa và nhỏ. Hình 2.9 Sơ đồ chân của IC L298D Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lí của IC L298D Có 2 mạch cầu H trên mỗi chip L298D nên có thể điều khiển 2 đối tượng riêng 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 biến dòng) ở phần cuối của mạch cầu H, chân này không được nối đất mà bỏ trống để cho người dùng nối 1 điện trở nhỏ gọi là sensing resistor.Bằng cách đo điện áp rơi trên điện trở này chúng ta có thể tính được dòng qua điện trở, cũng là dòng qua động cơ, mục đích của việc này là để xác định dòng quá tải. Nếu việc đo lường là không cần thiết thì ta có thể nối chân này 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 chân này được kéo lên mức cao. L298D không chỉ được dùng để đảo chiều động cơ mà còn điều khiển vận tốc động cơ bằng PWM.Trong thực tế, công suất thực ma L298D có thể tải nhỏ hơn giá trị danh nghĩa của nó (U =50V, I =2A). Để tăng dòng tải của chíp 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). 2.4 Cảm biến mưa Thông số kỹ thuật : - Điện áp: 5V - Led báo nguồn ( Màu xanh) - Led cảnh báo mưa ( Màu đỏ) - Hoạt động dựa trên nguyên lý: Nước rơi vào board sẽ tạo ra môi trường dẫn điện. Có 2 dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO) - Dạng tín hiệu : TTL, đầu ra 100mA ( Có thể sử dụng trực tiếp Relay, Còi công suất nhỏ...) - Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở. - Sử dụng LM358 để chuyển AO --> DO Kích thước Board: - Kích thước: 5.4*4.0 mm - Dày 1.6 mm Cách sử dụng Kết nối với nguồn 5V - DO: Đầu ra ở mức cao (1), khi có nước đèn đỏ sáng, đồng thời đầu ra về mức thấp (0). Có thể xử dụng để ĐK relay, Còi..hoặc đưa vào chân I/O của VĐK. - AO: Dùng để xác định độ lớn của giọt nước, bằng cách đưa vào ADC của VĐK. - Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở. Hình 2.11 Cảm biến mưa 2.5 Công tắc hành trình Là loại cảm biến đóng ngắt (dạng on- off) dùng để đóng ngắt mạch điện điều khiển trong truyền động điện, tự động theo tín hiệu “hành trình” của các cơ cấu truyền động cơ khí nhằm tự động điều khiển hành trình làm việc hoặc cắt ở cuối hành trình để đảm bảo an toàn. Hình 2.12 Công tắc hành trình Cấu tạo và nguyên lý làm việc - Cấu tạo gồm một cặp tiếp điểm thường đóng và một cặp tiếp điểm thường mở, cơ cấu truyền động. - Nguyên lý làm việc: Khi có lực tác động vào nút nhấn, tiếp điểm thường đóng thay đổi trạng thái từ đóng sang mở, sau đó tiếp điểm thường mở thay đổi trạng thái từ mở sang đóng (tiếp điểm thường đóng mở trước, sau đó tiếp điểm thường mở mới đóng lại) lúc này mạch đã hở điều đó sẽ làm động cơ dừng tức thì tại vị trí mà ta đã thiết lập. Khi không còn lực tác động thì nó sẽ trở lại trạng thái ban đầu. CHƯƠNG III:THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁI CHE TỰ ĐỘNG 3.1 Lưu đồ thuật toán