Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch đo và điều khiển tốc độ động cơ dc
Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH I Nhóm Lớp Khóa Ngành đào tạo : : : Đ-ĐTK8.4 2010-2014 Tên đề tài:Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch đo điều khiển tốc độ động DC Thời lượng: 02 TC Thời gian thực hiện: 08 tuần GVHD: Giang Hồng Bắc Trang1 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hưng Yên, ngày 15 tháng năm 2013 Giảng viên :Giang Hồng Bắc GVHD: Giang Hồng Bắc Trang2 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ nhanh chóng, để đạt kết có đóng góp ngành kĩ thuật điện điện tử, kĩ thuật vi xử lý Với phát triển vũ bão kĩ thuật điện-điện tử, kĩ thuật vi xử lý xâm nhập vào tất ngành khoa học – kĩ thuật khác đáp ứng nhu cầu người dân Sự đời vi mạch điều khiển với giá thành giảm nhanh ,khả lập trình ngày cao mang lại thay đổi sâu sắc ngành kỹ thuật điện – điện tử Để bước đầu làm quen dần với vi điều khiển, chúng em thầy cô giáo khoa giao cho đồ án môn học với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch đo điều khiển tốc động DC” Trong thời gian nghiên cứu làm đồ án dựa vào kiến thức học trường, qua số sách, tài liệu có liên quan với giúp đỡ tận tình thầy ‘Giang Hồng Bắc’ nên đồ án chúng em hoàn thành Trong trình thực đề tài, chúng em cố gắng tránh khỏi sai xót Vì chúng em mong đóng góp thầy cô bạn để giúp đề tài phát triển thêm Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm GVHD: Giang Hồng Bắc Trang3 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I Mục lục GVHD: Giang Hồng Bắc Trang4 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Động loại phổ biến với dân kĩ thuật điện ứng dụng rộng rãi sống : quạt, loại máy sản suất nông nghiệp ( máy tuốt , máy xay sát ) sân chơi robocon động điện chiều sử dụng nhiều : giúp cho robot chuyển động theo ý muốn, nâng hạ số kết cấu Chính ứng dụng nên chúng em chon đề tài :“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch đo điều khiển tốc động DC” 1.2 Đặc điểm đề tài - An toàn hiệu - Có tính thẩm mĩ - Có tính kinh tế - Có tính ứng dụng vào thực tế 1.3 Mục đích đề tài - Giúp sinh viên hiểu biết công dụng cách sử dụng số linh kiện đặc biệt hiểu rõ vi điều khiển, đặc biệt biết thêm họ điều khiển PIC Giúp sinh viên có khả nghiên cứu làm việc độc lập theo nhóm GVHD: Giang Hồng Bắc Trang5 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I PHẦN II:CƠ SỞ LÍ LUẬN 2.1 Vi điều khiển PIC16F877A 2.1.1 Khái quát vi điều khiển PIC16F877A 2.1.1.1 Sơ đồ chân sơ đồ nguyên lí PIC16F877A Sơ đồ chân Sơ đồ nguyên lý GVHD: Giang Hồng Bắc Trang6 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I 2.1.1.2 Nhận xét Từ sơ đồ chân sơ đồ nguyên lý trên, ta rút nhận xét ban đầu sau : - PIC16F877A có tất 40 chân 40 chân chia thành PORT, chân cấp nguồn, chân GND, chan thạch anh chân dùng để RESET vi điều khiển port PIC16F877A bao gồm : + PORTB : chân + PORTD : chân + PORTC : chân + PORTA : chân + PORT E : chân 2.1.1.3 Khái quát chức port vi điều khiển PIC16F877A PORTA PORTA gồm có chân Các chân PortA, ta lập trình để thực chức “hai chiều” : xuất liệu từ vi điều khiển ngoại vi nhập liệu từ ngoại vi vào vi điều khiển Việc xuất nhập liệu PIC16F877A khác với họ 8051 Ở tất PORT PIC16F877A, thời điểm thực chức :xuất nhập Để GVHD: Giang Hồng Bắc Trang7 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I chuyển từ chức nhập qua chức xuất hay ngược lại, ta phải xử lý phần mềm, không 8051 tự hiểu lúc chức nhập, lúc chức xuất Trong kiến trúc phần cứng PIC16F877A, người ta sử dụng ghi TRISA địa 85H để điều khiển chức I/O Muốn xác lập chân PORTA nhập (input) ta set bit tương ứng chân ghi TRISA Ngược lại, muốn chân output ta clear bit tương ứng chân ghi TRISA Điều hoàn toàn tương tự PORT lại Ngoài ra, PORTA có chức quan trọng sau : - Ngõ vào Analog ADC : thực chức chuyển từ Analog sang Digital - Ngõ vào điện so sánh - Ngõ vào xung Clock Timer0 kiến trúc phần cứng : thực nhiệm vụ đếm xung thông qua Timer0… - Ngõ vào giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port) PORTB PORTB có chân Cũng PORTA, chân PORTB thực chức : input output Hai chức điều khiển bới ghi TRISB Khi muốn chân PORTB input ta set bit tương ứng ghi TRISB, ngược lại muốn chân output ta clear bit tương ứng TRISB Thanh ghi TRISB tích hợp điện trở kéo lên điều khiển chương trình PORTC PORTC có chân thực chức input output điều khiển ghi TRISC tương tự hai ghi Ngoài PORTC có chức quan trọng sau : - Ngõ vào xung clock cho Timer1 kiến trúc phần cứng - Bộ PWM thực chức điều xung lập trình tần số, duty cycle: sử dụng điều khiển tốc độ vị trí động v.v… - Tích hợp giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART GVHD: Giang Hồng Bắc Trang8 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I PORTD PORTD có chân Thanh ghi TRISD điều khiển chức input output PORTD tương tự PORTD cổng xuất liệu chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) PORTE PORTE có chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISE Các chân PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh PORTE chân điều khiển chuẩn giao tiếp PSP 2.1.2 Tìm hiểu vi điều khiển PIC16F877A 2.1.2.1 Cấu trúc phần cứng PIC16F877A PIC tên viết tắt “ Programmable Intelligent computer” hãng General Instrument đặt tên cho vi điều khiển họ Hãng Micrchip tiếp tục phát triển sản phầm hàng tạo gần 100 loại sản phẩm khác PIC16F887A dòng PIC phổ biến, đầy đủ tính phục vụ cho hầu hết tất ứng dụng thực tế Đây dòng PIC dễ cho người làm quen với PIC học tập tạo tản họ vi điều khiển PIC Cấu trúc tổng quát PIC16F877A sau : - 8K Flash Rom 368 bytes Ram 256 bytes EFPROM port vào với tín hiệu điều khiển độc lập định thời Timer0 Timer2 bit định thời Timer1 16 bit hoạt động chế độ tiết kiệm lượng với nguồn xung clock Capture/ Compare/ PWM biến đổi Analog -> Digital 10 bit, ngõ vào so sánh tương tự định thời giám sát (Watch Dog Timer) cổng song song bit với tín hiệu điều khiển cổng nối tiếp 15 nguồn ngắt GVHD: Giang Hồng Bắc Trang9 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I Sơ đồ khối vi điều khiển 16F877A GVHD: Giang Hồng Bắc Trang10 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử 2.2.5 Đồ án chuyên ngành I Động DC Phương pháp điều khiển : Thay đổi tốc độ động cách thay đổi áp cấp vào cho động 2.2.6 Encoder GVHD: Giang Hồng Bắc Trang26 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I * Cấu tạo encoder Nhìn hình ta thấy encoder gồm : tròn có khắc lỗ, Hệ thông LED phát thu * Nguyên tắc hoạt động bản: Nguyên lý encoder, đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có lỗ (rãnh) Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên đĩa, người ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay không.Số xung đếm tăng lên tính số lần ánh sáng bị cắt! Như encoder tạo tín hiệu xung vuông tín hiệu xung vuông cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số xung đầu phụ thuộc vào tốc độ quay tròn Đối với encoder dùng có tín hiệu lệch pha 90 Hai tín hiệu xác định chiều quay động Đây sơ đồ cấu tạo bên để tạo xung vuông! GVHD: Giang Hồng Bắc Trang27 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử GVHD: Giang Hồng Bắc Đồ án chuyên ngành I Trang28 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I PHẦN III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 3.1 Phần Cứng 3.1.1 Sơ đồ khối Hien thi Khối điều khiển -chú thích; 3.1.2 Khối Nguồn Khối công suất Động Cơ Encoder đường dây nguồn điều khiển đường dây nguồn công suất tín hiệu điều khiển tín hiệu phản hồi Mạch nguồn -Khối nguồn 5v nuôi khối điều khiển hiển thị GVHD: Giang Hồng Bắc Trang29 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I -Khối nguồn 12v nuôi mạch điều khiển phần động lực IR2184 -Nguồn 24v điều khiển động 3.1.3 Mạch điều khiển - Chân số PIC16F877A chân reset : PIC16F877A hoạt động chân số mức bị reset bị clear mức Với mạch reset bình thường nút nhấn trạng thái hở, chân reset mức PIC16F877A hoạt động, nhấn phím xuống chân chạm đất bị clear mức PIC16F877A bịreset trạng thái ban đầu - Chân 13 14 nối với mạch dao động thạch anh để tạo tần số dao động - Chân 12 31 nối đất - Chân 11 32 nối dương nguồn - Chân 39 40 dùng để nạp chương trình cho PIC16F877A - Các chân từ 19 dùng để nối với nút bấm start-stop thuận-ngược - Các chân 2130 chân kết nối với LCD -Biến trở R18 nối với chân AN0 vặn biến trở để diều chỉnh tốc độ 3.1.4 Mạch công suất GVHD: Giang Hồng Bắc Trang30 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I Nguyên lý làm việc -PC817 có nhiệm vụ cách ly truyền tín hiệu từ khối điều khiển -Transistor T2 T3 truyền tín hiệu PWM đảo trạng thái làm việc PWM.Khi PWM=0V Transistor không dẫn,khi PWM=12v Transistor dẫn tín hiệu PWM lấy từ cực C Transistor hình vẽ - Transistor T1 T4 có nhiệm vụ chọn chiều hoạt động,T1 Transistor thuận T4 Transistor ngược.Khi CHEU=0V T1 dẫn tín hiệu PWM truyền qua T2 se bị khóa=0V Transistor T4 không dẫn tín hiệu PWM truyền qua T2 đảo ngược truyền đến chân tín hiệu đầu vào IR2184.Khi CHIEU=1 T1 không dẫn T2 dẫn khóa tín hiệu PWM qua T3 -Khi IR2184 nhận tín hiệu PWM ON Mosfet Q2 Q4 dẫn động hoạt động -Khi IR2184 nhận tín hiệu PWM ON Mosfet Q1 Q3 dẫn động chạy theo chiều ngược lại -Khi PWM OFF Mosfet Q1 Q2 không dẫn, Mosfet Q3 Q4 dẫn núc động bị ngắn mạch đầu rotor động trạng thái hãm -Tụ C3,C4 tụ kích Ugs cho mosfet kênh trên.Khi mosfet kênh không dẫn tụ nạp điện áp tiếp tục cho lần dẫn sau mà ta sử dụng tối đa thời gian dẫn mosfet mà phải có thời gian Toff để nạp lại điện tích cho tụ *Tính toán dòng làm việc van công suất -Thông số động cơ:Pđm=30W.Uđm=24v Ta có Iđm= Pđm / Uđm=38/24=1.58A GVHD: Giang Hồng Bắc Trang31 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I *Tính toán tản nhiệt Tổn hao công suất mosfet là:∆P = Iđm.Rds=1,58.0,017=0,0268(W) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt là: S m= (1) Trong đó: ∆P : tổn hao công suất van τ : độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường Tmt= 250C Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp= 1500C Vậy: τ = Tlv - Tmt = 150 - 25 = 1250C −4 Km hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ, Km = (6÷10).10 (W/cm ) Chọn Km= 8.10-4 (W/cm2) Sm = 0,0268/(8.10^-4.125) = 0,212(cm2) 3.1.5Khối encoder -Tín hiệu đưa từ encoder qua ic7414 sửa xung đưa chân ngắt RA4 vi điều khiển PIC16F877A 3.1.6 Mạch nguyên lý hoàn thiện GVHD: Giang Hồng Bắc Trang32 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử 3.1.7 Đồ án chuyên ngành I Mạch in GVHD: Giang Hồng Bắc Trang33 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I Mạch công suất Mạch điều khiển 3.2Chương trình 3.2.1 Thuật toán điều khiển Lưu đồ Bắt Đầu GVHD: Giang Hồng Bắc Trang34 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I Kiểm tra nút bấm S Printf:nhấn nút start để bắt đầu Đ Đo giá trị ADC Printf:tốc độ V/P IF(ADC>50)PWM=1023-ADC; IF(ADC50)SET_PWM1_DUTY(ADC); IF(ADC150) {lcd_putcmd (0x01);CHIEU=!CHIEU;STOP();} } GIU=0; CHIEU=!CHIEU ; GVHD: Giang Hồng Bắc Trang37 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I SET_PWM1_DUTY(1023); } } ////////////////////////////////// void main() { set_tris_a (0xFF); set_tris_c (0B11111001); set_tris_b (0B11111111); set_tris_d (0B00000011); setup_adc_ports( ); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL ); setup_ccp1(ccp_PWM); enable_interrupts(global); setup_timer_2(T2_DIV_BY_16,255,1); lcd_init (); lcd_putcmd (0x01); WHILE (NUT==1) { lcd_putcmd (0x80); lcd_putchar ("NHAN_NUT_START"); SET_PWM1_DUTY (1023); } //////////////////////// lcd_putcmd (0x01); X=0; WHILE(X[...]... độ tương phản cần thiết, sau đó giư mức biến trở này Các chân điều khiển RS, R/W, EN và các đường dữ liệu được nối trực tiếp với vi điều khiển Tùy theo chế độ hoạt động 4bit hay 8 bit mà các chân từ D0 đến D3 có thể bỏ qua hoặc nối với vi điều khiển GVHD: Giang Hồng Bắc Trang25 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử 2.2.5 Đồ án chuyên ngành I Động cơ DC Phương pháp điều khiển : Thay đổi tốc độ động. .. suất tín hiệu điều khiển tín hiệu phản hồi Mạch nguồn -Khối nguồn 5v nuôi khối điều khiển và hiển thị GVHD: Giang Hồng Bắc Trang29 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I -Khối nguồn 12v nuôi mạch điều khiển phần động lực IR2184 -Nguồn 24v điều khiển động cơ 3.1.3 Mạch điều khiển - Chân số 1 của PIC16F877A là chân reset : PIC16F877A hoạt động khi chân số 1 ở mức 1 và bị reset khi... 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... reset khi bị clear về mức 0 Với mạch reset trên thì bình thường nút nhấn ở trạng thái hở, chân reset ở mức 1 PIC16F877A hoạt động, khi nhấn phím xuống chân 1 chạm đất và bị clear về mức 0 PIC16F877A bịreset về trạng thái ban đầu - Chân 13 và 14 được nối với mạch dao động thạch anh để tạo tần số dao động - Chân 12 và 31 nối đất - Chân 11 và 32 nối dương nguồn - Chân 39 và 40 được dùng để nạp chương trình... I Mạch in GVHD: Giang Hồng Bắc Trang33 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I Mạch công suất Mạch điều khiển 3.2Chương trình 3.2.1 Thuật toán điều khiển Lưu đồ Bắt Đầu GVHD: Giang Hồng Bắc Trang34 Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án chuyên ngành I Kiểm tra nút bấm S Printf:nhấn nút start để bắt đầu Đ Đo giá trị ADC Printf :tốc độ V/P IF(ADC>50)PWM=1023-ADC; IF(ADC