Báo cáo Điều khiển động cơ bước theo nhiệt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THễNG -------------------o0o---------------- BàI TậP LớN Môn: Vi xử lý Đề tài: Điều khiển động cơ bước theo nhiệt độ Giáo viên hướng dẫn: Thầy Phạm Ngọc Nam Sinh viên thực tập: Nhóm 5_ĐT9K47 1.Nguyễn Sỹ Dũng (nt) 2.Nguyễn Minh Đức 3.Nguyễn Tiến Dũng 4.Trịnh Hoàng Long 5.Đào Trần Hùng 6.Nguyễn Tuấn Anh Hà Nội.11/2005 Lời mở đầu Trong cuộc sống hiện đại ngày nay các ứng dụng về điều khiển tự động đang trở thành gần gủi với hầu hết mọi người. Là một sinh viên khoa Điện tử viễn thông sau khi đã học xong môn Vi xử lý chúng em thiết nghĩ mình có thể làm một số ứng dụng nhỏ về áp dụng những kiến thức về Vi xử lý và các Vi điều khiên thông dụng. Đề tài của bọn em là dựa vào sự biến đổi của nhiệt độ để đưa ra tín hiện điều khiển tốc độ của động cơ bước thông qua một Vi điều khiển thông dụng. Chúng em xin chân thành cám ơn thầy Phạm Ngọc Nam đã hết lòng giúp đỡ bọn em trong việc hoàn thành đề tài này. Chương I Mở đầu I. Đặt vấn đề Ngày nay với sự phát triển của công nghệ vi điện tử các hệ thống điều khiển dần dần được tự động hoà. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, vi điều khiển…được ứng dụng vào các lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước. Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp,việc đo và khống chế nhiệt độ tự động là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng. Vì nếu nắm bắt được nhiệt độ làm việc của hệ thống, dây chuyền sản xuất …,giúp ta biết được tình trạng làm việc của các yêu cầu và có những xử lý kịp thời để tránh hư hỏng và giải quyết các xự cố xảy ra. Để đáp ứng được yêu cầu đo và không chế nhiệt độ tự động, thì có nhièu phương pháp để thực hiện. Nghiên cứu khảo sát các vi xử lý và vi điều khiển, nhóm chúng em đã thấy rằng việc khống chế nhiệt độ bằng động cơ bước có nhiều ưu điểm như: dễ dàng điều khiển vận tốc động cơ để khống chế nhiệt độ nhờ vào quạt gió… Do trong điều kiện hạn chế về kinh tế, thời gian và trình độ nên nhóm chúng em chỉ dừng lại ở việc mô phỏng điều chỉnh vận tốc động cơ tự động theo nhiệt độ môi trường và phần nhiệt độ môi trường này được hiện thị thông qua Led 7 thanh. II. Mục đích Thiết kế - Phát huy những thành quả ứng dụng của vi điều khiển và vi xử lý tạo ra những sản phẩm tiên tiến có độ tích hợp cao về công nghệ. - Việc thực hiện đề tài này giúp chúng em được tiếp cận với thực tế, phát huy những kiến thức đã được học trong môn Vi xử lý. - Qua đây có thêm nhiều kinh nghiệm giúp ích sau khi ra trường có thể tham gia ngay vào các hoạt động sản xuất trong xã hội. III . Giới thiệu về nội dung đề tài Đề tài Điều khiển tốc độ động cơ theo sự biến đổi của nhiệt độ môi trường 2. Chức năng của hệ thống - Đo, xử lý và hiện thị nhiệt độ của môi trường thông qua hệ thống LED7 thanh. - Điều khiển tốc độ động cơ bước theo nhiệt độ của môi trường. Khi nhiệt độ tăng thì vận tốc động cơ (cánh quạt ) tăng và khi nhiệt độ giảm tốc độ giảm. Động cơ có khả năng đảo chiều quay để phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Chương II Thiết kế Nhiệm vụ thiết kế Thiết mạch đo nhiệt độ và điều khiển động cơ bước theo nhiệt độ sử dụng máy tính .Vậy ta cần trình tự thiết kế như sau : + Mạch cảm biến + Bộ chuyển đổi số tương tự + Mạch Vi điều khiển + Bộ giải mã địa chỉ và hiện thị nhiệt độ thông qua LED7 + Thiết kế khối công suất cho động cơ + Viết chương trình điều khiển Sơ đồ khối hệ thống Nhiệt độ mụi trường Sensor ADC Vi Điều khiển Khối Cụng suất Động cơ Bước Hiển thị x Bộ cảm biến ghi lại sự thay đổi nhiệt độ của nguồn nhiệt và chuyển về đại lượng điện. Bộ biến đổi ADC chuyển tín hiệu Analog thành tín hiệu Digital đưa vào Mạch ghép nối . Khối Vi điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu số từ khối ADC và đưa vào xử lý cho ra tín hiệu hiện thị và xuất xung điều khiển ra khối công suất. Mạch công suất có tác dụng điều khiển động cơ Động cơ bước Khối hiện thị hiển thị nhiệt độ môi trường hiện thời II. Thiết kế và phân tích nguyên lý của từng khối 1.Bộ cảm biến Để đo được nhiệt độ cần có một đầu đo thích hợp. Đầu dò là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ chuyển từ nhiệt độ môi trường qua tín hiệu điện. Có rất nhiều loại cảm biến khác nhau nhưng đối với hệ thống này ta sử dụng IC cảm biến. Các IC cảm biến có độ chính xác cao, dễ tìm và giá thành rẻ. Một trong số đó là LM35, là loại thông dụng trên thị trường hiện nay đồng thời nó có những đặc tính làm việc phù hợp với thiết kế chi tiết của mạch. Một số đặc tính kỹ thuật của LM35 LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ 10mV /1oC Độ chính xác cao, tính nay cảm biến nhiệt độ nhạy, ở nhiệt độ 25oC nó có sai số không quá 1%. Với tầm đo từ -55oC đến 150oC, tín hiệu ra tuyến tính với những thay đổi kỹ thuật của tín hiệu vào. Thông số kỹ thuật + Tiêu tán công suất thấp + Dòng làm việc 138A – 141A + Khoảng điện áp làm việc là 4-30V + sai số dòng tĩnh 3A + Sự thay đổi dòng theo nhiêt độ là 0,7A/0C Đặc tính điện Theo thông số nhà sản xuất LM35, quan hệ giữa nhiệt độ và ngõ ra điện áp ra như sau : Vout = 250mV tại 250C 1500mV tại 1500C 55mV tại -550C Thiết kế mạch cảm biến dùng LM335 : Tính toán và lựa chọn linh kiện Ta chọn R sao cho R= Vs/50uA 2. Mạch ADC a. Giới thiệu về ADC 0804 Một số đặc tính kỹ thuật của ADC 0804 + Không yêu cầu một giao diện logic nào để ghép nối với VXL + Thời gian chuyển đổi nhỏ hơn 100s + Có bộ dao động nội Nguyên lý hoạt động của ADC 0804: ADC bắt đầu hoạt động khi chân CS và WR đồng thời ở mức thấp (tích cực ).Chân INTR được reset để ở mức cao ( không tích cực ) Tín hiệu analog ỏ các chân VIN+ và VIN- được đưa vào lấy mẫu và mã hoá trong 8 xung clock nội của 0804. Sau dó chân INTR được chuyển xuống mức thấp (tích cực) báo hiệu cho vi điều khiển quá trình chuyển đổi ADC đã hoàn tất. Vi điều khiển đưa tín hiệu mức thấp vào chân RD của 0804 để lấy dữ liện ra . (Chân RD và CS có thể được nối đất). Quá trình chuyển đổi tiếp theo lại bắt đầu khi CS và WR nhận được tín hiệu ở mức thấp ( từ vi điều khiển ) b. Sơ đồ lắp mạch ADC 3. Mạch Vi điều khiển a. Giới thiệu sơ lược về 89C51 IC vi điều khiển 89C51 tương thích với họ MSC51 có các đặc điểm sau : + 4Kbyte FLASH ROM + 128 Bytes RAM + 4 Port 8bit + Hai bộ định thời 16 bit + Có một port nối tiếp + Có thể mở rộng để 64KB bộ nhớ chương trình ngoài. + Bộ xử lý bit - Cấu trúc bên trong của 89C51 TXD* RXD* T1* T2* P0 P1 P2 P3 INT\*1 INT\*0 TIMER2 TIMER1 PORT nối tiếp EA\ RST PSEN ALE Cỏc thanh ghi khỏc 128 byte Ram Rom 4K-8051 OK-8031 Timer1 Timer2 Điều khiển ngắt ẹieàu khieồn bus CPU Port noỏi tieỏp Caực port I\O Taùo dao ủoọng 18 19 12MHz 40 29 30 31 9 17 16 15 14 13 12 11 10 RD\WR\ T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 28 27 26 25 24 23 22 21 8 7 6 5 4 3 2 1 32 33 34 35 36 37 38 39 Po.7 Po.6 Po.5 Po.4 Po.3 Po.2 Po.1 Po.0 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 PSEN\ ALE EA\ RET Vcc 20 Vss 30p 30p XTAL1 XTAL2 Sơ đồ chân của 89C51 Mạch vi điều khiển có tác dụng nhận tín hiệu từ bộ biến đổi ADC và xử lý đưa ra tín hiệu hiển thị nhiệt độ để truyền vào bộ giải mã địa chỉ 7447 Chân 9 (RST) là mạch RESET Mạch ghép nối giữa ADC và vi điều khiển 4. Mạch giải mã địa chỉ và hiển thị tín hiệu nhiệt độ ra Led â, Giới thiệu về IC giải mã 7447 Hình- IC 7447 IC 7447 là bộ giải mã cho LED hiển thị 7 thanh. Nó có 4 đầu vào là A, B, C và D (ứng với các chân số 7, 6, 1, 2) và 7 đầu ra (các chân từ 9 đến 15 ứng với 7 thanh hiển thị của đèn LED 7 thanh). Bảng chân lý của IC này như sau: Đầu vào Đầu ra A B C D a b c d e f g 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 6 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 7 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 9 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 Trong trường hợp riêng của bài thực tập này thì các chân số 3, 4 và 5 không được dùng đến. b, Giới thiệu về đèn Led hiển thị Đèn hiển thị LED 7 thanh: Hình - LED hiển thị 7 thanh Trong bài thực tập này ta sử dụng loại đèn Anode chung, tức là một trong hai chân ở giữa của hai hàng chân sẽ được nối lên +5V, các chân còn lại được nối đến đầu ra của IC 7447 một cách tương ứng theo tên chân (như đã nêu trên hình trên ). 5. Mạch Công suất Mạch điều khiển sử dụng IC ULN2003 là mạch khuếch đại công suất mắc kiểu darlington có diot để dập điện áp ngược. a.Giới thiệu về ULN2003 Mạch tương đương của ULN2003 ULN2003 ngoài tác dụng đóng ngắt dòng qua cuộn dây điều khiển động cơ còn có tác dụng ngăn điện áp ngược làm hỏng các mạch vi điều khiển. 6. Động cơ bước a)Cấu trúc động cơ bước A B C D A',B',C',D' b) Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bước Các cuộn dây được cấp dòng theo vòng. Mỗi khi vòng dây được cấp dòng động cơ quay được 1 bước. AA' t BB' t CC' t DD' t Hình : Hoạt động của từng cuộn dây trong động cơ bước A B C D Step motor Bộ khuếch đại công suất sử dụng transistor mắc kiểu Darlington sử dụng IC UNL2003. “ABCD” = “0001” à”0010”à”0100” --> “1000” à”0001”…. à”ABCD” thực hiện lệnh dịch 4 lần động cơ quay 1vòng. Giả sử ta có vận tốc tại thời điểm T0 = 25oC là 300 vòng /phút n0 = 3,3vòng/s à “ABCD” quay 3,3x4lần =13,2lần trên một dây Với xung nhịp 2kHz thì à cứ 2kHz/13,2 =151 = xung thì “ABCD” quay một vòng. Ta có công thức chuyển đổi vận tốc động cơ và nhiệt độ là độ dịch của vận tốc động cơ so với tốc độ tại 25oC độ biến thiên nhiệt độ nt = n0 + k1. Trong khuôn khổ bài thực hành ,để đơn giản ta chọn k1 = k2 =2 , (đây là điểm còn chưa tốt của chương trình cần được khắc phục khi mở rộng đề tài) Từ các phân tích trên ta có sơ đồ nguyên lý của mạch như sau : IV. Lập trình 1.Lưu đồ thuật toán của chương trình Begin T.Lập mode cho 89C51 Cho động cơ khởi động Đếm xung đồng hồ ADC biến đổi xong Cho động cơ nhảy 1 bước Đọc nhiệt độ Đủ xung cho động cơ nhảy tiếp? Chương trình nạp cho nạp cho 89C51 như sau : #include WR EQU P3.7 RD EQU P3.5 INTR EQU P3.6 ORG 0 LJMP MAIN ORG 00BH LJMP DONGCO MAIN: MOV R2,#11H ;00010001B MOV TMOD,#01H ;TIMER CHE DO 1 MOV P1,#0FFH ;CHON P1 LA CONG VAO MOV IE,10000111B ;CHO PHEP NGAT TIMER 0 MOV TH0,#0H MOV TL0,#0H SETB TR0 ;KHOI DONG BO TIMER 0 LAP: LCALL HIENTHI SJMP LAP HIENTHI: SETB RD ; RD=1 SETB WR ; WR=1 CLR WR ; BAT DAU CHUYEN DOI WAIT: JB INTR,WAIT ; KIEM TRA DA CHUYEN DOI XONG CHUA CLR RD ; XUAT DU LIEU RA VI DIEU KHIEN MOV A,P1 ;LUU VAO A MOV B,#05 MUL AB MOV R0,B MOV R1,A MOV B,#10 DIV AB SWAP A ORL A,B MOV P0,A DONGCO: CLR TR0 ; XOA TR0 MOV R5,A ; CAT TAM THOI A MOV A,R2 RR A MOV R2,A MOV P2,A MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 MOV A,R5 SETB TR0 RETI END Tài liệu tham khảo: Kĩ thuật Vi xử lý Tác giả: Văn Thế Minh Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051 Tác giả: Nguyễn Tăng Cường _ Phan Quốc Thắng Datasheet của các linh kiện AT89c51, ULN2003, ADC0804, LM35, 74LS74AN, 74LS47 lấy từ www.alldatasheet.com