Đồ án môn học: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Đồ án môn học THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực Đồ án môn học TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC (CHUYÊN NGÀNH 1) Nhóm sinh viên thực : Nguyễn Trọng Thế Hồng Đình Thiết Nguyễn Quốc Thuần Nguyễn Thị Bích Thuận Lớp : ĐTCNK5 Khóa : 2007-2011 Ngành đào tạo : Kỹ thuật Điện tử Tên đề tài: Thiết kế , chế tạo mạch điều khiển động điện chiều Thời lƣợng: 02 TC Thời gian thực hiện: 05 tuần Điều kiện tiên quyết: Đã học môn: Vật lý, Kỹ thuật số, Kỹ thuật cảm biến, Điện tử bản, ĐTCS&TĐĐ, Vi điều khiển Số liệu cho trƣớc: - Thông số loại linh kiện điện tử chuyên dụng - Các tài liệu, giáo trình chun mơn Nội dung cần hồn thành: Tìm hiểu ứng dụng động điện chiều, vi điều khiển PIC16F877A Phân tích, xác định yêu cầu đề tài Phân tích, lựa chọn kết cấu cho mơ hình, thiết kế chế tạo mạch điều khiển động điện chiều Lập kế hoạch thực báo cáo theo tiến độ GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực Đồ án môn học TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Quyển thuyết minh vẽ, file mô tả đầy đủ nội dung đề tài NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Hưng Yên, ngày tháng năm 2009 Giảng viên hướng dẫn GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực Đồ án môn học TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ PHẠM XUÂN HIỂN LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, vi điều khiển có ứng dụng ngày rộng rãi, thâm nhập ngày nhiều vào lĩnh vực kĩ thuật đời sống xã hội Hầu hết thiết bị từ đơn giản thiết bị gia đình thiết bị tinh vi máy tính hay máy cơng nghiệp có xuất vi điều khiển Động điện chiều loại động sử dụng phổ biến ứng dụng thông thường ứng dụng phức tạp Để động làm việc cách hiệu địi hỏi phải có cách điều khiển tốt Xuất phát từ thực tế chúng em tập chung nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển, động điện chiều cách “điều khiển động điện chiều” hướng dẫn thầy Phạm Xuân Hiển Do kinh nghiệm chưa nhiều, kiến thức chuyên môn chưa thực sâu nên đồ án chúng em khơng thể tránh khỏi thiếu xót Chúng em mong đóng góp thầy bạn sinh viên để đề tài chúng em hoàn thiện Hưng yên tháng 12 năm 2009 Nhóm sinh viên thự GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Chƣơng 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Với xu khoa học kĩ thuật ngày phát triển mạnh mẽ, lĩnh vực thông tin viễn thông, điện tử công nghiêp, nhiều thiết bị, linh kiện đời dần thay cho thiết bị, linh kiện trước có phần hạn chế Sự vi mạch hóa đem lại lợi ích to lớn cho sống người Hầu hết xử lý liệu, điều khiển người ta chọn xử lý tảng số học đại số logic, với trợ giúp hệ vi điều khiển Động điện chiều loại thiết bị sử dụng nhiều sinh hoạt thường ngày Chúng có ứng dụng lớn, từ radio đến vô tuyến đến thiết bị đại máy tính có diện động điện chiều Nhưng khơng điều khiển chúng khơng thể phát huy hết chức Vì việc điều khiển động điện chiều quan trọng Trong lĩnh vực điều khiển động điện chiều, ta sử dụng kết hợp với vi điều khiển nhằm đơn giản hóa mạch điều khiển đơn giản hóa việc điều khiển 1.2 Đặc điểm, yêu cầu đồ án Với khẳ có hạn thời gian hạn chế, sâu vào nghiên cứu loại vi điều khiển có ứng dụng thực tế cao phổ biến vi điều khiển PIC 16F877A, đồ án phải đạt yêu cầu đặc điểm sau: Có thể điều khiển động điện chiều Có tính an tồn, thẩm mỹ có tính ứng dụng thực tế cao Dễ dàng mở rộng vấn đề cho đề tài 1.3 Phƣơng pháp thiết kế Từ yêu cầu, đặc điểm đề tài, chúng em chọn phương án thực sau: i Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn, bạn bè thu thập tài liệu liên quan GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Đề phương án thi cơng có tính khả thi xét mặt kinh tế kĩ thuật iii Thực theo phương án kế hoạch đạo giáo viên hướng dẫn Phƣơng pháp thu thập liệu - Sử dụng tài liệu, vấn đề giáo viên hướng dẫn cung ii 1.4 cấp - Tham khảo ý kiến giáo viên khoa bạn bè - Thu thập thông tin cần thiết mạng internet (một số trang web điển hình như: diendandientu.com; dientuvietnam.net; PICvietnam.com; ) 1.5 Trình tự thiết kế Sau bắt tay vào thực đề tài, chúng em tuân thủ bước thiết kế sau: - Thu thập liệu - Phân tích liệu - Đề phương án lựa chọn phương án tối ưu - Thi công - Kiểm tra đưa kết luận 1.6 Mở rộng đề tài Vì giới hạn đồ án môn học nên trình thực hiện, đề tài gặp phải số hạn chế chưa điều khiển vịng kín, chưa hiển thị tốc độ động cơ, Vì hướng mở rộng đề tài chúng em thiết kế điều khiển hồn chỉnh, có phản hồi vịng kín, có hiển thị tốc độ động cơ, tự động điều khiển tốc độ, GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT I Cơ sở phần cứng Vi điều khiển 1.1 Khái niệm Vi điều khiển máy tính tích hợp chíp, thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, hệ thống bao gồm vi xử lý có hiệu suất đủ dùng giá thành thấp (khác với vi xử lý đa dùng máy tính) kết hợp với khối ngoại vi nhớ, mô đun vào/ra, mô đun biến đổi số sang tương tự tương tự sang số, Ở máy tính mơ đun thường xây dựng chíp mạch ngồi Vi điều khiển thường dùng để xây dựng hệ thống nhúng Nó xuất nhiều dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v 1.2 Mô tả Hầu hết vi điều khiển ngày xây dựng dựa kiến trúc Havard, kiến trúc định nghĩa bốn thành phần cần thiết hệ thống nhúng Những thành phần lõi CPU, nhớ chương trình (thơng thường ROM nhớ Flash), nhớ liệu (RAM), vài định thời cổng vào/ra để giao tiếp với thiết bị ngoại vi mơi trường bên ngồi - tất khối thiết kế vi mạch tích hợp Vi điều khiển khác với vi xử lý đa chỗ hoạt động với vài vi mạch hỗ trợ bên 1.3 Các họ vi điều khiển thông dụng 1.3.1 Họ vi điều khiển AMCC (do tập đoàn "Applied Micro Circuits Corporation" sản xuất) Từ tháng năm 2004, họ vi điều khiển phát triển tung thị trường IBM  403 PowerPC CPU  PPC 403GCX  405 PowerPC CPU GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học  PPC 405EP  PPC 405GP/CR  PPC 405GPr  PPC NPe405H/L  440 PowerPC Book-E CPU  PPC 440GP  PPC 440GX  PPC 440EP/EPx/GRx  PPC 440SP/SPe 1.3.2 Họ vi điều khiển Atmel  Dòng Atmel AT91 (Kiến trúc ARM THUMB)  Dòng AT90, Tiny & Mega – AVR (Atmel Norway design)  Dòng Atmel AT89 (Kiến trúc Intel 8051/MCS51)  Dòng MARC4 1.3.3 Họ vi điều khiển Cypress MicroSystems  CY8C2xxxx (PSoC) 1.3.4 Họ vi điều khiển Freescale Semiconductor Từ năm 2004, vi điều khiển đƣợc phát triển tung thị trƣờng Motorola  Dòng 8-bit 68HG05 (CPU05) 68HG08 (CPU08) 68HG11 (CPU11)  Dòng 16-bit 68HC12 (CPU12) 68HC16 (CPU16) Freescale DSP56800 (DSP controller)  Dòng 32-bit Freescale 683XX (CPU32) MPC500 MPC 860 (PowerQUICC) MPC 8240/8250 (PowerQUICC II) MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III) 1.3.5 Họ vi điều khiển Fujitsu  F²MC Family (8/16 bit) GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học  FR Family (32 bit)  FR-V Family (32 bit RISC) 1.3.6 Họ vi điều khiển Inlel  Dòng 8-bit 8Xc42 MCS8 MCS51 8061 8xC261  Dòng 16-bit 80186/88 MCS96 MXS296  Dòng 32-bit 386EX I960 1.3.7 Họ vi điều khiển Microchip 12-bit instruction PIC 14-bit instruction PIC PIC 16F84 16-bit instruction PIC dsPIC 1.3.8 Họ vi điều khiển National Semiconductor COP8 CR16 1.3.9 Họ vi điều khiển STMicroelectronics ST 62 ST7 1.3.10 Họ vi điều khiển Philips Semiconductors LPC2000 LPC900 LCP700 GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Động điện chiều Động điện chiều động điện hoạt động với dòng điện chiều Động điện chiều ứng dụng rộng rãi ứng dụng dân dụng công nghiệp Thông thường động điện chiều chạy tốc độ nối với nguồn điện, nhiên điều khiển tốc độ chiều quay động với hỗ trợ mạch điện tử phương pháp PWM Động điện chiều dân dụng thường dạng động hoạt động với điện áp thấp, dùng với tải nhỏ Trong công nghiệp, động điện chiều sử dụng nơi yêu cầu moment mở máy lớn yêu cầu thay đổi tốc độ phạm vi rộng 2.1 Cấu tạo Cấu tạo động gồm có phần: stato đứng yên rôto quay so với stato Phần cảm (phần kích từ-thường đặt stato) tạo từ trường mạch từ, xuyên qua vòng dây quấn phần ứng (thường đặt rôto) Khi có dịng điện chạy mạch phần ứng, dẫn phần ứng chịu tác động lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rơto quay Chính xác hơn, lực điện từ đơn vị chiều dài dẫn tích có hướng vectơ mật độ từ thơng B vectơ cường độ dòng điện I Một phần quan trọng động điện chiều phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dịng điện cuộn rotor chuyển động quay rotor liên tục Thông thường phận phận gồm có cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây nhược điểm động điện chiều: cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, tin cậy nguy hiểm môi trường dễ nổ, sử dụng phải có nguồn điện chiều kèm theo chỉnh lưu GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 10 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học //===========THIET LAP CAC CONG VAO RA=========// set_tris_B(0x1E); // thiet lap cac chan RB1-RB4 la input set_tris_D(0x00); // thiet lap Port D lam dau //=============================================// set_pwm1_duty(0); // tat dong co set_pwm2_duty(0); // -delay_ms(100); portD = 0; // tat ca cac Pin cua Port D = while(true){ //tao vong lap vo han value=read_adc(); // nap gia tri ADC cho bien value if (stop == 0){ stop_DC(); } else if (V_co_dinh == 0){ chay_mot_toc_do(); } else if (left == 0){ quay_trai(); } else if (right==0){ quay_phai(); } if (bit_nho_dung==1) {;} else if (bit_nho_trai==1){ set_pwm2_duty(value); } else if (bit_nho_phai==1){ set_pwm1_duty(value); } GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 50 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học else if (bit_toc_do ==1){ set_pwm1_duty(128); } } } Ngyên tắc hoạt động Tín hiệu tương tự từ biến trở qua ADC chuyển thành tín hiệu số lưu vào hai ghi ADRESH:ADRESL Ở trạng thái bình thường, Port D mức thấp chân RB1; RB2; RB3; RB4 mức cao Mỗi có nút bấm bấm(tức 0) vi điều khiển thực chương trình  Chương trình quay thuận Khi chân RB4 đưa xuống mức thấp vi điều khiển thực chương trình có tên” quay_phai” Khi đó, chân ccp2 0, chân ccp1 vi điều khiển xuất chuỗi xung có duty = value(giá trị ADC) Đồng thời chân RD3 chuyển từ mức thấp lên mức cao làm cho LED nối với chân sáng lên  Chương trình quay ngược Khi chân RB3 đưa xuống mức thấp vi điều khiển thực chương trình có tên” quay_trai” Khi đó, chân ccp1 0, chân ccp2 vi điều khiển xuất chuỗi xung có duty = value(giá trị ADC) Đồng thời chân RD2 chuyển từ mức thấp lên mức cao làm cho LED nối với chân sáng lên  Chương trình quay tốc độ Khi chân RB2 đưa xuống mức thấp vi điều khiển thực chương trình có tên” chay_kot_toc_do” Khi đó, chân ccp1 0, chân ccp2 vi điều khiển xuất chuỗi xung có duty=180 Đồng thời chân RD0 chuyển từ mức thấp lên mức cao làm cho LED nối với chân sáng lên  Chương trình dừng động Khi chân RB0 đưa xuống mức thấp vi điều khiển thực chương trình có tên” stop_DC” Khi đó, chân ccp1 ccp2 2.5 GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 51 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học 0, Đồng thời chân RD1 chuyển từ mức thấp lên mức cao làm cho LED nối với chân sáng lên Tất nút bấm hoạt động cách độc lập Khi nút bấm bấm tất nút bấm coi không bấm vi điều khiển thực chương trình mà điều khiển nút bấm bấm GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 52 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Chƣơng CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mạch nguồn mạch công suất Mạch điều khiển trung tâm GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 53 Đồ án môn học TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ KẾT LUẬN I Thuận lợi khó khăn Thuận lợi Khi thực đồ án chúng em có thuận lợi sau: - Được hướng dẫn nhiệt tình thầy cô giáo khao Điện – Điện tử đặc biệt thầy Phạm Xuân Hiển - Sự học hỏi, trao đổi kinh nghiệm, giúp đỡ thành viên lớp ĐTCN K5 - Sự đoàn kết, hợp tác thành viên nhóm thực đồ án Khó khăn - Trong đề tài, chúng em sử dụng loại chip mà loại chip mà chúng em học trường nên cịn đơi chút khó khăn việc tìm kiếm tài liệu - Kiến thức chuyên ngành chưa sâu II Hƣớng phát triển đề tài Do kiến thức hạn chế, thời gian thực đề tài có hạn nên chúng em dừng lại việc điều khiển động vịng hở, chưa có phản hồi vịng kín, chưa hiển thị tốc độ động Cũng nguyên tắc tương tự, mạch điều khiển tốc độ động cách xác cách dùng timer điều khiển đếm số vòng quay của động cơ, suy tốc độ động cơ(được hiển thị LED 7SEG hình LCD) Hình sau ví dụ việc đếm xung encoder từ động Từ ta suy tốc độ động điều khiển xác động GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 54 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực Đồ án mơn học 55 Đồ án môn học TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ PHỤ LỤC Một số linh kiện đƣợc sử dung đề tài Transistor D468 Các thông số cực đại Tham số Điện áp collector – base Điện áp Emitter- collector Điện áp Emitter- base Dịng collecter Cơng suất Nhiệt độ chịu đựng Dỉa nhiệt độ hoạt động Kí hiệu VCB VEC VEB IC PC Tj TSTG Giá trị Đơn vị 25 V 20 V V A 0.9 W o 150 C o -55 ~ 150 C Một số đồ thị đặc trưng GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 56 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Transistor B562 GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 57 Đồ án môn học TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Các thông số cực đại Tham số Điện áp collector – base Điện áp Emitter- collector Điện áp Emitter- base Dịng collecter Cơng suất Nhiệt độ chịu đựng Dỉa nhiệt độ hoạt động Kí hiệu VCB VEC VEB IC PC Tj TSTG Giá trị - 25 - 20 -5 -1 0.9 150 -55 ~ 150 Đơn vị V V V A W o C o C Một số đồ thị đặc trưng GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 58 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực Đồ án mơn học 59 Đồ án môn học TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Transistor B688 Các thông số cực đại Tham số Điện áp collector – base Điện áp Emitter - collector Điện áp Emitter - base Dịng collecter Cơng suất Nhiệt độ chịu đựng Dỉa nhiệt độ hoạt động Kí hiệu VCB VEC VEB IC PC Tj TSTG Giá trị - 120 - 120 -5 -8 80 150 -55 ~ 150 Đơn vị V V V A W o C o C Một số đồ thị đặc trưng GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 60 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Transistor trường IRF540 Một số đồ thị biểu diễn đặc trưng GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 61 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực Đồ án môn học 62 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Transistor trường IRF9540 Các thông số cực đại Một số đồ thị GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực 63 TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực Đồ án môn học 64