Thiết kế mô phỏng mạch điện điều khiền động cơ một chiều sử dụng vi điều khển pic16f887

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA: KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - NGUYỄN VĂN THÁI THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỀN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHỂN PIC16F887 ĐỒ ÁN Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ Phú Thọ, 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA: KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ - NGUYỄN VĂN THÁI THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỀN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHỂN PIC16F887 ĐỒ ÁN Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Nguyễn Thị Thanh Hòa Phú Thọ, 2023 MỤC LỤC PHẦN I PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Phạm vi nghiên cứu Phần II NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Tổng quan động điện chiều .2 1.1.1 Lịch sử đời động điện chiều 1.1.2 Khái niệm về động một chiều 1.1.3 Cấu tạo động điện chiều 1.1.3.1 Phần cảm (startor) .4 1.1.3.2 Phần quay (Rotor, phần ứng) 1.1.4 Dây quấn phần ứng 1.1.5 Phân loại 1.1.6 Nguyên lý hoạt động động điện chiều 1.1.7 Các trị số định mức động điện chiều 1.1.8 Phương trình đặc tính .8 1.1.9 Các phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều 11 a Điều khiển tốc độ động thay đổi điện áp .11 b Điều khiển tốc độ động điều chỉnh từ thông 11 c Điều khiển tốc độ động điều chỉnh điện trở 11 1.2 Tổng quan vi điều khiển PIC 16F887 12 1.2.1 Tổng quan vi xử lý 12 1.2.2 Khảo sát vi điều khiển PIC16F887 13 1.2.3 Cấu hình vi điều khiển PIC16F887 14 1.2.4 Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển PIC 17 1.2.5 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887 19 a Chức chân port A 20 b Chức chân port B 22 c Chức chân port C 23 d Chức chân port D 24 e Chức chân phân chia theo nhóm chức 26 1.2.6 Tổ chức nhớ vi điều khiển PIC 16F887 29 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 29 1.4 Giới thiệu phần mềm Proteus PICC 30 1.4.1 Phần mềm Proteus 30 a Giới thiệu 30 b Chức Proteus 30 1.4.2 Phần mềm PIC C 31 Chương Thiết kế mô phỏng mạch 32 2.1 Lưu đồ thuật toán .32 2.2 Các thiết bị sử dụng 33 2.2.1 Vi điều khiển PIC 16F887 33 2.2.2 Điện trở 33 2.2.3 Diode 34 2.2.4 Mạch điều khiển động L298 34 2.2.5 Tụ thạch anh 34 2.2.6 Nút nhấn 35 2.2.7 Động điện chiều 35 Chương 3: Mô đánh giá kết 36 3.1 Mô .36 3.1.1 Mạch mô 36 3.1.2 Code lập trình .37 3.1.3 Hình ảnh độ rộng xung 39 3.2 Đánh giá kết 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Động điện chiều Hình Cấu tạo động điện chiều .3 Hình Cực từ Hình Giá đỡ chổi than Hình Phần ứng động điện chiều Hình Phiến đổi chiều cổ góp Hình Dây quấn phần ứng động điện chiều Hình Rãnh nguyên tố rãnh thực Hình Mô tả nguyên lý làm việc động điện chiều Hình 10 Sơ đồ nguyên lý động điện chiều Hình 11 Các thiết bị sử dụng vi xử lý 12 Hình 12 Hệ thống vi xử lý 13 Hình 13 Cấu hình vi điều khiển .17 Hình 14 Cấu trúc bên vi điều khiển 18 Hình 15 Sơ đồ chân PIC16F887 19 Hình 16 Sơ đồ nhớ chương trình ngăn xếp 29 Hình 17 Phần mềm Proteus 30 Hình 18 Phần mềm Proteus 31 Hình 19 Lưu đồ tḥt tốn 32 Hình 20 PIC 16F887 .33 Hình 21 Điện trở .33 Hình 22 Diode 34 Hình 23 Mạch điều khiển L298 .34 Hình 24 Tụ thạch anh 35 Hình 25 Nút nhấn 35 Hình 26 Đợng DC 35 Hình 27 Mạch mô 36 Hình 28 Code lập trình 38 Hình 29 Hình ảnh độ rộng xung thay đổi thay đổi cấp tốc độ .40 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tóm tắt cấu trúc loại PIC16F88X 17 PHẦN I PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nước ta thời kỳ cơng nghiệp hố đại hố, nghành cơng nghiệp trọng phát triển, động điện một chiều được sử dụng rộng rãi các máy đài FM, ổ đĩa DC, tivi, máy công nghiệp, loại máy in, máy photo, v v… , Do ngành cơng nghiệp tự động hố khơng thể thiếu, tự động hoá cao làm cho trình sản xuất trở lên đơn giản Vậy nước có trình độ tự động hố cao đồng nghĩa với nước sản xuất tiên tiến phát triển Trong thời đại nay, bùng nổ phát triển công nghệ Đặc biệt ngành cơng nghệ điện tử kỹ thuật số mạch ứng dụng vào thực tế nhiều Các thiết bị điện tử số dù đơn giản đại đến đâu hướng tới tiện lợi cho người sử dụng Trước yêu cầu địi hỏi cấp thiết sống Vì vậy, trình học học tập, nhằm nâng cao kỹ tay nghề khả nghiên cứu đồ án sở ngành em chọn đề tài“ Thiết kế mô phỏng mạch điện điều khiển động mợt chiều sử dụng PIC 16F887” Trong q trình thực đồ án em nhận bảo, hướng dân tận tình thầy khoa đặc biệt bảo Ngũn Thị Thanh Hòa Em xin trân thành cảm ơn bảo thầy cô! Trong thực đồ án kiến thức hạn chế em chưa có nhiều điều kiện để khảo sát thực tế, với khoảng thời gian ngắn thực hiện, mà đồ án em nhiều thiếu sót mong thầy đóng góp bổ sung ý kiến để đồ án em hoàn thiện Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu về động DC, phần mềm proteus, vi điều khiển PIC 16F887, IC L298, phần mềm PIC C Compiler 2.2 Phạm vi nghiên cứu - Một số mạch điện sử dụng PIC 16F887 - Các linh kiện điện tử bản đã học - Ngôn ngữ lập trình C Phần II NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Tổng quan động điện chiều 1.1.1 Lịch sử đời động điện chiều Động điện phát minh thơng qua cơng trình nhà khoa học Andrew Gordon người Scotland vào năm 1740 Sau nhà khoa học khác Michael Joseph henry tiếp tục phát triển chuyển động, thử nghiệm với trường điện từ khám phá cách chuyển đổi lượng điện thành lượng học Năm 1834 động điện chạy pin sản xuất Thomas Davenport Vermont đánh dấu dấu mốc vô quan trọng Phát minh ông sử dụng để cung cấp lượng cho máy in quy mô nhỏ hoạt động Năm 1886: DC William Sturgeon phát minh động điện chiều để vận hành máy móc Nhưng phải đến thời điểm này, động điện chiều thực tế chạy với tốc độ không đổi điều kiện trọng lượng thay đổi sản xuất Frank julian người phát minh động cung cấp chất xúc tác cho áp dụng rộng rãi động điện ứng dụng công nghiệp 1.1.2 Khái niệm về động một chiều Động điện chiều DC (DC từ viết tắt Direct Current Motor) động điều khiển dòng có hướng xác định hay nói cách khác động chạy nguồn điện DC – điện áp chiều Hình Động điện chiều 1.1.3 Cấu tạo động điện chiều Máy điện chiều gồm phần chính, phần cảm (phần tĩnh, startor) phần ứng (phần quay rotor) Hình Cấu tạo động điện chiều Lõi thép cực từ chính; Dây quấn cực từ chính; Mõm cực từ; Lõi thép cự từ phụ; Dây quấn cực từ phụ; Thân máy; Gông từ; Ổ bi; Lõi thép phần ứng; 10 Quạt gió; 11 Dây quấn phần ứng; 12 Cổ góp; 13 Chổi than - Có ngõ vào reset có tên MCLR (master clear) - Có chân cấp nguồn: VDD cấp nguồn dương, VSS nối với 0v 1.2.6 Tổ chức nhớ vi điều khiển PIC 16F887 Bộ nhớ chương trình PIC16F887 có dung lượng 8k chia làm trang nhớ Hình 16 Sơ đồ nhớ chương trình ngăn xếp Thanh ghi đếm chương trình PC (Program Counter) quản lý địa nhớ chương trình, ghi PC có độ dài 13 bit quản lý 8192 nhớ tương đương 8k ô nhớ Mỗi ô nhớ chương trình lưu 14 bit liệu 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu Hiện lĩnh vực đời sống đặc biệt cơng nghiệp có nhiều hoạt động liên quan đến tốc độ động điện chiều Đơi lúc xem tốc độ động yếu tố sống công nghiệp đặc biệt với chất lượng sản phẩm, ổn định hệ thống Ví dụ: Máy ép nhựa làm đế giày, cán thép, hệ thống pha trộn nguyên liệu tự động… Vì việc điều khiển tốc độ động xem đề cốt yếu hệ thống Hiện có nhiều đề tài nghiên cứu điều khiển tốc độ động điện chiều tồn số nhược điểm Đề tài “Động điện chiều vấn đề điều khiển tốc độ” Trần Hoàng Nam Đại học Bách Khoa sử dụng Arduino 29 mã nguồn mở nên gặp vài vấn đề thao tác giá thành cao Đề tài “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động điện chiều” Doãn Trung Quân Đại học Công Nghiệp Hà Nội sử dụng vi điều khiển AT89S52, vi điều khiển chưa sử dụng phổ biến với kỹ sư trường cần thời gian việc tìm hiểu thiết kế mạch Và nhiều đề tài tương tự… 1.4 Giới thiệu phần mềm Proteus PICC 1.4.1 Phần mềm Proteus a Giới thiệu Phần mềm Proteus phần mềm cho phép mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, … Proteus phần mềm mô mạch điện tử Labcenter Electronics mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Mtorola Phần mềm gồm chương trình: ISIS (Intelligent Schematic Input System) cho phép mô mạch ARES (Advanced Routing and Editing Software) dùng để vẽ mạch in Hình 17 Phần mềm Proteus b Chức Proteus - Vẽ sơ đồ nguyên lý: Có thể lấy linh kiện mong muốn từ thư viện Proteus, sau kết nối linh kiện lại với để tạo mạch điện tử hồn chỉnh - Mơ phỏng: Khả ứng dụng Proteus mơ phỏng, phân tích 30 kết từ mạch nguyên lý Proteus giúp người sử dụng thấy trước mạch thiết kế chạy hay sai trước thi cơng mạch - Thiết kế mạch in PCB: Có thể tự tạo thiết kế bắt Proteus làm hộ bạn Tự tạo thiết kế dễ dàng cần đặt chi tiết vào sơ đồ vẽ đường mạch điện chạy qua Nó tự động phát lỗi Cịn muốn Proteus làm thay cần đặt chi tiết vào vị trí tương ứng cho chạy tự động Nó vẽ cách đặt đường mạch lựa tốt 1.4.2 Phần mềm PIC C PICC phần mềm biên dịch lập trình ngơn ngữ C cho vi điều khiển PIC hãng Microchip Chương trình tích hợp chương trình biên dịch riêng cho dịng PIC khác là: PBC cho dòng PIC 12 bit opcodes, PCM cho dòng PIC 14 bit opcodes, PCH cho dịng PIC 16 bit 18 bit Hình 18 Phần mềm Proteus 31 Chương Thiết kế mô phỏng mạch 2.1 Lưu đồ thuật tốn Hình 19 Lưu đồ tḥt toán Đầu tiên bắt đầu khai báo thư viện khai báo biến, sau tao chương trình kiểm tra nút start/stop, tạo chương trình kiểm tra nut up, tao chương trình kiểm tra nut down Sau setup VALUE = 0, TTDC = 0, CAPTOCDO = 32 Khi ta ấn nút start/stop trạng thái tốc độ động 1, ta kiếm tra nút up nut down Đầu tiên kiểm tra nút down, ấn nut down cấp tốc độ lớn tốc độ giảm 1, tốc độ giảm xuống thấp Kiểm tra nut up, nhấn nut up tốc độ cộng thêm 1, cấp tốc độ đạt tối đa 10 2.2 Các thiết bị sử dụng 2.2.1 Vi điều khiển PIC 16F887 Vi điều khiển PIC 16F887 vi điều khiển bit thiết kế theo công nghệ CPU RSIC cho công suất tối đa với điện tiêu thụ thấp Có tổng cộng 40 chân nhiều gói chân đáp ứng yêu cầu mạch nhỏ gọn đại Hình 20 PIC 16F887 2.2.2 Điện trở Điện trở linh kiện điện tử thụ động với tiếp điểm nối Chức dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dòng điện chảy mạch Dùng để chia điện áp, kích hoạt linh kiện điện tử chủ động transistor, tiếp điểm cuối đường truyền điện… 33 Hình 21 Điện trở 2.2.3 Diode Diode linh kiện điện tử bán dẫn cho phép dòng điện qua theo chiều khơng chạy ngược lại Diode thường cấu tạo từ khối bán dẫn loại P với khối bán dẫn loại N nối với chân anode kathode Hình 22 Diode 2.2.4 Mạch điều khiển động L298 IC L298 IC tích hợp nguyên khối hai mạch cầu bên Với điệp áp làm tăng cơng suất đầu từ 5V - 47V, dịng lên đến 4A, Nó thích hợp ứng dụng cơng suất nhỏ động DC Hình 23 Mạch điều khiển L298 2.2.5 Tụ thạch anh 34 Là linh kiện điện tử chế tạo từ tinh thể thạch anh dùng để tạo xung dao động Hình 24 Tụ thạch anh 2.2.6 Nút nhấn Nút nhấn loại khí cụ dùng để đóng/ngắt thiết bị điện, máy móc số loại trình điều khiển Nút nhấn thường đặt bảng điều khiển, tủ điện, công tắc nút nhấn, … Khi thao tác với nút nhấn cần dứt khốt để đóng mở mạch điện Hình 25 Nút nhấn 2.2.7 Động điện chiều Động chiều DC (DC từ viết tắt “Direct Current Motors”) điều khiển dịng có hướng xác định hay nói cách khác loại động chạy nguồn điện áp DC – điện áp chiều 35 Hình 26 Động DC Động chiều (DC) động biến lượng từ dòng điện chiều thành Động chiều ngày không xuất dân dụng Mà chúng có mặt ngày nhiều hệ thống công nghiệp Đơn cử động servo, động bước… - Một số ứng dụng:  Dùng cần cẩu  Ở dây chuyền, băng tải  Công cụ máy móc cầm tay  Đồ chơi trẻ em  Bộ khởi động động ô tô… Chương 3: Mô đánh giá kết 3.1 Mô 3.1.1 Mạch mơ 36 Hình 27 Mạch mơ Nguyên lý hoạt động: Mạch sử dụng thay đổi tốc độ động cách thay đổi điện trở phần ứng động Vì dịng điện phần ứng lớn nên tổn hao công suất điện trở điều chỉnh lớn Chân điện trở vào chân PIC 16F887, đầu PIC vào cảm biến L298 qua chỉnh lưu vào phần ứng động Khi bắt đầu ta cần ấn nut start/stop để động chay chạy cấp tốc độ với độ rộng xung nhỏ Khi ấn nút up cấp điện trở giảm, cấp tốc độ tăng lên cấp độ rộng xung lớn Ta tăng đến cấp tốc độ tối đa 10 ta không tăng thêm ta đặt điều kiện theo giới hạn đề Sau ta ấn nut down cấp điện trở tăng, cấp tốc độ động giảm cấp, độ rộng xung giảm Tốc độ động giảm xuống thấp cấp tốc độ Khi chưa ấn start/stop ta ấn nút up down động khơng chạy 3.1.2 Code lập trình 37 38 Hình 28 Code lập trình 3.1.3 Hình ảnh độ rộng xung 39 40 Hình 29 Hình ảnh độ rộng xung thay đổi thay đổi cấp tốc độ 41 Trên hình ảnh độ rộng xung thông qua vài cấp tốc độ Khi ta thay đổi điện trở tốc độ động thay đổi Mỗi lần tăng giảm cấp tốc độ tăng lên cấp giảm cấp Khi ta tăng dần tốc độ động cơ, độ rông xung to đến max theo đề ta chọn cấp tốc độ thứ 10, độ rộng xung to gần trở thành đường thẳng Và ngược lại, ta giảm dần tốc độ động độ rộng xung thu hẹp lại 3.2 Đánh giá kết * Nhận xét: Như sau mơ thấy tốc độ động thay đổi phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Vì dịng điện phần ứng lớn nên tổn hao công suất điện trở điều chỉnh lớn Sau mơ ta thay đổi tốc độ theo ý muôn Tốc độ thay đổi từ từ qua cấp tốc độ Mỗi lần tăng tốc giảm tốc tăng giảm cấp tốc độ tức la thay đổi cấp điện trở Việc thay đổi tốc độ cách từ từ đảm bảo tuổi tho cho động ổn định, bền sử dụng lâu dài từ hạn chế việc phát sinh sản suất mà động gặp vấn đề hỏng hóc * Hạn chế: Thiết kế cần kỹ sư có trình độ * Kết đạt được: - Hiểu nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động sử dụng PIC 16F887 - Biết sử dụng phần mềm để vẽ mạch mô - Các hoạt động mạch chạy theo yêu cầu đề - Tìm hiểu cách thay đổi tốc độ động điện chiều - Mạch chạy ổn định không bị gián đoạn qua lần chạy đảm bảo mô đảm bảo yêu cầu công nghệ so với lắp đặt thực tế 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Máy điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội – Đặng Quốc Vương [2] Giáo trình vi xử lý PIC 16F887 – Nguyễn Đình Phú [3] Giáo trình Vi xử lý – Vi điều khiển – Trường Đại học Sao Đỏ - Bộ Công Thương 43 ... THUẬT – CÔNG NGHỆ - NGUYỄN VĂN THÁI THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỀN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHỂN PIC16F887 ĐỒ ÁN Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN... cao kỹ tay nghề khả nghiên cứu đồ án sở ngành em chọn đề tài“ Thiết kế mô phỏng mạch điện điều khiển động mô? ?t chiều sử dụng PIC 16F887” Trong trình thực đồ án em nhận bảo, hướng dân... đề tài Nước ta thời kỳ cơng nghiệp hố đại hố, nghành cơng nghiệp trọng phát triển, động điện mô? ?t chiều được sử dụng rộng rãi các máy đài FM, ổ đĩa DC, tivi, máy công nghiệp, loại