Bài tập lớn môn học kỹ thuật vi xử lý thiết kế mạch điều khiển đảo chiều động cơ một chiều

HỌC VIỆN HẢI QUÂN KHOA KỸ THUẬT CƠ SỞ BÁO CÁO KẾT QUẢ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: KỸ THUẬT VI XỬ LÝ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU GVHD: Đại úy Nguyễn Thế Anh Lớp: KĐ25 Nhóm 01 Học viên thực hiện: Vũ Việt Hồng (Nhóm trưởng) Nguyễn Hữu Tồn Đường Trần Đức Nguyễn Hải Đăng Khánh Hòa - 2022 HỌC VIỆN HẢI QUÂN KHOA KỸ THUẬT CƠ SỞ BÁO CÁO KẾT QUẢ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: KỸ THUẬT VI XỬ LÝ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU GVHD: Đại úy Nguyễn Thế Anh Lớp: KĐ25 Nhóm 01 Học viên thực hiện: Vũ Việt Hồng (Nhóm trưởng) Nguyễn Hữu Tồn Đường Trần Đức Nguyễn Hải Đăng Khánh Hòa - 2022 MỤC LỤC MỞ ĐẦU   Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan vi điều khiển PIC 1.2 Tổng quan vi điều khiển PIC 16F877A 1.2.1 Cấu tạo 1.2.2 Sơ đồ chân Mạch cầu H 1.3.1 Giới thiệu mạch cầu H 1.3.2 Các dạng mạch cầu H 1.3.3 Nguyên lý hoạt động THIẾT KẾ MẠCH 11 2.1 Mạch cầu H 12 2.2 Hệ thống điều khiển button 13 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 14 3.1 Sơ đồ nguyên lý 14 3.2 Chương trình điều khiển 15 Chương KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 17 Phụ lục Tài liệu tham khảo 18 1.3 Chương 2: Chương 3: MỞ ĐẦU Hiện có loại động sử dụng, đa dạng phong phú đòi hỏi nhà nghiên cứu ngày phải nâng cấp để đáp ứng cầu ngày cao người sử dụng Động đại đồng nghĩa với tính đảm bảo an tồn ứng dụng phải cao Như thấy phương tiện lại phục vụ người ngày tiên tiến, hàng nghìn loại động tạo Trong có loại động sử dụng cho số máy móc nhỏ vừa động điện chiều Ứng dụng động điện chiều đa dạng lĩnh vực đời sống: tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, máy inphoto, đặc biệt công nghiệp giao thông vận tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn Vì nhóm chúng tơi lựa chọn đề tài “Thiết kế mạch điều khiển đảo chiều động chiều” với vi xử lý 16F877A với mạch cầu H dễ dàng đảo chiều động nút nhấn hay công tắc, việc giúp điều khiển động dễ đáp ứng nhiều công việc Nội dụng cấu trúc đề tài gồm phần: Cơ sở lý thuyết ( Vi xử lí PIC 16F877A, Mạch cầu H, ), Thiết kế mạch ( lên ý tưởng đề tài, vẽ mạch, lập trình PIC C, ), Các kết đạt ( trình xây dựng mạch khơng thể khơng xảy nhiều sai sót song lỗi tìm nhóm chúng tơi lại ngày có nhiều kinh nghiệm đồng thời hoàn thiện phần thiết kế mạch chương trình nhóm ), phần cuối kết luận nhận xét CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan vi điều khiển PIC Về bản, PIC viết tắt Programmable Intelligent Computer, hãng General Instrument đặt tên cho sản phẩm xử lý họ HIện thị trường có nhiều họ vi điều khiển 8051, ARM, v.v học vi điều khiển PIC ưa chuộng nhiều lý do:  Họ vi điều khiển dễ dàng tìm thấy thị trường Việt Nam  Giá thành phù hợp với nhu cầu học hỏi sinh viên  Có đầy đủ tính vi điều khiển độc lập  Là bổ sung tốt kiến thức ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống 8051 Ngồi ra, hỗ trợ nhà sản xuất trình biên dịch (PIC C Compiler, MickroC), cơng cụ lập trình, nạp chương trình dành cho sản phẩm đa dạng, PIC lựa chọn hồn hảo để xây dựng mơ hình sản phẩm 1.2 Tổng quan vi điều khiển PIC 16F877A 1.2.1 Cấu tạo Một số đó, vi điều khiển PIC16F877A vi điều khiển tiếng giới kỹ thuật điện tử Bộ vi điều khiển có nhiều ưu điểm thuận tiện cho việc sử dụng, lập trình chương trình điều khiển dễ dàng.Một ưu điểm bật ghi xóa nhiều lần, có cơng nghệ nhớ Flash Nó có tất 40 chân có 33 chân I/O PIC 16F877A có tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh thực thi chu kỳ xung Clock Tốc độ tối đa cho phép 20Mhz với chu kỳ lệnh 200ms Bộ nhớ chương trình 8k x 14bit, nhớ liệu 368x8 byte RAM nhớ liệu EEPROM với dung lượng 258x8 byte Số PORT I/O với 33 chân I/O Hình 1.1: Sơ đồ khối Vi xử lý PIC 16F877A Ngồi ra, đặc tính ngoại vi sản phẩm bao gồm khối chức sau:  Timer0: đếm 8bit với chia tần số 8bit  Timer1: đếm 16bit với chia tần số, thực chức đếm dựa vào xung clock ngoại vi vi điều khiển hoạt động chế độ ngủ  Timer2: đếm 8bit với chia tần số postcaler  Hai Capture/so sánh/điều chế độ xung  Các chuẩn giao tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI I2C  Chuẩn giao tiếp nối USART với địa bit  Cổng gia tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với chân điều khiển RD, WR, CS bên Ngoài ra, nhắc tới đặc tính Analog sau:  kênh chuyển đổi ADC 10bit  Hai so sánh  Bộ nhớ flash với khả ghi xoá 100000 lần  Bộ nhớ EEPROM lưu trữ 40 năm  Khả tự nạp chương trình với điều khiển phần mềm  Watchdog Timer với dao động  Chức bảo mật mxa chương trình  Chế độ Sleep  Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác 1.2.2 Sơ đồ chân Hình 1.2: Sơ đồ chân vi xử lý PIC 16F877A STT 1chân Tên chân MCLR/Vpp Mô tả CMLR sử dụng trính lập trình, chủ yếu kết nối với programmer RA0 / AN0 PicKit Chân analog chân PORTA 5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 RA1 / AN1 RA2/AN2/VrefRA3/AN3/Vref+ RA4/T0CKI/C1out RA5/AN4/SS/C2out RE0 / RD / AN5 RE1 / WR / AN6 RE2 / CS / AN7 Vdd Vss OSC1 / CLKI OSC2 / CLKO RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RD0/PSP0 RD1/PSP2 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/Tx/DT RC7/Rx/DT RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7 Vss Vdd RB0/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 Chân analog chân PORTA CHân analog chân PORTA Chân analog chân PORTA Chân PORTA Chân analog chân PROTA Chân analog chân PORTE Chân analog chân PORTE Chân PORTE Chân nối đất MCU Chân dương MCU (+5V) Bộ dao động bên ngoài/ chân đầu vào clock Bộ dao động bên ngoài/ chân đầu vào clock Chân PORT C Chân POCTC chân Timer/PWM Chân POCTC chân Timer/PWM Chân POCTC Chân POCTD Chân POCTD Chân POCTD Chân POCTD Chân POCTC chân Serial Data vào Chân POCTC hoặ chân Serial Data Chân thứ POCTC chân phát VĐK Chân thứ POCTC chân thu VĐK Chân POCTD Chân POCTD Chân POCTD Chân POCTD Chân dương MCU (+5V) Chân nối đất MCU Chân thứ POCTB chân mắt Chân thứ POCTB Chân thứ POCTB Chân thứ POCTB nối programmer Chân thứ POCTB Chân thứ POCTB 39 40 RB6/PGC RB7/PGD Chân thứ POCTB nối programmer Chân thứ POCTB nối programmer 1.3 Diode Diode linh kiện điện tử bán dẫn chi cho phép dịng điện qua theo chiều mà không chạy ngược lại Diode bán dẫn thường có nguyên lý cấu tạo chung khối bán dẫn loại P ghép với khối bán dẫn loại N nối với chân anode cathode Nếu ghép hai chất bán dẫn theo tiếp giáp P – N ta diode, tiếp giáp P – N có đặc điểm: bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào chỗ trống, tạo thành lớp lon trung hoà điện, lớp lon tạo thành miền cách điện hai chấ bán dẫn Phân cực thuận cho Diode Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) , tác dụng tương tác điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) 0,2V ( với Diode loại Ge ) diện tích miền cách điện giảm khơng => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn dịng qua Diode tăng nhanh chênh lệch điện áp hai cực Diode không tăng (vẫn giữ mức 0,6V ) Phân cực ngược cho Diode Khi phân cực ngược cho Diode tức cấp nguồn (+)  vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), tương tác điện áp ngược,  miền cách điện rộng ngăn cản dòng điện qua mối tiếp giáp,  Diode chiu điện áp ngược lớn khoảng 1000V diode bị đánh thủng Ứng dụng Diode bán dẫn Do tính chất dẫn điện chiều nên Diode thường sử dụng mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành chiều, mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động mạch chỉnh lưu Diode tích hợp thành Diode cầu có dạng Phân loại diode: - Diode Zener - Diode thu quang - Diode phát quang - Diode Varicap ( Diode biến dung ) - Diode xung - Diode tách sóng - Diode nắn điện ( Diode chỉnh lưu ) - Diode cầu 1.4 Mạch cầu H 1.4.1 Giới thiệu mạch cầu H - Mạch cầu H biết đến hệ thống mạch đơn giản điều khiển động chiều - Mạch cầu H mạch có cơng suất sử dụng rộng rãi Chúng ứng dụng để điều khiển động điện DC động bước cặp cực Trên thực tế có nhiều loại mạch cầu H khác cho đối tượng khác Sự khác phụ thuộc nhiều vào khả điều khiển cầu H Đặc biệt yếu tố dịng điện, thơng số áp điều khiển, tần số… - Các phần tử chuyển mạch (Q1…Q4) thường bóng bán dẫn cực FET Các điốt (D1…D4) thường gọi điốt bắt thường loại Schottky Đầu nối với nguồn điện dầu nối đất Tất bốn yếu tố chuyển đổi bật tắt cách độc lập Hình 1.3: Mạch cầu H 1.4.2 Nguyên lý hoạt động Hoạt động tĩnh Chế độ vận hành mạch cầu H đơn giản: Q1 Q4 bật, dây dẫn bên trái động nối với nguồn điện, dây dẫn phải nối với mặt đất Dòng điện bắt đầu chạy qua động tạo lượng cho động hướng phía trước trục động bắt đầu quay Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động Q1,Q4 bật Nếu Q2 Q3 bật, điều ngược lại xảy ra, động cấp lượng theo hướng ngược lại trục bắt đầu quay ngược Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động Q2,Q3 bật Trong mạch cầu, khơng nên đóng Q1, Q2 (hoặc Q3, Q4) lúc Nếu không tạo đường dẫn điện trở thực thấp nguồn GND, làm ngắn mạch nguồn cung cấp lượng cách hiệu Điều kiện gọi “bắn xuyên qua” cách đóng đảm bảo để nhanh chóng phá huỷ mạch cầu 1.4.3 Mắc mạch cầu diode Mắc mạch cầu diode để cung cấp đường dẫn liên tục cho dòng điện động chảy Trong hầu hết thiết lập cầu, dịng điện thay đổi tương đối thời gian bật tắt so với dịng trung bình chảy qua động Sự khác biệt diode công tắc phần tử chuyển mạch có điện trở tương đối ổn định thấp, diode dẫn có sụt giảm điện áp tương đối khơng đổi CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH 10 Hình 2.1: Thiết kế Proteus mạch đảo chiều động chiều Được giao làm đề tài “ Điều khiển động chiều” nhóm chúng tơi ngày đêm tìm tịi nhiều cách khác để điều khiển động chiều Điều chỉnh R phần ứng cách mắc nối tiếp điện trở R*.Khi mắc nối tiếp điện trở phụ R* vào phần ứng từ công thức ta thấy tốc độ quay đông điện chiều tăng lên , mắc thêm R* tổn hao tăng lên , khơng kinh tế Điều chỉnh từ thơng Ø.Khi từ thơng giảm tốc độ quay động chiều tăng lên phạm vi giới hạn Nhưng từ thơng thay đổi Momen, dịng điện thay đổi theo nên khó tính tốn xác dịng động Momen tải Điều khiển tốc độ động điện chiều cách điểu khiển điện áp phần ứng.Chúng ta lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Khi thay đổi điện áp phần ứng tốc độ quay động thay đổi tương ứng.Phương pháp điều khiển động điện chiều không phức tạp Chỉ cần tuân thủ nguyên tắc hoạt động trang bị số kiến thức, kỹ định bạn hồn tồn điều khiển loại động cách nhanh chóng hiệu 11 Cuối cùng, với gợi ý thầy tiếp cận với hệ thống mạch vô tiện dụng mạch cầu H theo hướng chúng tơi thiết kế mạch hình 2.1 2.1.Mạch cầu H Trong q trình nghiên cứu nhóm mạch điều khiển động chiều mạch cầu H việc mạch cầu H cấu tạo từ cặp transistor NPN PNP dễ dàng điều khiển hơn, xảy cố so với transistor loại Vì nhóm sau nhiều lần cẽ mạch tham khảo loại mạch cầu H, mạch điều khiển động chiều youtube hay wed khác cho hệ thống mạch nói tối ưu hoạt động Hình 2.2: Mạch cầu H Cấu trúc mạch cầu H gồm có transistor có transistor TIP 122 transistor TIP 127, chúng đặt tên theo thứ tự Hình 2.1 Transistor bố trí với loại điện trở diode theo hình chữ H theo cặp transistor diode đầu transistor gắn nối tiếp với điện trở giá trị 100k ohm Đầu transistor Q3 Q1 nối với chân số 34 vi xử lý PIC 16F877A Đầu transistor Q2 Q4 nối với chân số 33 vi xử lý PIC 16F877A Một đầu transistor Q3 Q4 nối lại với nguồn, đầu transistor Q2 Q1 nối lại với đất 12 2.2 Hệ thống điều khiển button Ba button cho nối tiếp điện trở 10k ohm gắn vào chân 2,3,4 PIC 16F877A theo thứ tự dừng (DUNG), thuận (THUAN), ngược (NGUOC) button nằm thứ tự từ xuống Đầu lại button nối đất Hình 2.3: Hệ thống nút nhấn CHƯƠNG CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Sơ đồ nguyên lý 13 Hình 3.1 Cấp nguồn chưa nhấn nút Sau nạp cho PIC 17F877A chương trình cấp nguồn cho mạch động chưa quay Do cặp transistor chúng nối đất nguồn không qua transistor hình 3.1 ta thấy rõ dịng điện khơng qua transistor tip 127 khơng có dịng chạy qua động chiều Hình 3.2: Mạch nhấn nút thuận 14 Chúng ta nhấn vào button thứ xuống tức nút THUAN hình 3.1 dịng điện chạy từ chân số 33 PIC 16F877A sau qua transistor Q3 vào Q2 qua động DC theo chiều từ phải qua trái động quay theo chiều kim đồng hồ Chúng ta nhấn giữ nút dừng động dừng lại Hình 3.3: Mạch nhấn nút nghịch Tiếp nhấn nút NGHICH ( nút thứ xuống ) động chạy theo chiều ngược chiều kim đồng hồ dịng điện theo hình 3.4 dịng điện chạy từ chân số 34 PIC 16F877A sau qua transistor Q4 vào Q1 qua động DC theo chiều từ trái qua phải 3.2 Chương trình điều khiển #include #use delay (clock=20000000) #define LCD_ENABLE_PIN PIN_D1 #define LCD_RS_PIN PIN_D2 #define LCD_RW_PIN PIN_D3 15 #define LCD_DATA4 PIN_D4 #define LCD_DATA5 PIN_D5 #define LCD_DATA6 PIN_D6 #define LCD_DATA7 PIN_D7 #include #define DUNG PIN_A0 #define THUAN PIN_A1 #define NGHICH PIN_A2 unsigned int16 TRANGTHAI; void main() { SET_TRIS_D(0); SET_TRIS_A(0XFF); SET_TRIS_B(0XFF); LCD_INIT(); LCD_gotoxy(1,1); LCD_putc(" DUNG "); while(TRUE) { if(input(THUAN)==0) { output_B(1); 16 LCD_gotoxy(1,1); LCD_putc(" THUAN "); } if(input(NGHICH)==0) { output_B(2); LCD_gotoxy(1,1); LCD_putc(" NGHICH "); } if(input(DUNG)==0) { output_B(0); LCD_gotoxy(1,1); LCD_putc(" DUNG "); } } } IV.KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Qua trình thiết kế mạch tìm tịi nhóm biết thêm nhiều loại mạch chức công dụng số loại linh kiện transistor PNP hay NPN, TIP122 TIP127 Bên cạnh khả hoạt động động DC- động chiều Biết thêm nguyên lý hoạt động mạch cầu H chức PIC16F877A 4.2 Kiến nghị 17 Trong trình tìm hiểu hồn thành tập lớn, chúng tơi thích thú với mơn học Mơn học giúp chúng tơi nâng cao khả tư tỉ mỉ trình viết chương trình PIC Qua muốn môn đưa nhiều vấn đề giải thích rõ nhiều linh kiện, loại mạch khác nhiều loại vi xử lý khác V.TÀI LIỆU THAM KHẢO 1, Trang 183-229 “ Tự động hóa với điện tử”, Hà Quang Phúc, Phạm Quang Huy xuất 2020 2, Sách “Máy điện” tập 2, Bùi Đức Hùng 3, Một số video Youtube khác liên quan đến động chiều mạch cầu H 18 ...HỌC VI? ??N HẢI QUÂN KHOA KỸ THUẬT CƠ SỞ BÁO CÁO KẾT QUẢ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: KỸ THUẬT VI XỬ LÝ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU GVHD: Đại úy Nguyễn... tải, thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn Vì nhóm chúng tơi lựa chọn đề tài ? ?Thiết kế mạch điều khiển đảo chiều động chiều? ?? với vi xử lý 16F877A với mạch cầu H dễ dàng đảo chiều. .. 1.2 Tổng quan vi điều khiển PIC 16F877A 1.2.1 Cấu tạo Một số đó, vi điều khiển PIC16F877A vi điều khiển tiếng giới kỹ thuật điện tử Bộ vi điều khiển có nhiều ưu điểm thuận tiện cho vi? ??c sử dụng,