thiết kế mạch điều khiển ổn nhiệt và hiển thị nhiệt trong mô hình máy ấp trứng

Thời gian qua, nhờ nhận được sự quan tâm dìu dắt cũng như dạy bảo tận tâm của quý thầy cô trong trường, khoa và thầy cô Bộ môn Vật lý Điện tử mà chúng em mới có thể hoàn thành tốt khóa học. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô! Đặc biệt, trong thời gian thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp: “Thiết kế mạch điều khiển ổn nhiệt và hiển thị nhiệt trong mô hình máy ấp trứng”, em đã nhận được sự hướng dẫn, hỗ trợ tận tình của thầy Tống Thanh Nhân, giảng viên Bộ môn Vật lý Điện tử. Qua đây em cũng xin gửi lời tri ân sâu sắc tới thầy. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2009 Nguyễn Ngọc Phương i Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh sách các hình v Danh sách các bảng viii Lời mở đầu 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16 2 1.1 Giới thiệu về AVR 2 1.2 Đặc điểm của AVR 2 1.2.1. Kiến trúc RISC 2 1.2.2. Bộ phận ngoại vi 3 1.2.3. Tốc độ xung clock 3 1.2.4. Bộ nhớ chương trình 4 1.2.5. Khả năng lập trình được 4 1.2.6. Điện áp sử dụng 5 1.3 Vi điều khiển Atmega 16 5 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L 8 2.1 Tổng quan về PLC 8 2.1.1 Khái niệm về PLC 8 2.1.2 Đặc điểm của PLC 8 2.1.3 Cấu trúc phần cứng của PLC 10 2.1.3.1 Bộ xử lý trung tâm 11 2.1.3.2 Bộ nhớ 11 2.1.3.3 Khối vào/ra 12 2.2 Cơ bản về lập trình PLC 13 2.2.1 Đại số Boole 13 2.2.2 Các hệ mạch logic 14 2.2.3 Sơ đồ Grafcet 16 ii 2.2.3.1 Một số ký hiệu trong Grafcet 16 2.2.3.2 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet 17 2.2.3.3 Phân nhánh trong Grafcet 17 2.2.3.4 Bước nhảy trong Grafcet 18 2.2.3.5 Cách xây dựng sơ đồ Grafcet 19 2.2.4 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình bậc thang Ladder. .19 2.2.4.1 Khái niệm công tắc thường mở và công tắc thường đóng và một số dòng lệnh 19 2.2.4.2 Cấu trúc chương trình điều khiển 20 2.2.4.3 Các lệnh sơ đồ ladder 21 2.3 Khảo sát PLC CP1L 28 Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CODEVISIONAVR, PHẦN MỀM CX-PROGRAMER 33 3.1 Phần mềm lập trình codevision 33 3.1.1 Thiết lập cổng vào ra: 33 3.1.2 Cách sử dụng phần mềm CodeVision 35 3.2 Phần mềm CX-programer 40 3.2.1 Giới thiệu phần mềm CX-Programmer 40 3.2.2 Cách sử dụng phầm mềm CX-Programmer 41 Chương 4: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VÀ ỨNG DỤNG 48 4.1 Mục tiêu của đề tài 48 4.2 Phần cứng và các mạch giao tiếp 49 4.2.1 Mạch ổn áp tạo nguồn 5V 49 4.2.2 Mạch cảm biến nhiệt LM35 50 4.2.3 Mạch hiển thị LCD 54 4.2.4 Mạch cảm biến vị trí(cảm biến hồng ngoại) 58 4.2.5 Mạch điều khiển đổi chiều động cơ DC 59 4.2.6 Giao tiếp giữa các thiết bị với PLC 61 4.3 Phần mềm và kết quả thực hiện 64 iii 4.3.1 Chương trình viết bằng phần mềm CX- programer để điều khiển, ổn định nhiệt và điều khiển hoạt động của động cơ 64 4.3.2 Chương trình viết bằng phần mềm codevisionAVR để hiển thị nhiệt và truyền tín hiệu tới PLC 65 4.3.3 Những kết quả đạt được 70 4.4 Tổng kết và hướng phát triển 72 Tài liệu tham khảo 73 iv Danh sách các hình Hình 1.1 So sánh thời gian thực hiện 2 lệnh ở các bộ xử lý khác nhau 4 Hinh 1.2 Hình biểu đồ khối bên trong của Atmega16 6 Hình 1.3 Sơ đồ chân của Atmega16 7 Hình 2.1 Sơ đồ khối bên trong PLC 9 Hình 2.2 Sơ đồ khối cấu trúc bên trong PLC 11 Hình 2.3 Mạch cách ly quang 12 Hình 2.4 Mạch logic trình tự 15 Hình 2.5 Mạch logic tổ hợp 15 Hình 2.6 Sơ đồ Grafcet 16 Hình 2.7 Biểu diễn một số trạng thái trong Grafcet 16 Hình 2.8 Chuyển tiếp trạng thái trong Grafcet 17 Hình 2.9 Sơ đồ rẽ nhánh 17 Hình 2.10 Sơ đồ song song 18 Hình 2.11 Bước nhảy trong Grafcet 18 Hình 2.12 Hình minh họa hoạt động của các lệnh PLC 20 Hình 2.13 Các dòng lệnh trong PLC 20 Hình 2.14 Sơ đồ Grafcet và chương trình ladder 28 Hình 2.15 PLC CP1L 28 Hình 2.16 Kết nối PLC với một số thiết bị 29 Hình 2.17 Biểu đồ so sánh tốc độ xử lý một số loại PLC 29 Hình 3.1 Khởi tạo ban đầu trước khi viết chương trình trong codevision 34 Hình 3.2 35 Hình 3.3 35 Hình 3.4 36 Hình 3.5 36 Hình 3.6 37 Hình 3.7 37 v Hình 3.8 38 Hình 3.9 38 Hình 3.10 39 Hình 3.11 Khởi tạo LCD 39 Hình 3.12 Khởi tạo ADC 40 Hình 3.13 41 Hình 3.14 41 Hình 3.15 42 Hình 3.16 42 Hình 3.17 43 Hình 3.18 43 Hình 3.19 43 Hình 3.20 44 Hình 3.21 44 Hình 3.22 45 Hình 3.23 45 Hình 3.24 46 Hình 3.25 46 Hình 3.26 47 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 50 Hình 4.2 Mạch nguồn thực hiện 50 Hình 4.3 Cảm biến LM35 50 Hình 4.4 Mạch hoạt động LM35 51 Hình 4.5 Mạch khuếch không đảo tín hiệu ra dùng Op-Ampl LA 324(sử dụng một Op-Ampl chân 1,2,3) 52 Hình 4.6 Sơ đồ chân op-ampl LA 324 52 Hình 4.7 Sơ đồ chuyển đổi nhiệt độ thành điện thế 53 Hình 4.8 Mạch thực hiện được LM35 53 Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD 54 Hình 4.10 Chuyển đổi ADC 54 vi Hình 4.11 LCD 16x2 55 Hình 4.12 Mạch hiển thị ra LCD thực hiện 57 Hình 4.13 Phản xạ tia hồng ngoại tại các bề mặt 58 Hình 4.14 Mạch thu phát hồng ngoại 58 Hình 4.15 Mạch thực hiện thu phát hồng ngoại 59 Hình 4.16 Mạch cầu H điều khiển đổi chiều động cơ 59 Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch relay 60 Hình 4.18 Mạch relay điều khiển đổi chiều động cơ thực hiện 60 Hình 4.19 Sơ đồ giao tiếp các thiết bị 61 Hình 4.20 Kết nối ngõ vào PLC 62 Hình 4.21 Kết nối ngõ ra PLC 63 vii Danh sách các bảng Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển 10 Bảng 2.2 Bảng các cổng và phép toán đại số Boole 13 Bảng 2.3 Các modul CPU 30 Bảng 2.4 Đặc tính với đầu ra rơle 30 Bảng 2.5 Đặc tính của PLC CP1L 31 Bảng 4.1 Đặc tính điện của KA7805A 49 Bảng 4.2 Mô tả chân LCD 56 viii Ngày nay, với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, ngành điện tử đã và đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp. Các thiết bị điện tử như PLC và các vi điều khiển với rất nhiều ưu điểm trong điều khiển tự động cũng như bán tự động đã giúp cho các ngành công nghiệp ngày nay phát triển một cách hiệu quả. Ưu điểm của PLC và vi điều khiển: Tích hợp gọn, nhẹ, dễ lập trình, giá thành rẻ, phù hợp với môi trường công nghiệp, thay thế và bảo hành đơn giản, nhanh gọn, giao tiếp với nhiều thiết bị Để nghiên cứu sâu hơn về các thiết bị này và ứng dụng chúng trong đời sống nên em chọn đề tài nghiên cứu về việc dùng vi điều khiển và PLC để đo và hiển thị nhiệt độ, ổn định nhiệt và điều khiển các quá trình hoạt động trong mô hình máy ấp trứng. Nội dung nghiên cứu của đề tài: Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động của họ vi điều khiển AVR nói chung và vi điều khiển atmega16 nói riêng, về hoạt động của PLC và ứng dụng PLC CP1L, ứng dụng cảm biến nhiệt, và hoạt động của động cơ DC, sử dụng phần mềm codevisionAVR và phần mềm CX-programer để viết chương trình điều khiển. Qua thời gian nghiên cứu nay em đã hoàn thành các mạch giao tiếp, điều khiển bằng chíp atmega16 và PLC CP1L trong mô hình máy ấp trứng với số lượng 30 trứng. Đề tài được chia làm các phần như sau: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16. Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CODEVISIONAVR, PHẦN MỀM CX-PROGRAMER Chương 4: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VÀ ỨNG DỤNG 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢO SÁT VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16. 1.1 Giới thiệu về AVR Vi điều khiển AVR thuộc họ vi điều khiển do Atmel (Na Uy) sản xuất (Atmel cũng là nhà sản xuất các vi điều khiển họ 89C51). Đây là họ vi điều khiển được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp. Ngoài các tính năng như các họ vi điều khiển khác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình. Sự ra đời của AVR bắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trình cho vi điều khiển, chúng ta thường dùng những ngôn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Language) để lập trình ngay cả với loại chíp xử lí 8 bit trong đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất. Tuy nhiên, khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngôn ngữ Assembly. Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt cho ngôn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch kích thước mã đã nói trên. Và kết quả là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch và thêm vào đó là thực hiện lệnh đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lũy và đạt tốc độ nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần. 1.2 Đặc điểm của AVR So với các chíp vi điều khiển khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng. Gần như chúng ta không cần lắp thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chíp (thường là các khối thạch anh). Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần vài điện trở là có thể làm được. Một số AVR còn hỗ trợ lập trình on-chip bằng bootloader không cần mạch nạp. Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích với C. Hầu hết các chíp có những tính năng sau : 1.2.1. Kiến trúc RISC Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp lưu trữ (load-store) và 32 thanh ghi đa năng. 2 [...]... của các lệnh PLC Trong khi nhập chương trình vào PLC, phải đảm bảo đang ở chế độ Program Mode và cuối chương trình phải có lệnh END Hình 2.13 Các dòng lệnh trong PLC 2.2.4.2 Cấu trúc chương trình điều khiển Cấu trúc chương trình điều khiển dưới dạng sơ đồ Ladder gồm 3 phần Đoạn chương trình điều khiển chế độ hoạt động Hầu hết các điều khiển trong công nghiệp đều có nút khởi động (START) và nút dừng (STOP)... lập trình được Do cách thiết kế và công nghệ bộ nhớ được sử dụng mà các vi điều khiển có thể được lập trình ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch, không cần phải nhấc ra khỏi bản mạch như nhiều vi điều khiển của các họ vi điều khiển khác Các cổng giao tiếp RS-232 và SPI cho phép dễ dàng thực hiện thao tác lập trình trên hệ thống 4 1.2.6 Điện áp sử dụng Cho phép thay đổi trong khoảng rộng từ 2,7V... trình và thiết gian lập trình lắp đặt đơn và lắp đặt Khả năng điều khiển Không kế Có Có giản Có tác vụ phức tạp Dễ thay đổi điều Rất khó Khó Khá đơn giản Rất đơn giản khiển Công tác bảo trì Kém- có rất Kém- nếu Kémnhiều tắc công IC hàn có rất Tốt- các modul được nhiều mạch điện được tử chuyên dùng tiêu chuẩn hóa Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng nhiều trong việc điều khiển trong các máy móc... bằng mạch cách ly quang (opto-isolator) trên các khối vào ra Hình 2.3 Mạch cách ly quang 12 Mạch này cho phép các tín hiệu nhỏ đi qua và ghim các các tín hiệu điện áp cao xuống mức tín hiệu chuẩn Mạch này có tác dụng chống nhiễu khi chuyển công tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp điện, thường lên đến 1.500V Các mô- đun vào/ ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu chấp hành và cảm biến vào... hiểu và dễ sử dụng • Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng 9 Bảng 2.1 Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển: Chỉ tiêu so sánh Rơ- le Giá thành từng chức Khá thấp Mạch số Thấp Máy tính Cao PLC Thấp năng Kích thước vật lý Lớn Tốc độ điều khiển Chậm Khả năng chống Xuất sắc Rất gọn Rất chậm Tốt Khá gọn Khá nhanh Khá tốt Rất gọn Nhanh Tốt nhiễu Lắp đặt Mất thời Mất gian thiết kế. .. nhiều kết quả: bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ ra nhiều hơn, nhiều modul chuyên dùng hơn Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông khoảng 200 mét 8 Hình 2.1 Sơ đồ khối bên trong PLC Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các trạng thái tín hiệu ở ngõ vào, được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích ra tín hiệu điều. .. kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng Với các mạch giao tiếp ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào, mà không cần các mạch giao tiếp hay rơ-le trung gian Tuy nhiên, cần phải dùng mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn... đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi - Atmega 16 là loại vi điều khiển 8 bit chế tạo theo kiến trúc RISC Kết hợp với khả năng thực hiện lệnh trong một chu kỳ xung nhịp, vi điều khiển Atmega 16 có khả năng đạt đến tốc độ xử lý 1MIPS (1triệu lệnh trong 1giây) 7 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ KHẢO SÁT PLC CP1L 2.1 Tổng quan về PLC 2.1.1 Khái niệm về PLC PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều. .. 'tiếp điểm' kích hoạt các thiết bị tương ứng Như vậy, sự hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ Chương trình được nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng 10 Hình 2.2 sơ đồ khối cấu trúc bên trong PLC 2.1.3.1 Bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm (CPU-Central Processing Unit) điều khiển và quản lý tất cả hoạt động bên trong PLC Việc trao đổi... động điều khiển của PLC 20 Đoạn chương trình chính Đây là kết quả của quá trình thiết kế và lập trình các điều khiển dùng cơ chế trình tự hay logic tổ hợp Chương trình chính được chuyển đổi từ sơ đồ Grafcet hoặc các dạng sơ đồ khác Dòng lệnh kết thúc chương trình 2.2.4.3 Các lệnh sơ đồ ladder: Lệnh LOAD và LOAD NOT Lệnh AND và AND NOT Lệnh AND LOAD Lệnh OR LOAD 21 Lệnh OR và OR NOT Lệnh OUTPUT và OUTPUT . dùng vi điều khiển và PLC để đo và hiển thị nhiệt độ, ổn định nhiệt và điều khiển các quá trình hoạt động trong mô hình máy ấp trứng. Nội dung nghiên cứu của đề tài: Tìm hiểu về cấu tạo và hoạt. tốt nghiệp: Thiết kế mạch điều khiển ổn nhiệt và hiển thị nhiệt trong mô hình máy ấp trứng , em đã nhận được sự hướng dẫn, hỗ trợ tận tình của thầy Tống Thanh Nhân, giảng viên Bộ môn Vật lý. codevisionAVR và phần mềm CX-programer để viết chương trình điều khiển. Qua thời gian nghiên cứu nay em đã hoàn thành các mạch giao tiếp, điều khiển bằng chíp atmega16 và PLC CP1L trong mô hình máy ấp trứng