Đo tốc độ động cơ sử dụng phương pháp tần số chớp đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2019 ĐỀ TÀI: ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP TẦN SỐ CHỚP Sinh viên thực : Nguyễn Vỹ Lớp: Kỹ thuật điện tử tin học công nghiệp 57 Nguyễn Minh Trung Lớp: Kỹ thuật điện tử tin học công nghiệp 57 Khoa : Điện – Điện Tử Người hướng dẫn: KS Ngô Thị Thu Hương THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2019 ĐỀ TÀI: ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP TẦN SỐ CHỚP Sinh viên thực : Nguyễn Vỹ Nam, nữ : Nam Dân tộc: Kinh Lớp: Kỹ thuật điện tử tin học công nghiệp 57 Khoa: Điện – Điện Tử Năm thứ : Ngành học: Kỹ thuật điện tử tin học công nghiệp Nguyễn Minh Trung Nam, nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp: Kỹ thuật điện tử tin học công nghiệp 57 Khoa :Điện – Điện Tử Năm thứ : Ngành học: Kỹ thuật điện tử tin học công nghiệp Người hướng dẫn: KS Ngô Thị Thu Hương MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1.1.Tổng quan 1.2.Lý lựa chọn đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Phạm vi giới hạn đề tài CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Vi xử lý/Vi điều khiển: 2.1.1 Vi xử lý 2.1.2 Vi điều khiển PIC: 12 2.2.Lý thuyết động 18 2.3 Lý thuyết tần số chớp 20 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ 27 3.1 Sơ đồ khối 27 3.2 Thiết kế 36 3.3 Lƣu đồ thuật toán tạo tần số chớp 37 3.4.1 Ưu điểm: 40 3.4.2 Nhược điểm: 40 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 41 4.1 Kết mô 41 4.2 Đánh giá thiết bị 42 CHƢƠNG 5: HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 43 5.1 Tính ứng dụng 43 5.2 Tính hiệu 43 5.3 Hƣớng phát triển 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC 46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tóm tắt đặc điểm PIC16F877A 17 Bảng 2.2 Nguyên lý hoạt động máy đo tốc độ 22 Bảng 2.3 So sánh tốc độ đo đƣợc loại động 24 Bảng 2.4 Các thông số động ngày 26 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Máy đo tốc độ động thị trƣờng Hình 1.2 Máy đo tốc độ động thị trƣờng Hình 1.3 Máy đo nhóm hƣớng tới Hình 1.4 Máy đo tốc độ động LUTRON DT- 2244 Hình 1.5 Máy đo tốc độ vịng quay động SM2234A Hình 1.6 Máy đo tốc độ động DT- 22348 Hình 2.1 Bộ vi xử lý ngày 10 Hình 2.2 Bộ vi xử lý ngày 10 Hình 2.3 Máy tính nhúng Raspberry Pi3 Model B+ 11 Hình 2.4 Vi xử lý ứng dụng 11 Hình 2.5 Sơ đồ khối PIC16F877A 15 Hình 2.6 Sơ đồ chân chíp cắm PIC16F877A 15 Hình 2.7 Sơ đồ chân chíp dán PIC16F877A 16 Hình 2.8 Roto stato động điện DC 18 Hình 2.9 Động điện DC thực tế 19 Hình 2.10 Động điện DC máy thơng gió 20 Hình 2.11 Động DC tích hợp máy giặt 20 Hình 2.12 Máy đo tốc độ quay cánh quạt 22 Hình 2.13 Động ngày 27 Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị 27 Hình 3.4 Bộ nguồn máy tính 31 Hình 3.4 Màn hình led 32 Hình 3.6 Màn hình OLED 0.96 inch 32 Hình 3.7 Màn hình LCD 20x4 33 Hình 3.8 Bàn phím 33 Hình 3.9 Chuột máy tính 34 Hình 3.10 Led siêu sáng 5V 35 Hình 3.11 Led siêu sáng 12V 36 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý thiết bị 36 Hình 3.13 Lƣu đồ thuật tốn tổng qt 38 Hình 3.14 Lƣu đồ thuật tốn cho vi điều khiển 39 Hình 3.15 Lƣu đồ thuật toán cho vi điều khiển 40 Hình 3.16 Bộ chuyển đổi ADC PIC16F877A 40 Hình 4.1 Động chƣa hoạt động 41 Hình 4.2 Động hoạt động 41 Hình 4.3 Tốc độ đo đƣợc 42 Hình 5.1 Máy đo nhóm hƣớng tới 44 Hình 5.2 Thơng số máy đo 44 DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ADC: Analog to Digital Converter BOR: Brown – Out Reset CPU: Central Processing Unit CAN : Controller Area Network CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CAD: Computer-Aided Design EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory I²C : Inter-Integrated Circuit ICSP: In – Circuit Serial Programming LED: Light Emitting Diode LCD: Liquid Crystal Display OLED: Organic Light-Emitting Diode PLC : Programmable Logic Controller PC: Personal Computer PWM: Pulse-Width Modulation ROM: Read-Only Memory SRAM: Secondary Storage Random Access Memory SPI: Serial Peripheral Interface USB: Universal Serial Bus WDT: Watchdog Timer TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: Tên đề tài: Đo tốc độ động sử dụng phương pháp tần số chớp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Vỹ Nguyễn Minh Trung Lớp: kỹ thuật điện tử tin học công nghiệp Khoa: Điện–ĐiệnTử Năm thứ: Số năm đào tạo: 4.5 Người hướng dẫn: K.S Ngô Thị Thu Hương Mục tiêu đề tài: Mang lại cho người sử dụng thiết bị đo tốc độ động với nhiều tính năng, giá thành rẻ, cho kết đo xác Tính sáng tạo: Bổ sung thêm phương pháp đo tốc độ động mới, an tồn cho người kỹ sư bảo trì bảo dưỡng, đo không cần tiếp xúc trực tiếp vào động nơi ta chạm đến Kết nghiên cứu: Đã chế tạo thành công thiết bị trình tinh chỉnh để thiết bị hồn thiện Đóng góp mặt kinh tế - xã hội, giáo dục đào tạo, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Tiết kiệm cho người dùng khoảng chi phí so với dòng máy đo tốc độ động khác, nguyên lý hoạt động dựa nguyên lý tần số, khả áp dụng rộng rãi khả quan Công bố khoa học sinh viên từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ họ tên tác giả, nhan đề yếu tố xuất có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm Sinh viên chịu trách nhiệm thực đề tài (ký, họ tên) Nhận xét ngƣời hƣớng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày tháng Ngƣời hƣớng dẫn (ký, họ tên) năm MỞ ĐẦU Trong sống hàng ngày hẳn bắt gặp nhiều tượng tự nhiên miêu tả qua định luật vật lý thông qua mối quan hệ đại lượng Có thể kể đến như: tần số chớp tắt đèn giao thông, tần số dao động sóng hình sin v.v…Bất đâu xung quanh có diện tần số Vậy tần số số lần tượng lặp lại đơn vị thời gian Đi sâu hơn, ta hiểu tần số chớp số lần chớp tắt bóng đèn led đơn vị thời gian Ứng dụng tượng nhóm nghiên cứu phát triển đề tài “ Đo tốc độ động sử dụng phương pháp tần số chớp” phương pháp đo tốc độ quay không cần tác động trực tiếp lên động cơ, đo nơi ta khơng thể chạm đến Nội dung đề tài gồm chương: Chƣơng 1: Giới thiệu chung đề tài: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu, lý chọn đề tài, mục tiêu đề tài phạm vi giới hạn đề tài Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết : Trình bày tổng quan vi xử lý, vi điều khiển, lý thuyết động cơ, lý thuyết tần số chớp Chƣơng 3: Trình bày khái quát chức vi điều khiển PIC16F877A, sơ đồ khối thiết bị đo, sơ đồ nguyên lý, lưu đồ thuật toán thực hiện, ưu nhược điểm thuật tốn Chƣơng 4: Kết mơ kết luận Chƣơng 5: Hướng phát triển tiếp theo: Đánh giá hướng phát triển tính hiệu quả, tính ứng dụng đề tài 38 Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán tổng quát Đối với vi điều khiển PIC16F877A làm nhiệm vụ đọc giá trị ADC điều chỉnh tần số chớp đèn Do nhiệm vụ nhóm đọc giá trị ADC thiết bị điều chỉnh biến trở, sau lấy liệu đọc được, tính tốn điều chỉnh biến trở cho phù hợp, lưu đồ thuật toán cho vi điều khiển thực sau : 39 Hình 3.14 Lưu đồ thuật tốn cho vi điều khiển Tiếp theo lưu đồ thực cho vi điều khiển thứ Vi điều khiển có nhiệm vụ đọc giá trị analog từ biến trở hiển thị tốc độ động lên LCD 40 Hình 3.15 Lưu đồ thuật tốn cho vi điều khiển 3.4 Ƣu nhƣợc điểm thuật toán 3.4.1 Ưu điểm: - Có thể tạo xung điều khiển đèn led chớp tắt với tần số xác Bởi ta sử dụng định thời timer vi điều khiển PIC16F877A - Timer đếm thời gian sử tất hệ thống, phục vụ cho cơng việc tính tốn liên quan đến thời gian - Độ xác timer có liên quan mật thiết từ độ xác xung clock ngõ vào (do osillator cấp) - Ngoài chức định thì, timer cịn kết hợp với nhiều tính khác như: ngắt, so sánh, timer đếm xung,các ghi chức v.v… - Các khối hiển thị điển hình LCD hiển thị kết rõ ràng hình, xuất nhiều ký tự đặc biệt so với khối hiển thị khác - Button dùng cảm biến khác để điều chỉnh tần số chớp đèn cảm biến quen thuộc, dễ điều khiển độ ổn định tốt 3.4.2 Nhược điểm: - Có thể xảy sai số dao động vi điều khiển gặp vấn đề, dẫn đến tốc độ đo bị sai - Khối hiển thị không đồng với việc đọc giá trị cảm biến liệu hiển thị( tốc độ động cơ) bị sau lệch - Việc đọc giá trị cảm biến (nút nhấn, biến trở v.v…) dùng để thay đổi tần số chớp đèn khơng xác dẫn đến sai số Hình 3.16 Bộ chuyển đổi ADC PIC16F877A 41 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Kết mô Các công cụ để thực mô phỏng: Nhóm nghiên cứu sử dụng vi điều khiển PIC16F877A công cụ hỗ trợ như: mạch nạp, testboard, nút nhấn, led để thực test mạch Các công cụ khác board Arduino Uno R3 sử dụng suốt q trình mơ để thực đọc tốc độ động cơ, phục vụ cho trình kiểm tra tính xác thiết bị Các cơng khác phần mềm mô proteus, phần mềm vẽ mạch in orcad, trang web nhiều công cụ hỗ trợ khác Hình 4.1 Động chưa hoạt động Hình 4.2 Động hoạt động 42 Hình 4.3 Tốc độ đo 4.2 Đánh giá thiết bị - Thiết bị hoạt động ổn định môi trường ánh sáng tự nhiên khơng tác động vào q nhiều - Có tượng miếng băng dính dừng lại vệt nêu lý thuyết - Có hiển thị kết tốc độ động lên hình LCD nêu - Độ nhiễu từ môi trường lớn, thiết bị chưa có khả triệt tiêu nhiễu cách tốt - Để đo nhiều vị trí khác nhau, thiết bị cần phải trang thiết kế lại hình thức, khối lượng nhỏ nhất, khả chống va đập tốt - Các thiết bị phụ trợ LCD hoạt động ổn định, hiển thị tốc độ cách trực quan - Thiết bị hoạt động tốt thời gian dài sử dụng nguồn nguồn máy tính, hoạt động khoảng tiếng sử dụng nguồn Pin 5V - Để nâng cao khả hoạt động thời gian dài, nhóm nghiên cứu tính tốn lại phần mạch nguồn để cung cấp nguồn lượng ổn định 43 CHƢƠNG 5: HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 5.1 Tính ứng dụng - Có thể ứng dụng để chuẩn đoán lỗi, giám sát loại động loại nhỏ gia đình như: Máy sấy tóc, máy quạt, máy xay sinh tố v.v… - Có thể ứng dụng nguyên lý làm việc thiết bị để chế tạo thiết bị có dãi đo lớn hơn, công suất lớn thiết bị đề tài - Tiết kiệm thời gian chuẩn đốn phân tích vấn đề liên quan đến tốc độ động cho người dùng Một số loại máy mà thiết bị nhóm 5.2 Tính hiệu - Đã tạo thiết bị đo tốc độ cách thuận lợi nhất, không cần dừng động - Tạo thiết bị đo yêu cầu với mục tiêu đề tài - Ứng dụng Arduino vi điều khiển PIC để tạo thiết bị, tạo nên đa dạng nhiều hướng giải cho đề tài - Đã xây dựng thiết bị đo cho đối tượng động có cơng suất 312W cho kết đo gần mong đợi 5.3 Hƣớng phát triển - Sẽ giảm sai số đo thiết bị xuống mức cho phép - Xây dựng thiết bị có khả chống nhiễu tốt, chống nhiễu ánh sáng từ môi trường - Làm cho thiết bị đo nhiều loại động với loại cơng suất khác - Tích hợp nguồn Pin có độ ổn định thời lượng sử dụng Pin >8 giờ, lớn - Giao tiếp với khối hiển thị khác LCD như: hình OLED 0.96 inch, led đoạn v.v… 44 - Tạo dải tần số đo rộng - Mục tiêu mà nhóm hướng đến chế tạo thiết bị có tính tương đương máy VSHOOTER chuẩn đốn toàn diện, cho phép biết dễ dàng theo dõi tình trạng loại máy như: máy quạt, máy bơm, máy nén v.v… Từ đưa giải pháp để khắc phục động cơ, thiết bị có nguy gặp lỗi bị lỗi Góp phần làm giảm thời gian khắc phục cố, tăng suất lao động, giảm giá thành, đem lại độ tin cậy, an toàn, đặc biệt vấn đề an tồn lao động Giảm tai nạn khơng đáng có Sau số loại máy đo tốc độ có thị trường nhóm hướng tới thiết bị để làm hình mẫu phát triển cho đề tài Hình 5.1 Máy đo nhóm hướng tới Hình 5.2 Thơng số máy đo 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đình Phú, “ Vi Xử Lý 2, 2007, số trang 197” Milan Verle, “ PIC Microcontrollers Programming in C, số trang 278” Phạm Quang Huy, Nguyễn Trọng Hiếu, “ Arrduino Dành Cho Người Tự Học, 2014, số trang 350” IoT Maker Vietnam, “Arduino cho người bắt đầu, 2014, số trang 193” 46 PHỤ LỤC Vi điều khiển phát xung #include #include #fuses NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,HS,NOPUT,NODEBUG, NOBROWNOUT,NOCPD, NOWRT #use delay(clock=20000000) #priority timer2 #define led pin_e0 #define tang pin_b4 #define giam pin_b5 long x=0;//thoi gian chop tat long i=0;//bien cong voi i long a=0;// bien temp #INT_TIMER2 void timer2() { set_adc_channel(0); x=2*read_adc(); if (input(tang)==0) { while (input(tang)==0) {} i=i+1; } if (input(giam)==0) { while (input(giam)==0) {} i=i-1; } set_timer2(255); } #INT_TIMER0 void taoxung() 47 { a++; if(a(x+i)) {output_low(led); if(a>(2*(x+i))) {a=0;} } set_timer0(206); } void main() { set_tris_a(0x01); set_tris_e(0x00); set_tris_b (0X30); enable_interrupts(GLOBAL); enable_interrupts(INT_TIMER2 ); setup_timer_2 ( T2_DIV_BY_16, 255, 16); enable_interrupts(INT_TIMER0); setup_timer_0 (RTCC_DIV_2|RTCC_INTERNAL); set_timer0(206);//20us setup_adc_ports(ALL_ANALOG);//chon port AN0 setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2);//thoi gian 0.1us //output_low(led); while (1) { } } Vi điều khiển hiển thị tốc độ lên LCD #include 48 #include #device adc=10 #fuses NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,HS,NOPUT,NODEBUG, NOBROWNOUT,NOCPD, NOWRT #use delay(clock=20000000) long x=0; long b=0; long i=0; int32 k=0; #define led pin_a3 #define tang pin_b4 #define giam pin_b5 #define databus PORTD //LCD databus connected to PORTB #define DataBusDirection TRISB //Data and Control bus direction config registers #define rs RD1 #define rw RD2 #define en RD3 // Register select pin connected to PORTB.0 // Read Write pin connected to PORTB.1 // Enable pin connected to PORTB.2 #define LCDMaxLines #define LCDMaxChars 16 #define LineOne 0x80 #define LineTwo 0xc0 //#define BlankSpace char num[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'}; void LCD_CmdWrite( char cmd) { databus=(cmd & 0xf0); // Send the Higher Nibble of the command to LCD rs=0; // Select the Command Register by pulling RS LOW rw=0; // Select the Write Operation by pulling RW LOW en=1; // Send a High-to-Low Pusle at Enable Pin delay_us(10); 49 en=0; delay_us(10); // wait for some time databus=((cmd