báo cáo môn học thiết kế hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều dựa trên vi điều khiển mcs 51

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIBáo Cáo Môn Học THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DỰA TRÊN VI ĐIỀU... TỔ CHỨC THỰC HIỆN 2.1 Yêu cầu của dự ánĐo tốc độ động cơ và h

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Báo Cáo Môn Học

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DỰA TRÊN VI ĐIỀU

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 NHẬT KÍ HOẠT ĐỘNG 1

CHƯƠNG 2 TỔ CHỨC THỰC HIỆN 2

2.1 Yêu cầu của dự án 2

Bảng 1.1 Yêu cầu của dự án 2

2.2 Giới thiệu thành viên của dự án 2

Bảng 1.2 Giới thiệu thành viên 2

2.3 Kế hoạch thực hiện chung của dự án 2

2.4 Kế hoạch và nội dung thực hiện của từng thành viên 3

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG THỰC HIỆN 5

3.1 Phân tích các yêu cầu của dự án 5

3.2 Tìm hiểu các nghiên cứu, dự án liên quan 5

3.2.1 Vi điều khiển MSC-51 5

3.2.2 Đặc tính của động cơ điện một chiều 6

3.2.3 Phương pháp đo tốc độ động cơ 7

3.2.4 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 7

3.2.5 Bài toán truyền tin UART 7

3.2.6 LCD 7

3.2.7 Ma trận phím 8

3.3 Lựa chọn giải pháp và lên phương án thiết kế 9

3.3.1 Thiết kế sơ bộ 9

3.3.2 Thiết kế chi tiết và mô phỏng 9

3.4 Thử nghiệm và đánh giá 18

3.5 Hoàn thiện sản phẩm 18

3.5.1 Triển khai phần cứng 18

3.5.2 Lắp đặt và chạy 22

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 23

4.1 Kết quả thực hiện 23

4.2 Kết luận 24

CHƯƠNG 1 NHẬT KÍ HOẠT ĐỘNG

cứu bước đầu

thành file word

ra

5 Báo cáo thiết kế chi tiết Thêm ảnh mô phỏng,

hoàn thiện phần thiết kếchi tiết

khai thực tế, thay đổiphần cứng từ encoder

334 xung thành encoder

20 xung

CHƯƠNG 2 TỔ CHỨC THỰC HIỆN 2.1 Yêu cầu của dự án

Đo tốc độ động cơ và hiển

thị trên LCD Đưa ra tốc độ động cơ hiển thị lên LCD 1

Điều khiển tốc độ động cơ

Điều khiển tốc độ động cơ theo giá trị

do người dùng cài đặt qua phím chứcnăng: bật, tắt, tăng, giảm 2Cài đặt giá trị tốc độ mong muốn qua

Bảng 2.1 Yêu cầu của dự án

2.2 Giới thiệu thành viên của dự án

Họ và tên: Chu Minh QuânMSSV: 20210703

Phụ trách công việc: thiết kế mô phỏng LCD, motor DC,đọc tốc độ động cơ về, PWM, triển khai phần cứng, hoànthiện báo cáo

Họ và tên: Trần Thái DươngMSSV: 20210257

Phụ trách công việc: thiết kế thuật toán điều khiển PID,giao tiếp UART, bàn phím, triển khai phần cứng, hoànthiện báo cáo

Bảng 2.2 Giới thiệu thành viên

12 Mô tả bài toán Báo cáo mô tả chi tiết từng chức năng

13 Tìm hiểu về cácbài toán liên

quan

Báo cáo tổng quan các giải pháp, kỹthuật, công nghệ liên quan đến dự án,đánh giá

14, 15 Kế hoạch thựchiện, thiết kế sơ

bộ

- Sơ đồ khối đảm bảo các chức năngcủa bộ điều khiển

- Kế hoạch triển khai (theo tuần)

- Báo cáo: sơ đồ khối, mô tả hoạtđộng của sơ đồ khối

16, 17 Thiết kế chi tiết,mô phỏng

- Lựa chọn linh kiện

- Mô phỏng hoạt động các khối

- Tích hợp mô phỏng đánh giá toàn bộ

hệ thống

18 Triển khai phầncứng, đánh giá

- Mua linh kiện

- Triển khai phần cứng (PCB, cắm bomạch, …)

- Kiểm tra, đánh giá

19 Hiệu chỉnh, báocáo, demo

Bảng 2.3 Kế hoạch thực hiện chung của dự án

2.4 Kế hoạch và nội dung thực hiện của từng thành viên

tuần)

Ghi chú

1 Mô tả bài toán Báo cáo mô tả chi tiết

T13

3 Thiết kế sơ bộ - Sơ đồ khối đảm bảo

các chức năng của hệthống đo và bộ điềukhiển

- Xây dựng sơ đồ khốichương trình đo, điềukhiển tốc độ động cơ

- Tích hợp mô phỏnggiữa các khối

T16, 17

- Báo cáo đánh giá hệthống

Bảng 2.4 Kế hoạch làm việc của thành viên Chu Minh Quân

tuần)

Ghi chú

3 Thiết kế sơ bộ Xây dựng sơ đồ khối

chương trình truyền tinUART, điều khiển tốc

độ động cơ và cài đặtgiá trị tốc độ mongmuốn qua máy tính

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG THỰC HIỆN 3.1 Phân tích các yêu cầu của dự án

- Hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều dựa trên viđiều khiển MCS-51 được bố trí như hình vẽ dưới đây

Hình 3.1 Hệ thống đo và điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều dựa trên vi điều

khiển MCS-51

- Hệ điều khiển động cơ một chiều được thiết kế với các yêu cầu tăng tốc, giảm tốc để tốc độ động cơ đạt giá trị mong muốn của người dùng cài đặt qua phím chức năng và qua kết nối trên máy tính qua cổng UART.

- 4 button mục đích quay thuận, quay nghịch, start, stop.

- Tốc độ động cơ sẽ được đo bởi sensor Ở đây, ta sử dụng encoder được gắn trên động cơ để đo số vòng quay của động cơ thông qua sự liên lạc, mất liên lạc của led phát quang và bộ phận thu quang rồi chuyển thành các xung điện áp vuông gửi tới chân ngắt của vi điều khiển MCS-51.

- Hệ thống sử dụng giao tiếp UART thực hiện nhiệm vụ nhận tốc độ động

cơ tức thời từ vi điều khiển MCS-51 và truyền lên máy tính, hiển thị đồ thị tốc độ động cơ trên màn hình máy tính.

3.2 Tìm hiểu các nghiên cứu, dự án liên quan

3.2.1 Vi điều khiển MSC-51

- Ở đây nhóm sử dụng vi điều khiển AT89S52, một trong những bộ vi điều khiển phổ biến của họ Atmel, vi điều khiển AT89S52 là vi điều khiển công nghệ CMOS 8 bit có bộ nhớ Flash 8KB và bộ nhớ RAM

256 byte

- Nó có thể hoạt động ở tần số tối đa là 33MHz bằng cách sử dụng bộ dao động bên ngoài Giống như các bộ vi điều khiển khác, nó có các chân GPIO, ba bộ định thời 16 bit, một cổng giao tiếp UART song công (truyền tín hiệu theo cả 2 hướng), ba bộ định thời 16 bit, bộ tạo dao động trên chip.

- Để vi điều khiển hoạt động, ta cần kích hoạt 1 số chân như sau:

 Chân 40, 31 nối nguồn, chân 20 nối đất

 Chân 18, 19 nối với thạch anh 11.0592MHz qua 2 tụ 3.3pF songsong

 Chân 9 (RST) nối đất qua 1 trở và 1 tụ song song, đồng thời nối lênnguồn qua 1 button

- Trong project này, nhóm tóm tắt lý thuyết tổng quan về các chế độ dùng

để gửi xung pwm, đo vận tốc, truyền giá trị vận tốc

 Bộ timer/counter: được dùng để đếm/ tạo khoảng thời gian, đếm sựkiện bên ngoài, hoặc tạo tốc độ baud cho port truyền tin nối tiếp

 Ở họ 8052 có 3 timer/counter: 0,1,2

 Các thanh ghi sử dụng trong chế độ timer/counter:

 Chế độ hoạt động của các bộ timer/counter được điều khiểnthông qua 2 thanh ghi 8-bit: TMOD (thanh ghi chế độ),TCON (thanh ghi điều khiển)

 Thanh ghi chứa giá trị đếm: 2 thanh ghi 8 bit TH0 TL0 chotimer 0, TH1 TL1 cho timer 1

3.2.2 Đặc tính của động cơ điện một chiều

Khi đặt vào 2 đầu động cơ 1 điện áp 1 chiều, động cơ sẽ quay với vận tốc tăng vàgiảm đồng thuận với độ lớn điện áp, chiều động cơ phụ thuộc vào chiều điện áp

3.2.3 Phương pháp đo tốc độ động cơ

- Khi động cơ quay, cảm biến ánh sáng sẽ gửi xung đến 8051, trên động cơ

có 20 vạch nên quay được 1 vòng sẽ gửi 20 xung, từ đó đếm các xungnhận được trong 1 giây và quy đổi ra đơn vị vòng/phút

(hình mô tả kết nối giữa chân phát xung của encoder và chân P3.3 của 8051)

3.2.4 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

- Tốc độ quay của động cơ DC đồng biến với điện áp đặt vào nó Do đó,cách

đơn giản nhất để điều khiển tốc độ quay của rotor là thay đổi mức điện áp đặt vàođộng cơ PWM là một phương pháp rất hiệu quả trong việc cung cấp ngay lập tứcđiện áp giữa mức cao và mức thấp của nguồn điện giúp động cơ thay đổi tốc độmượt hơn so với phương pháp cổ điển

- Nguyên tắc cơ bản của phương pháp điều khiển PWM là giữ nguyên giátrị

điện áp và thay đổi thời gian đặt điện áp vào động cơ Điều này có nghĩa, với tần

số đóng ngắt công tắc đủ lớn, thời gian cấp điện áp vào động cơ càng lâu thì điện

áp trung bình càng cao, ngược lại thời gian cấp điện vào động cơ ngắn điện áptrung bình giảm Như vậy, PWM là một kỹ thuật so sánh tỷ lệ phần trăm điện ápnguồn bằng cách đóng ngắt nhanh nguồn điện cấp vào động cơ tạo ra một tínhiệu xung, với độ rộng xung (thời gian cấp điện áp) xác định sẽ tạo ra một điện

áp trung bình xác định (được minh họa như hình 1) Khi tần số đóng ngắt đủ lớn(thường từ 1 ÷20 kHz), động cơ sẽ chạy với một tốc độ ổn định nhờ momentquay

- Đại lượng mô tả mối quan hệ giữa khoảng thời gian T-on và T-off đượcgọi là độ rộng xung (duty cycle)

duty cycle= T on

T on+T off

x 100

3.2.5 Bài toán truyền tin UART

- Hiển thị vận tốc tức thời lên máy tính và vẽ đồ thị để đánh giá hiệu quả

3.2.6 LCD

- Vai trò: Hiển thị lời dẫn, vận tốc đặt và vận tốc tức thời

- Tổng quan về LCD 16x2:

 Được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số

 Có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN)

 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2

 Có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng tađang làm

vi điều khiển qua đó điều khiển một thiết bị ngoại vi nào đó

3.3 Lựa chọn giải pháp và lên phương án thiết kế

- Để nhập vận tốc mong muốn, sử dụng keypad 4x3 kết nối đầu ra các hàng

và cột với cổng P1 của 8051

- Để truyền vận tốc lên máy tính, ta sử dụng chân TXD của vi điều khiểnkết nối với cổng com Matlab bằng giao tiếp UART, sử dụng ngắt timer 1,

từ đó vẽ đồ thị

3.3.2 Thiết kế chi tiết và mô phỏng

- Đây là mô hình mô phỏng đầy đủ :

- Đo tốc độ động cơ

 Khi động cơ quay, cảm biến ánh sáng trên encoder gửi xung đến

8051, trên động cơ có 20 vạch đen nên quay được 1 vòng sẽ gửi 20xung, từ đó đếm các xung nhận được trong 1 giây và quy đổi rađơn vị vòng/phút, ở đây nhóm sử dụng ngắt ngoài 0 để nhận xung

từ encoder và ngắt timer 2 để đọc và đổi tốc độ động cơ mỗi 1 giây

(hình mô tả kết nối chân phát xung của encoder và chân P3.3 của8051)

(code phục vụ việc đo tốc độ động cơ)

- Nhập vận tốc mong muốn từ keypad:

theo cột để kiểm tra xem nút nào được bấm cụ thể như sau:

INPUT (giá trị ban đầu cho = 1), các cột Col 1 =>Col 3 là các chân OUTPUT

như kỹ thuật quét Led trong bài Led ma trận) và đọc giá trị của các hàng Hàng nào bị kéo xuống 0 chứng tỏ nút được bấm Dựa vào vị trí cột = 0 và hàng = 0 ta xác định được giá trị nút bấm

keypad[4][3]={‘1′,’2′,’3′,’4′,’5′,’6′,’7′,’8′,’9′,’*’,’0′,’#’};

(code phục vụ việc quét phím)

- Điều khiển tốc độ động cơ: Gửi xung PWM qua L298N, từ đó đặt ra hiệuđiện thế trung bình lên động cơ

 Thuật toán điều khiển PID: đo sự sai lệch giữa vận tốc tức thời và vậntốc đặt, từ đó tìm ra hiệu điện thế dặt vào 2 đầu động cơ theo biểu thức:

duty_cycle = kp * e + ki * ∫edt + kd * de dt (e=v_ref-v)

(code phục vụ điều khiển tốc độ động cơ sử dụng thuật toán PID)

- UART: Đọc dữ liệu là tốc độ tức thời của motor dc từ MCS-51 về máytính

Nhóm dùng phần mềm Virtual Serial Port Driver Pro để kết nối giữa cổngcom ảo của proteus (com2) với cổng com ảo trên matlab (com1) để lấy giátrị vận tốc và vẽ đồ thị

(hình mô tả đồ thị của vận tốc thực khi vận tốc đặt là 100 vòng/phút)

 Ở đây, nhóm viết riêng hàm UART bằng assembly, sau đó nhúngvào chương trình chính:

(code phục vụ việc xuất giá trị vận tốc)

(code matlab phục vụ việc nhận vận tốc và vẽ đồ thị)

- Hiển thị giá trị vận tốc đặt và giá trị vận tốc tức thời trên LCD 16x2: nhóm

sử dụng giao tiếp 4 bit

(code phục vụ việc hiển thị vận tốc lên LCD)

- Chọn chế độ quay thuận, nghịch, reset, stop từ button

(code phục vụ việc chọn chế độ quay)

3.4 Thử nghiệm và đánh giá

- Nhóm đã thực hiện mô phỏng và kết quả tương đối như mong đợi, vẫncòn 1 vấn đề là việc vận tốc cuối cùng không hội tụ tuyệt đối đến vận tốcđặt, nhưng sai số cuối cùng đã nhỏ hơn 1%

3.5 Hoàn thiện sản phẩm

3.5.1 Triển khai phần cứng

Các linh kiện cần thiết:

 Nguồn 12VDC: cấp điện cho L298, từ L298 xuất nguồn 5V nuôicác linh kiện còn lại

 Vi điều khiển AT89S52: vi điều khiển thuộc họ 8052, điều khiểntoàn bộ chương trình: đo vận tốc và hiển thị lên LCD, truyền lênmáy tính bằng UART, điều khiển vận tốc qua L298, kết nối keypad

để set vận tốc đặt

 DC Motor:

 Module encoder: phát xung cho vi điều khiển, mỗi vòng động cơquay encoder phát được 20 xung

 LCD 16x2: màn hình hiển thị vận tốc đặt và vận tốc tức thời

 Module điều khiển động cơ L298N: đặt điện áp vào 2 đầu động cơ

để chạy, điện áp trung bình dựa trên duty-cycle của PWM đi vàoL298N, lớn nhất là 12V

 Keypad 4x3: đặt vận tốc mong muốn vào vi điều khiển

 Mạch nạp ISP: nạp code từ máy tính vào AT89S52

 Cáp chuyển đổi USB to TTL: truyền giá trị vận tốc lên máy tính để

vẽ đồ thị

 Các linh kiện phụ : nút bấm, dây nối, test board, điện trở, biến trở

- Chạy và đánh giá: nhóm đã cho chạy thử và kết quả tương đối như mongmuốn, tuy vận tốc chưa hội tụ tuyệt đối đến giá trị mong muốn nhưng sai

số đủ nhỏ có thể chấp nhận được

- Hình ảnh dưới đây là đồ thị vận tốc thu được khi chạy thực tế, với vận tốcđặt là 250 vòng/phút:

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 4.1 Kết quả thực hiện

STT Nội dung Kết quả cần đạt Thời gian thực hiện

(dự kiến)

Thời gian thực hiện (thực tế)

Kết quả đạt được

1 Mô tả bài toán Báo cáo mô tả chi

tiết từng chức năng T12

Đúng kếhoạch

Hoànthành

2 Tìm hiểu về

các bài toán

liên quan

Tìm hiểu về động cơđiện 1 chiều (DC),các đặc tính, đo tốc

độ động cơ

T13

Đúng kếhoạch

Hoànthành

3 Thiết kế sơ bộ - Sơ đồ khối đảm

bảo các chức năngcủa hệ thống đo và

bộ điều khiển

- Xây dựng sơ đồkhối chương trình

đo, điều khiển tốc độđộng cơ

T14, 15

Đúng kếhoạch

Hoànthành

4 Thiết kế chi - Mô phỏng hoạt T16, 17 Đúng kế Hoàn

- Tích hợp mô phỏnggiữa các khối

- Báo cáo đánh giá

- Bản hiệu chỉnh

- Báo cáo môn học

T18, 19

Đúng kếhoạch

Hoànthành

Bảng 4.6 Kế hoạch làm việc thực tế của thành viên Chu Minh Quân

ST

Thời gian thực hiện (dự kiến)

Thời gian thực hiện (thực tế)

Kết quả đạt được

T13

Đúng kếhoạch Hoànthành

2 Kế hoạch thực

hiện Kế hoạch triển khai(theo tuần) T14 Đúng kếhoạch Hoànthành

3 Thiết kế sơ bộ Xây dựng sơ đồ khối

chương trình truyềntin UART, điềukhiển tốc độ động cơ

T16, 17

Đúng kếhoạch

Hoànthành

- Bản hiệu chỉnh

- Báo cáo môn học

T18, 19

Đúng kếhoạch

Hoànthành

Bảng 4.7 Kế hoạch làm việc thực tế của thành viên Trần Thái Dương