bài tiểu luận điều khiển tốc độ động cơ bằng pwm sử dụng pic 16f887 và mosfet bjt bởi 1 nút nhấn dùng ngắn ngoài

 Ứng dụng thực tiễn: Điều khiển động cơ là một ứng dụng rất phổ biến trong cácthiết thị điện tử như xe đạp điện, máy khoan, … Tiết kiệm chi phí: Sử dụng PIC 16F887 và MOSFET/BJT điều c

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VI ĐIỀU KHIỂN

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chip, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, … Vi điều khiển thường được sử dụng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó cũng được sử dụng trong các thiết bị điện, điện tử như máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện hay dây chuyền sản xuất tự động…

Vi xử lý có rất nhiều loại bắt đầu, từ 4-bit cho đến 32-bit Vi xử lý 4-bit hienj nay không còn dùng nhưng vi xử lý 8-bit thì vẫn còn mặc dù đã có vi xử lý 64-bit Lý do tồn tạo của vi xử lý 8-bit là vì phù hợp với một số yêu cầu vi điều khiển trong công nghiệp Các vi xử lý 32-bit, 64-bit thường sử dụng cho các máy tính lớn vì khối dữ liệu của máy tính rất lớn nên cần các vi xử lý càng mạnh càng tốt (Nhà xuất bản Thanh Niên, 2018)

 PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General Instrument.

 PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650.

Hình 1.1: Hình dạng thực tế của PIC 16F887

VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F887

PIC16F887 là một chip vi điều khiển được sản xuất bời hãng Microchip thuộc họ Pic Pic16F887 là một bộ vi điều khiển 8-bit dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 8KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 256B EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bit (368B SRAM)

Với 33 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 11 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 2 kênh điều chế độ rộng xung (PWM) …

Hình 1.2: Sơ đồ chân PIC 16F887 DIP 40 chân

Hình 1.3: Sơ đồ của package QFN và TQFP

PIC 16F887 có 40 chân I/O, trong đó có 33 chân được sử dụng để kết nối với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, bộ nhớ và các linh kiện điện tử khác.

Tên các chân Chức năng

RA0: xuất /nhập số bit thứ 0 của port A

AN0: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0

ULPWU: ngõ vào đánh thức CPU công suất thấp

C12INO: ngõ vào âm thứ 0 của bộ so sánh C1 hoặc C2 RA1: xuất /nhập số bit thứ 1 của port

A AN1: ngõ vào tương tự của kênh thứ

1 C12IN1: ngõ vào âm thứ 1 của bộ so sánh C1 hoặc C2

RA2/AN2/VREF-/CVREF/C2IN+

AN2: ngõ vào tương tự của kênh thứ

2 VREF-: ngõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ ADC

CVREF: điện áp tham chiếu VREF ngõ vào bộ so sánh

C2IN+: ngõ vào dương của bộ so sánh C2

3 VREF+: ngõ vào điện áp chuẩn cao của bộ ADC

C1IN+: ngõ vào dương của bộ so sánh C1

T0CKI: ngõ vào xung clock từ bên ngoài cho Timer0

C1OUT: ngõ ra bộ so sánh 1 RA5: xuất /nhập số bit thứ 5 của port

A AN4: ngõ vào tương tự của kênh thứ 4

SS : ngõ vào chọn lựa SPI

C2OUT: ngõ ra bộ so sánh 1

OSC2: ngõ ra dao động thạch anh. Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng hưởng

CLKOUT: ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2 bằng ẳ của OSC1

OSC1: ngõ vào dao động thạch anh hoặc ngõ vào nguồn xung ở bên ngoài

CLKIN: ngõ vào nguồn xung ở bên ngoài

RB0: xuất /nhập số bit thứ 0 của port B

INT: ngõ vào nhận tín hiệu ngắt ngoài

C12IN3-: ngõ vào âm thứ 3 của bộ so sánh C1 hoặc C2

PGM: chân cho phép lập trình điện áp thấp ICSP C12IN1-: ngõ vào âm thứ 2 của bộ so sánh C1 hoặc C2

T 1 G : ngõ vào Gate cho phép Timer1 đếm dùng để đếm độ rộng xung

ICSPCLK: dùng clock lập trình nối tiếp

RB7: xuất /nhập số bit thứ 7 của port

ICSPDAT: ngõ xuất nhập dữ liệu lập trình nối tiếp

RC0: xuất /nhập số bit thứ 0 của port C

T1OSO: ngõ ra của bộ dao động Timer1

T1CKI: ngõ vào xung clock từ bên ngoài Timer1

RC1: xuất /nhập số bit thứ 1 của port

C T1OSI: ngõ vào của bộ dao động Timer1

CCP2: ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2

RC2: xuất /nhập số bit thứ 2 của port

C P1A: ngõ vào PWM CCP1: ngõ vào Capture1, ngõ ra comparel, ngõ ra PWM1

SCK: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ ra của chế độ SPI SCL: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ ra của chế độ I2C

SDI: ngõ vào dữ liệu trong truyền dữ liệu kiểu SPI SDA: xuất/nhập dữ liệu I2C

SDO: ngõ xuất dữ liệu trong truyền dữ liệu kiểu SPI

TX: ngõ ra phát dữ liệu trong chế độ truyền bất đồng bộ UART

CK: ngõ ra cấp xung clock trong chế độ truyền thông UART

RX: ngõ vào nhận dữ liệu trong chế độ truyền bất đồng bộ EUSART DT: ngõ phát và nhận dữ liệu ở chế độ đồng bộ EUSART

RD0 (19) RD0: xuất /nhập số bit thứ 0 của port

D RD1 (20) RD1: xuất /nhập số bit thứ 1 của port

DRD5: xuất /nhập số bit thứ 5 của port

RD6: xuất /nhập số bit thứ 6 của port D

RD7: xuất /nhập số bit thứ 7 của port D

P1D: ngõ ra tăng cường CPP1

RE0/AN5 (8) RE0: xuất /nhập số bit thứ 0 của port

E AN5: ngõ vào tương tự 5 RE1/AN6 (9) RD1: xuất /nhập số bit thứ 1 của port

E AN6: ngõ vào tương tự 6 RE2/AN7 (10) RD2: xuất /nhập số bit thứ 2 của port

E AN7: ngõ vào tương tự 7

RD3: xuất /nhập số bit thứ 3 của port E

MCLR : ngõ vào reset tích cực mức thấp

V PP : ngõ vào nhận điện áp khi ghi dữ liệu vào bộ nhớ nội flash Chân VDD (11, 32) Nguồn cung cấp dương từ 2 đến 5V Chân VSS (12, 31) Nguồn cung cấp 0V

Bảng 1: Cấu hình chân PIC 16F887

Hình 1.4: Hình sơ đồ khối của PIC 16F887 1

1 https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/197543/MICROCHIP/PIC16F887.html

Sơ đồ khối của PIC 16F887 bao gồm các:

 Bộ điều khiển trung tâm CPU: thực hiện các phép tính và điều khiển các hoạt động của vi điều khiển

 Bộ nhớ: bao gồm bộ nhớ chính (RAM) và bộ nhớ chỉ đọc (ROM) để lưu trữ các dữ liệu và chương trình

 Bộ thời gian (Timer): có thể được sử dụng để đếm thời gian

 Bộ chuyển đổi ADC: chuyển đổi tín hiệu analog thành dạng số để xử lý

 Các cổng giao tiếp: Bao gồm các cổng nối tiếp (UART), cổng SPI, cổng I2C, cổng USB, …

 Bộ tạo xung (Osillator): tạo ra các xung dao động để đồng bộ hóa các hoạt động của vi điều khiển

 Các chân I/O: dùng để kết nối với các thiết bị ngoại vi

Điều chế xung PWM

PWM là một loại tín hiệu có thể được tạo ra từ một vi mạch kỹ thuật số như vi điều khiển hoặc bộ định thời 555 Do đó, tín hiệu được tạo ra sẽ có một nhóm các xung và các xung này sẽ ở dạng một sóng vuông Có nghĩa là, tại bất kỳ thời điểm cụ thể nào, sóng sẽ cao hoặc sẽ thấp Để dễ hiểu, chúng ta hãy xem xét tín hiệu 5V PWM, trong trường hợp này tín hiệu PWM sẽ là 5V (cao) hoặc ở mức 0V (thấp) Khoảng thời gian mà tín hiệu duy trì ở mức cao được gọi là “thời gian bật” và khoảng thời gian tín hiệu duy trì ở mức thấp được gọi là “thời gian tắt”.

Hình 1.5: Hình xung PWM Điều chế độ rộng xung (PWM) là một kỹ thuật điều khiển dòng điện tiện lợi cho phép kiểm soát tốc độ của động cơ, sản lượng nhiệt của máy sưởi và hơn thế nữa theo cách tiết kiệm năng lượng (và thường là êm hơn) Các ứng dụng hiện có cho PWM bao gồm, nhưng không giới hạn:

1 Bộ điều khiển tốc độ quạt

2 Hệ thống truyền động máy nén VRF HVAC.

3 Mạch truyền động động cơ xe hybrid và điện.

4 Bộ điều chỉnh độ sáng LED.

PWM hoạt động bằng cách tạo xung dòng điện một chiều và thay đổi khoảng thời gian mà mỗi xung ở trạng thái “bật” để kiểm soát lượng dòng điện chạy đến một thiết bị chẳng hạn như đèn LED PWM là kỹ thuật số, có nghĩa là nó có hai trạng thái: bật và tắt (tương ứng với 1 và 0 trong ngữ cảnh nhị phân, sẽ trở nên phù hợp hơn với bạn nếu sử dụng bộ vi điều khiển).

Mỗi xung được bật càng lâu, đèn LED sẽ càng sáng Do khoảng thời gian giữa các xung quá ngắn nên đèn LED không thực sự tắt Nói cách khác, nguồn điện của đèn LED bật và tắt quá nhanh (hàng nghìn lần mỗi giây) đến mức đèn LED thực sự vẫn sáng mà không nhấp nháy Điều này được gọi là làm mờ PWM, và mạch như vậy chỉ được gọi là mạch điều chỉnh độ sáng LED PWM

- Nếu chu kỳ làm việc của bộ nguồn PWM được đặt thành 70%, thì xung sẽ bật trong 70% thời gian và nó tắt 30% thời gian Chu kỳ nhiệm vụ đề cập đến lượng thời gian nó được bật Ở chu kỳ hoạt động 70%, độ sáng của đèn LED phải gần 70% Mối tương quan giữa chu kỳ nhiệm vụ và độ sáng không phải là tuyến tính 100%, vì hiệu suất của đèn LED thay đổi theo lượng dòng điện được cung cấp.

- Nếu chu kỳ nhiệm vụ là 0%, toàn bộ tín hiệu sẽ bằng phẳng Chu kỳ nhiệm vụ PWM là 0% có nghĩa là nguồn bị tắt Trong trạng thái như vậy, đèn LED sẽ không hoạt động.

Lý do chính khiến các mạch PWM rất hiệu quả là chúng không cố gắng hạn chế một phần dòng điện sử dụng điện trở mà chúng bật và tắt hoàn toàn dòng điện.

Linh kiện và thiết bị sử dụng

10 Jack DC cái 5.5mmx2.1mm 1

Bảng 2: Linh kiện sử dụng

Chương I đã trình bày cơ sở lý thuyết về linh kiện, lý thuyết về PIC 16F887 tiếp theo chương II sẽ trình bày về thiết kế hệ thống

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Mô tả hệ thống

2.1.1 Giới thiệu Điều khiển tốc độ cơ bằng PWM (Điều chế độ rộng xung) là một phương pháp điều khiển tốc độ cơ thông qua việc thay đổi độ rộng xung điện (chu kỳ nhiệm vụ) của tín hiệu PWM Trong đó, việc sử dụng PIC 16F887 và MOSFET/BJT giúp chúng ta có thể điều khiển xung PWM ở mức độ rộng và từ đó điều khiển tốc độ động cơ.

Với sự hỗ trợ của nút nhấn sử dụng rút ngắn bên ngoài, ta có thể thực hiện việc tăng hoặc giảm tốc độ động cơ chỉ bằng một lần nhấn Sau đó, PIC 16F887 sẽ gửi tín hiệu PWM điều khiển MOSFET/BJT để thay đổi tốc độ động cơ. Điều này yêu cầu sự hiểu biết về ngôn ngữ lập trình C, đặc biệt là việc lập trình cho PIC 16F887 và các linh kiện điện tử như MOSFET/BJT.

 Điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM: hệ thống cho chép điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số và độ rộng xung PWM Điều này cho phép người dùng điều chỉnh tốc độ động cơ linh hoạt hơn.

 Sử dụng PIC 16F887: Vi điều khiển PIC 16F887 là một vi điều khiển 8-bit có khả năng xử lý cao và nhiều tính năng hỗ trợ cho các ứng dụng điều khiển động cơ.

 Sử dụng MOSFET/BJT: có khả năng chịu được dòng điện lớn và độ bền cao.

 Sử dụng nút ngắt ngoài: Khi người dùng ấn nút tốc độ động cơ sẽ tăng hoặc giảm.

 Hệ thống đơn giản dễ sử dụng

 Điều khiển tốc độ quạt: muốn điều khiển tốc độ quạt nhanh hay chậm sử dụng nút nhấn để thực hiện

 Điều khiển động cơ máy móc: muốn điều chỉnh tốc độ của động cơ máy khoan thông qua một nút nhấn để điều chỉnh dòng điện cấp vào.

 Điều khiển tốc độ động cơ Robot: trong điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM để điều chỉnh tốc độ của bánh xe hay cánh tay robot thông qua một nút nhấn.

Sơ đồ khối hệ thống

Thiết kế mạch nguyên lý

Điện áp đầu vào: Mạch sử dụng nguồn DC 5V qua Jack DC sau khi qua khối nguồn để ổn định điện áp sẽ được sử dụng để dùng cho khối chính

Tín hiệu đầu vào: Mạch điều khiển sử dụng ngõ vào (input) là nút nhấn để lấy tín hiệu đầu vào về tốc độ động cơ Tín hiệu đầu vào sẽ được chuyển đổi sang dạng số và được PIC16F887 đọc và xử lý ở khối chính sau khi đã được nạp chương trình từ khối nạp code

Tính toán độ rộng xung PWM: Sau khi đọc tín hiệu đầu vào từ nút bấm, PIC16F887 sẽ tính toán và sản xuất xung PWM với độ rộng và chu kỳ phù hợp Độ rộng xung PWM sẽ được tính dựa trên tốc độ động cơ mong muốn và tỷ lệ giữa độ rộng xung và chu kỳ xung Độ rộng xung PWM sẽ quyết định tỷ lệ thời gian động cơ được cấp điện trong mỗi chu kỳ xung

Kích hoạt MOSFET: Xung PWM được đưa vào mạch điều khiển gồm mạch cách ly PC817 MOSFET để kích hoạt MOSFET và cho phép dòng điện đi quaMOSFET, từ đó cung cấp điện áp đến động cơ Điều chỉnh tốc độ động cơ: Việc điều chỉnh độ rộng xung PWM bằng nút bấm sẽ thay đổi tỷ lệ thời gian động cơ được cấp điện trong mỗi chu kỳ xung, do đó điều chỉnh tốc độ quay của động cơ

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch

Khối nguồn là khối rất quan trọng vì cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ mạch của hệ thống Để cho mạch hoạt động ổn định với điện áp ở mức 5V thì sử dụng IC LM7805

Khối nguồn được kết nối với các tụ lọc nhiễu để giảm thiểu nhiễu và dao động trong nguồn điện Tụ lọc nhiễu được đặt song song với IC 7805, được kết nối giữa chân đầu vào và chân đất của IC 7805 Tụ lọc này hoạt động như một bộ lọc điện, loại bỏ các tín hiệu nhiễu trong nguồn điện

Trong mạch nguồn ổn áp, diode được mắc nối tiếp chân In của IC7805 nhằm bảo vệ IC khỏi sự phá hủy do điện áp ngược và nhiễu điện từ.Ngoài ra, diode cũng giúp giảm thiểu nhiễu điện từ bằng cách làm giảm điện áp tạm thời và dao động tại đầu vào của IC LM7805 Điều này cũng giúp tăng độ ổn định của mạch nguồn ổn áp.

Ngoài ra, đèn LED được sử dụng để báo hiệu nguồn đang hoạt động Đèn LED được kết nối song song với IC LM7805 và tụ lọc nhiễu, với chân dương được kết nối với chân đầu ra của IC 7805 và chân âm được kết nối với chân đất

Khi nguồn điện được cấp vào mạch nguồn, IC LM7805 sẽ điều chỉnh và giữ cho điện áp đầu ra ổn định ở mức 5V DC Các tụ lọc nhiễu sẽ giảm thiểu nhiễu và dao động trong nguồn điện Đèn LED sẽ sáng để báo hiệu rằng nguồn đang hoạt động

Với sự hoạt động ổn định của mạch nguồn và sự hỗ trợ của các tụ lọc nhiễu và đèn LED, hệ thống có thể hoạt động một cách đáng ổn định và lâu dài Sơ đồ mạch như hình

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn

2.3.2 Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm của mạch điều khiển động cơ DC được thực hiện bằng sử dụng xung PWM từ vi điều khiển như PIC16F887

Cụ thể, PIC16F887 có thể được sử dụng để tạo ra xung PWM với tần số và chu kỳ được chỉ định bởi nút bấm thông qua chương trình chính, sử dụng chức năng củaPIC16F887 để cấu hình bộ định thời nội Sau đó, xung PWM có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC thông qua việc thay đổi tần số xung PWM.Nếu giá trị độ rộng xung PWM cao hơn, tốc độ động cơ sẽ tăng lên Ngược lại, nếu giá trị độ rộng xung PWM thấp hơn, tốc độ động cơ sẽ giảm xuống.

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm

2.3.3 Khối điều khiển động cơ

Các thành phần chính của khối điều khiển động cơ gồm:

MOSFET: MOSFET sẽ được kết nối với động cơ DC để điều khiển dòng điện chạy qua động cơ

PC817: Mạch cách ly PC817 sẽ được sử dụng để cách ly tín hiệu điều khiển PWM giữa vi điều khiển và MOSFET tránh trường hợp lỗi xảy ra ở khối điều khiển động cơ gây ảnh hưởng tới khối điều khiển.

Diode 1N4007: Bảo vệ MOSFET khỏi các tác động xung điện từ động cơ khi MOSFET ngắt dòng điện

 Sử dụng nút nhấn tạo tín hiệu ngắt ngoài đưa vào pic16f887.

 Pic16f887 nhận tín hiệu ngắt ngoài vào chân B0 sau đó tính toán độ rộng xung điều khiển tốc độ động cơ theo chương trình đã được lập trình Tính toán xong xung PWM được xuất ra tại chân CCP1.

 Xung PWM qua điện trở 330ohm giảm dòng điện đưa vào anode PC817 cathode kết nối với GND Xung PWM điều khiển bật tắt led quang trong PC817 tạo tín hiệu tắt mở tương ứng ở chân Collector và Emitter tương ứng cho phép dòng điện cung cấp từ domino đi qua.

 Nguồn điện chạy qua điện trở 1K(điện trở đóng vai trò giúp giảm khả năng transistor bị hư hỏng do quá dòng và giúp kéo dòng điện về mức an toàn) rồi đi từ chân Collector qua Emitter sau đó đi vào chân Gatecủa IRF3205 khiến Mosfet mở cho dòng điện chạy qua mortor từ chân S xuống chân D( chân S được kết nói với dương nguồn, chân D kết nối với âm nguồn) Điện trở 10k kết nối 2 chân G và D của mosfet được coi là một điện trở kéo là để đảm bảo rằng chân G của MOSFET được giữ ở mức thấp (logic 0) khi chân G không được kết nối với bất kỳ tín hiệu điều khiển nào Điều này giúp tránh tình trạng "nổi", mức điện áp trên chân G có thể đạt đến mức cao (logic 1) khi không có tín hiệu điều khiển và làm cho động cơ chạy không đúng.

Tính toán sử dụng linh kiện

Sử dụng thạch anh dao động tần số 16MHz theo công thức tính toán điều chế PWM có chu kỳ 900us tương ứng với tần số 1111Hz.

Từ cơ sở đó lựa chọn các linh kiện:

IRF3205 là một loại MOSFET nguồn nằm trong gói TO-220AB Con chip này được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng toàn cầu trong mạch điện.

IRF3205 có khả năng điều khiển tải lên đến 110A với điện áp tối đa lên đến55V Transistor này có thể được dùng cho cả mục đích khuếch đại hoặc làm công tắc.Với khả năng chuyển mạch tốc độ cao, IRF3205 còn được sử dụng trong các ứng dụng cần tốc độ cao chuyển tải từ nguồn đầu vào này sang đầu vào khác Điện áp tối thiểu yêu cầu cho độ bão hòa đó là từ 2 – 4V Ở chế độ xung, IRF3205 có thể điều khiển tải lên đến 390A Trong trường hợp đóng vai trò là bộ khuếch đại, nó có thể cung cấp tối đa 200W nên đây là một transistor lý tưởng để lắp đặt trong các bộ khuếch đại âm thanh công suất cao

IRF3205 có khả năng chịu được dòng điện cao và có thể chịu được điện áp tới 55V nên phù hợp để sử dụng trong mạch điều khiển tốc độ động cơ (die231)

Sơ đồ chân: Hướng IRF3205 phía trước mặt thì sơ đồ chân theo thứ tự từ trái qua phải lần lượt là: chân 1 (chân cổng G), chân 2 (chân máng D), chân 3 (chân nguồn S)

 Điện áp đánh thủng là 55V.

 Thời gian bật tắt: 101ns

LM7805 hay 7805 là IC điều chỉnh điện áp dương đầu ra 5V Nó là IC của dòng ổn áp dương LM78xx, được sản xuất trong gói TO-220 và các gói khác IC này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị thương mại và giáo dục Nó cũng được sử dụng bởi nhiều người đam mê điện tử và thợ mày mò do giá r攃ऀ, dễ sử dụng và không cần nhiều linh kiê ̣n bên ngoài IC có nhiều tính năng tích hợp lý tưởng để sử dụng trong nhiều

2 https://components101.com/mosfets/irf3205-pinout-datasheet ứng dụng điện tử như dòng điện đầu ra 1.5A, chức năng bảo vệ quá tải, bảo vệ quá nhiệt, dòng điện tĩnh thấp, v.v.

 Điện áp đầu vào 7 - 25VDC.

 Điện áp đầu ra: +5VDC

 Dòng điện đầu ra tối đa: 1.5A

 Tự ngắt khi quá nhiệt và bị ngắn mạch

PC817 là một opto được sử dụng rất phổ biến, nó chứa một LED hồng ngoại và một transistor quang trong một gói Opto hay còn được gọi là cách ly quang là những linh kiện dạng IC có từ 4 chân đến nhiều chân, chủ yếu được sử dụng để cách ly hai mạch với nhau

Hoạt động của nó rất đơn giản, khi một điện áp được đặt vào LED hồng ngoại được nối trên chân 1 và 2, LED sẽ được kích hoạt và ánh sáng được nhận bởi transistor

3 https://components101.com/ics/7805-voltage-regulator-ic-pinout-datasheet quang bên trong làm cho nó ở trạng thái bão hòa từ đó nối chân 3 và 4 với nhau. PC817 là một opto được sử dụng rộng rãi và hoạt động trong mạch điện tử chỉ với nhiệm vụ cách ly Nếu bạn cần nhiều tác vụ cách ly hơn cùng lúc thì bạn cũng có thể sử dụng các opto khác có chứa vài LED hồng ngoại và transistor quang trong một gói duy nhất.

 Điện áp đầu vào chân A- C tối thiểu: 1.25V.

 Nhiệt độ hoạt động: -30 đến +100 độ C

 Thời gian bật tắt: 18us

Diode 1N5399 là một loại diode chuyển mục đích (rectifier diode) được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử Nó có thể chịu được dòng điện tối đa là 1.5A và điện áp tối đa là 1000V.

4 https://components101.com/ics/pc817-ic-pinout-equivalent-datasheet

Diode 1N4007 là một loại diode chuyển mục đích (rectifier diode) được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử Nó có thể chịu được dòng điện tối đa là 1A và điện áp tối đa là 1000V.

5 https://robocon.vn/detail/do46-diode-chinh-luu-1n5399.html

LED 7 thanh (7-segmant Display) là thiết bị điện tử được thiết kế để hiển thị số và kí tự khác Nó bao gồm 7 đoạn LED được xếp lại song song với nhau thành hình chữ nhật Mỗi đoạn LED được đánh dấu từ A tới G, riêng đoạn LED ở ngoài cùng ký hiệu là DP được sử dung để hiển thị số không phải là nguyên giống như dấu”,” LED 7 thanh được chia làm 2 loại là:

 Loại dương chung: nếu cực dương của tất cả LED được nối với nhau ở mức logic cao và các cực âm đứng riêng l攃ऀ sẽ phát sáng bằng cách áp dụng mức logic thấy thông qua điện trở giới hạn dòng.

 Loại âm chung: nếu cực âm của tất cả LED được nối với nhau ở mức logic thấp và các cực dương đứng riêng l攃ऀ được nối với mức logic cao thông qua điện trở giới hạn dòng (die23)

Tuy nhiên ở trong bài báo cáo lần này nhóm em sử dụng LED 7 thanh loại dương nguồn để thực hiện.

Dưới đây là bảng mã HEX để hiển thị số trên LED 7 thanh:

6 https://dammedientu.vn/bai-4-led-7-thanh-don-id5-html

Bảng 3: Bảng mã HEX LED 7 thanh

2.4.7 Điện trở, tụ điện và đèn Led đơn

A) Điện trở Điện trở là một loại linh kiện phổ biến nó là một thành phần điện thụ động gồm 2 tiếp điểm kết nối thường được dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch. Tác dụng của điện trở thường được sử dụng để giới hạn dòng điện trong mạch

Hình 2.17: Điện trở 1K và 330 Ohm

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động cấu tạo từ hai bản cực đặt song song được ngăn cách bởi lớp điện môi, tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp Khi xảy ra sự chênh lệch điện thế tại hai điểm bề mặt, các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu Ký hiệu của tụ điện là “C” là từ viết hoa của Capacitior Tụ điện được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử như trong các mạch lọc tín hiệu, mạch nguồn, mạch khuếch đại tín hiệu (oto23)

Chế tạo mạch xử lý

Công cụ cần chuẩn bị

STT Tên Số lượng Đơn vị

1 Board đồng 1 mặt 10x10cm 1 Tấm

8 Lưỡi cắt cho khoan mini 1 Chiếc

12 Găng tay cao su 1 Đôi

Bảng 4: Công cụ chuẩn bị

Quy trình thực hiện

Các bước Nội dung thực hiện Hình ảnh quá trình làm mạch

1 In file mạch in đã thiết kế lên giấy Cưa mạch theo kích thước đã chọn

*Lưu ý: sử dụng giấy in loại mặt bóng

2 Cắt board đồng theo kích thước mạch in

3 Dùng giấy nhám 600 đánh thật sạch bề mặt board đồng đã cắt

* Lưu ý: Đây là bước bắt buộc, nếu bề mặt board đồng không sạch mực in sẽ không bám vào board

Mặt bóng của giấy áp vào board đồng sau đó gấp gọn các cạnh giấy

Nhiệt độ bàn ủi để vừa vừa để tránh làm rỗ Board đồng hoặc cháy xém, ủi đều tay Ủi đến khi nào thấy lớp mực in nó in toàn bộ xuống lớp đồng như thế là được.

5 Ăn mòn mạch bằng dung dịch FeCl3.

Bỏ board mạch in vừa rồi vào lắc đều tay Lắc khoảng 10-15 phút, trong quá trình lắc nhấc mạch ra khiển tra Nếu thấy phần mạch cần ăn mòn đã sạch thì lấy board ra.

6 Dùng giấy nhám chà sạch lại lớp mực dính

Sau đó rửa sạch lại bằng nước hoặc dung dịch axetol để bề mặt board đồng được bóng.

7 Khoan mạch trong khi làm mạch thủ công:

Chọn mũi khoan phù hợp với lỗ chân cắm không nên chọn mũi to quá mất hết phần bao của của lỗ

*Lưu ý: mũi khoan và lỗ khoan bé nên cần khoan cẩn thận tránh gãy mũi, hỏng lỗ khoan.

Chuẩn bị nhựa thông, mỏ hàn, thiếc Để nhiệt độ hàn 450°C, trước khi hàn cần vệ sinh mỏ hàn.

Gắn linh kiện vào và hàn theo từng loại.

*Lưu ý: thời gian hàn không quá lâu tránh gây bong đường mạch Hàn cẩn thận tránh dính thiếc giữa các đường mạch

9 Phủ keo bảo vệ mạch tránh mạch bị oxi hoá trong thời gian sử dụng

Bảng 5: Các bước thực hiện làm mạch cứng

Lưu đồ thuật toán

Thuật toán này mô tả cách điều khiển tốc độ động cơ DC bằng xung PWM dùng PIC16F887 Ban đầu cấu hình các chân I/O của PIC16F887 để điều khiển động cơ DC và tạo xung PWM, thiết lập giá trị tần số PWM và chu kỳ PWM cho chân CCP1 và gán speed, i=0 Tiếp theo kiểm tra điều kiện “nút bấm được nhấn” Nếu đúng thì thực hiện tăng tốc độ lên 100 và cấp tốc độ+1 Nếu sai thì tốc độ và cấp tốc độ không đổi và giữ nguyên xung PWM trước đó Sau đó kiểm tra điều kiện “Speed>900” Nếu sai thì sẽ quay lại điều kiện nút bấm trước đó để tăng tốc độ và cấp tốc độ, nếu đúng thì gán lại speed và i=0 Chương trình hoạt động liên tục đến khi ngắt nguồn ra khỏi mạch

Hình 2.21: Lưu đồ thuật toán hệ thống

Công thức tính toán setup timer2 cho điều chế PWM

T CK ∗ prescaler ≤ 256 (timer 2 : 8 bit ) Ở đây ta chia làm 9 cấp độ nên chu kỳ xung sẽ là 900us

Sử dụng thạch anh 16MHz qua bộ chia 4 đầu vào T CK = 1

4 × 10 6 = 0.25 (us) Thế vào công thức trên prescaler ≥ 14.06 Ta chọn bộ chia 16

Từ đó tính được value= 225 = ≫ period=( value− 1)= 224

Kết luận chương

Chương II đã trình bày về nội dung Thiết kế hệ thống Tiếp theo chương III sẽ trình bày về Kết quả

KẾT QUẢ

Sản phẩm đạt được

Thử nghiệm cắm mạch trên board test để chọn các linh kiện phù hợp với yêu cầu. Kiểm tra các thông số, chức năng của mạch

Kiểm tra tính ổn định của mạch, độ bền bỉ trong quá trình hoạt động.

Hình 3.1: Test mạch trên Breadboard

Mạch sau khi hoàn thiện được kiểm tra đầy đủ:

 Kiểm tra trạng thái các linh kiện

 Đo các thông số hoạt động so với kết quả thí nghiệm

 Ký hiệu các chức năng tương ứng cho các phần tử trên mạch

 Linh kiện được sắp xếp đều nhau, thẳng hàng, độ cao tiêu chuẩn với mạch.

 Mạch được phủ keo bóng chống oxi hoá

Hình 3.2: Mặt trước mạch điều khiển sau khi hoàn thiện

Hình 3.3: Mặt sau mạch điều khiển sau khi hoàn thiện

 Mạch cần cấp nguồn cho khối điều khiển qua jack DC.

 Cấp nguồn cho động cơ theo công suất động cơ cần điều khiển vào cổng In.

 Kết nối động cơ với cổng Out Trên mạch có ký hiệu dương (+) và âm (-), có thể kết nối để chọn chiều thuận nghịch của động cơ theo ý muốn

Nhận xét

 Điều khiển tốc độ động cơ chính xác: PWM cho phép chỉnh tốc độ động cơ bằng tay thay đổi chu kỳ xung và thời gian tín hiệu đầu ra trong một chu kì

 Điều khiển bằng nút ấn đơn giản: Sử dụng một nút ấn để điều khiển tốc độ động cơ đơn giản và dễ dàng

 Chi phí thấp: Sử dụng PIC 16F887 và MOSFET/BJT giúp giảm chi phí sản xuất và bảo trì hệ thống điều khiển tốc độ động cơ.

 Linh hoạt: Mạch sử dụng nguồn cách ly với nguồn khối điều khiển có thể linh hoạt điều khiển các loại động cơ khác nhau hoặc mở rộng hơn là điều khiển cho các thiết bị đèn.

 Độ chính xác: Phương pháp này không đảm bảo độ chính xác tuyệt đối trong việc điều khiển tốc độ động cơ Điều này có thể dẫn đến sự khác biệt trong tốc độ giữa các động cơ khi được điều khiển

 Tiêu thụ năng lượng: Cách làm này tiêu phụ năng lương rất cao vì nó sử dụng phương pháp giảm tốc độ bằng cách cắt đứt cung PWM

 Độ trễ: Cách làm này có thể có độ trễ khi điều khiển tốc độ động cơ vì thế nó sẽ giảm độ chính xác và tính ổn định trong việc điều khiển động cơ.

 Do sử dụng opto cách ly nên tần số xung không thể quá cao dẫn tới xung chưa được mịn

 Độ phức tạp: Điều khiển tốc độ bằng PWM sử dụng PIC 16F887 và MOSFET/BJT dùng nút nhấn là cách đơn giản nhưng cần nhiều kiến thức và kỹ năng lập trình điện tử để nâng cao trình độ

Có thể thay thế phương pháp cách ly opto bằng các phương pháp cách ly mới không gây ảnh hưởng nhiều tới tần số

Cách ly RF – RF ISOLATOR

Công nghệ mới cho phép RF isolator truyền dữ liệu với tốc độ cao, điện áp cách ly lớn, tiết kiệm điện, dòng ra tương đối Và điều thú vị nhất, họ IC sử dụng RF ISOLATOR có đầu vào và đầu ra ở dạng cổng logic tiêu chuẩn, bởi vậy chúng ta có thể tiết kiệm được linh kiện và diện tích PCB so với Opto.

Analog divice sử dụng khớp nối từ tính để khắc phục hạn chế của Opto Công nghệ Coupler kết hợp các máy biến áp nhỏ với mạch điều khiển để truyền tín hiệu bằng từ trường.

Cấu trúc cách ly của Analog Devices

Trên đây là 2 giải pháp chính, hiệu quả, tối ưu hơn phương pháp cách ly sử dụng opto.(htt23)

Kết luận

Sau quá trình thử nghiệm, làm mạch, kiểm tra để thu được mạch thực tế: Mạch hoạt động ổn định, vận hành tốt, đảm bảo được các chức năng theo yêu cầu thiết kế,chương trình thuật toán hoạt động tốt.

Hướng phát triển

 Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của hệ thống điều khiển để đạt được điều này thì cần sử dụng cảm biến tốc độ và điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua các tín hiệu điều khiển phản hồi

 Tích hợp hệ thống điều khiển với các hệ thống khác chẳng hạn như hệ thống đo lường hoặc hệ thống kiểm soát tự động

 Tối ưu hóa mạch điện, tăng tính ổn định có thể sử dụng các công nghệ mới để tối ưu hóa mạch điện và tăng tính ổn định của hệ thống.

Tiêu đề	Điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM sử dụng PIC 16F887 và MOSFET/BJT bởi 1 nút nhấn dùng ngắt ngoài
Tác giả	Vũ Quốc Đạt, Lê Hồng Đức, Đặng Quang Minh
Người hướng dẫn	ThS. Đào Tô Hiệu
Trường học	Trường Đại học Phenikaa
Chuyên ngành	Kỹ thuật Vi xử lý và Vi điều khiển
Thể loại	Bài tiểu luận
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	62
Dung lượng	3,22 MB