đồ án vi điều khiển

Luận văn Đồ án vi điều khiển Đồ án môn học VĐK LÅÌI NỌI ÂÁƯU Ngày nay đại đa số các lónh vực sản xuất, điều khiển, giám sát, đo lường…đều được trang bò hệ thống tự động hóa. Một trong số vi mạch được sử dụng đó là kỹ thuật vi điều khiển. Nhờ tính năng ưu việt của bộ vi điều khiển như: khả năng lập trình phù hợp với thiết kế nhỏ và lớn cũng như giao tiếp với các thiết bò ngoại vi và máy tính đã đem lại sự hoàn hảo, độ chính xác và tính mềm dẻo cao thông qua giao tiếp giữa người và máy. Vi điều khiển quản lý và điều khiển hoạt động của hệ thống thông qua phần mềm, nhờ vậy mà ta có thể mở rộng và thay đổi hoạt động một cách dễ dàng bằng cách thay đổi một số thông số của chương trình. Vi điều khiển hoạt độnh theo chương trình đã nạp sẵn,đọc các tín hiệu từ bên ngoài đưa vào sau đó lưu trữ và xử lý, trên cơ sở đó đưa ra các thông báo, tín hiệu điều khiển các thiết bò bên ngoài hoạt động theo đúng thông số và yêu cầu của hệ thống. Hệ thống điện tử số sử dụng bộ vi điều khiển và máy tính trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, thực hiện nhiệm vụ điều khiển và giám sát hệ thống. Ngoài ra vi điều khiển cũng có mặt trong các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng như: lò vi ba, lò sưỡi, máy giặt, hệ thống cảnh báo và giám sát của các phương tiện giao thông… và trong nhiều thiết bò công nghiệp khác. Trong tập đồ án này em xin phép được giới thiệu một hệ thống âiãưu khiãøn mạy giàût sử dụng chip vi điều khiển 8051. Việc đònh hướng xây đựng đề tài này xuất phát từ nhu cầu thực tế trong đời sống hiãûn âải. Nội dung của đồ án có 2 phần: + Phần I : Cơ sở lý thuyết. Bao gồm kiến trúc của chip vi điều khiển 8051 + Phần II: Tính toán và thiết kếá trình bày về thiết kế phần cứng và phần mềm hệ thống. Qua nổ lực nghiên cứu, tìm hiểu của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình chu đáo của Thầy giáo Th.S Lê Xứng em đã hoàn thành đồ án này. Với khoảng thời gian có hạn cũng như trình độ kiến thức em còn hạn chế nên em tin chắc rằng hệ thống này hoạt động chưa được tối ưu và cũng sẻ không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong Thầy Cô thông cảm, giúp đỡ và chỉ bảo thêm cho em những kinh nghiệm quý báu. Em xin chân thành cảm ơn. 1 Đồ án môn học VĐK C C h h ư ư ơ ơ n n g g 1 1 : : G G I I Ơ Ơ Ù Ù I I T T H H I I E E Ä Ä U U Đ Đ E E À À T T A A Ø Ø I I 1.1 Giới thiệu: Trong rất nhiều ứng dụng , như máy in , máy ATM , robotíc , Cd player ,disk driver , … cần đến động cơ điện một chiều . Trong da sô các úng dụng đó , động cơ đồi hỏi phải có bộ điều khiển tốt như : điều chỉnh được tốc độ , ổn đònh được tốc độ , đảo chiều quay , độ ổn đònh tốt , hiệu suất cao , nhỏ gọn . Đó là những đòi hỏi hết sưc phức tạp .Chính vì vạy trong đề tài này em xin đua ra phương pháp “ điiêù chỉnh tốc độ động cơ bàng phương pháp băm xung , sử dụng vi điều khiển AT89C51 và vi mạch LMD 18200 “ nhàm đật được tối đa những đòi hoi trên . Nếu giải quết được vấn đề thì sẽ cải thiện đến chất lượng của các máy móc có sử dụng động cơ dc rất lớn . Như : điều khiẻn máy CNC , máy đóa , robot , …. 1.2Cơ bản về điều khiển động cơ : Có rất nhiều phương pháp để điều khiển động cơ dc , nhưng người ta thường dùng phương pháp điều khiển cầu .Cấu trúc mạch như hình vẽ : Với mạch này có thể vừa điều chỉnh tốc độ động cơ bằng xung , vừa đảo được chiều quay , hiệu suất cao .Vi mạch LMD18200 tích hợp sẵn mạch cầu điều khiển động cơ có thể hoạt động với tần số 1Khz .Nếu có thêm tụ 10nF chân Bootstrap thì có thể hoạt động lên tới tần số 500Khz .Sử dụng vi điều khiển 89C51 để tạo xung điều khiển LMD18200. 1.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Đây là phương pháp đưa ra độ rộng xung thay đổi từ đó điều khiển được công suất trên tải thay đổi. 2 Đồ án môn học VĐK KHỐI VĐK 89C51 KHỐI ĐIỀU CHỈNH KHỐI HIỂN THỊ KHỐI ĐK ĐCƠ CẢM BIẾN MÁY TÍNH ĐC 1.4 Giới thiệu các chức năng chính của mạch: -Khối hiển thò gồm 8 led, 4led hiển thò tốc độ thực, 4led hiển thò tốc độ cài đặt, có các led biểu thò trạng thái chạy, dừng, quay thuận , quay nghòch, và có loa báo quả tải -Khối điều chỉnh gồm 4 công tắc làm các công việc :start/stop, chiều thuận , chiều nghòch, tăng tốc , giảm tốc -Khối động cơ: là vi mạch LDM18200 nhận các tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển dể điều chỉnh động cơ -Khối cảm biến: là bộ thu phát tin hồng ngoại để nhận biết tốc độ quay của động cơ và phản hồi về vi điều khiển để hiệu chỉnh động cơ đòng với tốc độ đặt 3 Đồ án môn học VĐK Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC VI MẠCH LIÊN QUAN 2.1 Tổng quan về kỹ thuật vi điều khiển:( xem chi tiết ở phụ lục I) 2.1.1 Khái quát chung về bộ vi điều khiển: Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống, theo chương trình điều khiển đã nạp sẵn bên trong chip. 2.1.2 Lòch sử phát triển của vi điều khiển: Bộ vi điều khiển thực ra là một loại vi xử lí trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung. Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lí, từ những năm 1970 do sự phát triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chip ngày càng cao. 2.1.3 Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển: Sơ đồ khối chung của hầu hết các bộ vi điều khiển bao CPU, bộ nhớ ROM hay EPROM và RAM, mạch giao tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ đònh thời gian, hệ thống ngắt và các BUS được tích hợp trên cùng một chip. Nguồn đồng Ngắt ngoài hồ ngoài Đồng hồ nội Bus dữ liệu, đòa chỉ, điều khiển 2.2 Kiến trúc của bộ vi điều khiển 8051: CPU Timers Điều khiển ngắt Giao tiếp nối tiếp Giao tiếp song RAM ROM Thiết bò nối tiếp Thiết bò song H ình 1.1: Sơ đồ khối của bộ vi điều k hiển IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MCS51 có các đặt điểm sau : - 4 kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051) - 128 byte RAM - 4 port I/0 8 bit 4 Đồ án môn học VĐK - Hai bộ đònh thời 16 bits - Giao tiếp nối tiếp - 64KB không gian bộ nhớ chương trình ngoài - 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu ngoài - bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn) - 210 bit được đòa chỉ hóa - bộ nhân / chia 4μs TXD * RXD * T 1 * T 2 * 2.2.1 Cấu trúc bên trong của 8051: INT\1 INT\0 TIMER2 TIMER1 PORT nố tiế p Hình 2.1 : Sơ Đồ Khối 8051 Phần chính của vi điều khiển 8051 là bộ xử lí trung tâm (CPU: central processing unit ) bao gồm : - Thanh ghi tích lũy A - Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia - Đơn vò logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit ) - Từ trạng thái chương trình (PSW : Prorgam Status Word) - Bốn băng thanh ghi - Con trỏ ngăn xếp - Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic. P 0 P 1 P 2 P 3 EA\ RST PSEN ALE Cacùùthanh ghi khác 128 byte Ram Rom 4K-8051 Timer1 Timer2 Đ Điều khiển ngắt CPU Đ iều khiển bus Port nối tiếp Các p ort I \ O Tạo dao động 5 Đồ án môn học VĐK Trong vi điều khiển 8051 / 8031 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh ghi : Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom (chỉ có ở 8031) dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh. Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí. Khi CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung củ ác thanh ghi. 2.2.2 Chức năng các chân của vi điều khiển: 18 19 12MHz 40 29 30 31 9 17 16 15 14 13 12 11 10 Hình 2.2 : Sơ Đồ Chân 8051 Vi điều khiển 8051 có 32 trong 40 chân có chức năng như là các cổng I/O, trong đoa 24 chân được sử dụng với hai mục đích. Nghóa là ngoài chức năng cổng I/O, mỗi chân có công dụng kép này có thể là một đường điều khiển của Bus đòa chỉ hay Bus dữ liệu hoặc là mỗi chân hoạt động một cách độc lập để giao tiếp với các thiết đơn bit như là công tắc, LED, transistor… a.Port0 : là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 của MC 8051. Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ ngoài, PO được sử dụng như là những cổng I/O. Còn trong các thiết kế lớn có yêu cầu một số lượng đáng kể bộ nhớ ngoài thì PO trở thành các đường truyền dữ liệu và 8 bit thấp của bus đòa chỉ. RD\ NT1 NT0 XD XD WR\ T1 T0 I I T R A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 28 27 26 25 24 23 22 21 8 7 6 5 4 3 2 1 32 33 34 35 36 37 38 39 P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 PSEN\ ALE EA\ RET Vcc 20 30 p XTAL1 XTAL2 30 p Vss 6 Đồ án môn học VĐK b.Port1 : Port1 là một port I/O chuyên dụng trên các chân 1-8 của MC8051. Chúng được sử dụng với một múc đích duy nhất là giao tiếp với các thiết bò ngoài khi cần thiết. c.Port2 : Port2 là một cổng có công dụng kép trên các chân 21 – 28 của MC 8051. Ngoài chức năng I/O, các chân này dùng làm 8 bit cao của bus đòa chỉ cho những mô hình thiết kế có bộ nhớ chương trình ROM ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu RAM có dung lượng lớn hơn 256 byte. d.Port3 : Port3 là một cổng có công dụng kép trên các chân 10 – 17 của MC 8051. Ngoài chức năng là cổng I/O, những chân này kiêm luôn nhiều chức năng khác nữa liên quan đến nhiều tính năng đặc biệt của MC 8051, được mô tả trong bảng sau : Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp P3.2 INTO Ngắt 0 bên ngoài P3.3 INT1 Ngắt 1 bên ngoài P3.4 TO Ngỏ vào của timer 0 P3.5 T1 Ngõ vào của timer 1 P3.6 WR Tín hiệu ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Bảng 2.1 : Chức năng của các chân trên port3 e.PSEN (Program Store Enable ) : 8051 có 4 tín hiệu điều khiển. PSEN là tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các byte mã lệnh của chương trình. Tín hiệu PSEN ở mức thấp trong suốt phạm vi quá trình của một lệnh. PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhò phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã lệnh. Khi thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức cao. f.ALE (Address Latch Enable ) : ALE là tín hiệu để chốt đòa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau đó, các đường Port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nữa sau chu kỳ của chu kỳ bộ nhớ. Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng là nguồn xung nhòp cho các hệ thống. Nếu xung trên 8051 là 12MHz thì ALE có tần số 2MHz. Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8051. g.EA (External Access) : Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được nối lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp (GND). h.RST (Reset) : 7 Đồ án môn học VĐK Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy ), các thanh ghi trong 8051 được đưa vào những giá trò thích hợp để khởi động hệ thống. i. OSC: Như đã thấy trong các hình trên, 8051 có một bộ dao động trên chip. Nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19. Tần số thạch anh thông thường là 12MHz. j. POWER: 8051 vận hành với nguồn đơn +5V. V cc được nối vào chân 40 và V ss (GND) được nối vào chân 20. 2.2.3.Tổ chức bộ nhớ của bộ vi điều khiển 8051 : 8051 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard : có những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu. Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ liệu có thể ở bên trong 8051, dù vậy chúng có thể được mở rộng bằèng các thành phần ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộ nhớ chương trình và 64 Kbytes bộ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM (8051) và RAM trên chip. RAM trên chip bao gồm nhiều phần : phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ đòa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt. Chi tiết về bộ nhớ RAM trên chip : RAM bên trong chip 8051 được phân chia như sau: • bank thanh ghi (00H – 1FH). • RAM đòa chỉ hóa từng bit (20H – 2FH). • RAM đa dụng (30H – 7FH)ø. • Các thanh ghi chức năng đặc biệt (80H – FFH). 8 Đồ án môn học VĐK a. RAM đa dụng. Đòa chỉ byte Đòa chỉ bit 7F RAM đa dụng 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 6F 6E 6D 6C 6B 6A 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 5F 5E 5D 5C 5B 5A 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 4F 4E 4D 4C 4B 4A 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00 BANK 3 BANK 2 BANK 1 30 2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 1F 18 17 10 0F 08 07 00 Default register Bank for RR7 Hình 2.3 Bảng tóm tắt bản bản đồ vùng nhớ dữ liệu trên chip 8051 9 [...]... trở máng và nguồn của FET ) -Mức logic tích hợp TTL & CMOS -Nhiệt độ cảnh báo là 145 độ -Nhiệt độ shutdown tại 170 đo -Có cảm biến dòng điện và nhiệt độ 2.3.3 Ứng dụng: -Điều khiển đông cơ dc và mổt bước - Điều khiển robot _Máy điều khiển số -Máy in 2.3.4Sơ đồ khối: 2.3.4 Max 232:(xem phụ lục 5) Dùng để giao tiếp máy vi tính với vi điều khiển qua cổng nối tiếp Từ đó có thể điều khiển động cơ từ máy vi. .. sản phẩm đi qua thì cảm biến phải có phần phát và phần thu Phần phát phát ra ánh sáng hồng ngoại và phần thu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại vì ánh sáng hồng ngoại có đặc điểm là ít bò nhiễu so với các loại ánh sáng khác Hai bộ phận phát và thu hoạt động với cùng tần số Khi có sản phẩm đi qua giữa phần phát và phần thu, ánh sáng hồng ngoại bò che bộ phận thu sẽ hoạt động với tần số khác tần số phát như... h Các thanh ghi ngắt: 13 Đồ án môn học VĐK 8051 có cấu 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên Các ngắt bò cấm sau khi reset hệ thống và sẽ được cho phép bằng vi c ghi vào thanh ghi cho phép ngắt (IE) ở đòa chỉ 8AH một giá trò phù hợp Cả hai thanh ghi được đòa chỉ hóa từng bit i Các thanh ghi điều khiển công suất: Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) ở đòa chỉ 87H chứa nhiều bit điều khiển Chúng được tóm tắt... chương trình khác Các ngắt có một vai trò quan trọng trong thiết kế và khả năng thực thi của vi điều khiển Chúng cho phép hệ thốn đáp ứng không cùng lúc tới một công vi c và giải quyết một công vi c đó trong khi một chương trình khác đang thực thi Một hệ thống được điều khiển bằng ngắt cho ảo giác là làm nhiều vi c đồng thời Dó nhiên CPU mỗi lần không thể thực thi một chương trình để thực thi một chương... với vi điều khiển qua cổng nối tiếp Từ đó có thể điều khiển động cơ từ máy vi tính 29 Đồ án môn học VĐK Chương 4 : LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH 4.1>Lưu đồ thuật toán : 4.1.1>Chương trình chính : HIGH LOW P3.6 t2 t1 T=65536us 30 Đồ án môn học VĐK BEGIN KHỞI TẠO 1 2 3 4 PWM = 0%, giá trò của T0 ban đầu PWMF = 0 ;đánh dấu đưa ra pwm ĐẶT BRAKE BIT( P3.4=1 ; động cơ dừng ) KHỞI TẠO BỘ ĐỊNH THỜI : T0... transistor Khi chiếu ánh sáng vào miền bazơ, trong miền bazơ có sự phát xạ cặp điện tử lỗ trống làm xuất hiện dòng IL Do ánh sáng khiến dòng thu trở thành: Ic = (β + 1) (Ico + IL) 26 Đồ án môn học VĐK Đặc tuyến của transistor quang H=9 I(A) H=7 8 H=5 6 H=4 4 H=1 2 0 5 10 15 20 1 U(V) Đặc tuyến của transistor quang cũng giống như đặc tuyến Volt- ampere của transistor thông thường mắc EC Điều khác nhau ở... khoảng 1300 đến 62000 Tụ ngã ra lấy trò số gấp đôi tụ trong mạch lọc thấp qua ở ngã vào 28 Đồ án môn học VĐK 2.3 LMD18200:(xem phụ lục 4) 2.3.1 Giới thiệu chung: LMD18200 là mạch cầu 3A, được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển môtor.Thiết bò này tương thích mức TTL và CMOS là một IC lý tưởng trong vi c điều khiển động cơ dc, dòng đỉnh ac có thể lên tới 6A, dòng trung bình cung cấp lên tới 3A 2.3.2... hoặc cạnh xuống trên chân INT0 hoặc INT1 của vi điều khiển Đây là chức năng chuyển đổi của các bit Port 3.(Port 3.2 và Port 3.3) Các cờ tạo ngắt này là các bit IE0 vá IE1 trong TCON Khi quyền điều khiển đã chuyển đến ISR, cờ tạo ra ngắt chỉ được xóa nếu ngắt được tích cực bằng cạnh xuống Nếu ngắt được tích cực theo mức, thì nguồn yêu cầu ngắt bên ngoài sẽ điều khiển mức của cờ thay cho phần cứng Sự lựa... tác động tới công tắc đóng ngắt của nguồn phát và nguồn thu ánh sáng Có nhiều linh kiện phát và thu ánh sáng hồng ngoại nhưng chúng em chọn led hồng ngoại và transitor quang là linh kiện phát và thu vì transistor quang là linh kiện rất nhạy với ánh sáng hồng ngoại Bộ phận tạo dao động có thể dùng mạch LC, cổng logic, hoặc IC dao động Với vi c sử dụng IC chuyên dùng tạo dao động, bộ tạo dao động sẽ... cách đánh đòa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp Ví dụ, để đọc nội dung ở đòa chỉ 5FH của RAM nội vào thanh ghi tích lũy lệnh sau sẽ được dùng : MOV A, 5FH 10 Đồ án môn học VĐK Lệnh này di chuyển một byte dữ liệu dùng cách đánh đòa chỉ trực tiếp để xác đònh “đòa chỉ nguồn” (5FH) Đích nhận dữ liệu được ngầm xác đònh trong mã lệnh là thanh ghi tích lũy A RAM bên trong cũng có thể được truy xuất dùng cách đánh . Đồ án môn học VĐK Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC VI MẠCH LIÊN QUAN 2.1 Tổng quan về kỹ thuật vi điều khiển: ( xem chi tiết ở phụ lục I) 2.1.1 Khái quát chung về bộ vi điều khiển: Bộ vi điều khiển. 2.1.2 Lòch sử phát triển của vi điều khiển: Bộ vi điều khiển thực ra là một loại vi xử lí trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung. Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lí, từ những năm 1970. Đồ án vi điều khiển Đồ án môn học VĐK LÅÌI NỌI ÂÁƯU Ngày nay đại đa số các lónh vực sản xuất, điều khiển, giám sát, đo lường…đều được trang bò hệ thống tự động hóa. Một trong số vi