đồ án tốt nghiệp điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp băm xung sử dụng vi điều khiển at89c5 và vi mạch lmd 18200

Nguyenvanbientbd47@gmail.com L ờ i N ãi §Çu 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 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Chương 1 Chương 1 : : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 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 Nguyenvanbientbd47@gmail.com 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 KHỐI VĐK 89C51 KHỐI ĐIỀU CHỈNH KHỐI HIỂN THỊ KHỐI ĐK ĐCƠ CẢM BIẾN MÁY TÍNH ĐC Nguyenvanbientbd47@gmail.com 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 : 4 CPU Timers Điều khiển ngắt Giao tiếp nối tiếp Giao tiếp song song RAM ROM Thiết bò nối tiếp Thiết bò song song Hình 1.1: Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển TXD * RXD * T 1 * T 2 * INT\1 INT\0 TIMER2 TIMER1 PORT nố tiếp Nguyenvanbientbd47@gmail.com 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 - 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 2.2.1 Cấu trúc bên trong của 8051: Hình 2.1 : Sơ Đồ Khối 8051 5 P 0 P 1 P 2 P 3 EA\ RST PSEN ALE Cacùùthanh ghi khác 128 byte Ram Rom 4K-8051 OK-8031 Timer1 Timer2 Đ Điều khiển ngắt Điều khiển bus CPU Port nối tiếpCác port I\O Tạo dao động Nguyenvanbientbd47@gmail.com 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. 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: 6 18 19 12MHz 40 29 30 31 9 17 16 15 14 13 12 11 10 RD\ WR\ T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD 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 Vss 30p 30p XTAL1 XTAL2 Nguyenvanbientbd47@gmail.com 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. 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 7 Nguyenvanbientbd47@gmail.com 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) : 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 Nguyenvanbientbd47@gmail.com 9 Nguyenvanbientbd47@gmail.com a. RAM đa dụng. Đòa chỉ byte Đòa chỉ bit 7F 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 RAM đa dụng 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78 7 7 76 75 74 73 72 71 70 6F 6E 6D 6C 6B 6A 69 68 6 7 66 65 64 63 62 61 60 5F 5E 5D 5C 5B 5A 59 58 5 7 56 55 54 53 52 51 50 4F 4E 4D 4C 4B 4A 49 48 4 7 46 45 44 43 42 41 40 3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38 3 7 36 35 34 33 32 31 30 2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28 2 7 26 25 24 23 22 21 20 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18 1 7 16 15 14 13 12 11 10 0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08 0 7 06 05 04 0 3 02 01 00 BANK 3 BANK 2 BANK 1 Default register Bank for RR7 Hình 2.3 Bảng tóm tắt bản bản đồ vùng nhớ dữ liệu trên chip 8051 10 [...]... cũng có thể sử dụng nguồn xung nhòp khác Giả sử với tần số dao động danh đònh là 12 MHz, tìm tốc độ baud chế độ 0 là 1 MHz Dao động trên chip Xung nhòp tốc độ baud ÷12 a Chế độ 0 ÷64 SMOD=0 Dao động trên chip SMOD=1 ÷32 24 Xung nhòp tốc độ baud Nguyenvanbientbd47@gmail.com b Chế độ 2 25 Nguyenvanbientbd47@gmail.com ÷32 SMOD=0 Dao động trên chip Xung nhòp tốc độ baud SMOD=1 ÷16 ÷16 c Chế độ 1 và 3 Hình... 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. .. phát và bộ phận thu phải có nguồn tạo dao động Bộ phận dao động 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... 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 thế tạo ra một xung tác động tới bộ... tốc độ baund có thể cố đònh (lấy từ bộ giao động của chip) Nếu sử dụng tốc độ baud thay đổi, timer 1 sẽ cung cấp xung nhòp tốc độ baud và phải được lập trình 8.2 Thanh ghi điều khiển port nối tiếp Chế độ hoạt động của port nối tiếp được đặt bằng cách ghi vào thanh ghi chế độ port nối tiếp (SCON) ở đòa chỉ 98H Sau đây các bảng tóm tắt thanh ghi SCON và các chế độ của port nối tiếp : 22 Nguyenvanbientbd47@gmail.com... nguồn tạo xung nhòp cho port nối tiếp Mặc nhiên, sau khi reset hệ thống, tốc độ baud chế độ là 2 tần số bộ dao động chia cho 64 Tốc độ baud cũng ảnh hưởng bởi 1 bit trong thanh ghi điều khiển nguồn cung cấp (PCON) Bit 7 của PCON là bit SMOD Đặt bit sMOD lên một làm gấp đôi tốc độ baud trong chế độ 1,2 và 3 Trong chế độ 2, tốc độ baud có thể bò gấp đôi từ giá trò mặc nhiên của 1/64 tần số dao động (SMOD=0)... trong khoảng 1300 đến 62000 Tụ ngã ra lấy trò số gấp đôi tụ trong mạch lọc thấp qua ở ngã vào 35 Nguyenvanbientbd47@gmail.com 2.3 LMD1 8200:(xem phụ lục 4) 2.3.1 Giới thiệu chung: LMD1 8200 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... Với vi c sử dụng IC chuyên dùng tạo dao động, bộ tạo dao động sẽ trở nên đơn giản hơn với tần số phát và thu Vì tín hiệu ở ngõ ra trasitor quang rất nhỏ nên cần có mạch khuyếch đại trước khi đưa đến bộ tạo dao động Chúng em chọn IC khuếch đại để khuếch đại tín hiệu lên đủ lớn Vậy sơ đồ khối của phần phát và phần thu là: KHỐI DAO ĐỘNG TRANSITOR THU KHUYẾCH ĐẠI KHỐI DAO ĐỘNG b Các linh kiện trong mạch cảm... Thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) ở đòa chỉ 98H là thanh ghi có đòa chỉ bit chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển Các bit điều khiển đặt chế độ hoạt động cho port nối tiếp, và các bit trạng thái báo cáo kết thúc vi c phát hoặc thu ký tự Các bit trạng thái có thể được kiểm tra bằng phần mềm hoặc có thể được lập trình để tạo ngắt Tần số làm vi c của port nối tiếp còn gọi là tốc độ baund... cấp xung nhòp tốc độ baud cho port nối tiếp 2.2.9 Hoạt động ngắt Ngắt là hoạt động ngừng tạm thời một chương trình này để tji hành một 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 . 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 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. 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 LMD1 8200 tích