Trong những thập niên gần đây công nghiệp hoá hiện đại hoá ngày càng phát triển mạnh mẽ. Kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển mạnh đặc biệt là trong kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật vi điều khiển. Ở nước ta hiện nay, việc lập trình ghép nối máy tính sử dụng vi điều khiển đã và đang là công cụ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hoá. Nó phát triển nhanh chóng, đã mang lại những thay đổi to lớn trong công nghệ cũng như trong đời sống hàng ngày. Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều. Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Một số ứng dụng quan trọng của động cơ 1 chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền.... Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, cùng với những lời đóng góp ý kiến chân thành từ các Thầy(Cô) giáo cùng các bạn sinh viên, đặc biệt được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Đoàn Văn Tuấn nhóm đồ án chúng em đã quyết định chọn và thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ điện một chiều có hiển thị tốc độ”
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập- Tự do- Hạnh Phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC:CHUYÊN NGÀNH 1 Họ và tên sinh viên: 1. Trương Văn Thắng 2.Đào Văn Thi 3.Bùi Văn Thích Lớp: Đ-ĐTK9.2 Năm học: 2013- 2014 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ 1 chiều hiển thị trên LCD. Số liệu cho trước + Động cơ điện một chiều + Ứng dụng vi điều khiển Giảng Viên Hướng Dẫn: Đoàn Văn Tuấn Hưng yên, ngày tháng năm 2014 1 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC Nhận xét của giảng viên hướng dẫn …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Giáo viên hướng dẫn 2 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC LỜI NÓI ĐẦU Trong những thập niên gần đây công nghiệp hoá hiện đại hoá ngày càng phát triển mạnh mẽ. Kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển mạnh đặc biệt là trong kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật vi điều khiển. Ở nước ta hiện nay, việc lập trình ghép nối máy tính sử dụng vi điều khiển đã và đang là công cụ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hoá. Nó phát triển nhanh chóng, đã mang lại những thay đổi to lớn trong công nghệ cũng như trong đời sống hàng ngày. Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều. Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Một số ứng dụng quan trọng của động cơ 1 chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, cùng với những lời đóng góp ý kiến chân thành từ các Thầy(Cô) giáo cùng các bạn sinh viên, đặc biệt được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Đoàn Văn Tuấn nhóm đồ án chúng em đã quyết định chọn và thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ điện một chiều có hiển thị tốc độ” Tuy nhiên, để có được sản phẩm có tính ổn định cao, đảm bảo về chất lượng là tương đối khó khăn. Vì thời gian để hoàn thành đồ án này cũng có hạn, và tầm hiểu biết của nhóm thực hiện vẫn còn hạn chế… nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót, những khuyết điểm không mong muốn. Nhóm đồ án chúng em rất mong có được những ý kiến đóng góp quý báu, chân thành của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên để đề tài này được hoàn thiện hơn. 3 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC Mục lục CHƯƠNG 1. CỞ SỞ LÝ THUYẾT VÀ SƠ LƯỢC VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051 Họ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4kbyte ROM, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng ra/vào song song và là 1 bộ vi xử lý 8 bit. Hình 1.1.1: Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051 1.1. Port 0 ( P0.0- P0.7) Port 0 gồm 8 chân, ngoài các chức năng xuất nhập, Port 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ(AD0-AD7) 4 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1.2. Port 1 ( P1.0- P1.7) Port 1 có chức năng xuất nhập theo bit và byte. Ngoài ra, ba chân P1.5, P1.6, P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, hai chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2. 1.3. Port 2 (P2.0-P2.7) Là một port có công dụng kép, là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị đồng bộ nhớ mở rộng. Hình 1.1.2: Sơ đồ chân Port 2 1.4. Port 3 (P3.0- P3.7) Mỗi chân trên Port 3 ngoai chớc năng xuất nhập còn có chớc năng riêng, cụ thể như sau : Bit Tên Chức năng P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0 P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1 P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/counter 0 5 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/ counter 1 P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài. 1.5. Chân /PSEN ( Program store Enable) /PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân /OE để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài . /PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọc mã lệnh . Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu (Port 0) thanh ghi lệnh để được giải mã. Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì /PSEN ở mức cao. 1.6. Chân ALE (Address Latch Enable) ALE là tín hiệu điều chỉnh chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của vi điều khiển. Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như 74373, 74573 chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0). 1.7. Chân /EA (External Access) Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển. Nếu EA ở mức cao (nối với vcc), thì vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội . Nếu /EA ở mức thấp (nối với GND), thì vi điều khiển thi hành chương trình từ bộ nhớ ngoài . 1.8. RST (Reset), VCC, GND Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống . 8051 dùng nguồn điện áp một chiều có dải điện áp từ 4V đến 5,5V được cấp qua chân 20 và 40. 6 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1.9. XTAL1, XTAL2 8051 có một bộ dao động trên chíp, nó thường được nối với với bộ dao động bằng thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHZ, thông thường là 12MHZ. Hình 1.1.3: Hình trên là cách nối bộ dao động thạch anh 2. Động cơ điện 1 chiều 2.1.Định nghĩa Máy điện một chiều là loại máy điện làm việc với dòng điện một chiều, có thể sử dụng làm máy phát điện hoặc động cơ điện. Máy điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ trơn trong khoảng rộng và momen mở máy lớn vì vậy nó được sử dụng rộng rãi làm động cơ kéo, khi cần điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ trong khoảng rộng, máy điện một chiều còn được sử dụng rộng rãi làm nguồn nạp ácquy, hàn điện, nguồn cung cấp điện… 2.2 . Phân loại động cơ điện một chiều (đây là cách phân loại theo cách kích 7 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC từ) Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau: -Kích từ độc lập. -Kích từ song song. -Kích từ nối tiếp. -Kích từ hỗn hợp. 2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Động cơ điện một chiều có cấu trúc gồm 3 bộ phận chính: phần cảm, phần ứng, cổ góp và chổi than. Phẩn cảm là bộ phận tạo ra từ trường đặt ở stato, thông thường phần cảm là một nam châm điện gồm có cực từ N-S và cuộn dây kích từ. Phần ứng có lõi thép đặt ở rotor, có phay rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Mỗi cuộn dây được nối tới hai lá góp của cổ góp điện. Trong chế độ máy phát, cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và nối rotor với động cơ sơ cấp khác để quay rotor (máy lai động cơ). Khi rotor quay trong từ trường phần cảm, trong cuộn dây sẽ xuất hiện thế điện động, được cổ góp và chổi than nắn thành sđđ một chiều. Trong chế độ động cơ, cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng. Dòng điện chạy trong phần ứng sẽ tác dụng với từ trường gây bởi phần cảm tạo thành momen quay rotor. Hình 1.2.1 :Sơ đồ cấu tạo động cơ điện một chiều 2.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 8 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2.4.1. Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song Hình 1.2.2: Đường đặc tính cơ của đông cơ kích từ độc lập và song song. Đặc tính cơ là mối quan hệ hàm giữa tốc độ và momen điện từ =f(M), khi I =const. 2.4.2.Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp Hình 1.2.3: Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp. 2.4.3. Đặc tính của động cơ kích từ hỗn hợp 9 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 1.2.4: Đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp. Trên hình vẽ ta biểu diễn động cơ kích từ hỗn hợp và đặc tính cơ của nó, các dây quấn kích từ có thể nối thuận hoặc nối ngược làm giảm từ thông. Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận (đường 1), sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song (đường 2) và nối tiếp (đường 3). Các động cơ làm việc nặng nề,dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ chính còn dây quấn kích từ song song là dây quấn kích từ phụ và được nối thuận. Dây quấn kích từ song song đảm bảo tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi momen nhỏ. Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ và nối ngược có đặc tính cơ rất cứng (đường 4) nghĩa là tốc độ quay của động cơ hầu như không đổi. Ngược lại khi nối thuận sẽ làm cho động cơ có đặc tính mềm hơn, momen mở máy lớn hơn, thích hợp với máy nén, máy bơm, máy nghiền, máy cán… 10 GVHD: Đoàn Văn Tuấn [...]... điều khiển, khối hiển thị và động cơ 2.2.2 Khối điều khiển 29 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 2.2.3: Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển - - Chức năng: Trong khối điều khiển sử dụng 5 nút bấm để điều khiển động cơ Các nút bấm này được treo áp bởi điện trở băng RN1 có trị số 10 K Trong khối dao động chúng ta sử dụng 2 tụ C2, C3 cùng thạch anh 12 Mhz... cách mạch điều khiển điện áp cao 2 Thiết kế sơ đồ mạch 2 .1 Sơ đồ khối của mạch Khối nguồn Khối hiển thị Khối điều khiển 28 GVHD: Đoàn Văn Tuấn Khối công suất ( động cơ) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 2.2 .1: Sơ đồ khối của mạch điện 2.2 Sơ đồ nguyên lý từng khối 2.2 .1 Khối nguồn Hình 2.2.2: Sơ đồ nguyên lí khối nguồn Chức năng: Cung cấp điện áp nuôi cho các khối điều. .. dụng 12 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ. Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Điều. .. mạch( dòng khởi động) : Inm= = = 6,25 A Momen ngắn mạch: Mnm=K.Inm=0 ,1. 6,25=0,625N.m Tốc độ không tải (khi I = 0): =12 0 rad/s Hình 2 .1. 1 Đường đặc tính cơ điện Dòng tính toán Itt>Ikđ Trên thực tế khi chế tạo động cơ các nhà sản xuất đã có các biện pháp hạn chế đòng khởi động như : roto rãnh sâu, ro to rãnh chéo, riêng động cơ không đồng bộ còn có roto lồng sóc kép 1. 2 Chọn van điều khiển Điều khiển động. .. pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm Hình 1. 2.6: Đồ thị dạng xung điều chế PWM 2.7.2.Ứng dụng của PWM trong điều khiển PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... 2.2.3 Khối hiển thị Hình 2.2.4: Sơ đồ nguyên lí khối hiển thị - Chức năng : Khối LCD có nhiệm vụ hiển thị tốc độ động cơ Trong mạch Port0 sẽ truyền trực tiếp dữ liệu cho LCD Các chân điều khiển RS, RE, EN được ghép nối với 3 chân P2.5, P2.6, P2.7 của vi điều khiển Các chân số 2, 1 cung cấp nguồn hoạt động cho LCD, chân số 3 là chân điều chỉnh độ tương phản được nối thẳng xuống mát Chân 15 , 16 có nhiệm... Khối mạch động cơ hở mạch Để điều khiển động cơ chạy ở tốc độ mong muốn, nhấn nút tăng tốc-p1.0), nút giảm tốc-p1 .1) .Tốc độ sẽ được cập nhập liên tục, mỗi giây tốc độ lại được cập nhập từ encoder về, sau đó được hiển thị qua LCD Việc tăng hay giảm khoảng định thời tuân thủ luật: lượng tăng khoảng định thời 31 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC Để đảo chiều. .. như sau: Các khối nguồn cho điện áp ra là 5VDC ,12 VDC Khối giao tiếp máy tính ở trạng thái chờ Khối vi điều khiển AT89C 51 thực thi chương trình được nạp với các điều kiện đầu là tốc độ bằng zero, tốc độ xuất ra lcd là 0 Khối hiển thị bốn số không Khối mạch động cơ hở mạch Để điều khiển động cơ chạy ở tốc độ mong muốn, nhấn nút tăng tốc-p1.0), nút giảm tốc-p1 .1) .Tốc độ sẽ được cập nhập liên tục, mỗi giây... hạn dòng bằng 1 điện trở 1K 2.2.4 Khối công suất 30 GVHD: Đoàn Văn Tuấn TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chức năng: Tín hiệu PWM từ khối điều khiển Đến khối công suất phải qua Opto PC 817 dùng để cách ly giữa bo điều khiển và Motor DC Sơ lược về hoạt động của mạch này như sau: khi nhận được tín hiệu điện kích vào chân 1 của Opto PC 817 > chân 3 -4 Opto thông mạch >FET IRF540... nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bình trên tải sẽ là : Ud = 12 .20% = 2.4V ( với D = 20%) Ud = 12 .40% = 4.8V (Vói D = 40%) Ud = 12 .90% = 10 .8V (Với D = 90%) 3 Led và Button 3 .1. Led đơn LED (viết tắt của : Light Emitting Diode) được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n, đèn LED tạo ra nhiều ánh sáng hơn, tỏa nhiệt ít hơn so với các thiết