Đo tốc độ động cơ dùng VĐK 8051

Đo tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng vi điều khiển 8051, dải đo 0 2500 vòng/phút. ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG Bộ Công Thương Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc BÀI TẬP LỚN MÔN: VXL & VĐK Giáo viên hướng dẫn : Phạm Văn Hùng NỘI DUNG ĐỀ TÀI Ứng dụng họ VĐK 8051 ghép nối 4 LED bảy thanh để hiện thị số đo tốc độ động cơ dùng Encoder có 100 xung/vòng, khoảng đo [0-2500]v/p. PHẦN THUYẾT MINH CHƯƠNG 1- KHÁI QUÁT CHUNG CHƯƠNG 2- THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHƯƠNG 3- XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG 4- TỔNG KẾT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Phạm Văn Hùng 1 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG MỤC LỤC 2 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay đại đa số các lĩnh vực sản xuất, điều khiển, giám sát, đo lường đều được trang bị hệ thống tự động hóa. Một trong số đó ứng dụng kĩ thuật vi điều khiển. Nhờ tính năng ưu việt của vi điều khiển như: khả năng lập trình phù hợp với thiết kế từ nhỏ cho đến lớn, giao tiếp thiết bị ngoại vi và máy tính, và nhất là độ mềm dẻo trong việc lập trình, giá cả phải chăng, đi kèm độ ổn định chấp nhận được. Những lý do này mang lại cho vi điểu khiển một thế mạnh nhất định và ngày càng được ứng dụng rộng rãi, không ngừng cải tiến để đạt được độ ổn định, tầm hoạt động cao hơn! Lĩnh vực đo lường và điều khiển trong các ngành công nghiệp là vô cùng cần thiết, một trong số đó có thể kể đến việc điểu khiển, đo, hiển thị tốc độ động cơ. Với yêu cầu: khả năng đáp ứng nhanh, độ ổn định, chính xác Vi điểu khiển đã thể hiện mình khá tốt trong công việc này. Trong bài tập lớn này, chúng em thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ động cơ sử dụng chip vi điều khiển 8051 ghép nối 4 LED 7 thanh với yêu cầu đo tốc độ trong khoảng [0-2500]v/p và có cảnh báo tốc độ. Bài tập lớn của chúng em có 4 chương chính như sau: CHƯƠNG 1- KHÁI QUÁT CHUNG CHƯƠNG 2- THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHƯƠNG 3- XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG 4- TỔNG KẾT Với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Th.s Phạm Văn Hùng đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức của chúng em còn hạn chế, bài tập lớn chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em kính mong thầy cô thông cảm, giúp đỡ và chỉ bảo thêm cho bài tập lớn thêm hoàn thiện. 3 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 4 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG CHƯƠNG 1- KHÁI QUÁT CHUNG 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐỀ TÀI Trong ngành công nghiệp nói chung và trong các nhà máy, xí nghiệp, công trình, nói riêng, có nhiều công việc, nhiệm vụ thực tế yêu cầu đo tốc độ động cơ, sau đó cảnh báo để người vận hành có thể nhận biết và điều chỉnh. Ngoài ra, còn có thể kết hợp đo tốc độ và điểu chỉnh một cách tự động (thông qua bộ điều khiển PID). DC Servo Motor Sau khi đo, ta có thể hiển thị tốc độ động cơ qua LED 7 thanh, truyền hiển thị tốc độ lên máy tính, thông qua máy tính điểu khiển tốc độ động cơ, hoặc thông báo tốc độ bằng còi beep. 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Có 3 phương pháp dùng để đo tốc độ của vòng quay khác nhau, tùy từng vào mục đích sử dụng để có thể đo được tốc độ vòng quay động cơ chính xác nhất 1.2.1. Phương pháp đo tiếp xúc Đây là phương pháp cũ nhất trong các phương pháp đo rpm. Tốc độ vòng quay của vật cần đo sẽ được cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện, tín hiệu này sẽ được thiết bị phân tích và hiển thị. Phương pháp đo này vẫn được sử dụng thường xuyên nhưng chủ yếu dùng cho những vật có vận tốc quay thấp từ 20 rpm đến 20.000 rpm. Sự bất lợi của phương pháp đo này là tốc độ quay của tải phụ thuộc rất nhiều vào lực tiếp xúc. Ngoài ra, phương pháp đo này không thể đo cho những vật có kích thước nhỏ. Nếu như tốc độ vòng quay quá lớn cảm biến sẽ bị trượt ra ngoài. 5 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG Động cơ có encoder 100 xung 1.2.2. Phương pháp đo không tiếp xúc (đo rpm bằng phản quang) Tốc độ vòng quay sẽ được đo bằng cách đo thời gian của chùm tia phản xạ tại vật cần đo. Thiết bị sẽ phát ra 1 chùm tia hồng ngoại, chùm tia ánh sáng này sẽ bị phản xạ lại tại vật cần đo bởi tấm phản quang được dán trên vật cần đo. Chú ý rằng khoảng cách lớn nhất giữa tấm phản quang và thiết bị đo không vượt quá 350 mm). Phương pháp đo này sẽ cao cấp hơn phương pháp đo tiếp xúc. Tuy nhiên, không phải lúc nào ta cũng có thể dán được tấm phản quang lên trên vật cần đo. Dải đo: 20 rpm đến 100.000 rpm Máy đo không tiếp xúc 1.2.3. Phương pháp đo rpm sử dụng tần số chớp Dựa vào nguyên lý của tần số chớp, các vật thể sẽ đứng yên trong mắt người quan sát khi tần số chớp tốc độ cao đồng bộ với sự di chuyển của vật. Phương pháp đo này có những đặc tính nổi bật hơn các phương pháp đo khác là: Phương pháp đo có thể đo được cho những vật rất nhỏ hoặc đo được ở những nơi ta không chạm đến được. Không cần thiết phải dán tấm phản quang lên vật cần đo. Ví dụ như ta không cần thiết phải dừng lại quy trình sản xuất. Dải đo: 30 rpm đến 20.000 rpm. 6 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG Ngoài ra, phương pháp đo này không chỉ đo được rpm mà nó còn có thể đo rung và theo dõi chuyển động ví dụ như: các màng rung, màng loa Máy đo sự dụng tần số chớp Ta sử dụng phương pháp đo tiếp xúc: 1.3. HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 1.3.1 Sơ lược về lịch sử ra đời Bộ vi điều khiển (VĐK) 8051 ra đời năm 1981, là sảm phẩm của hãng Intel. Sau đó, 8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để mã lại tương thích với 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chíp khác nhau được bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất. Điều này quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lương nhớ ROM trên chíp, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh. Điều này có nghĩa là nếu ta viết chương trình của mình cho một phiên bản nào đó thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó từ hãng sản xuất nào. Bảng 2.1. Các đặc tính cơ bản của 8051. Đặc tính Số lượng ROM trên chíp 4K byte RAM 128 byte Bộ định thời 2 Các chân vào - ra 32 Cổng nối tiếp 1 7 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG Nguồn ngắt 6 1.3.2 Các hãng sản xuất vi điều khiển 8051 - Bộ vi điều khiển AT8951 từ Atmel Corporation - Bộ vi điều khiển DS5000 từ hãng Dallas Semiconductor - Họ 8051 từ Hãng Philips Ngoài ra còn các sản phẩm khác từ AMD, Siemens, Matra và Dallas, Semicndictior. 1.3.3 Cấu trúc họ vi điều khiển 8051 Cấu trúc 8051 8 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG Sơ đồ chân 8051 Chức năng: - Chân 40 nối dương nguồn 5V - Chân 20 nối đất (Mass, GND) - Chân29(PSEN): là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép chọn bộ nhớ ngoài và được nối chung với chân OE (output) của EPROM ngoài để cho phép đọc các byte của chương trình (ở đây là đọc các lệnh- khác với đọc dữ liệu). - Chân 30 (ALE) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép kênh Bus địa chỉ và Bus dữ liệu của Port0. - Chân 31(EA) được đưa xuống thấp cho phép chọn bộ nhớ mã ngoài đối với 8051. - P0 từ chân 39 ->32 tương ứng là các chân P0_0 ->P0_7 - P1 từ chân1->8 tương ứng với các chân P1_0 ->P1_7 - P2 từ chân 21->28 tương ứng là các chân P2_0 ->P2_7 - P3 từ chân10->17 tương ứng là các chân P3_0->P3_7 - Riêng cổng 3 có 2 chức năng ở mỗi chân như trên hình vẽ: - P3.0– RxD: chân nhận dữ liệu nối tiếp khi giao tiếp với RS232 (COM) - P3.1– TxD : phân truyền dữ liệu nối tiếp khi giao tiếpRS232 - P3.2– INT0: interupt0, ngắt ngoài 0. - P3.3– INT1:interupt1 ngắt ngoài 1. 9 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG - P3.4– T0: Timer 0 đầu vào timer 0. - P3.5– T1: Timer 1 đầu vào timer 1. - P3.6– WR : Điều khiển ghi dữ liệu - P3.7– RD: Điều khiển đọc dữ liệu - Chân18,19 nối với thạch anh tạo thành mạch dao động cho vi điều khiển, vi xử lý. - Tần số thạch anh thường dùng trong các ứng dụng là 12Mhz và11.092MHz (Giao tiếp với cổng COM), tần số tối đa là 24Mhz. a. Cổng vào ra song song (I/O port) 8051 có 4 cổng vào ra song song có tên lần lượt là P0, P1, P2, P3 tất cả các cổng này đều là cổng ra vào 2 chiều 8 bit. Các bít của mỗi cổng là một chân trên chíp như vậy mỗi cổng sẽ có 8 chân trên chíp. Hướng dữ liệu dùng cổng đó làm cổng ra hay cổng vào là độc lập giữa các cổng và giữa các chân trong cùng 1 cổng. Các chân P0 không có điện trở treo cao (pullup resistor) bên trong, mạch lái tạo mức cao chi có khi sử dụng cổng này với tính năng là bus dồn kênh địa chỉ dữ liệu. Như vậy với chức năng ra thông thường, P0 là cổng ra open drain, với chức năng vào, P0 là cổng cao trở. Nếu muốn sử dụng cổng P0 làm cổng vào/ra thông dụng thì ta phải thêm trở tử 4K7 đến 10K. Các cổng P1, P2, P3 đều có điện trở pullup bên trong, do đó có thể dùng với chức năng cổng vào/ra thông thường mà không cần thêm điện trở bên ngoài. b. Cổng truyền thông nối tiếp ( Serial Port) : Cổng nối tiếp trong 8051chủ yếu được dùng trong các ứng dụng có yêu cầu truyền thông với máy tính, hoặc với 1 vi điều khiển khác. Liên quan đến cổng nối tiếp chủ yếu có 2 thanh ghi: SCON và SBUF. Ngoài ra, một thanh ghi khác là thanh ghi PCON (không đánh địa chỉ bít) có bít 7 tên là SMOD quy định tốc độ truyền của cổng nối tiếp có gấp đôi lên (SMOD=1)hay không (SMOD=0). Cổng có đặc điểm: - Truyền song công: có nghĩa là tại một thời điểm có thể vừa truyền vừa nhận dữ liệu. - Phương thức truyền không đồng bộ: là dữ liệu được truyền đi theo từng kí tự. - Bộ đệm truyền nhận dữ liệu đều có tên là SBUF - SCON là thanh ghi bit được dùng để lập trình việc đóng khung dữ liệu, 10 [...]... • Để xác định tốc độ động cơ từ số xung đo được từ encoder ta làm như - • sau: Encoder có 100 xung/vòng Ta thực hiện đo xung vào từ encoder trong khoảng 20ms (chu kì lấy mẫu) Gọi Nx là số xung trong 20ms  Số xung trong 1 phút là (60Nx)/0.02 = 3000Nx (xung/phút)  Tốc độ động cơ là : n = (3000Nx)/100 = 30Nx (vòng/phút) Để tạo chu kỳ lấy mẫu là 20ms thì ta sử dụng timer 1 làm việc ở chế độ 16bit với... án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG 2.3.3 Khối điều khiển Khối điều khiển Các linh kiện: - 1 VĐK 89C51 - 4 trở băng 10K - 1 thạch anh 12MHz - 1 tụ reset 10 μF - 1 nút bấm - 1 tụ gốm 104 - 1 cuộn cảm dây 100μH 2.4 KHỐI ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 22 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG Khối động lực 2.5 KHỐI HIỂN THỊ VÀ CẢNH BÁO 2.5.1 Led 7 thanh Hình 2.1 Hình dạng thật tế và sơ đồ các chân LED 7 thanh LED 7 đo n hay... của VĐK 8051 không có trở treo bên trong, để sử dụng Port 0 như một cổng vào ra bình thường ta phối hợp thêm trờ băng 10K Các Port khác của VĐK cũng nên thêm trở băng để đảm bảo khả năng "phun dòng", điều khiển các thành phần khác như transistor, Driver L298 b Thạch anh 12MHz Khối tạo dao động cho VĐK 8051 là thạch anh, có giá trị lên đến 24 MHz, khi dùng giao tiếp với máy tính yêu cầu tạo tốc độ Baud... cung cấp cho 8051 - Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình cho timer trà nở một khoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer lên 1 Cờ được dùng để đồng bộ hóa hoặc đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện (ví dụ: đo độ rộng xung) - Đếm sự kiện được dùng để xác định số lần xảy ra của một sự kiện hơn là đo khoảng thời gian trôi qua giữa các sự kiện Một “sự kiện” là bất cứ tác động bên ngoài... (ở P3) của 8051/ 8031 - Các timer cũng có thể cung cấp xung nhịp tốc độ baud cho cổng nối tiếp có sẵn trong 8051/ 8031 Bảng1.2 Các thanh ghi chức năng đặc biệt dùng timer 12 Đồ án VXL&VĐK TMOD TL0 TL1 TH0 TH1 GVHD: PHẠM VĂN HÙNG Chế độ timer Byte thấp của timer 0 Byte thấp của timer 1 Byte cao của timer 0 Byte cao của timer 1 89H 8AH 8BH 8CH 8DH 13 Không Không Không Không Không Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM... tràn sẽ lên1 khi số đếm tràn từ FFFFH đến 0000H 11 Đồ án VXL&VĐK TCON GVHD: PHẠM VĂN HÙNG Điều khiển timer 88H Có Hình 1.4 Cấu trúc bộ định thời - 8051/ 8031 có hai timer 16bit (T0 và T1), mỗi timer có bốn chế độ hoạt động - Người ta sử dụng các timer để: định khoảng thờigian, đếm sự kiện hoặc tạo tốc độ baud cho cổng nối tiếp có sẵn trong 8051/ 8031 - Mỗi timer 16 bit có 16 tầng hay tầng cuối cùng chia... 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP Các đặc điểm của chip AT89C51 được tóm tắt như sau: • 4 KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xoá 19 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG • Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz • 2 bộ Timer/counter 16 Bit • 128 Byte RAM nội • 4 Port xuất /nhập... 2.5.3 Coi beep Để thực hiện cảnh báo khi quá tốc độ cho động cơ của mạch, ta sử dụng còi chip Sử dụng thuật toán điều khiển, còi chip sẽ phát ra các tiến "tít tít" kéo dài khác nhau Còi chip 26 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG 2.5.4 Khối hiển thị và cảnh báo hoàn chỉnh 2.6 THIẾT KẾ MẠCH NGYÊN LÝ TOÀN HỆ THỐNG Mạch nguyên lý được xây dựng xong 27 Đồ án VXL&VĐK GVHD: PHẠM VĂN HÙNG CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG... mạch chính: - Mạch điểu khiển - Mạch động lực Ngoài ra, mỗi mạch còn có thể phân thành các khối riêng biệt: - Khối nguồn (IC ổn áp, tụ lọc, cuộn cảm, ) - Khối điều khiển (Chip VĐK và các thành phần đi kèm) - Khối động lực (IC tích hợp cầu H, Relay, cách ly, ) - Khối hiển thị (LED đơn,LED 7 thanh, LCD, ) Với đề tài thuộc dạng nhỏ, chúng ta có thể kết hợp chung 2 mạch động lực và điều khiển trên cùng 1... 2 và 3 Sử dụng trong chế độ 2 và 3 Cờ truyền: nhận được sau khi truyền xong 1 byte Cờ nhận: Nhận được sau khi nhận đủ 1 byte Các chế độ làm việc của cổng truyền thông SM0 0 0 1 1 SM1 0 1 0 1 Ch độ 0 1 2 3 Khung dữ liệu 8-bit Shift Register 8-bit UART 9-bit UART 9-bit UART Tốc độ Baud Oscillator/12 Càiđặtbởitimer 1(*) Oscillator/64(*) Cài đặt bởi timer 1(*) 1.3.4 Timer trong 8051 - Timer là một chuỗi . HÙNG Bộ Công Thương Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc BÀI TẬP LỚN MÔN: VXL & VĐK Giáo viên hướng dẫn : Phạm Văn Hùng NỘI DUNG ĐỀ TÀI Ứng. độ mềm dẻo trong việc lập trình, giá cả phải chăng, đi kèm độ ổn định chấp nhận được. Những lý do này mang lại cho vi điểu khiển một thế mạnh nhất định và ngày càng được ứng dụng rộng rãi, không. tận tình của thầy giáo Th.s Phạm Văn Hùng đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức của chúng em còn hạn chế, bài tập lớn chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em