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. ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

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 độđộng cơ dùng Encoder có 100 xung/vòng, khoảng đo [0-2500]v/p

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay đại đa số các lĩnh vực sản xuất, điều khiển, giám sát, đolường đều được trang bị hệ thống tự động hóa Một trong số đó ứng dụng kĩthuật vi điều khiển Nhờ tính năng ưu việt của vi điều khiển như: khả năng lậptrình phù hợp với thiết kế từ nhỏ cho đến lớn, giao tiếp thiết bị ngoại vi và máytính, 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 thếmạnh nhất định và ngày càng được ứng dụng rộng rãi, không ngừng cải tiến đểđạt được độ ổn định, tầm hoạt động cao hơn!

Lĩnh vực đo lường và điều khiển trong các ngành công nghiệp là vô cùngcần 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 emcòn hạn chế, bài tập lớn chắc chắn còn nhiều thiếu sót Em kính mong thầy côthông cảm, giúp đỡ và chỉ bảo thêm cho bài tập lớn thêm hoàn thiện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

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, côngtrình, 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 điềukhiển PID)

DC Servo Motor

Sau khi đo, ta có thể hiển thị tốc độ động cơ qua LED 7 thanh, truyền hiển thịtốc độ lên máy tính, thông qua máy tính điểu khiển tốc độ động cơ, hoặc thôngbáo 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 vàomục 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 quaycủa vật cần đo sẽ được cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện, tín hiệu này sẽđược thiết bị phân tích và hiển thị Phương pháp đo này vẫn được sử dụngthường xuyên nhưng chủ yếu dùng cho những vật có vận tốc quay thấp từ 20rpm đến 20.000 rpm Sự bất lợi của phương pháp đo này là tốc độ quay của tảiphụ 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 cảmbiến sẽ bị trượt ra ngoài

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 tạivật 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

Phương pháp đo có thể đo được cho những vật rất nhỏ hoặc đo được ở nhữngnơi ta không chạm đến được Không cần thiết phải dán tấm phản quang lên vậtcần đo Ví dụ như ta không cần thiết phải dừng lại quy trình sản xuất

Dải đo: 30 rpm đến 20.000 rpm

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 khácsản xuất và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họphải để mã lại tương thích với 8051 Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bảncủa 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chíp khác nhauđược bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất Điều này quan trọng là mặc dù cónhiều 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 cónghĩa là nếu ta viết chương trình của mình cho một phiên bản nào đó thì nócũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó từ hãng sảnxuất nào

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

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 phépchọn bộ nhớ ngoài và được nối chung với chân OE (output) của EPROMngoài 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 phépkênh 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

- 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 điềukhiển, vi xử lý

- Tần số thạch anh thường dùng trong các ứng dụng là 12Mhzvà11.092MHz (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 cảcác cổng này đều là cổng ra vào 2 chiều 8 bit Các bít của mỗi cổng là mộtchân trên chíp như vậy mỗi cổng sẽ có 8 chân trên chíp Hướng dữ liệudùng cổng đó làm cổng ra hay cổng vào là độc lập giữa các cổng và giữacác 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 dồnkênh 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 dụngcổng 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 dùngvới chức năng cổng vào/ra thông thường mà không cần thêm điện trở bênngoài

b Cổng truyền thông nối tiếp ( Serial Port) :

Cổng nối tiếp trong 8051chủ yếu được dùng trong các ứng dụng có yêucầu truyền thông với máy tính, hoặc với 1 vi điều khiển khác Liên quanđến cổng nối tiếp chủ yếu có 2 thanh ghi: SCON và SBUF Ngoài ra, mộtthanh ghi khác là thanh ghi PCON (không đánh địa chỉ bít) có bít 7 tên làSMOD quy định tốc độ truyền của cổng nối tiếp có gấp đôi lên(SMOD=1)hay không (SMOD=0)

- 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,

xác định chế độ làm việc của cổng truyền thông nối tiếp.

Bảng dưới đây mô tả chi tiết các bit khác nhau của thanh ghi SCON:

Bit Tên Địa chỉ Chức năng

7 SM0 9FH Xác định chế độ cổng nối tiếp (bit0)

6 SM1 9EH Xác định chế độ cổng nối tiếp (bit1)

5 SM2 9DH Cho phép truyền thông đa xử lý

4 REN 9CH Bít cho phép nhận

3 TB8 9BH Sử dụng trong chế độ 2 và 3

2 RB8 9AH Sử dụng trong chế độ 2 và 3

1 TI 99H Cờ truyền: nhận được sau khi truyền xong 1 byte

0 RI 98H Cờ nhận: Nhận được sau khi nhận đủ 1 byte

Các chế độ làm việc của cổng truyền thông

SM0 SM1 Chếđộ Khung dữ liệu Tốc độ Baud

0 0 0 8-bit Shift Register Oscillator/12

1.3.4 Timer trong 8051

- Timer là một chuỗi các flip-flop chia đôi tần số mắc nối tiếp với nhau,chúng nhận tín hiệu vào làm nguồn xung nhịp Xung nhịp được đưa vàoflip-flop thứ nhất để chia đôi tần số xung nhịp Ngõ ra của flip-flop thứnhất làm xung nhịp cho flip-flop thứ hai (cũng làm việc chia đôi tần số),

và v.v

- Vì mỗi tầng kế tiếp chia đôi cho nên timer có n tầng sẽ cho xung ra cótần số là tần số xung nhịp chia cho 2n Ngõ ra của tầng cuối làm xungnhịp cho flip-flop báo tràn của timer (còn gọi là cờ timer TF [TimerFlag])

Giá trị nhị phân trong các flip-flop của timer có thể xem như số đếm số xungnhịp (hoặc các sự kiện) từ khi timer bắt đầu chạy.Thí dụ timer 16 bit sẽ đếm lên

từ 0000H đến FFFFH Cờ báo tràn sẽ lên1 khi số đếm tràn từ FFFFH đến0000H

số bằng 1/12 tần số xung nhịp 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 đượcdùng 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 nào có thể cung cấp một chuyển tiếp 1 sang 0 từchân T0, T1 (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

TCON Điều khiển timer 88H Có

TMOD Chế độ timer 89H Không

TL0 Byte thấp của timer 0 8AH Không

TL1 Byte thấp của timer 1 8BH Không

TH0 Byte cao của timer 0 8CH Không

TH1 Byte cao của timer 1 8DH Không

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

2.1 MỞ ĐẦU

Tùy thuộc vào nhu cầu, ứng dụng và thiết kế của người sử dụng, ta có thể chiaboard mạch ra làm nhiều khối, nhằm mục đích: tiện cho việc quản lý, theo dõi,sửa chữa board mạch

Phân ra làm hai 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 vàđiều khiển trên cùng 1 board mạch

Mạch đầu vào 12V, đầu ra 5V sử dụng LM7805

Với dòng tải cao hơn 1A, ta có thể trang bị tản nhiệt cho LM7805, sử dụngthêm trở công suất, hoặc trợ dòng bằng Tran B688

Mạch nguồn sử dụng Tran B688 và trở công suất 0.47/3W

Nhược điểm của LM7805 là toả nhiệt cao nếu tải lớn và nguồn đầu vào tuy theoDatasheet có thể lên 40V, tuy nhiên chúng ta nên hạn chế đầu vào từ 9V đến nhỏ 16V, bởi cùng một dòng tải, điện áp vào càng cao tỏa nhiệt càng nhiều, và tổn hao càng lớn (ổn áp bằng tiêu tán dưới dạng nhiệt) Để giải quyết vấn đề này ta có thể sử dụng IC LM2576

Mạch nguyên lý nguồn dùng LM2576

LM2576 có dải điện áp vào từ 7V-40V, tỏa nhiệt và tổn hao ít, dòng chịu tải có thể lên đến 3A, cho ra điện áp rất ổn định (5V-5,1V) thường sử dụng cho mạch

có nhiều thành phần, ngốn dòng Tuy nhiên, nhược điểm nguồn ra của LM2576

là nhiễu (nguồn xung), không "sạch" bằng LM7805, chúng ta cần phối hợp tụ vàcuộn cảm thật tốt để lọc nhiễu cho mạch Không nhưng thế, cũng cần thêm diode chống ngược dòng, bởi khi mắc ngược nguồn, LM2576 sẽ chết ngay lập tức

2.3 KHỐI ĐIỀU KHIỂN

AT89C51 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 4 KByte bộ nhớ chỉ đọc

có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nốitiếp 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 kỳghi/xoá

• Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz

• 2 bộ Timer/counter 16 Bit

• 128 Byte RAM nội

• 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

• Giao tiếp nối tiếp

• 64 KB vùng nhớ mã ngoài

• 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại

2.3.2 Các linh kiện khác

a Trở băng 10K

Port 0 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 9600 mong muốn, ta sử dụng thạch anh 11.0592 MHz, tạo ra sai lệch 0%

c Tụ reset

Ta sử dụng tụ 10 μF, phối hợp thêm nút bấm tạo nút reset khi VĐK xảy ra hiện tượng treo Tuy nhiên, khi dùng mạch nạp qua cổng ISP, chúng ta chỉ nên sử dụng tụ 104, vấn đề đặt ra khi dùng tụ 104 là mạch sẽ không thể tự reset khi bật nguồn.

2.3.3 Khối điều khiển

Khối điều khiển

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 đoạn hay LED 7 thanh (Seven Segment display) là 1 linh kiện rất phổ

dụng , được dùng như là 1 công cụ hiển thị đơn giản nhất

Trong LED 7 thanh bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau , vì vậy

mà có tên là LED 7 đoạn là vậy ,7 LED đơn được mắc sao cho nó có thể hiển thị được các số từ 0 - 9 , và 1 vài chữ cái thông dụng, để phân cách thì người ta còn dùng thêm 1 led đơn để hiển thị dấu chấm (dot)

Hình 2.2 Sơ đồ LED 7 thanh

Các led đơn lần lượt được gọi tên theo chữ cái A- B -C-D-E-F-G, và dấu chấmdot Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ cần cấp nguồn vào chân

đó là led sẽ sáng như mong muốn

Thông số :

LED 7 thanh dù có nhiều biến thể nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2 loại đó

là :

+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau )

+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau )

Anode chung :

+ Chân 3 và 8 là 2 chân Vcc(nối ngắn mạch lại với nhau , sau đó nối chung vớichân anode của 8 led đơn ), vậy muốn led nào đó sáng thì chỉ việc nối châncatot xuống mass Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1.3 V mới cung cấp

đủ led sáng, tuy nhiên không được cao quá 3V

Hình 2.3 Sơ đồ chân LED 7 thanh ANOT chung

Cathode chung:

Hình 2.4 Sơ đồ chân LED 7 thanh CANOT chung Trở hạn dòng :

Trong các mạch thì thường dùng nguồn 5V nên để tránh việc đót cháy led thìcách đơn giản nhất là mắc thêm trở hạn dòng

Thông số làm việc của LED :

Điện áp = 2V

Dòng = 20mA

Vậy nếu dùng nguồn 5V , thì áp rơi trên trở = 5 -2 = 3 V

R = U / I = 3/(20*10^-3) = 150 ôm

Led 7 thanh trong đồ án chúng em sử dụng là loại Anot chung và là loại

có nhiều hơn 1 số trong 1 linh kiện Với loại này cần sử dụng thuật toán quétLed Với thuật toán này từng số sẽ hiển thị trong 1 thời ngắn lần lượt Với tínhchất lưu ảnh của mắt sẽ thấy giống như nhiều Led cùng sáng

Hình 2.5 Hai loại Led 7 thanh dùng trong đồ án