Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ
Đo lường điều khiển tốc độ động 201 Lời nói đầu Trong năm gần với phát triển mạnh mẽ khoa học – kĩ thuật.Đặc biệt ngành công nghiệp chế tạo linh kiện bán dẫn,các vi mạch tích hợp IC hướng phát triển Vi xử lý hình thành Vi Điều Khiển.Với ưu điểm to lớn tốc độ,độ xác cao,khả sử lý bìa toán,tính linh hoạt nên Vi Điều khiển ứng dụng hầu hết lĩnh vực sống Bằng cách áp dụng Vi Điều Khiển sản xuất xử lý,Vi Điều Khiển thực thể ưu điểm so với thiết bị thông thường khác Vì ứng dụng to lớn Vi điều khiển,do mà trường Đại Học,Cao Đẳng,TCCN… Về khoa học – công nghệ Môn vi xử lý trở thành môn học thiếu trương trình đào tạo.vi điều khiển 8051 cung cấp cho sinh viên khái nhiện cách thức hoạt động Vi xử lý qua sinh viên có tư ,kiến thức tảng,để giải toán ứng dụng thực tế sống,cũng sở để học tập nghiên cứu dòng Vi xử lý khác :PIC,AVR… Qua đồ án chúng em có nhìn thực tế hơn,sâu sắc vi điều khiển.chúng em hiểu thêm nhiều cách thức xử lý toán thực tế phức tạp Với hường đẫn tận tình thầy:Đào Đức Thịnh chúng em hi vọng chúng em hoàn thành tốt đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy! GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động 201 Contents Lời nói đầu CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.khảo sát hệ thống 1.2.Nhiệm vụ yêu cầu kĩ thuật CHƯƠNG 2:SƠ ĐỒ KHỐI 2.1.Sơ đồ khối mạch 2.2.nhiệm vụ - chức khối CHƯƠNG 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN 3.1 Vi Điều Khiển 8051 3.2.động chiều DC 3.3 LCD 3.4.L298 3.5 encoder CHƯƠNG 4:THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ TÍNH TOÁN THAM SỐ 4.1.mạch nguồn nuôi 4.2.mạch nguyên lý hệ thống 4.3 tính toán tham số 10 CHƯƠNG 5:THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 14 5.1lưu đồ thuật toán 14 5.2.code chương trình 15 GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động 201 CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.khảo sát hệ thống Hiện nhiều lĩnh vực đời sống sản xuất loại động điện ngày ứng dụng rộng rãi so với loại động sử dụng lượng xăng, dầu, khí đốt… Những loại động điện có ưu điểm hẳn hiệu suất sử dụng, cấu tạo nhỏ gọn, giá thành hợp lý, dễ dàng điều chỉnh tốc độ, đảo chiều, cưỡng trình khởi động, trình hãm dừng dễ dàng.Trong thực tế có nhiều loại động điện sử dụng bao gồm: + Động điện điện pha chia làm loại là: Động điện pha dây quấn pha roto lồng sóc, động điện pha + Động điện chiều bao gồm loại như: kích từ song song loại kích từ nối tiếp 1.2.Nhiệm vụ yêu cầu kĩ thuật - Thiết kế mạch điện điều khiển động DC 12 v.với yêu cầu quoay thuận ,quoay nghịch, tăng tốc,giảm tốc,và đảo chiều quoay động - Thực hiển thao tác điều chỉnh chức thông qua nút ấn bao gồm :nút khởi động động cơ,nút điều khiển quay thuận, nút điều khiển quay ngược, nút tăng tốc, nút giảm tốc, nút dừng động cơ, thông qua nút ấn cho phép ta điều chỉnh động làm việc tốc độ mong muốn - Hệ thống cho phép thị tốc độ làm việc sử dụng LCD LED thanh, đồng thời có led đơn thông báo trạng thái quay thuận, quay ngược, dừng giá trị tốc độ động hiển thị chi tiết LED đoạn - Thông qua đề tài, làm quen với cách thức, nguyên lý điều khiển đối tượng động chiều - Tìm hiểu thực tế linh kiện, loại IC, hoạt động loại cảm biến… - Viết chương trình cho vi điều khiển thực thành công theo yêu cầu đề - Tìm hiểu hướng phát triển đề tài, nâng cao chất lượng hệ thống - chi phí cho hệ thống không cao,phù hợp với yêu cầu kinh tế Mạch sử dụng linh kiện sau: GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường điều khiển tốc độ động - Vi điều khiển :AT89c52 Bộ cảm biến quang học:encoder (đã gắn trực tiếp động DC) Động điện chiều: 12v Nút nhấn LM7805 Mạch cầu H: L298 Ngoài phần tử điện khác như:tụ hóa,tụ phân cực,điện trở… CHƯƠNG 2:SƠ ĐỒ KHỐI 2.1.Sơ đồ khối mạch NGUỒN 12 V Phím ấn HIỂN THỊ LED seg VI XỬ LÝ 8051 ỔN ÁP NGUỒN 5V ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ L293 DC-12V Xung điện ENCODER Sơ đồ khối mạch 2.2.nhiệm vụ - chức khối Động cơ:động điện sử dụng mạch động điện chiều có điện áp đặt vào tối đa 24V.Trên trục động có gắn đĩa tròn có khoét lỗ tròn ánh sáng từ led phát quang qua tới mắt thu quang để đo tốc độ động cơ.ở dùng động DC 12V GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động 201 Encoder :dùng để đo số vòng quay động phát chiều quoay động cơ.encoder đo tốc độ động thông qua liên lạc, liên lạc led phát quang phận thu quang chuyển thành xung điện áp vuông gửi tới chân ngắt Vi Xử Lý Vi Xử Lý:nhận tín hiệu từ encoder thông qua chế ngắt từ vào số xung tính toán xử lý để: - Đưa tốc độ động hiển thị lên led - Điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển tốc độ động cho phù hợp với yêu cầu Khối vi xử lý trái tim khối óc hệ thống phần quan trọng điều khiển hoạt động mạch Khối điều khiển:điều khiển hướng động điện chiều.trong toán chúng em xử dụng mạch cầu H để điều khiển hướng động Khối hiển thị:nhận số liệu tốc độ động từ vi xử lý hiển thị lên led theo điều khiển Vi điều khiển Khối nguồn ổn áp 5V:có chức cung cấp điện áp ổn định cho khối mạch.Cụ thể mạch ta sử dụng hai nguồn riêng biệt: - Nguồn 5V DC dùng để nuôi IC mạch hoạt động tạo tín hiệu xuất chuẩn TTL,tránh trường hợp nhiễu điện áp không với điện áp cấp cho IC => tránh IC không hoạt động,hỏng hóc,chập cháy - Nguồn 12V DC dùng để cung cấp cho động chiều DC (trong đồ án sử dụng động chiều DC 12V.) CHƯƠNG 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN 3.1 Vi Điều Khiển 8051 IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MSC51 có đặc điểm sau : - kbyte ROM (được lập trình nhà sản xuất có 8051 ) - 128 byte RAM GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động - port I/0 bit - Hai định thời 16 bit - Giao tiếp nối tiếp - 64 KB không gian nhớ chương trình mở rộng - 64 KB không gian nhớ liệu mở rộng - 210 bit địa hóa - Bộ phân/chia 4µs U1 39 38 37 36 35 34 33 32 19 18 31 P0 0/AD0 P0 1/AD1 P0 2/AD2 P0 3/AD3 P0 4/AD4 P0 5/AD5 P0 6/AD6 P0 7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/ A10 P2.3/ A11 P2.4/ A12 P2.5/ A13 P2.6/ A14 P2.7/ A15 P1 0/T2 P3 0/R XD P1 1/T2-EX P3 1/TXD P1 P3.2/INT0 P1 P3.3/INT1 P1 P3.4/ T0 P1 P3.5/ T1 P1 P3.6/ WR P1 P3.7/ RD XTAL1 XTAL2 ALE/ PROG PSEN 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 30 29 EA/VPP RST AT89C 52 cấu trúc vi điều khiển GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường điều khiển tốc độ động 201 3.2.động chiều DC Hình ảnh thực tế động DC encoder Hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ: Khi có dòng điện chạy mạch phần ứng, dẫn phần ứng chịu tác động lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Động gắn sẵn encoder bên rồi.như hình vẽ 3.3 LCD LCD 16x2 Mô tả chân LCD -LCD giới thiệu có 16 chân -VCC VSS chân nguồn +5V chân đất, VEE dùng để điều khiển độ tương phản của LCD -RS (Register Select)- Chọn ghi nà Nếu RS=0 chon ghi mã lệnh Nếu RS=1 chọn ghi liệu - R/W (Read/Write) – Chân đọc/ghi R/W=0 phép đọc thông tin từ LCD, RW=1 phép ghi thông tin lên LCD GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động 201 3.4.L298 IC L298 mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15) POWERSO20 (linh kiện dán công suất) IC L298 mạch cầu đôi (dual full- bridge ) có khả hoạt động điện áp cao,dòng cao - Điện áp cấp lên tới 46V Tổng dòng chiều chịu tới 4A Điện áp bão hòa Chức bảo vệ nhiệt Logic từ 1.5V trở xuống 3.5 encoder a.phân loại Gồm : encoder kiểu cảm ứng encoder tương đối(encoder đếm xung) b.cấu tọa encoder dùng đồ án -led hồng ngoại -transistor quang -đĩa mã hóa => nhờ nhận hay không nhận tín hiệu từ led hồng ngoại tới transistor mà ta tính tốc độ theo công thức: n = 60f/p n=60f/N GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động 201 CHƯƠNG 4:THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ TÍNH TOÁN THAM SỐ 4.1.mạch nguồn nuôi Mạch nguồn 5v cho VĐK 4.2.mạch nguyên lý hệ thống Sơ đồ khối điều khiển GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động 201 Khối mạch lực 4.3 tính toán tham số a tính toán giá trị nạp vào cho timer0 timer1 Phân tích lựa chọn phương án đo tốc độ encoder: phương án 1:Tính số cạnh suống khoảng thời gian Ts (sampling time) để suy vận tốc trung bình động (Pulse/Ts) phương án 2:Tìm thời gian suất hai cạnh xuống liên tiếp encoder từ suy vận tốc trung bình động 10 GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường điều khiển tốc độ động b.Phân tích lựa chọn phương án: Phương án 1: - Sử dụng phương án ta cần timer để định thời gian lấy mẫu counter để dếm số xung - Nếu sử dụng phương án bị giới hạn mặt đáp ứng encoder gây (số xung lớn,tràn counter/hoặc encoder có độ phân giải thấp thời gian lấy mẫu Ts phải lớn để giảm thiểu sai số đo đạc) Phương án 2: Nếu dùng phương án - ta cần counter để định thời gian chân (có thể counter/ngắt ngoài/1 chân in/out bình thường) - thời gian thực thi chiếm hầu hết thời gian hoạt động MCU nên dùng thiết bị (device) riêng biệt làm nhiệm vụ - Trong thuật giải MCU MASTER ,dùng giao tiếp song song để giảm thiểu thời gian lấy mẫu,tất nhiên cần giao thức bắt tay để đảm bảo nhận liệu,chiều quoay động ENCODER READER CARD nhận gửi lên c.lựa chon phương án Trong đề tài chúng em chon phương án : - Đơn giản Tốn thiết bị phương án Giải thuật đơn giản d.tính toán với phương án chọn Để đo tốc độ động người ta làm sau: Timer Ts TF=1 Counter encoder Hình 1.sơ đồ đọc tốc đọ từ encoder - 11 Sử dụng Timer chế độ dùng làm counter đếm số xung cạnh encoder GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động - 201 Sử dụng timer để định thời gian ngắt (Ts) thời gian lập trình để thay đổi tùy vào mục đích ,ý đồ người sử dụng.nhưng nên chon Ts cho việc tính toán tốc độ động đơn giản nhất: Ta có: Giả sử Ts (được xác định định thời timer0) timer1ở chế độ count1 đếm count xung minh họa hình vẽ dưới: count Ts Ts (s) nên tần số xung f=1/T count 60 f 60.count Suy ra: có tốc độ động là: n (vong/giay) N N Ts Thì ta có chu kì xung : T Để cho việc tính toán tốc độ động dễ dàng nên chọn : 60 tốc độ động đơn giản : N Ts n=count (vong/giay) Vậy việc hiển thị số count lên thiết bị hiển thị (trong đồ án thiết bị hiển thị led 7seg) Trong chúng em dùng encoder N = 100xung/vong.nên từ biểu thức ta có: 60 →Ts=0.6 (s) 100.Ts Tần số thạch anh 8051 12MHz => nhịp xung đồng hồ có : T0 =12/f=1us Suy số nhịp cần cho VĐK (có tần số thạch anh f=12MHz) thời gian 0.6(s) 0.6 600000 =12.50000 >65536 ta nạp cho ghi TH0 TL0 vi là: 106 điều khiển giá trị:65536-50000=15536D=3C0B H TH0=0x3C TL0=0xB0 tính toán giá trị nạp ghi cho timer2 để thực PWM 12 GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động 201 Tạo xung có tần số f=1kHz →T=1/1000=0.001s=1000us=1000 chu kì máy.chúng ta tạo PWM với 10 cấp điều chỉnh tức phải tạo xung 10%,20%,30% 100%.một xung sau: T1 5V 0v T Trong :T1 khoảng thời gian xung mức cao 5V T chu kì xung Xung ∝% tức T1/T=∝%=∝/100 Xung PWM đưa điều khiển L298 thông qua độ rộng xung.khi xung động không quoay,khi 100% xung động quoay max.tuy xung phải lớn mức đủ để khởi động động - Để thay đổi 10 cấp với chu kì T=1000us ta phải khởi tạo cho ngắt timer2:100us ngắt lần - Sử dụng timer2 với chế độ tự nạp 16bit ta phải nạp cho RCAP2H;RCAP2L số :65536-100=65436=FF9C H RCAP2H=0xFF RCAP2L=0x9C - 13 GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường điều khiển tốc độ động CHƯƠNG 5:THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 5.1lưu đồ thuật toán start Khởi tạo: -timer 0:chế độ 16bit (50.000us) -timer2 :chế độ 16bit - timer 1:chế độ count1 16 bit Kiểm ta mút ấn Đ S TR2=1 14 Đ PWM GVHD:Đào Đức Thịnh S Đ Tin hieu ĐK Động Cơ STOP GT TT QN QT Đ S Động S Đ S 201 Đo lường điều khiển tốc độ động Xung encoder Count Ngắt timer0 Dem ++ Dem ==12 Hien thi 5.2.code chương trình #include #include #include int i,dem,soxung1,soxung2; /*===========khai bao bien toan cuc============*/ sfr LCDdata = 0x80; // cong P2, bit du lieu sbit BF = 0x87; // co ban, bit DB7 sbit RS = P1^5; // chon ghi 15 GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động sbit RW = P1^6; // doc/ghi sbit EN = P1^7; //cho phep chot du lieu /*===========cac chuong trinh cua LCD==========*/ /* kiem tra su san sang cua LCD */ void wait(void) { RS=0; //chon ghi lenh RW=1; //?oc tu LCD LCDdata=0xff; //gia tri 0xff while(BF) //kiem tra co ban { EN=0; //dua xung cao xuong thap ?e chot EN=1; //dua chan cho phep len cao } } /* thiet lap lenh cho LCD */ void LCDcontrol(unsigned char x) { RS=0;//chon ghi lenh RW=0;//ghi len LCD LCDdata=x ;// gia tri x EN=1;//cho phep muc cao EN=0;//xung cao xuong thap 16 GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường điều khiển tốc độ động wait();//?oi LCD san sang } /* Khoi tao LCD -*/ void LCDinit(void) { LCDcontrol(0x38);//2 dong va ma tran 5x7 LCDcontrol(0x0e);//bat man hinh, bat tro //LCDcontrol(0x01);//xoa man hinh } /* -thiet lap du lieu cho LCD -*/ void LCDwrite(unsigned char c) { RS=1;//ghi du lieu RW=0;//ghi du lieu len LCD LCDdata=c;//gia tri C EN=1;//cho phep muc cao EN=0;//xung cao xuong thap wait();//cho } void LCDwrites(unsigned char *s) { unsigned char data lens,count; lens=strlen(s); 17 GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường điều khiển tốc độ động for(count=0;count[...]... RCAP2H=0xFF và RCAP2L=0x9C - 13 GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ CHƯƠNG 5:THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 5.1lưu đồ thuật toán start Khởi tạo: -timer 0:chế độ 16bit (50.000us) -timer2 :chế độ 16bit - timer 1:chế độ count1 16 bit 3 2 Kiểm ta mút ấn Đ S TR2=1 14 Đ PWM GVHD:Đào Đức Thịnh S Đ Tin hieu ĐK Động Cơ STOP GT TT QN QT Đ S Động cơ 1 S Đ S 201 Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ 1... >65536 do đó ta nạp cho các thanh ghi TH0 và TL0 của vi là: 106 điều khiển giá trị:65536-50000=15536D=3C0B H TH0=0x3C và TL0=0xB0 tính toán giá trị nạp các thanh ghi của cho timer2 để thực hiện PWM 12 GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ 201 Tạo một xung có tần số f=1kHz →T=1/1000=0.001s=1000us=1000 chu kì máy.chúng ta tạo PWM với 10 cấp điều chỉnh tức là phải tạo được xung 10%,20%,30%... ∝% tức là T1/T=∝%=∝/100 Xung PWM sẽ được đưa ra điều khiển L298 thông qua độ rộng xung.khi không có xung động cơ không quoay,khi 100% xung thì động cơ quoay max.tuy xung phải lớn hơn một mức nào đó mới đủ để khởi động động cơ - Để có thể thay đổi 10 cấp với chu kì T=1000us thì ta phải khởi tạo cho ngắt timer2:100us ngắt 1 lần - Sử dụng timer2 với chế độ tự nạp 16bit thì ta phải nạp cho RCAP2H;RCAP2L... count xung được minh họa như hình vẽ dưới: count Ts Ts (s) nên tần số xung là f=1/T count 60 f 60.count Suy ra: có tốc độ động cơ là: n (vong/giay) N N Ts Thì ta có chu kì của xung là : T Để cho việc tính toán tốc độ động cơ được dễ dàng chúng ta nên chọn : 60 1 khi đó tốc độ động cơ chỉ đơn giản là : N Ts n=count (vong/giay) Vậy là bây giờ chúng ta chỉ việc hiển thị con số count lên thiết bị... encoder GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ - 201 Sử dụng timer 0 để định thời gian ngắt (Ts) thời gian này được lập trình để có thể thay đổi tùy vào mục đích ,ý đồ của người sử dụng.nhưng chúng ta nên chon Ts sao cho việc tính toán tốc độ động cơ là đơn giản nhất: Ta có: Giả sử trong Ts (được xác định bởi bộ định thời timer0) thì timer1ở chế độ count1 đếm được count xung được minh...201 Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ b.Phân tích lựa chọn phương án: Phương án 1: - Sử dụng phương án này ta cần một timer để định thời gian lấy mẫu và một counter để dếm số xung - Nếu sử dụng phương án 1 sẽ bị giới hạn về mặt đáp ứng do encoder gây ra (số xung quá lớn,tràn counter/hoặc encoder có độ phân giải thấp thì thời gian lấy mẫu Ts phải lớn để giảm thiểu sai số đo đạc) Phương... nhận và gửi lên c.lựa chon phương án Trong đề tài này chúng em chon phương án 1 vì : - Đơn giản Tốn ít thiết bị hơn phương án 2 Giải thuật đơn giản d.tính toán với phương án đã chọn Để đo tốc độ động cơ người ta sẽ làm như sau: Timer 0 Ts TF=1 Counter 1 encoder Hình 1.sơ đồ đọc tốc đọ từ encoder - 11 Sử dụng Timer 1 ở chế độ 1 dùng làm counter đếm số xung cạnh của encoder GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường và. .. /*===========khai bao bien toan cuc============*/ sfr LCDdata = 0x80; // cong P2, 8 bit du lieu sbit BF = 0x87; // co ban, bit DB7 sbit RS = P1^5; // chon thanh ghi 15 GVHD:Đào Đức Thịnh 3 Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ sbit RW = P1^6; // doc/ghi sbit EN = P1^7; //cho phep chot du lieu /*===========cac chuong trinh con cua LCD==========*/ /* kiem tra su san sang cua LCD */ void wait(void)... */ void LCDcontrol(unsigned char x) { RS=0;//chon thanh ghi lenh RW=0;//ghi len LCD LCDdata=x ;// gia tri x EN=1;//cho phep muc cao EN=0;//xung cao xuong thap 16 GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ wait();//?oi LCD san sang } /* Khoi tao LCD -*/ void LCDinit(void) { LCDcontrol(0x38);//2 dong va ma tran 5x7 LCDcontrol(0x0e);//bat man hinh, bat con tro... LCDdata=c;//gia tri C EN=1;//cho phep muc cao EN=0;//xung cao xuong thap wait();//cho } void LCDwrites(unsigned char *s) { unsigned char data lens,count; lens=strlen(s); 17 GVHD:Đào Đức Thịnh 201 Đo lường và điều khiển tốc độ động cơ for(count=0;count ... quang để đo tốc độ động cơ. ở dùng động DC 12V GVHD:Đào Đức Thịnh Đo lường điều khiển tốc độ động 201 Encoder :dùng để đo số vòng quay động phát chiều quoay động cơ. encoder đo tốc độ động thông... 5V ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG CƠ L293 DC-12V Xung điện ENCODER Sơ đồ khối mạch 2.2.nhiệm vụ - chức khối Động cơ :động điện sử dụng mạch động điện chiều có điện áp đặt vào tối đa 24V.Trên trục động. .. quan trọng điều khiển hoạt động mạch Khối điều khiển :điều khiển hướng động điện chiều.trong toán chúng em xử dụng mạch cầu H để điều khiển hướng động Khối hiển thị:nhận số liệu tốc độ động từ