Thiết Kế Chế Tạo Bộ Điều Khiển Động Cơ Điện Một Chiều Hiển Thị LCD

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.Khái quát đề tài 1.2.Cơ sở lí thuyết .4 1.2.1.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động 1.2.2.Giới thiệu động điên chiều 1.3.Kết luận phương pháp chọn để điều chỉnh tốc độ động 1.3.1.Giới thiệu phương pháp PWM 1.3.2.Nguyên lý hoạt động PWM 1.3.3.Cách tạo PWM điều khiển 10 1.3.4.Chọn phương pháp điều khiển tốc độ động .12 1.4.IRF540N 13 1.5.PC817 14 1.6 IC7812 ,IC7805 14 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CHÍP AT89s52 16 2.1.Giới thiệu IC 89s52: .16 2.2 Cấu trúc ram nội 89s52 19 2.2.1.Vùng bank ghi: .22 2.2.2.Vùng RAM định vị bit .23 2.3 Bộ nhớ .27 2.3.1 Truy xuất nhớ mã .27 2.3.2 Truy xuất nhớ liệu 28 2.3.3 Các lệnh điều khiển 30 2.4 Giới thiệu LCD 30 2.4.1 Hoạt động LCD 30 2.4.2 Mô tả chân LCD 30 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO SẢN PHẨM 33 3.1.Sơ đồ cấu trúc chung 33 3.2 Tính tốn lưa chọn linh kiện cho mạch 37 3.4 Mạch in 42 3.5.Mạch thực tế 43 3.6 Code lập trình cho Vi điều khiển 44 GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC KẾT LUẬN 48 LỜI NĨI ĐẦU Ngày cơng nghệ khoa học kỹ thuật khơng ngừng phát triển Trong nghành kỹ thuật điện tử đạt nhiều thành tựu to lớn sống GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC người Cùng với phát triển ngành cơng nghệ kỹ thuật điện - điện tử có bước phát triển vượt bậc Trong thời đại máy móc dần thay người làm việc để làm việc động điện quan trọng việc truyền động cho cấu Gắn liền với việc sử dụng động trình điều khiển động cho phù hợp với yêu cầu thực tế Với mong muốn tìm hiểu, ứng dụng tiến khoa học kỹ thuật đại vào phục vụ sản xuất phục vụ đời sống người hướng dẫn giúp đỡ thầy Nguyễn Phúc Đáo, chúng em đã thực đề tài: “ Thiết kế chế tạo điều động điện chiều ” Do trình độ hiểu biết cịn hạn chế, nên dù cố gắng việc thực đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Mong thầy(cơ) bảo thêm để em hiểu vấn đề sâu sắc Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.Khái quát đề tài GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trong ngành công nghiệp, công tác điều khiển vận hành thiết bị theo quy trình nhằm nâng cao hiệu sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất giữ vị trí quan trọng Với ưu điểm điều khiển tốc độ động dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động chiều sử dụng phổ biến như: truyền động cho số máy máy nghiền, máy nâng, vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển robot… Trong trình làm việc, tốc độ động thường bị thay đổi biến thiên tải, nguồn gây sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm suất máy sản xuất Như ta biết hầu hết máy sản xuất địi hỏi có nhiều tốc độ, tuỳ theo công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn tốc độ khác Muốn có tốc độ khác máy, ta thay đổi cấu trúc học máy tỉ số truyền thay đổi tốc độ động truyền động chính… Nhưng khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ động truyền động Ở động chiều, việc điều chỉnh tốc độ động có nhiều ưu việt so với loại động khác Động điện chiều khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển lại đơn giản loại động khác đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh rộng Chính việc điều khiển tốc độ động yêu cầu cần thiết tất yếu máy sản xuất ngành công nghiệp 1.2.Cơ sở lí thuyết 1.2.1.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động Để điều khiển động chiều,hay nói cách khác điều chỉnh tốc độ động điện chiều có nhiều cách khác như: + Mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng + Thay đổi từ thơng kích từ GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC + Thay đổi điện áp phần ứng Phương pháp điều chỉnh tốc độ cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng R cho phép điều chỉnh tốc độ quay vùng tốc độ quay định mức kèm theo tổn hao lượng điện trở phụ, làm giảm hiệu suất động điện Vì phương pháp dùng dùng cần trục Phương pháp điều chỉnh tốc độ cách mắc thay đổi từ thông ( Φ ) đựơc sử dụng hệ truyền động có cơng suất lớn có u cầu tốc độ làm việc lớn tốc độ Vì phương pháp thực mạch kích từ động ( phần kích từ có cơng suất nhỏ so với công súât động cơ) nên dễ dàng thay đổi tốc độ đạt hiệu kinh tế Tuy nhiên, ta điều chỉnh theo hướng giảm từ thông, tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức giới hạn điều chỉnh bị hạn chế điều kiện khí đổi chiều máy Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cách thay đổi điện áp phần ứng không gây thêm tổn hao động điện địi hỏi phải có nguồn riêng, có điện áp điều chỉnh Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ quay tốc độ định mức nâng cao điện áp điện áp định mức động điện Và để thực việc điều chỉnh tốc độ theo phương pháp điều chỉnh tốc độ cần có biến đổi Các biến đổi cấp điện áp cho mạch phần ứng động mạch kích từ động Các biến đổi sử dụng phổ biến công nghiệp là: + Bộ biến đổi máy điện : gồm có động sơ cấp kéo máy phát chiều máy điện khuếch đại + Bộ biến đổi từ : Khuếch đại từ GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC + Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Thysistor + Bộ biến đổi xung áp chiều : Thysistor Tranzitor Tương ứng với việc sử dụng biến đổi mà ta có hệ truyền động sau : + Hệ truyền động máy phát - động ( F - Đ) + Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động (MĐKĐ – Đ) + Hệ truyền động khuếch đại từ - động ( KĐT- Đ) + Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động ( T- Đ) + Hệ truyền động xung áp - động ( XA – Đ)… Ở chúng êm sử dụng phương pháp điều xung (tức thay đổi độ rộng xung), sử dụng vi điều khiển AT89s525, độ rộng xung lớn động quay nhanh: Phương pháp PWM 1.2.2.Giới thiệu động điên chiều Hình 1: Động điện chiều a Nguyên lý chung Động điện chiều hoạt động dựa nguyên lý tượng cảm ứng điện từ GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC b Cấu tạo chung Động điện chiều bao gồm hai phần là: - Phần tĩnh: Stato Đây phần đứng yên máy Phần tĩnh bao gồm phận sau: cực từ chính, cực từ phụ, gông từ phận khác - Phần quay: Roto Roto động điện chiều bao gồm phận sau: lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp phận khác c Ứng dụng Động điện chiều có nhiều ứng dụng dân dụng công nghiệp: Trong dân dụng: động điện chiều thường dùng động hoạt động với điện áp thấp Trong công nghiệp: động điện chiều sử dụng nơi có yêu cầu Moment mở máy lớn phải thay đổi tốc độ phạm vi rộng Động điện chiều có phần quan trọng : Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ làm đổi chiều dòng điện cuộn Roto chuyển động quay Roto liên tục, thơng thường phận phận gồm có chổi than cổ góp Đây nhược điểm động điện chiều cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, tin cậy nguy hiểm môi trường dễ nổ sử dụng cần phải có nguồn chiều chỉnh lưu Một phương pháp điều khiển động điện chiều sử dụng mạch điều chế độ rộng xung (PWM) Ở chúng em lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động dùng phương pháp PWM GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1.3.Kết luận phương pháp chọn để điều chỉnh tốc độ động 1.3.1.Giới thiệu phương pháp PWM Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh Pulse Width Modulation phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm động hay cao cịn dùng để điều khiển ổn định tốc độ động Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải PWM cịn tham gia điều chế mạch nguồn : boot, buck, nghịch lưu pha pha PWM gặp nhiều thực tế mạch điện điều khiển Điều đặc biệt PWM chuyên dùng để điều khiển phần tử điện tử cơng suất có đường đặc tính tuyến tính có sẵn nguồn chiều cố định Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương sườn âm Hình 2: Đồ thị dạng xung điểu chế PWM 1.3.2.Nguyên lý hoạt động PWM GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đây phương pháp thực theo nguyên tắc đóng cắt nguồn tải cách cho chu kỳ theo điều chỉnh thời gian đóng cắt phần tử thực nhiệm vụ mạch van bán dẫn Xét hoạt động cắt van bán dẫn Dùng van đóng cắt Mosfet Giản đồ xung: Hình 3: Sơ đồ dạng xung van điều khiển đầu Nguyên lý: khoảng thời gian -> to van G mở toàn điện áp nguồn Ud đưa tải Trong khoảng từ to -> cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Cơng thức tính giá trị trung bình điện áp tải: Ud = UMax (T1/T) (V)  Ud = Umax T1 : Thời gian sườn dương ( khóa mở ) T : Thời gian xung sường âm, sườn dương Umax: điện áp nguồn cung cấp cho tải D = T1/T hệ số điều chỉnh tính % tức PWM từ đồ thị điều chế xung ta có: Điện áp trung bình tải là: Ud = 12 x 20 % = 24V (D = 20%) Ud = 12 x 40 % = 4,8V (D = 40 %) GVHD: Nguyễn Phúc Đáo TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Ud = 12 x 90% = 10,8V (D = 90%) 1.3.3.Cách tạo PWM điều khiển Để tạo PWM có hai cách thơng dụng : Bằng phần cứng phần mềm Trong phần cứng tạo phương pháp so sánh từ trực tiếp từ IC dao động tạo xung vuông : 555, LM556 Trong phần mềm tạo chip lập trình Tạo phần mềm độ xác cao tạo phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM a.Tạo phương pháp so sánh Để tạo phương pháp so sánh cần điều kiện sau : + Tín hiệu cưa : Xác định tần số PWM + Tín hiệu tựa điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC) GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 10 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC b Khối điều khiển -Chân P1.0 ; P1.1 ; p1.4 ; p1.7 kết nối với phím bấm điều khiển chế độ hoạt động -Chân p3.7 xuất tín hiệu xung PWM đưa đến khối công suất để điều khiển tốc độ động -Chân P3.1 xuất tín hiệu tương ứng với chế độ chiều quay thuận ngược động -Chân 18 19 kết nối với thạch anh 12MH tạo dao động -Khối ổn áp nguồn 5V cấp nguồn cho vi xử lý AT89C51 hoạt động -Chân p3.2 kết nối với 74AC14N để sửa xung cho encoder GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 35 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC c Khối hiển thị - Chức năng: Khối LCD có nhiệm vụ hiển thị tốc độ động Trong mạch Port0 truyền trực tiếp liệu cho LCD Các chân điều khiển RS, RE, EN ghép nối với chân P2.5, P2.6, P2.7 vi điều khiển Các chân số 2, cung cấp nguồn hoạt động cho LCD, chân số chân điều chỉnh độ tương phản nối thẳng xuống mát Chân 15, 16 có nhiệm vụ cung cấp điện áp cho đèn led LCD hạn dòng điện trở 1K Điện trở tinh chỉnh có chức thay đổi độ tương phản LCD GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 36 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MƠN HỌC d Khối cơng suất Chức năng: Tín hiệu PWM từ khối điều khiển Đến khối cơng suất phải qua Opto PC817 dùng để cách ly bo điều khiển Motor DC Sơ lược hoạt động mạch sau: nhận tín hiệu điện kích vào chân Opto PC817 > chân -4 Opto thơng mạch >FET IRF540 dẫn dịng làm cho motor quay .Role có tác dụng đảo chiều động 3.2 Tính tốn lưa chọn linh kiện cho mạch Các thông số đông cơ:NF5475E Uđm = 24 VDC Pđm = 38,9W nđm=2000vịng/phút a Tính tốn chọn van P = U.I  I tt = 38,9: 24= 1,62 A GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 37 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Để động làm việc chế độ an tồn khơng gặp sư cố Thì : I van ≥ 1.4 I tt  I van =1.4 I tt = 1,4.1,62 = 2,268 A Cần chọn van có dòng cực đại I van ≥ 2,268 A Em chọn IRF 540 với dòng cực đại I max = 22A Thông số ki thuật : Imax = 30A U = – 24v t = -55o C – 175oC fmax = 1Mhz b.Tính tốn chọn rơ le Chọn rơ le đóng ngắt thỏa mãn điều kiện + I ≥ 1,62 A + U ≥ 12 V Vậy em chọn rơ le HK 19F- 12VDC Thông số kĩ thuật : Uđm = 125 VAC Uđm = 30 VDC Iđm = A Pmax= 60 w c.Cách li Opto PC817 giúp cách ly mạch công suất mạch điều khiển Vì đơi động chạy q dịng dịng trả lớn chết số linh kiện mạch cơng suất , khơng có cách ly dịng lớn theo vi mạch làm vi điều khiển toàn linh kiện khác mạch bị ảnh hưởng d.Tính toan phân áp cho IRF540 Ug= VCC.R2(R1 + R2 )=10V 12.R2(220 +R2)=10 GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 38 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ chọn R1=220 => R2=10000 Sơ đồ nguyên lí tồn mạch GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 39 ĐỒ ÁN MƠN HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Nguyên lí hoạt động: GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 40 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC - Khi chưa nhân nút, chân 14 (P3.4) chân17(P3.7) AT 89S52 mức 0, rơle không hoạt động, điện áp đầu động U vào 0v => động không hoạt động - Khi nhấn nút tăng tốc độ, tín hiệu chân 14 17 giữ ngun mức lơgíc Mặt khác, tạo xung PWM (tăng độ rộng xung so với mức trước) chân 17 qua opto (cách ly quang => chống nhiễu cho vi điều khiển) => qua MOSFET IRF540 khuếch đại tín hiệu đưa vào đầu cịn lại động => động quay theo chiều trước tốc độ nhanh - Khi nhấn nút giảm tốc độ, tín hiệu chân 14 17 giữ ngun mức lơgíc Mặt khác, tạo xung PWM (giảm độ rộng xung) chân 17 qua opto (cách ly quang => chống nhiễu cho vi điều khiển) => qua MOSFET IRF540 khuếch đại tín hiệu đưa vào đầu lại động => động quay theo chiều trước tốc độ chậm - Khi nhấn nút quay thuận, tín hiệu đưa đến vi điều khiển, vi điều khiển nhận xử lí tín hiệu => sau đưa tín hiệu qua chân 14 (P3.4) chân 17(P3.7) Chân 14 tích mức 1, chân 17 tích mức tiếp điểm rơle đa tiếp điểm hoat động ,tiếp điểm không hoạt động => Điện áp đặt vào đầu động khác (12V – ~0V), đồng thời vi điều khiển tạo xung PWM chân 17 qua opto (cách ly quang => chống nhiễu cho vi điều khiển) => qua MOSFET IRF540 khuếch đại tín hiệu đưa vào đầu lại động => động quay thuận - Khi nhấn nút quay ngược, tín hiệu đưa đến vi điều khiển, vi điều khiển nhận xử lí tín hiệu => sau đưa tín hiệu qua chân 14 (P3.4) chân 17(P3.7) Chân 14 tích mức 0, chân17 tích mức , tiếp điểm rơle đa tiếp điểm không hoat động ,tiếp điểm hoạt động => Điện áp đặt vào đầu động khác (~0V – 12`V), đồng thời vi điều khiển tạo xung PWM chân 17 qua opto (cách ly quang => chống nhiễu cho vi điều khiển) => qua MOSFET IRF540 khuếch đại tín hiệu đưa vào đầu cịn lại động => động quay ngược GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 41 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC - Khi nhấn nút RESET vi điều khiển, vi điều khiển trở trạng thái ban đầu => động ngừng hoạt động 3.4 Mạch in GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 42 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 3.5.Mạch thực tế GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MƠN HỌC 3.6 Code lập trình cho Vi điều khiển #include #include #include #include #include #define PWM P3_7 #define chieu P3_4 #define tang P1_4 #define giam P1_7 #define thuan P1_0 #define nguoc P1_1 #define start P1_2 int dem=0; unsigned int duty=0,value=0,count=0,ECD=0,time=0,tocdo=0,chuky=0; unsigned char lcd_buff[16]; void interrupt_timer0() interrupt { TH0=0xff;//cai dat thoi gian ngat cua time không TL0=0xbb;//cai dat thoi gian ngat cua time khong value++;//t?ng bien dem thoi gian tao xung pwm if(value Nguồn ni khoảng 3A - Tính thực tế, phương hướng phát triển: + Tính thực tế chưa cao + Nguồn tài nguyên 8051 hạn chế Với thiết kế điều khiển tốc độ động điện chiều.cho hiểu thêm môn học vi điều khiển nói chung kĩ thiết kế mạch tính dịng cho mạch, động Tuy đồ án chúng em hoàn thành song cịn nhiều thiếu sót hạn chế mặt thời gian,kiến thức kinh nghiệm.Chúng em mong nhận đóng góp thầy bạn để đồ án hoàn chỉnh Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn thầy cô khoa nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hồn thành tốt đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn! GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 48 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ GVHD: Nguyễn Phúc Đáo 49 ĐỒ ÁN MÔN HỌC ... + Nguồn tài nguyên 8051 hạn chế Với thiết kế điều khiển tốc độ động điện chiều. cho hiểu thêm mơn học vi điều khiển nói chung kĩ thiết kế mạch tính dịng cho mạch, động Tuy đồ án chúng em hồn... độ động truyền động Ở động chiều, việc điều chỉnh tốc độ động có nhiều ưu việt so với loại động khác Động điện chiều khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển. .. ưu điểm điều khiển tốc độ động dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động chiều sử dụng phổ biến như: truyền động cho số máy máy nghiền, máy nâng, vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển robot…