Đề tài THIẾT kế MẠCH điều KHIỂN ĐỘNG cơ điện một CHIỀU

-Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các lo

Sv: Trần Tuấn Vũ 1

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.1 Các linh kiện thụ động 5

1.1.1 Điện trở 5

1.1.2 Biến trở, triết áp : 6

1.1.3 tụ điện 8

1.1.4 Diode 10

1.2 Bộ Vi Điều Khiển 89C51 14

1.3 IC Opto (loại PC817C) 22

1.4.IC L7805T 22

1.5 MOSFET 23

1.6 Động cơ một chiều 27

1.7.Lý thuyết về điều chế độ rộng xung PWM 33

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 36

2.1 Sơ đồ khối 36

2.2 Sơ đồ khối nguồn 37

2.3 khối động lực 38

2.4.Khối điều khiển 39

2.5 Sơ đồ nguyên lý chung 40

2.6 Sơ đồ board mạch 41

2.7 Chươngtrình ………42

CHƯƠNG 3:KẾT LUẬN 43

1.Kết quả đạt được 43

2.Tài liệu tham khảo……… 43

Sv: Trần Tuấn Vũ 2

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay thế giới đã bước vào một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trong mọi lĩnh vực Con người biết ứng dụng khoa học kĩ thuật vào sản xuất để nâng cao năng suất chất lượng rút ngắn thời gian sản xuất

Trong những năm gần đây, công nghệ vi điện tử phát triển sự ra đời của các vi mạch với ưu điểm nhỏ gọn dung lượng lớn, cực lớn với giá thành hợp với khả năng của người sử dụng đã mang lại những thay đổi sâu sắc cho ngành kỹ thuật điện tử Mạch số đã và đang thâm nhập vào tất cả các thiết bị điện tử thông dụng

và chuyên dụng

Sự phát triển hối hả của nền đại công nghiệp nên sự cạnh tranh của các mặt hàng trên thị trường diễn ra càng mạnh Do đó chúng em đã chọn đề tài môn học là

“THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU “ nhằm

phục vụ cho thực tế của đời sống

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Dương Tấn Quốc chúng em đã thực hiện đề

tài của mình với hết khả năng của mình

Cùng với sự lỗ lực của bản thân nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn hẹp nên sẽ không tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong được sự giúp

đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô cùng các bạn nhằm đóng góp để phát triển thêm đề tài

- Vi Điều Khiển AT89C51, các linh kiện cần thiết liên quan

- Hệ thống có thể điều khiển được các động cơ có công suất <=60W, điện áp

<=24VDC

- Thao tác điều khiển bao gồm đảo chiều, tăng giảm tốc độ bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM)

- Hệ thống có các phím nhấn điều khiển việc đảo chiều, tăng giảm tốc độ

- Hệ thống có cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực để đảm bảo chống nhiễu cho bộ điều khiển

Nội dung cần hoàn thành:

- Bản báo cáo về tiến độ thực hiện các công việc theo từng tuần, từng tháng

- Thuyết minh đề tài (Phân tích yêu cầu, trình bày các giải pháp thực hiện, cơ

sở lý thuyết, quá trình thiết kế và thi công mạch, hướng phát triển và phạm

- Điều khiển động cơ DC

- Điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp PWM

- Mạch có hệ thống có cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực để đảm bảo chống nhiễu cho bộ điều khiển nên ta sử dụng IC opto để cách ly quang

- Điều khiển chính xác, tin cậy và ổn định

- Thiết kế đơn giản

Điện trở :Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn

điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn

-Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan

trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau

Hình1.1: Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý

- Đơn vị của điện trở

 Đơn vị điện trở là Ω (Ohm) , KΩ , MΩ

 1KΩ = 1000 Ω

 1MΩ = 1000 K Ω = 1000.000 Ω

Sv: Trần Tuấn Vũ 6

Các điện trở có kích thước nhỏ được ghi trị số bằng các vạch

-Phân loại điện trở

 Điện trở thường : Điện trở thường là các điện trở có công xuất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W

 Điện trở công suất : Là các điện trở có công xuất lớn hơn từ 1W, 2W, 5W, 10W

 Điện trở sứ, điện trở nhiệt : Là cách gọi khác của các điện trở công xuất , điện trở này có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng toả nhiệt

Sv: Trần Tuấn Vũ 7

Hình1.4: Hình dạng biến trở k ý hiệu trên sơ đồ

Biến trở thường ráp trong máy phục vụ cho quá trình sửa chữa, cân chỉnh của kỹ thuật viên, biến trở có cấu tạo như hình bên dưới

Hình1.5: Cấu tạo của biến trở

Triết áp : Triết áp cũng tương tự biến trở nhưng có thêm cần chỉnh và thường bố

trí phía trước mặt máy cho người sử dụng điều chỉnh Ví dụ như – Triết áp Volume, triết áp Bass, Tress v.v , triết áp nghĩa là triết ra một phần điện áp từ đầu vào tuỳ theo mức độ chỉnh

Hình 1.6: Hình dạng triết áp, c ấu tạo trong triết áp

Sv: Trần Tuấn Vũ 8

1.1.3 Tụ điện:

- Cấu tạo của tụ điện :

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi

Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá

Hình 1.7: Cấu tạo tụ gốm, cấu tạo tụ hoá

- Hình dáng thực tế của tụ điện

Hình1.8: Hình dạng của tụ gốm

Sv: Trần Tuấn Vũ 9

- Điện dung đơn vị và ký hiệu của tụ điện:

* Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện,

điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi

và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức

C = ξ S / d

 Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F)

 ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện

 d : là chiều dày của lớp cách điện

 S : là diện tích bản cực của tụ điện

* Đơn vị điện dung của tụ : Đơn vị là Fara (F), 1Fara là rất lớn do đó trong thực

tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (µF), NanoFara (nF), PicoFara (pF)

 1 Fara = 1.000.000 µ Fara = 1.000.000.000 n F = 1.000.000.000.000 p F

 1 µ Fara = 1.000 n Fara

 1 n Fara = 1.000 p Fara

* Ký hiệu : Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor)

Ký hiệu của tụ điện trên sơ đồ nguyên lý

– Phân loại tụ điện

Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ mica (Tụ không phân cực )

Các loại tụ này không phân biệt âm dương và thường có điện dung nhỏ từ 0,47 µF trở xuống, các tụ này thường được sử dụng trong các mạch điện có tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu

Hình 1.10: Tụ hoá – Là tụ có phân cực âm dương

Sv: Trần Tuấn Vũ 11

Tiếp giáp P – N và Cấu tạo của Diode bán dẫn

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P – N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm

: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Hình 1.11: Mối tiếp xúc P – N => Cấu tạo của Diode

- Ở hình trên là mối tiếp xúc P – N và cũng chính là cấu tạo của

Diode bán dẫn

Hình 1.12: Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn

- Ứng dụng của Diode bán dẫn :

Sv: Trần Tuấn Vũ 12

* Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động trong mạch chỉnh lưu Diode có thể được tích hợp thành Diode có dạng

Hình 1.13: Diode cầu trong mạch chỉnh lưu điệ n xoay chiều

Sv: Trần Tuấn Vũ 13

Hình 1.14: Hình dáng Diode Zener ( Dz ) không đổi

- Diode Thu quang ( Photo Diode )

Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P – N, dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode

- Diode Phát quang ( Light Emiting Diode : LED )

Diode phát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng

từ 5mA đến 20mA

Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện vv…

– Diode Varicap ( Diode biến dung )

Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung biến đổi khi ta thay đổi điện áp ngược đặt vào Diode

- Diode xung

Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp xung , ta phải dùn g Diode xung để chỉnh lưu diode xung là diode l àm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện thông thườn g không thể thay thế vào vị trí diode xung được, nhưng ngựơc lại diode xung có thể thay thế cho vị trí diode thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần.Về đặc điểm , hình dáng thì Diode xung không

có gì khác biệt với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng

Sv: Trần Tuấn Vũ 15

Các thanh nghi đặc biệt SFR

Sv: Trần Tuấn Vũ 16

Ngắt (Interrupt)

8051 chỉ có một số lượng khá ít các nguồn ngắt (interrupt source) hoặc có thể gọi

là các nguyên nhân ngắt Mỗi ngắt có một vector ngắt riêng, đó là một địa chỉ cố định nằm trong bộ nhớ chương trình, khi ngắt xảy ra, CPU sẽ tự động nhảy đến thực hiện lệnh nằm tại địa chỉ này

Với 8052, ngoài các ngắt trên còn có thêm ngắt của timer2 (do vi điều khiểnnày có thêm timer2 trong số các ngoại vi onchip)

Mỗi ngắt được dành cho một vector ngắt kéo dài 8byte Về mặt lý thuyết, nếu chương trình đủ ngắn, mã tạo ra chứa đủ trong 8 byte, người lập trình hoàn toàn có thể đặt phần chương trình xử lý ngắt ngay tại vector ngắt Tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp, chương trình xử lý ngắt có dung lượng mã tạo ra lớn hơn 8byte

Sv: Trần Tuấn Vũ 17

nên tại vector ngắt, ta chỉ đặt lệnh nhảy tới chương trình xử lý ngắt nằm ở vùng nhớ khác Nếu không làm vậy, mã chương trình xử lý ngắt này sẽ lấn sang, đè vào vector ngắt kế cận

Bảng tóm tắt các ngắt trong 8051 như sau:

Sv: Trần Tuấn Vũ 18

Để cho phép một ngắt, bit tương ứng với ngắt đó và bit EA phải được đặt bằng 1 Thanh ghi IE là thanh ghi đánh địa chỉ bit, do đó có thể dùng các lệnh tác động bit để tác động riêng rẽ lên từng bit mà không làm ảnh hưởng đến giá trị các bit khác Cờ ngắt hoạt động độc lập với việc cho phép ngắt, điều đó có nghĩa là cờ ngắt sẽ tự động đặt lên bằng 1 khi có sự kiện gây ngắt xảy ra, bất kể sự kiện đó có được cho phép ngắt hay không Do vậy, trước khi cho phép một ngắt, ta nên xóa

cờ của ngắt đó để đảm bảo sau khi cho phép, các sự kiện gây ngắt trong quá khứ không thể gây ngắt nữa

8051 có 2 ngắt ngoài là INT0 và INT1 Ngắt ngoài được hiểu là ngắt được gây

ra bởi sự kiện mức lôgic 0 (mức điện áp thấp, gần 0V) hoặc sườn xuống (sự chuyển mức điện áp từ mức cao về mức thấp) xảy ra ở chân ngắt tương ứng (P3.2 với ngắt ngoài 0 và P3.3 với ngắt ngoài 1) Việc lựa chọn kiểu ngắt được thực hiện bằng các bit IT (Interrupt Type) nằm trong thanh ghi TCON Đây là thanh ghi điều khiển timer nhưng 4 bit LSB (bit0 3) được dùng cho các ngắt ngoài

Khi bit ITx = 1 thì ngắt ngoài tương ứng được chọn kiểu là ngắt theo sườn xuống, ngược lại nếu bit ITx = 0 thì ngắt ngoài tương ứng được sẽ có kiểu ngắt là ngắt theo mức thấp Các bit IE là các bit cờ ngắt ngoài, chỉ có tác dụng trong trường hợp kiểu ngắt được chọn là ngắt theo sườn xuống Khi kiểu ngắt theo sườn xuống được chọn thì ngắt sẽ xảy ra duy nhất một lần khi có sườn xuống của tín hiệu, sau

đó khi tín hiệu ở mức thấp, hoặc có sườn lên, hoặc ở mức cao thì cũng không có ngắt xảy ra nữa cho đến khi có sườn xuống tiếp theo Cờ ngắt IE sẽ dựng lên khi

có sườn xuống và tự động bị xóa khi CPU bắt đầu xử lý ngắt Khi kiểu ngắt theo mức thấp được chọn thì ngắt sẽ xảy ra bất cứ khi nào tín hiệu tại chân ngắt ở mức thấp Nếu sau khi xử lý xong ngắt mà tín hiệu vẫn ở mức thấp thì lại ngắt tiếp, cứ

Sv: Trần Tuấn Vũ 19

như vậy cho đến khi xử lý xong ngắt lần thứ n , tín hiệu đã lên mức cao rồi thì thôi không ngắt nữa Cờ ngắt IE trong trường hợp này không có ý nghĩa gì cả.Thông thường kiểu ngắt hay được chọn là ngắt theo sườn xuống

Khi bit TRx = 1, timerx sẽ đếm, ngược lại khi TRx = 0, timerx sẽ không đếm mặc dù vẫn có xung đưa vào Khi dừng không đếm, giá trị của timer được giữ nguyên Các bit TFx là các cờ báo tràn timer, khi sự kiện tràn timer xảy ra, cờ sẽ được tự động đặt lên bằng 1 và nếu ngắt tràn timer được cho phép, ngắt sẽ xảy ra Khi CPU xử lý ngắt tràn timerx, cờ ngắt TFx tương ứng sẽ tự động được xóa về 0 Giá trị đếm 16bit của timerx được lưu trong hai thanh ghi THx (byte cao) và TLx (byte thấp) Hai thanh ghi này có thể ghi/đọc được bất kỳ lúc nào Tuy nhiên nhà sản xuất khuyến cáo rằng nên dừng timer (cho bit TRx = 0) trước khi ghi/đọc các

Để đếm các sự kiện bên ngoài, người ta chọn nguồn xung nhịp đưa vào đếm

trong timer là tín hiệu từ bên ngoài (đã được chuẩn hóa về dạng xung vuông

0V/5V) Các tín hiệu này sẽ được nối với các bit cổng có dồn kênh thêm các tính năng T0/T1/T2 Khi có sự kiện bên ngoài gây ra thay đổi mức xung ở đầu vào đếm, timer sẽ tự động tăng lên 1 đơn vị giống như trường hợp đếm xung nhịp bên trong Lúc này, timer được gọi chính xác với cái tên khác: “counter”, tức bộ đếm (sự kiện) Nhìn vào bảng mô tả thanh ghi TMOD bên trên, ta có thể nhận thấy có 2

bộ 4 bit giống nhau (gồm GATEx, C/Tx, Mx0 và Mx1) dành cho 2 timer0 và 1 Ý nghĩa các bit là như nhau đối với mỗi timer

Bit GATEx quy định việc cho phép timer đếm (run timer) Nếu GATEx = 0,timerx sẽ đếm khi bit TRx bằng 1, dừng khi bit TRx bằng 0 Nếu GATEx = 1, timerx sẽ chỉ đếm khi bit TRx = 1 và tín hiệu tại chân INTx = 1, dừng khi một trong hai điều kiện trên không còn thỏa mãn Thông thường người ta dùng timer với GATE = 0, chỉ dùng timer với GATE = 1 trong trường hợp muốn đo độ rộng xung vì lúc đó timer sẽ chỉ đếm thời gian khi xung đưa vào chân INTx ở mức cao Bit C/Tx quy định nguồn clock đưa vào đếm trong timer Nếu C/Tx = 0, timer sẽ được cấu hình là bộ định thời, nếu C/Tx = 1, timer sẽ được cấu hình là bộ đếm sự kiện Hai bit còn lại (Mx0 và Mx1) tạo ra 4 tổ hợp các giá trị (00,01,10 và 11) ứng với 4 chế độ hoạt động khác nhau của timerx Trong 4 chế độ đó thường chỉ dùng chế độ timer/counter 16bit (Mx1 = 0, Mx0 = 1) và chế độ Auto Reload 8bit

Sv: Trần Tuấn Vũ 21

timer/counter (Mx1 = 1, Mx0 = 0).Trong chế độ timer/counter 16bit, giá trị đếm (chứa trong hai thanh ghi THx và TLx) tự động được tăng lên 1 đơn vị mỗi lần nhận được thêm một xung nhịp Khi giá trị đếm tăng vượt quá giá trị max = 65535 thì sẽ tràn về 0, cờ ngắt TFx được tự động đặt = 1 Chế độ này được dùng trong các ứng dụng đếm thời gian và đếm sự kiện Trong chế độ Auto Reload 8bit, giá trị đếm sẽ chỉ được chứa trong thanh ghi TLx, còn giá trị của thanh ghi THx bằng một số n (từ 0 đến 255) do người lập trình đưa vào Khi có thêm 1 xung nhịp, giá trị đếm trong TLx đương nhiên cũng tăng lên 1 đơn vị như bình thường Tuy nhiên trong trường hợp này, giá trị đếm lớn nhất là 255 chứ không phải 65535 như trường hợp trên vì timer/counter chỉ còn 8bit Do vậy sự kiện tràn lúc này xảy ra nhanh hơn, chỉ cần vượt quá 255 là giá trị đếm sẽ tràn Cờ ngắt TFx vẫn được tự động đặt = 1 như trong trường hợp tràn 16bit Điểm khác biệt là thay vì tràn về 0, giá trị THx sẽ được tự động nạp lại (Auto Reload) vào thanh ghi TLx, do đó timer/counter sau khi tràn sẽ có giá trị bằng n (giá trị chứa trong THx) và sẽ đếm

từ giá trị n trở đi Chế độ này được dùng trong việc tạo Baud rate cho truyền thông qua cổng nối tiếp

Để sử dụng timer của 8051, hãy thực hiện các bước sau:

- Quy định chế độ hoạt động cho timer bằng cách tính toán và ghi giá trị cho

các bit trong thanh ghi TMOD

- Ghi giá trị đếm khởi đầu mong muốn vào 2 thanh ghi đếm THx và TLx Đôi khi ta không muốn timer/counter bắt đầu đếm từ 0 mà từ một giá trị nào đó để thời điểm tràn gần hơn, hoặc chẵn hơn trong tính toán sau này Ví dụ nếu cho timer đếm từ 15535 thì sau 50000 xung nhịp (tức 50000 micro giây với thạch anh 12MHz) timer sẽ tràn, và thời gian một giây có thể dễ dàng tính ra khá chính xác =

20 lần tràn của timer (đương nhiên mỗi lần tràn lại phải nạp lại giá trị 15535)

- Đặt mức ưu tiên ngắt và cho phép ngắt tràn timer (nếu muốn)

- Dùng bit TRx trong thanh ghi TCON để cho timer chạy hay dừng theo ý muốn

Sv: Trần Tuấn Vũ 22

1.3 IC Opto (loại PC817C) :

Opto là loại linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led và một photo diode hay một photo transitor Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất như khối công suất nhỏ (dòng nhỏ, điện áp 5V) với khối điện áp lớn dòng lớn và áp lớn

-

Hình 1.18: Hình vẽ và sơ đồ chân của IC opto (loại pc817)

Nguyên lý hoạt động của opto: khi cung cấp 5V vào chân số 1, LED phía trong Opto nối giữa chân số 1 và 2 sáng, xảy ra hiệu ứng quang điện dẫn đến 3-4 thông, mức logic sẽ bị chuyển từ 1 sang 0 mà không cần tác động trực tiếp từ IC