Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng 89c51

LỜI NĨI ĐẦU Sự phát triển cơng nghệ Tự Động Hóa thời gian qua khơng tách rời phát triển công nghệ cao khác công nghệ thông tin (CNTT), công nghệ truyền thông điện tử Các thành tựu chip vi xử lý, mạng truyền thông áp dụng rộng rãi sản phẩm hệ thống TĐH Ngược lại, nhiều nguyên lý điều khiển tự động ứng dụng sản phẩm CNTT Các sản phẩm công nghệ cao ngày thơng minh thiết kế tích hợp tối ưu phần xác (phần cứng - khí, linh kiện…) phần hồn (phần mềm - software, thuật toán…) quan điểm điện tử Trong thời gian học tập nghiên cứu, học tập nghiên cứu mơn vi điều khiển , lập trình C ứng dụng lĩnh vực hệ thống sản xuất đại Vì để nắm vững phần lý thuyết áp dụng kiến thức vào thực tế, chúng em nhận đồ án mơn học với đề tài: “Tính tốn, thiết kế chế tạo mạch điều chỉnh đo tốc độ động điện chiều” Với đề tài giao, chúng em vận dụng kiến thức để tìm hiểu nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính tốn thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm Dưới hướng dẫn bảo nhiệt tình thầy Nguyễn Đình Hùng với cố gắng nỗ lực thành viên nhóm chúng em hồn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì chúng em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Page NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Hưng Yên , tháng năm Giáo viên hướng dẫn Page MỤC LỤC Lời nói đầu……………………………………………………………………… CHƯƠNG MỞ ĐẦU ……… 1.1.Phân tích yêu cầu mục tiêu đề tài………………………… 1.2.Kế hoạch thực hiện……………………………………………… 1.3.Ý nghĩa đề tài……………………………………………… CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT……………………………… 2.1 Giới thiệu họ vi điều khiển 80C51/89C51………………………… 2.1.1 Cấu trúc chung vi điều khiển…………………………… 2.1.2 Các ghi chức đặc biệt……………………………… 2.1.3 Các cổng I/O 80C51/89C51…………………………………………… 2.1.4 Khối tạo thời gian đếm……………………………………………… 2.2 Các phương pháp đo tốc độ động cơ………………………………………… 2.2.1 Đo tốc độ sử dụng máy phát tốc………………………………………… 2.2.2.Đo tốc độ sử dụng cảm biến quang đĩa giải mã………………………… 2.2.3.Đo tốc độ sử dụng máy đo góc tuyệt đối…………………………………… 2.2.4.Đo tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện điện áp stato…………… 2.3 Encoder……………………………………………………………………… Page 2.3.1 Giới thiệu Encoder………………………………………………………… 2.3.2 Encoder tuyệt đối…………………………………………………………… 2.3.3 Encoder tương đối………………………………………………………… 2.4 Động điện chiều……………………………………………………… 2.4.1 Giới thiệu động điện chiều…………………………………… 2.4.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ………………………… 2.5 LED thanh…………………………………………………………… 2.5.1 Sơ lược Led thanh……………………………………………… 2.5.2.Kết nối với vi điều khiển……………………………………………… 2.6 Giới thiệu TCA 785……………………………………………………… CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH………………………… 3.1 Thết kế sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động…………………………… 3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối…………………………………………………… 3.1.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý……………………….…………………… 3.2 Tính tốn lựa chọn linh kiện………………………………………… 3.2.1 Tính tốn mạch nguồn………………………………………………… 3.2.2 Tính tốn mạch điều khiể……………………………………………… 3.2.3 Tính tốn mạch hiển thị………………………………………………… 3.3 Chương trình điều khiển………………………………………………… Page 3.3.1 Lưu đồ thuật tốn……………………………………………………… 3.3.2 Chương trình điều khiển……………………………………………… CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ THẢO LUẬN…………………………… 4.1 Hướng dẫn sử dụng……………………………………………………… 4.2 Các bước thí nghiệm…………………………………………………… KẾT LUẬN………………………………………………………………… Kết đạt được…………………………………………………………… Hướng phát triển đề tài………………………………… Page CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Phân tích yêu cầu mục tiêu đề tài 1.1.1 Yêu cầu : Với yêu cầu đề tài phải thiết kế mạch đo hiển thị tốc độ động điện chiều Sử dụng trang thiết bị máy móc ,phần mềm vi điều khiển , tài liệu chun mơn để tính tốn thiết kế mạch điều khiển Linh kiện sử dụng phần lớn linh kiện điều khiển Mạch sử dụng họ vi điều khiển 8051, 89C51 ,89C52… Trong trình chạy mạch việc thu phát tín hiệu nhiệm vụ cảm biến quang hay gọi encoder Encoder dùng để quản lý vị trí góc đĩa quay, bánh xe, hay trục động cơ, thiết bị quay cần xác định góc 1.1.2 Mục tiêu : Nắm cách tổng quan phần tử họ vi điều khiển Nghiên cứu mạch điều khiển , hiểu nguyên lý làm việc mạch phương pháp điều khiển từ lựa chọn phương án tối ưu để có áp dụng đồ án ngồi thực tiễn Có khả tính tốn, thiết kế chế tạo mạch đo hiển thị tốc độ động sau ứng dụng vi điều khiển lập trình điều khiển mạch đo Page 1.2 Kế hoạch thực STT Tuần Công việc thực Người thực 1 - Tìm hiểu đề tài nhận đồ án Cả nhóm 2 -Chọn phương án thực đề tài Cả nhóm -Phân chia cơng việc 3+4 -Xây dựng sơ đồ khối P.Hưng -Tìm hiểu sơ đồ mạch điều khiển -Tìm hiểu sơ đồ mạch lực N.Hưng -Thiết kế sơ đồ nguyên lý 5+6 7+8 -Tìm hiểu linh kiện sử dụng N.Hưng -Tính tốn thơng số P.Hưng Thực làm mạch: Cả nhóm -Mua linh kiện -Hàn mạch -Kiểm tra thơng số mạch Cả nhóm -Hồn thành lý thuyết 10 Chuẩn bị bảo vệ đồ án Page Cả nhóm 1.3 Ý nghĩa đề tài Để giúp sinh viên có thể củng cố kiến thức, tổng hợp nâng cao kiến thức chuyên nghành kiến thức ngồi thực tế Đề tài thiết kế chế tạo thiết bị, mơ hình để sinh viên trường đặc biệt sinh viên khoa Điện – Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho học sinh, sinh viên khố sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu học tập Những kết thu sau hoàn thành đề tài trước tiên giúp chúng em hiểu sâu họ vi điều khiển, phương pháp điều khiển lập trình Từ tích luỹ kiến thức cho năm học sau thực tế Page CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu họ vi điều khiển Vi điều khiển (VDK) hệ vi xử lý (VXL) tổ chip Nó bao gồm : -Bộ VXL (CPU) -Bộ nhớ chương trình (ROM/EPROM/EEPROM/FLASH) -Các ghi chức , cổng I/O ,cơ chế điều khiển ngắt truyền thông nối tiếp -Các thời gian dùng lĩnh vực chia tần tạo thời gian thực 2.1.1 Cấu trúc chung vi điều khiển Họ VĐK 8051/89C51-89C52 8051 vi điều khiển họ vi điều khiển MCS51 Intel sản xuất vào năm 1980 Họ MCS51 họ 8-bit có khả định địa 64KB nhớ chương trình 64KB nhớ liệu Có Có Khơng ROM EPRO có M ROM ROM RAM ( bytes) ( bytes) Các Các mạch cổng định thì/Bộ I/O bit đếm 16 bit UART 80C51 87C51 80C31 4K 128 Có 80C52 87C52 80C32 8K 256 có Chú ý: - Loạt 80C3x khơng có ROM/EPROM chip Page -Loạt 80C5x có từ 2KB đến 8KB ROM/EPROM chip - Loạt 89XX có nhớ chương trình bên “Flash EEPROM” - Loạt 80CX1 có 128 byte RAM nội - Loạt 80CX2 có 256 byte RAM nội - Về công nghệ chế tạo : loạt 8XXX với công nghệ NMOS , loạt 8XCXX với công nghệ CMOS Họ VĐK ROM RAM I/O Các mạch định thì/Bộ đếm 16 bit 89C51 4KB 256KB Bảng 2.2 Họ vi điều khiển 89C52 - Giao tiếp nối tiếp - 64KB không gian nhớ chương trình mở rộng - 64KB khơng gian nhớ liệu mở rộng - xử lý luận lý -210 bit địa hóa Page 10 3.1.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguyên lý mạch điều khiển tốc độ Nguyên lý làm việc: IC TCA 785 (có tích hợp khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung ,khuyếch đại) tạo xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor BT151 ( T1 T2) Chân 11 TCA chân nhận điện áp điều khiển ( từ đến 11V) để thay dổi góc kích mở Thyristor từ đến 1800 Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển Giả sử ta đạt điện áp diều khiển thay đổi từ đến 11V vào chân 11 IC TCA785, chân 14 15 IC TCA785 xuất chuỗi xung thay đổi từ đến 1800 Page 47 Trong khoảng (0 ÷ α), T2 D6 dẫn Dòng điện theo chiều T2 => động => D6 Trong khoảng (α ÷ ᴨ), T1 D4 dẫn điện T2 D5 khóa Dòng điện theo chiều T1 => động => D6 Trong khoảng (ᴨ ÷ ᴨ +α), T1 D5 dẫn Dòng điện theo chiều T1 => động => D5 Trong khoảng (ᴨ+α ÷ 2ᴨ), T2 D5 dẫn Dòng điện theo chiều T2 => động => D5 3.2 Tính tốn lựa chọn linh kiện 3.2.1 Tính tốn mạch điều khiển tốc độ Hình 3.4: Mạch điều khiển tốc độ a Khối công suất Thông số động : Điện áp định mức: 24VDC Page 48 Dòng điện định mức: 1A Điện áp ngược lớn Thyristor : Ungmax =U2 = 24 = 34 (V) Trong đó: U2: điện áp thứ cấp máy biến áp Điện áp ngược van cần chọn là: Ungvan = KdtU Ungmax = 1,8 34 = 61,2(V) Trong đó: KdtU hệ số dự trữ điện áp Dòng điện hiệu dụng chảy qua van ứng với góc mở α = ˚: Id = Iđm = 1(A) IRMS = Id = 1 = 0,707(A) 2 Dòng trung bình van thyristor ; IT = Id = 0,5 (A) Dòng điện làm việc van: Thơng thường: Ilv = (10÷30)% Iđm ( chọn Ilv=25% Iđm ) Chọn Thyristor loại BT151 có thơng số sau : Ung max= 650V ; Iđm= 7,5A ; UG = 1,5V : IG max = 15mA b Chọn phần tử cách ly Có nhiều phương án cho khâu cách ly dùng phần tử cách ly quang biến áp xung hay với mạch công suất nhỏ cần dùng diot để chống ngược dòng Page 49 Trong phạm vi đề tài ứng dụng với tải công suất trung bình nhỏ để đáp ứng tính gọn nhẹ giá thành mạch phương án sử dụng cách ly quang chúng em định sử dụng hiệu giá thành rẻ gọn nhẹ cách ly an toàn mạch lực mạch điều khiển từ thông số chúng em định sử dụng PC817 để thực khâu cách ly Hình 3.5 PC817 IC PC817 có chức cách ly mạch cơng suất với mạch vi điều khiển.Ngồi PC817 giảm nhiễu xung tạo đường truyền tín hiệu c Khối điều khiển Mạch điều khiển tính xuất phát từ yêu cầu xung mở Thyristor : + Điện áp điều khiển: Uđk = 1,5(V) + Dòng điện điều khiển: Iđk = 15 (mA) + Độ rộng xung điều khiển tx = 100 ( µs ) +Điện áp nguồn ni mạch điều khiển: Unguồn =15 (v) Thông số TCA 785: + Điện áp ni: Vs= -0.5÷18 V + Điện áp chân 14, 15: V = Vs + Dòng điện chân 14, 15: I = ( -10÷400 )mA Page 50 + Điện áp cưa: V10max = (Vs - 2)V + Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9 = 20K Ω ÷ 500K Ω + Điện áp điều khiển: V11 = (-0,5 ÷ Vs )V + Dũng in ng b: I5 = -200ữ200 A + T in: C10 = 500pF ữ 1àF Bng 3.1: Các thông số TCA 785 Page 51 3.2.2 Thiết kế mạch hiển thị tốc độ Hình 3.5: Mạnh hiển thị tốc độ Bảng tra datasheet led Loại Màu sắc IFmax VFtyp VFmax VRmax Bước sóng Tiêu chuẩn Đỏ 30mA 1.7V 2.1V 5V 660nm Tiêu chuẩn Đỏ tươi 30mA 2.0V 2.5V 5V 625nm Tiêu chuẩn Vàng 30mA 2.1V 2.5V 5V 590nm Tiêu chuẩn Xanh 25mA 2.2V 2.5V 5V 565nm Page 52 Cường độ cao Xanh 30mA 4.5V 5.5V 5V 430nm Siêu sáng Đỏ 30mA 1.85V 2.5V 5V 660nm Thấp Đỏ 30mA 1.7V 2.0V 5V 625nm Vì led đoạn chứa bên led đơn mắc anode catot chung, nên coi led mắc song song Do kết nối cần đảm bảo IF max= 30mA Dòng qua led đơn khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led.Vậy led cần cung cấp : UF(max) = 2.1(V) VF =VLED= 1.7 (V) Imax= 30* = 210 (mA) a.Tính chọn điện trở bảo vệ led Điện trở bảo vệ led VLED + VR =5(V) => VR= - VLED = – 1.7=3.3(V) Điện trở bảo vệ led : R =VR / I= 3.3 V/210 mA = 16 Ω Chọn điện trở 220 Ω b.Tính chọn Transistor : Dòng điện từ chân VĐK: IB = 5mA 10mA Page 53 Dòng điện vào chân chung led : Ta có: IE =(β+1)IB => β IE = 210mA 42 UBE= 0.7 V Vậy chúng em chọn Transistor C828 c Lựa chọn vi điều khiển Trên thị trường có nhiều loại vi điều khiển, phạm vi đề tài sử dụng vi điều khiển để đo hiển thị tốc độ động chúng em lưa chọn vi điều khiển 89C51 để thực nhiệm vụ Các thơng số vi điều khiển 89C51: Bộ vi điều khiển 89C51 hoạt động tần số 12MHz, điện áp 5V,với nhớ ROM 4Kbyte, nhớ RAM 128 byte cư trú bên mở rộng nhớ ngồi Ở vi điều khiển có cổng bit (P0…P3) vào chiều để giao tiếp với thiết bị ngoại vi Ngồi có: -CPU -2 định thời gian 16 bit (Timer Timer 1) -Hệ thống điều khiển xử lý ngắt -Các ghi đặc biệt Page 54 Vi điều khiển 89C51 làm việc tần số 12MHz => chọn dao động thạch anh 12Mhz để tính chu kỳ máy chu kỳ máy 12 dao động Chọn điện trở treo 10k để nhấn nút restart chân ( RST ) tích cực mức cao 3.2.1 Tính tốn mạch nguồn a Tính tốn mạch nguồn 5VDC Hình 3.6: Mạch nguồn 5VDC Chức tạo nguồn chiều 5V cung cấp cho mạch hiển thị tốc độ + Biến áp : U1= 220V U2 = 9V, I2= 3A Page 55 + IC 7805 : Ổn áp nguồn Uout = 5V + Tụ lọc : C2 = 2200µF C5 = 1000µF + Điện trở : Sụt áp led: ULED= 1.7 V Dòng điện qua led: ILED= 20 mA Giá trị điện trở bảo vệ led: R= (U – ULED)/ILED= (5V– 1.7V)/20mA= 147 Ω Chọn điện trở có giá trị: R= 220 Ω b Tính tốn mạch nguồn 15VDC Hình 3.7: Mạch nguồn 15VDC Chức tạo nguồn chiều 15V cung cấp cho mạch điều khiển tốc độ tốc độ + Máy biến áp : U1 = 220V U2 = 18V, I2 = 3A + IC 7815: Ổn áp nguồn Page 56 Uout = 15V + Tụ lọc : C3 = 2200µF C4 = 1000µF + Điện trở: Sụt áp led: ULED= 1.7 V Dòng điện qua le: ILED= 20 mA Giá trị điện trở bảo vệ led: R= (U – ULED)/ILED= (15V– 1.7V)/20mA= 665 Ω Chọn điện trở có giá trị: R= kΩ 3.3 Chương trình điều khiển 3.3.1 Lưu đồ thuật tốn Chương trình Ngắt timer START START TMOD= 0x51 TR1=0 EA= 0x82 Nạp lại giá trị timer0 Ngắt Timer Tính tốc độ(vòng/phút) Hiển thị led Page 57 TR1=1 END END 3.3.2 Chương trình điều khiển #include unsigned maled[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; unsigned long soxung; unsignedint tocdo,k; void delay(int time) // Ham tre phuc vu quet led { int i; for(i=0;i