Điều khiển và hiển thị tốc độ động cơ điện một chiều

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……………………………………………… .10 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT……………………………… 11 2.1 Giới thiệu họ vi điều khiển 80C51/89C51………………………… 11 2.1.1 Cấu trúc chung vi điều khiển…………………………… 11 2.1.2 Các ghi chức đặc biệt……………………………… 16 2.1.3 Các cổng I/O 80C51/89C51………………………………….…………20 2.1.4 Khối tạo thời gian đếm……………………………………………….21 2.2 Các phương pháp đo tốc độ động cơ………………………………………….22 2.2.1 Đo tốc độ sử dụng máy phát tốc………………………………… ……….22 2.2.2.Đo tốc độ sử dụng cảm biến quang đĩa giải mã………………………….22 2.2.3.Đo tốc độ sử dụng máy đo góc tuyệt đối…………………………….… …22 2.2.4.Đo tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện điện áp stato……………… 22 2.3 Encoder……………………………………………………………………….24 2.3.1 Giới thiệu Encoder………………………………………………………….24 Page 2.3.2 Encoder tuyệt đối………………………………………………………… 25 2.3.3 Encoder tương đối………………………………………………………… 27 2.4 Động điện chiều………………………………………………………29 2.4.1 Giới thiệu động điện chiều………………………………………….29 2.4.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ……………………………….36 2.5 LED thanh………………………………………………….……………….40 2.5.1 Sơ lược Led thanh………………………………………….………….40 2.5.2 Kết nối với vi điều khiển…………………………………………….……42 2.6 Giới thiệu TCA 785………………………………………………………… 43 CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH………………………………47 3.1 Thết kế sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động…….……………………………47 3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối………………………………….………………………47 3.1.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị tốc độ……… ……………………48 3.1.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ………………………… 49 3.2 Tính tốn lựa chọn linh kiện……………………………………………….50 3.2.1 Tính tốn mạch điều khiển tốc độ…………………………….…………….50 3.2.2 Tính tốn mạch hiển thị tốc độ……………………………… ……………55 3.2.3 Tính tốn mạch nguồn …………………………………………… ………57 3.3 Chương trình điều khiển………………………………………………… ….61 Page 3.3.1 Lưu đồ thuật tốn………………………………………………………… 61 3.3.2 Chương trình điều khiển……………………………………………………61 3.4 Chế tạo mạch……………………………………………………….……… 63 3.4.1 Sơ đồ mạch in…………………………………………………………… 66 3.4.2 Hình ảnh mạch thực tế……………………………………… …… …….67 KẾT LUẬN………………………………………………………….……….….68 Kết đạt được………………………… ……………………….….…… 68 Hướng phát triển đề tài…………………………… 68 Page MỤC LỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thơng số 89C51/89C52…………… ……….…………… 11 Bảng 2.2: Họ vi điều khiển 89C51………………………… ………….…… … 12 Bảng 3.1: Các tham số TCA 785… …………………………………………54 Hình 2.1: Sơ đồ khối 8051/89C51-89C52…………………….………….……… 13 Hình 2.2: Sơ đồ chân tín hiệu 8051/89C51-89C52………… …………… …… 14 Hình 2.3: Encoder tuyệt đối (absolute encoder)…………….…….……………….25 Hình 2.4: Đĩa encoder tương đối kiểu quay…….………………………… …… 27 Hình 2.5: Lỗ định vị encoder tương đối kiểu quay… ….……… ………… 28 Hình 2.6: Động điện chiều… ……………………….…………… …….29 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý làm việc động điện chiều…………………32 Hình 2.8: Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập……… …….…33 Hình 2.9: Động DC có gắn encoder……… ………………………………….34 Hình 2.10: Incremental encoder………… ………………………………………35 Hình 2.11: Encoder hai pha……… …………………………………………… 36 Hình 2.12: Giản đồ xung encoder hai pha………… ……………………… 36 Hình 2.13: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng 37 Hình 2.14: Đồ thị đặc tính động điện chiều thay đổi điện áp….38 Page Hình 2.15: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông… ………38 Hình 2.16: Đồ thị đặc tính động điện chiều thay đổi từ thơng 39 Hình 2.17: Đồ thị đặc tính động điện chiều thay đổi điện trở phụ Rf mạch phần ứng…………………………………………………………… 40 Hình 2.18: Sơ đồ vị trí led………… ……………………………………… 42 Hình 2.19: Kết nối led với vi điều khiển …………… ………………………… 42 Hình 2.20: Sơ đồ chân TCA 785……… ……………………………… ………43 Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc TCA 785……… …………………………………… 44 Hình 2.22: Dạng sóng điện áp chân TCA 785……… ……….………46 Hình 3.1: Sơ đồ khối……… …………………………………………………….47 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị tốc độ………… ………………….… 48 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ…… ……………………… 49 Hình 3.4: Mạch điều khiển tốc độ…… ………………………………………….50 Hình 3.5: PC 817… ………………………………………………………… 52 Hình 3.6: Mạch hiển thị tốc độ ……… …………………………………………55 Hình 3.7: Mạch nguồn 5V DC ……… …………………………………… … 57 Hình 3.8: Mạch nguồn 15V DC… ……………………………………… ….58 Hình 3.9: Sơ đồ in mạch hiển thị tốc độ………………………………………… 66 Hình 3.10: Sơ đồ in mạch điều khiển tốc độ ………………………… ……… 66 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 chuyên 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 thông số mạch Cả nhóm -Hồn thành lý thuyết 10 Chuẩn bị bảo vệ đồ án 1.3 Ý nghĩa đề tài Page Cả nhóm 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 CHƯƠNG Page 10 Tiêu chuẩn Xanh 25mA 2.2V 2.5V 5V 565nm 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 Page 56 Chọn điện trở 220 Ω b Tính chọn Transistor : Dòng điện từ chân VĐK: IB = 5mA 10mA 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 - định thời gian 16 bit (Timer Timer 1) Page 57 - Hệ thống điều khiển xử lý ngắt - Các ghi đặc biệt 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 3.2.3 Tính tốn mạch nguồn a Tính tốn mạch nguồn 5VDC Hình 3.7: Mạch nguồn 5VDC Chức tạo nguồn chiều 5V cung cấp cho mạch hiển thị tốc độ + Biến áp : U1= 220V U2 = 9V, I2= 3A + IC 7805 : Ổn áp nguồn Uout = 5V + Tụ lọc : C2 = 2200µF C5 = 1000µF Page 58 + 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 3.8: 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 Uout = 15V + Tụ lọc : C3 = 2200µF C4 = 1000µF + Điện trở: Page 59 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 c Tính tốn máy biến áp cho mạch lực Để chọn MBA chỉnh lưu dựa vào sức điện động thứ cấp, điện áp sơ cấp cơng suất tính toán cần thiết.Điện áp sơ cấp lấy theo điện áp lưới, sức điện động cơng suất tính tốn từ điện áp dòng điện chỉnh lưu Chọn MBA pha làm mát tự nhiên khơng khí Điện áp sơ cấp MBA: U1= 220 (V) Thông số chỉnh lưu: Ud = 24 (V), Id = (A) Điện áp trung bình tải: Ud = U2 - �UT - �Ud =.U2( – �UT -�Ud Khi Điện áp trung bình tải : Ud = U2 - �UT - �Ud �UT = 1.4V : Sụt áp thyristor Ud = 1.1V : Sụt áp diode U2 = (Ud + �UT +�Ud) = (24 + 1.4 + 1.1) = 29.4 (V) Dòng điện hiệu dụng chảy qua thứ cấp MBA : Page 60 I2 = = Id Khi I2 = Id Vậy chọn MBA có: Điện áp thứ cấp U2 = 30 (V) Dòng điện thứ cấp I2 = 1(A) 3.3 Chương trình điều khiển 3.3.1 Lưu đồ thuật tốn Chương trình Ngắt timer START START Page 61 TMOD= 0x51 TR1=0 EA= 0x82 Nạp lại giá trị timer0 Ngắt Timer (1s) Tính tốc độ(vòng/phút) Hiển thị led TR1=1 END END 3.3.2 Chương trình điều khiển #include sbit led1=P2^3; sbit led2=P2^2; sbit led3=P2^1; sbit led4=P2^0; unsigned maled[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; unsigned long soxung; int tocdo,k; void delay_ms(long time) // Ham tre phuc vu quet led { Page 62 char int i,n; for(i=0;i