Thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển động cơ theo nhiệt độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2015 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ THEO NHIỆT ĐỘ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2015 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ THEO NHIỆT ĐỘ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên:Lê Tuấn Phong Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Đồn Phong HẢI PHỊNG - 2018 Cộng hồ xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Lê Tuấn Phong – MSV : 1412102056 Lớp : ĐC1802- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài : Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển động theo nhiệt độ NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn Địa điểm thực tập tốt nghiệp : CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Trường Đại học dân lập Hải Phòng Tồn đề tài Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm 2018 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng .năm 2018 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Bùi Văn Huynh Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Cán hướng dẫn Đ.T.T.N Th.S Nguyễn Đồn Phong Hải Phòng, ngày tháng năm 2018 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1.Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận thực tiễn, tính tốn giá trị sử dụng, chất lượng vẽ ) Cho điểm cán hướng dẫn ( Điểm ghi số chữ) Ngày……tháng…….năm 2018 Cán hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài Cho điểm cán chấm phản biện ( Điểm ghi số chữ) Ngày……tháng…….năm 2018 Người chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN TỬ 1.1 TỔNG QUAN VỀAtmega328 PU 1.1.1 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega328 PU 1.1.2 Một vài thông số vi điều khiển Atmega328 PU 1.1.3 Sơ đồ khối vi điều khiển Atmega328 PU 1.1.4 Bộ nhớ chương trình 1.1.5 Các cổng xuất nhập Atmega328 PU 1.1.6.Thông số kỹ thuật bo mạch Arduino UNO R3 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG NHIỆT ĐỘ 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI 2.2 THIẾT KẾ CÁC KHỐI 2.2.1 Sơ đồ khối 2.2.2.Nguyên lý hoạt độngIC LOGIC74HC595 10 2.2.3.Module Arduino điều khiển động l293d 14 2.2.4 Motor DC 18 2.2.5 Mạch đo nhiệt độ 40 CHƯƠNG 19 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 44 3.1 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 44 3.2 GIỚI THIỆU VỀ ADRUINO 44 3.3.LẬP TRÌNH CHO ARUINO 46 3.4.CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 49 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với ứng dụng khoa học kĩ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi, văn minh đại Trong phát triển kĩ thuật tự động hóa đóng góp vai trò quan trọng, tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật như: xác, an toàn, tốc độ nhanh, gọn nhẹ Ý tưởng đề tài xuất phát từ toán thực tế thiết kế hệ thống đo nhiệt độ phòng, từ dựa vào nhiệt độ đặt để điều khiển động hệ thống làm mát nhiệt độ vượt ngưỡng Đề tài “Thiết kê xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ động theo nhiệt độ”là kết hợp nhiều mạch điện tử sử dụng phần tử vi điều khiển chương trình giảng dạy, tổng hợp kiến thức môn sở ngành kĩ thực hành môn Vi điều khiển Đề tài em gồm chương: Chương Tổng quan phần tử Chương Thiết kế hệ thống điều khiển Chương Chương trình điều khiển Để thực đồ án em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất thầy cô giáo, cán nhân viên trường Đại học Dân Lập Hải Phòng nói chung thầy cô giáo khoa Điện - Điện tử nói riêng dạy dỗ giúp đỡ em suốt thời gian em học trường Trong trình làm đề tài, hạn chế thời gian, tài liệu trình độ nên khơng tránh khỏi có thiếu sót Em mong đóng góp ý kiến thầy cô bạn để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Hải Phòng, tháng 10 năm 2018 Sinh viên thực LÊ TUẤN PHONG 10 Xba: Là điện kháng máy biến áp, với X ba X X ( W 2) 1W Rv: Là điện trở van ( Rv nhỏ bỏ qua ) n Xba : Là điện trở đẳng trị trình chuyển mạch +) Độ cứng đặc tính cơ: dM M (K ) đm d (1.36) R o o1 Udo Ud1 Ud2 Ud3 o2 o3 M( I ) Hình 1.13: Đặc tính hệ chỉnh lưu-động chiều dòng liên tục - Trạng thái dòng gián đọan Khi điện kháng mạch không đủ lớn, sức điện động động đủ lớn dòng điện tải trở thành gián đoạn Ở trạng thái dòng qua van trước van mở Do khoảng dẫn van sức điện động chỉnh lưu sức điện động nguồn: e d = U2 , với , khoảng dẫn Khi dòng điện sức điện động chỉnh lưu sức điện động n động cơ: ed = E , với < Vậy ta có điện áp trung bình chỉnh lưu : Ud n n u d U2m (1 cos n E.d n ) E.( U2m sin d ) n 48 n E.d (1.37) KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG Vậy : U d n U 2m (1 cos ) E.( ) (1.38) n Đặc tính hệ CL - ĐC dòng điện gián đọan: Hình: Đặc tính hệ chỉnh lưu-động dòng gián đoạn - Nhận xét: +) Ưu điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động có độ tác động nhanh cao, khơng gây ồn dễ tự động hóa, van bán dẫn có hệ số khuếch đại cơng suất cao, thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh đặc tính động hệ thống Mặt khác, việc dùng hệ chỉnh lưu - động có kích thước trọng lượng nhỏ gọn +) Nhược điểm: Hệ truyền động chỉnh lưu - động có van bán dẫn phần tử phi tuyến tính, dạng điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thất phụ máy điện chiều 49 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG 2.2.5 Mạch đo nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng vật lý vô hướng Để đo đạc tính tốn giá trị ta phải dùng cảm biến Mạch đo nhiệt độ em chọn loại phổ biến làDHT22 Bộ cảm biến DHT22 đưa điện áp 10mV cho thay đổi K * Thông số kĩ thuật: + Điện áp hoạt động 3.3V – 5.5V + Dải độ ẩm - 100% + Sai số độ ẩm ±2% o + Dải đo nhiệt độ -40 – 80 C o + Sai số nhiệt dộ ±0.5 C Sơ đồ chức chân linh kiện điện tử DHT22: Hình 2.2: Sơ đồ chân DHT22 Chân - VDD chân nối nguồn (5V) Chân - DATA chân liệu vào Chân - NC 50 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG Chân - GND chân nối mass (0V) Khối xử lý: Sơ đồ kết nối với vi xử lý + Để giao tiếp với DHT22 theo chuẩn chân vi xử lý thực theo bước - Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT22, sau xác nhận lại - Khi giao tiếp với DHT22, cảm biến gửi lại byte liệu nhiệt độ đo Bước : Gửi tín hiệu start + MCU thiết lập chân DATA output kéo chân DATA xuống khoảng thời gian >=1 ms Khi DHT22 hiểu MCU muốn đo nhiệt độ độ ẩm + MCU đưa chân DATA lên sau thiết lâp lại chân đầu vào 51 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG + Sau khoảng 20-40 us DHT kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA chưa kéo xuống thấp nghĩa chưa giap tiếp với DHT22 + Chân DATA mức thấp 80 us sau DHT22 kéo lên múc cao 80 us Bằng việc giám sát chân DATA , MCU biết có giao tiếp với DHT22 hay khơng Nếu tín hiệu đo lên cao hồn thiện q trình giao tiếp MCU với DHT22 Bước 2: Đọc giá trị DHT22 DHT22 trả giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng byte đó: + Byte giá trị phần nguyên độ ẩm + Byte giá trị phần thập phân độ ẩm + Byte giá trị phần nguyên nhiệt độ + Byte giá trị phần thập phân nhiệt độ + Byte kiểm trả tổng Nếu Byte 5=Byte1+Byte2+Byte3+Byte4 giá trị nhiệt độ độ ẩm xác khơng kết đo bị sai Cách tính nhiệt độ độ ẩm (Bytecao *256 + Bytethấp)/10 Đọc liệu : sau giao tiếp với DHT22 , DHT22 gửi lien tiếp 40bit MCU tương ứng với byte giá trị nhiệt độ độ ẩm + Bit + Bit 52 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG Sau tín hiệu đưa ta đợi chân DATA MCU DHT22 kéo lên Nếu chân DATA khoảng 26-28 us tồn khoảng 70 us Do lập trình ta bắt sườn lên DATA sau delay 50 us Nếu giá trị đo đọc bit giá trị đo đọc bit 1cứ ta đọc bit Hình ảnh DHT22 53 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.1 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN Bắt Khởi tạo Modul công suất Khởi tạo ModulDHT Đọc nhiệt độ từ DHT22 True Set speed =255 True Set speed = 100 T>=tmax Fail False Tmax > t > tmin Fail T < tmin True Seet speed =0 False 3.2 Giới thiệu Arduino Arduino đời thị trấn Ivrea, nước Ý đặt theo tên vị vua vào kỷ thứ King Arduin 54 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG Nó thức đưa giới thiệu vào năm 2005 công cụ cho sinh viên học tập giáo sư Massimo Banzi, người phát triển Arduino trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Dù khơng có tiếp thị hay quảng cáo tin tức Arduino lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ vơ vàn lời truyền miệng tốt đẹp người dùng Có thể bạn quen lập trình PC, với ngôn ngữ C, C++, C#, Java, Python, Ruby Nhưng phần mềm PC chiếm khoảng 10% sản lượng phần mềm thị trường 90% lại code điều khiển tivi, máy giặt, điều hòa, tủ lạnh tóm lại tất thiết bị điện tử xung quanh bạn Đây mảng theo tơi thú vị Lập trình theo hướng gọi embedded computing, hay physical computing, tức lập trình để người tương tác với thiết bị thực Để người thiết kế nhanh chóng đưa mẫu thể ý tưởng mình, cần phải có platform để dễ dàng prototyping Và platform sử dụng nhiều prototyping Arduino Arduino bo mạch xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, Điểm hấp dẫn Arduino với anh em lập trình ngơn ngữ dễ học (giống C/C++), ngoại vi bo mạch chuẩn hóa, nên khơng cần biết nhiều điện tử, lập trình ứng dụng thú vị Thêm nữa, Arduino platform chuẩn hóa, nên có nhiều bo mạch mở rộng (gọi shield) để cắm chồng lên bo mạch Arduino, hình dung nơm na "library" ngơn ngữ lập trình Ví dụ, muốn kết nối Internet có Ethernet shield, muốn điều khiển động có Motor shield, muốn kết nối nhận tin nhắn có GSM shield, Rất đơn giản, ta phải tập trung vào việc "lắp ghép" thành phần sáng tạo ứng dụng cần thiết :) Có thể kể số ứng dụng hay ho Arduino: 55 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG  Robot: Arduino dùng để làm xử lý trung tâm nhiều loại robot Đó nhờ vào khả đọc thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ, Arduino  Game tương tác: dùng Arduino để tương tác với Joystick, hình, để chơi trò Tetrix, phá gach, Mario Còn nhiều game sáng tạo  Máy bay không người lái  Mô Ipod :D (ví dụ đây: 3.3 Lập trình cho Arduino Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngơn riêng Ngơn ngữ dựa ngơn ngữ Wiring viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại biến thể C/C++ Một số người gọi Wiring, số khác gọi C hay C/C++ Riêng gọi “ngôn ngữ Arduino”, đội ngũ phát triển Arduino gọi Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến dễ học, dễ hiểu Nếu học tốt chương trình Tin học 11 việc lập trình Arduino dễ thở bạn Để lập trình gửi lệnh nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án cấp đến cho người dùng mơi trường lập trình Arduino gọi Arduino IDE (Intergrated Development Environment) hình 56 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG Vùng lệnh: Bao gồm nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help) Phíadưới icon cho phép sử dụng nhanh chức thường dùng IDE miêutả sau: 57 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG Altium Designer Phần mềm thiết kế mạch tự động Altium Designer môi trường thiết kế điệntử đồng nhất, tích hợp thiết kế nguyên lý, thiết kê ḿạch in PCB, lập trình hệ thốngnhúng va FPGÀ Các điểm đặc trưng Altium Designer : Giao diện thiết kế, quản lý chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lýfile, quản lý phiên cho tài liệu thiết kế Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, dây tự động theo thuật tốn tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm giải pháp thiết kế chỉnh sửamạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo tham số Mở, xem in file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ thông tin linh kiện,netlist, liệu vẽ, kích thước, số lượng… Hệ thống thư viện linh kiện phong phú, chi tiết hoàn chỉnh bao gồm tất cảcác linh kiện nhúng, số, tương tự… 58 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG Đặt sửa đối tượng lớp khí,định nghĩa luật thiết kế, tùy chỉnhcác lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện PCB Mô mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực khơnggian chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm trakhoảng cách cách điện, cấu hình cho 2D 3D Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA ngược lại Có thể thấy Altium Designer có nhiều điểm mạnh so với phần mềm khác nhưđặt luật thiết kế, quản lý dự án dễ dàng ,giao diện thân thiện … 3.4 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN #include "DHT.h" #include #define DHTPIN // cai dat chan tin hieu cho modul dht22 #define DHTTYPE DHT22 AF_DCMotor motor(1, MOTOR12_64KHZ); // tạo động #1, 64KHz pwm int maxTemp = 30; int minTemp = 18; DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); 59 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG void setup() { Serial.begin(9600); dht.begin(); motor.run(FORWARD); } void loop() { delay(1000); float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); if ( t >= maxTemp ){ motor.setSpeed(255); } if ( t < maxTemp || t >= minTemp ){ motor.setSpeed(100); } if ( t < minTemp ){ motor.setSpeed(0); } Serial.print("Humidity: "); Serial.print(h); Serial.print(" %\t"); Serial.print("Temperature: "); Serial.print(t); Serial.println(" *C "); // put your main code here, to run repeatedly: } KẾT LUẬN 60 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG Sau tháng tìm tòi thực đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển động theo nhiệt độ” giúp em nắm vững kiến thức về: - Vi điều khiển, cụ thể làAtmega328 PU - Các kiến thức sensor nhiệt, vi mạch thuật toán, điều khiển motor DC lập trình điều khiển Andruino - Cách thức thiết kế hệ thống; Thực mô hệ thống phần mềm thiết kế mạch Proteus Để em thực đề tài thời gian tháng vừa qua khơng thể thiếu hướng dẫn nhiệt tình, tỉ mỉ thầy cô khoa Điện Điện tử Em xin chân thành cám ơn thầy cô 61 KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tăng Cường, Phạm Quốc Thắng, Cấu trúc lập trình họ Vi điều khiển 8051, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Nguyễn Mạnh Giang, Cấu trúc, lập trình ghép nối ứng dụng Vi điều khiển, nhà xuất Lao Động - Xã Hội Phạm Minh Hà (2004), Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Ngô Diệp Tập, Vi điều khiển đo lường điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa Học Kĩ thuật, Hà Nội Các trang web tham khảo: www.dientuvietnam.net www.picvietnam.com www.dientuvienthong.net www.vagam.dieukhien.net www.duyphi.phpnet.us/index.htm 62 ... nhiệt độ phòng, từ dựa vào nhiệt độ đặt để điều khiển động hệ thống làm mát nhiệt độ vượt ngưỡng Đề tài Thiết kê xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ động theo nhiệt độ là kết hợp nhiều mạch điện... động DC theo nhiệt độ, tức từ nhiệt độ đo môi trường, hệ thống điều khiển tốc độ động DC quay nhanh hay chậm.Ta có sơ đồ khối hệ thống hình 2.1 Modul đọc nhiệt độ Vi điều khiển Modul driver cơng... vi điều khiển Nguyên lý chân RESET nối với Ground qua điện trở 10KΩ 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC THEO NHIỆT ĐỘ 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI Với yêu cầu đề tài thiết kế hệ thống điều khiển