NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC Mã số: ĐH2015-TN02-09 Chủ nhiệm đề tài: TS Đỗ Trung Hải Thái Nguyên, 9/2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC Mã số: ĐH2015-TN02-09 Xác nhận tổ chức chủ trì KT HIỆU TRƯỞNG PHĨ HIỆU TRƯỞNG Chủ nhiệm đề tài PGS.TS Vũ Ngọc Pi TS Đỗ Trung Hải Thái Nguyên, 09/2018 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI TT Họ tên Đỗ Trung Hải Đơn vị công tác Nội dung nghiên cứu cụ thể Ghi lĩnh vực chuyên môn giao Khoa Điện, Trường - Xây dựng đề cương chi tiết Đại học Kỹ thuật dự án Công nghiệp - Thử nghiệm card việc điều khiển số hệ thống - Hoàn thiện đề tài Nguyễn Ngọc Khoa Điện, Trường - Thiết kế phần cứng Kiên Đại học Kỹ thuật - Thử nghiệm card việc Công nghiệp điều khiển số hệ thống - Hoàn thiện đề tài Trần Đức Quân Khoa Điện, Trường - Thiết kế phần cứng Đại học Kỹ thuật - Lập trình phần mềm cho Cơng nghiệp Matlab - Lập trình phần mềm cho card - Thử nghiệm card việc điều khiển số hệ thống iv ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH TT Tên đơn vị nước Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ tên người đại diện đơn vị Khoa Điện, ĐH Kỹ Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế Trưởng Khoa thuật Công nghiệp phần cứng, lập trình phần mềm, TS Đỗ Trung Hải Thái Nguyên thử nghiệm hệ thống v MỤC LỤC THÔNG TIN VỀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU x Thông tin chung x Mục tiêu x Tính sáng tạo x Kết nghiên cứu x Sản phẩm xi Sản phẩm khoa học xi 5.2 Sản phẩm đào tạo xi 5.3 Sản phẩm ứng dụng xii Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu xii General information xiii Objective (s) xiii Creativeness and innovativeness xiii Research results xiii Products xiv Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results xv PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Bố cục báo cáo NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN 1.1 Nghiên cứu, thiết kế phần cứng 1.2 Nghiên cứu, xây dựng phần mềm cho vi xử lý trung tâm 22 CHƯƠNG 26 XÂY DỰNG TOOLBOX CARD ĐIỀU KHIỂN 26 TRONG MATLAB – SIMULINK 26 2.1 Khối cài đặt – CardTNUT Setup 27 2.2 Khối đọc tín hiệu tương tự 28 2.3 Khối xuất tín hiệu tương tự 29 2.4 Khối đọc tín hiệu số 30 2.5 Khối xuất tín hiệu số 30 vi 2.6 Khối xuất tín hiệu PWM 31 2.7 Khối đọc tín hiệu từ mã hóa xung encoder 32 2.8 Khối xuất tín hiệu điều khiền động servo chiều 33 2.9 Khối ghép nối module điều khiển 16 kênh PWM 12bits 33 2.10 Khối ghép nối module điều khiển 32 servo 34 2.11 Khối giao tiếp nối tiếp 35 2.12 Khối điều khiển PID online 35 2.13 Khối cài đặt tham số điều khiển PID Card 36 CHƯƠNG 38 KIỂM NGHIỆM CARD ĐIỀU KHIỂN 38 3.1 Sử dụng Card điều khiển hệ truyền động động chiều 38 3.2 Sử dụng Card điều khiển hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot) 41 3.3 Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 50 3.4 Hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 Kết luận 59 Kiến nghị 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Tiếng Việt 60 Tiếng Anh 60 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Mơ hình khối mạch điều khiển Hình Bộ vi xử lý Cortex-M3 Hình Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm 11 Hình Mạch khuếch đại vi sai 12 Hình Mạch khuếch đại đảo 12 Hình Mạch khuếch đại không đảo 13 Hình Mạch khuếch đại lặp lại 13 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu tương tự 14 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu tương tự 16 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận/xuất tín hiệu số 17 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn nuôi 18 Hình 12 Mạch điều khiển trung tâm 19 Hình 13 Mặt trước mạch xử lý tín hiệu tương tự 19 Hình 14 Mặt sau mạch xử lý tín hiệu tương tự 20 Hình 15 Mặt trước mạch xử lý tín hiệu số 20 Hình 16 Mặt sau mạch xử lý tín hiệu số 21 Hình 17 Card điều khiển sau lắp ráp 21 Hình 18 Giao diện phần mềm Atmel Studio 22 Hình 19 Lưu đồ thuật tốn chương trình 23 Hình 20 Lưu đồ thuật tốn chương trình xử lý liệu từ Simulink 24 Hình Thư viện CardTNUT cài vào Simulink 27 Hình 2 Khối CardTNUT Setup 27 Hình Khối đọc tín hiệu tương tự 28 Hình Khối xuất tín hiệu tương tự 29 Hình Khối đọc tín hiệu số 30 viii Hình Khối xuất tín hiệu số 30 Hình Khối xuất tín hiệu PWM 31 Hình Khối đọc tín hiệu từ mã hóa xung encoder 32 Hình Khối điều khiền động 33 Hình 10 Khối điều khiển module 16PWM 33 Hình 11 Khối điều khiển module 32RC SERVO 34 Hình 12 Khối hỗ trợ giao tiếp nối tiếp 35 Hình 13 Khối PID online 35 Hình 14 Khối cài đặt tham số PID 36 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động chiều 38 Hình Mơ hình hệ truyền động động chiều 39 Hình 3 Cấu trúc điều khiển hệ thống động chiều Simulink 40 Hình Đáp ứng tốc độ hệ truyền động động chiều 40 Hình Hình vẽ mô tả robot nhện 41 Hình Lưu đồ thuật tốn động tác Đứng vị trí 43 Hình Lưu đồ thuật tốn động tác Tiến 45 Hình Lưu đồ thuật toán động tác Quay trái 46 Hình Lưu đồ thuật toán động tác di chuyển sang sang phải 48 Hình 10 Giao diện điều khiển Robot nhện 48 Hình 11 Cấu trúc điều khiển Robot nhện Simulink 49 Hình 12 Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện 49 Hình 13 Mơ hình robot nhện 50 Hình 14 Mơ hình robot theo quỹ đạo mê cung 50 Hình 15 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung 51 Hình 16 Sơ đồ nguyên lý dạng khối robot theo quỹ đạo mê cung51 Hình 17 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 52 Hình 18 Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 52 ix Hình 19 Minh họa robot theo quỹ đạo mê cung 53 Hình 20 Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 53 Hình 21 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 54 Hình 22 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt 55 Hình 23 Mơ hình hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt 56 Hình 24 Cấu trúc điều khiển thiết bị gia nhiệt Simulink 56 Hình 25 Đáp ứng nhiệt độ hệ thống 57 x ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THƠNG TIN VỀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo card điều khiển số ứng dụng điều khiển thời gian thực - Mã số: ĐH2015-TN02-09 - Chủ nhiệm đề tài: TS Đỗ Trung Hải - Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Đại học Thái Nguyên - Thời gian thực hiện: 10/2015 – 10/2017 Mục tiêu: - Nghiên cứu, thiết kế card nhận tín hiệu vào dạng tương tự 0-10VDC, 0-20mA tín hiệu số 0-24VDC; xuất tín hiệu dạng tương tự 010VDC, 0-20mA tín hiệu số, PWM 0-24VDC - Nghiên cứu, xây dựng phần mềm Matlab để thu thập tín hiệu từ card xuất tín hiệu điều khiển card - Nghiên cứu, xây dựng phần mềm cho card để truyền nhận tín hiệu với Matlab - Kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực Tính sáng tạo: - Nghiên cứu thiết kế chế tạo card điều khiển số - Xây dựng thư viện Card điều khiển số toolbox MatlabSimmulink Kết nghiên cứu: - Tìm hiểu cấu trúc ngơn ngữ lập trình cho vi xử lý AT91SAM3X8E hãng Atmel if (val>96 && val96 && val47 && val47 && val47 && val47 && val96 && val