Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ bước sử dụng pic 16f877a

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG 621.381 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG PIC 16F877A GV hướng dẫn : ThS Hồ Sỹ Phương SV thực : Võ Minh Chiến Lớp : 51K1 - ĐTVT Khóa học : 2010 - 2015 NGHỆ AN - 05/2015 LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp này, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ thầy cô, anh chị bạn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu trường Đại Học Vinh, Khoa Điện tử Viễn Thông thầy cô giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ThS Hồ Sỹ Phương hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành đến người thân toàn thể bạn bè giúp đỡ, động viên em suốt thời gian học tập thực đồ án tốt nghiệp Em xin chúc thầy cô, anh chị toàn thể bạn bè sức khỏe dồi dào, đạt nhiều thành công công việc, học tập nghiên cứu Nghệ An, ngày 23 tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực Võ Minh Chiến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .8 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan đề tài 1.2 Vi điều khiển PIC 16F877A 10 1.2.1 Kiến trúc chung PIC 10 1.2.2 Các cổng vào PIC 16F877A 11 1.2.3 TIMER .14 1.2.4 Các nguồn ngắt PIC 19 1.2.5 Tập Lệnh vi điều khiển PIC 21 1.2.6 Giao tiếp nối tiếp .21 1.3.Kết luận 24 CHƯƠNG PHÂN TÍCH,LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 25 2.1 Sơ đồ khối .25 2.2.Phân tích tốn .25 2.2.1.Mục đích thiết kế mơ hình 25 2.2.2.Các yêu cầu đề tài 25 2.3 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 26 2.4 Nguyên tắc hoạt động .33 2.5.Động bước lưỡng cực pha (28BYJ-48) 37 2.6 Kết luận 38 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 3.1 Các module hệ thống 39 3.1.1 Khối điều khiển trung tâm .39 3.1.2 Khối nguồn 39 3.1.3 Khối phím nhấn .40 3.1.4 IC đệm dòng ULN2803 41 3.1.5 Khối LCD 42 3.1.6 Sơ đồ mạch điều khiển động bước 44 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý 44 3.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển 46 3.4 Kết thảo luận .46 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 50 LỜI NÓI ĐẦU Ngày điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu thực trung thành lệnh đưa dạng số Động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hoá, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác,như: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình thiết bị gia công cắt gọt, cấu lái phương chiều máy bay Đối với sinh viên trường, bước vào sống đồ án tốt nghiệp bước nhảy quan trọng Đồ án tốt nghiệp không mang lại kinh nghiệm thực tế chun mơn mà cịn bổ sung nhiều kỹ sống giao tiếp, đàm phán, khả làm việc nhóm, làm việc độc lập,… Dưới hướng dẫn tận tình Thạc sỹ Hồ Sỹ Phương em lựa chọn đề tài “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động bước sử dụng pic 16F877A” Với đề em hiểu rõ nguyên lý điều khiển động bước Đặc biệt, đề tài mang lại khả tư tổng quan hệ thống kinh nghiệm thực tế có ích cho sinh viên chun ngành điện tử để làm hành trang vững bước vào đời Tuy nhiên, thời gian có hạn hiểu biết em cịn nhiều hạn chế, nên khơng thể tránh sai sót Rất mong nhận bảo thầy cô bạn để em hồn thiện tốt đề tài Nghệ An, ngày 23 tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực Võ Minh Chiến TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tìm hiểu,thiết kế thi cơng mạch điều khiển động bước sử dụng Pic 16F877A Động bước sử dụng toán động bước pha,5 dây điều khiển năm dây kết nối với cuộn dây Mỗi bước động quét góc 5.625 độ, để quay vòng động cần phải thực 64 bước Do đấu chung nguồn nên đặt mức điện áp 0V(mức logic 0) có dịng chạy qua cuộn dây ngược lại đặt mức điện áp 5V (mức logic 1) khơng có dịng điện qua cuộn dây Khi cấp xung điện áp lên cuộn dây stato (phần ứng) roto (phần cảm) động quay góc định,góc ây bước quay động Vậy để điều khiển động quay lien tục việc cấp xung cho cuộn dây ABSTRACT This project research, design and construction of the stepper motor controller using pic 16F877A stepper motor used in this problem is the 4-phase stepper motor, year khien.4 wire rope which is the coil connected Each step of the scan engine 5,625 degrees angle, so to shoot one round engine must perform 64 steps Due to the common fight so when placed source voltage level 0V (logic 0), there will be lines running through the coil and vice versa when setting voltage 5V (logic level 1) there is no current through the coil When the voltage level pulse stator winding (armature), the rotor (the part left) of the engine will turn away certain angle, angle of rotation This is a step motor So to control the rotary motor continuously, we just turn the pulse level for the coil DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Tóm lược ghi PORT A 12 Bảng 1.2 : Tóm lược ghi PORT B 12 Bảng 1.3 : Tóm lược ghi PORT C 13 Bảng 1.4 : Tóm lược ghi PORT D 13 Bảng 1.5 : Tóm lược ghi PORT E 14 Bảng 1.6 : Bảng lựa chọn hệ số chia xung 15 Bảng 1.7 : Bảng cơng thức tính tốc độ baud .22 Bảng 2.1: Các góc bước tiêu biểu loại động bước 32 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1 Sơ đồ khối 25 Hình 2.2: Động bước 26 Hình 2.3 Một số mẫu động bước thực tế 26 Hình 2.4: Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động bước ứng dụng máy in 27 Hình 2.5: Cấu tạo động bước .27 Hình 2.6 : Các phận cấu thành nên động bước .29 Hình 2.7 : Động bước từ trở 30 Hình 2.8: Động bước nam châm vĩnh cửu 30 Hình 2.9 : Động bước lai 31 Hình 2.10 : Động bước đơn cực 32 Hình 2.11 : Ký hiệu động bước đa sơ đồ nguyên lý .33 Hình 2.12 : Động bước lưỡng cực 33 Hình 2.13: Cơ cấu quay roto .34 Hình 2.14 : Hình dáng bên ngồi sơ đồ cuộn dây bên motor .37 Hình 3.1 : Giao tiếp vi điều khiển với khối sơ đồ mạch 39 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý nguồn nuôi mạch .40 Hình 3.3 Sơ đồ ngun lý phím nhấn 40 Hình 3.4: Mơ khuếch đại dịng ULN 2803 .41 Hình 3.5: IC đệm dịng ULN2803 41 Hình 3.6 : Mơ LCD proteus 42 Hình 3.7.Sơ đồ mạch nguyên lý 44 Hình 3.8 : Sơ đồ mạch mô proteus .45 Hình 3.9 : Mạch sau hồn thành 45 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan đề tài Động bước vai trò quan trọng điều khiển kỹ thuật số, tự động hóa…vì cấu chấp hành trung thành với lệnh đưa dạng số, chấp hành xác Vì ứng dụng nhiều tự động hóa điều khiển số Trong đề tài em gồm chương, phần tổng quan chi tiết đề tài Chương tìm hiểu kiến thức tơng quan dịng vi điều khiển PIC, điểm vượt trội chế xử lý lệnh PIC Các dòng PIC cách lựa chọn PIC phù hợp cho ứng dụng nghiên cứu người dùng giới thiệu Nội dung chương đề cập đến vi điều khiển PIC 16F877A làm tiền đề cho việc thiết kế thi công sản phẩm trình bày chương Ngồi ra, nội dung khác quan trọng chương giới thiệu động bước Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số,động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu thực trung thành lệnh đưa dạng số, động bước ứng dụng nhiều nghành Tự động hóa,chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác như: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học,… khái niệm động bước đưa giới thiệu cấu tạo, vai trò, phân loại động cơ, so sánh loại động Chương phần thiết kế đề tài,trước tiên toán đặt đề tài phân tích cụ thể để tìm mụch đích yêu cầu thiết kế tốn Sau phân tích ngun lí hoạt động loại động bước đề tài chọn thiết kế, động bước lưỡng cực,và tiến hành thiết kế sản phẩm qua sử dụng phần mềm proteus để vẽ mạch in mô để tiến tới chế tạo sản phẩm thực tế Chương phần chính, phần thiết kế chi tiết thi công, thành phần mạch khối điều khiển trung tâm, khối nguồn,khối phím nhấn,khối LCD thiết kế cụ thể đưa sơ đồ mạch điều khiển động bước, chương trình điều khiển tham khảo số tài liệu Cuối đưa sản phẩm chế tạo thành công nhận xét ổn định hoạt động 1.2 Vi điều khiển pic 16f877A 1.2.1 Kiến trúc chung PIC Tổ chức PIC thiết kế theo kiến trúc Havard gọi vi điều khiển RISC ( reduced Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh rút gọn Hình 1.1 : Cấu trúc tổ chức nhớ sơ đồ chân Bên kiến trúc Havard, nhớ liệu nhớ chương trình tác thành hai nhớ riêng biệt Do thời điểm CPU tương tác với hai nhớ Nhờ vậy, tốc độ xử lí vi điều khiển cải thiện đáng kể Bộ nhớ chương trình PIC nhớ flash Bộ nhớ liệu PIC nhớ EEPROM chia làm nhiều bank Tập lệnh kiến trúc Havard tối ưu tùy theo yêu cầu kiến trúc vi điều khiển mà khơng phụ thuộc vào cấu trúc liệu Trong đó, PIC16F877 thuộc họ microcontrollers 8- bít kiến trúc RISC 10 Sơ đồ khối nguồn : Dùng nguồn máy tính +5V ổn định cấp tồn mạch.Tụ C2,C3 để lọc nhiễu,diode D3 có nhiệm vụ bảo nguồn.Sơ đồ nguyên lý hình : Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý nguồn nuôi mạch 3.1.3 Khối phím nhấn Để nhập thơng số tốc độ,số bước,chiều quay cho động cơ,ở em sử dụng phím nhấn hình Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý phím nhấn 40 Bộ khuếch đại dịng ULN 2803 nhằm mục đích hỗ trợ dịng cho động bước,ln giữ cho dịng cấp vào motor < 500mA Hình 3.4: Mơ khuếch đại dịng ULN 2803 3.1.4 IC đệm dòng ULN2803 Đây IC gồm transistor NPN ghép Darlington gắn mạch điện tử dãy chuỗi lý tưởng để giao tiếp với mạch điện dạng số mức logic thấp như: TTL, CMOS PMOS/NMOS ULN2803 thiết kế để phù hợp với chuẩn TTL Nhiêm vụ ULN2803 để đệm dòng (mỗi chân cho dịng 0,5A qua) giúp MATRIX LED hoạt động ổn định, hiệu Hình 3.5: IC đệm dịng ULN2803 41 3.1.5 Khối LCD - SỬ DỤNG LCD TC1602A LCD (Liquid Crystal Direct) TC1602A hình tinh thể lỏng gồm có : - LCD - Bộ Driver(mạch điều khiển) Màn hình LCD Driver kết nối sẵn LCD_DM 1602A hiển thị để dễ dàng việc điều khiển Hình 3.6 : Mơ LCD proteus Sử dụng hình tinh thể lỏng LCD loại dòng 16 ký tự LCD 1602.Màn hình LCD phổ biến thị trường việc lập trình cho đơn giản,them vào có tính thẩm mỹ cao.Sử dụng nguồn ni thấp (từ 2,5V đến 5V).Có thể hoạt động chế độ bit bit (trong đề tài em sử dụng chế độ bit) Cách nối dây D0 - enable D5 - D5 D1- rs D6 - D6 D2 - rw D7 - D7 D4- D4 42  Giao tiếp PIC16f877A & LCD PIC Có chế độ làm việc với LCD * Chế độ bit * Chế độ bit : ta thường làm cách để tiết kiệm chân cho VĐK Nhược điểm : tốc độ chậm so với chế độ bit LCD có đường điều khiển:  Đường E cho phép hay không việc giao tiếp với LCD Nếu E=1 cho phép, sau kiểm tra trạng thái chân RS RW Nếu E=0 cấm E khởi tạo trình truyền liệu từ VĐK tới LCD  Đường RS qui định liệu/ lệnh gửi tới LCD RS=1 Dữ liệu (kí tự) viết lên LCD RS=0 Lệnh viết lên LCD  Đường RW - Qui định hướng truyền liệu LCD VĐK Nếu RW=0 VĐK viết liệu lên LCD Nếu RW=1 VĐK đọc liệu từ LCD Để viết liệu lên LCD cần thực bước theo trình tự sau: 1.Kéo dây R/W =0 2.Đặt RS=0 hay RS=1 tùy mục đích gửi lệnh hay liệu 3.Đặt liệu vào bus liệu (RB4-RB7) (Nếu trình viết) 4.Kéo E lên 5.Kéo E xuống 6.Đọc liệu Bus liệu (nếu trình đọc) Việc đọc liệu từ LCD thực tương tự (Trường hợp dùng) Các kí tự hiển thị LCD lưu DDRAM (Display Data RAM) Ta định nghĩa kí tự, kí tự lưu CG RAM (Character Generated RAM) CGRAM 64 bytes Mỗi kí tự bytes > ta định nghĩa tối đa kí tự Việc đọc/viết kí tự lên LCD tốn khoảng 40 us đến 120us Trong khoảng thời gian LCD "bận" Do chương trình ta cần thực delay để LCD thực công việc Khởi tạo làm việc với LCD theo chế độ bit 43 Đợi 15ms sau cấp nguồn Viết 0x03 vào LCD đợi 5ms để hoàn thành việc viết lệnh Viết 0x03 vào LCD đợi 160us Viết 0x03 vào LCD đợi 160us Viết 0x02 vào LCD để chọn chế độ bit Viết set interface length Viết 0x010 để tắt hiển thị Viết 0x001 để xóa hình Đặt chế độ làm việc cho trỏ 3.1.6 Sơ đồ mạch điều khiển động bước Sơ đồ mô mạch nguyên lý Sơ đồ hệ thống điều khiển hình dưới.Các thông số tốc độ, số bước, chiều quay nhập từ phím bấm đưa vào vi xử lí (vi điều khiển 16F877A) qua Port B Dựa vào thông số điều khiển thực hiển thị lên hình LCD qua chân RC0-RC5.Đồng thời xuất liệu điều khiển motor qua chân RD4-RD7,dữ liệu điều khiển thông qua ULN 2803 điều khiển motor quay theo thông số nhập vào 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý Hình 3.7.Sơ đồ mạch nguyên lý 44 Mơ protues : Hình 3.8 : Sơ đồ mạch mơ proteus Hình 3.9 : Mạch sau hoàn thành 45 3.3 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển Chương trình điều khiển lập trình Pic C Compiler (CCS) cơng cụ lập trình C mạnh cho vi điều khiển PIC 3.4 Kết thảo luận Sau trình thiết kế chế tạo thử nghiệm,cuối cho sản phẩm thực tế đáp ứng yêu cầu đặt tốn điều khiển hoạt động động bước sử dụng PIC16F877A 46 Nhận xét: Mạch hoạt động có ưu điểm khuyết điểm sau: Ưu điểm: -Mạch hoạt động ổn định -Có thể điều khiển dễ dàng động hoạt động xác -Mạch thiết kế nhỏ gọn dễ dàng thêm vào hệ thống điều khiển đo lường tự động Nhược điểm: -Khi di chuyển mạch vận hành khơng ổn định -Mạch cịn sai số sai số linh kiện nằm mức cho phép 47 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong suốt trình thực đề tài thiết kế tốt nghiệp: “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động bước sử dụng pic 16F877A”, em có hội để củng cố thêm kiến thức thân, đặc biệt kiến thức thực tế thiết kế làm mạch Đề tài thiết kế tốt nghiệp chủ yếu tập trung vấn đề điều khiển động theo bước tốc độ, cấu trúc phương pháp để thực Chương trình mơ thực trực tiếp Protues 7.8.Cịn lập trình cho vi điều khiển thực PIC C Compiler Do điều kiện thời gian trình độ có hạn nên thực tế đề tài cịn thiếu sót nhiều hạn chế Có thể kể đến vấn đề như: chưa điều khiển nghịch đảo tốc độ hiển thị lcd cịn có vấn đề Em xin chân thành cảm ơn Th.S Hồ Sỹ Phương người trực tiếp hướng dẫn em, tận tình bảo, giúp đỡ em giải vấn đề khó liên quan tới đề tài Chắc chắn Đồ án tốt nghiệp hoàn thành thiếu giúp đỡ quý báu thầy! Em mong nhận góp ý từ phía thầy cơ, bạn để thiết kế em có hội để phát triển hoàn thiện hơn! Em xin chân thành cảm ơn! 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Minh Chính (chủ biên), Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất Nhà xuất khoa học kĩ thuật Nguyễn Mạnh Giang Các vi điều khiển Pic Nhà xuất khoa học kĩ thuật Nguồn internet: www.dientuvietnam.net, www.picvietnam.com Nguyễn Thế Vinh Căn lập trình CCS Nhà xuất khoa học kĩ thuật 49 PHỤ LỤC #include #include #include #use delay (clock=20000000) // LCD module connections #define LCD_RS RB6 #define LCD_RW RB5 #define LCD_EN RB4 #define LCD_D4 RB0 #define LCD_D5 RB1 #define LCD_D6 RB2 #define LCD_D7 RB3 // End LCD module connections char dulieu0[]="ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ void main(){ trisb=0x00; //portb as output portb=0u; //clear portb Lcd_Init(); { lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc(dulieu0); delay_ms(1000); lcd_putc("\f"); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc(dulieu1); lcd_gotoxy(2,4); lcd_putc(dulieu2); delay_ms(2000); } 50 BƯỚC"; while(1); //Vong lap mai mai } // #include #include #device *=16 ADC=8 #define stop PIN_C0 #define dkth PIN_C1 #define dkng PIN_C2 #define hpb1 PIN_C3 #define hpb2 PIN_C4 #BYTE trisb =0x86 #BYTE OSCCON =0x87 char a,b ; char PeekKey() ; char GetKey(); void buoc1(); void buoc2(); void stp(); void dkthuan(); void dknghich(); void main() {//su dung loai 2cuon co chan giua noi B+ setup_adc_ports(NO_ANALOGS); setup_adc(ADC_OFF); setup_spi(FALSE); setup_timer_1(T1_DISABLED); setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1); setup_comparator(NC_NC_NC_NC); trisc=7F; 51 b=2; while(1) { a=PeekKey(); switch(a) { case 0: stp(); break; case 1: dkthuan(); break; case 2: dknghich(); break; case 3: buoc1(); break; case 4: buoc2(); break; case 5: stp(); break; } } } //******************** char PeekKey(void) { if(input(stop)==0) return(0); if(input(dkth)==0) return(1); if(input(dkng)==0) return(2); if(input(hpb1)==0) return(3); if(input(hpb2)==0) return(4); else return (a); } //********************* Char GetKey(void) 52 { char nKey; nKey=PeekKey(); // wait for key release while ((input(stop)==0)||(input(dkth)==0) ) (input(dkng)==0 ) ||(input(hpb1)==0 ) ||(input(hpb2)==0); delay_ms(10); return(nKey); } // *********************** void dkthuan() { output_b(8); delay_ms(b); output_b(2); delay_ms(b); output_b(1); delay_ms(b); output_b(4); delay_ms(b); output_b(0); } //************************ void dknghich() { output_b(4); delay_ms(b); output_b(1); delay_ms(b); output_b(8); delay_ms(b); output_b(2); delay_ms(b); output_b(0); } 53 //************************ void stp() { output_b(0); delay_ms(2); } //****************** void buoc1() { char i; for (i=1;i