CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH PHẦN CỨNG
6.2 Các khối mạch chức năng trên mơ-đun điều khiển độngcơ và mơ-đun trung tâm
6.2.5 Khối bàn phím điều khiển độngcơ (4 phím)
Hình 6.7 b: Khối bàn phím điều khiển động cơ
- Bàn phím điều khiển sẽ gồm 4 phím điều khiển trực tiếp động cơ: Start ( Chạy) , Stop ( Dừng ) , Increase ( Tăng ) , Decrease ( Giảm )
6.2.6 Khối bàn phím chọn các chế độ hoạt động cho mơ hình ( Chỉ cĩ trong mơ-đun làm vai
trị điều khiển-giám sát hệ thống )
Hình 6.8: Khối bàn phím chọn các chế độ hoạt động cho mơ hình
- Khối bàn phím này cĩ 8 phím nhấn,được nối trực tiếp vào Port H của vi điều khiển, gồm cĩ: + Phím MODE : Bắt đầu cài đặt
+ Phím OK : Sử dụng chế chạy độ đồng bộ chơ động cơ 1 và 2
+ Phím CANCEL: Hủy bỏ chế độ chạy đồng bộ , 2 động cơ sẽ hoạt động độc lập với nhau. + Các phím 0/1 , 2/3 , 4/5 , 6/7 , 8/9 : Dùng để nhập số liệu
+ Riêng phím 0/1 cịn được dùng để cài lại các giá trị tốc độ đặt mặc định cho 2 động cơ. · Nguyên lý hoạt động cho 2 khối bàn phím:
Cả 2 khối bàn phím ( điều khiển trực tiếp động cơ và chọn chế độ hoạt động ) đều sử dụng
chức năng Key-WakeUp của MC9S12DP512:
(Chức năng Key-WakeUp được trình bày đầy đủ trong Chương 5: Họ vi điều khiển HCS12 ) + Lúc bình thường , khơng cĩ phím nào nhấn , do cĩ điện trở 4.7 K kéo lên nguồn 5Vdc, giá trị các chân chức năng Key-WakeUp khơng thay đổi mức logic (đều ở mức 1) .
+ Khi cĩ phím được nhấn , mức logic của chân chức năng Key-WakeUp tương ứng với phím đĩ sẽ thay đổi từ mức 1 à mức 0 và sẽ tạo ra 1 ngắt , lúc đĩ vi điều khiển sẽ lập tức nhận
6.2.7 Khối mạch nguồn 5 Vdc cho hệ thống điều khiển
Hình 6.9: Khối nguồn 5 VDC cho vi điều khiển và các IC trên mỗi mơ-đun
- Ngõ vào là điện xoay chiều ( giá trị hiệu dụng 12 V trở xuống ) , qua chỉnh lưu cầu diod. Tụ điện C99 ( 2200uF ) làm phẳng hơn điện áp sau chỉnh lưu.
- Ngõ ra sau IC ổn áp 7805 là 5V , đèn Led D3 cĩ nhiệm vụ báo khi đã cĩ nguồn
- Các tụ C66 ,C76 ,C87 ( 100nF ) dùng để lọc nhiễu hài bậc cao cho điện áp 5Vdc , trước khi cung cấp cho các IC trên mơ-đun.
6.2.8 Khối thời gian thực ( Chỉ cĩ trong mơ-đun làm vai trị điều khiển-giám sát hệ thống )
Hình 6.10: Khối đồng hồ thời gian thực
- IC thời gian thực được sử dụng ở đây là DS1307 của hãng Dallas , giao tiếp với vi điều khiển MC9S12DP512 qua chuẩn giao tiếp nối tiếp IIC ( Inter - integrated Circuit ): + Lúc này vi điều khiển MC9S12DP512 đĩng vai trị là “chủ” ( Master )
- Chân SQW của DS1307 được tạo xung vuơng 1 Hz, và kết nối với chân ngắt ngồi PE1 ( /IRQ) của vi điều khiển MC9S12DP512 : Cứ chu kì 1s , khi cĩ xung cạnh lên của xung vng 1Hz ,sẽ xảy ra ngắt ngồi và lúc đĩ sẽ cập nhật giá trị thời gian cho hệ thống qua giao tiếp IIC.
- Pin Lithium 3V ( BT1 ) là nguồn cung cấp dự phịng cho IC DS1307 , để đảm bảo đồng hồ vẫn chạy đúng khi mất nguồn.
Ø Vài nét về hoạt động của IC DS1307
- Tần số dao động thạch anh sử dụng 32.768kHz, khơng cần cĩ điện trở, cũng như các tụ gắn thêm.
- IC thời gian thực ( real-time) DS1307 là một IC hoạt động với chế độ thời gian thực, cơng suất thấp, sử dụng mã BCD đầy đủ, cĩ 56 byte ram nội. Địa chỉ, cũng như dữ liệu được ghi và đọc theo chuẩn giao tiếp IIC. IC thời gian thực DS1307 cung cấp thơng tin về giây, phút, giờ, ngày, tháng, năm, thơng tin về năm. IC này cũng tự điều chỉnh cho những tháng cĩ ít hơn 31 ngày và bao gồm luơn cả năm nhuận. Đồng hồ trong IC hoạt động với hai chế độ: 24 giờ, hay 12 giờ (bao gồm cả chỉ thị cho biết đang là AM hay PM) . IC thời gian thực DS1307 cũng được tích hợp sẵn một mạch nhận biết sự cố điện áp và sẽ tự động chuyển sang dùng nguồn PIN ni dự phịng khi cĩ sự cố mất điện áp xảy ra để ngăn ngừa tình trạng mất dữ liệu.
Tĩm tắt chức năng các chân của IC real-time DS1307 :
Bảng 6.1 : Các chân của IC Real-Time DS1307
Chân Tên chân Chức năng
1 X1 2 X2
Nối với thạch anh 32.768 kHZ để tạo xung nhịp cho IC real-time DS1307 . Cĩ thể sử dụng chỉ X1 để cấp xung nhịp cho IC. Khi đĩ, X2 ở trạng thái “float”
3 Vbat Dùng để cấp nguồn cho PIN 3V dự phịng để sao lưu dữ liệu cho IC real-time DS1307. Để mạch hoạt động đúng, Vbat
PIN dự phịng, chân này phải được nối mass. 4 GND Mass
5 SDA Chân thu/phát dữ liệu nối tiếp theo chuẩn IIC. Chân này là một chân cực thu hở. Do đĩ, nĩ cần cĩ điện trở kéo lên. 6 SCL Chân truyền xung nhịp nối tiếp theo chuẩn IIC và sử dụng
để đồng bộ dữ liệu trong chuẩn giao tiếp nối tiếp này. Chân này cũng cần cĩ điện trở kéo lên.
7 SWQ/OUT Chân lái sĩng vng ngõ ra. Khi bit SQWE trong IC real- time DS1307 được set lên 1, chân này tạo ra một sĩng vng cĩ một trong bốn tần số (1 Hz, 4kHz, 8kHz, 32kHz).
8 VCC Chân cung cấp nguồn 5 Vdc cho IC real-time DS1307.
- Chức năng thanh ghi điều khiển: ( nằm ở địa chỉ 07H trong vùn Ram của DS1307 )
Hình 6.11: Khối đồng hồ thời gian thực
+ Bit OUT: Xác định trạng thái của chân SWQ/OUT khi bit SQWE bằng 0. Chân này sẽ bằng 1 khi OUT = 1 và sẽ bằng 0 khi OUT =0
+ Bit SQWE : khi bit này bằng 1, ở chân SWQ/OUT cĩ sĩng vng ngõ ra, tần số sĩng vuơng xác định bởi các bit RS1 và RS0.
+ Các bit RS1 và RS0: xác định tần số sĩng vng ngõ ra:
Bảng 6.2 : Các tần số xung vuơng ở chân SWE của DS1307
RS1 RS0 Tần số sĩng vng ngõ ra
0 0 1 Hz
0 1 4 kHz
1 0 8 kHz
- Trình tự thực hiện viêc đọc/ ghi giờ:
Đọc giờ: thơng tin về giờ và ngày tháng năm được đọc từ IC bằng các đọc các thanh ghi thích hợp. Trình tự thực hiện như sau:
o Master tạo điều kiện START.
o Master gửi địa chỉ của DS1307 (7 bit) và bit R/W=1 nên dữ liệu gửi đến DS1307 là
0xD1. Khi nhận được địa chỉ này, DS1307 sẽ tạo acknowledge trên đường SDA.
o DS1307 tiếp theo sẽ chuyển data lên đường SDA với data là nội dung thanh ghi được xác định bởi Thanh ghi địa chỉ con trỏ ( Register Pointer ) . Thanh ghi địa chỉ con trỏ tự động được tăng lên sau mỗi byte được đọc.
o DS1307 phải nhận được điều kiện not acknowledge để kết thúc việc đọc.
Hình 6.12: Trình tự thực hiện việc đọc dữ liệu từ DS1307.
Đặt giờ: Việc đặt giờ được thực hiện bằng cách ghi vào các thanh ghi thích hợp.
Trình tự thực hiện như sau:
o Master tạo điều kiện START.
o Master gửi địa chỉ của DS1307 ( 7 bit ) và bit R/W=0 nên dữ liệu gửi đến DS1307 là
0xD0 . Khi nhận được địa chỉ này, DS1307 sẽ tạo acknowledge trên đường SDA.
o Master gửi địa chỉ đến DS1307 xác định vị trí của Thanh ghi địa chỉ con trỏ. IC real- time DS1307 sẽ tạo acknowledge.
o Master tiếp theo sẽ chuyển một hoặc nhiều byte dữ liệu đến DS1307 và DS1307 tạo acknowledge mỗi byte nhận được. Thanh ghi địa chỉ con trỏ tự động được tăng lên sau
o Master sẽ tạo điều kiện STOP để dừng việc ghi dữ liệu.
Hình 6.13: Trình tự thực hiện việc ghi dữ liệu lên DS1307
6.2.9 Khối hiển thị LCD
- Trên 2 mơ-đun điều khiển động cơ, sử dụng LCD ký tự 2x16 ( 2 dịng ,16 cột ) - Trên mơ-đun cĩ vai trị điều khiển-giám sát hệ thống ,sử dụng LCD ký tự 4x20.
Hình 6.14: Khối mạch hiển thị LCD
- Sử dụng LCD chế độ nửa byte (Nibble) nên chỉ cần dùng 4 bit cao dữ liệu là D4 -:- D7 - Các chân của LCD kết nối với Port K của vi điều khiển MC9S12DP512.
Trình tự kết nối các chân: RS - PK0 ; Enable - PK1 ; D[4:7] - PK[2:5]
Bảng 6.2 : Sơ đồ chân của LCD ký tự
1 VSS Mass
2 VDD Nguồn cung cấp cho LCD 3 V_Cons Chỉnh độ tương phản cho LCD 4 /RS Chọn thanh ghi trong LCD 5 R/W Đọc (1) / Ghi dữ liệu (0) 6 Enable Cho phép chọn LCD 7 D0 Bit 0 của byte dữ liệu 8 D1 Bit 1 của byte dữ liệu 9 D2 Bit 2 của byte dữ liệu 10 D3 Bit 3 của byte dữ liệu 11 D4 Bit 4 của byte dữ liệu 12 D5 Bit 5 của byte dữ liệu 13 D6 Bit 6 của byte dữ liệu 14 D7 Bit 7 của byte dữ liệu 15 LED_A Nguồn cho đèn LED nền của LCD 16 LED_K Mass cho đèn LED nền của LCD
- Vì trong chương trình , chỉ sử dụng chế độ: ghi ra trị lên LCD ( Write) mà khơng cĩ đọc giá trị từ LCD về ( Read) nên chân R/W của LCD được nối với Mass .
- Biến trở 20K ( R14 ) dùng để chỉnh độ tương phản cho LCD , khi V_Cons = 0V thì LCD cĩ màu đậm nhất.
- Nút nhấn SW4 dùng để bật đèn Led nền bên trong LCD , khi đĩ cĩ thể sử dụng LCD vào ban đêm.
Hình 6.15: Khối mạch động lực điều khiển động cơ
- Mạch sử dụng MosFet - IRF540 để điều khiển động cơ.
- Mạch động lực dùng nguồn 24V-12V riêng , khơng chung Mass với mơ-đun điều khiển. Sử dụng OPTO để : cách ly mạch động lực với mạch vi điều khiển và chuyển mức logic. - Cặp BJT bổ phụ Q1 ( D468 ) và Q3 ( B562 ) cải thiện q trình đĩng ngắt của MosFet
IRF540. Diod D6 dùng để xả năng lượng tích lũy trong động cơ . - Nguyên tắc hoạt động như sau:
+ Khi tín hiệu của chân điều rộng xung PWM0 của vi điều khiển MC9S12DP512 ở mức cao , sẽ làm cho OPTO khơng hoạt động . Áp tại điểm 4 (trước Diod D5) sẽ là 12Volt à làm Q1 dẫn ,Q3 tắt , nối tắt cực C và cực E của Q1 à Cực G của MosFet IRF540 sẽ ở
mức logic cao (12V) , MosFet dẫn à Động cơ sẽ chạy.
+ Ngược lại: Khi tín hiệu của chân điều rộng xung PWM0 của vi điều khiển MC9S12DP512 ở mức thấp, sẽ làm cho OPTO hoạt động . Áp tại điểm 4 (trước Diod D5 ) sẽ là 0 Volt – do nối tắt xuống mass à Làm Q1 tắt , Q3 dẫn, nối tắt cực C và cực E của Q3 à Cực G của MosFet IRF540 sẽ ở mức logic thấp ( 0 Volt – do nối tắt với Mass ) , MosFet bị tắt à Động cơ sẽ dừng lại.
- Chú ý: Trong trường hợp sử dụng OPTO để cách ly sẽ bị một hạn chế là- Khi điều rộng
xung tần số cao ( từ 10 Khz trở lên ), các OPTO cĩ chất lượng đĩng ngắt kém sẽ khơng đáp ứng tốt dẫn đến chất lượng đĩng ngắt của MosFet IRF540 giảm . Từ đĩ động cơ hoạt động sẽ khơng như ý muốn. Vì thế ,khi muốn điều rộng xung ở tần số cao ; trên sơ đồ mạch động lực, ta cĩ thể chọn kiểu điều khiển trực tiếp ( khơng dùng OPTO ) như sau: + Ở cơng tắc gạt SW9 , ta kéo lên ON vị trí thứ 2 ( ký hiệu Direct_0 ) và kéo về OFF vị
trí thứ 3 ( vị trí dùng OPTO ).
+ Kết nối Mass chung giữa mạch vi điều khiển và mạch động lực.
- Dây tín hiệu Encoder đưa về sẽ được gắn vào Jump ( J18 hay J19 )- kết nối trực tiếp với chân PortT.7 , là chân chức năng cho bộ đếm xung A của vi điều khiển MC9S12DP512.
- Ngõ vào là điện áp xoay chiều, biên độ 24VAC/ 5A . Sau đĩ qua cầu chỉnh lưu diod ,thành điệp áp một chiều . Tụ điện C10 ( 4700 uF/50V) dùng để làm phẳng điện áp sau chỉnh lưu. Điện áp sau chỉnh lưu sẽ qua IC ổn áp LM7824 thành áp 24VDC, tiếp tục qua tụ C9 (2200uF ) và IC ổn áp LM7812 thành áp 12VDC , cuối cùng qua IC ổn áp LM7805 thành áp 5VDC.
- Các BJT cơng suất loại PNP là: Q2 và Q3 ( BJT 2SA1302 ) dùng để khuyếch đại dịng điện ngõ ra sau các IC ổn áp (LM7824:24V , LM7812:12V ). Các điện trở cơng suất R7, R6 ( 3 Ohm/2W ) được sử dụng cĩ các chức năng sau:
+ Điện áp mức dẫn trên cực E-B của Q2 và Q3: VEB = 0.7 V ( theo datasheet) , nên các BJT Q2 và Q3 chỉ hoạt động khi dịng điện vào các IC ổn áp (LM7824 và LM7812) vượt qua ngưỡng : 0.233( ) 233( )
3 7 . 0 7 A mA R V I EB
nguong = = = = . Cĩ nghĩa là chỉ khi các ngõ ra 24V ( hay 12V) cần sử dụng dịng lớn ( từ 233mA trở lên ) thì các BJT cơng suất mới hoạt động để khuyếch đại dịng ngõ ra.
+ Ngồi ra ,các điện trở R6, R7 cịn cĩ chức năng cải thiện tốt việc đĩng/ngắt của các BJT: Q2,Q3.
- Các diod D9 , D10 , D13 cĩ nhiệm vụ bảo vệ các IC ổn áp khi ngõ vào mất điện đột ngột - Các Led D14, D15 , D16 cĩ nhiệm vụ báo hiệu khi cĩ các mức điện áp 24V , 12 V , 5V - Khối nguồn này được sử dụng theo các mục đích sau:
+ Điện áp 24V được kết nối vào 2 khối mạch động lực : cung cấp cho 2 động cơ DC (24V/20W) trong mơ hình.
+ Điện áp 12V được kết nối vào 2 khối mạch động lực : thực hiện phân cực cho các BJT ( D468 và B562) lái MosFet IRF540.
6.3 Sơ đồ mạch BDM-Pod : dùng để Nạp hay Debug cho họ vi điều khiển HCS12
Sơ đồ mạch này sử dụng vi điều khiển 8-bit AT90S2313 , thuộc họ AVR của hãng Atmel. Vi điều khiển AT90S2313 sẽ được nạp vào 1 chương trình -gọi là FirmWare . Sơ đồ mạch và
CHƯƠNG 7
GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH 7.1 Thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ , ổn định tốc độ động cơ DC 7.1.1 Sơ lược sơ đồ khối và hệ phương trình tốn
Hình 7.1 : Sơ đồ khối tổng quát của bộ điều khiển PI-Mờ
+ Ở đây, bộ điều khiển Mờ đĩng vai trị là Bộ chỉnh định các thơng số cho bộ điều khiển PI , dựa vào các biến đầu vào là : Sai số e(t) và đạo hàm sai số ( de/dt ).
+ Bộ điều khiển PI mới tạo ra tín hiệu điều khiển trực tiếp đối tượng · Mơ hình tốn cho bộ điều khiển PI :
u t =KPe t +KIịte x dx 0 ) ( ) ( ) ( (7.1) ) ) ( 1 ) ( ( ) ( 0 ị + = t I P e x dx T t e K t u (7.2) dt K e(t) de K dt du I P + = (7.3)
( ) (1 1 ) s T K s K K s G i P I p PI = + = + (7.4) D P I K K K a 2 = D I T T = a (7.5)
7.1.2 Thiết kế bộ điều khiển PI-Mờ
· Các nguyên tắc tạo luật hợp thành cho các thơng số của bộ điều khiển PI-Mờ :
- Ở đây, ta sẽ xây dựng các luật hợp thành cho các thơng số KP , KD,a rồi từ đĩ tính ra
giá trị của hệ số KI ( theo cơng thức (7.5) :
D P I K K K a 2 = ) .
Hình 7.2 : Sơ đồ chi tiết của bộ điều khiển PI-Mờ được dùng trong luận văn
- Trong điều khiển Mờ , khơng cĩ trình tự thiết kế (các luật hợp thành cho các thơng số
P
K , KD,a ) một cách chính quy ,nhưng ta cũng cĩ một vài nguyên tắc cơ bản để chỉnh định như sau :
- Nguyên tắc chung là là bắt đầu các trị KP , KD, a theo Zeigler-Nichols , sau đĩ dựa vào đáp ứng của hệ thống và thay đổi dần để tìm ra hướng chỉnh định thích hợp.
Hình 7.3: Đường cong đáp ứng Zeigler-Nichols
+ Lân cận 1a ta cần luật điều khiển mạnh để rút ngắn thời gian lên, do vậy chọn : KP lớn , KD nhỏ và a nhỏ.
+ Lân cận 1b ta tránh vọt lố lớn nên chọn : KP nhỏ, KD lớn , a lớn + Lân cận 1c và 1d giống như lân cận 1a và 1b.
+ Khi giá trị tuyệt đối của sai lệch lớn ta cần cĩ tín hiệu điều khiển mạnh để đưa nhanh sai lệch về 0. Dựa theo nguyên tắc này ta cĩ ma trận quan hệ chỉnh định ( Bảng luật hợp thành Mờ ) các thơng số KP , KD, a thường sẽ cĩ dạng gần đối xứng qua đường chéo