LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Nha Trang em xin chân
thành cảm ơn nhà trường, quý thầy cô trong khoa Khai Thác cũng như quý thầy cô
trong bộ môn Điện – Điện Tử đã tận tình dạy dỗ, tạo điều kiện học tập đầy đủ và
giúp đỡ cho em và các bạn đạt kết quả cao trong học tập.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS. Nhữ Khải Hoàn đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài này.
Xin gửi đến mọi người và bạn bè lòng biết ơn vì sự động viên và hỗ trợ mình để
đạt được kết quả ngày hôm nay.
Xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Cao Văn Hòa NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài:
Ứng dụng vi điều khiển thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều.
Họ và tên sinh viên thực hiện: Cao Văn Hòa
Mã số sinh viên : 4913024019
Khóa 49, chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện Tử.
Nhận xét của giáo viên phản biện :
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………………………………
Giáo viên phản biện
MỤC LỤC
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ………………………………… …… 1
1.1 . Lý do chọn đề tài…………………… ………………… …… ………1
1.2 . Mục đích thực hiện đề tài………………………………… ……… 1
1.3 . Nội dung đề tài…………………………… …………………… …… 1
1.4 . Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………2
1.5 . Giải quyết vấn đề…………………………………………………………2
Chương 2 : TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU…………………… 3
2.1. Tầm quang trọng của động cơ điện một chiều……………………… 3
2.2. Cấu tạo của động cơ điện một chiều……………………………… 3
2.2.1. Phần tĩnh hay stato…………………………………………………… 3
2.2.2. Phần quay hay roto…………………………………………………… 4
2.2.3. Nguyên lý làm việc và phương trình cần bằng điện áp của động cơ điện một
chiều……………………………………………………………………… 5
2.2.4. Mở máy động cơ điện một chiều và điều chỉnh tốc độ……………… 6
2.2.4.1. Mở máy động cơ điện một chiều………….……………………………6
2.2.4.1. Điều chỉnh tốc độ…………………………………………………… 7
Chương 3: CÁC LINH KIỆN LIÊN QUAN……………………………………… 9
3.1. Vi điều khiển MCS51…………………………………………….…… 9
3.1.1. Giới thiệu chung………………………………………………… 9
3.1.2. Giới thiệu vi điều khiển AT89x52…………………………………… 9
3.1.2.1. Sơ đồ chân của AT89x52…………………………………………… 11
3.1.2.2. Tổ chức bộ nhớ…………………………………………………… 13
3.1.2.3. Các bộ định thời/bộ đếm…………………………………………… 15
3.1.2.4. Điều khiển ngắt………………………………………………… 19
3.1.2.4.1. Khái quát……………………………………………………… 19
3.1.2.4.2. Xử lý ngắt………………………………………………….……… 21
4.3.7. Module đo tốc độ động cơ…………………………………………….44
4.4. Tìm hiểu phương pháp điều rộng xung (PWM) và thiết kế phần
mềm…………………………….……………………………………… 45
4.4.1. Tìm hiểu phương pháp điều rộng xung (PWM)…………… 45
4.4.2. Thiết kế phần mềm…………………………………………… 46
4.4.2.1. Lưu đồ thuật toán………………………………………….…………46
4.4.2.2. Sơ đồ thuật toán…………………………………………… 47
4.4.2.3. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Visual Basic với truyền thông nối
tiếp………………………………………………………………… … 49
4.4.2.4. Phần mềm viết chương trình nạp cho vi điều khiển…… … 49
Chương 5 : ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN…………………………… 52
5.1. Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả……………………………… 52
5.1.1. Chạy thử nghiệm…………………………………………………… 52
5.1.2. Đánh giá kết quả thu được………………………… ……………… 53
5.2. Kết luận………………………………………………………………53
5.3. Hướng phát triển đề tài…………………………………….…………54
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………… …………55
PHỤC LỤC……………………………………………………… ………… 56
i
DANH MỤC CÁC BẢNG
TÊN
BẢNG
NỘI DUNG TRANG
Bảng 3.1 Các chức năng riêng của các chân cổng p3 11
Bảng 3.2 Trạng thái thanh ghi sau khi reset 13
Bảng 3.3 Một số thanh ghi chuyên dụng của vi điều
khiển AT89X52
15
DANH MỤC CÁC HÌNH
TÊN HÌNH
NỘI DUNG TRANG
Hình 2.1 Hình ảnh cấu tạo chung của động cơ một chiều 8
Hình 3.1 Sơ đồ chân vi điều khiển 10
Hình 3.2 Mạch tạo dao động cho bộ tạo dao động trên chip
AT89X52
13
Hình 3.3 Sơ đồ nghép nối truyền thông nối tiếp 24
Hình 3.4 Sơ đồ chân IC MAX232 26
Hình 3.5 Cổng nối tiếp RS232 gồm 2 loại :25 chân và 9 chân. 27
Hình 3.6 LCD 16X12 29
Hình 3.7 Sơ đồ chân 74ls148 33
Hình 3.8 Transistor H1061 34
Hình 4.1 Sơ đồ chức năng Module điều khiển động cơ. 35
Hình 4.2 Chương trình ocard 36
Hình 4.3 Sơ đồ module nguồn 37
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 38
Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng 2 tín hiệu điều
khiển
39
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng 4 tín hiệu điều
khiển
40
Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý module mạch cầu H 42
Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý module vi điều khiển 42
Hình 4.9 Sơ đồ khối giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển 43
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp máy tính 43
Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển
tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định, tốc độ cao và các hệ thường xuyên
hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều.
Một số ứng dụng quan trọng của động cơ điện một chiều như truyền động cho
xe điện, máy công cụ, máy vận chuyển, máy cán, máy nghiền, v.v…
Chính vì vậy “ Ứng dụng vi điều khiển thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một
chiều” là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao.
1.2. Mục đích thực hiện đề tài
Thiết kế mô hình và xây dựng chương trình để điều động cơ một chiều, hiển thị
quá trình hoạt động của động cơ.
Hiển thị quá trình hoạt động của mô hình lên máy tính thông qua cổng RS232.
1.3. Nội dung đề tài
Với đề tài như trên ta cần hoàn thành các nội dung như sau:
- Tìm hiểu sơ lược về động cơ điện một chiều.
- Tìm hiểu về vi điều khiển và các linh kiện liên quan.
- Thiết kế hệ vi điều khiển thực hiện các chức năng sau:
+ Điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ một chiều.
+ Hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ một chiều.
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch cầu H và áp dụng vào mô hình để điều
chỉnh động cơ.
- Hiển thị quá trình hoạt động của mô hình lên máy tính.
2
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
tiễn.
- Tiếp thu kiến thức và kinh nghiệm từ giáo viên hướng dẫn và những người có
cùng chuyên môn.
- Tham khảo tài liệu từ internet, sách báo liên quan đến những vấn đề cần tìm
hiểu.
3
Chương 2
TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi một loại máy quan
trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay
chiều thông dụng.
Do động cơ điện một chiều có ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt,
khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Chính vì vậy mà động cơ điện
một chiều được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao điều chỉnh
tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…
Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của
nó như so với máy điện xoay chiều như giá thành chế tạo đắt và bảo quản cổ góp
điện phức tạp hơn. Tuy nhiên do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều
vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất.
2.2. Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần
động.
2.2.1. Phần tĩnh hay stato.
Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:
a. Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật
điện hay thép cacbon ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng
thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ
được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách
điện thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn
dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
5
b. Dây quấn phần ứng: dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và
có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách
điện. Trong máy điện nhỏ có công suất tới vài KW thường dùng dây có tiết diện
tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn
được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
c. Cổ góp: cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp
mica dày và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hình ốp hình chữ
V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có
cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được
dễ dàng.
d. Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế
tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục
máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành
góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.
- Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần cứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy
thường làm bằng thép cacbon tốt.
2.2.3. Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện
một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có
dòng diện. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chiệu lực tác dụng
làm cho roto quay. Chiều lực xác định theo quy tắt bàn tay trái. Nhờ có cổ góp
(vành đổi chiều) mà dòng điện một chiều đưa vào cổ góp sẽ biến thành dòng xoay
chiều trong các thanh dẫn của phản ứng làm cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.
=
60
Đối với động cơ, dòng điện I
ư
ngược chiều với suất điện động, nên E
ư
còn gọi là
sức phản điện.
Mômen điện từ của động cơ một chiều là:
trong đó hệ số K
M
phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn:
a
pN
K
M
π
2
=
- N: số thanh dẫn.
- 2a: số nhánh song song.
Đối với động cơ, mômen điện từ là mômen quay, cùng chiều với tốc độ quay n.
2.2.4.1. Mở máy động cơ điện một chiều
Phương trình cân bằng điện áp của động cơ một chiều:
U = E
ư
7
Mắc biến trở vào mạch pần ứng, lúc đó dòng điện mở máy phần ứng khi có biến
trở mở máy là:
I
më
= U/ ( R+R
më
)
Ban đầu để biến trở mở máy R
mở
lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng
lên, suất điện động E
ư
tăng và điện trở mở máy giảm dần đến 0, máy làm việc đúng
điện áp định mức.
b. Giảm điện áp đặt vào phần ứng
Phương pháp này được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh
điện áp, ví dụ trong hệ thống máy phát - động cơ, hoặc nguồn một chiều chỉnh lưu.
2.2.4.2 Điều chỉnh tốc độ
Ta có từ phương trình cân bằng điện của động cơ điện một chiều:
U=E
ư
+ R
ư
. I
ư
đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều.
Hình 2.1: Hình ảnh cấu tạo chung của động cơ một chiều.
9
Chương 3 Hình 3.1: Sơ đồ chân vi điều khiển.
- PORT 0:
Là PORT có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ
(không dùng bộ nhớ mở rộng) có hai chức năng như các đường I/O. Đối với các
thiết kế cỡ lớn (với bộ nhớ mở rộng ) nó kết hợp giữa các bus.
- PORT 1:
Là port I/O trên các chân 1-8, các chân được ký hiệu p1.0,p1.1,p1.2,…có thể
dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần. Cổng P1 không có chức năng
khác, vì vậy chúng chỉ được dùng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.
- PORT 2:
Là cổng I/O có tác dụng kép, được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte
của bus của địa chỉ 16 bit đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.
- Port3:
Là cổng I/O song song có tác dụng kép. Các chân của port này có nhiều chức
năng. Bảng 1 cho ta chức năng của các chân cổng P3.
11
#INT0
#INT1
T0
T1
#WR
#RD
Đường vào dữ liệu cổng nối tiếp
Đường xuất dữ liệu cổng nối tiếp
Đường vào ngắt ngoài 0
Đường vào ngắt ngoài 1
Đường vào của bộ định thời/bộ đếm 0
Đường vào của độ định thời /bộ đếm 1
Tín hiệu ghi dữ liệu bộ nhớ ngoài
Tín hiệu ghi dữ liệu
12
xung lập trình khi lập trình cho FLASH, khi đó chân tín hiệu ở mức 0. Khi hoạt
động bình thường, tín hiệu ALE được phát ra với tần số không đổi bằng 1/6 tần số
của bộ dao động trên chip, và có thể sử dụng cho mục đích định thời.
Chân tín hiệu truy suất ngoài EA (External access):
Tín hiệu vào EA (chân 31) được nối với 5v (mức logic 1) hoặc với GND (mức
0). Nếu ở mức 1, vi điều khiển thi hành chương trình từ ROM nội. Nếu ở mức 0, vi
điều khiển sẽ thi hành chương trình ở bộ nhớ mở rộng. Chân EA được lấy làm chân
cấp nguồn 12v khi lập trình cho FLASH trong vi điều khiển.
RST (Reset):
Ngõ vào RST trên chân 9 là ngỏ vào reset của vi điều khiển dùng để thiết lập lại
hệ thống. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất hai chu kỳ máy, các
thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống).
Trạng thái các thanh ghi của vi điều khiển được tóm tắt trong bảng 3.2 sau khi reset:
Thanh ghi Nội dung
Bảng 3.2: Trạng thái các thanh ghi sau khi reset.
Các chân XTAL1, XTAL2:
Là chân 18,19 được nối với bộ tạo dao động trên chip.
Tần số của dao động thường được sử dụng là 11,0592MHZ, 12MHZ. Tụ có giá
trị 33p. Chân VCC nối đến +5v của nguồn cấp, chân GND nối đất.
Mạch tạo dao động như sau:
Hình 3.2: Mạch tạo dao động cho bộ tạo dao động trên chip AT89X52.
3.1.2.2. Tổ chức bộ nhớ
- RAM trong:
11.0592M
33p33p
1918
14
Bộ vi điều khiển AT89x52 có 256 byte RAM trong bao gồm 32 byte đầu tiên
(00h đến 1FH) dành cho các thanh ghi, 16 byte tiếp theo (20H đến 2FH) là vùng
RAM định địa chỉ theo bit, sau đó là 80 byte RAM nháp.
Vùng thanh ghi có 32 byte, chia thành 4 khối (bank 0 đến bank 3), mổi khối có 8
thanh ghi r0 đến r7.
Ở vùng RAM định địa chỉ theo bit, các bit được đánh địa chỉ từ 00H đến 7FH.
Các thanh ghi chuyên dụng (SFR):
Các thanh ghi này có địa chỉ từ 80H đến FFH. Chúng chứa nội dung của các
thanh ghi điều khiển.
8CH
15
Byte cao bộ định thời/bộ đếm 1
Cho phép ngắt
Điều khiển ưu tiên ngắt
Từ trạng thái chương trình
Thanh ghi tích lũy
Thanh ghi B
TH1
IE
IP
PSW
ACC hoặc A
B
8DH
A8H
B8H
D0H
E0H
F0H
Bảng 3.3: Một số thanh ghi chuyên dụng của vi điều khiển AT89X52.
3.1.2.3. Các bộ định thời/bộ đếm
Vi điều khiển MCS51 có 2 bộ ‘timer/counter’ 16 bit có thể hoạt động ở các chế
độ khác nhau và có khả năng ‘timer’ hay ‘counter’. Khi hoạt động định thời (timer),
bộ ‘timer/counter’ sẽ nhận xung đếm từ giao động nội. Khi đếm sự kiện (counter),
bộ ‘timer/counter’ nhận xung đếm từ bên ngoài.
Mỗi bộ ‘timer/counter’ có 4 chế độ hoạt động, tùy theo chế độ hoạt động các bộ
đếm của ‘timer/counter’ đếm lên 8 bit hay 16 bit.
GATE1 C/T1 M1(1) M0(1) GATE0 C/T0 M1(0) M0(0)
Copyright: Tài liệu đại học ©