Lời cảm ơn
Lời cảm ơn
Với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa Điện tự động hóa Trường
Cao Đẳng Công Nghệ Đại học Đà Nẵng cùng với người thân, gia đình và bạn bè,
chúng em đã hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định.
Để đạt được thành công này, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo
Phó giáo sư-Tiến sĩ Đoàn Quang Vinh, người đã luôn theo dõi, chỉ bảo tận tình cho
em trong suốt thời gian thực hiện đề tài, người đã đóng góp ý kiến và hướng dẫn em
hoàn thành đồ án. Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô
giáo trong khoa Điện tử động đã tận tình dạy dỗ chúng em trong những năm học
vừa qua. Cuối cùng, chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè
đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Trần Nguyễn Quốc Huy
Phan Hoàng Anh
Nguyễn Đức Ba
Nguyễn Tấn Thạch
Lời cam đoan
Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Lời cam đoan
Kính gởi: Hội đồng bảo vệ tốt nghiệp khoa Điện tự động – Trường Cao Đẳng
Công Nghệ – Đại học Đà Nẵng.
Em tên là: Trần Nguyễn Quốc Huy
Phan Hoàng Anh
Nguyễn Đức Ba
Nguyễn Tấn Thạch
Đang là sinh viên lớp 08LTĐ – Khoa Điện tự động – Trường Cao Đẳng
Công Nghệ – Đại học Đà Nẵng.

2.2.2 Bộ dao động của PIC16F887.......................................................11
2.2.3 Các Port I/O.................................................................................12
2.2.4 Hoạt động của khối giao tiếp EUSART.......................................13
2.2.5 Cấu tạo và hoạt động của khối điều xung PWM..........................15
2.2.6 Ngắt ngoài trên chân RB0............................................................17
2.2.7 Cấu tạo và hoạt động của bộ Timer1............................................18
Mục lục
2.2.8 Cách nạp cho PIC16F887............................................................18
1.6. Kết chương ........................................................................................ 20
Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng...................................................21
1.7. Mở chương ........................................................................................ 21
1.8. Nội dung ............................................................................................ 21
3.2.1 Sơ đồ khối phần cứng..................................................................21
3.2.2 Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của các khối mạch........................22
3.2.3 Tính toán các thông số của mạch.................................................24
3.2.3.1 Mạch đảo chiều động cơ.......................................................24
3.2.3.2 Tính toán cho FET................................................................25
3.2.3.3 Tính toán mạch lái cho FET..................................................27
3.3.4 Layout và thi công mạch..............................................................30
1.9. Kết chương ........................................................................................ 31
Chương 4 : Thiết kế phần mềm....................................................................32
1.10. Mở chương ...................................................................................... 32
1.11. Nội dung .......................................................................................... 32
4.2.1 Phần mềm cho vi điều khiển PIC16F887.....................................32
4.2.1.1 Thuật toán chương trình chính..............................................32
4.2.1.2 Thuật toán chương trình xử lý phím......................................35
4.2.1.3 Thuật toán chương trình đo tốc độ động cơ..........................38
4.2.1.4 Thuật toán chương trình phục vụ ngắt nhận UART..............40
4.2.2 Phần mềm trên máy vi tính giao tiếp với mạch điều khiển..........42
1.12. Kết luận chương ............................................................................... 47

Đề tài thực hiện việc điều khiển thông qua vi điều khiển PIC16F887A, chính
vì vậy đề tài nghiên cứu sâu về việc ổn định tốc độ động cơ điện một chiều. Trong
giới hạn thời gian nghiên cứu cho phép, đề tài chỉ phát triển một hệ thống điều
khiển đơn giản. Các thiết bị được giám sát và điều khiển tiêu tốn rất ít năng lượng
sẽ mang lại lợi ích kinh tế và hiệu quả sử dụng cao.
Nội dung của đồ án gồm:
Chương 1: Động cơ điện 1 chiều
Chương 2: Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F887A
Chương 3:Thiết kế và thi công phần cứng
Chương 4: Thiết kế phần mềm
Phương pháp nghiên cứu của đồ án là tính toán thiết kế mạch, xây dựng các
lưu đồ thuật toán và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của thiết kế và
các lưu đồ thuật toán đã xây dựng.
Với phương pháp trên, đồ án đã được thiết kế và thi công thành công.
Vì thời gian chuẩn bị không nhiều cùng với kiến thức còn hạn hẹp, đồ án
không tránh khỏi những sai sót, chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của
các thầy cô trong khoa, chúng em xin chân thành cảm ơn.
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 06 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Trần Nguyễn Quốc Huy
Phan Hoàng Anh
Nguyễn Đức Ba
Nguyễn Tấn Thạch
Chương 1: Động cơ điện một chiều
Chương 1: Động cơ điện một chiều
1.1. Giới thiệu chương
Chương này giới thiệu cơ bản về động cơ DC, các phương pháp điều khiển
tốc độ động cơ và phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng thuật toán PID.
1.2. Nội dung
1.2.1 Giới thiệu động cơ DC

I a
g
a
aaaa
e
dt
di
LiRu
++=
(1.1)
nke
vg
Φ=
(1.2)
Trong đó Φ là từ thông do nam châm vĩnh cữu gây ra. n là tốc độ động cơ.
Momen điện từ:
T
d
= K
t
Φi
a
(1.3)
Phương trình của động cơ:
Ld
TB
dt
d
JT
++=

tốc độ, ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp 1 chiều thay đổi thường
khó khăn, do vậy người ta dùng phương pháp điều xung (PWM):
Hình 1.1 Điều chỉnh độ rộng xung PWM.
Phương pháp điều xung sẽ giữ tần số không đổi, thay đổi chu kì nhiệm vụ
(Duty cycle) để thay đổi điện áp trung bình đặt lên động cơ.
Điện áp trung bình:
in
on
dk
V
T
T
V
=
Do đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng qua động cơ là dòng liên tục, gợn
sóng như sau:
Hình 1.2 Dạng sóng dòng và áp trên động cơ.
Trang 3
Chương 1: Động cơ điện một chiều
1.2.4 Khảo sát hàm truyền
1.2.4.1 Hàm truyền lý tưởng:
Biến đổi Laplace các công thức từ (1.1) – (1.4 ) ta được:
U
a
(p) = R
a
I
a
(p)+pL
a

pB
pTpT
pn
τπ
(1.13)
(1.14)
Trong đó:
a
τ
=L
a
/R
a
Hằng số thời gian của mạch phần ứng
m
τ
=J/B Hằng số thời gian cơ.
Vậy ta có mô hình hệ thống như sau:
Hình 1.3 Mô hình hệ thống động cơ điện DC
Khi momen tải bằng 0, ta có:
Φ+++
Φ
=
vma
t
a
a
Kpp
K
BR

)
Khi t = T, n = kU(1-e
-1
)=0.63kU=0.63n
max
Vậy trên đồ thị ta xác định điểm tại đó n=0.63n
max
sau đó tìm được T.
Dựa vào đồ thị tìm được bằng thực nghiệm ta tìm được kU và T.
Hình 1.4 Đồ thị tìm được bằng thực nghiệm của động cơ DC
kU = 150 vòng/s
T = 30ms=0.03s
Trang 5
Chương 1: Động cơ điện một chiều
Vậy hàm truyền gần đúng:
103.0
5.37
103.0
24/150
1
+
=
+
=
+
=
ppTp
k
G
1.2.5 Phương pháp ổn định động cơ dùng thuật toán PID

Thời gian ổn
định
Sai lệch so với trạng
thái bền
K
P
Giảm Tăng Ít thay đổi Giảm
K
I
Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu
K
D
Ít thay đổi Giảm Giảm Ít thay đổi
Bảng 1.1 Luật điều khiển PID
Dựa vào bảng trên ta thấy rằng luật tỉ lệ (P) có đặc điểm tác động nhanh
nhưng không triệt tiêu được sai lệch, đồng thời làm vọt lố của hệ thống tăng. Khâu
tích phân cho phép triệt tiêu sai lệch nhưng tác động chậm. Khâu vi phân phản ứng
Trang 6
Chương 1: Động cơ điện một chiều
với tốc độ biến thiên của sai lệch. Ta cần xác định các thông số K
p
, K
i
, K
d
để được
hệ thống có chất lượng mong muốn.
 Thuật toán của bộ điều khiển PID số:
Khâu tỉ lệ P (Proportional): G
P

)(
1
−
−=
−
=
zK
Tz
z
KzG
dDD
với thành phần
vi phân xấp xỉ bởi
T
TnenTe
dt
tde ))1(()()(
−−
=
Vậy ta được hàm truyền khâu PID rời rạc:
)1(
1
1
)(
)(
1
1
−
−
−+

k-1
= K
p
(e
k
– e
k-1
) + K
i
e
k
+ K
d
(e
k
– 2e
k-1
– e
k-2
)
1.2.5.2 Phương pháp hiệu chỉnh thông số bộ PID Ziegler-Nichols:
Thông thường việc chọn các thông số P, I, D được xác định bằng thực
nghiệm dựa vào đáp ứng xung của hệ thống. Ziegler – Nichols đưa ra phương pháp
chọn tham số PID cho mô hình quán tính bậc nhất có trễ. Ở đây ta xấp xỉ hàm
truyền của động cơ để dùng phương pháp này, tuy không hoàn toàn chính xác
nhưng có thể cho đáp ứng tương đối tốt.
Phương pháp này đỏi hỏi phải tính được giá trị giới hạn của của khâu tỉ lệ
K
gh
và chu kì giới hạn của hệ kín T

Để tìm được K
gh
và T
gh
, ban đầu ta chỉnh K
i
, K
d
bằng 0 sau đó tăng từ từ K
p
để hệ thống ở biên giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi), tại đây
ta xác định được K
gh
và T
gh
sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ điều khiển
như bảng trên.
Ki = Kp/Ti
Kd = KxTd
Để thuận tiện trong quá trình điều chỉnh và quan sát đáp ứng của động cơ, đồ
án này đã xây dựng chương trình viết bằng VB trên máy tính để giao tiếp với mạch
điều khiển. Phần này sẽ được giới thiệu trong chương 4.
1.3. Kết chương
Chương này đã giới thiệu cơ sở lý thuyết về động cơ, phương pháp điều
khiển động cơ và thuật toán điều khiển PID.
Chương tới sẽ giới thiệu vi điều khiển PIC16F887, trong đề tài này
PIC16F887 được sử dụng làm khối điều khiển trung tâm, điều khiển động cơ dùng
thuật toán PID và giao tiếp với máy tính theo chuẩn giao tiếp RS232 cho phép
người sử dụng giám sát trạng thái của động cơ.
Trang 8

Hình 2.1 Sơ đồ khối của PIC16F887
Trang 10
Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887
2.2.2 Bộ dao động của PIC16F887
Sơ đồ khối của bộ dao động được minh họa trong hình 2.2.
Hình 2.2 Sơ đồ khối bộ dao động của PIC16F887
Clock hệ thống của PIC16F887 có thể được chọn từ hai nguồn dao động nội
(Internal Oscillator) hoặc dao động ngoại (External Oscillator) nhờ bộ chọn kênh
MUX. Bộ MUX được điều khiển bởi các bit FOSC<2:0> (bit 2, bit 1, bit 0 của
thanh ghi CONFIG1 16-bit định vị tại địa chỉ 2007H và 2008H trong bộ nhớ
chương trình) và bit SCS<0> (bit 0 của thanh ghi OSCCON). Nếu SCS = 1, clock
hệ thống được chọn từ INTOSC. Nếu SCS = 0, clock hệ thống được chọn từ bộ dao
động ngoại. Các bit FOSC<2:0> được sử dụng để cấu hình bộ dao động ngoại là
LP, XT, HS, RC, RCIO hay EC.
 Bộ dao động nội gồm 2 bộ dao động HFINTOSC 8MHz và LFINTOSC
31kHz. Clock 8MHz của bộ HFINTOSC được chia thành các tần số
8MHz, 4MHz, 2MHz, 1MHz, 500kHz, 250kHz, 125kHz nhờ bộ chia tần
số postscaler. Các bit IRCF<2:0> điều khiển bộ MUX chọn kênh cho
INTOSC.
Trang 11
Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887
 Bộ dao động ngoại (được tích hợp bên trong PIC) cần được kết nối với
các bộ lọc tại các chân OSC1, OSC2. Trong đề tài, tôi sử dụng thạch anh
12MHz và 2 tụ 33pF kết nối như hình 2.3. Bộ dao động ngoại được hoạt
động ở chế độ HS. Tín hiệu dao động được qua bộ đệm Trigger theo sườn
xuống và tạo thành xung clock HS 12MHz cung cấp cho clock hệ thống.
Hình 2.3 Bộ dao động ngoại ở chế độ HS.
2.2.3 Các Port I/O
PIC16F887 tất cả 35 chân I/O mục đích thông thường (GPIO: General
Purpose Input Ouput) có thể được sử dụng. Tùy theo những thiết bị ngoại vi được

SYNC=0 cấu hình EUSART hoạt động ở chế độ không đồng bộ. SPEN=1
cho phép bộ EUSART hoạt động và cấu hình chân TX/CK là chân xuất.
- Quá trình truyền được khởi tạo bằng cách ghi dữ liệu truyền vào thanh
ghi TXREG. Nếu đây là dữ liệu truyền đầu tiên hoặc dữ liệu truyền trước
đã truyền hoàn tất thì dữ liệu trong TXREG ngay lập tức sẽ được truyền
vào thanh ghi TSR. Nếu thanh ghi TSR vẫn còn chứa dữ liệu của ký tự
truyền trước thì dữ liệu mới trong TXREG sẽ được giữ cho đến khi bit
Stop của ký tự đang truyền hoàn tất. Sau đó dữ liệu chờ trong TXREG sẽ
được truyền vào TSR.
- Các bước thiết lập quá trình truyền:
o Khởi tạo cặp thanh ghi SPBRGH, SPBRG và các bit BRGH,
BRG16 để cấu hình tốc độ Baud.
o Thiết lập bit SYNC=0, và bit SPEN=1.
o Gởi dữ liệu cần truyền vào TXREG, quá trình truyền sẽ bắt đầu.
 Hoạt động nhận:
Sơ đồ khối bộ nhận được thể hiện trong hình 2.6.
Dữ liệu được nhận trên chân RX/DT và đẩy vào khối Data Recovery. Khi tất
cả 8 hoặc 9 bit của ký tự nhận đã được dịch vào, chúng sẽ ngay lập tức được
chuyển vào bộ đệm 2 ký tự FIFO. Bộ đệm FIFO và thanh ghi RSR không thể
truy cập trực tiếp bằng phần mềm mà được truy cập gián tiếp thông qua
thanh ghi RCREG. Dữ liệu trong bộ đệm nhận được đọc bằng cách đọc
thanh ghi RCREG. Bộ nhận được kích hoạt khi cấu hình các bit CREN=1,
SYNC=0, SPEN=1. CREN=1 kích hoạt bộ nhận của EUSART. SYNC=0
cấu hình EUSART hoạt động ở chế độ không đồng bộ. SPEN=1 cho phép bộ
EUSART hoạt động và cấu hình chân RX/DT là chân nhập.
Trang 14
Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887
Cờ ngắt nhận RCIF=1 khi bộ nhận EUSART được kích hoạt và có một ký tự
đã được nhận trong bộ đệm nhận FIFO và chưa được đọc. Bit RCIF là bit chỉ
đọc, không thể ghi bằng phần mềm. Ngắt nhận được kích hoạt khi cấu hình

.(giá trị Prescale của TMR2)
Ở đây T
OSC
là chu kỳ của clock hệ thống. T
OSC
= 1/F
OSC.
Độ rộng xung được tính theo công thức sau:
Độ rộng xung = (CCPxL:CCPxCON<5:4>).T
OSC
.(giá trị Prescale của TMR2)
Trang 16
Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887
2.2.6 Ngắt ngoài trên chân RB0
Hình 2.9 là sơ đồ khối logic của hệ thống ngắt trong PIC16F887.
Hình 2.9 Sơ đồ khối logic của hệ thống ngắt trong PIC16F887.
Ngắt ngoài trên chân RB0 được kích khởi theo sườn. Sườn lên nếu như bit
INTEDG=1 (bit 6 của thanh ghi OPTION_REG), sườn xuống nếu INTEDG=0. Khi
một sườn thích hợp xuất hiện trên chân RB0, cờ INTF được bật lên 1. Ngắt này có
thể được cho phép nếu bit INTE=1, không cho phép nếu INTE=0. Cờ INTF cần
được xóa bằng phần mềm trong trình phục vụ ngắt trước khi cho phép ngắt trở lại.
Trang 17
Chương 2: Giới thiệu vi điều khiển PIC16F887
2.2.7 Cấu tạo và hoạt động của bộ Timer1
Bộ timer1 là bộ định thời 16-bit có cấu tạo như hình 2.10.
Hình 2.10 Sơ đồ khối của bộ timer1.
Bộ timer1 là bộ đếm lên 16-bit được truy xuất gián tiếp thông qua cặp thanh
ghi TMR1H, TMR1L. Đọc hoặc ghi các thanh ghi này sẽ cập nhật trực tiếp giá trị
cho bộ timer. Khi được sử dụng với nguồn clock nội, bộ timer 1 sẽ có vai trò là bộ
định thời. Khi được sử dụng với nguồn clock ngoại, nó sẽ có vai trò là định thời