Điều khiển động cơ bước theo nhiệt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -------------------o0o---------------- BµI TËP LíN M«n: Vi xö lý §Ò tµi: §iÒu khiÓn ®éng c¬ b­íc theo nhiÖt ®é Gi¸o viªn h­íng dÉn: ThÇy Ph¹m Ngäc Nam Sinh viªn thùc tËp: Nhãm 5_§T9K47 1.NguyÔn Sü Dòng (nt) 2.NguyÔn Minh §øc 3.NguyÔn TiÕn Dòng 4.TrÞnh Hoµng Long 5.§µo TrÇn Hïng 6.NguyÔn TuÊn Anh Hà Nội.11/2005 Lêi më ®Çu Trong cuéc sèng hiÖn ®¹i ngµy nay c¸c øng dông vÒ ®iÒu khiÓn tù ®éng ®ang trë thµnh gÇn gñi víi hÇu hÕt mäi ng­êi. Lµ mét sinh viªn khoa §iÖn tö viÔn th«ng sau khi ®· häc xong m«n Vi xö lý chóng em thiÕt nghÜ m×nh cã thÓ lµm mét sè øng dông nhá vÒ ¸p dông nh÷ng kiÕn thøc vÒ Vi xö lý vµ c¸c Vi ®iÒu khiªn th«ng dông. §Ò tµi cña bän em lµ dùa vµo sù biÕn ®æi cña nhiÖt ®é ®Ó ®­a ra tÝn hiÖn ®iÒu khiÓn tèc ®é cña ®éng c¬ b­íc th«ng qua mét Vi ®iÒu khiÓn th«ng dông. Chóng em xin ch©n thµnh c¸m ¬n thÇy Ph¹m Ngäc Nam ®· hÕt lßng gióp ®ì bän em trong viÖc hoµn thµnh ®Ò tµi nµy. Ch­¬ng I Më ®Çu I. §Æt vÊn ®Ò Ngµy nay víi sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ vi ®iÖn tö c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn dÇn dÇn ®­îc tù ®éng hoµ. Víi nh÷ng kü thuËt tiªn tiÕn nh­ vi xö lý, vi ®iÒu khiÓn…®­îc øng dông vµo c¸c lÜnh vùc ®iÒu khiÓn th× c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn c¬ khÝ th« s¬, víi tèc ®é xö lý chËm Ýt chÝnh x¸c ®­îc thay thÕ b»ng c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng víi c¸c lÖnh ch­¬ng tr×nh ®· ®­îc thiÕt lËp tr­íc. Trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt ë c¸c nhµ m¸y, xÝ nghiÖp,viÖc ®o vµ khèng chÕ nhiÖt ®é tù ®éng lµ mét yªu cÇu hÕt søc cÇn thiÕt vµ quan träng. V× nÕu n¾m b¾t ®­îc nhiÖt ®é lµm viÖc cña hÖ thèng, d©y chuyÒn s¶n xuÊt …,gióp ta biÕt ®­îc t×nh tr¹ng lµm viÖc cña c¸c yªu cÇu vµ cã nh÷ng xö lý kÞp thêi ®Ó tr¸nh h­ háng vµ gi¶i quyÕt c¸c xù cè x¶y ra. §Ó ®¸p øng ®­îc yªu cÇu ®o vµ kh«ng chÕ nhiÖt ®é tù ®éng, th× cã nhiÌu ph­¬ng ph¸p ®Ó thùc hiÖn. Nghiªn cøu kh¶o s¸t c¸c vi xö lý vµ vi ®iÒu khiÓn, nhãm chóng em ®· thÊy r»ng viÖc khèng chÕ nhiÖt ®é b»ng ®éng c¬ b­íc cã nhiÒu ­u ®iÓm nh­: dÔ dµng ®iÒu khiÓn vËn tèc ®éng c¬ ®Ó khèng chÕ nhiÖt ®é nhê vµo qu¹t giã… Do trong ®iÒu kiÖn h¹n chÕ vÒ kinh tÕ, thêi gian vµ tr×nh ®é nªn nhãm chóng em chØ dõng l¹i ë viÖc m« pháng ®iÒu chØnh vËn tèc ®éng c¬ tù ®éng theo nhiÖt ®é m«i tr­êng vµ phÇn nhiÖt ®é m«i tr­êng nµy ®­îc hiÖn thÞ th«ng qua Led 7 thanh. II. Môc ®Ých ThiÕt kÕ - Ph¸t huy nh÷ng thµnh qu¶ øng dông cña vi ®iÒu khiÓn vµ vi xö lý t¹o ra nh÷ng s¶n phÈm tiªn tiÕn cã ®é tÝch hîp cao vÒ c«ng nghÖ. - ViÖc thùc hiÖn ®Ò tµi nµy gióp chóng em ®­îc tiÕp cËn víi thùc tÕ, ph¸t huy nh÷ng kiÕn thøc ®· ®­îc häc trong m«n Vi xö lý. - Qua ®©y cã thªm nhiÒu kinh nghiÖm gióp Ých sau khi ra tr­êng cã thÓ tham gia ngay vµo c¸c ho¹t ®éng s¶n xuÊt trong x· héi. III . Giíi thiÖu vÒ néi dung ®Ò tµi §Ò tµi §iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬ theo sù biÕn ®æi cña nhiÖt ®é m«i tr­êng 2. Chøc n¨ng cña hÖ thèng - §o, xö lý vµ hiÖn thÞ nhiÖt ®é cña m«i tr­êng th«ng qua hÖ thèng LED7 thanh. - §iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬ b­íc theo nhiÖt ®é cña m«i tr­êng. Khi nhiÖt ®é t¨ng th× vËn tèc ®éng c¬ (c¸nh qu¹t ) t¨ng vµ khi nhiÖt ®é gi¶m tèc ®é gi¶m. §éng c¬ cã kh¶ n¨ng ®¶o chiÒu quay ®Ó phôc vô nhiÒu môc ®Ých kh¸c nhau. Ch­¬ng II ThiÕt kÕ NhiÖm vô thiÕt kÕ ThiÕt m¹ch ®o nhiÖt ®é vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b­íc theo nhiÖt ®é sö dông m¸y tÝnh .VËy ta cÇn tr×nh tù thiÕt kÕ nh­ sau : + M¹ch c¶m biÕn + Bé chuyÓn ®æi sè t­¬ng tù + M¹ch Vi ®iÒu khiÓn + Bé gi¶i m· ®Þa chØ vµ hiÖn thÞ nhiÖt ®é th«ng qua LED7 + ThiÕt kÕ khèi c«ng suÊt cho ®éng c¬ + ViÕt ch­¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn S¬ ®å khèi hÖ thèng Nhiệt độ môi trường Sensor ADC Vi Điều khiển Khối Công suất Động cơ Bước Hiển thị x Bé c¶m biÕn ghi l¹i sù thay ®æi nhiÖt ®é cña nguån nhiÖt vµ chuyÓn vÒ ®¹i l­îng ®iÖn. Bé biÕn ®æi ADC chuyÓn tÝn hiÖu Analog thµnh tÝn hiÖu Digital ®­a vµo M¹ch ghÐp nèi . Khèi Vi ®iÒu khiÓn cã nhiÖm vô nhËn tÝn hiÖu sè tõ khèi ADC vµ ®­a vµo xö lý cho ra tÝn hiÖu hiÖn thÞ vµ xuÊt xung ®iÒu khiÓn ra khèi c«ng suÊt. M¹ch c«ng suÊt cã t¸c dông ®iÒu khiÓn ®éng c¬ §éng c¬ b­íc Khèi hiÖn thÞ hiÓn thÞ nhiÖt ®é m«i tr­êng hiÖn thêi II. ThiÕt kÕ vµ ph©n tÝch nguyªn lý cña tõng khèi 1.Bé c¶m biÕn §Ó ®o ®­îc nhiÖt ®é cÇn cã mét ®Çu ®o thÝch hîp. §Çu dß lµ mét c¶m biÕn nhiÖt ®é cã nhiÖm vô chuyÓn tõ nhiÖt ®é m«i tr­êng qua tÝn hiÖu ®iÖn. Cã rÊt nhiÒu lo¹i c¶m biÕn kh¸c nhau nh­ng ®èi víi hÖ thèng nµy ta sö dông IC c¶m biÕn. C¸c IC c¶m biÕn cã ®é chÝnh x¸c cao, dÔ t×m vµ gi¸ thµnh rÎ. Mét trong sè ®ã lµ LM35, lµ lo¹i th«ng dông trªn thÞ tr­êng hiÖn nay ®ång thêi nã cã nh÷ng ®Æc tÝnh lµm viÖc phï hîp víi thiÕt kÕ chi tiÕt cña m¹ch. Mét sè ®Æc tÝnh kü thuËt cña LM35 LM35 cã ®é biÕn thiªn theo nhiÖt ®é 10mV /1oC §é chÝnh x¸c cao, tÝnh nay c¶m biÕn nhiÖt ®é nh¹y, ë nhiÖt ®é 25oC nã cã sai sè kh«ng qu¸ 1%. Víi tÇm ®o tõ -55oC ®Õn 150oC, tÝn hiÖu ra tuyÕn tÝnh víi nh÷ng thay ®æi kü thuËt cña tÝn hiÖu vµo. Th«ng sè kü thuËt + Tiªu t¸n c«ng suÊt thÊp + Dßng lµm viÖc 138A – 141A + Kho¶ng ®iÖn ¸p lµm viÖc lµ 4-30V + sai sè dßng tÜnh 3A + Sù thay ®æi dßng theo nhiªt ®é lµ 0,7A/0C §Æc tÝnh ®iÖn Theo th«ng sè nhµ s¶n xuÊt LM35, quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é vµ ngâ ra ®iÖn ¸p ra nh­ sau : Vout = 250mV t¹i 250C 1500mV t¹i 1500C 55mV t¹i -550C ThiÕt kÕ m¹ch c¶m biÕn dïng LM335 : TÝnh to¸n vµ lùa chän linh kiÖn Ta chän R sao cho R= Vs/50uA 2. M¹ch ADC a. Giíi thiÖu vÒ ADC 0804 Mét sè ®Æc tÝnh kü thuËt cña ADC 0804 + Kh«ng yªu cÇu mét giao diÖn logic nµo ®Ó ghÐp nèi víi VXL + Thêi gian chuyÓn ®æi nhá h¬n 100s + Cã bé dao ®éng néi Nguyªn lý ho¹t ®éng cña ADC 0804: ADC b¾t ®Çu ho¹t ®éng khi ch©n CS vµ WR ®ång thêi ë møc thÊp (tÝch cùc ).Ch©n INTR ®­îc reset ®Ó ë møc cao ( kh«ng tÝch cùc ) TÝn hiÖu analog á c¸c ch©n VIN+ vµ VIN- ®­îc ®­a vµo lÊy mÉu vµ m· ho¸ trong 8 xung clock néi cña 0804. Sau dã ch©n INTR ®­îc chuyÓn xuèng møc thÊp (tÝch cùc) b¸o hiÖu cho vi ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi ADC ®· hoµn tÊt. Vi ®iÒu khiÓn ®­a tÝn hiÖu møc thÊp vµo ch©n RD cña 0804 ®Ó lÊy d÷ liÖn ra . (Ch©n RD vµ CS cã thÓ ®­îc nèi ®Êt). Qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi tiÕp theo l¹i b¾t ®Çu khi CS vµ WR nhËn ®­îc tÝn hiÖu ë møc thÊp ( tõ vi ®iÒu khiÓn ) b. S¬ ®å l¾p m¹ch ADC 3. M¹ch Vi ®iÒu khiÓn a. Giíi thiÖu s¬ l­îc vÒ 89C51 IC vi ®iÒu khiÓn 89C51 t­¬ng thÝch víi hä MSC51 cã c¸c ®Æc ®iÓm sau : + 4Kbyte FLASH ROM + 128 Bytes RAM + 4 Port 8bit + Hai bé ®Þnh thêi 16 bit + Cã mét port nèi tiÕp + Cã thÓ më réng ®Ó 64KB bé nhí ch­¬ng tr×nh ngoµi. + Bé xö lý bit - CÊu tróc bªn trong cña 89C51 TXD* RXD* T1* T2* P0 P1 P2 P3 INT\*1 INT\*0 TIMER2 TIMER1 PORT nối tiếp EA\ RST PSEN ALE Các thanh ghi khác 128 byte Ram Rom 4K-8051 OK-8031 Timer1 Timer2 Điều khiển ngắt Ñieàu khieån bus CPU Port noái tieáp Caùc port I\O Taïo dao ñoäng 18 19 12MHz 40 29 30 31 9 17 16 15 14 13 12 11 10 RD\WR\ T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 28 27 26 25 24 23 22 21 8 7 6 5 4 3 2 1 32 33 34 35 36 37 38 39 Po.7 Po.6 Po.5 Po.4 Po.3 Po.2 Po.1 Po.0 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 PSEN\ ALE EA\ RET Vcc 20 Vss 30p 30p XTAL1 XTAL2 S¬ ®å ch©n cña 89C51 M¹ch vi ®iÒu khiÓn cã t¸c dông nhËn tÝn hiÖu tõ bé biÕn ®æi ADC vµ xö lý ®­a ra tÝn hiÖu hiÓn thÞ nhiÖt ®é ®Ó truyÒn vµo bé gi¶i m· ®Þa chØ 7447 Ch©n 9 (RST) lµ m¹ch RESET M¹ch ghÐp nèi gi÷a ADC vµ vi ®iÒu khiÓn 4. M¹ch gi¶i m· ®Þa chØ vµ hiÓn thÞ tÝn hiÖu nhiÖt ®é ra Led ©, Giíi thiÖu vÒ IC gi¶i m· 7447 H×nh- IC 7447 IC 7447 lµ bé gi¶i m· cho LED hiÓn thÞ 7 thanh. Nã cã 4 ®Çu vµo lµ A, B, C vµ D (øng víi c¸c ch©n sè 7, 6, 1, 2) vµ 7 ®Çu ra (c¸c ch©n tõ 9 ®Õn 15 øng víi 7 thanh hiÓn thÞ cña ®Ìn LED 7 thanh). B¶ng ch©n lý cña IC nµy nh­ sau: §Çu vµo §Çu ra A B C D a b c d e f g 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 6 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 7 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 9 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 Trong tr­êng hîp riªng cña bµi thùc tËp nµy th× c¸c ch©n sè 3, 4 vµ 5 kh«ng ®­îc dïng ®Õn. b, Giíi thiÖu vÒ ®Ìn Led hiÓn thÞ §Ìn hiÓn thÞ LED 7 thanh: H×nh - LED hiÓn thÞ 7 thanh Trong bµi thùc tËp nµy ta sö dông lo¹i ®Ìn Anode chung, tøc lµ mét trong hai ch©n ë gi÷a cña hai hµng ch©n sÏ ®­îc nèi lªn +5V, c¸c ch©n cßn l¹i ®­îc nèi ®Õn ®Çu ra cña IC 7447 mét c¸ch t­¬ng øng theo tªn ch©n (nh­ ®· nªu trªn h×nh trªn ). 5. M¹ch C«ng suÊt M¹ch ®iÒu khiÓn sö dông IC ULN2003 lµ m¹ch khuÕch ®¹i c«ng suÊt m¾c kiÓu darlington cã diot ®Ó dËp ®iÖn ¸p ng­îc. a.Giíi thiÖu vÒ ULN2003 M¹ch t­¬ng ®­¬ng cña ULN2003 ULN2003 ngoµi t¸c dông ®ãng ng¾t dßng qua cuén d©y ®iÒu khiÓn ®éng c¬ cßn cã t¸c dông ng¨n ®iÖn ¸p ng­îc lµm háng c¸c m¹ch vi ®iÒu khiÓn. 6. §éng c¬ b­íc a)CÊu tróc ®éng c¬ b­íc A B C D A',B',C',D' b) Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn tèc ®é ®éng c¬ b­íc C¸c cuén d©y ®­îc cÊp dßng theo vßng. Mçi khi vßng d©y ®­îc cÊp dßng ®éng c¬ quay ®­îc 1 b­íc. AA' t BB' t CC' t DD' t H×nh : Ho¹t ®éng cña tõng cuén d©y trong ®éng c¬ b­íc A B C D Step motor Bé khuÕch ®¹i c«ng suÊt sö dông transistor m¾c kiÓu Darlington sö dông IC UNL2003. “ABCD” = “0001” à”0010”à”0100” --> “1000” à”0001”…. à”ABCD” thùc hiÖn lÖnh dÞch 4 lÇn ®éng c¬ quay 1vßng. Gi¶ sö ta cã vËn tèc t¹i thêi ®iÓm T0 = 25oC lµ 300 vßng /phót n0 = 3,3vßng/s à “ABCD” quay 3,3x4lÇn =13,2lÇn trªn mét d©y Víi xung nhÞp 2kHz th× à cø 2kHz/13,2 =151 = xung th× “ABCD” quay mét vßng. Ta cã c«ng thøc chuyÓn ®æi vËn tèc ®éng c¬ vµ nhiÖt ®é lµ ®é dÞch cña vËn tèc ®éng c¬ so víi tèc ®é t¹i 25oC ®é biÕn thiªn nhiÖt ®é nt = n0 + k1. Trong khu«n khæ bµi thùc hµnh ,®Ó ®¬n gi¶n ta chän k1 = k2 =2 , (®©y lµ ®iÓm cßn ch­a tèt cña ch­¬ng tr×nh cÇn ®­îc kh¾c phôc khi më réng ®Ò tµi) Tõ c¸c ph©n tÝch trªn ta cã s¬ ®å nguyªn lý cña m¹ch nh­ sau : IV. LËp tr×nh 1.L­u ®å thuËt to¸n cña ch­¬ng tr×nh Begin T.LËp mode cho 89C51 Cho ®éng c¬ khëi ®éng §Õm xung ®ång hå ADC biÕn ®æi xong Cho ®éng c¬ nh¶y 1 b­íc §äc nhiÖt ®é §ñ xung cho ®éng c¬ nh¶y tiÕp? Ch­¬ng tr×nh n¹p cho n¹p cho 89C51 nh­ sau : #include WR EQU P3.7 RD EQU P3.5 INTR EQU P3.6 ORG 0 LJMP MAIN ORG 00BH LJMP DONGCO MAIN: MOV R2,#11H ;00010001B MOV TMOD,#01H ;TIMER CHE DO 1 MOV P1,#0FFH ;CHON P1 LA CONG VAO MOV IE,10000111B ;CHO PHEP NGAT TIMER 0 MOV TH0,#0H MOV TL0,#0H SETB TR0 ;KHOI DONG BO TIMER 0 LAP: LCALL HIENTHI SJMP LAP HIENTHI: SETB RD ; RD=1 SETB WR ; WR=1 CLR WR ; BAT DAU CHUYEN DOI WAIT: JB INTR,WAIT ; KIEM TRA DA CHUYEN DOI XONG CHUA CLR RD ; XUAT DU LIEU RA VI DIEU KHIEN MOV A,P1 ;LUU VAO A MOV B,#05 MUL AB MOV R0,B MOV R1,A MOV B,#10 DIV AB SWAP A ORL A,B MOV P0,A DONGCO: CLR TR0 ; XOA TR0 MOV R5,A ; CAT TAM THOI A MOV A,R2 RR A MOV R2,A MOV P2,A MOV TH0,R0 MOV TL0,R1 MOV A,R5 SETB TR0 RETI END Tµi liÖu tham kh¶o: KÜ thuËt Vi xö lý T¸c gi¶: V¨n ThÕ Minh CÊu tróc vµ lËp tr×nh hä vi ®iÒu khiÓn 8051 T¸c gi¶: NguyÔn T¨ng C­êng _ Phan Quèc Th¾ng Datasheet cña c¸c linh kiÖn AT89c51, ULN2003, ADC0804, LM35, 74LS74AN, 74LS47 lÊy tõ www.alldatasheet.com