4 6 11 điều khiển đo và cắt chiều dài dùng vi xử lí

Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Điện – Điện Tử
Bộ Môn Tự Động



Đề Tài:

GVHD : THẦY LƯƠNG VĂN LĂNG
SVTH :
HUỲNH NHẬT LINH
MSSV : 49700780
LỚP : DD97TD
KHÓA : 1997-2002


THÁNG 1 NĂM 2002

Chương 1: Thuyết minh Thiết kế và vận hành mơ hình
máy đo và cắt chiều dài.

I.

II.
III.

1

Giới thiệu chung
1
Nguyên lí làm việc

2
Các Lưu đồ điều khiển hệ thống
8

Chương 2: Thiết kế phần cứng
13
1. Mạch Vi Xử Lí
2. Khối tạo địa chỉ
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Khối giao tiếp Vi xử lý và RAM(62256)
18
Khối đếm xung
19
Khối hiển thị
20
Khối bàn phím
21
Khối Mạch động lực
22
Mạch đóng ngắt dao
23

Chương 3:
I.

Điều Chỉnh Vị Trí Động Cơ DC

25
Khái niệm
25

13
15


II. Điều khiển vị trí
dùng các vịng phản
hồi
25
III. Thuật tốn điều
khiển PID
26
IV. Điều khiển vị trí
dùng logic mờ
39
Chương 4:
A. Động Cơ DC
I. Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ

độc lập hoặc kích từ kích thích song song
41

41

II.

Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp

49

III. Các phương pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ điện một chiều
51

B.

Bộ giải mã vị trí
54

I.

Encoder số

54

Chương 5: Phụ lục
59

A.

Giới Thiệu Vi Xử Lý AT89C52
59

B.

Giới Thiệu Các IC Sử Dụng Trong Đề Tài
74

C.

Chương trình điều khiển
80

Chương1:

Thuyết minh
Thiết kế và vận hành mơ hình
máy đo và cắt chiều dài.
I.Giới thiệu chung:
1.1 .Sơ đồ ngun lý mơ hình máy đo và cắt

chiều dài:


1.2. Bộ điều khiển mơ hình máy cắt dùng để điều khiển 1 động cơ điện 1
chiều cùng với con lăn kéo chiều dài đối tượng cần cắt được cuộn trong Robbin
, động cơ chạy với tốc độ tùy thuộc chiều dài, thời gian cài đặt. Điều khiển 1
dao cắt để cắt đối tượng khi động cơ đã kéo đúng chiều dài. Trong q trình
mơ hình vận hành tín hiệu phản hồi được lấy về từ Encoder đưa vào bộ điều
khiển xử lý, xuất tín hiệu điều khiển động cơ và dao cắt.
1.3. Bộ điều khiển sử dụng điện áp +5V lấy từ điện áp 220v(50Hz) qua bộ
chỉnh lưu áp .
1.4. Động cơ điện 1 chiều để kéo đối tượng sử dụng áp+ 24V, kích tư ø+

24V, vì động cơ củ nên thông số không đầy đủø. Một dao cắt được làm từ Role
sử dụng áp +110V.
1.5.Ngồi ra trong mơ hình cịn sử dụng hệ thống hãm bằng cơ khí gắn
liền với Robbin.
II.Nguyên lí làm việc:

1.1 Nguyên lí làm việc của thiết bị điều khiển mơ hình máy cắt
mơ tả trong hình dưới đây:


Hình 2: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển máy đo và cắt.
Trong đó:
Udk1: Điện áp điều khiển mạch động lực động cơ, có dạng áp
xung với chu kì T cố định, T1 thay đổi tùy NFP
Udk2 : Điện áp điều khiển Relay đóng ngắt dao.
NFP : Sốxung phản hồi về từ Encoder.
NSP : Số xung đặt tương ứng với chiều dài cần cắt.
Umax : Điện áp cung cấp cho mạch động lực điều khiển động
cơ.
Vi trí đặt : Chiều dài, thời gian cần đo và cắt đối tượng.
Khối hiển thị, bàn phím: khối hiển thị hiển thị chiều dài, số
lần cắt. Khối bàn phím nhập chiều dài, thời gian thực hiện 1 lần cắt.
Khối điều khiển: Nhận tín hiệu từ Bàn phím, số xung NFP
phản hồi từ Encoder. Đồng thời xuất tín hiệu điều khiển Led 7 đoạn, tín hiệu
Udk1, Udk2 điều khiển động cơ, dao cắt.
1.2.Điều khiển động cơ: Nguyên lí điều khiển theo sai lệch của bộ điều
khiển được thực hiện trong khối điều khiển. Các tín hiệu được tổng hợp bằng
phương trình sau:

(1)
Trong đó:
Kp: hệ số khuyếch đại tỉ lệ theo phương pháp điều khiển vịng
kín PID mà trong trường hợp này ta chỉ sử dụng khâu P. Hệ số KP phụ thuộc
vào đặc tính động cơ.
EN : Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi.
EN = NSP – NFP.
nghĩa như sau:

(2)

DUTY_CYCLE : Ta gọi là chu kì nhiệm vụ. Nó được định

(3)
Tín hiệu điều khiển Udk1 được tạo ra nhờ bộ điều khiển số. Nó có dạng
xung với tần số T cố định. Biên độ thay đổi giữa 2 mức 0V, 5V. Khi
DUTY_CYCLE thay đổi thì áp ra mạch động lực Udc cung cấp cho động cơ
thay đổi khi đó tốc độ động cơ thay đổi theo.
Dựa vào biểu thức (1), Kp không đổi , DUTY_CYCLE thay đổi theo EN
:
EN = 0, DUTY_CYCLE = 0 , Udc =0 , động cơ dừng.
EN=NSP, DUTY_CYCLE = 100 , Udc= Umax , động cơ hoạt
động ở chế độ định mức.
Ta có:

(4)

1.3. Điều khiển dao cắt: Dao cắt đóng ngắt theo Udk2.

Udk2 là tín hiệu số giống như Udk1 , khi DUTY_CYCLE = 0, Udk2

=0, Relay hở, dao cắt đóng xuống. Khi DUTY_CYCLE > 0, Relay đóng dao
được kéo lên.
1.4. Đặc tuyến điều khiển độâng cơ có dạng sau:
Điều khiển đo chiều dài thực chất là điều khiển vị trí. Điều khiển cho
động cơ quay tới góc quay xác định mà khơng có vọt lố do tính chất của
máy.
Đặc tuyến cần điều khiển có dạng sau:


Có rất nhiều phương pháp điều khiển để đạt được đặc tính mong muốn
như hình 3, đạt độ chính xác cao mà giá thành lại rẻ, như phương pháp PID
tương tự, số, điều khiển mờ v.v. Phương pháp PID bằng thực nghiệm của
Zeigler và Nichols , địi hỏi cần có các thiết bị đo chính xác và các điều kiện
nghiêm ngặt đưa hệ thống vào chế độâ dao động lúc đó chúng ta mới xác định
các thơng số của bộ điều khiển, nếu ta biết đối tượng ta là gì thì rất dễ dàng
điều khiển. Phương pháp điều khiển mờ ta không cần xác định đối tượng của ta
như thế nào, ta chỉ cần dựa vào kinh nghiệm điều khiển đối tượng, ta thành lập
bộ luật điều khiển và tùy thuộc vào tình huống mà hệ thống đưa ra 1 luật trong
bộ luật điều khiển đối tượng. Bộ điều khiển càng chính xác nếu người điều
khiển có nhiều kinh nghiệm. Các phương pháp này được trình bày chi tiết hơn
ở chương sau. Do hạn chế về thời gian, thiết bị đo, kinh nghiệm với luận văn
này chỉ sử dụng phương pháp điều khiển P số.
Phương pháp P số ta phải xác định KP trong biểu thức (1) . Khi KP đã
xác định ta có giá trị DUTY_CYCLE thay đổi theo EN.
Điều cần quan tâm lúc này là làm thế nào để xác định KP.
Ta có:
0  DUTY_CYCLE 

.

Mà ta có 0  DUTY_CYCLE  100 mới có nghĩa với tín hiệu điều
khiển Udk1 do đó:
 1 hay KP 
KP 

.

.

(4)

Dựa vào (4) ta có nhận xét sau:
NSP càng lớn nếu KP càng nhỏ. Nếu vị trí đặt càng nhỏ mà NSP
càng lớn thì sai số càng nhỏ. Do dó thơng thường hệ số KP rất nhỏ. Để tiến
hành điều khiển ta chọn 1 vài hệ số KP tùy chọn nào đó đưa vào bộ điều khiển
cho mạch hoạt động quan sát ngõ ra nếu có sai số thì ta tiến hành thay đổi hệ số
KP sao cho đạt kết quả với sai số cho phép. Ta có đặc tuyến DUTY_CYCLE
có dạng sau:

ta định nghĩa :


Trong đó HSTGG :Hệ số thời gian giảm
T’ : Thời gian đặt cho mỗi lần cắt
T’1 : Thời gian mà ta gán DUTY_CYCLE là hằng số lớn hơn 0. Dựa
vào đặc tuyến này ta có thể hình dung q trình điều rất rõ ràng.
Giả sử ta chọn DUTY_CYCLE = 100 trong khoảng thời gian T’1,
Khi thời gian còn xa T’ thì ta cho động cơ hoạt động với điện áp định mức
nghĩa là chạy với tốc độ cho phép tối đa. Khi thời gian lớn hơn T’1 và tiến gần

đến T’ nghĩa là gần đến giá trị mong muốn, thì ta tiến hành giảm
DUTY_CYCLE theo qui luật nào đó để khi đến giá trị đặt thì DUTY_CYCLE
= 0, lúc đó động cơ dừng. Tùy vào đặc tính động cơ như thế nào mà ta chọn
HSTGG hay hệ số góc K cho phù hợp.
Tại t=0 tacó DUTY_CYCLE:
D=
Tại t=T’1
(5)

(6)
Từ ( 5) ta có:
(7)
Từ (5) và (7) ta có:

(8)


Trong đó:
d1 :Ta chọn tùy ý tùy thuộc vào thời gian đặt, tốc độ kéo đối
tượng.
HSTGG: Phụ thuộc vào quán tính của động cơ.
0  d1  100,

0  HSTGG  1

Ví dụ: Ta muốn động cơ quay đến giá trị 5000 xung tính theo ngõ ra
Encoder , trong thời gian 5 giây .
Ta có: T’=5s, NSP=5000xung, Umax=24V, xác định KP ?
Giải:
Chọn d1=100, HSTGG=0.5.

KP=(100*24(1+0.5))/(100*5000) = 36/5000 (V/vòng).
Với các số liệu trên thì quá trình điều khiển diễn ra như sau.
Trong thời gian 2,5s đầu tiên động cơ chạy với tốc độ tương ứng áp đặt
vào 24V. 2,5s còn lại tốc độ động cơ sẽ giảm cho đến khi dừng hẳn thì lúc này
thời gian cũng vừa đủ 5s.
Như đã trình bày sử dụng phương pháp điều khiển số khâu P
Lưu đồ giải thuật khâu hiệu chỉnh P:(trình bày phần sau).
Chương trình điều khiển được viết bằng ngơn ngữ máy cho vi xử lý 8952.
Điện áp Udk1 được lấy từ PC0 của 8255 kết nối với Vi xử lý. Điện áp
này được đưa đến mạch động lực điều khiển điện áp cung cấp cho động cơ.
Udk1 có dạng hình 2, được tạo ra bằng phần mềm có lưu đồ giải thuật (trình
bày phần sau).
NFP số xung phản hồi về qua mạch đếm xung số xung chứa tối đa trong
2 byte, ngõ ra mạch đếm xung đưa vào PortA(byte thấp) và PortB(Byte cao)
8255. Sau đó đưa vào vi xử lí thơng qua mạch chốt.
Lưu đồ giải thuật đọc xung phản hồi( trình bày phần sau).
Dữ liệu cần đặt được lấy vào thông qua các phím nhấn. Lưu đồ giải thuật
đọc 1 phím nhập dữ liệu vào (trình bày phần sau):
Sau khi đã có các dữ liệu vào ta tiến hành tính tốn đưa ra
DYTU_CYCLE, tạo áp Udk1, đồng thời ta cũng cho hiển thị chiều dài, số
lượng cần cắt trong quá trình hoạt động. Chương trình thực hiện nhiều cơng
việc cùng lúc ,vừa phải đếm xung phản hồi, vừa tạo áp Udk1 liên tục, vừa phải
hiển thị Led, đồng thời phải thường xun phải kiểm tra phím nhấn. Lưu đồ
giải thuật tồn bộ chương trình :
III.Các lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống:
Dựa vào các lưu đồ này ta tiến hành thiết kế mạch cứng và viết chương
trình điều khiển.

Chương 2.

Thiết kế phần cứng.

Khối điều khiển bao gồm mạch giao tiếp giữaVi Xử Lí với
RAM (62256), mạch giao tiếp máy tính qua IC 75176, mạch
mở rộng Port qua IC 8255. Quá trình giải mã địa chỉ tránh xung
đột khi giao tiếp với các khối trên nhờ IC chốt 74573 và IC
74138.

1) Mạch vi xử lí:

 P0 được nối với JP6 ,chức năng I/O.
 Chân 9 nối mạch Reset. Khi chân Reset được
nhấn Mạch vi xử lí trở về trạng thái như lúc mới
cấp nguồn.
 Chân 31 nối JP1 có 2 chế độ:
 Khi JP2 nối cho Vi xử lí chạy chương trình trong
ROM ngồi.
 Khi JP2 khơng nối cho vi xử lí chạy chương trình
trong ROM nội.
 Chân 12 ->15 nối đến JP11. Khi cần sử dụng ngắt
ta nối đến các chân nối này.
 Chân 18, 19 : Nối mạch dao động:
 Mạch gồm 2 tụ điện C1, C2 30 pF và thạch anh
11.059 MHz, tạo cho Vi Xử Lí có tần số hoạt động
12MHz, khi 2 tụ điện thay đổi thì tần số dao động

vi xử lí thay đổi theo.


 Chân 10,11: Giao tiếp nối tiếp. Mức áp 1 vào ra là
5V, mức áp vào ra là 0V.
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 12
13 14
15 16

1
2
3
4
5
6
7
8

P1.0/T2
P1.1/T2-EX
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6

P1.7

P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7

VCC

P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7

40

U14

JP6

P1.0
P1.1

P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7

PORT 1
C4
R1
100

10u

9

T1
T0
/INT1
/INT0

15
14
13
12
18

4.7k
VCC

19

EA/VPP
T1
TO
INT1
INTO

RD
WR
PSEN
ALE/PR

X2

TXD
RXD

GND

R2
8.2k

X1

2

AD0
AD1
AD2

AD3
AD4
AD5
AD6
AD7

21
22
23
24
25
26
27
28

A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
A15

17
16
29
30

/RD

/WR
/PSEN
ALE

11
10

TX
RX

AT89C52

20

R3

RST

S1
31

1

P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P2.6

P2.7

39
38
37
36
35
34
33
32

JP1

X1
1
2

/INT0
/INT1
T0
T1

11.059MEG
C1
30p

JP11
1
3
5

7

2
4
6
8

C2
30p

/INT0
/INT1
T0
T1

Sơ đồ kết nối mạch vi xử lí

 Chân 10 nối với chân 4 IC 75176, có chức năng
thu.
 Chân 11 nối với chân 1 IC 75176, có chức năng
phát.
 Ngỏ ra IC 75176 mức áp vi sai (0 - 200mV).
 Các chân /RD(16) nối đến chân /OE(22) của RAM
và chân /RD(6) của 8255 có tác dụng đọc Data về
từ ngoại vi, /WR(17) nối chân /WE của RAM và
nối tới chân /WR(36) của 8255 trong q trình
xuất Data thì các chân này tích cực, cả hai chân
đều tích cực mức thấp.
 P0 : Trong chu kì truyền, truyền Data và địa chỉ, ngỏ ra mắc
điện trở kéo lên. Từ P0.0 ->P0.7 nối đến 8 đầu điện trở 10K

đầu kia nối lên nguồn, sau đó nối đến JP12 khi cần sử dụng cho
mục đích khác, nối đến ngỏ vào (chân 2->9) IC 74573, nối đến
ngỏ vào địa chỉ RAM.


 P2 :3 chân (P2.5,P2.6,P2.7) nối đến ngỏ vào tương
ứng A,B,C(1,2,3) IC 74138. Các chân P2.0->
P2.6 nối ngỏ vào địa chỉ RAM.
 Chân ALE nối chân LE IC74573, khi ALE tích cực
địa chỉ được truyền qua. Khi ALE mức thấp, địa chỉ
ngỏ ra giử nguyên cho đến khi ALE tích cực lại.

Xác lập địa chỉ cho mỗi khối trên :

2)

Khối tạo địa chỉ: gồm IC 74573, IC 74138,
IC7400:

Hình vẽ minh họa quá trình truy xuất data qua IC chốt:

 IC 74138 các chân G2A(4),G2B(5) tích cực mức
thấp trong trường hợp này ta nối Mass.
 Chân G1(6) tích cực mức cao, được nối lên nguồn.
Không nhất thiết phải nối lên nguồn G1, nối Mass
G2A, G2B, trong những trường hợp khác ta cịn có
thể sử dụng chúng để kết hợp việc giải mã địa chỉ.


 Chân /OE (1) IC 74573 tích cực mức thấp ta cho

nối Mass.
 Chân LE(11) nối ALE Vi Xử lí, chức năng chốt, Xác
nhận địa chỉ.
 Byte địa chỉ thấp được chốt giử qua IC 74373.
Các đường địa chỉ thấp đưa vào ngỏ vào IC 74573.
Ngỏ ra IC 74138: có các địa chỉ nền sau :





















Y0:
Y1:
Y2:

Y3:
Y4:
Y5:
Y6:
Y7:

0000H
2000H
4000H
6000H
8000H
A000H
C000H
E000H

Được tạo ra từ 3 bit cao nhất của Byte địa chỉ cao(P2) của
Vi xử Lí .
Kết hợp ngỏ ra chốt địa chỉ IC 74573, 8 bit địa chỉ thấp và các ngỏ còn lại
của P2 (P2.0->P2.5) .
YI:
A15:A16:A17
P2.4 ->P2.0:
A14-> A8
D7->D0:
A7->A0

Địa chỉ truy xuất
ứng với từng ngỏ ra
YI:
Y0: P2.4 ->P2.0: D7->D0:

Y1 P2.4 ->P2.0: D7->D0:
Y2 P2.4 ->P2.0: D7->D0:
Y3 P2.4 ->P2.0: D7->D0:
Y4 P2.4 ->P2.0: D7->D0:
Y5 P2.4 ->P2.0: D7->D0:
Y6 P2.4 ->P2.0: D7->D0:

1000H
->1FFFH
2000H
->3FFFH
400H ->5FFFH
6000H
->7FFFH
8000H
->9FFFH
A00H->BFFFH
C000H->DFFFH




Y7 P2.4 ->P2.0: D7->D0:

E000H->FFFFH

R10

JP13

A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
A15

1
3
5
7
9
11
13
15

2
4
6
8
10
12
14
16

AD0
AD1
AD2

AD3
AD4
AD5
AD6
AD7

2
3
4
5
6
7
8
9

ALE

A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
A15

2
4
6
8

10
12
14
16

AD0
AD1
AD2
AD3
AD4
AD5
AD6
AD7

11

U21

D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7

Q0
Q1
Q2

Q3
Q4
Q5
Q6
Q7

VCC

1
3
5
7
9
11
13
15

GND

VCC

LE OE
74AC573

19
18
17
16
15
14

13
12

A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7

1

10

AD0
AD1
AD2
AD3
AD4
AD5
AD6
AD7

20

VCC
JP12

VCC

6
4
5

U20
A
B
C

VCC

1
2
3

G1
G2A
G2B

Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7

GND

A13
A14
A15

16

VCC

15
14
13
12
11
10
9
7

0000 -1FFFH
2000-3FFFH
4000-5FFFH
6000-7FFFH
8000-9FFFH
A000-BFFFH
C000-DFFFH
E000-FFFFH

1
3

5
7
9
11
13
15

2
4
6
8
10
12
14
16

/CS1

SELECT ADD

8

74LS138

JP10

sơ đồ nguyên lí mạch tạo địa chỉ

3) Khối tạo địa chỉ:
 8 đường Data nối P0 Vi xử lí.

 2 chân /WR, /RD nối với /WR, /RD vi xử lý.
 A1,A0 nối ngỏ ra IC 74573.
 Chân Reset nối Mass .
 Ngỏ vào chọn chip (/CS) nối Y2.
 Port A:4000H
 Port B: 4001H
 PortC: 4002H
 Thanh ghi điều khiển:4003H.
Trong quá trình xuất Data, khi đã đúng địa chỉ, và
chân /WR được chuyển xuống mức 0, lúc đó Data được xuất
bởi 8255.
Trong q trình nhận Data về, khi đã đúng địa chỉ, và chân /RD chuyển
mức thì Data được nhận về từ 8255.