THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ENCODER

BỘ CƠNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THỰC PHẨM
TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ
----------o0o----------

ĐỒ ÁN CHUN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ENCODER

GVHD:
SVTH:
Lớp
MSSV:

Năm học:2019


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Sinh viên:..................................................................
MSSV:......................................................................
Nhận xét:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Điểm đánh giá:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
..........................................................................
Ngày......... tháng......... năm 2018

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(kí và ghi rõ họ tên)


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay đất nước ta trong thời kì đổi mới, thời kì cơng nghiệp hố hiện đại họá
cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điện tự động hóa cũng
phát triển lên tầm cao mới. Điều khiển tự động là một trong những ngành quan trọng
trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đặc biệt là góp phần vào việc giải phóng
sức lao động của con người và chính xác hơn con người. Điều khiển tự động có mặt từ
trước cơng ngun đó là chiếc đồng hồ có phao điều chỉnh Ktesibios của Hi Lạp. Rồi sau
này cũng có thêm một số máy móc điều khiển tự động (như: hệ điều chỉnh nhiệt độ của
Cornelis drebble, hệ điều chỉnh tốc độ được ứng dụng trong công nghiệp….). Ngày nay
để đáp ứng được nhu cầu của con người, giảm tải lao động tay chân, hệ thống điều khiển

động cơ có ý nghĩa rất quan trọng trong việc điều khiển động cơ theo mục đích của người
sử dụng. Đặc điểm của mạch điều khiển là động cơ có thể quay thuận hoặc quay nghịch,
tốc độ của động cơ có thể tăng hoặc giảm theo tùy thích. Đồ án chúng em làm lần này
giúp chúng em rèn luyện thêm các kỹ năng lập trình cho PIC 16F877A , kỹ năng thiết kế
mạch mô phỏng trên PROTEUS và vận dụng những kiến thức đã học trên giảng đường
vào thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn thầy, cũng như các thầy cô và các bạn trong khoa cơ khí
đã giúp đỡ em rất nhiều trong q trình thực hiện đồ án. Với kiến thức còn hạn hẹp, do đó
sai xót là điều khơng thể tránh khỏi, em mong nhận được ý kiến từ thầy cô và các bạn để
đồ án này được hoàn thiện hơn.


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỒ ÁN
1.1 Tổng quan về mạch điều khiển tốc độ động cơ DC:
Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của công nghiệp điện tử, kỹ thuật số các hệ
thống đã và đang dần dần tự động hóa. Với kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, vi điều khiển,
vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển tự động
với các chương trình thiết lập trước.
Động cơ điện hiện đang được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau.
Những sản phẩm này được ứng dụng trong những vật dụng, thiết bị sinh hoạt hàng ngày
chẳng hạn như động cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng giúp chuyển động đĩa quay hay trong
các máy lọc đĩa,... Trong lĩnh vực xây dựng, người ta cũng trang bị loại động cơ này cho
các máy móc quan trọng. Thậm chí, tại nhiều nước, động cơ điện được dùng trong các
phương tiện vận chuyển, đặc biệt trong các đầu máy xe lửa.
Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, loại động cơ này còn xuất hiện trong các máy
vi tính, cụ thể là được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang,...
Bên cạnh đó, khi được tích hợp một bộ vi điều khiển (mà cụ thể trong đồ án này em
sử dụng là PIC16f887 thì động cơ DC sẽ trở thành hệ thống được vận hành một cách đơn
giản, nhẹ nhàng và an tồn.
1.2 Mục đích của đờ án:

Mục đích trước hết khi thực hiện đề tài là để hoàn tất đồ án cơ điện tử 1. Cụ thể khi
nghiên cứu đề tài này là em muốn phát huy thành quả ứng dụng của vi điều khiển để tạo
ra sản phẩm có ích trong một lĩnh vực nào đó, và nó cịn là tài liệu để cho các bạn tham
khảo.
Theo nghiên cứu của em hiện tại của em dự án này đã có nhiều người thực hiện
nhưng sản phẩm này còn rất nhiều nhược điểm như: mạch phức tạp,hay bị nóng,tuổi thọ
thấp…Dự án này là do chính em nghiên cứu và hoàn thiện độc lập ngoài chức năng điều
khiển tốc độ sau khi hoàn thiện đã khắc phục hoàn toàn những vấn đề tồn tại của sản
phẩm đi trước như: giá thành hợp lý (hoàn thành khoảng 800 ngàn đồng), mạch khơng bị
nóng,các linh kiện được sắp xếp gọn gàng và dễ hiểu, mạch chạy ổn định cao…
1.3 Yêu cầu của đồ án:
Vận dụng những kiến thức đã học ở mơn Vi điều khiển để lập trình cho PIC16f887
điều khiển tốc độ (nhanh/chậm), điều chỉnh chiều quay của động cơ (thuận/ngược chiều


kim đồng hồ) và hiển thị các giá trị như số vòng quay trên lý thuyết và thực tế bằng cách
nhập dữ liệu qua một bàn phím 4x4 sau đó hiển thị lên một LCD 16x2.
1.4 Hướng triển khai đề tài:
Sử dụng PIC 16F887 là vi điều khiển trung tâm .Dùng chương trình CCS lập trình C
và biên dịch chương trình .
Hiển thị tốc độ quay nhập vào và tốc độ quay thực tế qua LCD 16x2, lập trình ở chế
độ 4 bit (xài 4 chân để nhận dữ liệu từ pic) .
Sử dụng Module điều khiển động cơ L298N điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ.


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 PIC 16F877A
2.1.1 Khái niệm:

PIC 16F877A có tập lệnh gồm 35 lệnh, mỗi lệnh được thực hiện trong một chu kỳ

xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20mhz. với mỗi chu kỳ lệnh là 200ms ,
bộ nhớ chương trình 8K*14bit . Số port I/O là 5 với 33 pin I/O.
2.1.2 Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:
- Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit
- Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số ,có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào
xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep
- Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler
- Hai bộ Capture /so sánh/ điều chế độ rộng xung
- Các chuẩn giao tiếp UART với 9 bit địa chỉ
- Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit, 2 bộ so sánh,
bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển: như bộ nhớ flash có thể nạp
xóa 100.000 nghìn lần, bộ nhớ eproom ghi xóa được 1.000.000 lần.Nạp được
chương trình ngay trên mạch điện ICSP.


Hình 2. 1 PIC16F877A

2.2 Thơng sớ kỹ thuật:
- OSC1/CLKIN là chân ngả vào của mạch dao động thạch anh. Định tần cho xung
nhịp và cũng là một ngả vào của mạch tạo xung nhịp.
- OSC2/CLKOUT là chân ngả ra của mạch dao động thạch anh và là ngả ra của xung
nhịp.
- MCLR (Master Clear) là chân Reset, tác dụng của lệnh Reset là trả chương trình về
địa chỉ 0000h. Lệnh tác dụng ở mức áp thấp.
- RA0, RA1, RA2, RA3, là các chân xuất nhập của bến cảng Port A.
- RA4/TOCKI là chân đa nhiệm, vừa làm chân xuất nhập của Port A và lại là chân
lấy xung cho thanh đếm của đồng hồ Timer 0 (ở chân này có cực Drain để hở).
- RB0/INT là chân đa nhiệm, vừa làm chân xuất nhập của Port B và lại là chân phát
động theo ngắt ngoài. Các chân của Port B có thể được lập trình để có trở kháng lớn
dùng để làm ngả vào, nhập trạng thái ngoài vào PIC.

- RB1, RB2, RB3, là các chân xuất nhập của bến cảng Port B.


- RB4, RB5, là các chân xuất nhập của Port B và phát động ngắt theo sự thay đổi trên
các chân này.
- RB6, là 1 chân xuất nhập của Port B và phát động ngắt theo sự thay đổi trên chân
này. Nó cịn có thể lập trình để dùng chân này phát xung nhịp dùng cho công năng
truyền dữ liệu nối tiếp.
- RB7, là 1 chân xuất nhập của Port B và phát động ngắt theo sự thay đổi trên chân
này. Nó cịn có thể lập trình để dùng chân này trao đổi dữ liệu dùng cho công năng
truyền dữ liệu nối tiếp.
- VSS là chân nối masse để lấy dòng (ở đây là dòng điện tử).
- VDD là chân nối vào đường nguồn dương (từ 2V đến 5.5V).


2.3 Sơ đờ khới PIC16F877A:

Hình 2. 2 Sơ đờ khới PIC16F877A


2.4 Tở chức bợ nhớ:
Bộ nhớ chương trình:
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ
nhớ là 8K word( 1word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang ( từ page 0 đến page 3).
Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192 lệnh( vì mỗi lệnh
sau khi mã hóa có dung lượng 1 word = 14 bit ). Để mã hóa được địa chỉ của 8K bộ nhớ
chương trình thì bộ đếm chương trình phải có dung lượng là 13 bit ( PC<12:0>).
Khi vi điều khiển được reset thì bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h
(Reset vector ). Khi có ngắt xảy ra thì bộ đếm chương trình sẽ chỉ đếm địa chỉ 0004h
( Interrupt vector ). Bộ nhớ chương trình khơng bao gồm bộ nhớ Stack và khơng được địa

chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình. Bộ nhớ Stack được đề cập cụ thể trong phần sau.

Hình 2. 3 Bợ nhớ chương trình của PIC16F877A


Bộ nhớ dử liệu:
Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia thành nhiều bank. Với
PIC166F877A bộ nhớ dữ liệu được chia là 4 bank. Mỗi bank có dung lượng 128 byte,
bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR ( Special Function Rigister ) nằm ở
vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi có mục đích chung GPR (General Purpose Register)
nằm ở vùng địa chỉ còn lại của bank. Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng (ví
dụ như thanh ghi STATUS ) sẽ được đặt ở tất cả các bank trong bộ nhớ dữ liệu giúp
thuận tiện cho quá trình truy xuất và giảm bớt lệnh của chương trình.
Sơ đồ cụ thể của bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A như sau:


Hình 2. 4 Sơ đờ bợ nhớ dữ liệu của PIC16F877A


2.5 LCD 16 x 2
2.5.1 Khái niệm:
Cực của ánh sáng và do đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với
các kính lọc phân cực. Chúng có ưu điểm là phẳng, cho hình ảnh sáng, chân thật và tiết
kiệm điện.Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng
của VĐK. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển
thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng
theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ . . .
2.5.2 Hình dạng và kích thước:
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, trên hình là
loại LCD thơng dụng.

Màn hình tinh thể lỏng (Liquid Crystal Display, LCD) là loại thiết bị hiển thị cấu
tạo bởi các tế bào (các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân.

Hình 2. 5 LCD 16x2 thực tế
Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển bên trong lớp vỏ và
chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết. Các chân này được đánh số thứ tự và đặt tên như
hình:

Hình 2. 6 LCD trong Proteus


2.5.3 Chức năng các chân
Bảng 2. 1 Chức năng các chân
C

Kí hiệu

Mơ tả

1

Vss

Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND
của mạch điều khiển

2

VDD

Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
VCC=5V của mạch điều khiển

3

VEE

4

RS

hân

Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với
logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh
ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR
của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm
địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi
dữ liệu DR bên trong LCD.

5

R/W

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic
“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế

độ đọc.

6

E

Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt
lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1
xung cho phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển
vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một
xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E.

7
– 14

DB0 –
DB7

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra
DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition)
ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E
xuống mức thấp.
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thơng tin
với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường,
với bit MSB là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường
từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7

1
5

-

Nguồn dương cho đèn nền


1

-

GND cho đèn nền

6

Chú ý:
- Ở chế độ “đọc”, nghĩa là MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua các chân
Dx.Còn khi ở chế độ “ghi”, nghĩa là MPU xuất thông tin điều khiển cho
LCD thông qua các chân Dx.
- Chân 15 và chân 16: ghi là A và K. Nó là anot và katot của một con led dùng
để sáng LCD trong bóng tối, chúng ta có thể k nối , nếu sử dụng nối chân 15
với trở 220 or 330 ôm lên VCC, chân 16 nối đất
- Tập lệnh của LC
Một số chú ý:
- Trước khi tìm hiểu tập lệnh của LCD, sau đây là một vài chú ý khi giao tiếp
với LCD :Tuy trong sơ đồ khối của LCD có nhiều khối khác nhau, nhưng khi
lập trình điều khiển LCD ta chỉ có thể tác động trực tiếp được vào 2 thanh
ghi DR và IR thông qua các chân DBx, và ta phải thiết lập chân RS, R/W phù
hợp để chuyển qua lại giữ 2 thanh ghi này.

- Với mỗi lệnh, LCD cần một khoảng thời gian để hồn tất, thời gian này có
thể khá lâu đối với tốc độ của MPU, nên ta cần kiểm tra cờ BF hoặc đợi
(delay) cho LCD thực thi xong lệnh hiện hành mới có thể ra lệnh tiếp theo.
- Địa chỉ của RAM (AC) sẽ tự động tăng (giảm) 1 đơn vị, mỗi khi có lệnh ghi
vào RAM. (Điều này giúp chương trình gọn hơn)
- Các lệnh của LCD có thể chia thành các nhóm như sau : Các lệnh về kiểu
hiển thị.
VD : Kiểu hiển thị (1 hàng / 2 hàng), chiều dài dữ liệu (8 bit / 4 bit), …
- Chỉ định địa chỉ RAM nội.
- Nhóm lệnh truyền dữ liệu trong RAM nội.


- Tập lệnh của LCD tương đối đơn giản. Nhưng khi lập trình cho mạch có
LCD ta chỉ cần gọi các hàm có sẵn trong trình biên dịch mà khơng cần phải đánh
các lệnh phức tạp.

Bảng 2.2: Các câu lệnh điều khiển LCD

Bảng 2.3: Địa chỉ của từng kí tự


2.6 Đợng cơ Encoder:
2.6.1 Khái niệm Encoder:
Ecoder cịn gọi là thiết bị mã hóa vịng- xung, hay thiết bị chuyển đổi vòng-xung. Là
thiết bị dùng để chuyển đổi tử số vịng quay thành tín hiệu điện. Ecoder cịn là một loại
cảm biến vị trí, đưa ra thơng tin về góc quay dưới dạng số mà khơng cần bộ ADC.

Hình 2. 7 Encoder

Đĩa quay được khoét lỗ gắn vào trục động cơ. Một đèn led làm nguồn phát sáng và

một mắt thu quang điện được bố trí thẳng hàng. Mạch khuếch đại tín hiệu.

Hình 2. 8 Các bợ phận trên Encoder


2.6.2 Nguyên lí hoạt động:
Nguyên lý cơ bản của Encoder, đó là một đĩa trịn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa
có các lỗ( rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay chỗ khơng
có lỗ, đèn led khơng xun qua được. Chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu xun qua. Khi đó phía
mặt bên kia của đĩa người ta đặt một con mắt thu( photo sensor). Với các kiểu tín hiệu có
hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay
khơng.
Khi trục quay giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận
được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vịng.

Hình 2. 9 Nguyên lý hoạt động của Encoder
Với việc sử dụng encoder để đo xung và tính tốn tốc độ của động cơ, ta phải có
cơng thức để có thể tính toán ra được tốc độ của động cơ.
V=

60. n
N .T

- V là vận tốc của động cơ (vòng/phút)
- n là số xung xuất ra của 1 kênh trong 1s
- N là số xung của đĩa của động cơ encoder


- T là thời gian lấy mẫu
2.6.3 Phân loại Encoder:

Encoder được chia làm hai loại: Encoder tuyệt đối, Encoder tương đối:
+ Encoder tuyệt đối: được gọi như vậy bởi vì tín hiệu trả về từ encoder cho biết
chính xác vị trí của encoder mà người dùng khơng cần sử lí gì thêm.

Hình 2. 10 Encoder tuyệt đới
+ Encoder tương đối: là encoder chỉ có một, hai hoặc tối đa ba vịng lỗ. Encoder
tương đối thường có thêm một lỗ định vị.

Hình 2. 11 Enconder tương đới


2.7 Mạch điều khiển động cơ L298 và điện trở:
2.7.1 Mạch điều khiển động cơ L298:
Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển hai động cơ DC, dịng
tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn
5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp <12VDC).
Mạch điều khiển động cơ DC L298 dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt.

Thơng số kĩ thuật:
+ IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver
+ Điện áp đầu vào: 5~30VDC
+ Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý cơng suất = dịng điện x điện áp nên áp cấp
vào càng cao, dịng càng nhỏ, cơng suất có định 25W).
+ Dịng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
+ Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss
+ Kích thước: 43x43x27mm

Hình 2. 12 hình mạch điêu khiển động cơ L298

2.7.2 Điện trở:

Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện của một vật
dẫn điện. Nó được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể với cường độ
dịng điện đi qua nó.
Nó được xác định bởi công thức: R = U / I