( Kèm CODE và PCB )Thiết kế bộ điều khiển dòng điện động cơ điện một chiều sử dụng bộ điều khiển PID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT
NAM
VIỆN ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG
NGHIỆP
==========o0o==========

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN 1
Mã: 13321H
Học kỳ: 1 – Năm học: 2023 – 2024

Đề tài: Thiết kế module đo và chỉ thị dòng điện 1
chiều trên LCD
SINH VIÊN
BÙI MINH HIẾU
NGUYỄN ĐÌNH TUẤN
PHẠM MINH THÀNH
BÙI ANH TÙNG

MSV
91093
90720
91388
90727

LỚP
ĐTĐ62CL
ĐTĐ62CL
ĐTĐ62CL
ĐTĐ62CL

Nhóm trưởng
Thành viên
Thành viên
Thành viên

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
CHUN NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP

Giảng
dẫn:

viên

hướng ThS. Phạm Thị Hồng Anh


HẢI PHÒNG – tháng 10/năm 2023

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN 1

Thiết kế module đo và chỉ thị dòng điện 1 chiều trên LCD

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên

2


LỜI CẢM ƠN

Nhóm em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cơ Phạm Thị Hồng Anh vì đã hỗ
trợ nhóm em hồn thành đồ án này với sự tận tâm và chuyên nghiệp. Nhóm em qua
đó đã học được rất nhiều kiến thức quý báu và đồng thời vận dụng chúng vào Đồ
án một cách tốt nhất.
Tuy nhiên, do kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, nên Đồ án của nhóm em
khơng thể tránh khỏi những sai sót. Nhóm em mong cơ góp ý, phê bình để nhóm
em có thể hồn thiện hơn cho Đồ án.
Cuối cùng, nhóm em xin chúc cơ ln khỏe mạnh và thành công trong cuộc
sống sau này ạ.
Sinh viên thực hiện (Tất cả các SV)
Ký và ghi rõ họ tên

3


MỤC LỤC
MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1. Tổng quan các phương pháp đo và hiển thị dòng một chiều.......9
1.1

Tổng quan thực trạng về đề tài nghiên cứu....................................................9

1.2

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU............................10

1.2.1

Sử dụng đồng hồ vạn năng.............................................................10

1.2.2

IC ACS712 giao tiếp Arduino đo dòng điện 1 chiều.....................13

1.2.3

Lựa chọn phương pháp đo phù hợp với thiết kế mạch...................13

CHƯƠNG 2. XÂY dựng module đo và chỉ thị dòng điện một chiều trên LCD
.................................................................................................................................15
2.1

Xây dựng cấu trúc module đo và chỉ thị dòng điện một chiều trên LCD....15

2.2

Giới thiệu các linh kiện................................................................................15
2.2.1

Các thông số cơ bản của Arduino UNO R3...................................15

2.2.2

MODULE I2C................................................................................18

2.2.3

LCD................................................................................................19

2.2.4

MOTOR.........................................................................................20

2.2.5

ACS 712 20A.................................................................................21

2.2.6

Module l298...................................................................................23

CHƯƠNG 3. Kết quả thực nghiệm......................................................................25
3.1

Sơ đồ thuật tốn............................................................................................25

3.2

Thiết kế mạch trên Proteus...........................................................................25

3.3

Kết quả mơ phỏng........................................................................................36

Kết Luận.................................................................................................................37
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................38

SUMMARY............................................................................................................39

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Phương pháp đo dịng điện.........................................................................9
Hình 1.2 Cấu tạo của đồng hồ vạn năng..................................................................10
Hình 1.3 Đồng hồ vạn năng kim.............................................................................11
Hình 1.4 Đồng hồ vạn năng số................................................................................12
Hình 2.1 Arduino UNO...........................................................................................16
Hình 2.2 Module I2C...............................................................................................19
Hình 2.3 LCD..........................................................................................................20
Hình 2.4 Motor........................................................................................................21
Hình 2.5 ACS712....................................................................................................22
Hình 2.6 L298..........................................................................................................23
Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn......................................................................................25
Hình 3.2 Mơ phỏng Proteus.....................................................................................25
Hình 3.3 Mạch thực.................................................................................................36
Hình 3.4 Mạch thực trên kết quả đo đồng hồ..........................................................37

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số vi điều khiển.............................................................................17

6

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành Kỹ
thuật Điện tử. Đời sống xã hội ngày càng phát triển cao dựa trên những ứng dụng
của khoa học vào đời sống. Vì vậy mà những cơng nghệ điện tử mang tính tự động
ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Trong đó có sự đóng góp khơng nhỏ của kỹ
thuật vi điều khiển. Các bộ vi điều khiển đang được ứng dụng rộng rãi và thâm
nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Hầu hết là
các thiết bị được điều khiển tự động từ các thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị
trong gia đình đều dùng các bộ vi điều khiển nhằm đem lại sự tiện nghi cho con
người trong thời đại cơng nghiệp hố, hiện đại hố.
Điện áp là một đại lượng rất quan trọng trong kỹ thuật điện–điện tử, muốn
điều khiển một thiết bị hay một linh kiện điện tử nào đó ta phải quan tâm đến điện
áp để điều khiển nó đầu tiên. Thị trường đã sản xuất ra loại đồng hồ cơ, tuy có thể
đo điện áp nhưng khơng thực sự chính xác, do vậy việc chế tạo ra một loại thiết bị
đo có độ chính xác cao là rất cần thiết.
Chính vì lẽ đó, nhóm em đã chọn đề tài “Thiết kế module đo và chỉ thị dòng
điện 1 chiều trên LCD”.
2. Mục đích đề tài
Xây dựng thiết bị đo và hiển thị điện áp một chiều trên LCD một cách hiệu
quả.
Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị đo dòng điện và LCD
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu : Thiết bị đo dòng điện và LCD.

7


b) Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cảm biến ACS 712 và ứng dụng vi điều khiển
chế tạo thiết bị đo.

4. Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu tìm hiêu về đặc tính, ứng dụng của cảm biến ACS 712. Từ đó viết
phần mềm hiển thị kết quả đo
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nhằm đo đạc đòng điện trên thiết bị điện gia dụng và trong cơng nghiệp. Từ
đó phát hiện hư hỏng và sửa chữa mạch điện và thiết bị điện.

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ HIỂN THỊ
DÒNG MỘT CHIỀU
1.1

TỔNG QUAN THỰC TRẠNG VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng chỉ độ mạnh yếu của dịng điện hay

cịn có thể hiểu nó dùng để chỉ số lượng các điện tử đi qua tiết diện của vật dẫn
trong một đơn vị thời gian. Khi dịng điện càng mạnh thì cường độ dịng điện càng
lớn và ngược lại.
Đơn vị của cường độ dòng điện là ampe. Kí hiệu là A
Ký hiệu cường độ dịng điện là I

Hình 1.1 Phương pháp đo dịng điện
Đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện và duy trì tuổi thọ cho chúng. Mỗi thiết
bị điện đều có hạn mức cường độ dòng điện chạy qua nhất định để đảm bảo tuổi
thọ của thiết bị được duy trì. Khi biết được cường độ dòng điện như thế nào, ta sẽ
có cách để duy trì dịng điện ổn định, đúng với hạn mức cho phép
Sau khi biết được cường độ dịng điện có thể lựa chọn loại dây dẫn phì hợp, vừa
giúp điện năng được tiết kiệm hơn vừa đảm bảo sự vận hành ổn định cho các thiết

bị tiêu thụ.
9


Đảm bảo an tồn cho người dùng. Trong q trình sử dụng điện, nếu cường độ
dịng điện q lớn có thể xảy ra hiện tượng nổ điện, điện giật,… gây nguy hiểm
cho con người khi tiếp xúc. Chính vì vậy, giá trị lớn nhỏ của dịng điện góp phần
cảnh báo con người về những mối nguy hiểm từ nguồn điện, giúp phịng tránh và
có biện pháp xử lý phù hợp, kịp thời.
Chính vì vậy, với đề tài này, sẽ giúp ích cho việc đọc giá trị đo của cường độ
dòng điện một chiều trong đời sống và kỹ thuật khoa học, cơng nghệ.
1.2

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DỊNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

Hình 1.2 Cấu tạo của đồng hồ vạn năng
1.2.1

Sử dụng đồng hồ vạn năng

Chú ý:
+ Chọn đúng thang đo để cho kết quả đo chính xác nhất.
+ Phải gắn que đo kết nối chắc với mạch để tránh gây chập chờn và làm hỏng
mạch.
10


+ Không được dùng thang đo điện áp để đo dịng điện, vì sẽ làm hỏng thiết bị.
a) ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG KIM
Cách thực hiện:

Bước 1: Đặt đồng hồ vạn năng vào thang đo dòng cao nhất.
Bước 2: Đặt que đồng hồ nối tiếp với tải, que đỏ về chiều dương, que đen về
chiều âm.
Nếu kim lên thấp quá thì giảm thang đo.
Bước 3: Đặt chuyển mạch của đồng hồ ở thang DC.A – 250mA.
Bước 4: Tắt nguồn điện của các mạch thí nghiệm.
Bước 5: Kết nối que đo màu đỏ của đồng hồ về phía cực dương (+) và que đo
màu đen về phía cực âm (-) theo chiều dịng điện trong mạch thí nghiệm. Mắc
đồng hồ nối tiếp với mạch thí nghiệm.
Bước 6: Bật điện cho mạch thí nghiệm.
Bước 7: Đọc kết quả trên màn hình LCD.
Chú ý là chỉ đo được dòng điện nhỏ hơn giá trị của thang đo cho phép.

Hình 1.3 Đồng hồ vạn năng kim

11


b) ĐỒNG HỒ VẠN NĂNG SỐ
Đo dòng điện bằng VOM sẽ phức tạp hơn một chút so với đo điện áp thơng
thường đo dịng điện sẽ được chia thành các dải như hình mình họa ở trên là µA,
mA, A. Vậy các bước đo như thế nào.
– Bước 1:Chuyển núm đến vị trí đo dịng điện ở mức A~ tức là giá trị lớn nhất nếu
bạn chưa biết dòng điện cần đo giá trị khoảng bao nhiều.
– Bước 2:Nhấn nút SELECT để chuyển qua lại giữa chế độ AC và DC. Chọn AC
nếu đo dòng điện xoay chiều và DC cho dòng một chiều.
– Bước 3:Cắm que đo màu đen vào cổng COM, que đỏ cắm vào cổng đo ở mức A.
– Bước 4:Tiến hành phép đo và đọc kết quả đo trên màn hình.
– Bước 5:Nếu giá trị nhỏ ở mức mA, chuyển thang đo về mA và cắm lại que đỏ
vào cổng μAmA để có kết quả chính xác hơn. AmA để có kết quả chính xác hơn.

– Bước 6:Khi để chuyển về chế độ mA mà giá trị vẫn nhỏ hơn chuyển tiếp thang
đo về μAmA để có kết quả chính xác hơn. A khi đó kết quả sẽ chính xác nhất.

Hình 1.4 Đồng hồ vạn năng số
12


1.2.2

IC ACS712 giao tiếp Arduino đo dòng điện 1 chiều

ACS712 giao tiếp Arduino là dùng Cảm biến ACS712 (Hall Effect Current
Sensor) dùng để đo dòng điện dựa trên hiệu ứng Hall để đo dịng điện AC/DC, cảm
biến có kích thước nhỏ gọn, dễ kết nối, giá trị trả ra là điện áp Analog tuyến tính
theo cường độ dịng điện cần đo nên rất dễ kết nối và lập trình với Vi điều khiển,
thích hợp với các ứng dụng cần đo dịng AC/DC với độ chính xác cao.
Module cảm biến dịng điện hall ACS712 5A , 20A, 30A sử dụng ic ACS712
tương ứng dựa trên hiệu ứng Hall chuyển dòng điện cần đo thành giá trị điện thế.
Cảm biến dòng điện Hall 5A, 20A, 30A ACS712 là ic cảm biến dòng tuyến
tính dựa trên hiệu ứng Hall. chân ACS712 sẽ xuất ra một tín hiệu analog ở chân
Vout biến đổi tuyến tính theo Ip(dịng điện cần đo) được lấy mẫu thứ cấp DC(hoặc
AC) trong phạm vi cho phép. Tụ Cf(theo sơ đồ) dùng để chống nhiễu.
1.2.3

Lựa chọn phương pháp đo phù hợp với thiết kế mạch.

Đề tài của chúng em sử dụng bo mạch Arduino Uno R3 cùng với mạch chia áp
để đo dòng điện DC hiển thị ra LCD sử dụng phương pháp mắc nối tiếp với mạch
cần đo.
Lí do chọn phương pháp: Arduino Uno R3 có thể ứng dụng vào những mạch

đơn giản như mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ,…
hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm những sản phẩm như : máy in 3D, Robot và các
ứng dụng lớn khác.
Ưu điểm:
+ Có thể sử dụng ngay: Ưu điểm lớn nhất của Arduino là có thể sử dụng ngay.
Vì Arduino là một bộ hoàn chỉnh gồm bộ nguồn 5V, một ổ ghi, một bộ dao
động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm. Bạn
không cần phải suy nghĩ về các kết nối lập trình hoặc bất kỳ giao diện nào
khác. Chỉ cần cắm nó vào cổng USB của máy tính.
13


+ Các mẫu có sẵn: Một ưu điểm lớn khác của Arduino là thư viện các mẫu có
sẵn trong phần mềm Arduino. Để nói rõ hơn về ưu điểm này có thể lấy ví dụ
về đo lường điện áp. Ví dụ nếu bạn muốn đo điện áp bằng cách sử dụng vi
điều khiển ATmega8 và muốn hiển thị đầu ra trên màn hình máy tính thì bạn
phải trải qua tồn bộ quá trình. Quá trình này sẽ bắt đầu từ việc học về bộ vi
điều khiển của ADC để đo lường, sau đó học giao tiếp nối tiếp để hiển thị và
cuối cùng là về bộ chuyển truyền cổng USB.
+ Các chức năng giúp đơn giản hóa cơng việc: Trong q trình mã hóa
Arduino, bạn sẽ nhận thấy một số chức năng giúp đơn giản hóa cơng việc.
Một ưu điểm khác của Arduino là khả năng chuyển đổi đơn vị tự động của
nó. Trong q trình gỡ lỗi (debug), bạn không phải lo lắng về chuyển đổi
đơn vị. Chỉ cần chú ý vào các phần chính của project mà khơng phải lo lắng
về các vấn đề phụ.
Nhược điểm:
+ Cấu trúc của Arduino cũng là nhược điểm của nó. Trong khi xây dựng một
dự án bạn phải làm cho kích thước của nó càng nhỏ càng tốt. Nhưng với cấu
trúc lớn của Arduino chúng ta phải gắn với PCB có kích thước lớn. Nếu bạn
đang làm việc trên vi điều khiển nhỏ như ATmega8 bạn có thể dễ dàng làm

PCB càng nhỏ càng tốt.
+ Yếu tố quan trọng nhất mà bạn khơng thể phủ nhận là chi phí. Đây là vấn đề
mà mọi người kỹ sư hoặc chuyên gia phải đối mặt. Lúc này chúng ta phải
xem chi phí cho Arduino có hiệu quả hay khơng.

14


CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MODULE ĐO VÀ CHỈ THỊ DÒNG ĐIỆN MỘT
CHIỀU TRÊN LCD

Hình 2.1 Hệ thống module đo và chỉ thị dòng điện một chiều
2.1 XÂY DỰNG CẤU TRÚC MODULE ĐO VÀ CHỈ THỊ DÒNG ĐIỆN
MỘT CHIỀU TRÊN LCD
Cấu tạo của module bao gồm:
+ VĐK: Vi Điều Khiển
+ TBCH: Thiết Bị Chấp Hành
+ Cảm Biến
Danh sách linh kiện:
+ Module i2c
+ LCD
+ Motor
+ ACS 712 20A
+ Module l298
2.2

GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN
2.2.1

Các thông số cơ bản của Arduino UNO R3

Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều
khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được

15


trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các
bảng mạch mở rộng khác nhau.
Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện
tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây
dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật
tắt led…).

Hình 2.5 Arduino UNO

16


a) Vi điều khiển:
Bảng 2.1 Thông số vi điều khiển

Arduino Uno được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển ATmega328P sử
dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz. Với vi điều khiển này, ta có 14 ngỏ
ra/vào được đánh số từ 0 đến 13. Song song đó, ta có thêm 6 ngỏ nhậ tín hiệu
analog được đánh ký hiệu từ A0 đến A5.
Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1
ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter
hay thông qua ắc-quy nguồn.
c) Các chân của Arduino:

+ Các chân năng lượng: GND (Ground), 5V, 3.3V, Vin (Voltage Input),
IOREF, RESET.
+ Các cổng ra/vào: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín
hiệu và 6 chân analog (A0 - A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit, để đọc
giá trị điện áp trong khoảng 0V - 5V.

17


d) Lập trình cho Arduino.
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngơn riêng. Ngơn
ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung và Wiring
lại là một biến thể của C/C++. Có người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C
hay C/C++ và tên gọi phổ biến nhất là ngôn ngữ Arduino. Ngôn ngữ Arduino bắt
nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học và từ việc lập trình ta có thể
thiết kế mạch theo ý muốn của mình và vận hành một cách hiệu quả và tối ưu nhất.
2.2.2

MODULE I2C

LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong q trình kết nối và chiếm dụng
nhiều chân của vi điều khiển? Module chuyển đổi I2C cho LCD sẽ giải quyết vấn
đề này cho bạn, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với
LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi bạn chỉ cần sử dụng
2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử
dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD 2004, … ), kết nối với vi điều khiển thơng
qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
Ưu điểm:
+ Tiết kiệm chân cho vi điều khiển
+ Dễ dàng kết nối với LCD

Thông số kĩ thuật:
+ Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
+ Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
+ Giao tiếp: I2C
+ Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
+ Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
+ Trọng lượng: 5g
+ Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
18


+ Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

Hình 2.6 Module I2C
2.2.3

LCD

LCD được dùng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK. LCD 2004 có rất
nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng
(kí tự đồ họa, chữ, số, ); đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp
khác nhau dễ dàng , tiêu tốn rất ít tài ngun hệ thống, giá thành rẻ,…
Thơng số kĩ thuật của mà hình LCD 2004:
+ Điện áp hoạt động là 5 V.
+ Kích thước: 98 x 60 x 13.5 mm
+ Chữ đen, nền xanh dương/ chữ trắng, nền xanh dương
+ Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với
Breadboard.
+ Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi
dây điện.

+ Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử
dụng ít điện năng hơn.
+ Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu..
Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 3 dạng tín hiệu như sau:

19


+ Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối
với nguồn+5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở.
+ Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn
thanh ghi. ChânR/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi. Chân E là
chân cho phép dạng xung chốt
+ Các chân dữ liệu D7÷D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao
đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.

Hình 2.7 LCD
2.2.4

MOTOR

Thơng số kỹ thuật của Motor
+ Điện áp hoạt động:3V~ 12V DC (Hoạt động tốt nhất từ 6 - 8V)
+ Mômen xoắn cực đại: 800gf cm min 1:48 (3V)
+ Tốc độ khơng tải:
o 125 Vịng/ 1 Phút (3V) (Với bánh 66mm: 26m/1p)
o 208 Vòng/ 1 Phút (5V) (Với bánh 66mm: 44m/1p)

20