Đồ án Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ có hồi tiếp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ====o0o==== BÁO CÁO ------ ĐỒ ÁN II ------- ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ CÓ HỒI TIẾP GVHD: THS.Đinh Thị Nhung Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Chung : 20101174 Trần Ngọc Linh : 20101369 Nguyễn Đức Tiến : 20102309 Nguyễn Hữu Đăng : 20101789 Phạm Duy Thắng : 20102219 Hà Nội, 1/2014 Nhận xét (phần GVHD ghi): ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Tiêu chí và chức năng Các chức năng cơ bản Chức năng: bật/tắt động cơ Chức năng: cài đặt, hiển thị các tham số động cơ (tốc độ cài đặt, sai số cho phép) Chức năng: hiển thị tốc độ hiện thời của động cơ Chức năng: hiển thị ngày, giờ hiện tại Chức năng: chỉnh ngày, giờ hệ thống Các chức năng đã thực hiện có đáp ứng tốt (độ nhạy, tốc độ tính toán, hiển thị) Chức năng: hiển thị chiều quay của động cơ Hiển thị thời gian đáp ứng tốc độ (từ lúc điều chỉnh đến khi đạt tốc độ ổn định đã cài đặt) Dễ sử dụng (bàn phím lớn, ghi chú rõ ràng, thao tác đơn giản) LỜI NÓI ĐẦU Bộ vi điều khiển, viết tắt Microcontroller là mạch tích hợp trên 1 chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở 1 cơ cấu nào đó. Có thể nói, hiện nay vi điều khiển đã rất phổ biến ở Việt Nam và được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của đời sống xã hôi. Những sinh viên ngành điện, điện tử, cơ điện tử, tin học, viễn thông.hầu như ai cũng biết cách để làm việc với vi điều khiển, kéo theo đó là nhu cầu sử dụng các bộ kit trong học tập, nghiên cứu cũng như ứng dụng trên thực tế là không nhỏ. Trong số các kit đang có trên thị trường hiện nay, dòng MSP430 của TI được đánh giá cao về sự ổn định, tiết kiệm năng lượng cũng như dễ học tập và nghiên cứu. Nhằm giúp tiếp cận thực tế về dòng vi điều khiển này nhóm chúng em đã tiến hành làm bài tập lớn thiết kế mạch điều khiển động cơ DC sử dụng MSP430G2553 và kit phát triển MSP430 của TI. Để có thể hoàn thiện được đề tài này, chúng em xin chân thành cám ơn Quý Thầy, Cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy cho chúng em suốt thời gian thực hiện và thiết kế đề tài. Mặc dù đã cố gắng hết mình tuy nhiên kết quả của nhóm em cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong sẽ nhận được sự góp ý, đánh giá và giúp đỡ của Thầy Cô để có thể hoàn thiện và đạt được kết quả tốt hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI VÀ TÌM HIỂU VỀ MSP430 CÙNG KÍT PHÁT TRIỂN MSP430 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1.1 Tên đề tài - Điều khiển và giữ ổn định tốc độ động cơ một chiều loại nhỏ bằng phương pháp PWM có hồi tiếp tốc độ từ động cơ 1.1.2 Khái quát đề tài Trong phạm vi đề tài này, nhóm chúng em tập trung tìm hiểu và nghiên cứu những nội dung chính sau: - Hiển thị tốc độ hiện tại của động cơ trên LCD - Hiển thị ngày, tháng, năm, giờ của hệ thống - Điều chỉnh tốc đô quay mong muốn bằng bàn phím số đầy đủ, hoặc rút gọn 1.2 TÌM HIỂU VỀ MSP430 1.2.1 Tổng quan về MSP430 MSP430 là dòng vi điều khiển được phát triển bởi hãng TI(Texas Instruments). MSP430 là sự kết hợp chặt chẽ của một CPU RISC 16 bit,những khối ngoại vi và hệ thống xung linh hoạt được kết nối với nhau theo cấu trúc VON-NEUMANN, có các Bus liên kết như: Bus địa chỉ bộ nhớ (MAB), Bus dữ liệu bộ nhớ ( MDB). Đây là một bộ xử lý hiện đại với các mô đun bộ nhớ tương tự và nhứng kết nối ngoại vi tín hiệu số, MSP430 đã đưa ra được những giải pháp tốt cho những nhu cầu ứng dụng với tín hiệu hỗn tạp.. MSP430 đã đưa ra khá nhiều phiên bản để phù hợp với những nhu cầu ứng dụng khác nhau. MSP430 có một số phiên bản như: MSP430x1xx, MSP430x2xx, MSP430x3xx, MSP430x4xx, MSP430x5xx. MSP430 có 5 thế hệ chip, được gọi là 1xx, 2xx, 3xx, 4xx, 5xx. Thường xx càng lớn thì chức năng và số chân càng nhiều. 1.2.1.1 MSP430x1xx Series 1.8–3.6V Tốc độ Flash/ROM: 8 MIPS Feature Fast Wake-Up From Standby Mode in <6 μs Flash Options: 1–60 KB ROM Options: 1–16 KB RAM Options: 512 B –10 KB GPIO Options: 14, 22, 48 pins ADC Options: Slope, 10 & 12-bit SAR Other Integrated peripherals: Analog Comparator, DMA, Hardware Multiplier, SVS, 12-bit DAC 1.2.1.2 MSP430F2xx Series Series 2xx cũng tương tự như 1xx nhưng tiêu thụ năng lượng ít hơn, tốc độ có thể lên tới 16MHz, đồng hồ on-chip có độ chính xác cao hơn (±2%) nên có thể hoạt động mà không cần thạch anh gắn ngoài. 1.8–3.6 V Tốc độ Flash/ROM: 16 MIPS Có tích hợp điện trở kéo lên/kéo xuống (pull-up/pull-down) Ultra-Fast Wake-Up From Standby Mode in <1 μs Device Parameters Flash Options: 1–120 KB RAM Options: 128 B–8 KB GPIO Options: 10, 16, 24, 32, 48, 64 pins ADC Options: Slope, 10 & 12-bit SAR, 16-bit Sigma Delta Other Integrated peripherals: Analog Comparator, Hardware Multiplier, DMA, SVS, 12-bit DAC, Op Amps 1.2.1.3 MSP430G2xx Series Tương tự F2xx, chức năng ít hơn và giá thấp hơn: Flash Options: 0.5–16 KB RAM Options: 128–512 B GPIO Options: 10, 16, 24 pins ADC Options: Slope, 10-bit SAR Other Integrated peripherals: Analog Comparator 1.2.1.4 MSP430x3xx Series Đây là thế hệ lâu đời nhất (già cả nhất) của dòng MSP430, tích hợp LCD controller. Không hỗ trợ EEPROM. Feature Fast Wake-Up From Standby Mode in <6 μs 2.5–5.5 V ROM Options: 2–32 KB RAM Options: 512 B–1 KB GPIO Options: 14, 40 pins ADC Options: Slope, 14-bit SAR Other Integrated peripherals: LCD controller, Hardware Multiplier 1.2.1.5 MSP430x4xx Series Có tích hợp LCD controller, nhiều chức năng hơn 3xx. 1.8-3.6V FLL, SVS Feature Fast Wake-Up From Standby Mode in <6 μs Tốc độ Flash/ROM 8-16 MIPS. Flash/ROM Options: 4 kB – 120 KB RAM Options: 256 B – 8 KB GPIO Options: 14, 32, 48, 56, 68, 72, 80 pins ADC Options: Slope, 10 &12-bit SAR, 16-bit Sigma Delta LCD Controller, Analog Comparator, 12-bit DAC, DMA, Hardware 1.2.1.6 MSP430x5xx Series Tốc độ lên tới 25 MHz. Đây là dòng có mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất trong họ MSP430, được tích hợp Module Giám sát Năng lượng (Power Management Module) để tối ưu điện năng tiêu thụ. Một số chip tích hợp USB. Fast Wake-Up From Standby Mode in <5 μs 1.8-3.6V Flash Options: up to 256 KB RAM Options: up to 16 KB ADC Options: 10 & 12-bit SAR USB, Analog Comparator, DMA, Hardware Multiplier, RTC, USCI, 12-bit DAC 1.2.2 Cấu trúc MSP430 Cấu trúc bên trong ADC10/12/16/24-bit : 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, lấy mẫu và chốt. Tự động quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu. DAC12-bit : Op Amp, LCD driver RF transceiver AES128 Capacitive touch IO USB2.0, Real Time Clock Bộ nhớ FRAM 1.2.3 Đặc tính của MSP430 MSP 430 là họ vi điều khiển cấu trúc RISC 16-bit được sản xuất bởi công ty Texas Instruments. MSP - MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER - là dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn thấp, khoảng điện áp nguồn cấp từ 1.8V – 3.6V. MSP 430 kết hợp các đặc tính của một CPU hiện đại và tích hợp sẵn các module ngoại vi. Đặc biệt chip MSP 430 là giải pháp thích hợp cho những ứng dụng yêu cầu trộn tín hiệu. Những đặc tính của dòng MSP 430 bao gồm: Điện áp nguồn: 1.8V – 3.6 V. Mức tiêu thụ năng lượng cực thấp: Chế độ hoạt động: 270 μA tại 1MHz, 2,2 V. Chế độ chờ: 0.7 μA. Chế độ tắt (RAM vẫn được duy trì): 0.1 μA. Thời gian đánh thức từ chế độ Standby nhỏ hơn 1μs. Cấu trúc RISC-16 bit, Thời gian một chu kỳ lệnh là 62.5 ns Cấu hình các module Clock cơ bản: Tần số nội lên tới 16 MHz với 4 hiệu chỉnh tần số +- 1%. Thạch anh 32 KHz. Tần số làm việc lên tới 16 MHz. Bộ cộng hưởng. Nguồn tạo xung nhịp bên ngoài. Điện trở bên ngoài. Timer_A 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit Timer_B 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit Giao diện truyền thông nối tiếp: Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự động dò tìm tốc độ Baud. Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Associatio). Chuẩn giao tiếp động bộ SPI. Chuẩn giao tiếp I2C. Bộ chuyển đổi ADC 10 bit, 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, Lấy mẫu và chốt. Tự động quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu. Hai bộ khuếch đại thuật toán (hoạt động) có thể định cấu hình (Đối với MSP 430x22x4). Bảo vệ sụt áp. Bộ nạp chương trình. Module mô phỏng trên chip. MSP430 được sử dụng và biết đến đặc biệt trong những ứng dụng về thiết bị đo có sử dụng hoặc không sử dụng LCD với chế độ nguồn nuôi rất thấp. Với chế độ nguồn nuôi từ khoảng 1,8 đến 3,6v và 5 chế độ bảo vệ nguồn. Với sự tiêu thụ dòng rất thấp trong chế độ tích cực thì dòng tiêu thụ là 200uA, 1Mhz, 2.2v; với chế độ standby thì dòng tiêu thụ là 0.7uA. Và chế độ tắt chỉ duy trì bộ nhớ Ram thì dòng tiêu thụ rất nhỏ 0.1uA. MSP430 có ưu thế về chế độ nguồn nuôi. Thời gian chuyển chế độ từ chế độ standby sang chế độ tích cực rất nhỏ (< 6us). Và có tích hợp 96 kiểu hình cho hiển thị LCD. 16 bit thanh ghi, 16 bit RISC CPU. Có một đặc điểm của họ nhà MSP là khi MCU không có tín hiệu dao động ngoại, thì MSP sẽ tự động chuyển sang hoạt động ở chế độ dao động nội. 1.3 BỘ KÍT MSP430G2 LaunchPad 1.3.1 Các thành phần của bộ kit MSP-EXP430G2 LaunchPad là một dễ sử dụng lập trình flash và công cụ gỡ lỗi giá trị cho dòng vi điều khiển MSP430G2xx. Nó có tất cả mọi tính năng bạn cần để bắt đầu phát triển trên một thiết bị MSP430. Nó có on-board để lập trình và gỡ lỗi và các tính năng 14/20-pin DIP ổ cắm, nút on-board và đèn LED & pinouts BoosterPack tương thích có hỗ trợ một loạt các Plug-in cho tính năng bổ sung như không dây, hiển thị và hơn thế nữa. MSP-EXP430G2 LaunchPad cũng đi kèm với 2 con chip MSP430 lên đến 16KB Flash, 512B RAM, 16MHz tốc độ CPU và thiết bị ngoại vi tích hợp như 8ch 10-bit ADC, giờ, giao tiếp nối tiếp (UART, I2C và SPI) và hơn thế nữa! Miễn phí công cụ phát triển phần mềm cũng có sẵn, chẳng hạn như dựa trên Eclipse của TI Code Composer Studio, IAR Embedded Workbench. Phát triển mã nguồn mở cũng có sẵn nhờ vào các dự án dựa vào cộng đồng như trình biên dịch MSPGCC hoặc Energia, một chi nhánh của khung dây phổ biến. 1.3.2 Tính năng Các LaunchPad phát triển các tính năng bảng: 14-/20-pin DIP (N) ổ cắm Tích hợp đèn flash thi đua để gỡ lỗi và lập trình 2 đèn LED lập trình 1 đèn LED 1 lập trình nút 1 nút thiết lập lại Hỗ trợ MSP430G2xx2, MSP430G2xx3, và các thiết bị MSP430F20xx trong PDIP14 hoặc PDIP20 gói. Giao diện giả lập tích hợp của LaunchPad kết nối đèn flash dựa trên các thiết bị dòng MSP430 giá trị gia tăng với một máy tính cho thời gian thực, lập trình trong hệ thống và sửa lỗi thông qua USB: Bao gồm một cáp mini USB để giao tiếp với máy tính. Bao gồm các tính năng thiết bị MSP430G2xx: MSP430G2553IN20 - 16KB Flash, 512B RAM, ngắt GPIO (capacitive cảm giác có khả năng), giờ 16-bit, 8ch 10-bit ADC, sánh, nối tiếp truyền thông (USCI - I2C, SPI và UART) MSP430G2452IN20 - 8KB Flash, 256B RAM, ngắt GPIO (capacitive cảm giác có khả năng), 16-bit giờ, 8ch 10-bit ADC, sánh, nối tiếp truyền thông (USI - I2C và SPI) và hơn thế nữa Thiết bị MSP430G2xx bao gồm có các chương trình mẫu cài đặt sẵn. Phiên bản tải về miễn phí của IAR Kickstart và Mã Composer Studio Phiên bản 5 môi trường phát triển tích hợp có sẵn và bao gồm lắp ráp, mối liên kết, mô phỏng, nguồn cấp gỡ lỗi, và C-trình biên dịch. Những IDE miễn phí không hạn chế trên các thiết bị dòng MSP430 giá trị. Tuân theo chuẩn RoHS. CHƯƠNG 2: MÔ TẢ ĐỀ TÀI 2.1 YÊU CẦU CHỨC NĂNG: Điều khiển và giữ ổn định tốc độ động cơ 1 chiều loại nhỏ bằng phương pháp PWM có hồi tiếp tốc độ hiện tại từ động cơ Hiển thị tốc độ trung bình trên LCD Nếu động cơ ngừng quay (trạng thái nghỉ), LCD hiển thị ngày giờ Cài đặt các thông số của động cơ và hiển thị trên LCD Cài đặt, điều chỉnh ngày giờ của hệ thống (khi động cơ ngừng quay) 2.2 YÊU CẦU PHI CHỨC NĂNG Sử dụng MSP430G2553 và bộ kít MSP430G2 Launchpad Sử dụng động cơ hồi tiếp loại nhỏ, có encoder Sử dụng nút bấm hiển thị qua lại chế độ động cơ và chế độ nghỉ Nguồn nuôi 12V, battery 3V Chống rung nút bấm Mạch nhỏ gọn, linh kiện sắp xếp hợp lý Đảo chiều quay của động cơ và hiển thị chiều quay và cấu hình lên LCD 2.3 CÁC CÔNG CỤ SỬ DỤNG: Kít MSP430G2 Launchpad PIC C Compiler: soạn thảo Code C/ASM OrCad/ Altium Designer: thiết kế mạch (nguyên lý + Layout) Microsoft Project: Lập kế hoạch thực hiện bài tập lớn 2.4 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Mạch được thiết kế bao gồm các khối chính: khối nguồn, khối ngoại vi (bàn phím), khối hiển thị, khối mạch công suất và khối mạch điều khiển 3.1 KHỐI NGUỒN Mạch lấy nguồn xoay chiều qua Adapter AC DC 220V AC/12V DC và được ổn áp nhờ IC 7805 cho nguồn ra 5 V cấp nguồn cho LCD .Đồng thời qua LM1117 cho điện áp ra 3.3V cấp nguồn cho MSP430g2553 hoạt động. Nguồn 12 V được cấp cho DS1307. 3.2 KHỐI NGOẠI VI (BÀN PHÍM) Mạch bàn phím gồm 6 phím được bố trí thành cột . Các phím được nối với các chân từ P1.0, P1.1, P1.3, P1.4, P1.5, chân RST. Các phím sẽ được kéo lên mức cao 3.3 V nhờ trở kéo 10K. Mỗi Phím bấm sẽ đảm nhận một số chức năng nhất định như: phím mode để bật menu , khi vào mode rồi mà ở chế độ config thì nó cho phép hủy. Phím up/ down để thay đổi. Phím next/12 24/dir thì để chọn thứ tiếp theo. Nếu ở chế độ bình thường thì là phím chuyển đổi hệ 12h và 24h. còn ở chế độ động cơ thì đó là đảo chiều động cơ. 3.3 KHỐI HIỂN THỊ Mạch hiển thị bao gồm màn hình LCD giao tiếp với MSP430g2553 với 4 bit nối từ chân 20->23, có thêm biến trở để điều chỉnh độ sáng của LCD, với các chân điều khiển của IC được nối với chân 24,25 của MSP430g2553 3.4 KHỐI MẠCH CÔNG SUẤT Mạch công suất sử dụng IC cầu H L298, với 2 kênh A và B, mỗi kênh với điện áp định mức 50V và dòng điện định mức cho tải là 2A. Điện áp điều khiển 5V Nguồn cấp cho động cơ 12V, chân encoder nối với chân P2.7 của MSP430g2553 Sử dụng IC cầu H này, không những dùng để đảo chiều động cơ, mà còn điều khiển động cơ bằng phương pháp băm xung (PWM). IC7404 dùng để đảo chiều quay động cơ. Sơ đồi khối nguyên lý khối công suất: 3.5 KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sử dụng IC thời gian thực DS1307 để cập nhật ngày giờ của hệ thống . 3.6 HOÀN THIỆN SẢN PHẨM Ghép nối các khối với nhau, hàn các linh kiện trên mạch in, các IC, PIC có kèm theo chân đế. 3.7 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH 3.8 SƠ ĐỒ LAYOUT TOÀN MẠCH 3.9 HÌNH ẢNH THẬT CỦA SẢN PHẨM CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Kết quả thu được sau đề tài này: Do kinh nghiệm còn ít và hạn chế về thời gian cho việc chỉnh sửa nên mạch có phát sinh một số lỗi Khuyết điểm của mạch: - Do không áp dụng các phương pháp điều khiển (ví dụ như: PID, điều khiển mờ,) nên tốc độ động cơ chưa được ổn định. - Mạch cầu H sử dụng IC L298 chỉ điều khiển được động cơ DC có công suất nhỏ. Hướng phát triển của đề tài này: - Cải thiện ổn định tốc độ động cơ bằng phương pháp PID hay điều khiển mờ. - Tính toán thiết kế mạch công suất để có thể điều khiển được động cơ có công suất lớn hơn. - Sử dụng led 7 đoạn để tăng khả năng quan sát của khối hiển thị. - Kết nối với máy tính, sử dụng Visual Basic lập trình để điều khiển tốc độ động cơ DC. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]DatasheetMSP430g2553: [2] MSP430 User’s Guide, Texas Instruments [3] Datasheet LCD 16x2, DS1307 [4] Các trang web trực tuyến khác: PHỤ LỤC :PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Nguyễn Đức Chung Điều khiển động cơ, tăng, giảm, đảo chiều quay. Nguyễn Hữu Đăng Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in, hàn link kiện Nguyễn Đức Tiến Điều chỉnh các thông số thời gian,hiển thị thời gian thực lên LCD Trần Ngọc Linh Tính toán sai số, định thời tính toán tốc độ trung bình-hiển thị LCD, PHỤ LỤC B: SOFTWARE CODE MỤC LỤC