›
›

Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ DC theo luật PID bằng vi điều khiển, tốc độ đặt trên bàn phím HEX

pdf 68 trang huongle 160
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ DC theo luật PID bằng vi điều khiển, tốc độ đặt trên bàn phím HEX", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_thiet_ke_he_thong_dieu_khien_dong_co_dc_theo_luat_pid.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ DC theo luật PID bằng vi điều khiển, tốc độ đặt trên bàn phím HEX

  1. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN TỬ 2 PIC 16F877A 2 1.1.1. Sơ đồ khối và bảng mô tả chức năng các chân của PIC16F877A 3 1.1.2. Tổ chức bộ nhớ 8 1.1.3. Các cổng của PIC 16F877A 12 1.1.4. Hoạt động cuả định thời 17 1.2.1. Hình dáng kích thước. 22 1.2.2. Các chân chức năng. 24 1.2.3. Sơ đồ khối của HD44780. 25 1.2.4. Tập lệnh của LCD. 28 1.2.5. Đặc tính của các chân giao tiếp. 33 Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 34 2.1. Sơ đồ khối 34 2.2. Thiết kế các khối 34 2.2.1. Bộ xử lý 34 2.2.2. Khối hiển thị 35 2.2.3. Ma trận phím 36 2.2.4. Khối công suất và động cơ. 37 2.2.4.1. Motor DC 37 2.2.4.2.Nguyên lý điều khiển động cơ DC SERVO. 39 2.2.4.3. Mạch cầu H - Chip driver L298D 40 2.2.5. Khối nguồn 45 2.3. Sơ đồ mạch hệ thống 45 2.4.Khái quát về bộ điều khiển PID 46 2.4.1.Phương pháp Ziegler-Nichols. 47 2.5.Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID. 50 2.5.1.Thuật toán điều khiển. 50
  2. 2.5.2.Phương trình toán học bộ PID. 51 2.6.Sơ đồ khối mạch điều khiển. 54 2.7.Tính chọn hệ số Kp, KI 55 2.7.1.Tính chọn 55 Chương 3. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 56 3.1. Lưu đồ thuật toán 56 3.2. Chương trình 58 KẾT LUẬN 65
  3. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Trong đó, sự phát triển của kỹ thuật tự động hóa đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác, bảo mật cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là nhữnh yếu tố rất cần thiết cho sự tiện lợi trong cuộc sống. Trong lĩnh vực tự động hóa hiện nay kĩ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc, hầu hết các dây truyền tự động lớn và các sản phẩm dân dụng ta đều thấy sự xuất hiện của vi điều khiển. Càng ngày, các họ vi điểu khiển mới càng được được các nhà sản xuất tích hợp thêm nhiều tính năng với các bộ ngoại vi được tích hợp ngay trên chip, cùng với khả năng xử lý nhiều hoạt động phức tạp. Chính vì vậy sẽ có nhiều thuận lợi hơn trong việc thiết kế các ứng dụng, đề tài " iều khiển động cơ DC theo luật PID bằng vi điều khiển, tốc độ đặt trên bàn phím HEX" của em là một trong những ứng dụng đó. Đề tài của em gồm 3 phần: Chương 1. Tổng quan về các phần tử Chương 2. Thiết kế hệ thống điều khiển Chương 3. Phần mềm điều khiển Trong quá trình làm đề tài, do sự hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ có hạn nên không tránh khỏi có thiếu sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Hải Phòng, tháng 6 năm 2014 Sinh viên thực hiện 1
  4. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN TỬ 1.1. Tổng quan về PIC 16F877A Thông thường có 4 họ vi điều khiển 8 bit chính là 6811 của Motorola, 8051 của Intel, z8 của Xilog và Pic 16 của Microchip Technology. Mỗi một loại trên đây đều có một tập lệnh và thanh ghi riêng duy nhất, nên chúng thường không tương thích lẫn nhau. Ngoài ra cũng có những bộ vi điều khiển 16 bit và 32 bit được sản xuất bởi các hãng khác nhau. Với tất cả những bộ vi điều khiển khác nhau thì tiêu chuẩn để lựa chọn là: * Đáp ứng được nhu cầu tính toán của bài toán một cách hiệu quả, đầy đủ chức năng cần thiết và thấp nhất về mặt giá thành. Trong khi phân tích các nhu cầu của một dự án dựa trên bộ vi điều khiển chúng ta phải biết bộ vi điều khiển nào là 8 bit, 16 bit hay 32 bit có thể đáp ứng tốt nhất nhu cầu của bài toán một cách hiệu quả. Những tiêu chuẩn đó là: - Tốc độ: tốc độ lớn nhất mà vi điều khiển hỗ trợ là bao nhiêu. - Kiểu đóng vỏ: Đóng vỏ kiểu DIP 40 chân hay QFP. Đây là yêu cầu quan trọng xét về không gian, kiểu lắp ráp và tạo mẫu thử cho sản phẩm cuối cùng. - Công suất tiêu thụ: Điều này đặc biệt khắt khe đối với các sản phẩm dùng pin, ắc quy. - Dung lượng bộ nhớ Rom và Ram trên chíp. - Số chân vào ra và bộ định thời trên chíp. - Khả năng dễ dàng nâng cấp cho hiệu suất cao hoặc giảm công suất tiêu thụ. - Giá thành cho một đơn vị: Điều này quan trọng quyết định giá thành sản phẩm mà một bộ vi điều khiển được sử dụng. *) Có sẵn các công cụ phát triển phần mềm như các trình biên dịch, trình hợp ngữ và gỡ rối. *) Nguồn các bộ vi điều khiển sẵn có nhiều và tin cậy. Khả năng sẵn sàng đáp ứng về số lượng trong hiện tại tương lai. 2
  5. Hiện nay các bộ vi điều khiển 8 bit họ 8051 là có số lượng lớn nhất các nhà cung cấp đa dạng như Intel, Atmel, Philip Nhưng về mặt tính năng và công năng thì có thề xem PIC vượt trội hơn rất nhiều so với 89 với nhiều module được tích hợp sẵn như ADC10 BIT, PWM 10 BIT, PROM 256 BYTE, COMPARATER, VERF COMPARATER, một đặc điểm nữa là tất cả các vi điều khiển PIC sử dụng thì đều có chuẩn PI tức chuẩn công nghiệp thay vì chuẩn PC (chuẩn dân dụng). Ngoài ra PIC còn được rất nhiều nhà sản xuất phần mềm tạo ra các ngôn ngữ hỗ trợ cho việc lập trình ngoài ngôn ngữ Asembly ra còn có thể sử dụng ngôn ngữ C thì sử dụng CCSC, HTPIC hay sử dụng Basic thì có MirkoBasic và còn nhiều chương trình khác nữa để hỗ trợ cho việc lập trình bên cạnh ngôn ngữ kinh điển là asmbler. Nên trong đề tài này em lựa chọn sử dụng vi điều khiển PIC làm bộ điều khiển chính, và ở đây là PIC16F877A. 1.1.1. Sơ đồ khối và bảng mô tả chức năng các chân của PIC16F877A Hình 1.1: PIC 16F877A 3
  6. Hình 1.2: Sơ đồ khối của PIC16F877A 4
  7. Bảng mô tả chức năng các chân của PIC16F877A DIP PLCC QFT I/O/P Pin Name Buffer Type Description Pin# Pin# Pin# Type Đầu vào của xung dao động OSC1/CLKIN 13 14 30 1 ST/CMOS(4) thạch anh/ngõ vào xung clock ngoại Đầu ra của xung dao động thạch anh. Nối với thạch anh hay cộng hưởng trong OSC2/CLKOUT 1 2 18 O - chế độ dao động của thạch anh.Trong chế độ RC, ngõ ra của chân OSC2. Ngõ vào của Master Clear(Reset) hoặc ngõ vào điện thế được lập trình. MCLR /Vpp 1 2 18 I/P ST Chân này cho phép tín hiệu Reset thiết bị tác động ở mức thấp. PORTA là port vào ra hai RA0/AN0 2 3 19 I/O TTL chiều. RA0 có thể làm ngõ vào tuơng tự thứ 0. RA1 có thể làm ngõ vào RA1/AN1 3 4 20 I/O TTL tuơng tự thứ 1 RA2 có thể làm ngõ vào RA2/AN2/VREF – 4 5 21 I/O TTL tuơng tự 2 hoặc điện áp chuẩn tương tự âm. RA3 có thể làm ngõ vào RA3/AN3/VREF + 5 6 22 I/O TTL tuơng tự 3 hoặc điện áp chuẩn tương tự dương. RA4 có thể làm ngõ vào RA4/T0CKI 6 7 23 I/O ST xung clock cho bộ định thời Timer0. RA5 có thể làm ngõ vào RA5/ SS /AN4 7 8 24 I/O TTL tương tự thứ 4 RB0/INT 33 36 8 I/O TTL/ST(1) PORTB là port hai chiều. RB1 34 37 9 I/O TTL RB0 có thể làm chân ngắt 5
  8. RB2 35 38 10 I/O TTL ngoà RB3 có thể làm ngõ vào RB3/PGM 36 39 11 I/O TTL của điện thế được lập trình ở mức thấp. RB4 37 41 14 I/O TTL Interrupt-on-change pin. RB5 38 42 15 I/O TTL Interrupt-on-change hoặc In-Crcuit Debugger pin. RB6/PGC 39 43 16 I/O TTL/ST(2) Serial programming clock. Interrupt-on-change pin hoặc RB7/PGD 40 44 17 I/O TTL/ST(3) In-Crcuit Debugger pin . Serial programming data . PORTC là port vào ra hai chiều. RC0/T1OSO/T1CKI 15 16 32 I/O ST RC0 có thể là ngõ vào của bộ dao động Timer1 hoặc ngõ xung clock cho Timer1 RC1 có thể là ngõ vào của bộ dao động Timer1 hoặc RC1/T1OSI/CCP2 16 18 35 I/O ST ngõ vào Capture2/ngõ ra compare2/ngõ vào PWM2. RC2 có thể ngõ vào RC2/CCP1 17 19 36 I/O ST capture1/ngõ ra compare1/ngõ vào PWM1 RC3/SCK/SCL 18 20 37 I/O ST RC3 có thể là ngõ vào xung Clock đồng bộ nội tiếp/ngõ ra trong cả hai chế độ SPI RC4/SDI/SDA 23 25 42 I/O ST và I2C RC4 có thể là dữ liệu bên trong SPI(chế độ SPI) hoặc dữ liệu I/O(chế độ I 2 C). RC5 có thể là dữ liệu ngoài RC5/SDO 24 26 43 I/O ST SPI(chế độ SPI) RC6 có thể là chân truyền RC6/TX/CK 25 27 44 I/O ST không đồng bộ USART 6
  9. hoặc đồng bộ với xung đồng hồ RC7 có thể là chân nhận RC7/RX/DT 26 29 1 I/O ST không đồng bộ USART hoặc đồng bộ với dữ liệu. RD0/PSP0 19 21 38 I/O ST/TTL(3) RD1/PSP1 20 22 39 I/O ST/TTL(3) RD2/PSP2 21 23 40 I/O ST/TTL(3) PORTD là port vào ra hai RD3/PSP3 22 24 41 I/O ST/TTL(3) chiều hoặc là parallel slave RD4/PSP4 27 30 2 I/O ST/TTL(3) port khi giao tiếp với bus RD5/PSP5 28 31 3 I/O ST/TTL(3) của bộ vi xử lý. RD6/PSP6 29 32 4 I/O ST/TTL(3) RD7/PSP7 30 33 5 I/O ST/TTL(3) PORTE là port vào ra hai chiều. RE0 có thể điều khiển việc RE0/ RD /AN5 8 9 25 I/O ST/TTL(3) đọc parrallel slave port hoặc là ngoc vào tương tự thứ 5. RE1 có thể điều khiển việc RE1/WR /AN6 9 10 26 I/O ST/TTL(3) ghi parallel slave port hoặc là ngõ vào tương tự thứ 6. RE2 có thể điều khiển việc chọn parallel slave port RE2/ CS /AN7 10 11 27 I/O ST/TTL(3) hoặc là ngõ vào tương tự thứ 7 Cung cấp nguồn dương cho Vss 12, 31 13, 34 7, 28 P các mức logicvà những VDD 11, 32 12, 35 6, 29 P chân I/O. Những chân này không 1,17,28, 12,13 NC được nối bên trong và nó 40 33, 4 được để trống Ghi chú: I = input; O = output; I/O = input/output; P = power - = Not used; TTL = TTL input; ST = Schmitt Trigger input 1. Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schmitt khi được cấu hình như ngắt ngoài. 7
  10. 2. Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schmitt khi được sử dụng trong chế độ 9 Serial Programming. 3. Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schmitt khi được cấu hình như ngõ vào ra mục đích chung và là ngõ vào TTL khi sử dụng trong chế độ Parallel Slave Port (cho việc giao tiếp với các bus của bộ vi xử lý). 4. Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schmitt khi được cấu hình trong chế độ dao động RC và một ngõ vào CMOS khác. 1.1.2. Tổ chức bộ nhớ Có 2 khối bộ nhớ trong các vi điều khiển họ PIC16F87X, bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu, với những bus riêng biệt để có thể truy cập đồng thời. Hình 1.3: Ngăn xếp và bản đồ bộ nhớ chương trình PIC16F877A 1.1.2.1. Tổ chức của bộ nhớ chương trình Các vi điều khiển họ PIC16F877A có bộ đếm chương trình 13 bit có khả năng định vị không gian bộ nhớ chương trình lên đến 8Kb.Các IC PIC16F877A có 8Kb bộ nhớ chương trình FLASH, các IC PIC16F873/874 chỉ có 4 Kb.Vectơ RESET đặt tại địa chỉ 0000h và vectơ ngắt tại địa chỉ 0004h. 8
  11. 1.1.2.2. Tổ chức bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ dữ liệu được chia thành nhiều dãy và chứa các thanh ghi mục đích chung và các thanh ghi chức năng đặc biệt. BIT RP1 (STATUS ) và RP0 (STATUS ) là những bit dùng để chọn các dãy thanh ghi. RP1:RP0 Bank 00 0 01 1 10 2 11 3 Chiều dài của mỗi dãy là 7Fh (128 byte). Phần thấp của mỗi dãy dùng để chứa các thanh ghi chức năng đặc biệt.Trên các thanh ghi chức năng đặc biệt là các thanh ghi mục đích chung, có chức năng như RAM tĩnh. Thường thì những thanh ghi đặc biệt được sử dụng từ một dãy và có thể được ánh xạ vào những dãy khác để giảm bớt đoạn mã và khả năng truy cập nhanh hơn. 1.1.2.3. Các thanh ghi mục đích chung Các thanh ghi này có thể truy cập trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua thanh ghi FSG (File Select Register). 9
  12. Hình 1.4: Các thanh ghi của PIC16F877A 1.1.2.4. Các thanh ghi chức năng đặc biệt Các thanh ghi chức năng đặc biệt (Special Function Resgister) được sử dụng bởi CPU và các bộ nhớ ngoại vi để điều khiển các hoạt động được yêu cầu của thiết bị. Những thanh ghi này có chức năng như RAM tĩnh. Danh sách những thanh ghi nay được trình bày ở bảng dưới. Các thanh ghi chức năng đặc biệt có thể chia thành hai loại: phần trung tâm (CPU) và phần ngoại vi. 10
  13. 1.1.2.5. Các thanh ghi trạng thái Hình 1.5: Thanh ghi trạng thái (địa chỉ 03h, 83h, 103h, 183h) Thanh ghi trạng thái chứa các trạng thái số học của bộ ALU, trạng thái RESET và những bits chọn dãy thanh ghi cho bộ nhớ dữ liệu. Thanh ghi trạng thái có thể là đích cho bất kì lệnh nào, giống như những thanh ghi khác. Nếu thanh ghi trang thái là đích cho một lệnh mà ảnh hưởng đến các cờ Z, DC hoặc C, và sau đó những bit này sẽ được vô hiệu hoá. Những bit này có thể đặt hoặc xoá tuỳ theo trạng thái logic của thiết bị. Hơn nữa hai bit TO và PD thì không cho phép ghi, vì vậy kết quả của một tập lệnh mà thanh ghi trạng thái là đích có thể khác hơn dự định. Ví dụ, CLRF STATUS sẽ soá 3 bit cao nhất và đặt bit Z. Lúc này các bits của thanh ghi trạng thái là 000u u1uu (u = unchanged). Chỉ có các lệnh BCF, BSF, SWAPF và MOVWF được sử dụng để thay đổi thanh ghi trạng thái, bởi vì những lệnh này không làm ảnh hưởng đến các bit Z, DC hoặc C từ thanh ghi trạng thái. Đối với những lệnh khác thì không ảnh hưởng đến những bits trạng thái này. 11
  14. 1.1.3. Các cổng của PIC 16F877A 1.1.3.1. PORTA và thanh ghi TRISA Hình 1.6: Sơ đồ khối của chân RA3:RA0 và RA5 Hình 1.7: Sơ đồ khối của chân RA4/T0CKI 12
  15. 1.1.3.2. PORTB và thanh ghi TRISB PORTB có độ rộng 8 bit, là port vào ra hai chiều. Ba chân của PORTB được đa hợp với chức năng lâp trình mức điện thế thấp (Low Voltage Programming ): RB3/PGM, RB6/PGC và RB7/PGD. Mỗi chân của PORTB có một điện trở kéo bên trong. Một bit điều khiển có thể mở tất cả những điện trở kéo này lên. Điều này được thực hiện bằng cách xoá bit RBPU (OPTION_REG ). Những điện trở này bị cấm khi có một Power-on Reset. Bốn chân của PORTB: RB7 đến RB4 có một ngắt để thay đổi đặc tính .Chỉ những chân được cấu hình như ngõ vào mới có thể gây ra ngắt này. Những chân vào (RB7:RB4) được so sánh với giá trị được chốt trước đó trong lấn đọc cuối cùng của PORTB. Các kết quả không phù hợp ở ngõ ra trên chân RB7:RB4 được OR với nhau để phát ra một ngắt Port thay đổi RB với cờ ngắt là RBIF (INTCON ). Ngắt này có thể đánh thức thiết bị từ trạng thái nghỉ (SLEEP). Trong thủ tục phục vụ ngắt người sử dụng có thể xoá ngắt theo cách sau: a) Đọc hoặc ghi bất kì lên PORTB. Điều này sẽ kết thúc điều kiện không hoà hợp. b) Xoá bit cờ RBIF. Hình 1.8: Sơ đồ khối các chân RB3:RB0 13
  16. Hình 1.9: Sơ đồ khối các chân RB7:RB4 1.1.3.3. PORTC và thanh ghi TRISC PORTC có độ rộng là 8 bit, là port hai chiều. Thanh ghi dữ liệu trực tiếp tương ứng là TRISC. Cho tất cả các bit của TRISC là 1 thì các chân tương ứng ở PORTC là ngõ vào. Cho tất cả các bit của TRISC là 0 thì các chân tương ứng ở PORTC là ngõ ra. PORTC được đa hợp với vài chức năng ngoại vi, những chân của PORTC có đệm Trigger Schmitt ở ngõ vào. Khi bộ I2C được cho phép, chân 3 và 4 của PORTC có thể cấu hình với mức I2C bình thường, hoặc với mức SMBus bằng cách sử dụng bit CKE (SSPSTAT ). Khi những chức năng ngoại vi được cho phép, chúng ta cần phải quan tâm đến việc định nghĩa các bits của TRIS cho mỗi chân của PORTC. Một vài thiết bị ngoại vi ghi đè lên bit TRIS thì tạo nên một chân ở ngõ ra, trong khi những thiết bị ngoại vi khác ghi đè lên bit TRIS thì sẽ tạo nên một chân ở ngõ vào. Khi những bit TRIS ghi đè bị tác động trong khi thiết bị ngoại vi được cho phép, những lệnh đọc thay thế ghi (BSF, BCF, XORWF) với TRISC là nơi đến cần phải được tránh. Người sử dụng cần phải chỉ ra vùng ngoại vi tương ứng để đảm bảo cho việc đặt TRIS bit là đúng. 14
  17. Hình 1.10: Sơ đồ khối của các chân RC Hình 1.11: Sơ đồ khối của các chân RC và RC 15
  18. 1.1.3.4. PORTD và thanh ghi TRISD PORTD là port 8 bit với đệm Trigger Schmitt ở ngõ vào. Mỗi chân có thể được cấu hình riêng lẻ như một ngõ vào hoặc ngõ ra. PORTD có thể được cấu hình như port của bộ vi xử lý rộng 8 bit (parallel slave port) bằng cách đặt bit điều khiển PSPMIDE (TRISE ). Trong chế độ này, đệm ở ngõ vào là TTL. Hình 1.12: Sơ đồ khối của PORTD (trong chế độ là port I/O) 1.1.3.5. PORTE và thanh ghi TRISE PORTE có ba chân (RE0/RD/AN5, RE1/WR/AN6, và RE2/CS/AN7) mỗi chân được cấu hình riêng lẻ như những ngõ vào hoặc những ngõ ra. Những chân này có đệm Trigger Schmitt ở ngõ vào. Những chân của PORTE đóng vai trò như những ngõ vào điều khiển vào ra cho Port của vi xử lý khi bit PSPMODE (TRISE ) được đặt. Trong chế độ này, người sử dụng cần phải chắc chắn rằng những bit TRISE được đặt, và chắc rằng những chân này được cấu hình như những ngõ vào số. Cũng bảo đảm rằng ADCON1 được cấu hình cho vào ra số. Trong chế độ này, những đệm ở ngõ vào là TTL. Những chân của PORTE được đa hợp với những ngõ vào tương tư, Khi được chọn cho ngõ vào tương tự, những chân này sẽ đọc giá trị "0". TRISE điều khiển hướng của những chân RE chỉ khi những chân này được sử dụng như những ngõ vào tương tự. Người sử dụng cần phải giữ những chân được cấu hình như những ngõ vào khi sử dụng chúng như những ngõ vào tương tự. 16
  19. Hình 1.13: Sơ đồ khối của PORTE (trong chế độ I/O port) 1.1.4. Hoạt động cuả định thời 1.1.4.1. Bộ định thời TIMER0 Bộ định thời/bộ đếm Timer0 có các đặc tính sau: Bộ định thời / bộ đếm 8 bit Cho phép đọc và ghi Bộ chia 8 bit lập trình được bằng phần mềm Chọn xung clock nội hoặc ngoại Ngắt khi có sự tràn từ FFh đến 00h Chọn sườn cho xung clock ngoài Sơ đồ khối của bộ định thời Timer0 và bộ chia dùng chung với WDT được đưa ra trong hình 1.14. 17
  20. Hình 1.14: Sơ đồ khối của bộ định thời Timer0 và bộ chia dùng chung với WDT Chế độ định thời (Timer) được chọn bằng cách xoá bit T0CS (OPTION_REG ). Trong chế độ định thời, bộ định thời Timer0 sẽ tăng dần sau mồi chu kì lệnh (không có bộ chia). Nếu thanh ghi TmR0 được ghi thì sự tăng sẽ bị ngăn lại sau hai chu kì lệnh. Chế độ đếm (Counter) được chọn bằng cách xoá bit T0CS (OPTION_REG ). Trong chế độ đếm, Timer0 sẽ tăng dần ở mỗi cạnh lên xuống của chân RA4/T0CKI. Sự tăng sườn được xác định bởi bit Timer0 Source Edge Select, T0SE (OPTION_RE ). Bộ chia chỉ được dùng chung qua lại giữa bộ định thời Timer0 và bộ định thời Watchdog. Bộ chia không cho phép đọc hoặc ghi Ngắt Timer0 Ngắt TMR0 được phát ra khi thanh ghi TMR0 tràn từ FFh đến 00h. Sự tràn này sẽ đặt bit T0IF (INTCON ). Ngắt này có thể được giấu đi bằng cách xóa bit T0IE (INTCON ) . Bit T0IF cần phải được xóa trong chương trình bởi thủ tục phục vụ ngắt của bộ định thời Timer0 trước khi ngắt này được cho phép lại. Sử dụng Timer0 với xung clock ngoại 18
  21. Khi bộ chia không được sử dụng, clock ngoài đặt vào thì giống như bộ chia ở ngõ ra. Sự đồng bộ của chân T0CKI với clock ngoài được thực hiện bằng cách lấy mẫu bộ chia ở ngõ ra trên chân Q2 và Q4. Vì vậy thực sự cần thiết để chân T0CKI ở mức cao trong ít nhất 2 chu kỳ máy và ở mức thấp trong ít nhất 2 chu kỳ máy. Bộ chia Thiết bị PIC16F87X chỉ có một bộ chia mà được dùng chung bởi bộ định thời TIMER0 và bộ định thời Watchdog. Bộ chia có các Hệ số chia dùng cho Timer0 hoặc bộ WDT. Các hệ số này không có khả năng đọc và khả năng viết. Để chọn hệ số chia xung vào Timer0 hoặc cho bộ WDT ta tiến hành xoá hoặc đặt bit PSA của thanh ghi OPTION_REG . Những bit PS2, PS1, PS0 của thanh ghi OPTION_REG dùng để xác lập các hệ số chia. 1.1.4.2. Bộ định thời TIMER1 Bộ định thời TIMER1 là một bộ định thời/bộ đếm 16 bit gồm hai thanh ghi TMR1H (Byte cao) và TMR1L (byte thấp) mà có thể đọc hoặc ghi. Cặp thanh ghi này tăng số đếm từ 0000h đến FFFFh và báo tràn sẽ xuất hiện khi có sự chuyến số đếm từ FFFFh xuống 0000h. Ngắt, nếu được phép có thể phát ra khi có số đếm tràn và được đặt ở bit cờ ngắt TMR1IF. Ngắt có thể được phép hoặc cấm bằng cách đặt hoặc xoá bit cho phép ngắt TMR1IE. Bộ định thời Timer1 có thể được cấu hình để hoạt động một trong hai chế độ sau: Định thời một khoảng thời gian (timer) Đếm sự kiện (Counter) Việc lựa chọn một trong hai chế độ được xác định bằng cách đặt hoặc xoá bit điều khiển TMR1ON. T1CKPS1 T1CKPS0 T1OSCEN T1SYNC TMR1CS TMR1ON Bit7 Bit0 19
  22. Bit 7-6 Không được định nghĩa Bit 5-4 bit chọn bộ chia clock cho timer1 Bit 3 bit điều khiển cho phép bộ dao động Timer1 Bit 2 bit điều khiển clock ngoài Timer Bit 1 bit chọn nguồn clock cho Timer1 Bit 0 bit điều khiển hoạt động của Timer1 Chế độ Timer Chế độ Timer được chọn bằng cách xoá TMR1CS. Trong chế độ này, Nguồn clock đặt vào Timer là mạch dao động FOSC/4. Bit điều khiển đồng bộ không bị tác động vì clock ngoài luôn luôn đồng bộ. Hình 1.15: Cạnh tăng timer1 Chế độ counter Trong chế độ này, bộ định thời tăng số đếm qua clock ngoài. Việc tăng xảy ra sau mỗi sườn lên của xung clock ngoài. Bộ định thời phải có một sườn lên trước khi việc đếm bắt đầu. Hình 1.16: Sơ đồ khối bộ định thời timer1 20
  23. 1.1.4.3. Bộ định thời TIMER2 Bộ định thời TIMER2 là bộ định thời 8 bit với một bộ đếm và một bộ potscaler. Nó thường dùng chung với bộ CCP trong chế độ PWM (sẽ được đề câp ở phần sau). Thanh ghi TMR2 có thể đọc hoặc ghi và được xoá khi có bất kì tín hiệu reset nào của thiết bị Bộ định thời TIMER2 có một thanh ghi chu kỳ 8 bit, PR2. Bộ định thời tăng số đếm lên từ 00h đến giá trị được ghi trong thanh ghi TR2 và sau đó reset lại giá trị 00h trong chu kỳ kế tiếp. PR2 là thanh ghi có thể đọc hoặc ghi. Giá trị trùng hợp trong thanh ghi TMR2 được đi qua bộ postscaler 4 bit để phát ra một ngắt TMR2 (được đặt ở bit cờ ngắt TMR2IF). Bộ định thời TIMER2 có thể được tắt (không hoạt động) bằng cách xoá bít điều khiển TMR2ON để giản thiểu công suất tiêu tán nguồn. Hình 1.17: Sơ đồ khối của TIMER2 21
  24. Hình 1.18: T2CON: Thanh ghi điều khiển Timer2 (địa chỉ 12h) Một đặc điểm khác của vi điều khiển Pic16F877A là có bộ dao động chủ trên chip điều, nó sẽ giúp tránh được những sai số không cần thiết trong việc tạo xung dao động, vi điều khiển Pic16F877A có khả năng tự Reset bằng bộ WDT, và có thêm 256 byte EEPROM. Nhưng giá thành của Pic đắt hơn so với 8051. 1.2. Thiết bị hiển thị LCD Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như 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 Trong đề tài này tôi sử dụng HD44780 của Hitachi, một loại thiết bị hiển thị LCD rất thông dụng ở nước ta. 1.2.1. Hình dáng kích thước. Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, trên hình 1.19. là hai loại LCD thông dụng. 22
  25. Hình 1.19. Hình hai loại LCD thông dụng. Hình 1.20: Sơ đồ chân của LCD Hình 1.21: LCD loại DM 1602A. Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) 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 1.20. 23
  26. 1.2.2. Các chân chức năng. Bảng 2.1: Các chân chức năng của HD44780. Chân số Tên Chức năng 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 5V của mạch điều khiển. 3 Vo Chân này dùng để điều chỉnh độ tương phản của LCD. 4 RS 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 RW 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 (low-to-high transition) của tín hiệu chân E. + Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện sườn lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp. 7÷14 DB0÷DB7 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông 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. 15 A 15 là Catot, điện áp khoảng Uak=4,2V 24
  27. 16 K Chân nối đất của đèn Back light 1.2.3. Sơ đồ khối của HD44780. Để hiểu rõ hơn chức năng các chân và hoạt động của chúng, ta tìm hiểu sơ qua chíp HD44780 thông qua các khối cơ bản của nó. *) Các thanh ghi: Chíp HD44780 có 2 thanh ghi 8 bit quan trọng là: Thanh ghi lệnh IR (Instructor Register) và thanh ghi dữ liệu DR (Data Register). - Thanh ghi IR: Để điều khiển LCD, người dùng phải “ra lệnh” thông qua tám đường bus DB0-DB7. Mỗi lệnh được nhà sản xuất LCD đánh địa chỉ rõ ràng. Người dùng chỉ việc cung cấp địa chỉ lệnh bằng cách nạp vào thanh ghi IR. Nghĩa là, khi ta nạp vào thanh ghi IR một chuỗi 8 bit, chíp HD44780 sẽ tra bảng mã lệnh tại địa chỉ mà IR cung cấp và thực hiện lệnh đó. VD: Lệnh “hiển thị màn hình” có địa chỉ lệnh là 00001100 (DB7 DB0) 25
  28. Hình 1.22: Sơ đồ khối của HD44780. - Thanh ghi DR: Thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8 bit để ghi vào vùng RAM, DDRAM hoặc CGRAM (ở chế độ ghi) hoặc dùng để chứa dữ liệu từ 2 vùng RAM này gởi ra cho MPU (ở chế độ đọc). Nghĩa là, khi MPU ghi thông tin vào DR, mạch nội bên trong chíp sẽ tự động ghi thông tin này vào DDRAM hoặc CGRAM. Hoặc khi thông tin về địa chỉ được ghi vào IR, dữ liệu ở địa chỉ này trong vùng RAM nội của HD44780 sẽ được chuyển ra DR để truyền cho MPU. Vậy bằng cách điều khiển chân RS và R/W chúng ta có thể chuyển qua lại giữ 2 thanh ghi này trong khi giao tiếp với MPU. Bảng 3.2. tóm tắt lại các thiết lập đối với hai chân RS và R/W theo mục đích giao tiếp. Bảng 2.2: Bảng chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng. RS RW Ý nghĩa 0 0 Ghi vào thanh ghi IR để ra lệnh cho LCD (VD: cần display clear, ) 0 1 Đọc cờ bận ở DB7 và giá trị của bộ đếm địa chỉ ở DB0-DB6 1 0 Ghi vào thanh ghi DR 1 1 Đọc dữ liệu từ DR *) Cờ báo bận BF (Busy Flag): Khi thực hiện các hoạt động bên trong chíp, mạch nội bên trong cần một khoảng thời gian để hoàn tất. Khi đang thực thi các hoạt động bên trong chíp như thế, LCD bỏ qua mọi giao tiếp với bên ngoài và bật cờ BF (thông qua chân DB7 khi có thiết lập RS=0, R/W=1) lên để báo cho MPU biết nó đang “bận”. Dĩ nhiên, khi xong việc, nó sẽ đặt cờ BF lại mức 0. *) Bộ đếm địa chỉ AC (Address Counter): Như trong sơ đồ khối, thanh ghi IR không trực tiếp kết nối với vùng RAM (DDRAM và CGRAM) mà thông qua bộ đếm địa chỉ AC. Bộ đếm này lại nối với 2 vùng RAM theo kiểu rẽ nhánh. Khi một địa chỉ lệnh được nạp vào thanh ghi IR, thông tin được nối trực tiếp cho 2 vùng RAM nhưng việc chọn lựa vùng RAM tương tác đã được bao hàm trong mã lệnh. Sau khi ghi 26
  29. vào (hoặc đọc từ) RAM, bộ đếm AC tự động tăng lên (hoặc giảm đi) 1 đơn vị và nội dung của AC được xuất ra cho MPU thông qua DB0-DB6 khi có thiết lập RS=0 và R/W=1 (xem bảng 3.2). Lưu ý: Thời gian cập nhật AC không được tính vào thời gian thực thi lệnh mà được cập nhật sau khi cờ BF lên mức cao (not busy), cho nên khi lập trình hiển thị, bạn phải delay một khoảng tADD khoảng 4µS-5µS (ngay sau khi BF=1) trước khi nạp dữ liệu mới. *) Vùng RAM hiển thị DDRAM (Display Data RAM): Đây là vùng RAM dùng để hiển thị, nghĩa là ứng với một địa chỉ của RAM là một ô kí tự trên màn hình và khi bạn ghi vào vùng RAM này một mã 8 bit, LCD sẽ hiển thị tại vị trí tương ứng trên màn hình một kí tự có mã 8 bit mà bạn đã cung cấp như hình 1.23. Hình 1.23: Mối liên hệ giữa địa chỉ của DDRAM và vị trí hiển thị của LCD. Vùng RAM này có 80x8 bits nhớ, nghĩa là chứa được 80 kí tự mã 8 bits. Những vùng RAM còn lại không dùng cho hiển thị có thể dùng như vùng RAM đa mục đích. Lưu ý là để truy cập vào DDRAM, ta phải cung cấp địa chỉ cho AC theo mã HEX. *) Vùng ROM chứa kí tự CGROM (Character Generator ROM): Vùng ROM này dùng để chứa các mẫu kí tự loại 5x8 hoặc 5x10 điểm ảnh/kí tự, và định địa chỉ bằng 8 bit. Tuy nhiên, nó chỉ có 208 mẫu kí tự 5x8 27
  30. và 32 mẫu kí tự kiểu 5x10 (tổng cộng là 240 thay vì 256 mẫu kí tự). Người dùng không thể thay đổi vùng ROM này. Hinh 1.24: Mối liên hệ giữa địa chỉ của ROM và dữ liệu tạo mẫu kí tự. *) Vùng RAM chứa kí tự đồ họa CGRAM (Character Generator RAM): Như trên bảng mã kí tự, nhà sản xuất dành vùng có địa chỉ byte cao là 0000h để người dùng có thể tạo các mẫu kí tự đồ họa riêng. Tuy nhiên dung lượng vùng này rất hạn chế: Ta chỉ có thể tạo 8 kí tự loại 5x8 điểm ảnh, hoặc 4 kí tự loại 5x10 điểm ảnh. Để ghi vào CGRAM, xem hình 1.24. 1.2.4. Tập lệnh của LCD. 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. (xem bảng 3.2) 28
  31. Hình 1.25: Mối liên hệ giữa địa chỉ của CGRAM, dữ liệu CGARM, và mã kí tự. * Với mỗi lệnh, LCD cần một khoảng thời gian để hoàn 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 4 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. • Các lệnh còn lại . 29
  32. Bảng 2.3: Tập lệnh của LCD. Thời gian Tên lệnh Hoạt động chạy Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx = 0 0 0 0 0 0 0 1 Clear Lệnh Clear Display (xóa hiển thị) sẽ ghi một khoảng trống (mã hiển thị kí Display tự 20H) vào tất cả ô nhớ trong DDRAM, sau đó trả bộ đếm địa chỉ AC=0, trả lại hiển thị gốc nếu nó bị thay đổi, nghĩa là: Tắt hiển thị, con trỏ dời về góc trái (hàng đầu tiên), chế độ tăng AC. Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 Return DBx = 0 0 0 0 0 0 1 * home Lệnh Return home trả bộ đếm địa chỉ AC về 0, trả lại kiểu hiển thị gốc 1.52 ms nếu nó bị thay đổi. Nội dung của DDRAM không thay đổi. Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx = 0 0 0 0 0 1 [I/D] [S] I/D: Tăng (I/D=1) hoặc giảm (I/D=0) bộ đếm địa chỉ hiển thị AC 1 đơn vị mỗi khi có hành động ghi hoặc đọc vùng DDRAM. Vị trí con trỏ cũng di chuyển theo sự tăng giảm này. S: Khi S=1 toàn bộ nội dung hiển thị bị dịch sang phải (I/D=0) hoặc sang trái (I/D=1) mỗi khi có hành động ghi vùng DDRAM. Khi S=0: không dịch nội dung hiển thị. Nội dung hiển thị không dịch khi đọc DDRAM Entry hoặc đọc/ghi vùng CGRAM. mode set 37µs Hoạt động dịch trái và dịch phải nội dung hiển thị Display Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 on/off DBx = 0 0 0 0 1 [D] [C] [B] control D: Hiển thị màn hình khi D=1 và ngược lại. Khi tắt hiển thị, nội dung 30
  33. DDRAM không thay đổi. C: Hiển thị con trỏ khi C=1 và ngược lại. Vị trí và hình dạng con trỏ, xem hình 3.8. B: Nhấp nháy kí tự tại vị trí con trỏ khi B=1 và ngược lại. Xem thêm hình 8. về kiểu nhấp nháy. Chu kì nhấp nháy khoảng 409,6ms khi mạch dao động nội LCD là 250kHz. 37µs Kiểu con, kiểu kí tự và nhấp nháy kí tự Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx = 0 0 0 1 [S/C] [R/L] * * Lệnh Cursor or display shift dịch chuyển con trỏ hay dữ liệu hiển thị sang trái mà không cần hành động ghi/đọc dữ liệu. Khi hiển thị kiểu 2 dòng, Cursor con trỏ sẽ nhảy xuống dòng dưới khi dịch qua vị trí thứ 40 của hàng đầu or tiên. Dữ liệu hàng đầu và hàng 2 dịch cùng một lúc. Chi tiết sử dụng xem display bảng sau: shift 37µs Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx = 0 0 1 [DL] [N] [F] * * Function DL: Khi DL=1, LCD giao tiếp với MPU bằng giao thức 8 bit (từ bit DB7 set đến DB0). Ngược lại, giao thức giao tiếp là 4 bit (từ bit DB7 đến bit DB0). Khi chọn giao thức 4 bit, dữ liệu được truyền/nhận 2 lần liên tiếp với 4 bit cao gửi/nhận trước, 4 bit thấp gửi/nhận sau. 31
  34. N: Thiết lập số hàng hiển thị. Khi N=0: hiển thị 1 hàng, N=1: hiển thị 2 hàng. 37µs F: Thiết lập kiểu kí tự. Khi F=0: kiểu kí tự 5x8 điểm ảnh, F=1: kiểu kí tự 5x10 điểm ảnh. * Chú ý: • Chỉ thực hiện thay đổi Function set ở đầu chương trình. Và sau khi được thực thi 1 lần, lệnh thay đổi Function set không được LCD chấp nhận nữa ngoại trừ thiết lập chuyển đổi giao thức giao tiếp. • Không thể hiển thị kiểu kí tự 5x10 điểm ảnh ở kiểu hiển thị 2 hàng. Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 Set DBx= 0 1 [ACG][ACG][ACG][ACG][ACG][ACG] CGRAM Lệnh này ghi vào AC địa chỉ của CGRAM. Kí hiệu [ACG] chỉ 1 bit của address chuỗi dữ liệu 6 bit. Ngay sau lệnh này là lệnh đọc/ghi dữ liệu từ CGRAM 37µs tại địa chỉ đã được chỉ định. Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx = 1 [AD] [AD] [AD] [AD] [AD] [AD] [AD] Set Lệnh này ghi vào AC địa chỉ của DDRAM, dùng khi cần thiết lập tọa độ DDRAM hiển thị mong muốn. Ngay sau lệnh này là lệnh đọc/ghi dữ liệu từ address DDRAM tại địa chỉ đã được chỉ định. Khi ở chế độ hiển thị 1 hàng, địa 37µs chỉ có thể từ 00H đến 4FH. Khi ở chế độ hiển thị 2 hàng, địa chỉ từ 00h đến 27H cho hàng thứ nhất, và từ 40h đến 67h cho hàng thứ 2. Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx= [BF] [AC] [AC] [AC] [AC] [AC] [AC] [AC] (RS=0, R/W=1) Read BF Như đã đề cập trước đây, khi cờ BF bật, LCD đang làm việc và lệnh tiếp and theo (nếu có) sẽ bị bỏ qua nếu cờ BF chưa về mức thấp. Cho nên, khi lập address trình điều khiển, bạn phải kiểm tra cờ BF trước khi ghi dữ liệu vào LCD. 0µs Khi đọc cờ BF, giá trị của AC cũng được xuất ra các bit [AC]. Nó là địa chỉ của CG hay DDRAM là tùy thuộc vào lệnh trước đó. Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 Write DBx = [Write data] (RS=1, R/W=0) ata to Khi thiết lập RS=1, R/W=0, dữ liệu cần ghi được đưa vào các chân DBx CG or từ mạch ngoài sẽ được LCD chuyển vào trong LCD tại địa chỉ được xác 37µs DDRAM định từ lệnh ghi địa chỉ trước đó (lệnh ghi địa chỉ cũng xác định luôn tADD 32
  35. vùng RAM cần ghi). Sau khi ghi, bộ đếm địa chỉ AC tự động tăng/giảm 1 4µs tùy theo thiết lập Entry mode. Lưu ý là thời gian cập nhật AC không tính vào thời gian thực thi lệnh. Mã lệnh: DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx = [Read data] (RS=1, R/W=1) Read data Khi thiết lập RS=1, R/W=1,dữ liệu từ CG/DDRAM được chuyển ra MPU from CG 37µs thông qua các chân DBx (địa chỉ và vùng RAM đã được xác định bằng or tADD lệnh ghi địa chỉ trước đó). Sau khi đọc, AC tự động tăng/giảm 1 tùy theo DDRAM 4µs thiết lập Entry mode, tuy nhiên nội dung hiển thị không bị dịch bất chấp chế độ Entry mode. 1.2.5. Đặc tính của các chân giao tiếp. LCD sẽ bị hỏng nghiêm trọng, hoặc hoạt động sai lệch nếu bạn vi phạm khoảng đặc tính điện sau đây: Bảng 2.4: Đặc tính điện làm việc điển hình. Đặc tính điện làm việc điển hình: (Đo trong điều kiện hoạt động Vcc = 4.5V đến 5.5V, T = -30 đến +75C). Bảng 2.5: Miền làm việc bình thường. 33
  36. Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1. Sơ đồ khối Với yêu cầu của đề tài là thiết kế hệ thống điều khiển động cơ DC theo luật PID bằng vi điều khiển, tốc độ đặt trên bàn phím HEX, ta có sơ đồ khối hệ thống trong hình 2.1. Hình 2.1: Sơ đồ khố iều khiển động cơ DC theo luật PID bằng vi điều khiển, tốc độ đặt trên bàn phím HEX Với sơ đồ này ta sử dụng độ . Bộ xử lý làm nhiệm vụ nhận, chuyển đổi ADC, từ đó điều khiển động cơ DC quay với tốc độ . Trên sơ đồ sử dụng khối hiển thị để người sử dụng có thể theo dõi được các thông số và thao tác thực hiện. 2.2. Thiết kế các khối 2.2.1. Bộ xử lý Bộ xử lý làm nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ bàn phím HEX (ma trận phím 4x4), điều khiển cho động cơ quay, chiều 34
  37. cơ thuận hay chiều ngược, , các thao tác và thông báo được hiển thị trên LCD. Ở đây em sử dụng vi điều khiển PIC16F877A. Đây là vi điều khiển có 40 chân, với 5 cổng vào ra là Port A (RA0÷RA5), Port B (RB0÷RB7), Port C (RC0÷RC7), Port D (RD0÷RD7), Port E (RE0÷RE2). Nó có 8K Flash ROM và 368 Bytes RAM. Sơ đồ sử dụng PIC16F877A như trong hình 2.2, Chân 1 được đấu để có thể RESET chương trình. Xung Clock dùng dao đông thạch anh 20MHz, đấu vào chân 13, 14. Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A trong mạch 2.2.2. Khối hiển thị Để thuận tiện cho việc hiển thị kí tự và chế độ cài đặt trạng thái điều khiển, ở em đây sử dụng LCD_DM 1602A. 35
  38. Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của LCD1602 LCD1602 là loại 2 dòng, 16 kí tự, sử dụng nguồn nuôi thấp (từ 2,5 đến 5V). Có thể hoạt động ở hai chế độ 4 bit hoặc 8 bit (trong đề tài này em sử dụng chế độ 4 bit). 2.2.3. Ma trận phím 2.2.3.1 Cấu tạo Về cơ bản thì ma trận phím dựa trên một ma trận hàng và cột. Sự kiện một phím được nhấn hoặc thả có thể được ghi lại bằng cách điều khiển và đọc trạng thái của các hàng và các cột trong ma trận phím. Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý ma trận phím 4x4. 36
  39. Hình 2.5: Hình ảnh thực của ma trận phím 2.2.3.2. Nguyên lý quét phím. Thuật toán quét phím được sử dụng là lần lượt tìm hàng và tìm cột (hoặc ngược lại) Khi tìm hàng, các hàng sẽ được đặt làm đầu vào, các cột được đặt làm đầu ra, ta có thể sử dụng mức tác động là cao hoặc thấp để xác định. Như vậy ta đặt mức tác động lần lượt lên từng hàng, và ta nhận trạng thái về trên các cột, dựa vào hàng tác động và trạng thái nhận về trên các cột ta có thể xác định được nếu phím nào được bấm. Ví dụ với mức tác động thấp, ta xuất hàng 0111, nếu cột nhận về là 0111 thì phím "1" được bấm, 1011 thì phím "2" được bấm, 1101 thì phím "3" được bấm, 1110 thì phím "A" được bấm, tương tự như vậy với hàng 2 (1011), hàng 3 (1101), hàng 4 (1110). Ma trận phim 4x4 gồm có 16 phim nhấn, trong đó em sử dụng các phím nhấn từ 0 9 làm các phím số dùng để nhập mật khẩu hay thay đổi mật khẩu. Các phím A, B, C là các phím dùng để thiết lập chế độ cài đặt và điều khiển cho động cơ hoạt động theo chiều thuận hay ngược. 2.2.4. Khối công suất và động cơ. 2.2.4.1. Motor DC Cấu tạo và nguyên lý làm việc. 37
  40. Để cho motor 1 chiều hoạt động,chúng ta cần đặt 1 điện áp 1 chiều vào motor và 1 dòng điện 1 chiều sẽ chạy qua motor, motor sẽ chạy theo chiều nào đó. Nếu chúng ta đảo chiều của điện áp một chiều này, motor sẽ quay ngược lại Hình 2.6: Động cơ DC SERVO NF5475E Dòng điện I đi qua mạch phần ứng của động cơ được biểu diễn bằng phương trình sau: U là điện áp đặt vào mạch phần ứng, Ra là điện trở mạch phần ứng, và E là sức điện động phần ứng Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng. Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. 38
  41. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi. Hình 2.7: Các thành phần của động cơ DC servo. Một động cơ DCservo tiêu biểu gồm có các thành phần chính sau: Stator: được gắn liền với vỏ động cơ Rotor: là thành phần tạo chuyển động quay Chổi than và vành góp: giúp đưa điện vào Rotor Encoder: hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay, phản hồi xung, đơn vị tính (xung/vòng) Ngoài ra, DC servo còn có thể có thêm các thành phần sau: Phanh điện từ: giúp hãm động cơ trong trường hợp cần thiết Tachometer : là thành phần phản hổi tương tự, thực chất là một máy phát điện nhỏ, với điện áp phàn hổi được tính bằng (vol/vòng quay) 2.2.4.2 Nguyên lý điều khiển động cơ DC SERVO. Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của motor. Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của motor bao gồm tachometer, hoặc dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder. Trong đó 2 39
  42. phương pháp đầu tiên là phương pháp analog và dùng optiacal encoder (encoder quang) thuộc nhóm phương pháp digital. Hệ thống optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh. Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder). Trong đa số các DC Motor, incremental optical encoder được dùng đa số. Hình 2.8: Cấu tạo một encoder quang. Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index). Trong hình trên chú ý rằng có một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phat-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encoder. Cữ mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát- thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Không được vẽ trong hình 3.2, tuy 40
  43. nhiên trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90o. Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ. Hãy quan sát hình 3. Hình 2.9: Hoạt động của một encoder quang. 2.2.4.3. Ở đây sử dụng phương pháp PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển tốc độ của động cơ DC. Phương pháp điều chế PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm. Điều khiển động cơ sử dụng phương thức điều chế xung PWM là một trong các phương thức được sử dụng rất rộng rãi trong điều khiển động cơ ứng dụng trong công nghiệp, dân dụng cũng như trong nhiều ứng dụng khác, ngoài ra PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là 41
  44. tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định. Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện, điện tử. Hình 2.4. Xung PWM và điện áp đầu ra Hình 2.4. là sơ đồ đặc tả xung PWM và cách thức tính điện áp đầu ra đưa tới động cơ. Nhìn vào sơ đồ ta có - Chu kỳ của xung PWM là thời gian T. - Thời gian phát xung PWM là t1 - Thời gian nghỉ không phát xung là t2 Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải : Vout = Vin*duty Trong đó: - Vout là điện áp ra - Vin là điện áp đầu vào - Duty là % thời gian phát xung được tính bằng Duty = t1/T*100% Trong khối điều khiển, PIC16F887A điều khiển động cơ thông qua quá trình tạo xung PWM rồi đưa vào IC Driver L298D tạo nguồn nuôi động cơ. Bản chất của IC Driver L298D là hai bộ mạch cầu H được tích hợp trong cùng IC. Mạch cầu H là một trong những mạch được sử dụng rộng rãi cho việc điều khiển động cơ. 42
  45. L298D là một chip tích hợp 2 mạch cầu H trong gói 15 chân. Tất cả các mạch kích, mạch cầu đều được tích hợp sẵn. L298D có điện áp danh nghĩa cao (lớn nhất 50V) và dòng điện danh nghĩa lớn hơn 2A nên rất thích hợp cho các các ứng dụng công suất nhỏ như các động cơ DC loại nhỏ và vừa. Hình 2.5. Sơ đồ khối bên trong IC Driver L298D. Hình 2.5. là sơ đồ khối bên trong Driver L298D. Có 2 mạch cầu H trên mỗi chip L298D nên có thể điều khiển 2 đối tượng chỉ với 1 chip. Mỗi mạch cầu bao gồm 1 đường nguồn Vs (thật ra là đường chung cho 2 mạch cầu), một đường current sensing (cảm biến dòng), phần cuối của mạch cầu H không được nối với GND mà bỏ trống cho người dùng nối một điện trở nhỏ gọi là sensing resistor. Bằng cách đo điện áp rơi trên điện trở này chúng ta có thể tính được dòng qua điện trở, cũng là dòng qua động cơ. Mục đích chính của việc đo dòng điện qua động cơ là để xác định các trường hợp nguy hiểm xảy ra trong mạch (ví dụ như quá tải). Nếu việc đo dòng động cơ không thật sự 43
  46. cần thiết ta có thể nối đường current sensing này với GND. Động cơ sẽ được nối với 2 đường OUT1, OUT2 (hoặc OUT3, OUT4 nếu dùng mạch cầu bên phải). Một chân En (EnA và EnB cho 2 mạch cầu) cho phép mạch cầu hoạt động, khi chân En được kéo lên mức cao, mạch cầu sẵn sang hoạt động. Các đường kích mỗi bên của mạch cầu được kết hợp với nhau và nhưng mức điện áp ngược nhau do một cổng Logic NOT. Bằng cách này chúng ta có thể tránh được trường hợp 2 transistor ở cùng một bên được kích cùng lúc (ngắn mạch). Như vậy, sẽ có 2 đường kích cho mỗi cầu H gọi là In1 và In2 (hoặc In3, In4). Để đông cơ hoạt động chúng ta phải kéo 1 trong 2 đường kích này lên cao trong khi đường kia giữ ở mức thấp, ví dụ In1=1, In2=0. Khi đảo mức kích của 2 đường In, động cơ sẽ đảo chiều quay. Tuy nhiên, do L298D không chỉ được dùng đề đảo chiều động cơ mà còn điều khiển vận tốc động cơ bằng PWM, các đường In cần được “tổ hợp lại” bằng các cổng Logic (xem phần tiếp theo). Ngoài ra, trên chip L298D còn có các đường Vss cấp điện áp cho phần logic (5V) và GND chung cho cả logic và morto. Hình 2.6. Sơ đồ nối chân L298 trong mạch Trong thực tế, công suất thực mà L298D có thể tải nhỏ hơn so với giá trị danh nghĩa của nó (V=50V, I=2A). Để tăng dòng điện tải của chip lên gấp đôi, chúng ta có thể nối 2 mạch cầu H song song với nhau (các chân có chức năng như nhau của 2 mạch cầu được nối chung). 44
  47. 2.2.5. Khối nguồn Cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ hệ thống. Hình 2.9. Mạch biến áp 5V cấp nguồn cho vi điều khiển sử dụng IC LM78 2.2.6 Khối hiển thị Để thuận tiện cho việc hiển thị kí tự và chế độ cài đặt trạng thái điều khiển, ở em đây sử dụng LCD_DM 16x2A. Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý của LCD16x2A LCD16x2A là loại 2 dòng, 16 kí tự, sử dụng nguồn nuôi thấp (từ 2,5 đến 5V). Có thể hoạt động ở hai chế độ 4 bit hoặc 8 bit (trong đề tài này em sử dụng chế độ 4 bit). 45
  48. 2.3. Sơ đồ mạch hệ thống Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý hệ iều khiển động cơ DC theo luật PID bằng vi điều khiển, tốc độ đặt trên bàn phím HEX Với sơ đồ trên, các hàng bàn phím được đấu với 4 bits thấp port D của vi điều khiển, các cột đấu với 4 bits cao của port D. Hai đường điều khiển động cơ dấu với chân C0 và C1 của port C, Màn hình hiển thị LCD đấu với port B. Hệ thống thực hiện 3 : Nhập t . Trong quá trình thao tác mọi trạng thái và thông báo được hiển thị trên LCD. 46
  49. 2.4 Thuật toán PID 2.4.1 Khái quát về bộ điều khiển PID Cấu trúc của bộ điều khiển PID (hình 2.16) gồm 3 thành phần là khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhấ thiết phải lựa chọn chế độ làm việc P, I hay D và sau đó đặt tham số cho các chế độ đã chọn. Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID. Up 1 e U T S UI kp I UD TDS Hình 2.16: Cấu trúc bộ điều khiển PID. Up UI UD Cấu trúc chung của hệ thống vòng kín như sau: Hình2.171: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển vòng kín Trong hình vẽ trên: - Plant: là hệ thống cần được điều khiển - Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho Plant, được thiết kế để điều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống. Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng như sau: 47
  50. Trong đó: - KP: Độ lợi khâu tỷ lệ - KI: Độ lợi khâu tích phân - KD: Độ lợi khâu vi phân Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình 2.16) bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uP(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn. - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh. - Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh. w e U Đối tượng y PID điều khiển Hình 2.18: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra: Trong đó : e(t) – tín hiệu đầu vào. u(t) – tín hiệu đầu ra. kp – tín hiệu khuếc đại 48
  51. TI – hằng số tích phân. TD – hằng số vi phân. Từ mô hình vào – ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID: - Phương pháp Ziegler-Nichols. - Phương pháp Chien-Hrones-Reswick. - Phương pháp tổng T của kuhn. - Phương pháp tối ưu modul và phương pháp tối ưu đối xứng. - Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám Đề tài sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols nên tôi chỉ đi sâu vào phương pháp này, các bạn có thể tìm hiểu thêm các nguyên tắc khác như đã nêu ở trên. 2.4.2 Phương pháp Ziegler-Nichols. Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển P, PI hoặc PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển. Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển 2.4.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 4.5) như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ 49
  52. Hình 2.18: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S. Thông số của bộ điều khiển được chọn theo bảng sau: Bảng 2: Tác động của mỗi bộ điều khiển KP, KI, KD Bảng 2.1: các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất Thông số kp TI TD BĐK P T2/(k.T1) - - I 0,9T2/(k.T1) T1/0,3 - D 1,2T2/(k.T1) 2T1 0,5T1 2.4.2.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai. 50
  53. Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, hệ truyền động dùng động cơ đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vô cùng. Phương pháp này được thực hiện nhưsau: w e U Đối tượng y ktn điều khiển Hình 2.19: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn - Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếc đại (hình 4.6) - Tăng hệ số khuếc đại tới giá trị tới hạn ktn để hệ kín ở chế độ biên giới ổnđịnh, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa. - Xác định chu kỳ Tth của dao động. Hình 2.20: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k= ktn Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau: 51
  54. Bảng 3.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai. Thông số kp TI TD BĐK P 0,5ktn - - I 0,45 ktn 0,85 Tth - D 0,6 ktn 0,5 Tth 0,125 Tth 2.5 Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID. Hình 2.21: So sánh đặc tính P,PI,PD,PID Hệ thống trên chỉ thực sự đạt hiệu quả khi ta thiết kế cho nó 1 bộ điều khiển phù hợp.Với kết cấu phần cứng và đặc tính điều khiển là điều khiển tốc độ thì bộ điều khiển PI số là thích hợp hơn cả, ta chỉ dùng thêm khâu vi phân nếu liên quan tới điều khiển vị trí.Do ứng dụng vi điều khiển ngày càng rộng rãi, chính vì vậy việc số hóa bộ điều khiển PI là rất quan trọng.Đi cùng với nó là các phương pháp cho ta số hóa một cách tương đối chính xác như Ziegler- Nichols .v v. 52
  55. 2.5.1 Thuật toán điều khiể Về nguyên tắc khi xây dựng bộ điều khiển cho một đối tượng nào đó thì ta cần biết được cấu trúc, đặc tính, hàm truyền của đối tượng. Với động cơ 1 chiều bất kì thì ta không phải lúc nào cũng mổ xẻ động cơ ra rồi đo đạc các thông số của nó, chính vì vậy bộ điều khiển phải có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp nhất, có khả năng điều khiển linh hoạt với nhiều động cơ khác nhau. Với điều khiển PID thì có rất nhiều cách thức thực hiện, riêng bộ PID thì có PID thường và PID thích nghi Hình 2.22: PID thường Hình 2.23: PID thích nghi Với PID thường thì đầu ra chỉ phụ thuộc vào tín hiệu e1(k), còn với PID thích nghi thì còn phụ thuộc thêm vào e2(k). Thực tế cho thấy PID thích nghi hoạt động tốt và ổn định hơn PID thường. 53
  56. 2.24: Về nguyên tắc khi xây dựng bộ điều khiển cho một đối tượng nào đó thì ta cần biết được cấu trúc, đặc tính, hàm truyền của đối tượng. Với động cơ 1 chiều bất kì thì ta không phải lúc nào cũng mổ xẻ động cơ ra rồi đo đạc các thông số của nó, chính vì vậy bộ điều khiển phải có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp nhất, có khả năng điều khiển linh hoạt với nhiều động cơ khác nhau. 2.5.2 Phương trình toán học bộ PID. Hình 2.25: Sơ đồ khối bộ PID de(t) U(t) K *e(t) K e(t)*dt K P I D dt Nếu bỏ thành phần vi phân đi ta chỉ còn PI: 54
  57. U(t) KP *e(t) KI e(t)*dt Hình 2.26: Trích mẫu lấy tín hiệu t là thời gian lấy mẫu (Samplingtime) là rất nhỏ. t Ta tính thành phần tích phân e(t)*dt lim( e(t)* t) t 0 Lấy gần đúng ta có 0 t e(t)*dt lim( e(t)* t) t 0 e(i)* t trong đó i=0,1,2, 0 Tóm lại ta có U(t) KP *e KI * e(i) t Đặt e _ sum(i 1) e(i) e _ sum(i) e(i 1) Công thức trên được viết lại như sau:U(t) KP *e KI e _ sum Áp dụng vào phần cứng điều khiển ta có ngõ ra bộ PI là %duty (PWM). Ngõ vào là e_ sum v _cur v _ set v_cur là vận tốc hiện tại v_set là vận tốc đặt Sự phụ thuộc của vận tốc vào %duty là gần như tuyến tính cho nên để đơn gian ta coi nó là tuyến tính.Vì vậy ta có thể điều khiển vận tốc thông qua %duty. Giải thuật lập trình để tính PWM như sau Kp,KI là các hệ số xác định nhờ phương pháp Ziegler-Nichols. e_2 =(v_set-v_cur) là sai lệch đang xét 55
  58. e_1 là sai lệch trước đó e_sum=e_2+e_1 là tổng các sai lệch tới thời điểm đang xét e_sub=(e_2 - e_1) là độ biến thiên sai lệch v_cur là vận tốc hiện tại v_set là vận tốc đặt Với encoder 100xung/vòng, ta trích mẫu 50ms, như vậy vận tốc động cơ tại thời điểm đang xét là v_cur = 12*INT0 (INT0 là số xung đếm được trong 50ms) Ta đi đến hệ thức tính PWM cho PI cuối cùng là: PWM=PWM + Kp*e_2 + KI*e_sum 2.6 Sơ đồ khối mạch điều khiển. Hình 2.27: Lưu đồ thuật toán xử lý của VDK 2.7 Tính chọn hệ số Kp, KI Có nhiều phương pháp để chọn hệ số cho bộ điều khiển, nhưng trong đề tài tôi xét thấy phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai là hợp lý hơn cả vì nó đáp ứng được yêu cầu của và mục tiêu của đề tài. 56
  59. Chương 3. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 3.1. Lưu đồ thuật toán 57
  60. 3.2. Chương trình #include #include #DEVICE *=16 ADC=10 #FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT #USE DELAY(CLOCK=20000000) #include #include // file giao tiep LCD #define h1 RD3 #define h2 RD2 #define h3 RD1 #define h4 RD0 #define c1 RD7 #define c2 RD6 #define c3 RD5 #define c4 RD4 int16 speed=0,speed1=0,temp=0,temp1=0,PresetSpeed=0,duty=0,maphim; int8 count3=0,count30=0, i=0; int1 chieu=1; signed int16 e; float sum=0,PWM; void PID(void); void PID() { e=PresetSpeed-10*speed; 58
  61. sum+=e; PWM=(float)(1.455*e+0.0197*sum); PWM=ceil(PWM); if(PWM>1023) duty=1023; else {if(PWM<0) duty=100; else duty=PWM; } set_pwm2_duty(duty); } #INT_EXT // ngat ngoai tu encoder void ext_isr() { temp++; temp1++; //LCD_putcmd(0xCA); LCD_putchar(temp/10+0x30); LCD_putchar(temp%10+0x30); } #INT_TIMER1 // ngat timer de doc toc do void interrupt_timer1() { int8 hi,lo; count3++; count30++; 59
  62. set_timer1(15535); if(count3==3){ //thoi gian cap nhat PI la 30ms. speed=temp; temp=0; PID(); count3=0; } if(count30==30) { //thoi gian doc toc do la 10*30=300ms speed1=temp1; temp1=0; LCD_putcmd(0xC8); LCD_putchar((speed1%10000)/1000+0x30); LCD_putchar((speed1%1000)/100+0x30); LCD_putchar((speed1%100)/10+0x30);LCD_putchar(speed1%10+0x30); count30=0; } } void ktphim() { h1 = 0; h2 = h3 = h4 = c1 = c2 = c3 = c4 = 1; if(c1==0) {while(c1==0){} maphim = 1;} if(c2==0) {while(c2==0){} maphim = 2;} if(c3==0) {while(c3==0){} maphim = 3;} if(c4==0) {while(c4==0){} maphim = 12;} h2 = 0; h1 = h3 = h4 = c1 = c2 = c3 = c4 = 1; if(c1==0) {while(c1==0){} maphim = 4;} if(c2==0) {while(c2==0){} maphim = 5;} if(c3==0) {while(c3==0){} maphim = 6;} if(c4==0) {while(c4==0){} maphim = 13;} 60
  63. h3 = 0; h2 = h1 = h4 = c1 = c2 = c3 = c4 = 1; if(c1==0) {while(c1==0){} maphim = 7;} if(c2==0) {while(c2==0){} maphim = 8;} if(c3==0) {while(c3==0){} maphim = 9;} if(c4==0) {while(c4==0){} maphim = 14;} h4 = 0; h2 = h3 = h1 = c1 = c2 = c3 = c4 = 1; if(c1==0) {while(c1==0){} maphim = 10;} if(c2==0) {while(c2==0){} maphim = 0;} if(c3==0) {while(c3==0){} maphim = 11;} if(c4==0) {while(c4==0){} maphim = 15;} } void chinhcaidat() { int16 i=0;int ln=1; while(1) { LCD_putcmd(0x80); Printf(LCD_putchar,"TOC DO DAT "); LCD_putchar(PresetSpeed/100+0x30);LCD_putchar((PresetSpeed%100)/10+ 0x30);LCD_putchar(PresetSpeed%10+0x30); LCD_putcmd(0xC0); Printf(LCD_putchar," Chinh toc do "); maphim=16; ktphim(); if(maphim==15) { if(PresetSpeed 700) { LCD_putcmd(0xC0); Printf(LCD_putchar," 200<Toc do<700 ");delay_ms(800);} else return; } if(maphim==11) 61
  64. { if(chieu==1){chieu=0; LCD_putcmd(0x8e); Printf(LCD_putchar," L");} else {chieu=1; LCD_putcmd(0x8e); Printf(LCD_putchar," R");} } if(maphim<10) { if(ln==1) { PresetSpeed = (PresetSpeed%100)+maphim*100; ln = 2; } else { if(ln==2) { PresetSpeed = (PresetSpeed/100)*100+maphim*10+PresetSpeed%10; ln = 3;} else {PresetSpeed=(PresetSpeed/10)*10+maphim; ln = 1; } } } } } void daochieu() { disable_interrupts(int_timer1); set_pwm2_duty(0); LCD_putcmd(0xCe); if(chieu==0) { chieu=1; Printf(LCD_putchar,"R ");} else {chieu=0; Printf(LCD_putchar,"L ");} ra5 = chieu; enable_interrupts(int_timer1); } void start() { h2 = 0; h3 = h2 = h1 = c1 = c2 = c3 = c4 = 1; ra5 = chieu; //set chieu quay dong co LCD_putcmd(0xCe); if(chieu==1) Printf(LCD_putchar,"R "); else Printf(LCD_putchar,"L "); 62
  65. enable_interrupts(int_timer1); //set_pwm2_duty(500); while(1) { if(c1==0) {while(c1==0){} daochieu();} if(c3==0) {while(c3==0){} break;} if(c4==0) { break;} } disable_interrupts(int_timer1); set_pwm2_duty(0); LCD_putcmd(0xC0); Printf(LCD_putchar,"TOC DO: 0 "); if(c4==0) {while(c4==0){} chinhcaidat();} } void main() { trisa=0x00; trisb=0x01; // trisd=0xf0; trisc=0x00; LCD_init(); LCD_putcmd(0x80); Printf(LCD_putchar,"TOC DO DAT 500 "); LCD_putcmd(0xC0); Printf(LCD_putchar,"TOC DO: 0 "); delay_ms(800); setup_timer_1(t1_internal); SET_TIMER1(15536); //T_dinhthoi = (65536-15536)/(20.000/4) = 10000us = 10ms SETUP_CCP2(CCP_PWM); //dat chan CCP1 ( RC2 ) lam chan PWM 63
  66. SETUP_TIMER_2(T2_DIV_BY_1,254,1); //set PWM frequence la 20Mhz/4/1/255 = 19.6kkz enable_interrupts(int_ext); ext_int_edge(0,h_to_l); set_pwm2_duty(0); disable_interrupts(int_timer1); enable_interrupts(global); ra5=chieu; //chieu kim dong ho PresetSpeed=500; while(1) { maphim=16; ktphim(); if(maphim==10) { start(); } if(maphim==15) { chinhcaidat(); LCD_putcmd(0x80); Printf(LCD_putchar,"TOC DO DAT "); LCD_putchar(PresetSpeed/100+0x30);LCD_putchar((PresetSpeed%100)/10+ 0x30);LCD_putchar(PresetSpeed%10+0x30); LCD_putcmd(0xC0); Printf(LCD_putchar,"TOC DO: 0 ");} } } 64
  67. KẾT LUẬN Đề tài "Thiết kế hệ thống " không phải là đề tài mới mẻ và cũng không phải đề tài lớn, nhưng qua đó em đã bổ xung được rất nhiều kinh nghiệm và kiền thức có ích cho bản thân như. Hiểu được phương pháp điều khiển sử dụng vi điều khiển. Tìm hiểu thêm được về mạch công suất và Motor DC, nguyên tắc quét nhận phím bấm. Xây dựng hệ thống điều khiển cơ bản. Và qua thời gian làm đề tài cùng với sự hướng dẫn chỉ bảo của thầy em đã học hỏi, rèn luyện được tinh thần làm việc nghiêm túc và cách thức tìm tòi, học hỏi, nghiên cứu các kiến thức mới không ngừng để bổ xung tích luỹ kiến thức cho mình. Trong quá trình làm đề tài, do sự hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ có hạn nên không tránh khỏi có thiếu sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Sau cùng em xin trân thành bày tỏ lòng biết ơn của mình đối với thầy NGUYỄN và các thầy cô trong khoa đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Ngày 28 tháng 6 năm 2014 Sinh viên 65
  68. Tµi liÖu tham kh¶o 1. NguyÔn T¨ng C•êng, Phan Quèc Th¾ng, CÊu tróc vµ lËp tr×nh hä Vi §iÒu khiÓn 8051, Nhµ xuÊt b¶n khoa häc vµ Kü ThuËt. 2 NguyÔn M¹nh Giang, CÊu tróc, lËp tr×nh ghÐp nèi vµ øng dông cña Vi §iÒu KhiÓn, nhµ xuÊt b¶n Lao §éng – X· Héi. 3. Ph¹m Minh Hµ(2004), Kü thuËt m¹ch ®iÖn tö, Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ kü thuËt. 4. Ng« DiÖn TËp, Vi §iÒu KhiÓn trong ®o l•êng vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng, Nhµ xuÊt b¶n Khoa Hoc vµ Kü ThuËt, Hµ Néi. 5. Tèng V¨n On, Hä Vi §iÒu KhiÓn 8051, nhµ XuÊt b¶n Lao §éng vµ X· Héi. 66