Đồ án Thiết kế bo mạch điều khiển nhiệt độ

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KYÕ THUAÄT TP.HCM KHOA ÑIEÄN _ ÑIEÄNTÖÛ BOÄ MOÂN TÖÏ ÑOÄNG SVTH : LEÂ PHÖÔÙC THAØNH MSSV : 49600822 Nguyenvanbientbd47@gmail.com LÔØI NOÙI ÑAÀU  Ngaøy nay, ñieàu khieån töï ñoäng ñaõ trôû thaønh moät nhu caàu khoâng theå thieáu ñöôïc. Döôùi söï xuaát hieän cuûa caùc hoïc thuyeát vaø caùc öùng duïng cuï theå trong ñôøi soáng haøng ngaøy, coù theå noùi ñieàu khieån töï ñoäng ñang chi phoái daàn cuoäc soáng cuûa chuùng ta, mang laïi söï tieän nghi vaø thoaûi maùi cho chuùng ta. Ñieàu khieån nhieät ñoä chæ laø moät lónh vöïc nhoû beù trong ñieàu khieån töï ñoäng, vaø cuõng ñaõ coù nhieàu coâng trình coù hieäu quaû cao nhö caùc loø nung trong coâng nghieäp, caùc loø nöôùng daân duïng, … ñoøi hoûi phaûi ñieàu khieån sao cho nhieät ñoä baèng hoaëc xaáp xæ nhieät ñoä ñaët ñeå ñaùp öùng caùc ñieàu kieän maø nhu caàu saûn xuaát ñaët ra. Ñoà aùn naøy ra ñôøi chæ nhaèm muïc ñích tìm hieåu vaø ñöa ra moät giaûi phaùp maø coù theå deã daøng öùng duïng ñöôïc vôùi giaù thaønh reû, deã thi coâng, vaø hieäu quaû taïm chaáp nhaän ñöôïc. Phöông phaùp thieát keá, thi coâng coù theå laø chöa toái öu nhöng noù theå hieän moät coá gaéng cuûa ngöôøi thöïc hieän trong ñieàu kieän bò haïn cheá veà nhieàu maët : kieán thöùc, taøi lieäu tham khaûo, tieàn baïc vaø thôøi gian. Coù nhieàu ngöôøi hoûi em raèng ñieàu khieån nhieät ñoä ñaõ coù nhieàu ngöôøi laøm maø taïi sao baïn vaãn laøm ?, chæ laø moät söï laëp laïi cuûa nhöõng ngöôøi ñi tröôùc maø thoâi!. Tuy nhieân, em khoâng cho laø nhö theá. Moãi ngöôøi khi laøm moät caùi gì ñoù thì hoï seõ vöôùng phaûi moät soá khuùc maéc vaø khoù khaên trong quaù trình thöïc hieän, baét buoäc hoï phaûi vöôït qua döïa treân chính khaû naêng cuûa mình. Daàn daàn hoï tích luõy ñöôïc moät khoái löôïng kieán thöùc cho rieâng hoï, thaät söï laø cuûa rieâng hoï. Em coù moät lôïi theá laø coù theå tham khaûo nhöõng gì cuûa nhöõng ngöôøi ñi tröôùc ñaõ laøm, nhöng ñoù khoâng phaûi laø taát caû. 2 Nguyenvanbientbd47@gmail.com MUÏC LUÏC LÔØI NOÙI ÑAÀU......................................................................................................................................................................... 1 MUÏC LUÏC................................................................................................................................................................................2 CHÖÔNG 1. SÔ LÖÔÏC VEÀ CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN..........................................................................4 I. Ñieàu khieån hai vò trí......................................................................................................................................................4 II. Ñieàu khieån ba vò trí......................................................................................................................................................5 III. Ñieàu khieån tyû leä............................................................................................................................................................5 IV. Ñieàu khieån tích phaân................................................................................................................................................6 V. Ñieàu khieån tích phaân - tyû leä.....................................................................................................................................7 VI. Ñieàu khieån vi phaân.....................................................................................................................................................8 VII. Ñieàu khieån vi phaân - tyû leä......................................................................................................................................9 VIII. Ñieàu khieån môø...........................................................................................................................................................9 1. Ñònh nghóa caùc pheùp toaùn treân taäp môø...................................................................................................9 2. Caáu truùc boä ñieàu khieån môø........................................................................................................................10 3.Nhaän xeùt................................................................................................................................................................11 CHÖÔNG 2. CAÙC VI MAÏCH DUØNG TRONG THIEÁT KEÁ......................................................................................12 I. Vi ñieàu khieån hoï MCS-51........................................................................................................................................12 II. Vi ñieàu khieån AT89C52.......................................................................................................................................12 1. Caáu taïo chaân......................................................................................................................................................13 2. Sô ñoà khoái...........................................................................................................................................................14 3. Moâ taû chöùc naêng caùc chaân.........................................................................................................................14 4. Caùc thanh ghi chöùc naêng............................................................................................................................16 5. Boä nhôù döõ lieäu.................................................................................................................................................18 6. Ñaëc tính boä dao ñoäng...................................................................................................................................18 7. Cheá ñoä löôøi.........................................................................................................................................................18 8. Cheá ñoä haï nguoàn............................................................................................................................................19 9. Traïng thaùi caùc chaân trong cheá ñoä haï nguoàn vaø cheá ñoä löôøi....................................................19 10. Caùc thoâng soá kyõ thuaät.............................................................................................................................19 III. Boä bieán ñoåi AD ICL7109................................................................................................................................24 1. Caáu taïo chaân.....................................................................................................................................................24 2. Moâ taû chöùc naêng caùc chaân........................................................................................................................25 3. Quaù trình bieán ñoåi AD..................................................................................................................................26 4. Löïa choïn caùc giaù trò.......................................................................................................................................27 5. Giao tieáp tröïc tieáp vôùi ICL7109...........................................................................................................28 IV. Chuaån RS-232-C......................................................................................................................................................28 V. MAXIM232 vaø hoÏ IC bieán ñoåi TTL ⇔ RS-232.....................................................................................30 1. Caáu taïo chaân......................................................................................................................................................31 2. Sô ñoà khoái...........................................................................................................................................................31 3. Moâ taû chaân.........................................................................................................................................................32 CHÖÔNG 3. THIEÁT KEÁ BOARD MAÏCH.................................................................................................................... 33 I. Caáu truùc toång quaùt.....................................................................................................................................................33 II. Khoái xöû lyù trung taâm..............................................................................................................................................33 III. Khoái boä nhôù vaø nguoàn backup..........................................................................................................................36 IV. Khoái caûm bieán vaø gia coâng.................................................................................................................................37 V. Khoái bieán ñoåi AD.......................................................................................................................................................38 VI. Khoái baøn phím...........................................................................................................................................................40 3 Nguyenvanbientbd47@gmail.com VII. Khoái hieån thò.............................................................................................................................................................41 VIII. Khoái giao tieáp vôùi maùy tính.............................................................................................................................41 IX. Khoái coâng suaát..........................................................................................................................................................42 X. Toång quan......................................................................................................................................................................43 CHÖÔNG 4. CAÙC CHÖÔNG TRINH CON PHUÏC VUÏ.............................................................................................44 I. Gaùn ñòa chæ......................................................................................................................................................................44 II. Truy xuaát RAM...........................................................................................................................................................44 III. Ñoïc phím aán...............................................................................................................................................................44 IV. Hieån thò LED...............................................................................................................................................................48 V. Xuaát nhaäp qua coång noái tieáp...............................................................................................................................51 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO...................................................................................................................................................52 4 Nguyenvanbientbd47@gmail.com CHÖÔNG 1. SÔ LÖÔÏC VEÀ CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN  Kyõ thuaät ñieàu khieån phaùt trieån keùo theo söï tieán trieån cuûa caùc phöông phaùp ñieàu khieån. Tuøy vaøo ñoái töôïng vaø yeâu caàu thöïc teá maø ngöôøi ta löïa choïn ra caùc phöông phaùp ñieàu khieån thích hôïp. Haàu heát caùc phöông phaùp ñieàu khieån ñeàu döïa vaøo ñoä sai leäch cuûa giaù trò ñaët vaø giaù trò ño ñöôïc ñeå ñöa ra quyeát ñònh. Sau ñaây ta seõ ñieåm qua moät soá phöông phaùp ñieån hình, cuõng nhö caùc öu khuyeát ñieåm cuûa noù. I.ÑIEÀU KHIEÅN HAI VÒ TRÍ : Ñaây laø phöông phaùp ñieàu khieån ñôn giaûn nhaát vaø reû tieàn nhaát. Ñaàu ra cuûa boä ñieàu khieån chæ coù hai vò trí phuï thuoäc vaøo daáu cuûa sai leäch. Neáu hai vò trí naøy laø ñoùng hoaøn toaøn vaø môû hoaøn toaøn thì ngöôøi ta goïi ñoù laø ñieàu khieån on-off . Haàu heát caùc boä ñieàu khieån hai vò trí ñeàu coù theâm vuøng trung hoøa ñeå ngaên ngöøa söï dao ñoäng cuûa ñaàu ra (laø dao ñoäng cuûa hai vò trí ñaàu ra khi sai leäch quanh quaãn beân vò trí zero). Vuøng trung hoøa laø vuøng quanh vò trí zero maø taïi ñoù khoâng dieãn ra moät haønh ñoäng ñieàu khieån naøo caû. Ñoä sai leäch phaûi vöôït qua vuøng naøy thì môùi xaûy ra haønh ñoäng ñieàu khieån. Hình 1.1 Moái quan heä vaøo/ra cuûa boä ñieàu khieån hai vò trí Boä ñieàu khieån hai vò trí cung caáp caùc xung naêng löôïng ñeán quaù trình, ñieàu naøy seõ taïo ra moät chu kyø ñieàu khieån coù bieân ñoä phuï thuoäc vaøo ba yeáu toá : ñoä quaùn tính, thôøi gian treã, vaø möùc ñoä thay ñoåi cuûa taûi. Ñoä dao ñoäng seõ giaûm khi xaûy ra moät hay nhieàu thay ñoåi : taêng ñoä quaùn tính, giaûm thôøi gian treã, giaûm ñoä thay ñoåi cuûa taûi. Ñieàu khieån hai vò trí chæ phuø hôïp cho quaù trình coù ñoä quaùn tính lôùn, thôøi gian treã vaø ñoä thay ñoåi treân taûi nhoû (ví duï nhö ñieàu khieån nhieät ñoä loø nung chaúng haïn). Tuy ñieàu khieån hai vò trí haïn cheá ñoái töôïng ñieàu khieån nhö vaäy, nhöng do noù ñôn giaûn vaø reû tieàn neân ngöôøi ta vaãn thích duøng noù. 5 0- + Sai leäch 0 100 Ña àu ra cu ûa bo ä ñ ieàu k hi eå n( % ) Vuøng trung hoøa Nguyenvanbientbd47@gmail.com II.ÑIEÀU KHIEÅN BA VÒ TRÍ : Ñieàu khieån ba vò trí laø tröôøng hôïp ñaëc bieät cuûa ñieàu khieån hai vò trí. Trong ñoù ñoái töôïng ñieàu khieån seõ naèm trong traïng thaùi oån ñònh mieãn laø ñoä sai leäch vaãn coøn naèm trong vuøng trung hoøa. Moät khi ñoä sai leäch vöôït qua vuøng trung hoøa thì seõ ñieàu khieån ñoái töôïng thay ñoåi moät löôïng haèng coù chieàu phuï thuoäc vaøo daáu cuûa sai leäch. Khi ñoù ñoái töôïng ñieàu khieån seõ lieân tuïc thay ñoåi cho ñeán khi ñoä sai leäch trôû veà vuøng trung hoøa, hoaëc laø cho ñeán khi boä ñieàu khieån tieán ñeán moät trong nhöøng vò trí baõo hoøa cuûa noù. Hình 1.2 Moái quan heä vaøo/ra cuûa ñieàu khieån ba vò trí Ñieàu khieån ba vò trí coù khuynh höôùng laøm taïo ra chu kyø ñieàu khieån. Bieân ñoä cuûa chu kyø phuï thuoäc vaøo thôøi gian treã, ñoä quaùn tính, vaø toác ñoä taêng giaûm khi ñieàu khieån. Toác ñoä naøy seõ xaùc ñònh ñoä thay ñoåi nhanh nhaát cuûa taûi (khoâng phaûi ñoä lôùn cuûa thay ñoåi). Öu ñieåm cuûa boä ñieàu khieån ba vò trí chính laø ôû ñieåm naøy, noù seõ xöû lyù ñoä thay ñoåi cuûa taûi baèng caùch ñieàu chænh daàn ñoái töôïng maø noù ñieàu khieån. Cuõng nhö ñieàu khieån hai vò trí, bieân ñoä dao ñoäng seõ giaûm khi taêng ñoä quaùn tính, giaûm thôøi gian treã, hoaëc giaûm toác ñoä ñieàu khieån ñoái töôïng. Töø ñoù ta thaáy boä ñieàu khieån ba vò trí ñöôïc duøng khi quaù trình coù quaùn tính ñuû lôùn ñeå laøm giaûm taàn soá ñieàu khieån ñeán moät möùc coù theå chaáp nhaän ñöôïc. Ñieàu naøy nguï yù raèng heä coù ñoä quaùn tính lôùn vôùi thôøi gian treã nhoû. Thöïc teá ñieàu khieån ba vò trí thöôøng ñöôïc duøng trong ñieàu khieån ñoäng cô ñieän. III.ÑIEÀU KHIEÅN TYÛ LEÄ (P) : Boä ñieàu khieån loaïi naøy taïo tín hieäu ñaàu ra tyû leä vôùi ñoä sai leäch. Caøng gia taêng ñoä tyû leä (töùc ñoä lôïi) thì löôïng sai soá taïo ra söï thay ñoåi caøng nhoû. Ñieàu naøy khoâng coù nghóa laø ñoä lôïi caøng cao thì caøng toát, bôûi vì khi ñoä lôïi caøng cao thì khuynh höôùng dao ñoäng cuûa bieán ñieàu khieån caøng taêng. Khi ñoù caàn coù moät söï dung hoøa giöõa chuùng sao cho ñoä lôïi lôùn ôû moät möùc ñoä maø khoâng taïo ra söï dao ñoäng. 6 0- + Sai leäch To ác ño ä ñ ieàu k hi eån Vuøng trung hoøa 0 - + Nguyenvanbientbd47@gmail.com Vì lyù do ñoù, ta thaáy raèng khoâng theå naøo loaïi tröø hoaøn toaøn ñöôïc sai soá, maø luoân toàn taïi moät sai leäch tónh ñöôïc goïi laø ñoä sai leäch tyû leä (proportional offset). Ñoä lôùn cuûa sai leäch tónh naøy tyû leä thuaän vôùi ñoä lôùn cuûa söï thay ñoåi treân taûi vaø tyû leä nghòch vôùi ñoä lôïi. Do ñoù boä ñieàu khieån tyû leä chæ ñöôïc duøng khi ñoä lôïi ñuû lôùn ñeå giaûm sai leäch tónh ñeán moät möùc coù theå chaáp nhaän ñöôïc. Tuy nhieân, öu ñieåm cuûa boä ñieàu khieån tyû leä laø ñaùp öùng ngay töùc khaéc. Khoâng heà coù moät khoaûng thôøi gian treã naøo keå töø khi xaûy ra söï thay ñoåi treân taûi cho ñeán khi ra tín hieäu ñieàu khieån. Vì vaäy, coù theå duøng boä ñieàu khieån tyû leä ñoái vôùi nhöõng quaù trình coù ñoä quaùn tính nhoû (khoâng theå söû duïng boä ñieàu khieån hai hay ba vò trí !). Phöông trình trong mieàn thôøi gian : y(t) = KP.e(t) + y0 Haøm truyeàn : G(s) = KP IV.ÑIEÀU KHIEÅN TÍCH PHAÂN (I) : Boä ñieàu khieån tích phaân taïo tín hieäu ñieàu khieån baèng moät löôïng tyû leä vôùi tích phaân cuûa sai leäch. Vì theá, mieãn laø quaù trình coøn sai soá thì boä ñieàu khieån coøn laøm vieäc vaø taïo söï thay ñoåi cuûa tín hieäu ra tyû leä vôùi ñoä lôùn cuûa sai leäch. Hình sau ñaây seõ minh hoïa moái lieân heä giöõa sai leäch vaø tín hieäu ra cuûa heä thoáng Hình 1.3 Ñaùp öùng cuûa boä ñieàu khieån tích phaân theo sai leäch Boä ñieàu khieån tích phaân coù thöôøng ñöôïc keát hôïp noù vôùi boä ñieàu khieån tyû leä nhaèm boå sung öu ñieåm : trieät tieâu sai leäch tónh. 7 Sa i l eäc h Thôøi gian 0 Thôøi gian Tín h ieäu ra 0 100 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Phöông trình trong mieàn thôøi gian : 0 0 )(.)( ydtteKty t I += ∫ Haøm truyeàn : s KsG I=)( V.ÑIEÀU KHIEÅN TÍCH PHAÂN – TYÛ LEÄ (PI) : Ñaây laø söï keát hôïp cuûa boä ñieàu khieån tyû leä vôùi boä ñieàu khieån tích phaân nhaèm trieät tieâu sai leäch tyû leä nhö ñaõ noùi ôû treân. Khi maø boä ñieàu khieån tyû leä taïo tín hieäu ra tyû leä vôùi sai leäch thì boä ñieàu khieån tích phaân laïi taïo tín hieäu ra tyû leä vôùi tích phaân cuûa sai leäch. Do ñaëc tính cuûa boä ñieàu khieån tích phaân, sai leäch tónh cuûa heä thoáng seõ ñöôïc loaïi tröø. Nghòch ñaûo cuûa KI chính laø khoaûng thôøi gian caàn ñeå boä ñieàu khieån tích taïo ra thay ñoåi ôû ñaàu ra baèng vôùi söï thay ñoåi taïo bôûi boä ñieàu khieån tyû leä. Hình 1.4 Ñaùp öùng cuûa boä ñieàu khieån tích phaân – tyû leä ñoái vôùi haøm naác Maëc duø coù nhöõng öu ñieåm nhö ñaõ keå treân, vieäc theâm vaøo khaâu tích phaân cuõng taïo ra nhöôïc ñieåm : ñoù laø gia taêng khuynh höôùng dao ñoäng cuûa bieán ñieàu khieån. Do ñoù caàn phaûi giaûm ñoä tyû leä ñi, heä trôû neân ñaùp öùng chaäm hôn so vôùi ban ñaàu. Neáu quaù trình coù ñoä treã lôùn thì tín hieäu sai leäch nhaän ñöôïc seõ khoâng phaûn aùnh ñoä sai leäch thaät söï. Do ñoä treã naøy seõ laøm cho ñaùp öùng cuûa heä khoâng coøn ñuùng vôùi sai leäch hieän taïi, töùc laø heä laøm vieäc vôùi tín hieäu cuõ. 8 Sa i l eäc h Thôøi gian0 Thôøi gian Tín h ieäu ra 0 100 IK 1 Ñaùp öùng cuûa boä ñieàu khieån tyû leä Gaáp ñoââi ñoä tyû leä do tích phaân Ñaùp öùng tích phaân Ñaùp öùng tyû leä Ñaùp öùng tyû leä Ñaùp öùng tích phaân Nguyenvanbientbd47@gmail.com Phöông trình trong mieàn thôøi gian : 00 ).(.)(.)( ydtteKteKty t IP ++= ∫ Haøm truyeàn : G(s) = s KK IP + VI.ÑIEÀU KHIEÅN VI PHAÂN (D) : Boä ñieàu khieån vi phaân taïo tín hieäu ra döïa treân toác ñoä thay ñoåi cuûa sai leäch. Söï thay ñoåi naøy coù theå laø do bieán ño thay ñoåi, thay ñoåi ñieåm ñaët, hay caû hai. Ñieàu khieån vi phaân choáng laïi sai leäch baèng caùch xem noù thay ñoåi nhanh nhö theá naøo, vaø duøng toác ñoä thay ñoåi ñoù ñeå taïo tín hieäu ñieàu khieån nhaèm laøm giaûm sai leäch. Xeùt ñaùp öùng cuûa boä ñieàu khieån vi phaân ñoái vôùi ñaàu vaøo haøm naác vaø ñaàu vaøo haøm doác : Hình 1.5 Ñaùp öùng haøm naác vaø haøm doác cuûa boä ñieàu khieån vi phaân lyù töôûng Trong moãi khoaûng thôøi gian, ñaàu ra cuûa boä ñie