Tài liệu Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ sử dụng encoder hiển thị trên máy tính

LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình sản xuất hiện đại, đo tốc độ động cơ là việc làm không thể thiếu, nó giúp cho quá trình giám sát sản xuất nhah hơn, tốt hơn, cho ra những sản phẩm như ý, chính xác. Nếu ta không đo được tốc độ của động cơ thì không thể điều khiển tốc độ chính xác được. Với những máy móc hiện đại như ngày nay, trong quá trình sản xuất luôn chạy với nhiều tốc độ khác nhau, tùy theo mỗi giai đoạn làm việc của nó, chính vì thế mà ta cần phải biết tốc độ động cơ là bao nhiêu để điều chỉnh cho phù hợp. Từ lâu con người đã nghiên cứu chế tạo ra những máy đo tốc độ và được sử dụng rộng rãi. Trong các hệ truyền động kinh điển người ta dùng máy phát tốc đo tốc độ động cơ, máy phát tốc một chiều hay xoay chiều thực chất cũng chỉ là máy phát điện công suất nhỏ, có suất điện động ra tỷ lệ với tốc độ cần đo. Về sau nền sản xuất công nghiệp ngày càng phát triển hiện đại người ta bắt đầu nghiên cứu và cho ra đời các máy đo tốc độ có độ chính xác cao hơn như máy đo góc tuyệt đối, máy đo sử dụng cảm biến quang tốc độ với đĩa giải mã … Trong quá trình ngồi trên ghế trường đại học em đã được trang bị một số kiến thức về lĩnh vực này, thấy được tầm quan trọng của nó và để tìm hiểu kỹ hơn thầy giáo đã giao cho em bài tập “ Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ sử dụng encoder hiển thị trên máy tính“ để làm cơ sở cho sự phát triển các môn chuyên ngành. Đề tài này cũng không có gì mới mẻ nhưng em nghĩ tuy cũ mà mình chưa nghiên cứu thì với mình nó vẫn là mới như thường,với lại tầm quan trọng của nó là rất lớn, trong quá trình làm việc sau này chắc chắn sẽ còn gặp thường xuyên nên phải nghiên cứu để nắm vững. Với đề tài trên yêu cầu người làm phải nắm vững được các phương pháp đo tốc độ động cơ, từ đó thiết kế và thi công máy đo tốc độ không tiếp 1 xúc và hiển thị được tốc độ đó, từ cơ sở đó buộc người làm đề tài phải thực hiện được những công việc sau: - Tìn hiểu về các phương pháp đo tốc độ động cơ - Trong thực tế sản xuất việc đo tốc độ thường là đo tốc độ quay của máy, trong trường hợp chuyển Tìm hiểu về các linh kiện sử dụng - Tìm hiểu về cảm biến tốc độ - Thiết kế và thi công phần cứng - Xây dựng lưu đồ giải thuật và tiến hành lập trình cho mạch Trong thực động thẳng, thường người ta chuyển tốc độ dài sang đo tốc độ quay, do đó cảm biến tốc độ gốc luôn chiếm ưu thế trong lĩnh vực đo tốc độ. Trong đề tài này em chọn cảm biến thu phát hồng ngoại(encoder) để đọc tốc độ của roto động cơ. Muốn làm được điều này thì trên trục roto ta phải gắn cho nó bộ phận chiếu sáng hồng ngoại, số vòng quay của động cơ sẽ được cảm biến mã hóa về cho vi điều khiển sử lý, chân ngắt ngoài 0(INT0) sẽ giao nhiệm vụ nhận giá trị cảm biến đọc về Máy đo tốc độ trên thị trường ngày nay rất đa dang và hiện đại có độ chính xác cao, những chiếc máy này được ra đời và hoàn thiện dần trong chuỗi thời gian rất lâu, các công ty sản xuât nó đã bỏ rất nhiều thời gian và tiền bạc để nghiên cứu chế tạo. Với kiến thức của một sinh viên, và thời gian có hạn em không thể nào đem sản phẩm của mình so sánh được. Tuy nhiên em sẽ dành tất cả kiến thức và thời gian mà mình có được để hoàn thành đề bài mà thầy giáo giao cho một cách tốt nhất, và xem đó như là một cơ hội để học tập và kiểm tra lại kiến thức mà mình đã học, vì vậy bài làm của em vẫn còn nhiều sai sót mong quý thầy cô thông cảm. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của các thầy các cô trong khoa, đặc biệt là thầy PHẠM TUẤN ANH đã giúp em hoàn thành bài tập này. Em xin chân thành cám ơn ! 2 Hải phòng, ngày 29 tháng 4 năm 2011 Sinh viên Trịnh Minh Hải Chương 1 MÔ TẢ CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ 1.1 Giới thiệu về động cơ điện một chiều 1. Giới thiệu về động cơ điện. a. Động cơ điện xoay chiều: +. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor. Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay. Rôto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép.Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. +. Phân loai: Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại: động cơ 3 pha và 1 pha, và nếu theo tốc độ có động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. b. Động cơ điện một chiều: +. Cấu tạo: 3 Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. +. Cơ chế hoạt động: Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện độngđối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài). Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng. Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau: I = (VNguon − VPhanDienDong) / RPhanUng Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng: P = I * (VPhanDienDong) 1.2. Các phương pháp đo tốc độ đông cơ. 1. Đo tốc độ động cơ sử dung encoder 4 *> Nguyên lý: Đo tốc độ động cơ dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đôi phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ. Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm.... *> Nguyên lý encoder Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt. Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuông này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn đó. Đối với encoder người ta có thể dùng 2 bộ đặt lệch nhau 900 nó sẽ có 2 tín hiệu ra lệch pha nhau 90. Hai tín hiệu này có thể xác định được chiều quay của động cơ. Sơ đồ cấu tạo bên trong của encode 5 2. Đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc Đo tốc độ động cơ dùng máy phát tốc, tín hiệu từ máy phát tốc tạo ra có điện áp thay đôi phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Do đó điện áp này được đưa qua bộ chuyển đổi ADC tạo thành các xung vuông, các xung vuông này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ. a, Sử dụng máy phát tốc: có nhược điểm là độ chính xác không cao, lại đòi hỏi kèm theo bộ chuyển đổi tương tự - số để số hóa tín hiệu đo nên phương pháp này không được ưa dùng nên nó dần đi vào dĩ vãng. b, Phương pháp đo sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ: với đĩa giải mãi để đo tốc độ động cơ có các ưu điểm: độ phân giải cao dẫn đến kết quả cực kì chính xác, ít nhiễu với sóng điện từ. c, Phương pháp sử dụng máy đo góc tuyệt đối: có ưu điểm ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, ít nhiễu điện từ tuy nhiên chúng không đạt được độ phân giải cao như bộ cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin. d, Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp: qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần bộ cảm biến tốc độ. 6 Các phương pháp sử dụng máy phát tốc hay bộ cảm biến dòng nói trên có một số nhược điểm là : nó làm cho hệ thống truyền động không đồng nhất do phải lắp thêm vào trục động cơ các cảm biến, trong một số trường hợp không thực hiện được. Ví dụ như trong hệ thống truyền động cao tốc hoăc khi động cơ làm việc trong môi trường độc hại. Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần dùng đến bộ cảm biến tốc độ khắc phục được các nhược điểm trên. 1.3. Giới thiệu về encoder. a.Tổng quát về encoder: Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Encoder được chia làm 2 loại: absolute encoder ( encoder tuyệt đối ) và incremental ( encoder tương đối ). Đối với loại encoder tuyệt đối thì tín hiệu ta nhận được, chỉ rõ ràng vị trí của encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm cũng biết chính xác vị trí của encoder. Còn đối với encoder tương đối thì loại này chỉ có 1, 2, hoặc 3 vòng lỗ. Ta có thể hình dung như thế này, nếu bây giờ ta đục thêm một lỗ trên một cái đĩa quay thì cứ mỗi lần quay được 1 vòng ta sẽ nhận được tín hiệu và ta biết được đĩa quay được 1 vòng. Nếu bây giờ trên đĩa đó có nhiều lỗ hơn thì ta sẽ có được những thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng tùy theo số lỗ nằm trên encoder. 7 Hình 1.1. Đĩa encoder. b, Nguyên lý hoạt động của encoder. Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ. Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder. 8 Hinh 1.2. Nguyên lý cơ bản của hoạt động encoder. a, Với encoder tuyệt đối: Vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây, chính là vấn đề về độ mịn của encoder, có nghĩa là làm thế nào biết đĩa đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng. Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo một cách hoàn toàn toán học như sau: Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái. Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng. Tương tự như vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2 n ) vòng. Thế làm sao để xác định 2 n trạng thái này của đĩa encoder? Ta xét hình sau: Hình 1.3. Đĩa encoder có 2 vòng đĩa Ở hình trên ta thấy rằng ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa. Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau. Như vậy chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2 lỗ, và 2 đèn thu. Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất ( trong cùng ), đèn đọc đang nằm ở hai vị trí có lỗ hở thì tín hiệu nhận được từ con mắt thu sẽ là 1. Và ở vòng lỗ thứ 2, thì 9 chúng ta đang ở vị trí không có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị là 0. Như vậy với đĩa có 10 vòng, chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư nào, cũng có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng. Trong ví dụ trên, nếu đèn LED đọc được 10, thì vị trí của LED phải nằm trong góc phần tư thứ hai, phía trên, bên trái. Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta sẽ quản lý được đến 1/(2^10) tức là đến 1/1024 vòng. Hay người ta nói là độ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng (pulse per revolution - ppr). Hình 1.4. Đĩa encoder 8 vòng.  Cách chế tạo encoder tuyệt đối: Để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit thứ N (đối với encoder có N vòng lỗ) nằm ở trong cùng, có nghĩa là lỗ lớn nhất có góc rộng 180 độ, nằm trong cùng. Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit0 (nếu xem là số nhị phân) sẽ thay đổi liên tục mỗi 1/2 N vòng quay, vì thế, chúng ta cần rất nhiều lỗ. Nếu đặt ở trong thì không thể nào vẽ được, vì ở trong bán kính nhỏ hơn. Ngoài ra, nếu đặt ở trong, thì về kết cấu cơ khí, nó quá gần trục, và quá nhiều lỗ, sẽ rất yếu. Vì hai điểm này, nên bit 0 luôn đặt ở ngoài cùng, và bit N-1 luôn đặt trong cùng như hình trên. b, encoder tương đối: Nhận thấy một điều rằng, encoder tuyệt đối rất có lợi cho những trường hợp khi góc quay là nhỏ, và động cơ không quay nhiều vòng. Khi đó, việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng hơn, vì chỉ cần đọc giá trị là 10 chúng ta biết ngay được vị trí góc của trục quay. Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng, điều này không có lợi, bởi vì khi đó, chúng ta phải xử lý để đếm số vòng quay của trục. Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt đối, chúng ta cần quá nhiều vòng lỗ, và dẫn tới giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thể thực hiện được. Chưa kể rằng việc thiết kế một dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởng rất lớn đến kích thước giới hạn này. Hoạt động của encoder tương đối bằng cách tăng lên 1 đơn vị khi một lần lên xuống của cạnh xung. Hình 1.5. Encoder tương đối. Ta thấy cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm. Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết 1 vòng. Nếu cứ đếm vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết 1 vòng. Để giải quyết vấn đề này, ta đưa thêm vào 1 lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder. Như vậy, cho dù có lệch xung mà chúng ta vẫn thấy rằng encoder đi ngang qua lỗ định vị này thì chúng ta vẫn biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu. Nếu vì một rung động nào đó mà chúng ta không thấy encoder qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung, và việc đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder. 11 Hình 1.6. Encoder có lỗ định vị. Tuy nhiên, một vấn đề lớn nữa là, làm sao chúng ta biết encoder đang xoay theo chiều nào? Bởi vì cho dù xoay theo chiều nào, thì tín hiệu encoder cũng chỉ là các xung đơn lẻ và xoay theo hai chiều đều giống nhau. Chính vì vậy, người ta đặt thêm một vòng lỗ ở giữa vòng lỗ thứ 1 và lỗ định vị như hình sau. Chú ý rằng, vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau. Các cạnh của lỗ vòng 2 nằm ngay giữa các lỗ vòng 1 và ngược lại. Chúng ta sẽ khảo sát tiếp vấn đề encoder trong phần tín hiệu xung để hiểu rõ hơn về encoder. Tuy nhiên, ta sẽ thấy một điều rằng, thay vì làm 2 vòng encoder, và dùng 2 đèn LED đặt thẳng hàng, thì ta chỉ cần làm 1 vòng lỗ, và đặt hai đèn LED lệch nhau. c, Thuật toán đo tốc độ động cơ 12 Hình 1.7. Sơ đồ cấu tạo bên trong của encoder. DO Psoc có đủ các module : Timer 16, couter 8, LCD nên ta chỉ cần lấy các modul đó ra Sử dụng. Thuật toán đơn giản mà được dùng rất phổ biến là ngắt thời gian để đếm xung từ encoder cụ thể như sau : + Tạo một module thời gian ở đây là timer 16 có thời gian là 0.01s, module Cou ter 8 đếm xung từ 0 đến 255 (Nó đếm lần lượt từ 0 đến 255 và đến 255 thì lại trở về chu kì mới) + Sử dụng ngắt timer 16. (Có nghĩa là cứ 0.01s là chương trình lại xẩy ra ngắt 1 lần). Trong hàm ngắt chúng ta xử lý số liệu mà số xung từ encoder được đưa về vi điều khiển. Vì Couter nó chỉ đếm được từ 0 đến 255 để bao gồm cả trường hợp trong 0.01s mà số xung nó lớn hơn 255 (Hay 0.01s nó được được trên 255 xung). Do đó chúng ta cần phải có 2 giá trị đếm của couter : Giá trị đếm mới (newcount), giá trị đếm cũ (oldcount). * Giá trị đếm cũ = Giá trị đếm mới: * Khởi tạo cho newcount = 255 - giá trị xung đếm * Nếu mà giá trị oldcount > newcount thì giá trị xung cuối cùng là : count = 255 + newcount - oldcount. 13 * Nếu mà giá trị oldcount < newcount thì giá trị đếm cuối cùng là :count = newcount - oldcount Từ giá trị đếm được số xung đó ta tính được vận tốc của động cơ. NHớ là encoder có 100xung/vòng. CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MẠCH PHẦN CỨNG. 2.1. Sơ đồ khối hệ thống đo tốc độ động cơ. Việc thiết kế một hệ vi xử lý bao gồm cả việc thiết kế phần cứng vào và viết phần mềm cho nền tảng phần cứng mà ta thiết kế. Việc xem xét giữa tổ chức phần cứng và chương trình phần mềm cho một thiết kế là một vấn đề cần phải cân nhắc. Vì khi tổ chức phần cứng càng phức tạp, càng có nhiều chức năng hỗ trợ cho yêu cầu thiết kế thì phần mềm càng được giảm bớt và dễ dàng thực thi nhưng lại đẩy giá thành sản phẩm lên cao, cũng như chi phí bảo trì. Ngược lại với một phần cứng tối thiểu lại yêu cầu một chương trình phần mềm phức tạp hơn, hoàn thiện hơn, nhưng lại cho phép bảo trì hệ thống dễ dàng hơn cũng như việc phát triển tính năng của hệ thống từ đó có thể đưa ra gia thành cạnh tranh. 14 Khối nguồn Khối thu phát tín hiệu Động cơ Khối hiển thị Khối xử lý Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống đo tốc độ động cơ. Sơ đồ nguyên lý mạch đo a, Khối nguồn : 15 Nguồn điện được thiết kế riêng sử dụng IC 7805 cho phép cung cấp điện áp ổn định 5V với điện áp vào thay đổi từ 9-12V. Mạch nguồn được thiết kế nhằm giảm thiểu sai số do mạch không ổn định của điện áp cung cấp cho mạch đếm và các phụ kiện liên quan và hạn chế sự gia tăng đột ngột gây hỏng linh kiện. U1 VO 3 C2 R1 2 C1 VI GND 1 D1 Hình 2.2. Mạch nguồn 5V. Các tụ C1 và C2 có nhiệm vụ ổn áp tránh dao động do dòng điện, hoặc các hiện tượng sụt áp, ngoài ra còn có điện trở R1 và con led để báo nguồn. b, Khối động cơ: Hoạt động của động cơ được xác định mỗi khi có sự thay đổi tín hiệu xung nhận được khi có chùm sáng từ cảm biến phát quang qua khe đặt trên cánh động cơ xuống cảm biến thu quang. Tín hiệu thu từ bộ cảm biến hồng ngoại có tính chất tuần hoàn do động cơ hoạt động theo chu kỳ. Chính vì vậy, ta có thể xác định được số vòng quay trong một giây. Tín hiệu thu được từ bộ cảm biến chưa ổn định, do nhiều nguyên nhân khác nhau. Tín hiệu này được đưa vào IC khuếch đại thuật toán để xử lý. Giá trị điện áp tín hiệu được khuếch đại lên khoảng 12V tại đây tín hiệu được đưa vào chân của xử lý. c, Khối thu phát tín hiệu: Khối này gồm những bộ phận sau: 16 - Bộ thu phát hồng ngoại làm nhiệm vụ thu nhận tốc độ động cơ bằng diode thu phát quang để đếm số vòng quay của động cơ qua một đĩa chắn quang gắn vào trục của động cơ. - Bộ so sánh ngưỡng LM358 làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu từ bộ thu phát hồng ngoại thành tín hiệu TTL tương ứng đưa vào chân của vi điều khiển. LM358 còn có nhiệm vụ là khuếch đại thuật toán. 8 H I 3 + 2 1 2 2 - 1 1 4 L M 358 0 Hình 2.3. Mạch thu phát hồng ngoại. Nguyên lý hoạt động của mạch: việc đo tốc độ của động cơ dựa vào quá trình đếm xung của vi xử lý thông qua các xung của bộ cảm biến thu phát (ứng với mỗi vòng quay của động cơ cảm biến sẽ phát một xung đưa về bộ đếm của vi xử lý ). Thông qua chương trình được lập trình sẵn trong vi xử lý, mạch đếm sẽ tính toán số liệu đo được và cho hiển thị kết quả. Với khả năng lập trình được vi xử lý cho phép động cơ chọn thang đo ( có thể thay đổi khoảng thời gian trong phép đo từ đó thay đổi thang đo theo giây, phút.. ). Ngoài ra, vi xử lý còn cho phép phát triển thêm các tính năng của mạch như điều khiển tốc độ của động cơ khi cần thiết, lưu giữ các kết quả của phép đo trước đó mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của mạch ( đo tần số, đo chu kì… ) Nhờ sử dụng xung đồng bộ của thạch anh có độ chính xác và ổn định cao nên vi xử lý cho phép loại bỏ sai số của hệ thống do sự “chậm” của thời điểm 17 “mở “ và “đóng “ các xung của tín hiệu đi vào mạch tính toán. Đầu ra của khối được đưa vào một chân ngắt ngoài của IC. d, Khối xử lý: Từ yêu cầu của bài toán ta chọn chip vi điều khiển thuộc họ MCS-51 của Intel, mà cụ thể ở đây là họ 8051 vì những lý do sau:  Thứ nhất họ 8051 là chip vi điều khiển. Đặc điểm của các chip này nói chung là nó được tích hợp với đầy đủ chức năng của một hệ vi xử lý nhỏ, rất thích hợp với những thiết kế hướng điều khiển. Tức là trong nó bao gồm: mạch vi xử lý, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào-ra nối tiếp và song song, mạch điều khiển ngắt.  Thứ hai là, họ vi điều khiển 8051 cùng với các họ vi điều khiển khác nói chung trong những năm gần đây được phát triển theo các hướng sau: - Giảm nhỏ dòng tiêu thụ. - Tăng tốc độ làm việc hay tần số xugng nhịp của CPU. - Giảm điện áp nguồn nuôi. - Có thể mở rộng nhiều chức năng trên chip, mở rộng cho các thiết kế lớn. Những đặc điểm đó dẫn đến đạt được hai tính năng quan trọng là: giảm công suất tiêu thụ và cho phép điều khiển thời gian thực nên về mặt ứng dụng nó rất thích hợp với các thiết kế hướng điều khiển.  Thứ ba là, vi điều khiển thuộc họ MCS-51 được hỗ trợ một tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả năng mềm dẻo trong vấn đề viết chương trình phần mềm điều khiển.  Thứ tư là, dung lượng bộ nhớ trương trình và bộ nhớ dữ liệu lớn.  Cuối cùng là, các chip thuộc họ MCS-51 hiện đuộc sử dụng rất phổ biến và được coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng. Mặt khác, qua việc khảo sát thị trường linh kiện việc có được chip 8051 là dễ dàng nên mở ra khả năng thiết kế thực tế. 18 Vì những lý do trên mà việc lựa chọn vi điều khiển họ 8051 là một giải pháp hoàn toàn phù hợp cho thiết kế. Đặc điểm chính của họ vi xử lý 8051: - 4k byte ROM, 128k byte RAM. - 4 port I/O 8 bit. - 2 bộ đếm/ định thời 16 bit. - Mạch giao tiếp nối tiếp. - 64k byte không gian nhớ chương trình ngoài. - 64k byte không gian nhớ dữ liệu mở rộng. - Một bộ xử lý bit ( thao tác trên các bit riêng rẽ ). - 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit. - Nhân /chia trong 4 µs. C1 U1 470n X1 C2 19 18 XTAL1 XTAL2 470n 9 RST C3 1nF 29 30 31 1 2 3 4 5 6 7 8 PSEN ALE EA P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 AT89C51 Hình 2.4. Sơ đồ chân IC AT89C51. Nhiệm vụ của khối xử lý: nhận tín hiệu từ bộ thu phát dưới dạng xung điện áp và biến đổi xử lý thành các tín hiệu điều khiển để đưa ra hiển thị trên LCD e, Khối hiển thị: 19 -Có nhiệm vụ hiển thị kết quả đo được.Ở đây ta dùng LCD ghép nối với vi điều khiển để hiển thị kết qua. -Hình dáng và kết cấu chân của LCD Hình dáng LCD thực tế -Kết cấu chân của LCD 20