Xem mẫu
- Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU QUA SÓNG RF WIRELESS
RESEARCH DESIGN FROM THE MINISTRY
OF REMOTE CONTROL ENGINE DC BY WIRELESS RF
SVTH: Trần Duy Phương, Trần Việt Phương, Mai Trường Sinh
Lớp 08DTD, Trường Đại học Bách khoa
GVHD: TS. Nguyễn Hoàng Mai
Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa
TÓM TẮT
Trên cơ sở các thiết bị điều khiển từ xa RF wireless và họ vi điều khiển pic của hãng
Microchip. Bài báo ứng dụng các thiết bị này để thiết kế bộ điều khiển từ xa điều khiển động cơ
điện một chiều qua sóng RF WIRELESS nhằm mục đích cùng trên một tần số phát đi ta có thể
điều khiển được nhiều động cơ khác nhau có thể bật tắt thay đổi tốc độ một cách độc lập và ổn
định tại tốc độ cài đặt.
ABSTRACT
On the basis of remote control devices RF wireless and pic microcontroller of microchip
firm. The paper application of these devices to design a remote controller controls the engine DC
via wave to RF WIRELESS purposes on the same broadcast frequency can be controlled by many
different engines can be switched off speed change independently and stability at speed settings.
1. Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành
kỹ thuật điều khiển, ngành tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động
hóa không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong
việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm chính vì thế tự động hóa
ngày càng khẳng định được vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp
và đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và
ở Việt Nam nói riêng.
Không chỉ dừng lại ở đó, sự phát triển của tự động hóa còn đem lại nhiều tiện ích
phục vụ đời sống hàng ngày cho con người. Để phục vụ tốt hơn nữa đời sống con người
trong thời điểm xã hội ngày càng hiện đại và phát triển hiện nay. Thay thế dần con người
làm việc ở những nơi nguy hiển, độc hại, hay những nơi con ngươi không thể tới được.
Vấn đề đặt ra trước tiên khi xây dựng một hệ thống tự động hóa không còn là nên
hay không nên, mà là lựa chọn hệ thống điều khiển, mạng truyền thông nào để điều khiển
và giám sát cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của thực tế. Do đó em chọ n đề tài
“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển từ xa qua sóng RF điều khiển động cơ DC”
nhằm mục đích trên một giải tần số có thể điều khiển được nhiều động cơ một cách độc
lập, với nhiều tốc độ cài đặt khác nhau và ổn định ở tốc độ cài đặt đó.Tốc độ cài đặt cập
nhật từ mạch phát được hiển thị trên led 7 đoạn. Mạch thu cập nhật tốc độ cài đặt được
hiển thị trên LCD và tốc độ thực tếcủa động cơ được hiển thị trên led 7 đoạn.
87
- Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
Khả năng ứng dụng của để tài nghiên cứu không chỉ dừng lại ở việc điều khiển một
vài động cơ điện, mà trong tương lai có thể điều khiển các thiết bị chuyển động từ xa: Robot
tự hành mạng vác trong các nhà máy công nghiệp, các robot nạo vét cống rảnh cống ngầm,
robot sửa chửa đường ống cấp thoát nước trong thành phố, các robot dò phá bom nìm ngư,
điều khiển và giám sát các đèn tín hiệu giao thông từ xa, điều khiển tàu ngầm mini các thiết
dưới nước ở các độ sâu mà con người không thể trực tiếp tới được, các thiết bị chửa cháy từ
xa, điều khiển các thiết ở nhửng môi trường hóa chất hoặc môi trường phóng xạ độc hại, điều
khiển các thiết bị đóng cắt từ xa trong các trạm biến áp trong nhà máy điện…
2. Tổng quan về phương thức điều khiển
2.1. Tổng quan về sóng RF
Trong một phiên truyền thông, vì tận cùng bản chất của dữ liệu là bao gồm các bit 0
và 1, bên phát dữ liệu cần có một cách thức để gửi các bit 0 và 1 để gửi cho bên nhận. Một
tín hiệu xoay chiều hay một chiều tự nó sẽ không thực hiện tác vụ này. Tuy nhiên, nếu một
tín hiệu có thay đổi và dao động, dù chỉ một ít, sự thay đổi này sẽ giúp phân biệt bit 0 và
bit 1. Lúc đó, dữ liệu cần truyền sẽ có thể gửi và nhận thành công dựa vào chính sự thay
đổi của tín hiệu. Dạng tín hiệu đã điều chế này còn được gọi là sóng mang (carrier signal).
Có ba thành phần của dạng sóng có thể thay đổi để tạo ra sóng mang, đó là biên độ, tần số
và pha. Tất cả các dạng truyền thông dùng sóng vô tuyến đều dùng vài dạng điều chế để
truyền dữ liệu. Để mã hóa dữ liệu vào trong một tín hiệu gửi qua sóng AM/FM, điện thoại
di động, truyền hình vệ tinh, ta phải thực hiện một vài kiểu điều chế trong sóng vô tuyến
đang truyền.
2.1.1. Biên độ và bước sóng
Truyền thông vô tuyến bắt đầu khi các sóng vô tuyến được tạo ra từ một máy phát
và gửi đến máy nhận ở một vị trí khác. Sóng vô tuyến tương tự như các cơn sóng mà bạn
hay gặp ở biển, hồ, sông, suối. Sóng có hai thành phần chính: biên độ và bước sóng.
Biên độ là chiều cao, độ mạnh hoặc công suất của sóng
Bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm tương tự trên hai đỉnh sóng liên tiếp.
Biên độ và tần số cả hai đều là các thuộc tính của sóng.
Hình 1. Dạng sóng điện từ
2.1.2. Bức xạ điện từ
Đầu tiên ta xét đến sóng điện từ. Bức xạ điện từ bao gồm sóng radio, vi ba, hồng
ngoại, ánh sáng khả kiến, tia cực tím, tia X, và tia gamma. Tất cả chúng đều truyền đi với
vận tốc ánh sáng là c = 3x108 m/s và tạo ra phổ điện từ. Sự khác nhau giữa các loại sóng
điện từ này phụ thuộc vào bước sóng của mỗi thứ và chính cái gọi là bước sóng này liên
quan trực tiếp đến năng lượng của sóng (bước sóng càng nhỏ thì năng lượng càng cao).
88
- Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
2.1.3. Pha
Pha là một thuật ngữ mang tính tương đối. Nó chỉ ra mối quan hệ giữa hai sóng có
cùng tần số. Để xác định pha, bước sóng được chia thành 360 phần, được gọi là độ.
2.2. Các phương thức điều chế
Để dữ liệu có thể được truyền, tín hiệu phải được xử lý sao cho bên máy nhận có
cách để phân biệt bit 0 và 1. Phương pháp xử lý tín hiệu sao cho nó tượng trưng cho nhiều
mẫu dữ liệu được gọi là điều chế. Phương thức này sẽ biến tín hiệu vào tr ong sóng mang.
Phương thức này mã hóa dữ liệu sao cho nó có thể truyền.
Có ba kiểu điều chế: điều biên, điều tần và điều pha.
3. Mã hóa bit
Mã hóa bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (1- 0) sang một tín hiệu thích hợp để có
thể truyền dẫn trong môi trường vật lý. Việc chuyển đổi này chính là sử dụng một tham số
thông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải. Các tham số thông tin có thể được
chứa đựng trong biên độ, tần số, pha hoặc sườn xung, v.v... Sự thích hợp ở đây phải được
đánh giá dựa theo các yêu cầu kỹ thuật như khả năng chống nhiểu cũng như gây nhiểu, khả
năng đồng bộ hóa và triệt tiêu dòng một chiều.
3.1. Các phương pháp mã hóa tín hiệu
Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơn giản
là gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một giá trị khác cho mức logic còn
lại. Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một số tính
chất sau.(Phổ tần của tín hiệu, sự đồng bộ, khả năng dò sai, tính miễn nhiễu và giao thoa,
mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống).
3.2. Các dạng mã phổ biến
Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục đích
khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất nói trên hình 2.
Hình 2: một số dạng mã thông dụng
4. Giới thiệu về mã Manchester
Mã hóa Manchester là một phương pháp mã hóa các bit dữ liệu sử dụng trong việc
89
- Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
truyền các tín hiệu dạng số. Đây là phương pháp mã hóa các bit dữ liệu 1,0 thành các chuổi
tín hiệu có mức tín hiệu thay đổi liên tục dù dãy bit dữ liệu là 1 hoặc 0 liên tiếp. Do đó, ưu
điểm của mã hóa Manchester là dễ dàng tạo sự tự đồng bộ giữa bên phát và bên nhận.
Trong lĩnh vực truyền thông điều khiển sử dụng vi điều khiển, mã Manchester dễ
thực hiện để lập trình cùng với khả năng phát hiện lỗi khi phát hiện có vi phạm mã.
Đây là phương pháp sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến, hữu
tuyến, Ethernet,…
5. Mạch phát RF
Thường dùng là loại module phát OOK(On/Off keyring) và ASK(Điều biên) để
chuyển các tín hiệu dạng số1-0 thành trạng thái có hoặc không có tín hiệu ở phần mạch thu
6. Mạch thu RF
Sử dụng để thu lại các tín hiệu từ mạch phát, biến các trạng thái phát hay không
phát thành dạng số 1 hoặc 0.
Nguyên tắc khi mạch thu rảnh không nhận dữ liệu từ mạch phát thì mạch vẫn có thể
thu các tín hiệu nhiễu môi trường làm cho output của nó có những tín hiệu 1, 0 không xác
định. Hoặc trong quá trình phát có 1 chuỗi dài bit 1 hoặc 0 liên tục.
Mạch thu ↑
Mạch phát ↑
Hình 4
7. Ứng dụng trên PIC
VCC
LM7805
J1 J2 J3 J4
VCC 1KO 1KO 1KO 1KO
A1015 A1015 A1015 A1015
DIODE
6VAC
GND
VCC
A B C D E F G H A B C D E F G H A B C D E F G H A B C D E F G H
10KO
SW1RESET 120KO
40 RB7
1
RISISTOR VAR
MCRL*/Vpp RB7/PGD
120KO
RB6
39
RA0 2
RA0/NA0 RB6/PGC
10KO 120KO
38 RB5
RA2 4
MODUL PHÁT RF
RA2/NA2/V REF-/CVREF RB5
GND 120KO
RB4
37
VCC 11
DATA Vdd RB4
120KO
36 RB3
GND 12
C100 Vss RB3PGM
VCC 120KO
35 RB2
OSC1 13
OSC1/CLK RB2
PIC 16F877A
120KO
33 RB1
33PF RB1
DXT 4MH Z 120KO
33 RB0
C101 RB0/INT
OSC2 14
OSC2/CLKO
VCC
RA1 3 32
33PF RA1/AN1 Vdd
GND
RA3 5 31
RA3/AN3/V REF+ Vss
RD7
30
RA4 6 RD7/PSP7
RA4/TOCKI/C1OUT
RD6
29
RA5 7 RD6/PSP6
RA5/AN4/SS*/C2OUT
RD5
28
RE0 8 RD5/PSP5
RE0/RD*/AN5
RD4
27
RE1 9 RD4/PSP4
RE1/WR*/AN6
RE2 10
RE2/CS*/AN7
RC0 15
RC0/T1OSO/T1CKI
RC1 16
RC2/T1OSI/CCP2
RC7
RC2 17 26
RC7/RX/DT
RC2/CCP1
RC6
RC3 18 25
RC6/TX/CK
RC3/SCK/SCL
RC5
24
RC5/SDO
RC4
23
RC4/SDI/SDA
RD3
RD0 19 22
RD3/PSP3
RD0/PSP0
RD2
RD1 20 21
RD2/PSP2
RD1/PSP1
SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6
R1 R2 R3 R4 R5 R6
10KO 10KO 10KO 10KO 10KO 10KO
VCC
Đ? ÁN T? T NGHI? P
SW7 SW8 SW9 SW10 SW11 SW12
R10 R12
R7 R8 R9 R11
SO Ð? NGUYÊN LÝ M? CH ÐI? U KHI? N PHÁT RF
10KO 10KO 10KO 10KO 10KO 10KO
22/04/2010
NGUY? N HOÀNG MAI
GVHD
Ð? I H? C ÐÀ N? NG
TL :
TR U ? NG Ð? I H? C BÁCH KHOA
GVD
KHOA ÐI? N - L? P 08DTDLT
TR? N V I? T PH UONG
SVTH
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý mạch phát tín hiệu điều khiển
Trong mạch phát sử dụng vi điều PIC 16F877A, modul phát RF BXR315A, 4 Led
7 đoạn hiển thị địa chỉ của mạch thu và tốc độ cài đặt cho động cơ ở mạch thu và các linh
khiện điện tử phụ trợ. Led 7 đoạn ở vị trí hàng ngàn hiện thị địa chỉ của mạch thu 3 led 7
đoạn còn lại hiển thị tốc độ cài đặt cho động cơ. Động cơ sử dụng trong mô hình là động
90
- Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
cơ một chiều của Hitachi. Địa chị và tốc độ cài đặt được nhập từ bàn phím. Ở mô hình có
ba địa chỉ mạch thu là 1, 2, 3, địa 0 dùng cài đặt cùng lúc cho ba địa chi. Tín hiệu phát
truyền đi là tín hiệu 8 bit.
Trong mạch thu sử dụng 2 vi điều PIC 16F877A, modul thu RF 9921A, 4 Led 7
đoạn hiển thị tốc độ thực của động cơ, LCD 16X2 hiển thị địa chỉ mạch thu và tốc độ cài
cho động cơ mà động cơ cần ổn định tại tốc độ cài đặt. Mạ ch sử dụng L298N là một driver
chip tích hợp sẵn hai mạch cầu H bên trong với chuẩn điều khiển TTL không có diode nội
bảo vệ Mosfet. Chịu tải tối đa trên mỗi cầu là 2A, điện áp 40VDC. Logic “0” ở ngõ vào lên
tới 1.5V (khả năng khử nhiễu cao) Sử dụng dạng đóng gói Multiwatt15. Các thông số cần
thiết khác của L298N có thể được tìm thấy tại trang web của hãng STMicroelectronics
[STElectro]. Khi mạch thu nhận được tín hiệu điều khiển (8 bit đầu) tín hiệu nhận vào
được Pic chủ (Maxter) giải mã khi đúng địa chỉ thì cho phép nhận các bít tiếp theo 3x8bit
là tốc độ cài đặt cho động cơ khi nhận đủ thì truyền dử liệu theo chuẩn RS232(hai chân
TX, RX) này cho Pic tớ (Slaver) điều khiển động cơ Pic tớ có nhiệm vụ đọc tín hiệu
Encoder nhận biết tốc độ thực của động cơ và điều chế độ rộng xung (PWM) cho phù hợp
để ổn định tốc độ động đúng tốc độ cài đặt.
VCC
LM7805
VCC 1KO 1KO 1KO 1KO
DIODE
6VAC
GND
VCC
S W1RESET
RB7
40
1
MCRL*/Vpp RB7/PGD
39 RB6
RA0 2
RA0/NA0 RB6/PGC
R5
38
RA2 4
VCC RA2/NA2/V REF-/CV REF RB5
A B C D E F G H A B C D E F G H A B C D E F G H A B C D E F G H
37 RB4
VCC 11
Vdd RB4
RB3
36
GND 12
PIC 16F877A
C100 Vss RB3PGM
1KO 35 RB2
OSC1 13
OSC1/CLK RB2
33 RB1
33PF RB1
SW1RESET 120KO DXT 4MHZ
RB7
40
1
RISISTOR VAR
33 RB0
MCRL*/Vpp RB7/PGD C101 RB0/INT
120KO
39 RB6
RA0 2 OSC2 14
RA0/NA0 OSC2/CLKO
RB6/PGC
120KO VCC
R5
38
RA2 4 32
33PF
RA2/NA2/V REF-/CV REF RB5 Vdd
GND VCC
120KO GND
37 RB4
VCC 11 RA1 3 31
MODUL THU RF
DATA Vdd RA1/AN1 Vss
RB4
RD7
30
120KO
RB3
36
GND 12 RA3 5
PIC 16F877A
RD7/PSP7
C100 Vss RA3/AN3/V REF+
RB3PGM
VCC RD6
29
120KO
35 RB2
OSC1 13 RA4 6 RD6/PSP6
OSC1/CLK RA4/TOCKI/C1OUT
RB2
RD5
28
120KO
RB1
33 RA5 7 RD5/PSP5
33PF RA5/AN4/SS*/C2OUT
RB1
RD4
27
DXT 4MH Z RE0 8
120KO RD4/PSP4
33 RB0 RE0/RD*/AN5
C101 RB0/INT
OSC2 14 RE1 9
OSC2/CLKO RE1/WR*/AN6
VCC
32 RE2 10
33PF Vdd RE2/CS*/AN7
VCC
GND
RA1 3 31 RC0 15
RA1/AN1 RC0/T1OSO/T1CKI
Vss
1KO RD7
VCC 30 RC5
RA3 5 RC1 16 24
RD7/PSP7
MODUL ENCODER
RC5/SDO
RA3/AN3/V REF+ RC2/T1OSI/CCP2
RD6
29 RC4
RA4 6 RC2 17 23
RD6/PSP6 RC4/SDI/SDA
RA4/TOCKI/C1OUT RC2/CCP1
RD5
28 RD3
RA5 7 RC3 18 22
RD5/PSP5 RD3/PSP3
RA5/AN4/SS*/C2OUT RC3/SCK/SCL
RD4
27 RD2
RE0 8 21
RD4/PSP4 RD2/PSP2
RE0/RD*/AN5
RC7
RC7 RD1
26
26
RE1 9 20
RD0/PSP0
RC7/RX/DT
RE1/WR*/AN6 RC7/RX/DT
RC6 RC6 RD0
25 25
RE2 10 19
RC6/TX/CK RD1/PSP1
RC6/TX/CK
RE2/CS*/AN7
RC0 15 120KO
RC0/T1OSO/T1CKI
RC1 16
RC2/T1OSI/CCP2
RC2 17
RC2/CCP1
RC5
RC3 18 24
LCD HI? N TH? T? C Đ? CÀI Đ? T
RC5/SDO
RC3/SCK/SCL
RC4
23
RC4/SDI/SDA
RD3
RD0 19 22
RD3/PSP3
RD0/PSP0
RD2
RD1 20 21
RD2/PSP2
RD1/PSP1 VCC
30VDC
VSS VDD VEE RS RW EN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A K
VCC
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
D100 D102
CCP2 5 1A1 1Y1 2
MDC
7 1A2 1Y2 3
CCP1
10 2A1 2Y1 13
L298N
VCC
12 2A2 2Y2 14 D101
RISISTOR VAR
D103
RS GND EN
GND GND
1 1E
VCC
10KO
15 2E
6 1EN
GND
11 2EN
9 VCC1 GND
Đ? ÁN T? T NGHI? P
VCC 30VDC 4 VCC2
C
ENCODER
104 1KO
8 SO Ð? NGUYÊN LÝ M? CH ÐI? U KHI? N THU RF
C
104
22/04/2010
GVHD NGUY? N HOÀNG MAI
Ð? I H? C ÐÀ N? NG
TL :
TR U ? NG Ð? I H? C BÁCH KHOA
GVD
KHOA ÐI? N - L? P 08DTDLT
GND TR? N V I? T PH UONG
SVTH
Hình 7: Sơ đồ nguyên lý mạch phát tín hiệu điều khiển
8. Kết luận
Đề tài đã đưa ra các mô hình ứng dụng cụ thể, có thể điều khiển và ổn định tốc độ
động cơ một chiều theo hàm kín (PID). Tín hiệu phản hồi là số vòng quay của động cơ. Tín
hiệu truyền nhận khá ổn định và chính xác.
Mạch phát tín hiệu đã làm việc ổn định đảm bảo việc phát tín hiệu điều khiển đi
chính xác và ổn định, bao gồm việc nhập địa chỉ cài đặt, tốc độ cài đặt, chống được nhiểu
đầu vào chỉ phát tín hiệu khi được lệnh phát.
Mạch nhận tín hiệu tín hiệu nhận được khá chính xác và ổn định chỉ nhận tín hiệu
dử liệu của mạch phát không bị nhiểu ngoài tác động. tín hiệu nhận được được hiển thị lên
LCD 16X2 và truyền cho Pic tớ chính xác. Pic tớ điều khiển tốc độ động khá chính xác tốc
độ thực của động luôn xoay quanh giá trị cài đặt sai số thấp, Nhược điểm thời gian quá độ
của động cơ còn dài chưa đáp ứng một cách thời.
91
- Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Manchester Data Encoding for Radio Communications.
[2] Back to the future Manchester encoding.
[3] Using the XGATE for Manchester.
[4] Michael Duck, Peter Bishop, Richard Read. Data communication, addison –wesley.
[5] Hoàng minh sơn. Mạng truyền thông công nghiệp.Hoàng Minh Sơn, Nhà suất bản
khoa học và kỹ thuật, suất bản năm 2001.
[6] Giáo trình đo lường và điều khiển xa dùng cho sinh viên nghành kĩ thuật: Khoa điện –
Bộ môn tự động hóa Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 08-2009.
[7] Đỗ Trung Tá. Công nghệ ATM - giải pháp cho mạng viễn thông băng rộng 1998.
92
nguon tai.lieu . vn
