Đồ Án Tốt nghiệp Cao Đẳng

Kit Thực Tập Encoder

Người Thực Hiện

Bộ Mơn Tự Động Hóa
Khoa Điện-Điện tử
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng

Tháng 1 năm 2022


Kit Thực Tập Encoder

Người thực hiện


Kit Thực Tập Encoder

Người thực hiện
Hội Đồng Chấm Bảo Vệ:

(Trưởng Ban )

(Thành Viên)

(Thành Viên)

(Thành Viên)

(Thành Viên)

(Thành Viên)

(Thành Viên)

Tháng 1 năm 2022


Nhận xét của giảng viên hướng dẫn
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Ký tên

Nhận xét của giảng viên phản biện
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Ký tên



Lời cảm ơn
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy, cơ và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trong khoa Điện – Điện tử nói
chung và bộ mơn Tự động hố nói riêng đã trang bị cho em những kiến thức
chuyên nghành, giúp đỡ, hướng dẫn em rất tận tình trong suốt quá trình làm
đồ án. Đặc biệt là cô Lê Ngọc Tuyền đã theo sát chúng em từ những ngày
đầu nhận đồ án, truyền đạt những kiến thức quan trọng đến chuyên nghành
nhằm hỗ trợ tối đa cho chúng em.
Đồ án tốt nghiệp là một thử thách rất lớn của chúng em trong 3 năm
học tập tại trường Cao đẳng kỹ thuật Cao Thắng. Vì khả năng của chúng em
cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những sai sót. Mong thầy cơ bỏ qua và
đưa ra những lời nhận xét để chúng em dựa vào đó bổ sung cũng như có
thêm kinh nghiệm về chuyên nghành mình đang học
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã ln tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và
hồn thành khố luận tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

1


Mục lục

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU........................................................................13
1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.......................................................................13
1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI..................................................................13

1.3 CẤU TRÚC QUYỂN ĐỒ ÁN................................................................14
1.4 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN..................................................................14
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CƠ BẢN...........................................................16
2.1 VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A..........................................................16
2.1.1 GIỚI THIỆU...................................................................................16
2.2 NGUYÊN LÝ VỀ TIMER....................................................................18
2.2.1 TIMER 1.......................................................................................18
2.2.2 CÁCH TÍNH THƠNG SỐ CÀI ĐẶT TIMER 1...................................20
2.3 XUNG PWM...................................................................................21
2.3.1 GIỚI THIỆU...................................................................................21
2.3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG...................................................21
2.3.3 CÁCH TÍNH THƠNG SỐ CÀI ĐẶT PWM.........................................22
2.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID........................................................................22
2.4.1 GIỚI THIỆU...................................................................................22
2.4.2 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID.......................................................23
2.4.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN................26
2.5 GIAO TIẾP UART............................................................................28
2.5.1 KHÁI NIỆM UART.......................................................................28

2


2.5.2 TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾP VÀ SONG SONG....................................28
2.5.3 TRUYỀN THÔNG UART..............................................................28
2.6 CÁC CÔNG CỤ VÀ THIẾT BỊ.............................................................30
2.6.1 ENCODER.....................................................................................30
2.6.1.1 PHÂN LOẠI................................................................................30
2.6.2 MẠCH CẦU H XY-160D L298.....................................................34
2.6.3 ĐỘNG CƠ DC...............................................................................36
2.6.3.1 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ DC..........................................................37

2.6.3.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG.......................................38
2.6.3.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU...................40
2.6.4 NGUỒN TỔ ONG...........................................................................40
2.6.5 LCD...........................................................................................41
2.6.6 BỘ ĐẾM CT6S-1P4....................................................................43
2.6.7 ĐÈN DC 24V..............................................................................46
2.7 PHẦN MỀM...................................................................................46
2.7.1 PHẦN MỀM LABVIEW...................................................................46
2.7.1.1 GIỚI THIỆU................................................................................46
2.7.1.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA LABVIEW..................................47
2.7.2 PHẦN MỀM CCS..........................................................................49
2.7.2.1 GIỚI THIỆU................................................................................49
2.7.2.2 KHÁI QUÁT VỀ CCS.................................................................50
CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY VÀ SƠ ĐỒ KHỐI......................................50
3.1 SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY..............................................................................50
3.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG...........................................................51
3.3 SƠ ĐỒ KHỐI CHI TIẾT......................................................................52

3


3.3.1 KHỐI CÔNG SUẤT.........................................................................52
3.3.2 KHỐI NGUỒN................................................................................52
3.3.3 KHỐI ĐIỀU KHIỂN.........................................................................53
3.3.4 KHỐI HIỂN THỊ.............................................................................54
3.3.5 KHỐI NÚT NHẤN..........................................................................54
3.3.6 KHỐI ENCODER............................................................................55
3.4 BẢN VẼ MẶT TRÊN KIT THỰC TẬP.................................................56
CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN..............................................57
4.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH...................................57

4.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH CON NGẮT NGỒI ĐỌC XUNG
ENCODER..............................................................................................58
4.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH CON NGẮT TIMER 1..............58
4.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH NÚT NHẤN CHẠY..................59
4.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH NÚT NHẤN CHUYỂN..............60
4.5 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH NÚT NHẤN TĂNG..................61
4.6 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH NÚT NHẤN GIẢM..................62
4.7 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH GIAO TIẾP............................63
4.8 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT LCD TỐC ĐỘ................................................64
4.9 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT LCD VỊ TRÍ...................................................64
4.10 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT TÍNH PID.....................................................66
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................67
5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.......................................................................67
5.1.1 KẾT QUẢ THI CÔNG PHẦN CỨNG..................................................67
5.1.2 KẾT QUẢ......................................................................................67

4


5.1.3 QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG..............................................................68
5.2 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM.......................................................................69
5.2.1 ƯU ĐIỂM......................................................................................69
5.2.2 NHƯỢC ĐIỂM...............................................................................69
5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................................................70

5


Danh sách các hìn


Hình 2.1 Hình PIC16F877A trong thực tế................................................16
Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC16F877A..........................................................18
Hình 2.3 Cấu trúc thanh ghi T1CON điều khiển hoạt động của Timer 1. 19
Hình 2.4 Đồ thị dạng xung điều chế PWM...............................................21
Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID....................................................23
Hình 2.6 Quá trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau.....................24
Hình 2.7 Truyền thơng UART..................................................................29
Hình 2.8 Encoder tuyệt đối.......................................................................31
Hình 2.9 Encoder tương đối......................................................................31
Hình 2.10 Cấu tạo Encoder tương đối......................................................32
Hình 2.11 Tín hiệu lệnh pha nhau của 2 kênh Encoder............................33
Hình 2.12 Hình ảnh của XY-160D L298..................................................34
Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H............................................36
Hình 2.14 Động cơ DC 24V.....................................................................37
Hình 2.15 Cấu tạo động cơ DC.................................................................38
Hình 2.16 Nguồn tổ ong 24V....................................................................41
Hình 2.18 Bộ đếm Counter Autonics CT6S-1P4......................................43
Hình 2.19 Sơ đồ kết nối CT6S-1P4..........................................................45
Hình 2.20 Đèn DC 24V............................................................................46
Hình 2.21 Biểu tượng Labview.................................................................47
6


Hình 2.22 Giao diện Front Panel..............................................................48
Hình 2.23 Giao diện Block Diagram........................................................48
Hình 2.24 Phần mềm CCS........................................................................49
Hình 3.3 Sơ đồ khối cơng suất..................................................................52
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn......................................................52
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển...............................................53
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn..................................................54

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối Encoder...................................................55
Hình 3.9 Bản vẽ mặt trên kit thực tập Encoder.........................................56
Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính........................................57
Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình con ngắt ngồi đọc xung encoder
.......................................................................................................................58
Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật chương trình con ngắt Timer 1......................58
Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật chương trình nút nhấn chạy...........................59
Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật nút nhấn chuyển............................................60
Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật chương trình nút nhấn tăng............................61
Hình 4.7 Lưu đồ giải thuật nút nhấn giảm................................................62
Hình 4.8 Lưu đồ giải thuật chương trình giao tiếp...................................63
Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật LCD tốc độ....................................................64
Hình 4.10 Lưu đồ giải thuật LCD vị trí...................................................65
Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật tính PID.......................................................66
Hình 5.1 Mơ hình kit thực tập và hộp điều khiển.....................................67

7


8


Danh sách các bản

Bảng 1.1 Phân chia công việc thực hiện...................................................15
Bảng 4.1 Sự tác động đến hệ thống khi tăng Kp,Ki,Kd............................27
Bảng 4.2 Điều chỉnh thông số phương pháp Ziegler–Nichols..................27

9



Các từ viết tắt
DC

Direct Current Motors ( động cơ một chiều )

PWM

Pulse-width modulation ( điều chế độ rộng xung )

PID

Proportional Integral Derivative

CCP

Capture/Compare/PWM

UART

Universal Asynchronous Receiver Transmitter

10


Các ký hiệu
Kp

Hệ số tỉ lệ


Ki

Hệ số tích phân

Kd

Hệ số vi phân

e

sai số xác lập

t

thời gian lấy mẫu

f

tần số

t

chu kì

11


Kit Cảm Biến Encoder
Nguyễn Nam Trung
Nguyễn Minh Trí


Ngành Cơng Nghệ Điều Khiển và Tự Động Hóa
Khoa Điện – Điện tử
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng

Tóm tắt
Encoder là một bộ phận vô cùng quan trọng trong cấu tạo của máy móc
trong cơng nghiệp. Chức năng chính của nó là giúp đo và hiển thị các thông
số liên quan đến tốc độ của máy. Encoder giúp người dùng có thể đọc được
tốc độ và vị trí của động cơ nhờ các xung vng có tần số biến đổi phụ thuộc
vào tốc độ của động cơ.
Như trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác, máy CNC là thiết bị được
dùng để gia cơng cơ khí chính xác hồn tồn tự động. Để có thể điều khiển
và xác định các góc quay của dao hoặc bàn gà, hiển thị kết quả trên máy tính
thì bên trong các cánh tay robot của máy CNC đều được bố trí các Encoder
thực hiện nhiệm vụ trên.
Ngày nay động cơ một chiều là loại động cơ được ứng dụng khá nhiều
trong đời sống, các lĩnh vực kỹ thuật. Để có thể tạo ra những ứng dụng từ
12


động cơ một chiều, ta cần phải điều chỉnh được vận tốc, vị trí của nó một
cách chính xác. Đồng nghĩa rằng việc kết hợp với Encoder là phương pháp
hợp lí và hiệu quả nhất.
Ngồi ra cịn có bộ điều khiển PID với sự kết hợp 3 khâu tỉ lệ giúp hệ
thống hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh, giảm sai số
Thơng qua đề tài “Kit cảm biến Encoder”, nhóm thực hiện đề tài có thể
tìm hiểu sâu hơn về phương pháp hiệu chỉnh PID, cấu tạo, nguyên lý hoạt
động Encoder,…từ đó phát triển thành những ứng dụng thực tế trong cuộc
sống

Đề tài này có mục đích là điều khiển và hiển thị tốc độ và vị trí động cơ
DC bằng máy tính . Vi điều khiển sử dụng trong đề tài là PIC16F877A giao
tiếp với máy tính thơng qua truyền thông UART và hiển thị lên phần mềm
Labview. Sử dụng thuật toán điều khiển PID.
Các linh kiện để thực hiện đề tài gồm có: PIC16F877A làm khối điều
khiển trung tâm, PL2303, Encoder Autonics tương đối 200 xung, động cơ
DC 24V, bộ đếm Counter Autonics CT6S-1P4 và môt số linh kiện khác.
Mơ hình có thể điều khiển bằng 2 chế độ. Chế độ mạch điều khiển sử
dụng 4 nút nhấn Start/Stop, Tăng, Giảm,Chuyển. Chế độ dùng Labview để
cài đặt giá trị điều khiển. Tốc độ và vị trí động cơ sẽ được tính sau khi tín
hiệu của Encoder truyền về vi điều khiển, thuật tốn PID sẽ tính tốn và điều
khiển động cơ đúng với tốc độ và vị trí đặt.

13


Chương 1 Giới Thiệu
1.1 Tổng quan đề tài
Ngày nay, trong thời đại cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nước.
Phương pháp thủ công dần được thay thế bởi các máy móc, thiết bị hiện đại
đồng nghĩa lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển. Khi nhắc đến
điều khiển, dường như chúng ta phải nghĩ ngay đến sự chính xác, tốc độ xử
lý và các thuật toán – một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện
đại. Phần lớn các loại máy móc, thiết bị cơng nghiệp sử dụng động cơ điện
một chiều (máy CNC, dây chuyền sản xuất…). Một trong những yêu cầu cần
được đáp ứng là điều khiển được tốc độ cũng như vị trí của động cơ điện một
chiều một cách ổn định, trơn tru trong quá trình vận hành.

Hìn
h 1.1 Dây chuyền sản xuất mỹ phẩm


1.2 Mục tiêu của đề tài


Thông qua đề tài “Kit cảm biến Encoder”, nhóm thực hiện đề tài có thể
tìm hiểu sâu hơn về phương pháp hiệu chỉnh PID, cấu tạo, nguyên lý

14


hoạt động Encoder,… Từ đó phát triển thành những ứng dụng thực tế


trong cuộc sống.
Đề tài này có mục đích là điều khiển và hiển thị tốc độ và vị trí động cơ
DC bằng máy tính . Vi điều khiển sử dụng trong đề tài là PIC16F877A
giao tiếp với máy tính thơng qua truyền thơng UART và hiển thị lên phần




mềm Labview . Sử dụng thuật toán điều khiển PID.
Thiết kế được mơ hình Kit thực tập.
Hiểu và sử dụng được thuật toán PID.

1.3 Cấu trúc quyển đồ án
Chương 1: Giới thiệu
+ Tổng quan đề tài
+ Mục tiêu của đề tài
+ Cấu trúc quyển báo cáo

Chương 2: Lý thuyết
+ Lý thuyết cơ bản
+ Các công cụ và thiết bị
Chương 3: Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật
+ Sơ đồ khối
+ Lưu đồ giải thuật
Chương 4: Chương trình điều khiển
+ Trình bày các lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
+ Trình bày kết quả đạt được, rút ra nhận xét ưu, nhược điểm và
hướng phát triển của đồ án

1.4 Kế hoạch thực hiện

15


Bảng 1.1 Phân chia công việc thực hiện

16


Chương 2 Lý Thuyết Cơ Bản
2.1 Vi điều khiển PIC16F877A
2.1.1 Giới thiệu

Hình 2.1 Hình PIC16F877A trong thực tế
PIC là tên viết tắt của “Programmable Intelligent Computer”
PIC16F877A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ
cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế

PIC16F877A thuộc họ vi điều khiển 16Fxxx có các đặt tính sau:


Ngơn ngữ lập trình đơn giản với 35 lệnh có độ dài 14 bit.



Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words, với khả năng ghi xoá
khoảng 100 ngàn lần.



Bộ nhớ Ram 368x8bytes.




Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes.
Khả năng ngắt (lên tới 14 nguồn cả ngắt trong và ngắt ngoài).
17





Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp.
Có 3 timer: timer0, 8 bit chức năng định thời và bộ đếm với hệ số tỷ
lệ trước.Timer1, 16 bit chức năng bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ
trước, kích hoạt chế độ Sleep. Timer2, 8 bit chức năng định thời và




bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước và sau.
Có 2 kênh Capture/ so sánh điện áp (Compare)/điều chế độ rộng



xung PWM 10 bit / (CCP).
Có 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.

Một vài tính năng của PIC16F877A được ứng dụng trong đồ án:






Tổ chức bộ nhớ của PIC16F877A.
Chức năng của các Port I/O.
Chức năng và cách thiết lập các tham số của 3 Timer 0,1,2.
Chức năng và cách thiết lập bộ điều chế độ rộng xung PWM.
Định nghĩa ngắt, các nguồn ngắt và tìm hiểu sâu về ngắt timer và
ngắt ngoài

2.1.2 Sơ đồ chân của PIC16F877A

18


Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC16F877A

Từ sơ đồ chân ở trên, ta rút ra các nhận xét ban đầu như sau :
- PIC16F877A có tất cả 40 chân
- 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân
GND, 2 chân thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển.

2.2 Nguyên lý về Timer
PIC16F877A có tất cả 3 timer : timer 0 (8 bit), timer 1 (16 bit) và timer 2
(8 bit).

2.2.1 Timer 1
Các thanh ghi liên quan đến Timer 1 bao gồm:

19




INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép ngắt hoạt động
(2 bit GIE và PEIE).



PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt Timer1 (TMR1IF).



PIE1 (địa chỉ 8Ch): cho phép ngắt Timer1 (TMR1IE)




Hai thanh ghi TMR1L và TMR1H là 2 thanh ghi chứa dữ liệu 16 bit
(lần lượt chứa 4 bit thấp và 4 bit cao) của bộ đếm Timer1



T1CON (địa chỉ 10h): xác lập các thơng số chia Timer

Hình 2.3 Cấu trúc thanh ghi T1CON điều khiển hoạt động của Timer 1


Bit 7,6 không sử dụng



Bit 5,4 T1CKPS1: T1CKPS0 lựa chọn hệ số chia xung vào



T1CKPS1

T1CKPS0

00

1:1

01

1:2


10

1:4

11

1:8

Bit 3 T1OSCEN bit điều khiển bộ dao động Timer 1
1= Bộ dao động hoạt động
0= Bộ dao động không hoạt động



Bit 2 bit điều khiển xung clock ngoài đồng bộ khi TMR1CS=1
Bit 2= 0 có đồng bộ clock ngồi
=1 khơng đồng bộ clock ngồi
Khi TMR1CS=0 bit này khơng có tác dụng

20




Bit 1 TMR1CS bit lựa chọn nguồn xung clock vào
TMR1CS=1 clock từ chân RC0/T1OSO/T1CKI (sườn lên)
TMR1CS=0 clock trong Fosc/4




Bit 0 bit bật tắt Timer
1= Timer 1 Enable
0=Timer 1 Disable

2.2.2 Cách tính thơng số cài đặt TIMER 1
Chọn bộ chia tần cho timer 1 có tỉ số 1:8
Timer 1 đếm xung có tần số được xác định theo cơng thức:

Thời gian Timer 1 đếm đến 1 xung là chu kì của xung:

Tổng số xung Timer 1 đếm trong thời gian delay =10ms

Giá trị timer cần cài:

 Để đếm được 6250 xung timer 1 sẽ bị tràn giá trị khởi tạo ban đầu
cho Timer 1 là 59285

21