Đồ án: tốt nghiệp thiết kế và thi công mạch chỉnh lưu tia 3 pha dùng vi

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công mạch chỉnh lưu tia 3 pha dùng vi điều khiển giao tiếp với máy tính cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Trần Vĩnh Thanh
• Người hướng dẫn: ThS. Hoàng Ngọc Văn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Mạch Chỉnh Lưu Tia 3 Pha Dùng Vi Điều Khiển Giao Tiếp Với Máy Tính
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế và Thi công Mạch Chỉnh lưu

Đồ án tốt nghiệp trong lĩnh vực thiết kế và thi công mạch chỉnh lưu tia 3 pha là một công trình học thuật quan trọng của sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông. Đây là dự án kết hợp kiến thức lý thuyết với ứng dụng thực tiễn, tập trung vào việc thiết kế mạch chỉnh lưu có điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC16F887. Mục tiêu chính của đồ án là xây dựng một hệ thống có khả năng giao tiếp với máy tính, cho phép người dùng điều chỉnh góc kích và giám sát điện áp ngõ ra. Công trình này đòi hỏi các sinh viên phải có hiểu biết sâu sắc về các mạch điện tử công nghiệp, lập trình vi điều khiển và phát triển giao diện phần mềm trên máy tính.

1.1. Khái niệm Mạch Chỉnh lưu Tia 3 Pha

Mạch chỉnh lưu tia 3 pha là thiết bị chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều có thể điều chỉnh được. Sử dụng các linh kiện bán dẫn như SCR (Silicon Controlled Rectifier), mạch này cho phép kiểm soát góc kích để thay đổi mức điện áp đầu ra. Ứng dụng chính bao gồm các hệ thống điều khiển động cơ, cung cấp điện cho các thiết bị công nghiệp và các ứng dụng điều chỉnh công suất trong ngành điện tử công nghiệp.

1.2. Tầm quan trọng của Đồ án Tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp không chỉ là yêu cầu học tập mà còn là cơ hội để sinh viên áp dụng toàn bộ kiến thức đã học trong suốt khóa học. Công trình này giúp phát triển kỹ năng thiết kế, thi công và kiểm thử các mạch điện tử thực tế. Ngoài ra, nó rèn luyện khả năng làm việc theo nhóm, tài liệu hóa dự án và giải quyết các vấn đề kỹ thuật phức tạp trong quá trình thực hiện.

II. Nội dung Chính của Đồ án Thiết kế Mạch

Nội dung chính của đồ án bao gồm sáu phần quan trọng được thực hiện trong suốt 5 tháng. Phần đầu tiên tập trung vào nghiên cứu lý thuyết và tính toán thiết kế mạch chỉnh lưu tia 3 pha, bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp với thông số kỹ thuật. Phần thứ hai liên quan đến thiết kế mạch điều khiển và lập trình vi điều khiển PIC16F887 để tạo xung kích với góc điều khiển tối ưu. Phần thứ ba đề cập đến phát triển giao diện Visual Basic 2010 cho phép giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển qua cổng COM. Các phần còn lại bao gồm thi công mạch, kiểm thử, cân chỉnh hệ thống và viết báo cáo chi tiết về kết quả đạt được.

2.1. Thiết kế và Tính toán Linh kiện

Bước đầu tiên trong đồ án thiết kế mạch là tìm hiểu các thông số kỹ thuật của mạch chỉnh lưu tia 3 pha. Sinh viên cần tính toán và lựa chọn các linh kiện như SCR, điốt, tụ, cuộn cảm sao cho phù hợp với yêu cầu công suất và điện áp. Quá trình này đòi hỏi hiểu biết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các đặc tính kỹ thuật của từng linh kiện.

2.2. Lập trình Vi điều khiển và Giao tiếp Máy tính

Lập trình PIC16F887 để điều khiển góc kích và giám sát điện áp là một phần quan trọng. Sinh viên phải viết chương trình điều khiển xung kích, đo điện áp đầu ra và giao tiếp dữ liệu với máy tính qua cổng COM. Đồng thời, phát triển giao diện Visual Basic 2010 cho phép người dùng điều chỉnh các thông số và quan sát kết quả thực tế.

III. Các Giai đoạn Thực hiện Đồ án Tốt nghiệp

Lịch trình thực hiện đồ án được chia thành 14 tuần với từng giai đoạn cụ thể. Tuần 1-2 tập trung vào nghiên cứu lý thuyết về mạch chỉnh lưu tia 3 pha và lập trình vi điều khiển PIC16F887, cùng với Visual Basic 2010. Tuần 3-6 dành cho thiết kế, thi công và kiểm tra các khối mạch bao gồm mạch đồng bộ, mạch phát xung, mạch cách li và mạch chỉnh lưu chính sử dụng SCR. Tuần 7-9 thực hiện lập trình giao tiếp, thiết kế mạch đo điện áp và phát triển giao diện máy tính. Tuần 10-14 dành cho kiểm tra, cân chỉnh hệ thống, viết báo cáo và điều chỉnh các sai sót theo hướng dẫn của giáo viên.

3.1. Giai đoạn Thiết kế và Thi công

Giai đoạn thi công mạch bắt đầu từ tuần 3 khi các sinh viên đã nắm vững lý thuyết. Quá trình này bao gồm vẽ sơ đồ mạch, lựa chọn linh kiện,焊接và kiểm tra kết nối. Sinh viên phải tiến hành kiểm tra từng khối mạch để đảm bảo chúng hoạt động chính xác, đo các dạng sóng điện áp tại các điểm quan trọng trong mạch.

3.2. Giai đoạn Lập trình và Kiểm thử

Lập trình vi điều khiển được thực hiện song song với thi công mạch. Sinh viên viết chương trình điều khiển để tạo xung kích cho SCR, đo điện áp và giao tiếp với máy tính. Giai đoạn kiểm thử hệ thống diễn ra từ tuần 10, khi tất cả các khối mạch đã được hoàn thành.

IV. Kết quả và Ý nghĩa của Đồ án Thiết kế Mạch

Kết quả của đồ án thiết kế mạch là một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng chỉnh lưu điện áp 3 pha, cho phép điều chỉnh góc kích để kiểm soát mức điện áp đầu ra. Hệ thống giao tiếp với máy tính qua cổng COM cho phép người dùng quản lý các thông số điều khiển và theo dõi các giá trị đo lường trên giao diện Visual Basic. Kết quả thực hiện bao gồm các dạng sóng điện áp ngõ ra, giá trị điện áp được đo, và các góc kích tương ứng hiển thị trên máy tính. Ý nghĩa của đồ án là giúp sinh viên áp dụng kiến thức thiết kế mạch điện tử công nghiệp, lập trình vi điều khiển và phát triển phần mềm trong một dự án thực tế hoàn chỉnh.

4.1. Thành tựu Kỹ thuật và Công nghệ

Đồ án tốt nghiệp cho thấy khả năng của sinh viên trong thiết kế hệ thống điện tử phức tạp. Hệ thống hoàn thành bao gồm mạch công suất sử dụng SCR, mạch điều khiển xung, mạch cách li và mạch đo lường. Việc tích hợp vi điều khiển và giao tiếp máy tính chứng tỏ khả năng ứng dụng công nghệ hiện đại trong điều khiển công nghiệp.

4.2. Giá trị Học tập và Phát triển Kỹ năng

Thông qua đồ án này, sinh viên đã phát triển nhiều kỹ năng quan trọng bao gồm phân tích kỹ thuật, thiết kế mạch, lập trình và giải quyết vấn đề. Công trình cũng rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, tài liệu hóa kỹ thuật và trình bày kết quả. Những kỹ năng này là nền tảng vững chắc cho sự phát triển sự nghiệp trong lĩnh vực điện tử công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Những công việc chính cần tập trung trong đề tài này:  NỘI DUNG 1: Thiết kế mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển, mạch điều khiển dùng vi xử lí PIC16F887, mạch đồng bộ, mạch cách li.  NỘI DUNG 2: Lập lưu đồ giải thuật, viết chương trình cho vi điều khiển để điều khiển góc kích cho mạch chỉnh lưu.  NỘI DUNG 3: Lập lưu đồ giải thuật, viết chương trình bằng Visual Basic 2010.

Đo điện áp trên mạch, giao tiếp với vi điều khiển.  NỘI DUNG 4: Thiết kế giao diện dùng Visual Basic 2010.  NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện.  NỘI DUNG 6: Viết báo cáo đồ án.

GIỚI HẠN Đề tài giới hạn trong phạm vi điều khiển, chỉnh lưu mức điện áp ngõ ra trung bình từ 0V-257,5VDC bằng phương pháp dùng 1 con vi điều khiển PIC16F887 làm phần xử lí trong mạch điều khiển phát xung kích cho các SCR và điều khiển áp ngõ ra trên tải trong mạch công suất. Mạch sử dụng điện áp 3 pha 220/380VAC, các pha nối hình sao, điện áp mỗi pha là 220VAC, nên phải dùng các opto quang PC817 cách li. Mô hình nhỏ gọn, dễ nhìn, có kích thước dài - rộng - cao là 30 x 30 x 12cm được bao phủ bởi các miếng mica tránh va chạm với điện áp 220/330VAC, đồng thời sử dụng 4 cầu chì 5A để bảo vệ mạch khỏi nguồn 3 pha khi có sự cố. Tải sử dụng để kiểm tra là tải động cơ DC có thông số 0V-220V, công suất là 100W và 2 tải đèn 220V-40W Ở phần giao tiếp gồm 2 phương thức điều khiển cho người sử dụng lựa chọn đó là điều chỉnh bằng tay và điều chỉnh bằng máy, thông số chính là điện áp và góc kích tương ứng.

BỐ CỤC  Chương 1: (Tổng Quan) Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Chương 2: (Cơ sở lí thuyết và tổng quan tài liệu) Chương này làm rõ các khái niệm cơ bản, cấu tạo chi tiết phần cứng, phần mềm, nguyên lí hoạt động và cách sử dụng.  Chương 3: (Vật liệu, thiết kế và tính toán) Chương này liệt kê các phần cứng được sử dụng trong đồ án cũng như việc tính toán, thiết kế chi tiết cho mỗi phần, có hình ảnh, bảng, dẫn chứng cụ thể.

 Chương 4: (Thi công hệ thống) Chương này nói về cách thiết kế phần cứng và phần mềm bao gồm các yêu cầu về thuật toán, sơ đồ khối, lưu đồ…  Chương 5: (Kết quả và thảo luận) Chương này trình bày kết quả đạt được và chưa đạt được, thảo luận các quá trình nghiên cứu khi thiết kế sản phẩm.  Chương 6: (Kết luận) Chương này tập trung đánh giá, nhận xét kết quả đạt được, liệt kê hạn chế hiện tại, đề ra hướng phát triển trong thời gian tới. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Các thiết bị, linh kiện mà đề tài sẽ sử dụng và được phân loại như sau: Thiết bị đầu vào: Bàn phím, biến trở ngoài.

Thiết bị đầu ra: Tải động cơ DC, led đơn, opto PC817, transistor A1013, SCR TYN1225. Thiết bị điều khiển trung tâm: Vi điều khiển, máy tính. Chuẩn dữ liệu truyền nhận: UART. Phần mềm thiết kế giao diện điều khiển: Visual basic 2010.

Thiết bị giao diện điều khiển: Máy tính.1 Vi điều khiển PIC16F887[4] Hình 2. Hệ thống vi xử lí. Bộ nhớ sẽ lưu trữ chương trình cho vi xử lí thực hiện và lưu dữ liệu cần xử lí các port xuất, nhập dữ liệu và để điều khiển trở lại. Các khối này liên kết với nhau tạo thành một hệ thống vi xử lí.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.1a Cấu hình của vi điều khiển PIC16F887  Đặc điểm thực thi tốc độ cao của CPU (Reduced Instruction Set Computer-máy tính thực thi những tập lệnh đơn giản).  Tốc độ hoạt động (xung clock có tần số 20Mhz, chu kỳ thực hiện lệnh là 200ns).  Có nhiều nguồn ngắt  Có 3 kiểu định địa chỉ: Trực tiếp, gián tiếp, tức thời.  Cấu trúc ngoại vi  35 chân I/O cho phép lựa chọn theo hướng độc lập.

 Có bộ chuyển đổi tương tự số (14 bộ chuyển đổi với độ phân giả là 10bit).  Có timer1 (16 bit hoạt động định thời, có bộ chia trước đếm xung ngoại có thể lập trình, có ngõ vào cổng timer1, cho phép đếm timer1 từ tín hiệu bên ngoài, có bộ dao động công suất thấp 35khz. Tóm tắt cấu trúc của 5 loại PIC16F88X. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Cấu hình của Vi điều khiển.  Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F887. Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2.1b Timer0  Timer0 có những đặc điểm sau:  Là timer 8 bit.  Có thể đọc và ghi giá trị của timer.  Có bộ chia trước 8 bit cho phép lập trình phần mềm, lựa chọn bộ chia trước.  Cho phép lựa chọn nguồn xung clock bên trong hoặc bên ngoài.

 Phát sinh ngắt khi cờ tràn từ FFH đến 00H.  Cho phép lựa chọn tác động xung CK cạnh lên hoặc cạnh xuống.  Ngắt của timer0: Khi giá trị đếm trong thanh ghi MR0 tràn từ FFh về 00h thì phát sinh ngắt, cờ báo ngắt TMR0IF lên 1. Ngắt có thể ngăn bằng bit cho phép TMR0IE.

Trong chương trình con phục vụ ngắt timer0, phải xóa cờ báo ngắt TMR0IF. Trong datasheet thì biến cho phép ngắt là T0IE và cờ báo ngắt là T0IF. 2 bit này nằm trong thanh ghi INTCON ở vị trí thứ 5 và thứ 2. Thanh ghi INTCON nằm trong vùng nhớ Ram có địa chỉ 0xb0.

Thanh ghi INTCON.  Timer0 đếm xung ngoại Muốn đếm xung ngoại thì xung được đưa đến ngõ vào T0CKI, việc đồng bộ tín hiệu xung ngõ vào T0CKI với xung clock bên trong được thực hiện bằng cách lấy mẫu ngõ ra bộ chia ở những chu kì Q2 và Q4 của xung clock bên trong. Điều này rất cần thiết cho T0CKI ở trạng thái mức cao ít nhất 2 TOSC và ở trạng thái mức thấp ít nhất 2 TOSC. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Lệnh setup_timer_mode  Cú pháp: setup_timer_0(mode).  Thông số: Mode có thể 1 trong 2 hằng số được định nghĩa trong thư viện device. Các thông số gồm: RTCC_INERNAL, RTCC_EXT_H_TO_L, RTCC_DIV_2, RTCC_DIV_4…  Chức năng: Định cấu hình cho timer0.  Có hiệu lực: Cho tất cả các vi điều khiền PIC.1c Timer1 Timer1 là bộ định thời đếm 16 bit, gồm 2 thanh ghi 8 bit (TMR1H và TMR1L)-có thể đọc và ghi, 2 thanh ghi này có thể từ 000h đến FFFh.

Khi bị tràn thì timer1 sẽ phát sinh ngắt, cờ báo ngắt TMRIF lên mức 1. Timer1 có bit cho phép cấm ngắt là TMRIE. Thanh ghi kết quả của Timer1. Khảo sát thanh ghi của Timer1: Hình 2.

Thanh ghi T1CON.  Bằng 1 thì timer1 tích cực mức 1 (timer1 đếm khi cổng ở mức 1).  Nếu bằng 0 thì timer1 tích cực mức 0 (timer1 đếm khi cổng ở mức 0). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Bit 6: TMR1GE (bit cho phép mở cổng timer1).  Nếu TMRON = 0 thì bit này sẽ không có tác dụng.  Nếu TMRON = 1 thì TMR1GE = 1 mở cổng của timer1 không tích cực hoặc TMR1GE = 0 thì timer1 mở.  Bit 5,4: T1CKPS1, T1CKPS2 là các bit lựa chọn bộ chia.

 11 = 1:8 giá trị chia.  10 = 1:4 giá trị chia.  01 = 1:2 giá trị chia.  00 = 1:1 giá trị chia.

 Bit 3: T1OSCEN là bit điều khiển cho phép bộ dao động timer1.  Nếu bằng 1 thì bộ dao động được phép.  Nếu bằng 0 thì tắt bộ dao động.  Bit 2: T1SYNC là bit điều khiển đồng bộ ngõ vào xung clock bên ngoài của timer1.

 Khi TMR1CS = 1 thì T1SYNC = 1 không thể đồng bộ ngõ vào clock từ bên ngoài hoặc T1SYNC = 0 thì đồng bộ clock từ bên ngoài.  Kho TMR1CS = 0 thì bit này bỏ qua, timer1 dùng xung clock bên trong khi TMR1CS = 0.  Bit 1: TMR1CS là bit lựa chọn nguồn xung clock của timer1.  TMR1CS = 1 thì chọn nguồn xung clock từ bên ngoài ở chân RC0/T1OSO/T1KCI (cạnh lên).

 TMR1CS = 0 thì chọn xung nội bân trong (FOSC/4).  Bit 0: TMR1ON là bit điều khiển timer1.  Nếu bằng 1 thì cho phép timer1 đếm.  Nếu bằng 0 thì ngừng đếm.

Timer1 ở chế độ đếm xung ngoại: Nếu bit TMR1CS bằng 1 thì T1 hoạt động ở chế độ đếm xung ngoại. Xung ngoại có 2 nguồn xung phụ thuộc vào bit T1OSCEN. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nếu bit T1OSCEN bằng 1 thì T1 đếm xung ngoại từ mạch dao động của T1 (xem hình h.

Nếu bit T1OSCEN bằng 0 thì T1 đếm xung ngoại đưa đến ngõ vào T1CKI (xem hình h. T1 hoạt động đếm xung ngoại từ mạch dao động T1. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

T1 hoạt động đếm xung ngoại đưa đến ngõ vào T1CKI. Bộ dao động của timer1: Mạch giao động được tích hợp bên trong và tụ thạch anh nối giữa 2 chân T1OSI và T1OSO để tạo dao động. Kết nối thạch anh tạo dao động. Ta có bảng trình bày cách lựa chọn tụ cho bộ dao động LP của timer1.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2. Lựa chọn tần số và tụ tương ứng với timer1. Tần số Tụ C1 Tụ C2 32kHhz 33pF 33pF 100kHz 15pF 15pF 200kHz 15pF 15pF 2.1d Timer2 Timer2 là timer 8 bit có bộ chia trước (prescaler) và có bộ chia sau (postscaler).

Timer2 được sử dụng để điều chế xung khi khối CCP hoạt động ở chế độ PWM. Thanh ghi TMR2 có thể đọc/ghi và xóa khi bị reset. Xung nội (FOSC/4) qua bộ chia trước có hệ số chia: “1:1”, “1:4” hoặc “1:6” được lựa chọn bằng các bit điều khiển T2CKPS1:T2CKPS0. PR2 là thanh ghi chu kỳ 8 bit dùng để so sánh.

Timer2 tăng giá trị từ 00h cho đến khi bằng giá trị lưu trong thanh ghi PR2 thì reset về 00h rồi lặp lại. PR2 là thanh ghi có thể đọc và ghi, khi hệ thống bị reset thì thanh ghi PR được khởi tạo giá trị FFH. Thanh ghi T2CON.  Bit 7: Chưa sử dụng, nếu đọc sẽ có giá trị là”0”.