Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống. Chương 4: Thiết kế phần mềm.
Chương 5: Kết quả - Nhận xét – Đánh giá. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU XUNG PWM Khái niệm Phương pháp điều xung PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm. Ưu điểm - Dùng PWM để điều chỉnh cường độ dòng điện sẽ hiệu quả hơn và cũng tiết kiệm hơn. - Các phương pháp điều chỉnh dòng điện khác rất tốn kém và phức tạp. Nguyên lí hoạt động PWM hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt có chu kỳ của nguồn của tải.
Khi van G mở, toàn bộ điện áp được dùng cho tải. Khi van đóng, tải bị cắt nguồn điện áp. Vì vậy, trong suốt chu kỳ đóng mở van G này, tải sẽ có lúc nhận được toàn bộ nguồn điện áp, có lúc nhận được một phần và cũng có lúc hoàn toàn không nhận được gì. Công thức tính điện áp ra trung bình của tải: 𝑡 𝑈𝑑 = 𝑈𝑚𝑎𝑥.1) 𝑇 Trong đó: - Ud(V): điện áp ra trung bình của tải.
- Umax(V): Điện áp cực đại của nguồn - t(s): Thời gian Ton. - T(s): Chu kỳ xung. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 Hình 2.1: Điều chế xung PWM Ứng dụng PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp.
Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ. BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC Khái niệm ADC là bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số là một mạch chuyển đổi giá trị điện áp liên tục (analog) sang giá trị nhị phân (kỹ thuật số) mà thiết bị kỹ thuật số có thể hiểu được sau đó có thể được sử dụng để tính toán kỹ thuật số. Mạch ADC này có thể là vi mạch ADC hoặc được nhúng vào một bộ vi điều khiển.2: Mô tả quá trình chuyển từ analog qua digital ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 Nguyên lí hoạt động Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như OpAmp), các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh.3: Mạch ADC với 4 bộ so sánh Vo4 Vo3 Vo2 Vo1 Nhị phân Thập phân 0 0 0 0 000 0 0 0 0 1 001 1 0 0 1 1 010 2 0 1 1 1 011 3 1 1 1 1 100 4 Bảng 2-1: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã Với mạch điện có 4 bộ so sánh như trong hình trên, ta sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác điện áp analog Vin sẽ được chia thành 5 mức số khác nhau.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 + Độ phân giải: Như hình trên, nếu như mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tương tự nếu như mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao tức độ phân giải (resolution) càng lớn. Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra.2) 𝑉𝑟𝑒𝑓 Trong đó: - NADC: Giá trị số chuyển đổi.
- n(bit): Độ phân giải ADC. - Vin(Volt): Điện áp đầu vào. - Vref(Volt): Điện áp tham chiếu. GIAO TIẾP I2C Khái niệm I2C là giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ được phát triển bởi Philips Semiconductors, sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các IC với nhau chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.
Các bit dữ liệu sẽ được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi 1 tín hiệu clock. Bus I2C thường được sử dụng để giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại vi điều khiển, cảm biến, EEPROM,.1 Cấu tạo + I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu: SCL và SDA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 SCL: Tạo xung clock do Master phát đi. SDA: Đường truyền nhận dữ liệu.4: Cấu tạo của giao tiếp I2C Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ tớ, hay Master - Slave. Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tín hiệu SCL và gửi nhận dữ liệu hay lệnh thông qua đường SDA đến các thiết bị khác.
Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là các thiết bị Slave. Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là vi điều khiển. Master và Slave được kết nối với nhau như hình trên. Hai đường bus SCL và SDA đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứ thiết bị nào kết nối với mạng I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đường bus này xuống mức thấp (LOW), nhưng lại không thể kéo được lên mức cao.
Vì để tránh trường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo lên mức cao vừa bị 1 thiết bị khác kéo xuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch. Do đó cần có 1 điện trờ (từ 1 – 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao.2 Khung truyền I2C Hình 2.5: Khung truyền I2C ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 - Khối bit địa chỉ: Thông thường quá trình truyền nhận sẽ diễn ra với rất nhiều thiết bị, IC với nhau. Do đó để phân biệt các thiết bị này, chúng sẽ được gắn 1 địa chỉ vật lý 7 bit cố định. - Bit Read/Write: Bit này để xác định quá trình là truyền hay nhận dữ liệu từ thiết bị Master.
Nếu Master gửi dữ liệu đi thì ứng với bit này bằng ‘0’ và ngược lại nhận dữ liệu khi bit này bằng 1’. - Bit ACK/NACK: Bit này dùng để so sánh bit địa chỉ vật lý của thiết bị so với địa chỉ được gửi tới. Nếu trùng thì bit sẽ được đặt bằng ‘0’ và ngược lại, nếu không thì mặc định bằng ‘1’. - Khối bit dữ liệu: Gồm 8 bit và được thiết lập bởi thiết bị gửi truyền đến thiết bị nhận.
Sau khi các bit này được gửi đi, lập tức 1 bit ACK/NACK được gửi ngay theo sau để xác nhận rằng thiết bị nhận đã nhận được dữ liệu thành công hay chưa. Nếu nhận thành công thì bit ACK/NACK được set bằng ‘0’ và ngược lại. Hoạt động và giao tiếp 2.1 Quá trình truyền nhận dữ liệu Bắt đầu: Thiết bị Master sẽ gửi đi 1 xung Start bằng cách kéo lần lượt các đường SDA, SCL từ mức 1 xuống 0.6: Xung Start của giao tiếp I2C ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 Tiếp theo đó, Master gửi đi 7 bit địa chỉ tới Slave muốn giao tiếp cùng với bit Read/Write. Slave sẽ so sánh địa chỉ vật lý với địa chỉ vừa được gửi tới.
Nếu trùng khớp, Slave sẽ xác nhận bằng cách kéo đường SDA xuống 0 và set bit ACK/NACK bằng ‘0’. Nếu không trùng khớp thì SDA và bit ACK/NACK đều mặc định bằng ‘1’. Thiết bị Master sẽ gửi hoặc nhận khung bit dữ liệu. Nếu Master gửi đến Slave thì bit Read/Write ở mức 0.
Ngược lại nếu nhận thì bit này ở mức 1. Nếu như khung dữ liệu đã được truyền đi thành công, bit ACK/NACK được set thành mức 0 để báo hiệu cho Master tiếp tục. Sau khi tất cả dữ liệu đã được gửi đến Slave thành công, Master sẽ phát 1 tín hiệu Stop để báo cho các Slave biết quá trình truyền đã kết thúc bằng các chuyển lần lượt SCL, SDA từ mức 0 lên mức 1.7: Trình tự truyền dữ liệu 2.2 Các chế độ hoạt động của I2C Chế độ chuẩn (standard mode) với tốc độ 100 kBit/s. Chế độ tốc độ thấp (low speed mode) với tốc độ 10 kBit/s.
Ngoài ra, khác với giao tiếp SPI chỉ có thể có 1 Master, giao tiếp I2C cho phép chế độ truyền nhận dữ liệu giữa nhiều thiết bị Master khác nhau với thiết bị Slave. Tuy nhiên quá trình này có hơi phức tạp vì thiết bị Slave có thể nhận 1 lúc nhiều khung dữ liệu từ các thiết bị Master khác nhau, điều đó đôi khi dẫn đến xung đột hoặc sai sót dữ liệu nhận được. Để tránh điều đó, khi làm việc ở chế độ này, mỗi thiết bị Master cần phát hiện xem đường SDA đang ở trạng thái nào. Nếu SDA ở mức 0, nghĩa là đang có 1 thiết bị Master ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10 khác đang có quyền điều khiển và phải chờ đến khi truyền xong.
Ngược lại nếu SDA ở mức 1, nghĩa là đường truyền SDA đã an toàn và có sử dụng. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ (rời rạc) Tổng quan về bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID giúp các hệ thống tính toán ra các giá trị sai số là hiệu số giữa các giá trị đo thông số về biển đối và giá trị đặt theo mong muốn của người thiết kế, người dùng. Thông qua các điều chỉnh giá trị điều khiển đầu mà mà nhờ đó hệ thống điều khiển khi thực hiện sẽ giảm được tối đa những sai số, cho hoạt động chính xác hơn và đạt hiệu quả cao hơn.
Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về hệ thống điều khiển tự động, bộ điều khiển PID sẽ là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, ta muốn đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống – trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc trưng của hệ thống. Hàm truyền rời rạc: U ( z) K T z 1 KD z 1 GPID ( z ) KP I E( z) 2 z 1 T z ( 2.
