Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển từ xa điều khiển động cơ một chiều qua sóng RF wireless

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 87 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 chọn 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. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 88 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. 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). Hình 1. Dạng sóng điện từ Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 89 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 trong 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. 4. Giới thiệu về mã Manchester Mã hóa Manchester là một phương pháp mã hóa các bit dữ liệu sử dụng trong việc Hình 2: một số dạng mã thông dụng Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 90 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. 7. Ứng dụng trên PIC 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 Hình 4 Mạch phát ↑ Mạch thu ↑ Đ? ÁN T? T NGHI? P SO Ð? NGUYÊN LÝ M? CH ÐI? U KHI? N PHÁT RF GVHD GVD SVTH NGUY? N HOÀNG MAI TL : 22/04/2010 Ð? I H? C ÐÀ N? NG TRU? NG Ð? I H? C BÁCH KHOA KHOA ÐI? N - L? P 08DTDLT TR? N VI? T PHUONG 1 2 4 3 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VCC SW1RESET RA0 RA2 RA1 RA3 RA4 RA5 RE0 RE1 RE2 VCC GND OSC1 OSC2 RC0 RC1 RC2 RC3 RD0 RD1 C100 33PF C101 33PF GND DATA VCC RISISTOR VAR DXT 4MHZ 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 RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 VCC GND RD7 RD6 RD5 RD4 RC7 RC6 RC5 RC4 RD3 RD2 PIC 16F877A 33 RB0 SW7 SW8 SW9 SW10 SW11 SW12 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 VCC 120KO 120KO 120KO 120KO 120KO 120KO 120KO 120KO 10KO 10KO 10KO 10KO 10KO 10KO 10KO 10KO10KO10KO10KO10KO10KO R1 R2 R3 R4 R5 R6 R12R11R10R9R8R7 A1015 J1 A1015 J2 A1015 J3 A1015 J4 1KO 1KO 1KO 1KO 7 M ODUL PHÁT RF 10KO VCC MCRL*/Vpp RA0/NA0 RA2/NA2/VREF-/CVREF RA1/AN1 RA3/AN3/VREF+ RA4/TOCKI/C1OUT RE0/RD*/AN5 RE1/WR*/AN6 RE2/CS*/AN7 Vdd Vss OSC1/CLK OSC2/CLKO RC0/T1OSO/T1CKI RC2/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RD0/PSP0 RD1/PSP1 RA5/AN4/SS*/C2OUT RB7/PGD RB6/PGC RB5 RB4 RB3PGM RB2 RB1 Vdd Vss RD7/PSP7 RD6/PSP6 RD5/PSP5 RD4/PSP4 RC7/RX/DT RC6/TX/CK RC5/SDO RC4/SDI/SDA RD3/PSP3 RD2/PSP2 RB0/INT LM7805 VCC GND 6VAC DIODE Hình 6: Sơ đồ nguyên lý mạch phát tín hiệu điều khiển Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 91 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. Mạch 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. 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. Đ? ÁN T? T NGHI? P SO Ð? NGUYÊN LÝ M? CH ÐI? U KHI? N THU RF GVHD GVD SVTH NGUY? N HOÀNG MAI TL : 22/04/2010 Ð? I H? C ÐÀ N? NG TRU? NG Ð? I H? C BÁCH KHOA KHOA ÐI? N - L? P 08DTDLT TR? N VI? T PHUONG 1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VCC SW1RESET RA0 RA2 RA1 RA3 RA4 RA5 RE0 RE1 RE2 VCC GND OSC1 OSC2 RC0 RC1 RC2 RC3 RD0 RD1 C100 33PF C101 33PF GND DATA VCC R ISISTO R V A R DXT 4MHZ 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 RB7 RB6 R5 RB4 RB3 RB2 RB1 VCC GND RD7 RD6 RD5 RD4 RC7 RC6 RC5 RC4 RD3 RD2 PIC 16F877A 33 RB0 VCC LM7805 VCC GND 6VAC 120KO 120KO 120KO 120KO 120KO 120KO 120KO 120KO DIODE 1KO 1KO 1KO 1KO 1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 40 39 38 37 36 35 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VCC SW1RESET RA0 RA2 RA1 RA3 RA4 RA5 RE0 RE1 RE2 VCC GND OSC1 OSC2 RC0 RC1 RC2 RC3 C100 33PF C101 33PF DXT 4MHZ RB7 RB6 R5 RB4 RB3 RB2 RB1 VCC GND RD7 RD6 RD5 RD4 RC7 RC6 RC5 RC4 RD3 RD2 PIC 16F877A 33 RB0 VCCM O D U L E N C O D ER VCC 1KO 1KO LCD HI?N TH? T? C Đ? CÀI Đ? T VCCM O D U L T H U R F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VCC GND GND GND GND R ISISTO R V A R 10KO VCC RS EN VSS VDD VEE RS RW EN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A K 20 19 RD1 RD0 5 7 10 12 1 15 6 11 9 4 2 3 13 14 L298N 1KO 8 C 104 C 104 GND CCP2 CCP1 VCC VCC 30VDC 1A1 1A2 2A1 2A2 1E 2E 1EN 2EN VCC1 VCC2 1Y1 1Y2 2Y1 2Y2 GND VCC 30VDC MDC D101 D103 D102D100 ENCODER MCRL*/Vpp RA0/NA0 RA2/NA2/VREF-/CVREF RA1/AN1 RA3/AN3/VREF+ RA4/TOCKI/C1OUT RE0/RD*/AN5 RE1/WR*/AN6 RE2/CS*/AN7 Vdd Vss OSC1/CLK OSC2/CLKO RC0/T1OSO/T1CKI RC2/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RD0/PSP0 RD1/PSP1 RA5/AN4/SS*/C2OUT RB7/PGD RB6/PGC RB5 RB4 RB3PGM RB2 RB1 Vdd Vss RD7/PSP7 RD6/PSP6 RD5/PSP5 RD4/PSP4 RC7/RX/DT RC6/TX/CK RC5/SDO RC4/SDI/SDA RD3/PSP3 RD2/PSP2 RB0/INT 120KO MCRL*/Vpp RA0/NA0 RA2/NA2/VREF-/CVREF RA1/AN1 RA3/AN3/VREF+ RA4/TOCKI/C1OUT RE0/RD*/AN5 RE1/WR*/AN6 RE2/CS*/AN7 Vdd Vss OSC1/CLK OSC2/CLKO RC0/T1OSO/T1CKI RC2/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RD0/PSP0 RD1/PSP1 RA5/AN4/SS*/C2OUT RB7/PGD RB6/PGC RB5 RB4 RB3PGM RB2 RB1 Vdd Vss RD7/PSP7 RD6/PSP6 RD5/PSP5 RD4/PSP4 RC7/RX/DT RC6/TX/CK RC5/SDO RC4/SDI/SDA RD3/PSP3 RD2/PSP2 RB0/INT Hình 7: Sơ đồ nguyên lý mạch phát tín hiệu điều khiển Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 92 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.