Hệ Thống Truyền Động Điện: Điều Khiển & Hiển Thị

Phần này trình bày lý do lựa chọn vi điều khiển 8051 cho hệ thống hiển thị tốc độ động cơ dị bộ. Tài liệu đề cập đến sự phổ biến và tính khả dụng của vi điều khiển 8051, thuộc họ MCS-51, trong công nghiệp. Vi điều khiển 8051 được đánh giá cao nhờ khả năng tích hợp đầy đủ các chức năng của một hệ thống vi xử lý nhỏ gọn, bao gồm mạch xử lý trung tâm, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào/ra nối tiếp và song song, và mạch điều khiển ngắt. Những tính năng này rất phù hợp cho các thiết kế hướng điều khiển, đặc biệt là việc giảm công suất tiêu thụ và cho phép điều khiển thời gian thực. Việc sử dụng 8051 còn được biện minh bởi sự dễ dàng trong việc tìm kiếm linh kiện trên thị trường, hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế và triển khai hệ thống thực tế. Ngoài ra, tài liệu cũng nhấn mạnh xu hướng phát triển của vi điều khiển 8051 và các họ vi điều khiển khác, hướng tới việc giảm tiêu thụ điện năng, tăng tốc độ xử lý và mini hóa kích thước. Sự lựa chọn này là nền tảng cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo hiệu quả và tính khả thi của dự án.

Phần này tập trung vào mô tả chi tiết về encoder quang, thiết bị then chốt trong việc đo tốc độ quay của động cơ. Tài liệu giải thích nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder: một đĩa tròn xoay có các lỗ (rãnh), khi quay, ánh sáng từ đèn LED chiếu qua các lỗ sẽ tạo ra các xung tín hiệu. Số xung được đếm và tỷ lệ thuận với tốc độ quay. Tuy nhiên, để khắc phục vấn đề đếm sai số do rung động hoặc không xác định được số vòng quay đầy đủ, tài liệu đề cập đến việc sử dụng thêm một lỗ định vị để đếm số vòng. Lỗ định vị này giúp hệ thống nhận biết khi encoder đã quay hết một vòng, từ đó hiệu chỉnh số xung đếm được và đảm bảo độ chính xác. Thêm vào đó, để xác định chiều quay của encoder, một vòng lỗ thứ hai được đặt giữa vòng lỗ chính và lỗ định vị. Tài liệu mô tả kỹ thuật phát hiện dựa trên việc che khuất ánh sáng, trong đó bộ phát và bộ thu được đặt thẳng hàng. Phương pháp đếm xung trong một khoảng thời gian đo (t_đ) được trình bày, cho thấy cách chuyển đổi tốc độ quay thành tần số xung tỷ lệ, làm cơ sở cho việc xử lý tín hiệu bởi vi điều khiển.

Phần này tập trung vào mô tả khối động cơ và nguyên lý hoạt động của toàn bộ mạch điện. Hoạt động của động cơ được xác định thông qua sự thay đổi tín hiệu xung nhận được từ cảm biến quang điện. Cảm biến này phát hiện sự thay đổi ánh sáng khi chùm sáng chiếu qua các khe trên cánh động cơ. Tín hiệu thu được có tính chất tuần hoàn do động cơ hoạt động theo chu kỳ, giúp xác định số vòng quay trong 1 giây. Khi nút Start được nhấn, hệ thống bắt đầu hoạt động. Động cơ quay, encoder cảm biến tốc độ và truyền tín hiệu đến vi điều khiển. Vi điều khiển xử lý tín hiệu này và biến đổi để hiển thị trên màn hình LED 7 đoạn. Thiết kế hệ thống nhấn mạnh đến sự đơn giản và hiệu quả, tận dụng các linh kiện phổ biến và dễ tìm kiếm. Tài liệu không đi sâu vào chi tiết kỹ thuật của động cơ nhưng tập trung vào cách thức thu nhận và xử lý tín hiệu tốc độ để hiển thị.

Phần này mô tả các thành phần điện tử quan trọng của hệ thống, bao gồm LED 7 đoạn, điện trở, và tụ điện. LED 7 đoạn được chọn làm thiết bị hiển thị đơn giản và phổ biến. Tài liệu nêu rõ điện áp hoạt động của LED 7 đoạn (lớn hơn 1.3V và nhỏ hơn 3V) và việc sử dụng điện trở hạn dòng để tránh cháy LED khi sử dụng nguồn 5V. Việc sử dụng điện trở thanh 9 chân được đề cập đến, giúp đơn giản hóa thiết kế mạch. Tài liệu cũng giải thích khái niệm và chức năng của tụ điện, một linh kiện thụ động cho phép dòng xoay chiều đi qua và ngăn cản dòng một chiều. Đặc điểm nạp và xả điện của tụ điện được mô tả ngắn gọn. Mặc dù tài liệu không trình bày chi tiết sơ đồ mạch điện, nhưng phần này cung cấp các thông tin cần thiết về các linh kiện điện tử được sử dụng trong hệ thống, tạo tiền đề cho việc hiểu rõ hơn về cấu trúc và hoạt động của hệ thống.

Đoạn văn mô tả nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder quang. Encoder gồm một đĩa tròn xoay có các lỗ (hoặc rãnh) trên bề mặt. Một nguồn sáng (LED) chiếu vào đĩa, và một bộ thu (photodiode hoặc phototransistor) ở phía bên kia nhận tín hiệu ánh sáng. Khi đĩa quay, ánh sáng sẽ bị chắn bởi các lỗ, tạo ra các xung tín hiệu. Số lượng xung được đếm tỷ lệ thuận với tốc độ quay của đĩa. Đây là cơ sở để chuyển đổi tốc độ quay cơ học thành tín hiệu điện tử để xử lý. Tài liệu nhấn mạnh vào việc sử dụng đèn LED và bộ thu ánh sáng để tạo ra các xung tín hiệu. Bộ phát và bộ thu nằm trên cùng một đường thẳng, sử dụng kỹ thuật phát hiện ánh sáng bị che khuất để tạo ra các xung. Số xung đếm được chính là số lần ánh sáng bị chắn, trực tiếp phản ánh tốc độ quay của đĩa encoder.

Phần này đề cập đến các vấn đề và giải pháp để khắc phục sai số trong quá trình đo tốc độ sử dụng encoder quang. Vấn đề chính là việc xác định encoder đã quay hết một vòng và xác định chiều quay. Nếu chỉ đơn thuần đếm số xung, việc xác định số vòng quay đầy đủ sẽ gặp khó khăn, đặc biệt với encoder có nhiều lỗ. Rung động cũng là một yếu tố gây sai số. Để giải quyết vấn đề này, tài liệu đề xuất thêm một lỗ định vị vào cấu trúc encoder. Lỗ định vị này giúp xác định chính xác khi encoder đã quay hết một vòng, từ đó hiệu chỉnh số xung đếm được và giảm thiểu sai số tích lũy. Ngoài ra, để xác định chiều quay, một vòng lỗ thứ hai được thêm vào giữa vòng lỗ chính và lỗ định vị. Việc kết hợp lỗ định vị và vòng lỗ thứ hai giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của quá trình đo tốc độ, tránh sai số do rung động và không xác định được số vòng quay đầy đủ.

Phần này trình bày phương pháp đo tốc độ dựa trên việc đếm số xung encoder trong một khoảng thời gian đo xác định (t_đ). Phương pháp này tận dụng tín hiệu xung từ encoder, biến đổi tốc độ quay cơ học thành tín hiệu điện có tần số tỷ lệ thuận với tốc độ. Bằng cách đếm số xung trong khoảng thời gian t_đ, hệ thống có thể tính toán được tốc độ quay một cách chính xác. Hình 3.3 minh họa phương pháp này, cho thấy cách lựa chọn encoder phù hợp để biến đổi tốc độ thành dãy xung có tần số tỷ lệ với tốc độ quay động cơ. Phương pháp này đơn giản nhưng hiệu quả, thích hợp cho việc đo tốc độ trong các ứng dụng thực tế. Việc xử lý tín hiệu đếm xung sẽ được thực hiện bởi vi điều khiển, giúp tính toán và hiển thị tốc độ một cách chính xác và nhanh chóng.

Hệ thống được mô tả gồm các khối chính: khối động cơ, khối encoder quang, khối xử lý tín hiệu (vi điều khiển 8051), và khối hiển thị (LED 7 đoạn). Vi điều khiển 8051 đóng vai trò trung tâm, thu nhận tín hiệu từ encoder, xử lý dữ liệu, và điều khiển hiển thị tốc độ. Khối động cơ cung cấp chuyển động cơ học, được encoder quang chuyển đổi thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được vi điều khiển 8051 xử lý để tính toán tốc độ, và cuối cùng hiển thị trên màn hình LED 7 đoạn. Mỗi khối có nhiệm vụ riêng biệt nhưng liên kết chặt chẽ với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Mô tả này cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc hệ thống, làm rõ cách thức các thành phần phối hợp để thực hiện chức năng đo và hiển thị tốc độ.

Vi điều khiển 8051, thuộc họ MCS-51, là trái tim của hệ thống. Tài liệu nhấn mạnh vào các tính năng của 8051 hỗ trợ cho việc thiết kế hệ thống này, bao gồm bộ định thời (timer) để định khoảng thời gian, mạch ngắt (interrupt) để xử lý sự kiện một cách nhanh chóng, và bộ nhớ chương trình/dữ liệu để lưu trữ thông tin cần thiết. Vi điều khiển 8051 nhận tín hiệu từ encoder, thực hiện các phép tính toán cần thiết để xác định tốc độ, và điều khiển hiển thị kết quả trên LED 7 đoạn. Tập lệnh phong phú của họ MCS-51 cho phép lập trình linh hoạt và hiệu quả các chức năng điều khiển và xử lý tín hiệu. Việc sử dụng các lệnh điều khiển timer và ngắt giúp đảm bảo độ chính xác và tính thời gian thực trong quá trình đo lường và hiển thị. Khả năng mở rộng chức năng của 8051 cũng được đề cập đến, cho thấy tính linh hoạt và tiềm năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống.

Tài liệu nêu rõ một số ưu điểm khi sử dụng vi điều khiển 8051 trong hệ thống này. Thứ nhất, 8051 thuộc họ MCS-51, là chip vi điều khiển tích hợp đầy đủ chức năng của một hệ thống vi xử lý nhỏ, rất thích hợp cho các thiết kế hướng điều khiển. Thứ hai, 8051 và các họ vi điều khiển khác đang được phát triển theo hướng giảm tiêu thụ điện năng, tăng tốc độ làm việc, và giảm kích thước. Thứ ba, vi điều khiển thuộc họ MCS-51 được hỗ trợ một tập lệnh phong phú, cho phép lập trình linh hoạt. Cuối cùng, các chip thuộc họ MCS-51 được sử dụng phổ biến và được coi là chuẩn công nghiệp, dễ dàng tìm kiếm và sử dụng. Những ưu điểm này đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, và dễ dàng triển khai trong thực tế. Sự phổ biến của 8051 cũng giúp cho việc bảo trì và sửa chữa hệ thống trở nên đơn giản hơn.

Phần lập trình vi điều khiển 8051 tập trung vào việc đọc dữ liệu từ encoder. Vi điều khiển sẽ liên tục đọc các xung từ encoder, các xung này tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ. Quá trình đọc dữ liệu đòi hỏi phải hiểu rõ cách thức kết nối encoder với vi điều khiển và cách thức mã hóa tín hiệu từ encoder. Việc xử lý dữ liệu bao gồm việc đếm các xung, xác định chiều quay (dựa trên tín hiệu từ các vòng lỗ trên encoder), và loại bỏ nhiễu nếu có. Đây là phần quan trọng nhất, đảm bảo dữ liệu đầu vào chính xác để tính toán tốc độ chính xác. Việc sử dụng ngắt (interrupt) có thể được áp dụng để tăng hiệu quả đọc dữ liệu từ encoder mà không làm chậm quá trình xử lý khác của vi điều khiển.

Sau khi đọc dữ liệu từ encoder, vi điều khiển sẽ tiến hành tính toán tốc độ. Việc tính toán tốc độ liên quan đến việc chia số xung đếm được cho thời gian đo. Timer của vi điều khiển 8051 đóng vai trò quan trọng trong việc đo thời gian chính xác. Việc cấu hình timer sao cho phù hợp với tần số xung nhịp của hệ thống là cần thiết để đảm bảo độ chính xác của phép tính tốc độ. Phần mềm sẽ cần sử dụng các lệnh lập trình timer của 8051, bao gồm việc thiết lập chế độ hoạt động, kích hoạt timer và đọc giá trị timer. Cờ tràn timer cũng được sử dụng để đồng bộ hóa chương trình, đảm bảo tính chính xác của phép đo. Sau khi tính toán, tốc độ sẽ được lưu trữ trong biến để hiển thị trên màn hình LED.

Phần này tập trung vào việc hiển thị tốc độ đã tính toán được lên màn hình LED 7 đoạn. Vi điều khiển sẽ cần điều khiển các chân output để bật/tắt các segment của LED 7 đoạn sao cho hiển thị được các chữ số tương ứng với giá trị tốc độ. Việc này đòi hỏi phải có thuật toán chuyển đổi số thập phân (tốc độ) sang mã 7 đoạn. Do LED 7 đoạn thường có giới hạn số lượng chữ số hiển thị, nên phần mềm cần có khả năng hiển thị tốc độ với độ chính xác nhất định. Nếu tốc độ quá lớn, cần có cơ chế hiển thị một phần tốc độ hoặc lựa chọn cách hiển thị phù hợp. Việc sử dụng các lệnh điều khiển chân I/O và lệnh hiển thị LED 7 đoạn là trọng tâm của phần này. Hiệu ứng hiển thị cũng có thể được tối ưu để dễ quan sát và trực quan hơn.

Tài liệu đề cập đến các chế độ định vị (Addressing Mode) trong tập lệnh của vi điều khiển 8051. Việc sử dụng các chế độ định vị (Register Addressing, Direct Addressing, Indirect Addressing, Immediate Addressing, Relative Addressing, Absolute Addressing, Index Addressing) sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và độ dài của chương trình. Việc lựa chọn chế độ định vị phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa mã lệnh, giảm kích thước chương trình và tăng tốc độ thực thi. Ví dụ, lệnh MOV A, 5FH sử dụng định địa chỉ trực tiếp, trong khi truy xuất dữ liệu qua R0 hoặc R1 sử dụng định địa chỉ gián tiếp. Hiểu rõ các chế độ định vị này là rất quan trọng để viết chương trình hiệu quả cho vi điều khiển 8051. Tài liệu cũng đề cập đến các thanh ghi đặc biệt và cách sử dụng chúng trong chương trình, ví dụ như thanh ghi PSW và các thanh ghi timer.

Kết luận khẳng định đồ án đã hoàn thành mục tiêu xây dựng hệ thống hiển thị tốc độ động cơ dị bộ. Hệ thống sử dụng vi điều khiển 8051 để xử lý tín hiệu từ encoder quang và hiển thị tốc độ lên màn hình LED 7 đoạn. Quá trình thực hiện đồ án kéo dài mười tuần, bao gồm nghiên cứu, thiết kế, lập trình và thử nghiệm. Mặc dù đã cố gắng hoàn thành, nhưng vẫn còn một số thiếu sót cần được cải thiện. Tác giả mong muốn nhận được góp ý từ các thầy cô và bạn bè để hoàn thiện đồ án tốt hơn. Việc nhấn mạnh vào thời gian hoàn thành (mười tuần) và sự mong muốn được đóng góp ý kiến cho thấy sự nghiêm túc và cầu tiến của tác giả.

Kết luận nêu rõ một số ưu điểm của hệ thống. Đáng chú ý là mạch có dải đo tốc độ lớn và được thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng, tiện lợi, và có thể sử dụng nhiều loại nguồn điện khác nhau (pin, sạc điện thoại...). Tuy nhiên, kết luận cũng thẳng thắn thừa nhận sự tồn tại của sai số tốc độ do sai số linh kiện và sai số trong quá trình tính toán thiết kế mạch. Việc thừa nhận những hạn chế này thể hiện tính khách quan và tinh thần khoa học trong đánh giá kết quả. Sự kết hợp giữa ưu điểm và nhược điểm giúp người đọc có cái nhìn toàn diện về hệ thống, đồng thời mở ra những hướng cải tiến trong tương lai.

Phần kết luận bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn và các thầy cô trong khoa đã hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành đề tài đúng thời gian và yêu cầu. Lời cảm ơn này thể hiện sự tôn trọng và trân trọng công sức của người hướng dẫn. Kết luận khẳng định đồ án đã đáp ứng yêu cầu, và việc thừa nhận sai sót cùng mong muốn nhận được góp ý thể hiện thái độ cầu thị và tinh thần học hỏi của tác giả. Tổng thể phần kết luận ngắn gọn, súc tích, vừa tổng kết lại kết quả nghiên cứu, vừa thể hiện sự khiêm tốn và cầu thị của người thực hiện.