Lab 2.2: การควบคุมอุปกรณ์ภายนอกด้วย Microcontroller


เอกสารประกอบ

โจทย์

ให้นักศึกษาควบคุมการทำงานของมอร์เตอร์โดยใช้วิธีการต่างๆ ตามที่กำหนด และทำความเข้าใจความแตกต่างของแต่ละวิธีดังนี้

ประเด็นการเรียนรู้

  1. การขับอุปกรณ์ภายนอกโดยใช้แต่ละวิธีข้างต้นมีจุดเด่นจุดด้อยอย่างไร
  2. เมื่อใดควรจะเลือกใช้วิธีใดในการควบคุม

ขั้นตอนการทำ Lab

1. ขับมอร์เตอร์โดยใช้ไฟจากขา PIC โดยตรง

ขอให้นักศึกษาลองต่อวงจรเพื่อเปิดปิดมอร์เตอร์โดยอาศัยไฟจากขา PIC โดยตรง การต่อจะเหมือนต่อ LED เพียงแต่จะไม่ต้องใช้ตัวต้านทาน

คำแนะนำ
ขอให้ต่อ LED ขนานไปด้วย เพื่อให้เห็นว่าโปรแกรมและวงจรทำงานถูกต้องหรือไม่ 

อุปกรณ์ที่ต้องใช้

  • มอเตอร์กระแสตรง 1 ตัว

เกณฑ์ผ่าน
ขอให้เขียนโปรแกรมใหม่ให้เปิดมอร์เตอร์ 1 วินาที และปิด 1 วินาที วนไปเรื่อยๆ นักศึกษาควรจะเห็นว่า LED ติดดับตามโปรแกรมที่เขียนไว้ แต่มอร์เตอร์จะหมุนช้ามาก บางครั้งต้องเอามือช่วยถึงจะเริ่มหมุน ซึ่งการที่มอร์เตอร์หมุนช้านี้เกิดจากกระแสที่ PIC ขับออกมาได้นั้นค่อนข้างน้อย (~25mA)

2. ขับมอร์เตอร์โดยใช้ Transistor ช่วยเพิ่มกระแส

ขอให้นักศึกษาปรับวงจรขับมอร์เตอร์ตาม Schematic ต่อไปนี้ แล้วทดลองขับมอร์เตอร์ดูว่าต่างจากเดิมหรือไม่อย่างไร

อุปกรณ์ที่ต้องใช้

  • มอเตอร์กระแสตรง 1 ตัว
  • Transistor เบอร์ 2N3904 1 ตัว
  • ตัวต้านทาน 100 โอห์ม 1 ตัว

NPN 3904

 

transistor single drive

เกณฑ์ผ่าน
เขียนโปรแกรมให้ PIC เปิดปิดมอเตอร์ทุก 1 วินาที นักศึกษาควรเห็นว่า Transistor ช่วยให้มีกระแสไหลผ่านมอร์เตอร์ได้มากขึ้น (เบอร์ 2N3904 จ่ายกระแสได้สูงสุด 200 mA) ซึ่งก็ทำให้มอร์เตอร์หมุนได้เร็วขึ้น

3. ขับมอร์เตอร์โดยใช้ Relay

ขอให้นักศึกษาปรับวงจรขับมอร์เตอร์ให้ใช้ Relay ตาม Schematic ต่อไปนี้ แล้วทดลองขับมอร์เตอร์ดู

อุปกรณ์ที่ต้องใช้

  • มอเตอร์กระแสตรง 1 ตัว
  • Transistor เบอร์ 2N3904 1 ตัว
  • ตัวต้านทาน 100 โอห์ม 1 ตัว
  • รีเลย์ 1 ตัว

Datasheet ของ Relay ที่ใช้ใน lab เปิดดูได้ที่นี่

relay driver

เกณฑ์ผ่าน
ให้เขียนโปรแกรมให้ PIC เปิดและปิดมอเตอร์ทุกๆ 1 วินาที  นักศึกษาควรเห็นว่าวิธีนี้มอร์ตอร์จะหมุนเร็วกว่าการใช้ Transistor เพราะ Relay มีการสูญเสียน้อย และสามารถใช้แรงดันอื่นที่ไม่ใช่ 5V ได้

4. ใช้รีเลย์ควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสลับ

จากขอดีอย่างหนึ่งของรีเลย์คือสามารถควบคุมการจ่ายไฟกระแสสลับ เช่นไฟบ้านได้ ขอให้ลองต่อวงจรควบคุมหลอดไฟ 220V โดยใช้รีเลย์โมดูลตามแบบต่อไปนี้

อุปกรณ์ที่ต้องใช้

  • มอเตอร์กระแสตรง 1 ตัว
  • Transistor เบอร์ 2N3904 1 ตัว
  • ตัวต้านทาน 100 โอห์ม 1 ตัว
  • รีเลย์โมดูล 1 ตัว
  • ชุดปลั๊กและหลอดไฟฟ้า 1 ชุด

รีเลย์โมดูลจะมี input สามขาคือ ไฟ, ดิน, และสัญญาณควบคุม (in) โดยโมดูลที่ใช้ในปฏิบัติการนี้จะทำงานเมื่อได้รับ logic low

เกณฑ์ผ่าน
ให้เขียนโปรแกรมให้ PIC เปิดและปิดหลอดไฟทุกๆ 1 วินาที

5. สร้างวงจร H-bridge เพื่อควบคุมทิศทางการหมุนของมอร์เตอร์

ขอให้นักศึกษาสร้างวงจร h-bridge ขึ้นมาโดยใช้ transistor 4 ตัวเพื่อควบคุมทิศทางการหมุนของมอร์เตอร์

  • Schematic แสดงให้เห็นว่า Transistor 4 ตัวถูกแบ่งเป็นคู่ทะแยงมุมสองคู่ โดยแต่ละคู่ถูกควบคุมโดยขาของ mcu (เลือกขาบน mcu เอง)
  • mcu จะสั่ง high ที่ขาหนึ่งและ low อีกขาหนึ่งเพื่อให้ transistor ทำงานทีละคู่
  • ระวังอย่าสั่งเปิด transistor พร้อมกันทั้งสองคู่ เพราะจะทำให้ไฟช๊อตลงดิน และหากทิ้งไว้นานอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายได้

 

อุปกรณ์ที่ต้องใช้

  • มอเตอร์กระแสตรง 1 ตัว
  • Transistor เบอร์ 2N3904 4 ตัว
  • ตัวต้านทาน 100 โอห์ม 4 ตัว

H-Bridge NPN 3904

ปัญหาที่พบบ่อย
  • ปัญหาอันดับ 1 คือ การต่อวงจรผิดพลาด แนะนำให้ต่อวงจรให้สมมาตร จะทำให้หาจุดผิดได้ง่ายขึ้น
  • Transistor เสีย – เนื่องจาก Transistor อาจถูกใช้งานมาก่อน ให้ลองสลับตำแหน่ง Transistor หรือหายืมของกลุ่มอื่นมาทดสอบให้แน่ใจว่า Transistor ของตนใช้งานได้จริงทุกตัว
  • ค่าตัวต้านทานไม่ถูกต้อง – อาจทำให้มอเตอร์หมุนช้ากว่าปกติ หรือหมุนไปกลับด้วยความเร็วที่ไม่เท่ากัน
  • โปรแกรมไม่ถูกต้อง – การทำงานของข้อนี้ต้องเขียน Firmware ใหม่ให้สอดคล้องกับพฤติกรรมที่ต้องการ

 

เกณฑ์ผ่าน
นักศึกษาควรสามารถควบคุมทิศทางการหมุนของมอร์เตอร์ได้ โปรแกรมให้หมุนทวนเข็ม 1 วินาที และหมุนตามเข็ม 1 วินาที วนไปเรื่อยๆ