TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN MÔN HỌC VI XỬ LÝ ĐỀ TÀI Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước dùng L298 Giảng viên hướng dẫn TS BÙI THỊ DUYÊN Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA ĐỒ ÁN MƠN HỌC VI XỬ LÝ ĐỀ TÀI : Thiết kế mạch điều khiển động bước dùng L298 Giảng viên hướng dẫn: TS BÙI THỊ DUYÊN Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 6: TRẦN TUẤN ĐẠT NGUYỄN CÔNG THÁI 3.PHẠM TIẾN SAO Lớp: D14CNKTDK2 Hà nội ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ Thiết kế mạch hai điều khiển động độ động bước sử dụng L298 Nhiệm vụ thiết kế : Chuyển động động bước theo ý muốn người lập trình, bao gồm Chuyển động thẳng: tiến, lùi Nút bấm Chuyển động quay: trái, phải nút bấm Điều khiển tốc độ chuyển động động ( dùng chiết áp) Có phím chức tương ứng để chạy (nút ấn 1), Dừng( nút ấn 2),Tiến(nút ấn 3), Lùi(nút ấn 4), Quay trái, Quay phải, (Tăng tốc, Giảm tốc ) (dụng chiết áp) Hiển thị chức tương ứng chạy lên hình LCD Yêu cầu: Đặt vấn đề nhiệm vụ thư Tổng quan phương pháp điều khiển đ.cơ bước Thiết kế phần cứng Thiết kế phần mềm Kết luận phương hướng phát triển LỜI MỞ ĐẦU Như biết kỹ thuật vi điều khiển trở nên quen thuộc ngành kỹ thuật dân dụng Các vi điều khiển có khả xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà cần chip vi mạch nhỏ, thay tủ điều khiển lớn phức tạp mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng Vi điều khiển khơng góp phần vào kỹ thuật điều khiển mà cịn góp phần to lớn vào việc phát triển thơng tin Chính lý trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi điều khiển điều mà sinh viên ngành điện phải quan tâm Đó nhu cầu cần thiết cấp bách sinh viên, đề tài thực đáp ứng nhu cầu Mặc dù vi điều khiển bước dài để tiếp cận với kỹ thuật khơng thể việc có sớm chiều Để tìm hiểu vi điều khiển cách khoa học mang lại hiệu cao làm tảng cho việc xâm nhập vào hệ thống tối tân Việc trang bị kiến thức vi điều khiển cho sinh viên cần thiết Xuất phát từ thực tiển em đến định Thiết kế mạch điều khiển động độ động bước sử dụng L298 nhằm đáp ứng nhu cầu ham muốn học hỏi thân giúp cho bạn sinh viên dễ tiếp cận hiểu sâu vi điều khiển họ 8051 Tuy nhiên thời gian có hạn kiến thức chun mơn cịn hạn chế nên q trình thực đồ án khơng thể tránh thiếu sót định Vì vậy, chúng em mong giúp đỡ, ý kiến đóng góp thầy tất bạn để đồ án hoàn thiện Chúng em chân thành cảm ơn! Nhóm Sinh Viên LỜI CẢM ƠN Lời chúng em xin gửi lời cảm ơn đến cô Bùi Thị Duyên Cô hướng dẫn giúp đỡ tận tình chúng em nghiên cứu hồn thành tốt đồ án Những lời nhận xét góp ý hướng dẫn thầy giúp chúng em có định hướng đắn trình thực đồ án, giúp chúng em nhìn ưu khuyết điểm đồ án bước khắc phục để có kết tốt Chúng em xin cảm ơn thầy khoa Điều Khiển Tự Động Hóa, môn Vi Xử Lý Đo Lường Điều Khiển tận tình bảo, truyền đạt cho chúng em kiến thức chuyên ngành, công nghệ cách làm việc nhóm đề hồn thành tốt đồ án mơn học CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, nhờ phát triển khoa học kĩ thuật, q trình cơng nghiệp hóa đại hóa diễn cách nhanh chóng tồn cầu Các nhà máy dần thay sức lao động người máy móc dây chuyền sản xuất Trong sống thường nhật phát triển ứng dụng, đưa robot làm công việc thường ngày lặp lặp lại hay công việc dọn dẹp nhà v.v Trong máy móc robot có động để giúp cấu hoạt động Thực tế, robot nhỏ thường dùng động chiều Với yêu cầu điều khiển xác người ta thường dùng động bước đặc điểm cấu tạo cách thức hoạt động mang đến xác lớn sai số trường hợp cụ thể định chúng em cụ thể chương Từ phát triển với kiến thức học tập trường, chúng em muốn tìm hiểu thực hành điều khiển động bước Đây sở cho phát triển robot đa nhiệm phục vụ sống hàng ngày Đồng thời hiển thị lên LCD để thuận lợi cho việc giao tiếp người thiết bị cần điều khiển 1.2 Vai trò động điện sản xuất Hiện nhiều lĩnh vực đời sống sản xuất loại động điện ngày ứng dụng rộng rãi so với loại động sử dụng lượng xăng, dầu khí, đốt… Động điện máy điện dùng để chuyển đổi lượng điện sang lượng Động điện dùng hấu hết lĩnh vực, từ động nhỏ dùng lị vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay máy đọc đĩa (máy chơi CD hay DVD), đến đồ nghề máy khoan, hay máy gia dụng máy giặt, hoạt động thang máy hay hệ thống thơng gió dựa vào động điện Ở nhiều nước động điện dùng phương tiện vận chuyển, đặc biệt đầu máy xe lửa.Trong cơng nghệ máy tính: Động điện sử dụng ổ cứng, ổ quang, chúng động bước nhỏ Sở dĩ, động điện đánh giá cao ứng dụng phổ biến nhiều lĩnh vực nguyên tắc hoạt động vô thông minh Động điện bao gồm phận gọi rotor stator Khi cuộn dây rotor stator nối với nguồn điện, từ trường tạo xung quanh tạo chuyển động quay rotor quanh trục hay mômen Đa số động điện hoạt động theo nguyên lý điện từ Các động điện từ Dựa vào ngun lí hoạt động có lực học cuộn dây có dịng điện chạy qua nằm từ trường Nhờ mà động hoạt động liên tục, bền bỉ tiết kiệm lượng 1.2.1.Vai trò động điện bước sản xuất a Ưu điểm - Có điều khiển mạch hở - Duy trì mơ men tốt (không cần phanh, biến tốc) - Giá thành rẻ - Mômen xoắn cao tốc độ thấp - Chi phí bảo dưỡng thấp (khơng có chổi qt) - Định vị xác b Nhược điểm - Động làm việc không đểu, đặc biệt ỏ tốc độ thấp (điều khiển đầy bước) - Tiêu thụ dòng điện khơng phụ thuộc vào tải - Kích cỡ hạn chế - Làm việc ồn - Mô men giảm theo tốc độ - Khơng có phản hồi nên xảy sai số 1.2.2 Các phương pháp điều khiển sử dụng động bước Động bước điều khiển nhiều cách khác từ thiết bị thô sơ nút bấm, mạch điện-điện tử cách sử dụng vận hành thiết bị đơn giản đòi hỏi người vận hành phải có mặt trực tiếp trường để sử dụng thiết bị điều khiển Ngày nay, công nghệ kỹ thuật điện-điện tử, công nghệ thông tin phát triển, giải pháp tự động hóa điều khiển ngày áp dụng rộng rãi đời sống , sản xuất Việc sử dụng tự động hóa điều khiển đáp ứng việc điều khiển thiết bị khác lúc nơi mà không cần có mặt trường, tiết kiệm thời gian, cơng sức cho người sử dụng Vì vậy, để đáp ứng yêu cầu đề tài chúng em tập trung vào vấn đề sau: - Tìm hiểu, lựa chọn động chiều - Tìm hiểu, lựa chọn linh kiện, thiết bị hệ thống điều khiển như: LCD 16x2, module ULN2003, , loại nút bấm, điện trở, tụ điện… Thiết kế hệ thống điều khiển động bước sử dụng vi điều khiển theo yêu cầu công nghệ đề tài CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC NHÓM THIẾT BỊ TRONG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Đặc điểm động bước 1.1 Khái niệm chung Động bước loại động điện dùng để biến đổi lệnh cho dạng xung điện thành dịch chuyển dút khoát góc quay hay đường thẳng –như bước bước mà không cần cảm biến phản hồi Động bước ứng dụng nhiều ngành tự động hóa, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Ví dụ : điều khiển robot, điều khiển tiêu cự thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển lập trính thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy bay… Trong cơng nghệ máy tính động bước sử dụng cho loại ổ đĩa, máy in, … Hình 2.1: Động bước Với nhiệm vụ chức nói trên, động bước đòi hỏi yêu cầu riêng kĩ thuật , ngồi u cầu chung - Có bước dịch chuyển bé - Moment đồng hóa đủ lớn đảm bảo sai số góc nhỏ thực bước di chuyển - Khơng tích lũy sai số tăng bước - Tác động nhanh - Làm việc đảm bảo có cuộn dây điều khiển - Động điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản Tùy theo cấu tạo động bước có loại như: - Chỉ thị hay động lực - Thuận nghịch hay khơng thuận nghịch - Có stato hay nhiều stato - Có hay nhiều cuộn dây điều khiển - Roto phản kháng roto tác dụng 1.2 Cấu tạo Gồm có phần chinh: phần quay (Rotor) bao quanh phần tĩnh (Stator) Hình 2.2: Cấu tạo động bước a Stator Hai phận Stator lõi thép (mạch từ) dây quấn: - Lõi thép làm thép kĩ thuật điện dập theo khuôn ghép lại dạng hình trụ rỗng, mặt có phay rãnh Trong rãnh dây quấn máy điện dây quấn pha, pha Phía ngồi Stator có vỏ nhôm hợp kim nhôm, hai đầu Stator có nắp làm vật liệu với vỏ bắt chặt với vỏ Trên nắp máy có lắp ổ trục để đỡ trục quay Rotor - Dây quấn Stator động bước nam châm vĩnh cửu loại dây điện từ, có tiết diện hình trịn hình chữ nhật Dây quấn Stator chia thành nhiều pha dây quấn, pha có tổ bối dây, tổ bối dây có W số vịng dây lồng vào cực từ Stator b Rotor Rotor động bước có cấu tạo thường khơng có cực từ, từ hóa vĩnh cửu vng góc với trục lồng vào phía Stator Cực từ Rotor thường cực từ (N – S) xen kẽ 1.3 Nguyên lý hoạt động chế độ hoạt động a Nguyên lý hoạt động Khác với động đồng bình thường, rotor động bước khơng có cuộn dây khởi động mà khởi động phương pháp tần số Rotor động bước kích thích (rotor tích cực) khơng kích thích (rotor thụ động) Động bước khơng quay theo chế thông thường, chúng quay theo bước nên có độ xác cao mặt điều khiển Động bước làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đưa tính hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi b Các chế độ hoạt động Chế độ full step Động bước tiêu chuẩn có rotor 200 răng, 200 full step cho trục xoay động Chia 200 bước cho 360 góc full step 1,8 Thơng thường, chế độ full step thực cách tiếp điện theo thứ tự liên số chẵn cuộn dây số lẻ cuộn dây, trì dịng thay đổi Về đầu vào từ trình điều khiển tương đương bước Chế độ half step Half step đơn giản có nghĩa động quay 400 bước vòng Trong chế độ 10 Hình 2.5 cấu tạo Arduino 1. Nguồn (USB / Barrel Jack): Mỗi mạch Arduino có cổng kết nối với nguồn điện Cụ thể mà mạch Arduino UNO lấy nguồn từ dây cáp USB từ máy tính bạn, số nguồn DC khác có Jack DC Trong hình nguồn kết nối qua cổng USB dán nhãn (1) Jack DC dán nhãn (2) Lưu ý: Tuyệt đối không sử dụng nguồn lớn 20V với nguồn điện áp phá hủy mạch Arduino bạn Điện áp nhà sản xuất đề nghị cho hầu hết bo mạch Arduino từ – 12V. Các chân (5V, 3.3V, GND, Digital, Analog, PWM, ISF) Các chân nguồn mà bạn kết nối dây đầu với tải số mạch kết nối bên Với loại Arduino số loại chân khác 12 Ở chân in nhãn ký tự để người sử dụng phân biệt được. GND (3) : Viết tắt ‘Ground’ mass Có số chân GND Arduino, chân GND số sử dụng để nối mass mạch bạn 5V (4) & 3.3V (5) : Chân 5V cung cấp lượng volt chân 3,3V cung cấp 3,3 volt Hầu hết thành phần đơn giản sử dụng với Arduino hoạt động bình thường mức 3,3 volt Analog (6) : Các chân dán nhãn ‘Analog In’ (A0 đến A5 UNO) chân Analog In Các chân đọc tín hiệu từ cảm biến tương tự (như cảm biến nhiệt độ ) chuyển đổi thành giá trị Digital mà đọc Digital (7): Các chân Digital dán nhãn từ – 13 Arduino UNO, chân sử dụng cho đầu vào digital nút nhấn đầu digital cấp nguồn cho LED. PWM (8): Bạn nhìn thấy dấu (~) nằm bên cạnh chân 3, 5, 6, 9, 10 11 mạch Các chân có chức hoạt động chân Digital thông thường, sử dụng để điều chế độ rộng xung PWM Bạn hình dung chân sử dụng mơ đầu tín hiệu Analog ISF (9): Được viết tắt cụm từ Analog Reference, hầu hết chân thường khơng sử dụng Đơi sử dụng để đặt điện áp tham chiếu khoảng từ – 5V làm giới hạn cho chân đầu vào Analog. Nút Reset (Reset Button) Nút reset (10) có nhiệm vụ khởi động lại đoạn code tải Arduino Điều hữu ích code bạn khơng có vịng lặp bạn lại muốn kiểm tra chương trình nhiều lần Đèn LED báo nguồn (Power LED Indicator) 13 Đèn báo nắp bên phải chữ UNO, đèn LED nhỏ dán nhãn ON (11). Đèn báo có nhiệm vụ báo có nguồn cấp vào Arduino Trong số trường hợp đèn khơng sáng chắn có vấn đề xảy Bạn kiểm tra lại dây cáp USB, nguồn cấp mạch nữa. LED TX RX (TX RX LEDs) TX LED hiển thị tín hiệu truyền RX hiển thị tín hiệu nhận Những tín hiệu xuất nhiều thiết bị điện tử để chân thực nhiệm vụ truyền tải nối tiếp Trong trường hợp này, có vị trí Arduino UNO TX RX (12) Các LED có nhiệm vụ thơng báo cho người dùng Arduino nhận truyền liệu Ví dụ tải chương trình lên đèn hiển thị. IC chủ (Main IC) IC chủ vị trí số 13 Đây coi não Arduino IC thường sử dụng dịng IC ATmega cơng ty ATMEL sản xuất Việc nhận biết IC chủ điều quan trọng, bạn cần biết mạch bạn sử dụng IC để bạn nạp chương trình thích hợp từ phần mềm Arduino. Thơng tin tên IC thường tìm thấy phía mặt Nếu bạn muốn tìm hiểu sâu thơng tin IC bạn đọc thêm tài liệu từ nhà sản xuất. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Regulator) Bộ điều chỉnh điện áp (14), không sử dụng nhiều Nhiệm vụ điều chỉnh điện áp, kiểm soát nguồn điện áp đưa vào mạch Arduino Bạn coi giống người canh gác, làm biến điện áp phụ gây tổn hại cho linh kiện mạch Nhưng bạn cần phải ý điều chỉnh điện áp có giới hạn Vì vậy, tuyệt đối khơng nên kết nối mạch Arduino với nguồn điện DC lớn 20V. 14 3.Hệ thống nút bấm Điều khiển ngoài: Để điều khiển chiều quay chế độ động bước, chúng em sử dụng phím bấm sau: Hình 2.6: Sơ đồ phím nhấn phần mềm Các phím bấm sử dụng có Phím B1: chế độ Quay thuận nửa bước Phím B2: chế độ Quay nghịch nửa bước, Phím B3: phím Tăng tốc cho động bước Phím B4: phím Giảm tốc cho động bước Phím B5 : phím Dừng động bước - Thông qua nút ấn cho phép ta điều chỉnh động làm việc mong muốn - Hệ thống cho phép hiển thị q trình làm việc sử dụng LCD để thông báo trạng thái quay thuận, quay ngược, dừng - Thông qua đề tài, làm quen với cách thức, nguyên lý điều khiển đối tượng động bước 15 - Tìm hiểu thực tế linh kiện, IC - Viết chương trình cho vi điều khiển thực thành cơng theo u cầu đề - Tìm hiểu hướng phát triển đề tài, nâng cao chất lượng hệ thống - Chi phí cho hệ thống khơng cao, phù hợp với yêu cầu kinh tế 4.Tìm hiểu LCD Ngày thiết bị hiển thị LCD ( Liquid Crystal Display) sử dụng nhiều ứng dụng vi điều khiển LCD có nhiều ưu điểm so với dạng hiển thị khác: Nó có khả hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn tài nguyên hệ thống giá thành rẻ Hình 2.7 : Hình dáng LCD 16 - Chức chân: Mô tả Chân Kí hiệu Chân nối đất cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với GND VSS mạch điều khiển Chân cấp nguồn cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với VDD VCC=5V mạch điều khiển Vee Chân dùng để điều chỉnh độ tương phản LCD Chân chọn ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) logic “1” (VCC) để chọn ghi + Logic “0”: Bus DB0-DB7 nối với ghi lệnh IR LCD (ở RS chế độ “ghi” - write) nối với đếm địa LCD (ở chế độ “đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0-DB7 nối với ghi liệu DR bên LCD Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” R/W để LCD hoạt động chế độ ghi, nối với logic “1” để LCD chế độ đọc Chân cho phép (Enable) Sau tín hiệu đặt lên bus DB0DB7, lệnh chấp nhận có xung cho phép chân E + Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào(chấp nhận) ghi bên phát xung (high-to-low transition) E tín hiệu chân E + Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD xuất DB0-DB7 phát cạnh lên (low- to-high transition) chân E LCD giữ bus đến chân E xuống mức thấp 17 Tám đường bus liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có chế độ sử dụng đường bus : DB0- + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường, với bit MSB 7-14 DB7 bit DB7 + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB DB7 Chi tiết sử dụng giao thức đề cập phần sau 15 Nguồn dương cho đèn 16 GND cho đèn Lựa chọn thiết bị a Động bước Đề tài yêu cầu đối tượng điều khiển động bước, để phù hợp với yêu cầu đề tài trình tìm hiểu, thiết kế, nên chúng em chọn động bước Step motor NEMA 17: 18 Hình 2.1 : động bước Step motor NEMA 17 Đặc điểm bật : - Chiều dài: 40MM - Kích thước mặt bích: 42×42 mm. - Dịng chịu tải: 1.6A - Góc bước: 1.8°/step - Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng hoạt động - Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54 Tương thích với đầu động bước mạch RAMPS 1.5 CNC shield V3 - Công suất phù hợp cho máy in 3D CNC mini - Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm - Công suất phù hợp cho máy in 3D laser nhỏ- Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn 19 XH2.54 Tương thích với đầu động bước mạch RAMPS 1.5 CNC shield V3 - Trục động vát phẳng giúp siết puli không bị trượt b Module L298 Để điều khiển động bưóc, chúng em sử dụng module L298 Dựa vào thơng số động bước, chọn module L298 có thơng số sau: Hình 2.2.hình ảnh module L298 Thơng số điều khiển : Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V Dòng tối đa cho cầu H là: 2A (=>2A cho motor) Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA (Arduino chơi đến 40mA nên khỏe re bạn) 20