Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ bước dùng PIC16f877a

Báo cáo Đồ án đề tài Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ bước Gồm: 1Phần cứng: Động cơ bước sử dụng: động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha kiểu đơn cực (điều khiển bằng dòng điểu khiển đơn cực), có góc quay là 1.8 độ. Vi điều khiển: PIC16F877A IC: IC ULN2003A 2Lưu đồ thuật toán • Động cơ có 3 chế độ hoạt động là ĐỨNG YÊN, QUAY THUẬN và QUAY NGƯỢC. • Mỗi lần bấm nút ChieuQuay là động cơ sẽ chuyển chế độ hoạt động theo vòng kín: Quay thuận > Quay nghịch > Đứng yên > Quay thuận >…. • Tại 2 chế độ quay thuận và quay nghich sẽ có 4 tốc độ tương ứng được điều khiển bằng nút TocDo. Mỗi lần bấm nút TocDo, tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo vòng kín: Rất chậm > Chậm> Vừa > Nhanh > Rất chậm>…. 3Mô phỏng bằng Proteus 4Phần mềm: CODE

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……… 2

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN……… …3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN TỬ……… 4

I.VI ĐIỀU KHIỂN 16F877A… ……….……… 4

1 Bộ nhớ chương trình của PIC 2 Bộ nhớ dữ liệu của PIC 3 Bảng mô tả chức năng các chân của PIC16F877A 4.Sơ đồ chân của PIC16F877A……….……….8

II IC ULN2003………….……….9

1. Sơ đồ các chân IC ULN2003……….……….……… …9

2. Sơ đồ nguyên lí và chức năng các chân của IC ULN2003……… 10

III.MOTOR BƯỚC……… 10

1. Cấu tạo motor bước ……….11

2. Phân loại……… ……… 12

3. Nguyên lý làm việc của motor bước nam châm vĩnh cửu……… 12

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC…… ……….14

1. Sơ đồ khối……… 14,15,16 2. Thiết kế các khối………14

3. Sơ đồ mạch hệ thống điều khiển động cơ bước và tính toán … ….17

4. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển động cơ bước và mạch in……….18

CHƯƠNG 3: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH………19

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN……… 23

1.Ứng dụng

2 Ưu điểm-Nhược điểm

3.Tài liệu tham khảo

MỤC HÌNH ẢNH

Chương 1:

Hình 1.1 Ảnh thực tế của IC ULN2003

Hình 1.2 Sơ đồ các chân của IC ULN2003

Hình 1.3 Một số hình dạng cấu trúc động cơ bước

Hình 1.4 Cấu trúc bên trong của động cơ bước

Hình1.5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha kiểu đơn cực

Chương 2:

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của của PIC16F877A trong mạch

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của từng phím nhấn

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của ULN2003A

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của IC 7805

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý của đông cơ bước

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay kĩ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong ngành kỹ thuật và cảtrong các ứng dụng đời thường Hầu hết các dây truyền tự động lớn và các sảnphẩm dân dụng ta đều thấy sự xuất hiện của vi điều khiển Vi điểu khiển đượcnhà sản xuất tích hợp rất nhiều các nhiều tính năng với các bộ ngoại vi được tíchhợp ngay trên vi điều khiển, cùng với khả năng xử lý nhiều hoạt động phức tạp,tất cả được tích hợp trên một con Chip nhỏ gọn, chính vì vậy sẽ thuận lợi hơntrong thiết kế board, khi đó board mạch sẽ nhỏ gọn và đẹp hơn dễ thiết kế hơn rấtnhiều Cùng với sự phát triển của khoa học - kỹ thuật là sự phát triển của vi điềukhiển và các ứng dụng của nó trong kỹ thuật Chính vì vậy em đã lựa chọn đề tài:

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC Trong quá trình làm đồ án, do sự hạn chế

chế về tài liệu và trình độ có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót Em rất mongđược sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để đồ án của em được hoàn thiệnhơn

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Sinh viên: NGUYỄN MINH TRUNG MSSV: 41203183

Lớp: 12040301 Khóa: 2012-2017

…………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……….

………

………

………

………

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại vi điều khiển phong phú vềchủng loại và giá cả thì tương đối rẻ phù hợp với điều khiển ở Việt Nam trong

đó phổ biến có các loại như: MCS51; AVR của ATMEL, PIC của MICROCHIP,PSOC của CYPRESS MICRO

PIC16F877A là một vi điều khiển có kiến trúc HARVARD ( bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được truy xuất độc lập với nhau) sử dụng 14 bit cho các lệnh , và tập lệnh của nó chỉ hầu hết chỉ có một WORD

1 Bộ nhớ chương trình của PIC: Không gian bộ nhớ chương trình của PIC khác nhau tùy thuộc vào từng loại VD 16F877A có 8192(8K)

2 Bộ nhớ dữ liệu của PIC: Các thanh ghi đa mục đích cho người dùng của PIC là các ô nhớ RAM Mỗi thanh ghi này có độ rộng 8 bít cho tất cả các PIC VD 16F877A có 36 Bytes ( plus 256 Bytes of nonvolatile EEPROM)

Bảng mô tả chức năng các chân của PIC16F877A

Pin Name DIP

Pin#

PLCCPin#

QFT Pin#

I/O/

PType

BufferType

OSC2/CLKOUT 1 2 18 O

-Đầu ra của xungdao động thạchanh Nối vớithạch anh haycộng hưởngtrong chế độ daođộng của thạchanh.Trong chế

độ RC, ngõ racủa nhân OSC2

Ngõ vào củaMasterClear(Reset)hoặc ngõ vàođiện thế được lậptrình Chân nàycho phép tín hiệuReset thiết bị tácđộng ở mứcthấp

RA0/AN0 2 3 19 I/O TTL vào ra hai chiều.PORTA là port

RA0 có thể làmngõ vào tương tựthứ 0

ngõ vào tương tựthứ 1

RA2 có thể làmngõ vào tương tự

2 hoặc điện ápchuẩn tương tựâm

RA3/AN3/VREF+ 5 6 22 I/O TTL

RA3 có thể làmngõ vào tương tự

3 hoặc điện ápchuẩn tương tựdương

RA4 có thể làmngõ vào xungclock cho bộđịnh thờiTimer0

ngõ vào tương tựthứ 4

RB0/INT

RB1

RB2

33 34 35

363738

8 9 10

I/O I/O I/O

TTL/ST(1)TTLTTL

PORTB là port 2chiềuRB0 có thể làmchân ngắt ngoài

RB3/PGM 36 39 11 I/O TTL ngõ vào của điệnRB3 có thể làm

thế được lậptrình ở mức thấp

2122232430313233

383940412345

I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/O

ST/TTL(3)

ST/TTL(3)

ST/TTL(3)

ST/TTL(3)

ST/TTL(3)

ST/TTL(3)

ST/TTL(3)

ST/TTL(3)

PORTD là portvào ra hai chiềuhoặc là parallelslave port khigiao tiếp với buscủa bộ vi xử lý

RE0/RD*/AN5 8 9 25 I/O

ST/TTL(3)

PORTE là portvào ra hai chiều.RE0 có thể điềukhiển việc đọcparrallel slaveport hoặc là ngõvào tương tự thứ

5

RE1 có thể điềukhiển việc ghiparallel slaveport hoặc là ngõvào tương tự thứ

6

RE2/CS*/A

RE2 có thể điềukhiển việcchọparallel slaveport hoặc là ngõvào tương tự 7.VSS

VDD

12 31 11 32

13341235

728629

P P

Cung cấp nguồndương cho cácmức logic, vànhững chân I/O

NC

1172840

1213334

Những chân nàykhông được nốibên trong và nóđược để trống

*Ghi chú: I= input; O=output; I/O= input/output; P= power

-= Not used ; TTL = TTL input; ST = SchmittTrigger input

+ Là vùng đệm có ngõ vào trigger Schimitt khi được cấu hình như ngắt ngoài

+ Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schimitt khi được sử dụng trong chế độ 9 SerialProgramming

+ Là vùng đệm có ngõ vào Trigger Schimitt khi được cấu hình như ngõ vào ramucjđích chung và là ngõ vào TTL khi sử dụng trong chế độ Paralell Slave Port (cho phépviệc giao tiếp với các bus của bộ vi xử lý)

+ Là vùng đệm cóa ngõ vào Trigger Schmitt khi được cấu hình trong chế độ dao động

Sơ đồ chân của PIC16F877A

3 Các Chân Nguồn: Trong các sơ đồ của mạch 8051 thường kí hiệu chân cấp nguồn

là VCC,còn chân nối mass là GND Còn đối với PIC thì ngược lại thay VCC=VDD còn chân GND=VSS

Trong PIC16F877A trên hình vẽ ta có thể thấy có tất cả 4 chân cấp nguồn như sau:-Chân 11, 32 là các chân VDD (+5v)

-Chân 12, 31 là các chân VSS (0v)

4 Chân RESET: Trên hình ta thấy chân số 1 (MCLR) chính là chân RESET của PIC,

chân này có nhiệm vụ khởi động lại Chip khi chân này được tích cực Chân RESET của PIC tích cực ở mức thấp đều này trái ngược hoàn toàn với họ 8051

5 Mạch Dao Động: Trên hình vẽ ta thấy 2 chân 13 (OSC1) và chân 14 (OSC2) là 2

chân dao động.Tốc độ dao động được xác định thông qua tần số dao động của bộ tạo dao động

II IC ULN2003

Hình 1.1 Ảnh thực tế của IC ULN2003

• Đối với những ứng dụng mà mỗi cuộn dây của động cơ dẫn dòng nhỏ hơn500mA, mạch Darlington họ ULN200x của Allegro Microsystem sẽ dẫnđộng cho cuộn dây hoặc các tải cảm ứng khác trưc tiếp từ tín hiệu vào mạchlogic Hình 3.8 là các ngõ vào và ngõ ra của chip ULN2003, dãy 7 transitordarlington:

Hình 1.2 Sơ đồ các chân của IC ULN2003

• Điện trở nền trên mỗi transitor phải thích hợp với tín hiệu ra TTL lưỡng cựcchuẩn Cực phát của mỗi darlington NPN phải được nối với chân 8, là chânnối đất Mỗi transitor được bảo vệ bằng hai diode, một nối giữa cực phát vàcực thu để bảo vệ transitor khỏi điện áp ngược, một nối cực thu với chân 9,nếu chân 9 nối với nguồn của động cơ thì diode này sẽ bảo vệ transitor khỏiđỉnh nhọn của độ tự cảm

• Sơ đồ nguyên lý của IC ULN2003

• Chức năng các chân của IC ULN2003

− IC ULN2003 có 8 đầu vào (từ chân 1 7) có chức năng nhận các tín hiệudòng vào cần khuếch đại

− IC ULN2003 có 8 đầu ra (từ chân 9 -> 16), tín hiệu qua các chân đã đượckhuếch đại theo yêu cầu, và làm nhiệm vụ kết nối với thiết bị cần hỗ trợdòng.

− Chân 8 thường được nối mát, chân 9 hoặc chân 10 được cấp nguồn +5V

III MOTOR BƯỚC

- Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyểnđộng cơ học rời rạc Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi cácxung điện điều khiển điện áp đến nó theo một trình tự hơp lí Sự quay của động cơ liên

hệ trực tiếp với các xung được áp vào Trình tự của các xung áp vào, quan hệ trực tiếpđến hướng quay của động cơ Tốc độ quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với tần

số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lượng các xungđược áp vào

- Động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiềukhông tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Hình 1.3 Một số hình dạng cấu trúc động cơ bước.

1.Cấu tạo:

Gồm có hai phần chính: phần quay (Rotor) và được bao xung quanh là phần tĩnh (Stator)

Hình 1.4 Cấu trúc bên trong của động cơ bước

a Stator : Hai bộ phận chính của Stator là lõi thép (mạch từ) và dây quấn :

- Lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dập theo khuôn rồi ghép lại dạng hình trụrỗng, mặt trong có phay rãnh Trong rãnh là dây quấn máy điện có thể là dây quấn 2 pha , 3 pha 4 pha hoặc 5 pha Phía ngoài Stator có vỏ bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm, hai đầu Stator có hai nắp làm bằng cùng vật liệu với vỏ và bắt chặt vào vỏ Trênnắp máy có lắp ổ trục (ổ trượt hoặc vòng bi) để đỡ trục quay của Rotor

- Dây quấn Stator của động cơ bước nam châm vĩnh cửu là loại dây điện từ, có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật Dây quấn Stator được chia thành nhiều pha dây quấn, mỗi pha có một tổ bối dây, mỗi tổ bối dây có W số vòng dây và được lồng vào cực từ của Stator

b Rotor :

- Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo thường không có răng cực

từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) và được lồng vào phía trong của Stator Cực từ của Rotor thường là 2 hoặc 6 cực từ (N - S) xen kẽ nhau

2 Phân loại động cơ bước: Động cơ bước gồm có 3 loại cơ bản:

• Động cơ bước từ trở biến đổi

• Động cơ bước nam châm châm vĩnh cửu

• Động cơ bước nhiều pha

+ Động cơ bước là đối tượng điều khiển, ở đây em sử dụng loại động cơ bước nam

châm vĩnh cửu 2 pha kiểu đơn cực, (điều khiển bằng dòng điểu khiển đơn cực) có

góc quay là 1.8 độ

Hình1.5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha kiểu đơn cực

3 Nguyên lí làm việc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu

- Nguyên lý làm việc của loại động cơ này là dựa vào tác động của một trường điện từ

trên một moment điện từ, cụ thể là tác động của một trường điện từ lên một hoặc nhiềunam châm vĩnh cửu Rotor của động cơ tạo thành một hoặc nhiều cặp từ và moment điện từ của nam châm được đặt thẳng hàng trên từ trường quay do các cuộn dây tạo nên

- Các cuộn dây của Stator gọi là các pha Động cơ bước có thể có nhiều pha 2,3,4,5 pha; nó được cấp điện cuộn này sang cuộn khác với việc đảo chiều dòng điện sau mỗi bước quay Chiều quay của động cơ phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho các cuộn dây

và hướng của từ trường

- Động cơ loại này có đặc tính chống rung tốt, tốc độ chậm nhưng có moment khá lớn

- Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu với 5,6 hoặc 8 dây ra thường đượcquấn như hình Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dươngnguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạobởi cuộn đó Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên

xếp xen kẽ trên vòng tròn, Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu

với mỗi bước là 1.8 Như trong hình dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1

đến đầu a tạo ra cực bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực nam Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước để động cơ quay một cách liên tục, chúng ta chỉ cần đặt điện áp vào hai mấu của động cơ theo dãy.

Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100

Mấu 2b 000100010001000100010001 Mấu 2b 100110011001100110011001

Hướng thời gian 

Nhớ rằng hai nửa của mấu không được kích cùng lúc Cả hai dãy nêu trên sẽ quayđộng cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm Dãy bên trái chỉ cấp điện chomột mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên

Vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn Dãy bên phải đòi hỏi phải cấp điện cho cả hai mấucùng lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoáy lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trongkhi cần cấp điện gần gấp 2 lần Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giốngnhau Kết quả kết hợp trên cho ta điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ mộtcách lần lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên Chuỗi kết hợp như sau:Mấu 1a 1 1 0 0 0 0 0 1 110000011100000111

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của của PIC16F877A trong mạch.

2) Bộ ổn định dòng: ULN 2003a nhằm hỗ trợ cho động cơ bước, luôn giữ cho dòng cấp vào <500mA.

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của ULN2003A.

3) Khối nguồn (IC 7805): cung cấp nguồn nuôi cho toàn hệ thống

- Dùng IC 7805 để tạo nguồn +5V ổn định cấp cho toàn mạch Tụ C2 và C3 để lọc nhiễu, diode D3 có nhiệm vụ báo nguồn Sơ đồ nguyên lý như hình trên

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của IC 7805

2.2.3 Động cơ bước

- Động cơ bước là đối tượng điều khiển, ở đây em sử dụng loại động cơ đơn cực, có góc quay là 1.8 độ

2.6 Sơ đồ nguyên lý của đông cơ bước.

2.3 Sơ đồ mạch hệ thống điều khiển động cơ bước

2.3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý: Sơ đồ hệ thống điều khiển như hình 2.7 Các thông

số như số độ được nhập vào code (có thể nhập bao nhiêu độ tùy thích suy ra được số bước ) ở đây em điều khiển 9 bước tương đương với 16.2 độ Chiều quay thuận-nghịchđược nhập vào từ các nút nhấn, đưa vào bộ xử lý ( vi điều khiển pic 16f877a) qua Port D.2.và Port D.3 mỗi lần nhấn nút thuận-nghich tương đương đèn led thuận-ngịch sáng Port D.4 và Port D.5 đồng thời xuất dữ liệu điều khiển động cơ bước thông qua các chân RC0-RC3, dữ liệu điều khiển này thông qua ULN2003A điều khiển động cơ quay theo thông số đầu vào

*Tính toán trở qua Led:

VDD xuất ra led là 4.77(v)

điện áp định mức Led là 2.23(v)

dòng định mức Led= 0.01A

R=(VDD-Vled)/I =(4.77-2.23)/0.01= 250ohm

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước

2.3.2 Sơ đồ mạch in

Chương 3

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH

3.1 Lưu đồ thuật toán

3.2 Phần mềm

<Phần mềm sử dụng: microC PRO for PIC v.6.6.1>

const unsigned char buoc[] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08};

unsigned int chieuquay, tocdo;

void toc_do() { //Chuong trinh con dieu chinh toc do dong co

Chương 4 KẾT LUẬN

I.ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

- Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụngtrong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cựtrong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay

-Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in

II ƯU ĐIỂM

- Có thể điều khiển chính xác góc quay mong muốn

- Giá thành thấp

II NHƯỢC ĐIỂM

-Về cơ bản dòng từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển

II.TÀI LIỆU THAM KHẢO

[Website].

Picvietnam.com

Dientuvietnam.net

[Tiếng việt].