Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51

Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh). Sử dụng họ VĐK MCS51 1, Vũ Mậu Dương 2, Vũ Văn Hải Nhóm Trưởng 3, Võ Anh Thắng 4, Nguyễn Văn Hùng Nhiệm vụ thiết kế : Chuyển động động cơ bước theo ý muốn của người lập trình, bao gồm •Chuyển động thẳng : tiến, lùi. •Chuyển động quay : trái, phải. •Điều khiển được tốc độ chuyển động của động cơ. •Có các phím chức năng tương ứng để Dừng, Tiến, Lùi, Quay trái, Quay phải, Tăng tốc, Giảm tốc theo đường Line. •Hiển thị các chức năng tương ứng khi chạy lên màn hình LCD. Yêu cầu: •Chương 1: Đặt vấn đề và nhiệm vụ thư.(1 tuần) •Chương 2: Tổng quan các phương pháp điều khiển động cơ bước và cảm biến dò đường. (2 tuần) •Chương 3: Thiết kế phần cứng.(2 tuần) •Chương 4: Thiết kế phần mềm.(2 tuần) •Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển.(1 tuần) Thời gian làm đồ án: Từ 21/09/2015 đến 16/11/2015 Email liên hệ: duyenbt@epu.edu.vn MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ4 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ4 1.2. NHIỆM VỤ THƯ4 1.2.1.Đối Tượng Đề Tài.4 1.2.2.Mục Đích Đề Tài.4 1.2.3.Nội Dung Cần Triển Khai.5 1.2.4.Phương Pháp Tiếp Cận.5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG6 2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC6 2.1.1. Động Cơ Biến Từ Trở.7 2.1.2. Động Cơ Nam Châm Vĩnh Cửu8 2.1.2.1.Động Cơ Đơn Cực9 2.1.2.2. Động Cơ Lưỡng Cực.10 2.1.2.3.Động Cơ Hai Dây Song song11 2.1.2.4. Động Cơ Nhiều Pha.12 2.1.3. Động Cơ Lai.13 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC14 2.2.1. Điều Khiển Đủ Bước.14 2.2.2. Điều Khiển Nửa Bước.15 2.2.3. Điều Khiển Vi Bước.15 2.3. CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG.15 2.3.1. Khái Niệm.15 2.3.2. Các Loại Cảm Biến.15 2.3.3. Led Hồng Ngoại.16 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG17 3.1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC17 3.1.1. Khối Điều Khiển.17 3.1.1.1. Giới Thiệu Chung Về ATmega16.18 3.1.1.2. Cấu Trúc Nhân AVR Của ATmega16.21 3.1.2. Khối Nguồn.24 3.1.3. Khối Sensor.25 3.1.4. Khối Điều Khiển Động Cơ.28 3.1.5. Khối Hiển Thị.30 3.1.6. Động Cơ Bước.32 3.1.7.Khối Bàn Phím.33 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM34 4.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN.34 4.2. SỬ DỤNG PHẦN MỀM CODE AVR ĐỂ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH.34 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN43 5.1. ƯU ĐIỂM43 5.2. NHƯỢC ĐIỂM43 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51 Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51

Đề 6 Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (ghép lại như một oto đồ chơi 4 bánh) Sử dụng họ VĐK MCS51.

 Chuyển động thẳng : tiến, lùi

 Chuyển động quay : trái, phải

 Điều khiển được tốc độ chuyển động của động cơ

 Có các phím chức năng tương ứng để Dừng, Tiến, Lùi, Quay trái, Quay phải,Tăng tốc, Giảm tốc theo đường Line

 Hiển thị các chức năng tương ứng khi chạy lên màn hình LCD

Yêu cầu:

 Chương 1: Đặt vấn đề và nhiệm vụ thư (1 tuần)

 Chương 2: Tổng quan các phương pháp điều khiển động cơ bước và cảm

biến dò đường (2 tuần)

 Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển (1 tuần)

Thời gian làm đồ án: Từ 21/09/2015 đến 16/11/2015

Email liên hệ : duyenbt@epu.edu.vn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ 4

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4

1.2 NHIỆM VỤ THƯ 4

1.2.1.Đối Tượng Đề Tài 4

1.2.2.Mục Đích Đề Tài 4

1.2.3.Nội Dung Cần Triển Khai 5

1.2.4.Phương Pháp Tiếp Cận 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG 6

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC 6

2.1.1 Động Cơ Biến Từ Trở 7

2.1.2 Động Cơ Nam Châm Vĩnh Cửu 8

2.1.2.1.Động Cơ Đơn Cực 9

2.1.2.2 Động Cơ Lưỡng Cực 10

2.1.2.3.Động Cơ Hai Dây Song song 11

2.1.2.4 Động Cơ Nhiều Pha 12

2.1.3 Động Cơ Lai 13

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 14

2.2.1 Điều Khiển Đủ Bước 14

2.2.2 Điều Khiển Nửa Bước 15

2.2.3 Điều Khiển Vi Bước 15

2.3 CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG 15

2.3.1 Khái Niệm 15

2.3.2 Các Loại Cảm Biến 15

2.3.3 Led Hồng Ngoại 16

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 17

3.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 17

3.1.1 Khối Điều Khiển 17

3.1.1.1 Giới Thiệu Chung Về ATmega16 18

3.1.1.2 Cấu Trúc Nhân AVR Của ATmega16 21

3.1.2 Khối Nguồn 24

3.1.3 Khối Sensor 25

3.1.4 Khối Điều Khiển Động Cơ 28

3.1.5 Khối Hiển Thị 30

3.1.6 Động Cơ Bước 32

3.1.7.Khối Bàn Phím 33

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 34

4.1 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 34

4.2 SỬ DỤNG PHẦN MỀM CODE AVR ĐỂ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH 34

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43

5.1 ƯU ĐIỂM 43

5.2 NHƯỢC ĐIỂM 43

5.3 KẾT LUẬN 43

5.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, nhờ sự phát triển của nền khoa học kĩ thuật, quá trình công nghiệphóa hiện đại hóa diễn ra một cách nhanh chóng trên toàn cầu

Các nhà máy cũng dần thay thế sức lao động con người bằng những máy móc

và dây chuyền sản xuất Trong cuộc sống thường nhật cũng đang phát triển các ứngdụng, đưa robot làm các công việc thường ngày lặp đi lặp lại hay những công việcdọn dẹp trong nhà v.v

Trong các máy móc và những con robot đều có trong nó các động cơ để giúpcác cơ cấu hoạt động Thực tế, những con robot nhỏ thì thường dùng động cơ mộtchiều Với yêu cầu điều khiển chính xác thì người ta thường dùng các động cơ bước

do đặc điểm cấu tạo của nó cũng như cách thức hoạt động của nó mang đến sựchính xác lớn và ít sai số trong những trường hợp cụ thể nhất định chúng em sẽ cụthể hơn ở chương tiếp theo

Từ sự phát triển này cùng với kiến thức được học tập tại trường, chúng emmuốn tìm hiểu và thực hành điều khiển động cơ bước Đây là cơ sở cho những pháttriển những con robot đa nhiệm phục vụ cuộc sống hàng ngày Đồng thời hiển thịlên LCD để thuận lợi cho việc giao tiếp giữa con người và các thiết bị cần điềukhiển

1.2 NHIỆM VỤ THƯ

1.2.1.Đối Tượng Đề Tài.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án:

1.2.3.Nội Dung Cần Triển Khai.

Chức năng của hệ thống là chuyển động động cơ bước theo ý muốn của người lập trình, bao gồm:

 Chuyển động thẳng : tiến, lùi

 Chuyển động quay : trái, phải

 Điều khiển được tốc độ chuyển động của động cơ

 Có các phím chức năng tương ứng để Dừng, Tiến, Lùi, Quay trái, Quay phải, Tăng tốc, Giảm tốc theo đường Line

 Hiển thị các chức năng tương ứng khi chạy lên màn hình LCD

1.2.4.Phương Pháp Tiếp Cận.

 Tham khảo tài liệu: tài liệu tham khảo chủ yếu qua internet

 Tự nghiên cứu: thu thập tài liệu

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động cơ bước là một thiết bị cơ điện dùng để biến đổi xung điện một chiềuthành chuyển động quay cơ học rời rạc Góc quay và tốc độ quay tương ứng với sốxung và tần sỗ xung điện cấp cho động cơ Mỗi một vòng quay của trục động cơđược thiết lập bởi một số lượng hữu hạn các góc bước, là góc quay của roto mỗi khicuộn dây stato bị đảo cực tính

Động cơ bước có 3 loại:

Động cơ bước phong phú về góc quay (góc bước) Những động cơ thôngthường có góc bước lớn như 90, 30, 15 hoặc 7,5 Những động cơ mịn thường có gócbước 1,8 hoặc 0,72 Ngoài ra, bằng việc điều khiển các tín hiệu xung điện một chiềuvới những tuần tự giá trị thích hợp có thể điều khiển động cơ quay nửa bước hoặcthậm chí vi bước

Động cơ bước thường được sử dụng trong điều khiển vòng hở bởi những ưuđiểm:

- Góc quay tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển

- Momen động cơ luôn ở mức danh định

- Vị trí góc quay chính xác vì không có sai số tích lũy ở mỗi góc bước

- Dễ dàng điều khiển khởi động dừng và đảo chiều quay

- Không có chổi than nên làm việc tin cậy

- Chi phí thấp

- Có một dải rộng về độ phân giải góc quay

Ngoài ra, động cơ bước có một số nhược điểm cần chú ý khi sử dụng:

- Cộng hưởng sẽ xảy ra khi điều khiển không đúng cách

- Tốc độ quay không cao

2.1.1 Động Cơ Biến Từ Trở.

Động cơ biến từ trở có stato làm từ các lá thép kỹ thuật điện không bị dư từ córãnh để đặt các cuộn dây Rôto làm bằng thép non không bị từ dư, có dạng như bánhrăng Cấp một dòng điện một chiều vào cuộn stato sẽ tạo thành một nam châm điện

Từ trường stato từ hóa các bánh răng rôto nằm gần đó và hút các răng này tới vị trícủa nó Ngắt dòng điện cuộn dây này và cấp cho cuộn dây kế tiếp sẽ làm thay đổi từtrường stato và làm rôto quay một góc bước Vì sao stato và rôto làm bằng vật liệukhông bị từ dư nên khi ngắt dòng khỏi cuộn dây stato thì từ trường stato và rôto bịtriệt tiêu hoàn toàn Điều này làm tối thiểu hóa từ trở trong động cơ khi vận hành

Và cũng chính vì vậy mà rôto quay bằng tay khi không cấp điện ta thấy rôto hầunhư quay trơn Mối quan hệ giữa góc bước, số răng rôto và số cực stato được biểudiễn bằng công thức sau:

Mặt cắt ngang trong hình 1.1 là của một động cơ biến từ trở có góc bước 30 ,rôto có 4 răng, stato có 6 cực và mỗi cuộn dây stato được quấn quanh hai cực đốidiện nhau Khi cuộn dây số 1 được cấp điện Các cực stato có ký hiệu 1 sẽ trở thànhnam châm điện và hút các răng rôto có ký hiệu X Ngắt các dòng qua cuộn 1 và cấpdòng cho cuộn 2, rôto sẽ quay một góc 30 theo chiều kim đồng hồ Khi đó, cácrăng rôto có ký hiệu Y sẽ nằm thẳng hàng với các cực stato có ký hiệu 2.

Để làm quay động cơ liên tục, ta phải cấp dòng cho 3 cuộn dây một cách tuần

tự Bằng việc sử dụng các ký hiệu logic, trong đó “1” nghĩa là cấp dòng và “0” làngắt dòng qua một cuận dây, toán tử sau sẽ quay động cơ minh họa hình theochiều kim đồng hồ 24 bước hay 2 vòng quay:

Cuộn dây 1: 1001001001001001001001001Cuộn dây 2: 0100100100100100100100100Cuộn dây 3: 0010010010010010010010010

Thời gian Cũng có những động cơ biến từ trở có 4 hoạc 5 cuộn dây Nguyên stắc hoạtđộng của những động cơ này tương tự như loại có 3 cuộn dây nói trên

-2.1.2 Động Cơ Nam Châm Vĩnh Cửu

Hình 2.2: cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu có rôto là một nam châm vĩnh cửa với các cựcbắc nam xen kẽ nhau xung quanh biên dạng hình trụ của rôto Các cực rôto đối diệnhoặc cạnh nhau hoặc đối diện nhau thì ngược dấu nhau Stato có các cuộn dây quấnquanh các rãnh đối diện nhau tạo thành các cực stato Khi cấp dòng điện một chiềucho cuộn dây, cực stato sẽ hình thành một nam châm điện và hút các cực từ của rôtolàm rôto quay đi một góc bước Động cơ có càng nhiều cực rôto và stato thì có gócbước càng nhỏ

Động cơ nam châm vĩnh cửu có nhiều loại : động cơ đơn cực, động cơ lưỡngcực, động cơ hai dây song song và động cơ nhiều pha Vì động cơ đơn cực, động cơlưỡng cực và động cơ hai dây song song có hai cuộn dây stato nên đôi khi người tacòn gọi động cơ nay là động cơ hai pha, để phân biệt với động cơ có nhiều pha có

số cuộn dây stato lớn hơn

2.1.2.1.Động Cơ Đơn Cực

Động cơ đơn cực là động cơ nam châm vĩnh cửu có 2 cuộn dây stato được đấunối theo sơ đồ hình 2.2 với một nấc phân ở giữa mỗi cuộn dây Nấc phân ở giữa cáccuộn dây này được nối với cực dương của nguồn và hai đầu còn lại của cuộn dâyđược luân phiên nối đất để đảo chiều của từ trường sinh ra bởi các cuộn dây đó

Hình 2.2 : Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ đơn cực rôto có 6 cực.Hình 2.2 là mặt cắt ngang và sơ đồ đấu dây của động cơ nam châm vĩnh cửu

có góc bước 30 cuộn dây số 1 quấn quanh các cực stato trên và dưới, cuộn dây số

2 quấn quanh các cực stato trái và phải Rôto là một nam châm vĩnh cửu có 6 cực( 3 cực nam và 3 cực bắc )

Như chỉ ra ở hình 2.2 dòng điện chay từ nguồn qua các điểm phân nấc từ đầu acủa cuộn dây dây 1 làm cho cực stato trên trở thành cực bắc và cực stato dưới thànhcực nam của các nam châm điện Các cực nay sẽ hút các cực của rôto ngược dấulàm rôto quay tới vị trí như đã chỉ trên hình vẽ Nếu cắt dòng qua cuộn 1 và cấpdòng cho cuộn 2 thì rôto sẽ quay một góc 30 (hay một bước)

Để làm cho động cơ quay liên tục, ta phải cấp dòng cho các cuộn dây mộtcách tuần tự Bằng việc sử dụng ký tự logic, trong đó “1” là cấp dòng và “0” làkhông cấp dòng qua cuộn dây, hai điều khiển tuần tự sau sẽ làm quay động cơ minhhọa hình 2.3 theo chiều kim đồng hồ 24 bước hay 4 vòng quay:

Cuộn dây 1a: 1000100010001000100010001Cuộn dây 1b: 0010001000100010001000100Cuộn dây 2a: 0100010001000100010001000

Cuộn dây 2b: 0001000100010001000100010

Tuần tự Cuộn dây 1a: 1100110011001100110011001Cuộn dây 1b: 0011001100110011001100110Cuộn dây 2a: 0110011001100110011001100Cuộn dây 2b: 1001100110011001100110011

-Vì hai nửa của mỗi cuộn dây đêu được quấn quanh hai cực stato tương ứngnhưng ngược chiều nên nếu cấp dòng cùng một lúc cho cả hai nửa của một cuộndây thì cuộn dây stato tương ứng sẽ vừa hình thành cực bắc và nam của một namchâm điện Do đó sẽ không làm rôto to quay được

Cả hai tuần tự trên đều làm quay động cơ mỗi lân một bước Tuần tự đầu , tạimột thời điểm chỉ cấp dòng cho một cuộn dây (như minh họa hình vẽ 2.3) vì nó sửdụng ít năng lượng Tuần tự thứ hai , tại một thời điểm cấp dòng cho 2 cuộn dây ,

do đó tạo ra mômen xoắn cao gấp 1,4 lần và tiêu thụ năng lượng gấp 2 lần so vớituần tự đầu

Vị trí bước được tạo ra bởi hai tuần tự bên trên là không giống nhau Nên kếthợp hai tuần tự đó sẽ cho phép việc tạo ra việc quay nửa bước của động cơ Bằngviệc dừng luân phiên động cơ tại vị trí được chỉ ra bởi tuần tự nay tuần tự kia ta sẽ

có tuần tự kết hợp sau:

Cuộn dây 1a: 11000001110000011100000111Cuộn dây 1b: 00011100000111000001110000Cuộn dây 2a: 01110000011100000111000001Cuộn dây 2b: 00000111000001110000011100

Tuần tự

-2.1.2.2 Động Cơ Lưỡng Cực.

Hình 2.3 : Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ lưỡng cực

Động cơ lưỡng cực là động cơ nam châm vĩnh cửu có 2 cuộn dây stato được đấu nối theo sơ đồ như hình 2.3 động cơ lưỡng cực có cấu tạo giống động cơ đơn cực, chỉ khác là không có phân nấc giữa các cuộn dây

Vì không có phân nấc giữa mỗi cuộn dây nên để đảo chiều từ trường tại các cặp cực stato ta phải đảo chiều dòng điện chạy qua cuộn dây tương ứng Để làm được điều này cần một cầu H (H-bridge) cho mỗi một cuộn dây Hiểu một cách ngắn gọn, cầu H là một mạch điện có tác dụng thiết lập cực tính của nguồn cấp tới mỗi đầu dây Dùng dấu + và – để chỉ cực tính của nguồn cấp tới mỗi đầu cực của cuộn dây, ta có hai tuần tự điều khiển giống với trường hợp động cơ đơn cực như sau:

Đầu cực 1a: + -+ -+ -+ -

++ ++ ++ ++ Đầu cực 1b: + -+ -+ -+- ++ ++ ++ ++

Đầu cực 2a: -+ -+ -+ -+

-++ ++ ++ ++-Đầu cực 2b: -+ -+ -+ -+

+ ++ ++ ++Tuần tự

-Nhiều chip cầu H có chân Enable dùng để kích hoạt kí hiệu ra output và chân Direction điều khiển chiều dòng điện qua chân outputđó Cần hai cầu H cho động cơ lưỡng cực, mỗi cầu cho một cuộn dây Các tuần tự điều khiển dưới đây sẽ điều khiển động cơ quay giống như các tuâng tự bên trên Enable 1 1010101010101010 1111111111111111

Direction 1 1 0 1 0 1 0 1 1100110011001100

2.1.2.3.Động Cơ Hai Dây Song song

Hình 2.4 : Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ hai song song Động cơ hai dây song song và một nam chân vĩnh cửu có 4 dây quấn stato có cấu tạo giống động cơ lưỡng cực Chỉ khác chỗ là các cực stato được quấn bởi hai dây bện song song với nhau Như vậy , động cơ này có 8 đầu cực

Trong thực tế , động cơ hai dây song song được dùng như là động cơ đơn cựchoặc độngc ơ lưỡng cực tùy thuộc vào cách đấu nối các đầu cuộn dây Hình 2 4 chỉ

ra những cách đấu nối như vậy

Để sử dụng động cơ hai dây song song như một động cơ đơn cực, hai dâyquấn của mỗi cuộn dây được mắc nối tiếp với nhau và điểm nối được sử dụng như 1điểm nấc Cuộn dây 1 trên hình 2.4 biểu diễn cách đấu nối nay

Để sử dụng động cơ hai dây song song như một động cơ lưỡng cực thì hai dâyquấn của mỗi cuộn dây được mắc song song hoặc nối tiếp với nhau Cuộn 2 trênhình 2.4 biểu diễn cách đấu song song Cuộn 1 trong hình 2.4 biểu diễn cách đấunối tiếp (bỏ qua điểm phân nấc)

Các động cơ lưỡng cực có 6 đầu ra được quấn bằng cách sử dụng hai dây bệnsong song với nhau và được đấu nối như cuộn 1 trong hình 2.4 Bởi vậy, bất cứđộng cơ lưỡng cực nào cũng có thể sử dụng như là một động cơ lưỡng cực

Khi sử dụng động cơ hai dây song song như là một động cơ đơn cực hoặclưỡng cực cần chú ý 3 điểm : giới hạn dòng điện của dây quấn, làm mát động cơtránh vận hành mạch từ của động cơ tới trạng thái bão hòa Khi động cơ chạy vớiđiện áp và dòng điện danh định thì mạch từ (tạo bởi cuộn dây và cực stato) đã gầnnhư ở trạng thái bão hòa nên khi mắc nối tiếp hai dây của một cuộn dây thì dunglượng ampe phòng sẽ tăng lên gấp đôi nhưng cũng sẽ không làm tăng nhiều từtrường của các cực từ Vì vậy, nên vận hành các cuộn dây ở một nửa dòng điệndanh định hoặc đặt điện áp danh định và giữa hai cuộn dây Nếu mốn tăng điện ápchỉ nên tăng lần

Để xác định 8 đầu cực của động cơ, dùng một vôn kê, một vôn kế xoay chiều

và một nguồn xoay chiều điện áp thấp Đầu tiên, sử dụng ôm kế để xác đinh các cặpđầu cực của mỗi dây quấn Sau đó, nối nguồn xoay chiều điện áp thấp vào mộttrong những dây quấn này, điện áp xoay chiều nên đặt dưới mức danh định củađộng cơ Tốt nhất là nên đặt dưới 1V Điện áp xoay chiều này sẽ cảm ứng lên chocác dây cuốn còn lại Dùng vôn ké xoay chiều để đo điện áp tại hai đầu cực của mỗidây quấn Với dây quấn bện song song sẽ có tín hiệu điện áp mạnh như tín hiệunguồn xoay chiều điện áp thấp Còn hai dây quấn sẽ còn lại có tín hiệu điện áp yếuhơn

2.1.2.4 Động Cơ Nhiều Pha.

Hình 2.5 : Sơ đồ đấu dây động cơ 5 pha.

Động cơ nhiều pha là động cơ nam châm vĩnh cửu có các cuộn dây stato được mắc với nhau thành một vòng nối tiếp với một điểm phân nấc ở giữa mỗi cặp cuộn dây Là loại động cơ ít phổ biến và thường chỉ sử dụng nhiều nhất trong động cơ 3 pha và 5 pha Việc điều khiển đòi hỏi cần có nửa cầu H(Half H-Bridge) cho mỗi đầu cực của động cơ Những loại động cơ này cung cấp nhiều mômen xoắn bởi vì tất cả các cuộn dây đều được cấp điện cùng một lúc( có thể có một cuộn dây không được cấp điện) trong tuần tự điều khiển Một vài động cơ 5 pha có độ phân giải góc quay cao lên tới 0.72 /bước (tức 500 bước/vòng quay)

Dưới đây là tuần tự điều khiển của động cơ 5 pha có chu kỳ 10 bước:

Đầu cực 1: +++ -+++++ -++

Đầu cực 2:

+++++ -+++++ Đầu cực 3: + -+++++ -++++

Đầu cực 4:

+++++ -+++++ -Đầu cực 5:

Tuần tự

-Cũng giống như động cơ lưỡng cực, cực tính của mỗi đầu cực được xác định bởi cầu H Chú ý rằng, tại mỗi cầu bước chỉ có một đầu cực thay đổi cực tính sự thay đổi này lấy đi năng lượng của cuộn dây nối tiếp với đầu cực đó( vì lúc này cả hai đầu cực của cuộn dây có cùng cực tính) và cung cấp năng lượng cho cuộn dây khác đang chưa hoạt động Để phân biệt động cơ 5 pha với động cơ 5 đầu cực khác , ta dùng một ôm kế Nếu điện trở của hai đầu cực liên tiếp của động cơ 5 pha là R thì điện trở giữa hai đầu cực không kề nha là 1,5R Một vài vòng động cơ 5 pha có 5 cuộn dây riêng biệt với 10 đầu ra Những cuộn dây nay có thể được đấu nối theo hình sao như trên hình 2.5 sử dụng 5 nửa cầu H Như vậy, mỗi cuộn dây được vận hành bởi một mạch cầu H hoàn chỉnh

2.1.3 Động Cơ Lai.

Hình 2.6: Mặt cắt ngang động cơ lai

Động cơ lai là một sự kết hợp giữa động cơ nam châm vĩnh cửu va động cơbiến từ trở Rôto là một nam châm vĩnh cửu với các cực bắc nam được bố trí theochu vi hình trụ của rôto hình bánh răng Stato có cấu tạo giống động cơ biến từ trởnhưng khác ở chỗ hai cuộn dây của hai pha khác nhau cùng quấn chung trên mộtcực stato và các đấu nối hai cuộn dây trên cùng một cực stato này giống với cáchđấu nối động cơ hai dây song song Mỗi một cực stato có hình dạng như các bánhrăng cách đều nhau Mômen xoắn được tạo ra bởi lực hút của từ trường nam châmvĩnh cửu và từ trường sinh ra ở stato

Cách điều khiển động cơ lai giống hệt cách điều khiển động cơ nam châmvĩnh cửu Vì vậy trong đồ án chúng em chỉ giới thiệu về cách điều khiển động cơbiến từ trở và động cơ nam châm vĩnh cửu

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

- Điều khiển đủ bước

- Điều khiển nửa bước

- Điều khiển vi bước

2.2.1 Điều Khiển Đủ Bước.

- Khi cấp điện cho từng pha thì motor sẽ dịch chuyển từng bước

- Kích một cuộn dây: tại mỗi một thời điểm chỉ có 1 cuộn dây được cấpđiện

- Kích hai cuộn dây: tại mỗi thời điểm sẽ có hai cuộn dây được cấp điện.

2.2.2 Điều Khiển Nửa Bước

-Nếu cấp đồng thời 2 pha bằng nhau thì motor sẽ dịch chuyển nửa bước

2.2.3 Điều Khiển Vi Bước.

Cùng là chế độ điều khiển nửa bước nhưng cấp nguồn cho 2 pha không bằngnhau motor sẽ dịch chuyển ít hơn nửa bước và cũng dừng lại ở giữa 2 cực abnhưng nghiêng về phía bên a hay b một chút tùy theo điện áp cấp cho pha nào caohơn

2.3 CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG.

2.3.1 Khái Niệm.

Cảm biến dò đường được hiểu cơ bản là một hệ thống giác quan của robot.Robot cần xác định trạng thái môi trường bên ngoài (như vật cản , màu sắc của cácvật, ) để gửi trạng thái môi trường tới bộ xử lý rồi đưa ra các phản ứng điều khiểnrobot để đối phó với các điều kiện bên ngoài

2.3.2 Các Loại Cảm Biến.

Trong kỹ thuật robot thường dùng những cảm biến như:

- Led hồng ngoại (bộ thu phát hồng ngoại).

- Quang điện trở (PHOTORESISTANCE) : cds hoặc cdse

- Tế bào quang điện

- Cammera số trong công nghệ xử lý hình ảnh

- Cảm biến siêu âm

Trong nội dung đồ án ở chúng em chỉ giới thiệu về cảm biến thông dụng nhất,

đó là led hồng ngoại: cảm biến đóng vai trò như “mắt” của robot có khả năng nhậnbiết môi trường xung quanh(vạch trắng, chướng ngại vật) để có biện pháp xử lý

là chân cathode Lưu ý dòng qua led là từ 5mA đến 20mA và điện áp rơi vàokhoảng 1,7V đến 2,4V

Đối với led thu hồng ngoại (photodiode) có cấu tạo là một loại bán dẫn đơngiản nhưng vỏ có gắn thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mặt tiếp giáp.Photodiode có đặc điểm là một loại diode làm việc theo chế độ nghịch lưu, dòngnghịch lưu qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào Khi ánhsáng chiếu qua diode tăng thì dòng nghịch lưu qua nó cũng tăng theo

Chế độ hoạt động như hình 2.9 có thể thấy khi led phát tia hồng ngoại chiếuánh sáng hồng ngoại tới gặp vật cản thì tia hồng ngoại sẽ bị dội ngược trở lại, và khi

đó đầu thu detector sẽ nhận được một lượng ánh sáng hồng ngoại bị bắt ngược trở

về, và truyền tín hiệu tới mạch xử lý, tín hiệu thu được ở đầu ra cảm biến thu được

là tín hiệu tương tự, để vi điều khiển có thế xử lý được tín hiệu này thì tín hiệu thucần thông qua bộ khuếch đại so sánh Lượng tín hiệu thu được phụ thuộc rất nhiềuvào độ bóng , màu sắc của bề mặt phản xạ Độ bóng càng lớn, màu càng sáng thì độphản xạ càng nhiều, tín hiệu thu được càng lớn và ngược lại

Hình 2.9: Cơ chế hoạt động.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Với những tiêu chí công nghệ và chức năng chính của xe mô hình ta có sơ đồkhối của hệ thống điều khiển sau:

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ bước

3.1.1 Khối Điều Khiển.

Khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ lấy dữ liệu từ khối sensor để có đượctrạng thái hiện tại của hệ thống và xử lí thông tin thu được từ đó đưa ra các tín hiệu

KHỐI ĐIỀU KHIỂN

(LCD)

KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

(Module L298 V3)

ĐỘNG CƠ BƯỚC KHỐI BÀN

PHÍM

điều khiển cho động cơ, đồng thời thông báo cho khối hiển thị cho người quan sátthấy trạng thái hoạt động của hệ thống Việc hoạt động có nhịp nhàng hay không,tốt hay không phụ thuộc vào khối điểu khiển này Việc xây dựng khối điều khiểncho hệ thống , chúng em đưa ra là lựa chọn vi điều khiển.

Có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau để điều khiển cho bài toán Đối với

họ vi điều khiển 8051 về cơ bản là dễ tiếp cận và thao tác đễ dàng hơn Tuy nhiênkhi sử dụng vi điều khiển để điều khiển động cơ chúng ta cần tính đến tín hiệu điềuchế độ rộng xung PWM để thay đổi tốc độ động cơ Về mặt này, nếu sử dụng họ viđiều khiển 8051 , do không hỗ trợ bộ phận phát tín hiệu PWM nên ta phải thiết kếmạch điều chế độ rộng xung bên ngoài Phần này làm tăng độ phức tạp cho mạchcũng như kém sự nhỏ gọn Ngoài ra khó đảm bảo độ chính xác

Do đó yêu cầu bài toán đặt ra là càng nhỏ gọn càng tốt, nên chúng em đã lựachọn họ vi điều khiển AVR Với AVR mặc dù khó tiếp cận hơn , tuy nhiên đây đâycũng là cơ hội để tìm hiểu về AVR, do ứng dụng của AVR tương đối lớn và có tốc

độ xử lý tương đối cao AVR có nhiều loại như Atmega8, 8L, 16, 16L, 32, 128 Tùy vào từng yêu cầu bài toán đặt ra mà ta sử dụng loại nào cho phù hợp Đối với

đề tài này, do yêu cầu bộ nhớ và số chân Do đó nhóm lựa chọn sử dụng Atmega16

3.1.1.1 Giới Thiệu Chung Về ATmega16.

Hình 3.2: Ảnh của ATmega16

ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC Với khả năng thựchiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ1MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz)

ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trongkhi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năngchung, 32 đường vào ra chung, 3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại,USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit, ATmega 16 hỗ trợ đầy đủcác chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, macroassemblers, chương trình mô phỏng,sửa lỗi, kit thử nghiệm

- Dưới đây là sơ đồ khối của Atmega16:

Hình 3.3: Sơ đồ khối của Atmega16

- Sơ đồ chân:

Hình 3.4: Sơ đồ chân Atmega16.

 Port D (PD): Port D gồm 8 chân (từ chân 14 đến 21):chưc năng xuất nhập

 Chân RESET(RST): Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiếtlập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trịban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy.

 Chân XTAL1 và XTAL2 : Hai chân này có vị trí chân là 12 và 13 được sửdụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nốivới thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định

 Chân AVCC : Nguồn cấp cho cổng A và bộ chuyển đổi ADC , chân nàynên được nối với nguồn cấp VCC bên ngoài , ngay cả khi bộ chuyển đổi ADCkhông được sử dụng Nếu bộ chuyển đổi ADC không được sử dụng , chân AVCCnên được nối với nguồn qua bộ lọc

 Chân AREF : AREF là chân chuẩn analog cho bộ chuyển đổi ADC

- Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển:

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Atmega16

3.1.1.2 Cấu Trúc Nhân AVR Của ATmega16.

CPU của AVR có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác của các chươngtrình Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán,

 Cấu trúc tổng quát :

Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc CPU của Atmega16

AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình

và dữ liệu Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock Bộ nhớchương trình được lưu trong bộ nhớ Flash

ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung Các phép toánđược thực hiện trong một chu kỳ xung clock Hoạt động của ALU được chia làm 3loại: đại số, logic và theo bit

 Thanh ghi trạng thái :

Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phéptính số học và logic

Hình 3.7: Thanh ghi trạng thái SREG

C: Carry Flag ;cờ nhớ (Nếu phép toán có nhớ cờ sẽ được thiết lập).

Z: Zero Flag ;Cờ zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0)

N: Negative Flag (Nếu kết quả của phép toán là âm)

V: Two’s complement overflow indicator (Cờ được thiết lập khi tràn số bù 2V)For signed tests (S=N XOR V) S: N

H: Half Carry Flag (Được sử dụng trong một số toán hạng sẽ được chỉ rõ sau)

T: Transfer bit used by BLD and BST instructions (Được sử dụng làm nơichung gian trong các lệnh BLD,BST)