a) Thiết kế khối mạch vi điều khiển: Lựa chọn vi điều khiển:
Để đáp ứng đƣợc một vài yêu cầu thiết kế trên thì có rất nhiều vi điều khiển có thể đƣợc chọn. Tuy nhiên cần phải xét thêm hai yếu tố là giá thành và ứng dụng. Với mục tiêu là tạo ra máy khắc laser với chi phí thấp và đƣợc sử dụng ở các đơn vị làm việc liên quan đến việc cắt khắc trên các chất liệu nhƣ gỗ, giấy, mica,… việc chọn một vi điều khiển với giá thành thấp mà vẫn đáp ứng đƣợc nhu cầu điều khiển là cần thiết. Ngoài ra, vi điều khiển cần có một bộ nhớ chƣơng trình (Flash) lớn để chứa chƣơng trình điều khiển và bộ nhớ RAM lớn, đủ để chứa các biến tạm thời trong quá trình chƣơng trình làm việc.
Có thể kể đến một số vi điều khiển phổ biến nhƣ ATmega8, ATmega328P, PIC16F887.
Tên vi điều khiển Một vài đặc trƣng Ƣu điểm Nhƣợc điểm
ATmega8 Vi điều khiển 8bit.
Có 8KB Flash, 512B EEPROM,
1KB SRAM.
Có 3 kênh PWM.
Có hỗ trợ UART.
28 chân với gói PDIP.
Giá thành thấp và dễ tìm kiếm. Bộ nhớ khá ít và chỉ dùng trong dân dụng.
PIC16F887 Vi điều khiển 8bit.
Có 16KB Flash, 368B EEPROM,
256B SRAM.
Có 4 kênh PWM.
Có hỗ trợ UART.
40 chân với gói PDIP.
Giá thành trung bình và dễ tìm kiếm. Hoạt động ổn định trong thời gian dài. Bộ nhớ khá ít.
ATmega328P Vi điều khiển 8bit.
Có 32KB Flash, 1KB EEPROM,
2KB SRAM.
Có 6 kênh PWM.
Có hỗ trợ UART.
28 chân với gói PDIP.
Giá thành trung bình và dễ tìm kiếm. Bộ nhớ nhiều. Chỉ dùng trong dân dụng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39
Có thể thấy đƣợc ATmega328P cân bằng về nhiều mặt: bộ nhớ nhiều, số kênh PWM nhiều, có hỗ trợ UART và số chân không quá nhiều. Bên cạnh đó với giá thành không quá cao, dễ tìm kiếm và việc sử dụng vi điều khiển ATmega328P để điều khiển máy khắc mà không cần vận hành liên tục trong nhiều giờ thì vi điều khiển này đảm bảo đƣợc những yêu cầu đƣợc đề ra.
Thiết kế khối mạch vi điều khiển:
Hình 3.2: Khối mạch vi điều khiển
Nối hai chân XTAL1 (PB6) và XTAL2 (PB7) lần lƣợt vào hai đầu của thạch anh 16MHz và mắc một điện trở 1MΩ vào giữa hai chân này. Mắc thêm hai tụ 22pF vào hai đầu của thạch anh để tạo thành mạch dao động.
Chân AREF nối vào tụ 100nF và đầu còn lại của tụ nối xuống đất.
Chân VCC và AVCC nối vào nguồn cấp VCC, mắc thêm tụ lọc nhiễu nguồn 100nF giữa chân VCC và chân GND.
Để có thể reset vi điều khiển khi mới cấp nguồn hoặc khi có sự cố, mạch reset bằng nút nhấn là cần thiết. Giá trị của điện trở là 10kΩ, tụ là 22pF, kết nối với chân PC6 của vi điều khiển nhƣ hình trên. Đồng thời nút reset vi điều khiển này còn đóng vai trò là nút E-
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40
STOP cho chƣơng trình của mạch điều khiển máy khắc laser. Tín hiệu DTR của khối giao tiếp cũng đƣợc kết nối vào chân PC6 để khi nạp chƣơng trình từ Arduino IDE thì sẽ tự động reset vi điều khiển.
Các chân PC0, PC1 và PC2 lần lƣợt kết nối với các nút nhấn RESET/ABORT, FEED HOLD và RESUME của khối nút nhấn.
Chân PD0 và PD1 lần lƣợt kết nối với TX và RX của khối giao tiếp.
Chân PD2, PD3, PD5, PD6 và PB0 lần lƣợt tƣơng úng với các tín hiệu STEPX, STEPY, DIRX, DIRY và ENABLE. Đây là các chân cấp xung điều khiển cho khối điều khiển động cơ bƣớc.
Chân PB1 và PB2 nhận tín hiệu từ công tắc hành trình LIMX và LIMY. Chân PB3 là chân cấp xung điều khiển cho khối điều khiển laser.
b) Thiết kế khối mạch giao tiếp:
Lựa chọn IC cho khối mạch giao tiếp:
Hiện nay có nhiều loại IC hỗ trợ chuyển đổi USB sang UART có thể kế đến nhƣ CH340G, FT232RL, CP2102 và PL2303HX.
Tên IC Một vài đặc trƣng Ƣu điểm Nhƣợc điểm
CH340G Giao diện USB với tốc độ đầy đủ, theo
chuẩn USB 2.0, chỉ cần thạch anh và tụ điện.
Mô phỏng giao diện cổng nối tiếp tiêu chuẩn.
Giao diện nối tiếp song công, hỗ trợ tốc độ giao tiếp thay đổi từ 50bps đến 2Mbps.
Có thể cấp nguồn 5V hoặc 3.3V.
Hỗ trợ các tín hiệu điều khiển dòng dữ liệu UART nhƣ RTS, DTR, DCD, RI, DRS và CTS. Sử dụng driver CH341. Dễ tìm kiếm và giá thành rẻ. Chỉ hỗ trợ chuyển đổi USB sang UART. Cần có driver.
FT232RL Hỗ trợ chuyển đổi USB sang UART.
Hỗ trợ tốc độ Baud từ 300bps đến 3Mbps.
Tích hợp sẵn thạch anh.
Giao diện USB với tốc độ đầy đủ, theo chuẩn USB 2.0.
Tích hợp bộ nhớ EEPROM 1024bit lƣu
trữ bộ mô tả thiết bị và cấu hình CBUS I/O. IC chuyên dụng, hỗ trợ nhiều công nghệ mới. Khó tìm kiếm và giá khá cao.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41 Tiếu tốn băng thông USB thấp.
Sử dụng điện áp 3.3V đối vói thạch anh ngoại, 5.25V với thạch anh nội.
CP2102 Hỗ trợ chuyển đổi USB sang UART.
Hỗ trợ tốc độ Baud từ 300 bps đến 1Mbps.
Tích hợp sẵn thạch anh.
Tích hợp bộ nhớ EEPROM 1024bit
cho ID nhà cung cấp, ID sản phẩm, số se-ri, chuỗi mô tả sản phẩm…
Giao diện USB với tốc độ đầy đủ (12Mbps), theo chuẩn USB 2.0.
Bộ ổn áp trong chip 3.3V. IC chuyên dụng, hỗ trợ nhiều công nghệ mới Khó tìm kiếm và giá khá cao.
PL2303HX Hỗ trợ chuyển đổi USB sang UART.
Hỗ trợ tốc độ Baud từ 75bps đến 6Mbps.
Giao diện USB với tốc độ đầy đủ, theo chuẩn USB 2.0. Sử dụng thạch anh ngoại 12Mhz. Bộ ổn áp trong chip 3.3V. Giá thành rẻ. Khó tìm kiếm.
Bảng 3.2 Một số loại IC chuyển đổi USB sang UART.
Nhờ vào bảng trên, ta có thể thấy rằng IC CH340G dễ tìm kiếm giá thành rẻ là do nó chỉ chuyển đổi USB sang UART, đúng với yêu cầu đặt ra là chỉ chuyền dữ liệu từ máy tính sang máy khắc và ngƣợc lại. Nên việc chọn sử dụng IC CH340G là hợp lý.
Thiết kế khối mạch giao tiếp:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42
Nối chân D+ và D- của IC CH340G trực tiếp vào D+ và D- của USB vì bên trong CH340G có điện trở nội kéo lên ở hai chân D+ và D-.
Hai chân XI và XO nối với hai đầu thạch anh. CH340G sử dụng thạch anh 12MHz và mắc thêm 2 tụ 22pF ở hai đầu thạch anh để tạo thành mạch dao động.
Sử dụng nguồn 5V từ cổng USB của máy tính cấp cho CH340G nên nối nguồn 5V vào chân VCC, mắc tụ 0.1µF để lọc nhiễu nguồn cho CH340G. Chân V3 thì nối với tụ có giá trị từ 4.7-20nF xuống đất.
Hai chân TX và RX của CH340G thì nối lần lƣợt với hai chân RX (PD0) và TX (PD1) của vi điều khiển ATmega328P thông qua điện trở 1kΩ.
Chân DTR thì nối với chân RESET (PC6) của vi điều khiển thông qua tụ 100nF. Mục đích là để khi nạp code bằng Arduino IDE thì phần mềm sẽ phát tín hiệu để reset vi điều khiển.
Chân VCC của USB đi qua cầu chì tự hồi phục MSMF050-2 (15V, 0.5A). Mục đích là bảo vệ cổng USB nếu nhƣ có dòng ngƣợc chạy vào cổng USB hoặc các chân I/O của vi điều khiển chập vào nhau gây hiện tƣợng quá dòng.
Sử dụng một LED để làm đèn báo khi có nguồn cấp vào. c) Thiết kế khối mạch điều khiển động cơ bƣớc:
Lựa chọn IC cho khối mạch điều khiển động cơ bƣớc:
Để lựa chọn đƣợc IC điều khiển động cơ bƣớc phù hợp thì cần phải dựa vào động cơ bƣớc đƣợc sử dụng trong đề tài. Với yêu cầu 1 động cơ bƣớc trục X và 2 động cơ bƣớc trục Y thì động cơ bƣớc trục X phải đủ mạnh để kéo đƣợc đầu khắc laser và di chuyển trên trục X, còn 2 động cơ bƣớc trục Y phải đủ mạnh để kéo đƣợc cả trục X di chuyển trên trục Y.
Để có đƣợc sự đồng bộ của 2 động cơ trục Y (đối xứng nhau) thì có thể dùng một mạch điều khiển động cơ bƣớc điều khiển cả 2 động cơ một lúc (mắc song song 2 động cơ).
Ta chọn sử dụng động cơ bƣớc 2 pha lƣỡng cực Nema17 42x42mm cho trục X với mã hiệu 17HS1538. Với một vài thông số nhƣ sau:
Điện áp hoạt động: 12-24VDC. Dòng điện tối đa 1 pha: 1.7A.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43
Với trục Y, nhóm sử dụng động cơ mang số hiệu STP-43D1036. Động cơ này yếu hơn động cơ Nema17 dùng cho trục X nhƣng vì cả hai động cơ cùng chạy đối xứng với nhau nên vẫn đủ mạnh để kéo trục X.
Sau khi chọn động cơ bƣớc xong, ta chọn IC điều khiển cho phù hợp. Có nhiều IC điều khiển động cơ bƣớc có thể tìm kiếm hiện nay.
Tên IC Một vài đặc trƣng Ƣu điểm Nhƣợc
điểm A3967 Điều khiển động cơ bƣớc lƣỡng cực 2
pha.
Điều khiển động cơ 7-30V và dòng điện tối đa 1 pha là 750mA.
Có các chế độ vi bƣớc: toàn phần, bán phần, 1/4 bƣớc và 1/8 bƣớc.
Có các chế độ điều khiển dòng điện trên tải: Mixed decay, Slow decay và Fast decay.
Có các mạch bảo vệ.
Giá thành thấp và
dễ tìm kiếm. Dòng điện trên 1 pha
thấp và
chế độ vi bƣớc chỉ
đến 1/8
bƣớc.
A4988 Điều khiển động cơ bƣớc lƣỡng cực 2 pha.
Điều khiển động cơ 8-35V và dòng điện tối đa 1 pha là 2A.
Có các chế độ vi bƣớc:toàn phần, bán phần, 1/4 bƣớc, 1/8 bƣớc và 1/16 bƣớc.
Có các chế độ điều khiển dòng điện trên tải: Mixed decay và Slow decay.
Có các mạch bảo vệ. Giá thành thấp và dễ tìm kiếm. Dòng điện trên 1 pha lớn hơn và chế độ vi bƣớc đến 1/16 bƣớc. Chỉ có gói QFN nên khó hàn.
TB6560 Điều khiển động cơ bƣớc 2 pha, 4 pha, 4
dây và 6 dây.
Điều khiển động cơ 5-34V và dòng điện tối đa 1 pha là 3A.
Có các chế độ vi bƣớc:toàn phần, bán phần, 1/8 bƣớc và 1/16 bƣớc.
Có các chế độ điều khiển dòng điện trên tải: 0%, 25%, 50% và 100% Decay.
Có các mạch bảo vệ.
Điều khiển nhiều loại động cơ. Dòng điện trên 1 pha lớn và chế độ vi bƣớc đến 1/16 bƣớc. Dễ tìm kiếm. Giá thành cao, kích thƣớc lớn.
Bảng 3.3 Một số loại IC điều khiển động cơ bước.
Có thể thấy đƣợc rằng IC A4988 phù hợp với yêu cầu điều khiển động cơ bƣớc. Tuy nhiên vì là IC gói QFN, không thể tự hàn đƣợc, nên phải sử dụng dạng module.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44
Vì sử dụng dạng module của A4988 nên chỉ cần lấy các chân cần sử dụng của module.
Hình 3.4: Khối mạch điều khiển động cơ bước trục X
Hình 3.5: Khối mạch điều khiển động cơ bước trục Y
Vì sử dụng module A4988 có sẵn nên mạch rất đơn giản.
Chân VDD thì nối với nguồn cấp VCC (5V), chân VMOT thì nối với nguồn cấp VIN (12V). Mắc thêm tụ lọc nguồn 47µF từ chân VMOT xuống đất.
Chân SLEEP và chân RESET nối chung với nhau, vì trong module chân SLEEP có một điện trở 100kΩ kéo lên, nên hai chân SLEEP và RESET sẽ đƣợc đƣa lên mức cao.
Ba chân MS1, MS2 và MS3 đƣợc đƣa ra hàng rào 3x2 với 3 chân hàng rào đƣợc nối vào VCC. Bên trong IC A4988, hai chân MS1 và MS3 có điện trở nội 100kΩ kéo xuống,
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45
và chân MS2 có điện trở nội 50kΩ kéo xuống. Sử dụng jumper nối các chân này lên mức cao để chọn các chế độ điều khiển vi bƣớc khác nhau.
Bốn chân 1B, 1A, 2A và 2B đƣợc nối với connector 4 chân để nối với động cơ bƣớc.
Chân DIR, STEP và ENABLE kết nối với vi điều khiển để nhận tín hiệu điều khiển. d) Thiết kế khối mạch điều khiển laser
Để điều khiển laser, mạch điều khiển phải đáp ứng đƣợc:
Dòng điện cấp cho laser phải ổn định.
Điện áp phân cực cho laser không vƣợt quá 4.6V.
Mạch điều khiển có thể điều chỉnh đƣợc công suất để phù hợp với công suất của laser diode đƣợc sử dụng.
Sử dụng module driver laser có sẵn đi kèm khi mua đầu khắc laser.
Hình 3.6: Mạch điều khiển laser
Module có chức năng:
Nhận điện áp ngõ vào 8-14VDC (nên cấp 12VDC) thông qua jack nguồn DC hoặc header XH2.54. Qua mạch giảm áp DC-DC, điện áp ngõ ra có thể đƣợc điều chỉnh thông qua biến trở chỉnh điện áp nhƣ trên hình và cung cấp dòng điện không đổi 3A.
Ngõ vào TTL sẽ nhận xung điều khiển từ mạch điều khiển, biến đổi xung điều khiển thành điện áp cấp cho đầu khắc laser thông qua header ngõ ra cấp nguồn cho laser.
Ngõ ra cấp nguồn cho quạt sẽ cung cấp điện áp 12VDC cho quạt làm mát gắn trên đầu khắc laser.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 46
Chiết áp chỉnh dòng sẽ thay đổi dòng điện cấp cho laser từ đó thay đổi đƣợc công suất ngõ ra. Module này có công suất ngõ ra từ 0.2W đến 3W.
e) Thiết kế khối nút nhấn và công tắc hành trình
Hình 3.7: Khối nút nhấn
Ba nút nhấn đƣợc nối vào các chân PC0, PC1 và PC2 của vi điều khiển. Sử dụng điện trở nội kéo lên ở Port C của ATmega328P nên có thể nối trực tiếp nút nhấn vào chân của vi điều khiển.
Hình 3.8: Khối công tắc hành trình
Sử dụng tiếp điểm NO của công tắc hành trình kết nối vào header 2 chân, một chân header thì nối xuống đất, chân còn lại thì đi vào vi điều khiển.
Sử dụng điện trở nội kéo lên của Port B của vi điều khiển, ta có thể nối công tắc hành trình trực tiếp vào vi điều khiển. Nhƣng việc sử dụng công tắc hành trình phải đấu dây dài vì công tắc nằm trên máy làm cho tín hiệu không , nên có thể sử dụng một điện
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47
trở 4.7kΩ kéo lên và tụ lọc nhiễu 100nF giữa hai chân header trƣớc khi đƣa tín hiệu vào vi điều khiển.
f) Thiết kế khối nguồn
Hình 3.9: Khối nguồn
Sử dụng IC LM1117 để chuyển đổi điện áp từ 12V của adapter xuống 5V để cấp cho vi điều khiển và driver động cơ bƣớc. Sử dụng tụ phân cực để lọc nguồn ở ngõ vào và ra của IC ổn áp và một tụ lọc nhiễu ở ngõ ra. Sử dụng led để làm đèn báo khi cấp nguồn cho mạch, mắc điện trở 1kΩ nối tiếp với led để bảo vệ led không bị chết vì quá điện áp làm việc.
Lúc này, có hai trƣờng hợp cấp nguồn cho mạch là cấp nguồn bằng cổng USB và cấp nguồn bằng cả adapter và USB. Trƣờng hợp thứ nhất, chỉ cấp nguồn thông qua cổng USB để nạp code cho vi điều khiển. Trƣờng hợp thứ hai, khi mạch hoạt động cần phải cấp nguồn từ adapter để cấp cho driver động cơ bƣớc và driver laser hoạt động (VIN = 12V) và đồng thời sử dụng cổng USB để truyền dữ liệu từ máy tính đến mạch điều khiển.
Trong trƣờng hợp thứ 2, sẽ có đến 2 nguồn cấp vào mạch vì vậy cần phải lựa chọn một trong hai nguồn để nuôi mạch. Ƣu tiên chọn nguồn từ adapter vì nguồn từ adapter sẽ ổn định hơn nguồn từ cổng USB để hoạt động lâu dài. Để làm nhƣ vậy, sử dụng hai diode 1N4001, trong đó hai nguồn cấp VUSB từ cổng USB và VOUT từ ngõ ra của mạch ổn áp sẽ lần lƣợt vào hai đầu anode của hai diode, đầu cathode của hai diode nối chung và gọi là VCC, cấp cho mạch điều khiển.