Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC.
Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều rất đa dạng và trong hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống như trong tivi, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, máy công nghiệp, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn (vd: trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...)
Mô hình trong đề tài này sử dụng loại động cơ 1 chiều giảm tốc 3-9VDC cho ứng dụng điều khiển rèm.
Hình 2.22 Động cơ 1 chiều giảm tốc 3-9VDC
Thông số kĩ thuật:
Điện áp hoạt động: 3V ÷ 9V DC (Hoạt động tốt nhất từ 6 ÷ 8V).
Mômen xoắn cực đại: 800gf cm min 1:48 (3V).
Tốc độ không tải: 125 Vòng/ 1 Phút (3V) (Với bánh 66mm: 26m/1p). 208 Vòng/ 1 Phút (5V) (Với bánh 66mm: 44m/1p).
Dòng không tải: 70mA (250mA MAX). 2.5.10 Module điều khiển động cơ L298
L298 là một mạch tích hợp được ứng dụng để điều khiển động cơ 1 chiều, động cơ bước. Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diode bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp <12VDC).
28 Mạch điều khiển động cơ DC L298 dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt, là sự lựa chọn tối ưu trong tầm giá.
Hình 2.23 Module L298
Thông số kĩ thuật [17]:
Tích hợp hai mạch cầu H.
Điện áp điều khiển: 5 V ÷ 12 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (2A cho mỗi motor)
Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ÷ +7 V
Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ÷ 36mA
Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75℃)
Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ÷ 130 ℃
Kích thước: 43 x 43 x 27mm Nguyên lí hoạt động:
Hình 2.24 Sơđồ nguyên lí L298
Cần cấp nguồn cho mạch để mạch hoạt động. Chân IN1, IN2, IN3, IN4 được kết nối tới vi điều khiển. Chân OUT1 và OUT2 được kết nối với động cơ 1, chân OUT3 và OUT4 được kết nối với động cơ 2. Chân ENA và ENB mặc định ở mức HIGH cho phép cả 2 output hoạt động.
Q1
Q3
Q2
29 - Khi IN1 ở mức LOW và IN2 ở mức HIGH: trạng thái đóng hay hở của các transitor phụ thuộc vào tín hiệu đầu ra của bộ AND là HIGH hay LOW. Do đó, phía IN1 có transistor Q1 hở và Q3 đóng, phía IN2 có transistor Q2 đóng và Q4 hở. Như vậy, có dòng điện từ nguồn qua Q2, sau đó chạy qua động cơ đến Q3 và chạy xuống mass. Lúc này động cơ quay thuận.
- Khi IN1 ở mức HIGH và IN2 ở mức LOW: phía IN1 có transistor Q1 đóng và Q3 hở, phía IN2 có transistor Q2 hở và Q4 đóng. Do đó, có dòng điện từ nguồn qua Q1, sau đó chạy qua động cơ đến Q4 và chạy xuống mass. Lúc này động cơ quay nghịch.
- Khi cả hai IN1 và IN2 cùng ở mức LOW: transistor Q3, Q4 đóng, Q1 và Q2 hở. Dòng điện từ nguồn không đi xuống mass nên động cơ không quay. - Khi cả hai IN1 và IN2 cùng ở mức HIGH: transistor Q1, Q2 đóng, Q3 và Q4 hở. Dòng điện từ nguồn không đi xuống mass nên động cơ không quay. - Nguyên lí điều khiển động cơ thứ 2 tại các chân OUT3 và OUT4 từ các tín
hiệu đầu vào IN3, IN4 là hoàn toàn tương tự. 2.5.11 Động cơ servo SG90
Động cơ servo là loại thiết bị điện từ sử dụng cơ chế phản hồi âm để chuyển đồi tín hiệu điện thành chuyển động có kiểm soát. Về cơ bản, các động cơ servo hoạt động như các bộ truyền động cung cấp khả năng kiểm soát chính xác về vận tốc, gia tốc, vị trí tuyến tính hoặc góc. Có 2 loại động cơ servo chính là DC servo và AC servo.
Trong khuôn khổ đề tài này, động cơ servo DC 5V loại SG90 được sử dụng cho ứng dụng điều khiển cửa sổ.
Hình 2.25 Động cơ servo SG90
Thông số kĩ thuật của động cơ servo SG90 [18]:
Khối lượng: 9g
Kích thước: 22.2 x 11 x 8.32 mm
Momen xoắn: 1.8 kg/cm
Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
Điện áp hoạt động: 4.8V (~5V)
Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC ÷ 55ºC
Dòng tiêu thụ ở chế độ nghỉ: 6 ÷ 10 mA
30 Động cơ servo hoạt động dựa trên hệ thống vòng kín tự động. Bộ điều khiển bao gồm một bộ so sánh và phản hồi. Nó có 1 đầu ra và 2 đầu vào. Để tạo ra tín hiệu đầu ra, bộ so sánh được sử dụng để so sánh tín hiệu tham chiếu cần thiết và tín hiệu đầu ra này được cảm biến cảm nhận. Tín hiệu đầu vào cho động cơ được gọi là tín hiệu phản hồi. Trên cơ sở tín hiệu phản hồi, động cơ bắt đầu hoạt động. Tín hiệu so sánh được gọi là tín hiệu logic của động cơ. Động cơ sẽ bật trong thời gian mong muốn khi chênh lệch logic cao hơn và động cơ sẽ tắt trong thời gian mong muốn khi chênh lệch logic thấp hơn.
Các động cơ servo thường được điều khiển bằng phương pháp Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse width modulation). Xung độ rộng được thay đổi trong phạm vi từ 1 đến 2 mili giây và chuyển sang động cơ servo với việc lặp lại 50 lần trong 1 giây để điều khiển vị trí góc của trục quay. Với xung 1 mili giây, động cơ servo được quay về 0𝑜 trong khi với xung 2ms, động cơ quay đến góc 180𝑜.
31
CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Các phần trình bày ở các chương trước đã đưa ra được tổng quan về đề tài, cơ sở lý thuyết về các linh kiện cũng như các chuẩn truyền thông liên quan đến hệ thống. Chương này sẽ trình bày về sơ đồ nguyên lý cũng như hoạt động của toàn bộ hệ thống và việc tính toán thiết kế các khối trong hệ thống cùng với việc thi công mô hình phần cứng hoàn chỉnh.
3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Sơ đồ nguyên lí của cả hệ thống được thể hiện trong hình dưới (Sơ đồ này chưa có khối nguồn. Khối nguồn sẽ được tính toán thiết kế riêng và được trình bày ở mục 3.2 của chương này).
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lí hệ thống
Hệ thống bao gồm các khối sau: 1. Khối điều khiển
2. Khối cảm biến và khối xác thực người dùng 3. Khối hiển thị
4. Khối điều khiển đèn 5. Khối điều khiển rèm 6. Khối điều khiển cửa sổ 7. Khối bluetooth
32 Việc tính toán thiết kế chi tiết cho từng khối được trình bày trong mục 3.2 của chương này.
3.2 Tính toán thiết kế từng khối
3.2.1 Khối điều khiển
Đề tài này sử dụng vi điều khiển trung tâm là kit STM32F103C8T6 đóng vai trò truyền nhận tín hiệu với các các cảm biến cho các ứng dụng cho phép đăng nhập bằng vân tay, giám sát nhiệt độ lớp học..., nhận tín hiệu điều khiển từ ứng dụng điện thoại để điều khiển các cơ cấu chấp hành như động cơ, đèn.
Kit STM32F103C8T6 được cấp nguồn 5VDC từ adapter vào chân 5V. Điện áp cấp 5VDC sẽ được chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn và cấp cho Vi điều khiển chính. Kit sử dụng thạch anh nội 8MHz được tích hợp sẵn. Chi tiết kết nối giữa kit STM32F103C8T6 và các khối khác trong hệ thống được thể hiện trong hình dưới:
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển
Việc kết nối giữa khối điều khiển trung tâm với các ngoại vi được trình bày cụ thể như sau:
Chân A0, A1 của vi điều khiển (ADC) được kết nối lần lượt với chân tín hiệu của cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến đo dòng ACS712.
Chân A2, A3 của vi điều khiển (TXD, RXD) được kết nối tương ứng với chân RXD, TXD của cảm biến vân tay R305.
Chân A4, A5, A6 của vi điều khiển (các chân ngắt ngoài) được kết nối lần lượt với chân tín hiệu của cảm biến mưa và 2 công tắc hành trình.
Chân B0, B1 của vi điều khiển (các chân Output) được kết nối lần lượt với các chân tín hiệu đầu vào IN2, IN1 của module rơ le.
Chân B7 của vi điều khiển (SDA) được kết nối với chân SDA của module chuyển đổi I2C.
Chân B6 của vi điều khiển (SCL) được kết nối với chân SCL của module chuyển đổi I2C.
33
Chân B5, B4 của vi điều khiển (chân ngắt Timer chế độ tạo xung PWM) được kết nối với các chân tín hiệu của 2 động cơ servo.
Chân A10, A9 của vi điều khiển (RXD, TXD) được kết nối tương ứng với chân TXD, RXD của module bluetooth HC06.
Chân B15, B14, B13, B12 của vi điều khiển (các chân Output) được kết nối lần lượt với các chân tín hiệu đầu vào IN1, IN2, IN3, IN4 của module điều khiển động cơ L298.
3.2.2 Khối cảm biến
3.2.2.1. Cảm biến nhiệt độ LM35
Đề tài này sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 cho ứng dụng giám sát nhiệt độ của lớp học. Cảm biến LM35 giao tiếp với vi điều khiển bằng cách đưa ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại chân Vout (chân ở giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ. Tín hiệu này được đưa vào bộ ADC được tích hợp sẵn của vi điều khiển và đầu ra dạng digital để xử lý. Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 hiệu điện thế 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa bằng các chân được gắn tương ứng trên vi điều khiển sẽ thu được nhiệt độ hiện tại.
Sơ đồ kết nối giữa cảm biến nhiệt độ LM35 và vi điều khiển trung tâm như sau:
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối của cảm biến LM35
Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35:
Ở đề tài tốt nghiệp này, vi điều khiển được sử dụng là STM32F103 với bộ ADC 12 bit. Công thức tính nhiệt độ dựa vào hiệu điện thế đầu ra của LM35 như sau: Ta có: u = t * k
Trong đó u: điện áp đầu ra (mV)
t: nhiệt độ môi trường đo (°C)
k: là hệ số theo nhiệt độ của LM35, 10mV/1°C
Điện áp tham chiếu cho LM35 Vref là 3.3V, bộ giải mã ADC sử dụng 12bit, thì bước thay đổi của LM35 sẽ là 3.3/(212) = 3.3/4096. Giá trị ADC đo được thì điện
34 áp đầu vào của LM35 là: u = (t*k)/(3.3/4096) = ((10−2)* 4096*t)/3.3 = 12.41 *t. Vậy nhiệt độ ta đo được t = (giá trị ADC) / 12.41.
Sai số của LM35:
+ Tại 0°C thì điện áp của LM35 là 10mV + Tại 150°C thì điện áp của LM35 là 1.5V
==> Dải điện áp ADC biến đổi là 1.5 - 0.01 = 1.49 (V) + ADC 12 bit nên bước thay đổi của ADC là: n = 0.81mV Vậy sai số của hệ thống đo là: Y = 0.00081/1.49 = 0.054%
3.2.2.2. Cảm biến đo dòng ACS712
Cảm biến đo dòng ACS712 được sử dụng cho ứng dụng đo dòng điện xoay chiều từ các thiết bị điện (điều hòa, máy chiếu) để phát hiện tín hiệu bật tắt các thiết bị đó để phục vụ cho việc điều khiển hệ thống. Cụ thể, khi các thiết bị này tắt, dòng điện ra = 0, ngược lại, khi trong chế độ hoạt động, giá trị dòng này > 0.
Việc lấy các tín hiệu này nhằm mục đích xây dựng các kịch bản tự động cho lớp học:
- Kịch bản 1: Khi có tín hiệu bật điều hòa, hệ thống điều khiển 2 cửa sổ đóng 1 cách tự động để tiết kiệm điện.
- Kịch bản 2: Khi có tín hiệu bật máy chiếu, hệ thống điều khiển đèn và rèm ở khu vực máy chiếu tắt và đóng 1 cách tự động để thuận tiện cho việc dạy và học bằng máy chiếu.
Trong khuôn khổ luận văn này, việc tích hợp cảm biến này trên các thiết bị thật là không khả thi do giá thành và rủi ro cao. Vì thế, tôi sử dụng 2 đèn 220V thay thế để mô phỏng cho hệ thống. Tín hiệu bật tắt đèn tương ứng với tín hiệu mở đóng điều hòa (máy chiếu).
Sơ đồ kết nối giữa cảm biến đo dòng ACS712 và vi điều khiển trung tâm như sau:
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối của cảm biến ACS712
Các tín hiệu đầu vào của cảm biến là 2 dây ra của dòng điện xoay chiều. Tín hiệu điện áp ra của cảm biến được đưa vào bộ ADC để xử lý.
35 Điện áp tham chiếu cho ACS712 Vref là 3.3V, bộ giải mã ADC sử dụng 12bit, thì bước thay đổi của ACS712 sẽ là 3.3/(212) = 3.3/4096.
Vậy giá trị dòng điện ra đo được I = (giá trị ADC) * 3.3 / 4096.
3.2.2.3. Công tắc hành trình
Đề tài này sử dụng các công tắc hành trình 5V cho ứng dụng điều khiển các rèm cửa. Cụ thể mỗi rèm cửa cần 3 công tắc hành trình để xác định các điểm giới hạn tương ứng với 3 trạng thái của rèm: mở, mở 50%, đóng (tương ứng với công tắc hành trình 1, 2, 3).
Khi rèm cửa chạm tới cần gạt của công tắc hành trình, xảy ra ngắt ngoài trên các chân tương ứng của MCU. MCU xử lí các tín hiệu ngắt đó và đưa ra tín hiệu điều khiển rèm.
- Khi có tín hiệu mở rèm, MCU gửi tín hiệu điều khiển động cơ 1 chiều quay thuận, khi rèm chạm tới cần gạt của công tắc hành trình 2 thì xảy ra ngắt ngoài tại chân này, nhưng động cơ không dừng, vì ngắt này không tương ứng với chế độ mở rèm, đến khi rèm chạm tới cần gạt của công tắc hành trình 1 thì xảy ra ngắt ngoài tại chân này, MCU mới gửi tín hiệu dừng động cơ.
- Khi có tín hiệu mở rèm 50%, MCU gửi tín hiệu điều khiển động cơ 1 chiều quay thuận, khi rèm chạm tới cần gạt của công tắc hành trình 2 thì xảy ra ngắt ngoài tại chân này, MCU gửi tín hiệu dừng động cơ.
- Khi có tín hiệu đóng rèm, MCU gửi tín hiệu điều khiển động cơ 1 chiều quay nghịch, khi rèm chạm tới cần gạt của công tắc hành trình 3 thì xảy ra ngắt ngoài tại chân này, MCU gửi tín hiệu dừng động cơ.
Sơ đồ kết nối giữa các công tắc hành trình và vi điều khiển trung tâm như sau:
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối của công tắc hành trình
3.2.2.4. Cảm biến mưa
Cảm biến mưa được sử dụng trong luận văn cho ứng dụng phát hiện khi trời mưa để đưa ra tín hiệu đóng các cửa sổ. Cảm biến mưa này hỗ trợ hai loại ngõ ra tín hiệu là analog (tương tự) và digital (số), để có thể áp dụng linh hoạt tùy mục đích khác nhau. Trong khuôn khổ đề tài này, dạng tín hiệu được sử dụng là tín hiệu
36 Digital ở chân D0. Chân D0 này được kết nối với chân ngắt ngoài của vi điều khiển. Cụ thể, khi cảm biến khô ráo (trời không mưa), chân D0 của module cảm biến mưa sẽ được giữ ở mức cao (5V-12V). Khi có nước trên bề mặt cảm biến (trời mưa), có tín hiệu ngắt ngoài, đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được kéo xuống thấp (0V).
Sơ đồ kết nối giữa cảm biến mưa và vi điều khiển trung tâm như sau:
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối của cảm biến mưa
3.2.3 Khối xác thực người dùng
Đề tài này sử dụng module cảm biến nhận dạng vân tay R305 để giao tiếp với vi điều khiển cho ứng dụng nâng cao tính bảo mật cho hệ thống bằng việc xác thực thông tin người dùng khi đăng nhập bằng vân tay, nếu đăng nhập thành công thì mới trao quyền điều khiển cho người dùng đó. Cảm biến vân tay R305 sử dụng chuẩn truyền tin UART để giao tiếp với vi điều khiển. Cụ thể, các chân RXD, TXD của cảm biến được kết nối tương ứng với chân TXD, RXD của vi điều khiển. Sơ đồ kết nối giữa cảm biến R305 và vi điều khiển được thể hiện trong hình sau:
37 Quá trình xử lí tín hiệu giữa vi điều khiển và cảm biến R305 được mô tả như sau:
Bước 1: Khi MCU nhận được tín hiệu cho phép đăng nhập bằng vân tay từ ứng