2.5.1 Khái niệm UART
UART là “Universal Asynchronous Receiver / Transmitter”, và nó là một vi mạch sẵn có trong một vi điều khiển nhưng không giống như một giao thức truyền thông (I2C & SPI). Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
2.5.2 Truyền thông nối tiếp và song song
Trong giao tiếp dữ liệu nối tiếp, dữ liệu có thể được truyền qua một cáp hoặc một đường dây ở dạng bit-bit và nó chỉ cần hai cáp. Truyền thông dữ liệu nối tiếp không đắt khi chúng ta so sánh với giao tiếp song song. Nó đòi hỏi rất ít mạch cũng như dây. Vì vậy, giao tiếp này rất hữu ích trong các mạch ghép so với giao tiếp song song.
Trong giao tiếp dữ liệu song song, dữ liệu có thể được truyền qua nhiều cáp cùng một lúc. Truyền dữ liệu song song tốn kém nhưng rất nhanh, vì nó đòi hỏi phần cứng và cáp bổ sung. Các ví dụ tốt nhất cho giao tiếp này là máy in cũ, PCI, RAM, …
2.5.3 Truyền thông UART
Trong giao tiếp này, có hai loại UART có sẵn là truyền UART và nhận UART và giao tiếp giữa hai loại này có thể được thực hiện trực tiếp với nhau. Đối với điều này, chỉ cần hai cáp để giao tiếp giữa hai UART. Luồng dữ liệu sẽ từ cả hai chân truyền (Tx) và nhận (Rx) của UART. Trong UART, việc truyền dữ liệu từ Tx UART sang Rx UART có thể được thực hiện không đồng bộ (không có tín hiệu CLK để đồng bộ hóa các bit o / p).
Hình 0.7 Truyền thông UART
Start-bit
Start-bit còn được gọi là bit đồng bộ hóa được đặt trước dữ liệu thực tế. Nói chung, một đường truyền dữ liệu không hoạt động được điều khiển ở mức điện áp cao. Để bắt đầu truyền dữ liệu, truyền UART kéo đường dữ liệu từ mức điện áp cao (1) xuống mức điện áp thấp (0). UART thu được thông báo sự chuyển đổi này từ mức cao sang mức thấp qua đường dữ liệu cũng như bắt đầu hiểu dữ liệu thực. Nói chung, chỉ có một start-bit.
Bit dừng
Bit dừng được đặt ở phần cuối của gói dữ liệu. Thông thường, bit này dài 2 bit nhưng thường chỉ sử dụng 1 bit. Để dừng sóng, UART giữ đường dữ liệu ở mức điện áp cao.
Bit chẵn lẻ
Bit chẵn lẻ cho phép người nhận đảm bảo liệu dữ liệu được thu thập có đúng hay không. Đây là một hệ thống kiểm tra lỗi cấp thấp & bit chẵn lẻ có sẵn trong hai phạm vi như Chẵn lẻ – chẵn lẻ cũng như Chẵn lẻ – lẻ. Trên thực tế, bit này không được sử dụng rộng rãi nên không bắt buộc.
Dữ liệu bit hoặc khung dữ liệu
Các bit dữ liệu bao gồm dữ liệu thực được truyền từ người gửi đến người nhận. Độ dài khung dữ liệu có thể nằm trong khoảng 5 & 8. Nếu bit chẵn lẻ không được sử dụng thì chiều dài khung dữ liệu có thể dài 9 bit. Nói chung,
LSB của dữ liệu được truyền trước tiên sau đó nó rất hữu ích cho việc truyền.
2.6 Các công cụ và thiết bị2.6.1 Encoder 2.6.1 Encoder
Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa, là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo ra tín hiệu kỹ thuật số đáp ứng với chuyển động. Là một thiết bị cơ điện có khả năng làm biến đổi chuyển động thành tín hiệu số hoặc xung.
Bộ mã hóa Encoder là một bộ phận rất quan trọng trong cấu tạo của các loại máy công nghiệp. Nó giúp đo và hiển thị các thông số về tốc độ của máy.
Có hai loại bộ mã hóa: tuyến tính và quay. Encoder tuyến tính đáp ứng chuyển động dọc theo một đường dẫn, còn Encoder quay thì đáp ứng với chuyển động quay.
2.6.1.1 Phân loạia) Encoder tuyệt đối a) Encoder tuyệt đối
Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder): tín hiệu ta nhận được từ Encoder cho biết chính xác vị trí của Encoder mà người sử dụng không phải xử lý thêm gì cả.
Một số đặc điểm của Encoder tuyệt đối:
Sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray.
Có kết cấu gồm: bộ phát ánh sáng (LED), đĩa mã hóa (có chứa dãi băng mang tín hiệu), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát ra.
Đĩa mã hóa ở Encoder được chế tạo từ vật liệu trong suốt, người ta đã chia mặt đĩa thành các góc đều nhau cùng các đường tròn đồng tâm.
Encoder tuyệt đối có ưu điểm giữ được giá trị tuyệt đối khi Encoder mất nguồn nhưng giá thành cao vì chế tạo phức tạp, phương thức đọc tín hiệu khó
Hình 2.8 Encoder tuyệt đối
b/ Encoder tương đối
Một số đặc điểm của Encoder tương đối (Incremental Encoder) :
Đĩa mã hóa bao gồm một dãi băng tạo xung, thường được chia thành nhiều lỗ bằng nhau và được cách đều nhau.
Là Encoder chỉ có 1,2 hoặc tối đa 3 vòng lỗ, và thường có thêm một lỗ định vị.
Ưu điểm: giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả về dễ dàng.
Nhược điểm: dễ bị sai lệch về xung khi trả về. Sẽ tích lũy sai số khi hoạt động lâu dài.
Hình 2.9 Encoder tương đối
Encoder hoạt động trên nguyên lý đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua đĩa (Led). Chỗ có lỗ (rãnh) thì ánh sáng xuyên qua được, chỗ không có lỗ (rãnh) ánh sáng không xuyên qua được.Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.
Số xung Encoder được quy ước là số lần ánh sáng chiếu qua khe. Ví dụ trên đĩa chỉ có 100 khe thì cứ 1 vòng quay, Encoder đếm được 100 tín hiệu. Đây là nguyên lý hoạt động của loại Encoder cơ bản, còn đối với với nhiều chủng loại khác thì đương nhiên đĩa quay sẽ có nhiều lỗ hơn và tín hiệu thu nhận cũng sẽ khác hơn.
Cảm biến thu ánh sáng sẽ bật tắt liên tục, từ đó:
Tạo ra các tín hiệu dạng xung vuông.
Tín hiệu dạng xung sẽ được truyền về bộ xử lý trung tâm để đo đạc, xác định vị trí/ tốc độ của động cơ.
Hình 2.10 Cấu tạo Encoder tương đối
Cách xác định chiều quay của động cơ:
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh Z. Cứ mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh Z xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor.
Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của Encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh Z, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của Encoder.
Trên các Encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút, đây là kênh B của Encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha . Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.
Hình 2.11 Tín hiệu lệnh pha nhau của 2 kênh Encoder
Sự bố trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau. Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh. Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu đi từ trái sang phải. quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức
thấp. Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu đi từ phải qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A).
2.6.2 Mạch cầu H XY-160D L298
Mạch cầu H là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng .Đối tượng là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển .Mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua đối tượng theo chiều A đến B hoặc B đến A .Từ đó giúp đổi chiều quay của động cơ
Hình 2.12 Hình ảnh của XY-160D L298 Chức năng các chân của module XY-160D L298 :
4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
4 chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) . Các chân này dùng để xuất tín hiệu điều khiển động cơ
Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp cung cấp động lưc: tiêu chuẩn 7 - 24VDC (giới hạn 6.5 ~ 27VDC)
+ Mức tín hiệu logic: sử dụng được cho 2 mức logic 3.3V hoặc 5V + Logic High (H): DC 3.0 ~ 6.5V
+ Logic Low (L): DC0 ~ 0.8V + Số kênh điều khiển: 2.
+ Dòng điện tín hiệu điều khiển: 3 ~ 11 mA cho mỗi kênh. + Dòng điện tối đa hoạt động liên tục: 7A.
+ Dòng điện đạt đỉnh: 50A. + Tần số PWM: 0~10KHz. + Độ rộng xung tối thiểu: 5us. + Nhiệt độ làm việc: -25 ~ 85 °C + Lỗ bắt vít: 4 * M3.
+ Kích thước (LxWxH): 55 x 55 x 13(mm). + Khối lượng: 32g
Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H
Nguyên lý hoạt động:
- Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào. - Khi ENA = 1:
+ INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ quay thuận.
+ INT1 = INT2: Động cơ dùng ngay tức thì. Với ENB tương tự với INT3, INT4.
2.6.3 Động cơ DC
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 dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC- điện áp 1 chiều. Đầu dây ra của đông cơ thường gồm hai dây (dây nguồn- VCC và dây tiếp đất- GND). DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục.
Hình 2.14 Động cơ DC 24V
Thông số kỹ thuật
Tốc độ quay tối đa: 960rpm.
Điện áp hoạt động: 24VDC.
Loại: có chổi than.
Đường kính trục: 6mm.
Chiều dài động cơ: 41mm.
Chiều dài trục 12mm.
2.6.3.1 Phân loại động cơ DC
Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau:
Kích từ độc lập.
Kích từ song song.
Kích từ nối tiếp.
Kích từ hỗn hợp.
Với mỗi 1 loại động cơ điện 1 chiều như trên thì có các ứng dụng khác nhau. Nhưng trên thực tế, ta chủ yếu tiếp xúc với loại động cơ DC công suất thấp có phần Stator sử dụng nam châm vĩnh cửu. Ta chỉ nói đến và quan tâm tới kích từ cho động cơ DC khi nói đến các loại động cơ DC công suất lớn, Stator của động cơ không phải là nam châm vĩnh cửu mà là nam châm điện. Phần nam châm điện này cũng gồm lõi thép kỹ thuật và các bó dây. Để Stator biến thành nam châm điện ta cần phải cấp điện cho phần Startor của nó, khi đó ta gọi nó là kích từ.
2.6.3.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt độnga/ Cấu tạo a/ Cấu tạo
Gồm có 3 phần chính stator( phần cảm), rotor ( phần ứng), và phần cổ góp- chỉnh lưu
Hình 2.15 Cấu tạo động cơ DC Trong đó:
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện.
Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều.
Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Nguyên lí hoạt động:
Khi cho điện áp một chiều U vào 2 chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực Fdt làm cho Roto quay. Chiều lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Phương trình điện áp:
U=Eư + Rư. Iư
Trong đó:
Eư : Sức phản diện
Rư : Điện trở dây quấn phần ứng
Iư : Dòng điện dây quấn phần ứng Điều chỉnh tốc độ
Ta có phương trình sau: U=Eư + Rư. Iư
Thay trị số: với Rưnhỏ, ta có Eư U Eư = K
Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng Thay đổi điện áp U
Thay đổi từ thông
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Điều chỉnh các thông số ở mạch của máy điện (ví dụ: gắn thêm trở, …)
Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho phần ứng động cơ.
Phương pháp điều rộng xung.
2.6.3.3 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều
Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
Moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động. Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.
Tiết kiệm điện năng Bền bỉ, tuổi thọ lớn
Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều
Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên.
Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.
Giá thành đắt mà công suất không cao.
Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, 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...
2.6.4 Nguồn tổ ong
Nguồn tổ ong là cách gọi khác của nguồn xung. Cái tên nguồn tổ ong bắt nguồn từ hình dạng các lỗ thông hơi thoát nhiệt của bộ nguồn xung được đục lỗ lục giác giống với cấu tạo của tổ ong nên được gọi là nguồn tổ ong
Trong đề tài, nhóm chúng em dùng bộ nguồn tổ ong 24V để cấp cho động cơ và qua các mạch giảm áp để cấp nguồn cho mô hình của động cơ (5V).
Hình 2.16 Nguồn tổ ong 24V
Thông số kỹ thuật
Điện áp đầu vào : 220 VAC ( L và N )
Điện áp đầu ra : 24VDC ( 24V: V+, Mass – Gnd: V-)
Công suất : 120W
Điện áp ra điều chỉnh :10%
Nhiệt độ làm việc : 0-70 0C
2.6.5 LCD
Màn hình LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.
Hình 0.17 LCD 1602
Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động là 5 V.
Kích thước: 80 x 36 x 12.5
Chữ đen, nền xanh lá
Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật
Kết nối LCD
Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vcc nối với nguồn +5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với