Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Yêu cầu đặt ra cho vi điều khiển của máy bắn bóng là có thể đáp ứng đầy đủ chức năng, cũng như xử lý tín hiệu điều khiển nhanh và chính xác. Ngoài ra cũng cần phải thông dụng để có thể áp dụng các modul có sẵn để có thể tích hợp thêm các chức năng vào máy bắn bóng và chi phí phù hợp. Vì thế để điều khiển máy bắn bóng thì nhóm đã dùng vi điều khiển Arduino Mega2560 R3. Là một dòng vi điều khiển khá phổ biến hiện nay, với khối lượng các modul tích hợp có mã nguồn mở tương đối lớn, phù hợp với nhiều yêu cầu khác nhau.
Arduino mega 2560 sử dụng vi điều khiển Atmega 2560 8 bit AVR cho số ngoại vi, các chuẩn giao tiếp và số chân nhiều nhất, bộ nhớ rất lớn (256 Kb), có thể mở rộng thêm số chân, sử dụng điện áp 5 VDC.
Hình 3. 3. Arduino mega 2560 Arduino Mega 2560 bao gồm:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học - 1 nút reset
- 16 chân analog - 4 chân UART
- 54 chân digital trong đó có 15 chân chúng ta có thể sử dụng PWM - 6 chân lập trình ISP
- 1 cổng kết nối USB
… Và nhiều các thành phần khác
Hình 3. 4. Hình ảnh chi tiết các chân của Arduino mega 2560
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp nguồn 7-12V (khuyên dùng)
Điện áp nguồn 6-20V (giới hạn)
Số chân In/Out 54( trong đó có 15 đầu ra PWM)
Đầu vào analog 16
Cường độ chân In/Out 40mA
Cường độ chân 3.3V 50mA
Bộ nhớ Flash 256 KB, trong đó 8KB của Boothloader
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Tốc độ 16MHz
Bảng 3. 1. Bảng thông số kĩ thuật của Arduino mega 2560
Cổng serial Chân RX Chân TX
Serial 0 0 1
Serial 1 19 18
Serial 2 17 16
Serial 3 15 14
Bảng 3. 2. Cổng serial
Cổng serial 0 trên hai chân 0 và 1 được sử dụng để upload chương trình từ Arduino IDE vào board Arduino Mega.
3.4.2. Module điều khiển động cơ một chiều BTS 7960
Trên thực tế có nhiều module điều khiển động cơ khác nhau như: TB6560, A4988, L297, L298… Nhóm đã chọn module BTS 7960.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 3. 5. Sơ đồ mạch cầu BTS 7960 Sơ đồ chân:
- VCC: nguồn tạo mức logic điều khiển (5V - 3.3V) - GND: Chân âm
- R_EN = 0 disable nửa cầu H phải. R_EN = 1: Enable nửa cầu H phải - L_EN = 0 disable nửa cầu H trái. L_EN = 1: Enable nửa cầu H trái - RPWM và LPWM: chân điêu khiển đảo chiều và tốc độ động cơ - RPWM = 1 và LPWM = 0: motor quay thuận
- RPWM = 0 và LPWM = 1: motor quay nghịch
- RPWM = 1 và LPWM = 1 và RPWM = 0 và LPWM = 0: motor dừng - R_IS và L_IS: kết hợp với điện trở giới hạn dòng qua cầu H
Với ứng dụng bình thường RPWM và LPWM nối với GPIO (VD: chân digital 2,3) để điều khiển quay động cơ.
Chân R_EN, L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 6) để điều khiển tốc độ động cơ.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Đặc điểm nổi bật:
- Mạch cầu H BTS 7960 43A dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển với driver tích hợp sẵn trong IC
- Đầy đủ các tính năng current sense (kết hợp với điện trở đo dòng) - Tạo dead time
- Chống quá nhiệt, quá áp, quá dòng, sụt áp và ngắn mạch.
Nguồn 6-27V
Dòng điện tải mạch 43A Tín hiệu logic điều khiển 3.5-5V Tần số điều khiển tối đa 25KHz Tự động shutdown khi
điện áp thấp
Để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown. Nếu điện áp < 5.5V driver sẽ tự ngắt điện, và sẽ tự mở lại nếu điện áp > 5.5V. Bảo vệ quá nhiệt Bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích
hợp bên trong. Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt.
Bảng 3. 3. Thông số kĩ thuật
3.4.3. Module điều khiển động cơ bước DVR 8825
Để điều khiển động cơ bước thì trên thực tế có nhiều module có thể làm được việc này như: L298, A4988 ,… Để máy chạy mượt, vi bước cao, điện áp và dòng điện cao hơn thì module DVR 8825 là module phù hợp nhất.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 3. 6. Sơ đồ mạch của DRV 8825 Đặc điểm nổi bật:
- Giao thức điều khiển số bước và chiều quay đơn giản - 6 cấp điều chỉnh bước: 1; 1/2; 1/4; 1/8; 1/16; 1/32 bước. - Điều chỉnh dòng định mức cấp cho động cơ bằng triết áp. - Điện trở trong IC thấp, hạn chế tỏa nhiệt.
- Bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ sụt áp, và chống ngược dòng. - Điều khiển được động cơ hoạt động với điện áp lên tới 45A, dòng lên tới
2.5A.
Điện áp cấp tối thiểu 8.2V
Điện áp cấp cực đại 45V
Dòng cấp liên tục cho mỗi pha 1.5A Dòng cấp liên tục cho mỗi pha 2.5A Điện áp logic 1 tối thiểu 3.3V
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Điện áp logic 1 tối đa 5V
Độ phân giải Full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
Bảng 3. 4. Thông số kĩ thuật của Module DRV 8825 cho động cơ bước
Lựa chọn chế độ Full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 sẽ được thông qua 3 pin MODE 0, MODE 1, MODE 2.
Bảng 3. 5. Microstep Resolution
- Bật tắt động cơ thì thông qua pin ENABLE, mức HIGH là bật module, mức LOW là tắt module.
- Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR.
- Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung tương ứng là 1 bước ( hoặc vi bước.
3.4.4. Màn hình LCD
Màn hình tinh thể lỏng LCD1602, hoặc 1602 ký tự, là một loại mô-đun ma trận điểm để hiển thị các chữ cái, số và ký tự ... Nó bao gồm các vị trí ma trận điểm 5x7 hoặc 5x11; mỗi vị trí có thể hiển thị một ký tự. Có một dấu chấm giữa hai ký tự và khoảng trắng giữa các dòng, do đó phân tách các ký tự và dòng. Model 1602 có nghĩa là nó hiển thị 2 dòng 16 ký tự.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học bốn cổng. Nếu kết nối tám cổng được sử dụng, thì tất cả các cổng kỹ thuật số của bảng SunFounder Uno gần như bị chiếm đóng hoàn toàn. Nếu bạn muốn kết nối nhiều cảm biến hơn, sẽ không có cổng nào khả dụng. Do đó, kết nối bốn cổng được sử dụng ở đây để ứng dụng tốt hơn.
Chức năng các chân:
- VSS: tương đương với GND - cực âm
- VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V) - Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học - Read/Write (RW): Bạn sẽ đọc (read mode) hay ghi (write mode) dữ liệu? Nó
sẽ phụ thuộc vào bạn gửi giá trị gì vào. - Enable pin: Cho phép ghi vào LCD
- D0 - D7: 8 chân dư liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếu đang ở chế độ ghi (write mode)
- Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD.
3.4.5. Động cơ DC
Hiện nay động cơ điện một chiều sử dụng phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu momen khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng.
Động cơ một chiều gồm ba thành phần chính:
- Cục từ: Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều. Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ.
- Phần ứng: Khi có dòng điện đi qua phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện, phần ứng có dạng hình trụ được nối với trục ra để kéo tải.
- Cổ góp: có tác dụng đảo chiều dòng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều:
- Điều chỉnh, thay đổi tốc độ và khả năng làm việc trong điều kiện quá tải - Tốc độ dễ điều chỉnh và mịn
- Mạch điều khiển đơn giản
Nhược điểm của động cơ điện một chiều:
- Do có cổ góp – chổi than nên vận hành kém độ chính xác và không đảm bảo an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Thông số Giá trị Cường độ định mức 44.5 A Điện áp định mức 12 V Momen định mức 2.55 Nm Tốc độ không tải 1800 rpm Tốc độ có tải 1500 rpm Công suất 200 W Khối lượng 10 kg
Bảng 3. 6. Thông số động cơ ZYT 90S
Hình 3. 7. Động cơ DC ZYT 90S
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Động cơ bước là thiết bị cơ – điện dùng để biến đổi xung điện một chiều thành chuyển động quay. Góc quay và tốc độ quay tương ứng với số xung và tần số xung điện cung cấp cho động cơ. Mỗi một vòng quay của trục động cơ được thiết lập bởi số lượng hữu hạn các góc bước, là góc của roto khi cuộn stato bị đảo ngược cực tính.
Có nhiều loại động cơ bước với các bước góc khác nhau. Từ những động cơ bước có bước góc: 0.72, 1.8 độ đến những động cơ có bước góc 18,90 độ. Ngoài ra còn có thể điều chỉnh bước góc thông qua các module điều khiển động cơ như full bước, hay 1/2 bước …
Ưu điểm của động cơ bước:
- Có thể hoạt động trong một hệ thống kiểm soát vòng lặp mở - Mức độ bảo trì thấp
- Ít khả năng trượt
- Sẽ làm việc trong bất kì môi trường
- Cỏ thể sử dụng trong robot trong phạm vi rộng - Độ tin cậy cao
- Góc quay của động cơ tỷ lệ với xung đầu vào
- Vị trí chính xác và khẳ năng lặp lại của chuyển động từ động cơ bước tốt có độ chính xác 3-5% của một bước và lỗi này không tích lũy từ bước này sang bước tiếp theo.
Nhược điểm của động cơ bước:
- 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 gây sai lệch trong điều khiển.
- Động cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo. Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao.
Do kinh phí có hạn và để dễ dàng điều khiển nhóm nghiên cứu chúng em sử dụng động cơ bước 42BYGH40.
Thông số Giá trị
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Điện áp định mức 12V
Momen giữ 1.76 N.cm
Góc quay mỗi bước 1.8
Bảng 3. 7. Thông số động cơ bước
Hình 3. 8. Động cơ bước
3.4.7. Triết áp
Triết áp hay còn gọi là biến trở, thuộc họ điện trở trên nó có một điểm chạy dùng để điều chỉnh hệ số tỉ lệ của một cầu chia áp. Triết áp có điện trở cố định (1K, 5K, 10K…) và có 3 chân trong đó 2 chân ở hai bên đầu là có điện trở lớn nhất. Chân ở giữa dùng để lấy điện trở mong muốn trong dải điện trở cho phép. Thông thường triết áp dùng bằng cách gạt, vặn, xoay để điều chỉnh.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 3. 9. Triết áp
Hình 3. 10. Kí hiệu triết áp trên sơ đồ nguyên lý
Trong đề tài nghiên cứu máy bắn bóng này, ta phải điều chỉnh được tốc độ quay bánh đà để bắn bóng do vậy ta có thể sử dụng triết áp để điều chỉnh điện áp cấp vào động cơ, từ đó có thể điều khiển tốc độ bắn bóng như mong muốn.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 3. 11. Nút nhấn
Nút nhấn hoạt động như một công tắc đóng mở. Thay vì có 2 chân như công tắc thì nút nhấn có 4 chân chia làm 2 cặp. Những chân cùng một cặp được nối với nhau, những chân khác cặp thì ngược lại. Khi nhấn nút cả 4 chân được nối với nhau cho phép dòng điện từ một chân bất kì đến 3 chân còn lại.
Hình 3. 12. Sơ đồ nguyên lý nút nhấn
Nút nhấn thường được đặt trên các bảng điện điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút nhấn. Nút nhấn thường được chế tạo để làm việc trong môi trường không ẩm ướt, không có hơi hóa chất và bụi.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 3. 13. Sơ đồ lắp nút nhấn vào mạch
Khi chưa nhấn nút, chân D2 được nối với GND qua một điện trở 10k, do đó lệnh digitalread(2) sẽ trả về giá trị 0 (LOW). Khi nhấn nút, chân D2 được nối trực tiếp với 5V và nối với GND thông qua một điện trở 10k, lệnh digitalread(2) sẽ trả về giá trị 1 (HIGH).
Ta dùng nút nhấn để điều khiển góc xoay của máy bắn bóng. Với mỗi một lần nhấn sẽ cấp xung cho động cơ, máy sẽ xoay được một góc cố định (tùy thuộc vào lập trình). Sẽ sử dụng 2 nút để có để đảo chiều xoay thuận nghịch của máy. Làm tương tự với động cơ nâng hạ thay đổi góc bắn theo phương thẳng đứng.
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học Ắc quy hay nguồn điện thứ cấp là loại pin có thể tái sử dụng nhiều lần, chỉ cần nạp điện cho chúng bằng cách cắm điện vào bộ sạc để sạc. Ắc quy được bán trên thị trường hiện nay sử dụng 3 loại hóa chất: NiCd, NiMH, Lithium.
Ắc quy thông dụng hiện nay chia ra làm 2 loại chính: ắc quy Axit hay ắc quy chì- axit (sử dụng điện môi bằng axit) và ắc quy kiềm (sử dụng điện môi bằng kiềm). Trong cùng loại ắc quy axit cũng được chia ra thành 2 loại: ắc quy axit kiểu hở thông thường và ắc quy axit kiểu kín khí hay còn gọi là ắc quy nước và ắc quy khô (ắc quy điện môi dạng keo).
Nguyên lý hoạt động của ắc quy như sau:
Hình 3. 14. Nguyên lý hoạt động của ắc quy
Hai cực của ắc quy được làm bằng chì và oxit chì PbO , điền đầy giữa hai bản2 cực là dung dịch axit H SO2 4 loãng và tất nhiên là dung dịch loãng như vậy thì chứa nước H O là phần lớn. Ở trạng thái được nạp đầy, các bản cực của ắc quy ở2 trạng thái hóa học như trên (cực dương là PbO2 và cực âm là Pb). Trong các quá trình nạp điện và phóng điện cho ắc quy, trạng thái hóa học của các cực bị thay đổi. Có thể xem về trạng thái hóa học trong các quá trình phóng – nạp của ắc quy như sau:
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Hình 3. 15. Trạng thái phóng nạp của ắc quy
Quá trình phóng điện diễn ra nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau:
Tại cực dương: 2PbO2 2H SO2 4 2PbSO42H O O2 2
Tại cực âm: Pb H SO 2 4 PbSO4 H2
Đồ án tốt nghiệp Bộ môn máy và ma sát học
Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn
toàn chuyển thành PbSO4.
Quá trình nạp điện cho ắc quy, do tác dụng của dòng điện nạp mà bên trong ắc quy sẽ có phản ứng ngược lại so với chiều phản ứng trên, phản ứng chung gộp lại trong toàn bình sẽ là: 2PbSO4 2H O Pb PbO2 22H SO2 4
Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu: Cực dương gồm: PbO2,
cực âm là Pb.
Trong thực tế, các bản cực ắc quy không giống như ở trên, các cực của ắc quy có