Ngôn ngữ lập trình này nằm ở khả năng mở rộng của ngôn ngữ. Arduino là bo mạch đã được xử lý và chuẩn hóa cho phép bạn có thể mở rộng bằng các bo mạch khác. Tùy vào mục đích sử dụng của bạn, bạn có thể cắm chồng các bo mạch mở rộng (shield) lên bo mạch Arduino. Bạn có thể dễ dàng sáng tạo và phát minh ra các ứng dụng tùy ý nhờ vào khả năng mở rộng của ngôn ngữ lập trình Arduino[1]
2.1.5. Vi điều khiển ATMEGA 328P
ATMEGA328P là vi điều khiển thuộc dòng AVR do hãng Atmel sản xuất. Đây là một vi điều khiển CMOS 8 bit, tiêu thụ ít điện năng được phát triển trên nhân AVR với kiến trúc RISC tăng cường. ATMEGA328P thực hiện một lệnh trong một chu kỳ đồng hồ duy nhất, vì thế mà thông lượng của chip có thể đạt gần 1MIPS/MHz. Điều này cho phép các nhà thiết kế hệ thống tối ưu hóa thiết bị để tiêu thụ điện năng ít so với tốc độ xử lý.
Hình 2. 6 Vi điều khiển Atmega328p chân cắm
Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C. Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader.
Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1MHz
Ngày nay vi điều khiển Atmega328 thực sử được sử dụng phổ biến từ các dự án nhỏ của sinh viên, học sinh với giá thành rẻ, xử lý mạnh mẽ, tiêu
kiệm: 0.75 μA) và sự hỗ trợ nhiệt tình của cộng đồng người dùng AVR. Và không thể không nhắc tới sự thành công của Vi điều khiển Atmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino Uno (R3) những sản phẩm dẫn dắt chúng ta vào thế giới mã nguồn mở để hoàn thành một chương trình trong “nháy mắt”.
Có hàng ngàn ứng dụng cho Atmega328P và sẽ có nhiều hơn nữa trong tương lai gần tùy thuộc vào cách người ta có thể suy nghĩ sáng tạo. Mỗi ngày, chúng ta đều thấy một ứng dụng mới được xây dựng bằng chip này bởi các sinh viên, kỹ sư, người yêu thích điện tử. Một số ứng dụng cho chip này có thể liệt kê như:
Hệ thống điều khiển máy móc công nghiệp Máy móc và ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng dựa trên IOT
Các ứng dụng dựa trên nguồn điện và bộ sạc Hệ thống thời tiết
Ứng dụng giao tiếp không dây Các ứng dụng dựa trên bảo mật
Các dự án & hệ thống liên quan đến y tế và sức khỏe Các ứng dụng liên quan đến ô tô
Và nhiều ứng dụng khác…
2.1.6. Thông số kỹ thuật ATMEGA328PKiến trúc RISC tăng cường: Kiến trúc RISC tăng cường:
+Thực hiện một lệnh trong một chu kỳ đồng hồ.
+32 x 8 thanh ghi dùng cho mục đích thông thường.
+Hoạt động tĩnh hoàn toàn.
+Thông lượng tối đa 20MIPS ở tần số 20MHz.
+Bộ nhân đôi chu kỳ tích hợp.
Bộ nhớ:
+32Kbytes bộ nhớ chương trình.
+1Kbytes EEPROM.
+2Kbytes SRAM nội.
+Ghi/xóa 10,000 lần với Flash, 100,000 với EEPROM.
Ngoại vi:
+2 bộ Timer/Counter 8 bit với chế độ tách biệt/kết hợp.
+1 bộ Timer/Counter 16 bit.
+Bộ đếm thời gian thực chia tần số thạch anh.
+6 kênh PWM.
+8 kênh ADC 10 bit (với kiểu chân TQFP và QFN/MLF).
+6 kênh ADC 10 bit (với kiểu chân PDIP).
+Hỗ trợ giao thức SPI, I2C, UART.
+Bộ Watchdog timer với tần số thạch anh nội.
+1 bộ so sánh analog tích hợp.
Đặc tính đặc biệt:
+Thạch anh 8MHz nội tích hợp.
+Có các nguồn ngắt nội và ngắt ngoài.
+6 chế độ ngủ.
+23 chân I/O khả trình.
+Đóng gói: 28 chân cắm/PDIP, 32 chân dán/TQFP
+Điện áp hoạt động: 1.8 – 5.5V
Tiêu thụ năng lượng:
+Chế độ Active: 0.2mA
+Chế độ giảm năng lượng: 0.1uA
+Chế độ tiết kiệm năng lượng. 0.75uA
Hình 2. 7 Sơ đồ chân của vi điều khiển ATMEGA 328P
2.2 Lựa chọn động cơ
Động cơ là một phần vô cùng quan trọng trong hệ thống đóng cửa xe ô tô tự động. Vậy nên việc lựa chọn động cơ phù hợp là vô cùng cần thiết.
Một số động cơ thường được sử dụng như: động cơ một chiều, động cơ step và động cơ servo. Cả ba loại động cơ này đều được ứng dụng rất phổ biến trong các dự án, các đồ dùng hàng ngày. Mỗi loại động cơ đều có những ưu và nhược điểm khác nhau nên cần cân nhắc khi lựa chọn loại động cơ phù hợp.
2.2.1 Động cơ một chiều
- Cấu tạo: Cấu tạo động cơ 1 chiều cũng tương tự như các động cơ chạy điện khác cũng có 2 phần chính là Rotor (phần
quay) và Stator (phần vỏ của động cơ):
Hình 2. 8 cấu tạo động cơ một chiều
Stator: có kết cấu là nam châm vĩnh cửu, hoặc nam châm điện.
Rotor: cấu tạo trục có quấn các cuộn dây tạo thành nam châm điện.
Cổ góp (commutator): tiếp xúc để truyền điện cho các cuộn dây trên rotor. Số điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây quấn trên Rotor.
Chổi than (brushes): tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp Một phần cũng khá quang trọng là bộ phận chỉnh lưu,
nhiệm vụ chính của nó là biến đổi dòng điện trong khi Rotor quay liên tục
- Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện 1 chiều thành những dòng chính như sau:
Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp Động cơ điện 1 chiều kích từ song song
Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn được mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn được mắc song song với phần ứng.
- Nguyên lí làm việc: động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm biến điện từ trường.
Pha 1: Từ trường của cuộn dây Rotor cùng cực với Stator => Từ trường cùng cực sẽ đẩy nhau => Sẽ tạo chuyển động quay của Rotor.
Hình 2. 9 Pha 1
Pha 2: Rotor tiếp tục quay.
Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1.
Hình 2. 11 Pha 3
- Ưu điểm và nhược điểm của động cơ một chiều Ưu điểm của động cơ một chiều:
Dễ dàng thay đổi tốc độ của động cơ, chịu được quá tải cao.
Kéo được tải nặng khi khởi động do có moment xoắn lớn.
Độ bền tương đối cao.
- Nhược điểm của động cơ một chiều:
Do có cấu tạo cổ góp nên khi hoạt động phát ra tiếng ồn.
Cổ góp này phải được bảo dưỡng thường xuyên. Ma-sat trong quá trình vận hành => mài mòn. Ngoài ra cổ góp này trong quá trình hoạt động phát
sinh ra tia lửa điện, nên không dùng được trong các môi trường dễ gây cháy nổ.
- Ứng dụng của động cơ điện một chiều:
Động cơ một chiều được dùng nhiều trong các máy công cụ lớn, yêu cầu tốc độ và số vòng quay cao.
Động cơ 1 chiều chúng ta thường thấy nhất là trong các ứng dụng đồ chơi, xe mô hình, động cơ sử dụng pin để hoạt động là động cơ một chiều hết nha các bạn.
Như vậy động cơ 1 chiều được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị như: ổ đĩa, máy photocopy,….
2.2.2 Động cơ servo
Động cơ servo là một phần của hệ thống vòng kín và bao gồm một số bộ phận là mạch điều khiển, động cơ servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động, bộ khuếch đại và bộ mã hóa hoặc bộ giải.
Động cơ servo là một thiết bị điện khép kín. Nó được dùng để xoay các bộ phận của máy với hiệu suất cao và độ chính xác cao. Trục đầu ra của động cơ này có thể được di chuyển đến một góc, vị trí và vận tốc cụ thể mà động cơ thông thường không có. Động cơ Servo sử dụng một động cơ thông thường và kết hợp nó với một cảm biến để phản hồi vị trí.
Bộ điều khiển là bộ phận quan trọng nhất của Động cơ Servo được thiết kế và sử dụng riêng cho mục đích này. Động cơ được điều khiển bằng tín hiệu điện, tương tự hoặc kỹ thuật số, xác định mức độ chuyển động đại diện cho vị trí lệnh cuối cùng cho trục.
- Cấu tạo:
Động cơ DC servo có chổi than: loại động cơ này gồm bốn bộ phận chính là stato, roto, chổi than và cuộn cảm lõi.
Động cơ DC servo không chổi than: cấu trúc loại động cơ này tương đối giống với động cơ có chổi than nhưng điều khác biệt là các cuộn pha được lắp ở rotor là động cơ vĩnh cửu. Hoạt động êm và không gây tiếng ồn nên thường được sử dụng rộng rãi và phổ biến.
- Phân loại: Các loại Động cơ Servo được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên ứng dụng của chúng. Ví dụ như động cơ servo AC và động cơ servo DC => Phân loại dựa trên loại dòng điện sử dụng.
Động cơ Servo dùng điện áp DC, có tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp cung cấp với tải không đổi
Động cơ Servo loại dùng điện áp xoay chiều, tốc độ được xác định bởi tần số của điện áp đặt vào và số cực từ.
Hình 2. 13 Phân loại động cơ servo
- Nguyên lí làm việc:
Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh và stator của động cơ được cuốn các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để quay rotor. Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác thì chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số và pha, phân cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator.
Động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín và tín hiệu đầu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ
được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Khi đó bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác nhất. Bộ điều khiển servo.
- Ưu điểm và nhược điểm của động cơ servo Ưu điểm:
Là hệ thống hồi tiếp vòng kín chính vì vậy động cơ servo DC rất dễ điều khiển, dễ sử dụng.
Bên cạnh đó động cơ còn giúp kiểm soát tốc độ chính xác, đảm bảo quá trình vận hành được ổn định.
Hiện nay giá thành của động cơ Servo DC rẻ hơn so với các loại động cơ khác.
Nhược điểm:
Vì cấu tạo có bộ phận chổi than nên điểm hạn chế lớn nhất của loại động cơ này chính là dễ gây ra tiếng ồn, nhiệt độ cao khi vận hành và quán tính cao khi giảm tốc độ.
Nếu sử dụng động cơ DC servo không chổi than thì sẽ khiến động cơ chạy êm và vận hành tốt hơn.
- Ứng dụng của động cơ servo:
Có rất nhiều máy móc sử dụng động cơ DC servo để hoạt động. Cụ thể động cơ DC servo có thể ứng dụng trong ngành điện - điện tử (ví dụ như lắp các chip LSI trên bảng mạch). Tuy nhiên, hiện nay động cơ DC servo rất hạn chế trong ứng dụng ngành điện - điện tử mà thay vào đó động cơ có ứng dụng chủ yếu trong ngành sản xuất thực phẩm, đồ uống và ứng dụng trong ngành giấy, may mặc, bao bì.
Ngoài ra động cơ DC servo còn có một số ứng dụng khác như:
Ứng dụng trong sản xuất robot vì sự chuyển động trơn tru và định vị chính xác
Ứng dụng trong các loại đồ chơi điều khiển bằng radio Ứng dụng trong sản xuất các loại thhieets bị điện tử như đĩa
DVD, máy nghe nhạc blue
Ứng dụng trong xe ô tô để duy trì tốc độ của phương tiện Một số sản phẩm nổi bật sử dụng động cơ DC servo: Động Cơ DC Servo giảm tốc GA12 - N20 Encoder, động cơ DC Servo JGB37- 545 DC Geared Motor, động cơ DC Servo Giảm Tốc Hành Tinh Planetary GP36,...
3.1.3 Động cơ bước(Step)
Động cơ Step hay còn gọi là động cơ bước, đây là một loại động cơ chạy bằng điện khác biệt với đa số các loại động cơ thông thường. Loại động cơ này có bản chất là dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hay chuyển động của rotor có khả năng cố định rotor vào các vị trí phù hợp.
- Cấu tạo:
Cấu tạo của động cơ bước (step) bao gồm các bộ phận như: stato, rotor (nam châm vĩnh cửu). Trong đó;
Bộ phận rotor: là một dãy các nam châm vĩnh cửu được xếp chồng lên nhau một cách tỉ mỉ. Tại các lá nam châm là các cặp cực xếp đối xứng nhau một cách đều đặn.
Bộ phận stato: Được tạo bằng sức từ và chia thành các rãnh để đặt cuộn dây
Hình 2. 14 cấu tạo động cơ bước
- Phân loại:
Hiện nay có rất nhiều loại động cơ bước, tuy nhiên dựa vào các cách phân loại mà ta chia động cơ bước thành nhiều loại như:
Động cơ Step theo số pha động cơ:
Động cơ Step 2 pha tương ứng với góc bước 1.8 độ Động cơ bước 3 pha tương ứng với góc bước 1.2 độ Động cơ bước 5 pha tương ứng với góc bước 0.72 độ
Động cơ Step theo rotor:
Động cơ rotor được tác dụng bằng dây quấn nam châm vĩnh cửu
Động cơ thay đổi từ trở (loại động cơ này có sự đặc biệt là bộ phận rotor động cơ không được tác động nhưng có phần tử cảm ứng)
Động cơ Step theo cực Động cơ đơn cực Động cơ lưỡng cực
- Nguyên lí làm việc:
Khác với các loại động cơ khác trên thị trường là quay theo cơ chế truyền thống, động cơ bước (step) quay theo từng bước một nên đảm bảo được độ chính xác về mặt điều khiển học.
Nguyên lý hoạt động của động cơ bước Step chủ yếu là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử. Khi đó các mạch điện tử sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.
Tổng số lần chuyển mạch sẽ tương ứng với tổng số góc quay của rotor. Đồng thời chiều quay và tốc độ quay của rotor thì phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đồ của mạch.
- Ưu điểm và nhược điểm của động cơ bước: Ưu điểm:
Khả năng cung cấp moment xoắn cực lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình
Động cơ bước cho hoạt động bền bỉ với thời gian Giá thành loại động cơ này thấp, phải chăng Thay thế hay bảo trì động cơ dễ dàng
Nhược điểm:
Động cơ Step có nguồn lực từ yếu, nguồn cấp điện vào không đủ nên việc sử dụng động cơ bước rất hay bị trượt bước. Cũng chính vì điều này mà đối với ngành công nghiệp động cơ step không được dùng ở các công nghệ đòi hỏi tốc độ cao.
Trong quá trình hoạt động động cơ Step thường gây ra tiếng ồn và có hiện tượng nóng dần. Tuy nhiên hiện nay các loại động cơ step đã gần khắc phục được điều này mà thay vào đó là động cơ cho hoạt động khá êm và độ nóng cũng giảm.
- Ứng dụng:
Hiện nay người ta thường áp dụng động cơ bước (step) trong điều