3.1.2. Phần mềm Arduino IDE.
Được phát triển trên nền tản IDE nên việc viết một chương trình (code) giờ đây
thật đơn giản. Với Arduino IDE gần như bạn không cần phải code nhiều mà đã được các nhà sản xuất, doanh nghiệp, cộng đồng, cá nhân hỗ trợ mã chương trình (code), thư viện. Việc duy nhất mà bạn phải làm là lựa chọn những đoạn code phù hợp để đưa vào thực thi.
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hữu Hải Âu Người hướng dẫn: Ths. Phạm Minh Mận
3.1.3. Ứng dụng của Arduino trong thời đại 4.0.
Nếu bạn là một người yêu thích điện tử hay là một sinh viên, học sinh chẳng hạn. Với những ý tưởng từng lóe lên trong đầu (làm một chú Robot nhện, xe điều khiển từ xa, ngôi nhà thông minh…) và bạn muốn thực hiện nó mà chưa biết bắt đầu từ đầu, thì Arduino là một giải pháp hồn hảo cho bạn. Bạn khơng cần phải là một coder chuyên nghiệp bạn cũng có thể làm được tất, đó là điều vi diệu mà Arduino IDE mang lại.
Hình 3. 5: Các ứng dụng thực tế.
3.1.4. Arduino mang lại gì cho nền giáo dục?
Với sự phát triển nhanh chóng của mã nguồn mở Arduino IDE, việc học đã khơng cịn là khó khăn cho những bạn đam mê về điện tử, lập trình. Vì vậy, hiện nay Arduino đã được các trường THCS, THPT, Cao Đẳng, Đại Học đưa vào giảng dạy và làm các đề tài và hoạt động ngoại khóa của nhà trường. Là tiền đề thúc đẩy sự ham mê học hỏi và yêu thích nghành nghề của mình hơn và tiếp cận đến cơng nghệ một cách nhanh nhất. [5]
Hình 3. 6: Các hình ảnh hoạt động ngoại khóa ở các trường.
3.1.5. Arduino Leonardo và ứng dụng để làm mơ hình cabin tập lái.
Ngoài chức năng như một con Arduino Leonardo, Arduino Leonardo cịn có thêm một chức năng khá hay, đó là USB host. Nghĩa là bạn có thể giả lập một thiết bị như chuột, bàn phím, tay cầm game... bằng con Arduino Leonardo này với chuẩn USB-HID. Vì sao lại làm được như thế? Vì ngồi mục đích thỏa mãn nhu cầu người dùng, họ cịn muốn nó "mới" hơn con Arduino Uno, chứ giống hệt thì khơng nói làm gì nữa, do đó bootloader của Arduino Leonardo lại nặng đến 4kb. Vì thế nên arduino Leonardo rất thích hợp và hồn tồn có thể để làm mơ hình cabin tập lái xe ơ tơ.
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hữu Hải Âu Người hướng dẫn: Ths. Phạm Minh Mận
Bảng 3. 1: Thông số kĩ thuật
Vi điều khiển ATmega32u4
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp đầu vào (Khuyến nghị) 7-12V
Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Ghim I / O kỹ thuật số 20
Kênh PWM 7
Các kênh đầu vào tương tự 12
Dòng điện DC trên mỗi chân I / O 40 mA Dòng điện một chiều cho chân 3,3V 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega32u4) trong đó 4 KB
được bộ nạp khởi động sử dụng SRAM 2,5 KB (ATmega32u4) EEPROM 1 KB (ATmega32u4) Tốc độ đồng hồ 16 MHz Chiều dài 68,6 mm Bề rộng 53,3 mm Cân nặng 20 g
Arduino Leonardo có thể được cấp nguồn qua kết nối micro USB hoặc với nguồn điện bên ngoài. Nguồn điện được chọn tự động.Nguồn bên ngồi (khơng phải USB) có thể đến từ bộ chuyển đổi AC-sang-DC (ổ cắm trên tường) hoặc pin. Có thể kết nối bộ chuyển đổi bằng cách cắm phích cắm dương trung tâm 2,1mm vào giắc cắm nguồn của bo mạch. Dây dẫn từ pin có thể được lắp vào đầu cắm chân Gnd và Vin của đầu nối POWER. Các chân như sau
SỐ VIN. Điện áp đầu vào cho bảng Arduino khi nó sử dụng nguồn điện bên ngồi (trái ngược với 5 volt từ kết nối USB hoặc nguồn điện được điều chỉnh khác). Bạn có thể cấp điện áp qua chân này, hoặc nếu cấp điện áp qua giắc cắm nguồn, hãy truy cập nó qua chân này.
5V. Nguồn điện được điều chỉnh được sử dụng để cấp nguồn cho bộ vi điều khiển và các thành phần khác trên bo mạch. Điều này có thể đến từ VIN thơng qua một bộ điều chỉnh trên bo mạch, hoặc được cung cấp bởi USB hoặc một nguồn 5V được quy định khác.
3V3. Nguồn cung cấp 3,3 volt được tạo ra bởi bộ điều chỉnh trên bo mạch. Dòng điện tối đa là 50 mA.
Cách thức hoạt động
Mỗi chân trong số 20 chân i / o kỹ thuật số trên Leonardo có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode () , digitalWrite () và digitalRead () . Chúng hoạt động ở 5 volt. Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận tối đa 40 mA và có điện trở kéo lên bên trong (ngắt kết nối theo mặc định) là 20-50 kOhms. Ngồi ra, một số chân có chức năng chuyên biệt:
Nối tiếp: 0 (RX) và 1 (TX). Được sử dụng để nhận (RX) và truyền (TX) dữ liệu nối tiếp TTL bằng khả năng nối tiếp phần cứng ATmega32U4 . Lưu ý rằng trên Leonardo, lớp Serial đề cập đến giao tiếp USB (CDC); đối với nối tiếp TTL trên chân 0 và 1, hãy sử dụng lớp Serial1 .
TWI: 2 (SDA) và 3 (SCL). Hỗ trợ giao tiếp TWI bằng thư viện Wire .
Ngắt ngoài: 3 (ngắt 0), 2 (ngắt 1), 0 (ngắt 2), 1 (ngắt 3) và 7 (ngắt 4). Các chân này có thể được cấu hình để kích hoạt ngắt trên giá trị thấp, cạnh tăng hoặc giảm hoặc thay đổi giá trị. Hãy xem hàm AttachInterrupt () để biết thêm chi tiết.
PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11 và 13. Cung cấp đầu ra PWM 8 bit với hàm analogWrite () . SPI: trên tiêu đề ICSP. Các chân này hỗ trợ giao tiếp SPI bằng cách sử dụng thư viện SPI . Lưu ý rằng các chân SPI không được kết nối với bất kỳ chân I / O kỹ thuật số nào khi chúng ở trên Uno, Chúng chỉ khả dụng trên đầu nối ICSP. Điều này có nghĩa là nếu bạn có tấm chắn sử dụng SPI, nhưng KHƠNG có đầu nối ICSP 6 chân kết nối với đầu cắm ICSP 6 chân của Leonardo, tấm chắn sẽ khơng hoạt động.
Đèn LED: 13. Có một đèn LED tích hợp được kết nối với chân số 13. Khi chân có giá trị CAO, đèn LED sẽ sáng, khi chân LOW, đèn sẽ tắt.
Đầu vào tương tự: A0-A5, A6 - A11 (trên các chân kỹ thuật số 4, 6, 8, 9, 10 và 12). Leonardo có 12 đầu vào tương tự, được dán nhãn A0 đến A11, tất cả đều có thể được sử dụng như i / o kỹ thuật số. Các chân A0-A5 xuất hiện ở các vị trí giống như trên Uno; đầu vào A6-A11 lần lượt nằm trên các chân i / o kỹ thuật số 4, 6, 8, 9, 10 và 12. Mỗi đầu vào tương tự cung cấp 10 bit độ phân giải (tức là 1024 giá trị khác nhau). Theo mặc định, các đầu vào tương tự đo từ mặt đất đến 5 vơn, tuy nhiên, có thể thay đổi đầu trên của dải của chúng bằng cách sử dụng chân AREF và hàm analogReference (). [6]
3.2. Cơng tắc hành trình ( Limit switch ).
3.2.1. Khái niệm.
Cơng tắc hành trình hay cịn gọi cơng tắc giới hạn là thiết bị chuyển đổi chuyển động cơ thành tín hiệu điện.Tín hiệu của cơng tắc hành trình phục vụ cho quá trình điều khiển và
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hữu Hải Âu Người hướng dẫn: Ths. Phạm Minh Mận
Cơng tắc hành trình là 1 dạng của cơng tắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động, Nó có cấu tao như các loại cơng tắc điện bình thường, nhưng được thiết kế thêm cần tác động sao cho các bộ phận chuyển động dễ dàng tác động vào nó làm tiếp điểm bên trong thay đổi các trạng thái và Cơng tắc hành trình thường là loại khơng duy trì trạng thái, khi khơng cịn tác động thì sẽ trở về lại vị trí ban đầu. Thường thì cơng tắc hành trình được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nào đó sẽ tác động lên cơng tắc.
Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay. Khi cơng tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một tiếp điểm do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác.
Người ta có thể dùng cơng tắc hành trình vào các mục đích như:
- Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn tác động vào cơng tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu -> nó khơng thể vượt qua vị trí giới hạn)
- Hành trình tự động: Kết hợp với các relay, PLC hay VDK để khi cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó). Hiện nay có rất nhiều loại cơng tắc hành trình, để lựa chọn 1 loại cơng tắc hành trình ta cần biết:
Hình dạng, vật liệu, hướng tác động của cơ cấu tác động vào công tắc.
Môi trường hoạt động của cơng tắc. (có bụi hay khơng bụi, mơi trường dầu hay nước ...) Lực tác động vào cơng tắc hành trình. [7]
Hình 3. 8: Cơng tắc hành trình.
3.3. Mạch điều khiển động cơ.
Mạch Driver động cơ là bộ khuếch đại dòng điện. Chúng hoạt động như một cầu nối giữa bộ điều khiển và động cơ trong bộ truyền động động cơ. Trình điều khiển động cơ được làm từ các thành phần rời rạc được tích hợp bên trong vi mạch. Đầu vào cho IC điều khiển động cơ hoặc mạch điều khiển động cơ là tín hiệu dòng điện thấp. Chức năng của mạch là chuyển đổi tín hiệu dịng điện thấp sang tín hiệu dịng điện cao. Tín hiệu dịng điện cao này sau đó được đưa đến động cơ. Động cơ có thể là động cơ DC khơng chổi than, động cơ DC có chổi than, động cơ bước, động cơ DC khác, v.v.
3.3.2. Đặc trưng.
Chức năng cấp cao. Hiệu suất tốt hơn. Cung cấp điện áp cao. Cung cấp ổ đĩa hiện tại cao.
Bao gồm các chương trình bảo vệ để ngăn ngừa sự cố động cơ do bất kỳ lỗi nào.
3.3.3. IC điều khiển động cơ.
Trong giao tiếp động cơ với bộ điều khiển, yêu cầu chính cho hoạt động của bộ điều khiển là điện áp thấp và lượng dòng điện nhỏ. Nhưng động cơ yêu cầu một điện áp và dòng điện cao cho hoạt động của nó. Nói cách khác, chúng ta có thể nói đầu ra của bộ điều khiển hoặc bộ xử lý không đủ để điều khiển động cơ. Trong trường hợp này không thể giao tiếp trực tiếp bộ điều khiển với động cơ. Vì vậy, chúng tơi sử dụng một mạch điều khiển động cơ hoặc IC điều khiển động cơ.
3.3.4. Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 cầu H.
Mạch cầu H là một trong những mạch điều khiển động cơ thường được sử dụng khác. Trong các ứng dụng robot, động cơ DC phải chạy theo hướng lùi và tiến; H mạch cầu đóng vai trị chính. Tên cầu H được sử dụng vì biểu diễn sơ đồ của mạch.
Mạch cầu H - BTS7960 43A dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển với driver tích hợp sẵn trong IC với 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.
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hữu Hải Âu Người hướng dẫn: Ths. Phạm Minh Mận
Hình 3. 9: Mạch điều khiển động cơ BTS7960
3.4. Bộ chiết áp.
3.4.1. Bộ chiết áp là gì?
Chiết áp, potentiometer hay biến trở chia áp là phần tử điện trở có ít nhất một tiếp điểm di động trên thân điện trở để tạo thành "bộ chia điện áp" chỉnh được. Tiếp điểm di động chia điện trở thành các phần có giá trị bù nhau, và khi đặt lên điện trở một điện áp (tín hiệu) V thì điện áp tại tiếp điểm là giá trị chia tỷ lệ điện áp đó theo các giá trị điện trở. Đó cũng là nguồn gốc để đặt tên là "chiết áp".[1]
Chiết áp được dùng để điều khiển mức tín hiệu trong các thiết bị điện và điện tử. Trong phần lớn trường hợp công suất tiêu tán trên chiết áp là nhỏ, nhưng cũng có một số trường hợp cơng suất tiêu tán lên tới watt hoặc trăm watt.
Nếu một đầu ra của thân điện trở khơng được sử dụng, chỉ có một đầu ra và cần gạt, thì nó hoạt động như một điện trở thay đổi hoặc biến trở (trở biến đổi).
3.4.2. Phân loại bộ chiết áp. 3.4.2.1. Theo vật liệu 3.4.2.1. Theo vật liệu
Điện trở của chiết áp được chế tạo theo hai nhóm vật liệu chính:
Màng than graphit hoặc tương đương, là các chiết áp phổ biến trong điện tử tiêu dùng.
Dây điện trở cao quấn lên trụ lõi, có độ chính xác, ổn định cao, dùng trong kỹ thuật điện tử đo đạc phân tích.
3.4.2.2. Theo hình dạng điện trở
a. Phân loại theo hình dạng gắn với cơng dụng thì có các dạng chính:
Chiết áp xoay có tấm điện trở hình vịng cung và tiếp điểm di động lắp trên cần xoay. Hầu hết chiết áp xoay là màng than.
Chiết áp thanh trượt có tấm điện trở hình dạng dải thẳng và tiếp điểm di động lắp trên cần trượt. Các thiết bị dân dụng dùng trở màng than, còn thiết bị kỹ thuật dùng trở dây quấn.
Dạng đặc biệt, như Helipot là dạng dây quấn trên một trụ, và trụ này lại được cuốn thành nhiều vòng dạng lò xo, thường là 10 vịng, tạo ra chiết áp chính xác 10 vịng xoay.
b. Theo công dụng trong thiết bị
Chiết áp lắp trên bảng điều khiển. Chiết áp tinh chỉnh trimpot hoặc trimmer, có kích thước nhỏ lắp lắp vào mạch in khi khơng điều chỉnh thường xuyên. Các trimpot có thể là màng than tiếp điểm xoay, nhưng các thiết bị kỹ thuật thường dùng loại dây quấn có độ ổn định và chính xác cao.
Một số loại chiết áp thường gặp:
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hữu Hải Âu Người hướng dẫn: Ths. Phạm Minh Mận
Hình 3. 12: Chiết áp tinh chỉnh trimmer hoặc trimpot, lắp vào mạch in khi không điều chỉnh thường xuyên
3.4.3. Ứng dụng bộ chiết áp.
Chiết áp thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện như điều khiển âm lượng trên thiết bị âm thanh. Khi dịch chuyển thanh trượt được vận hành bởi một cơ chế xác định thì nó có thể được sử dụng làm đầu dị vị trí, ví dụ trong joystick. Chiết áp hiếm khi được sử dụng để điều khiển trực tiếp công suất đáng kể, cỡ hơn một watt, vì cơng suất tiêu tán trong chiết áp sẽ tương đương với công suất trong tải điều khiển.
3.5. Encoder.
3.5.1. Encoder là gì?
Như thường lệ thì trước khi vào nội dung chính chúng ta sẽ điểm qua một số thông tin cơ bản về loại thiết bị này trước nhé. Encoder hay cịn 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 máy CNC. Nó giúp đo và hiển thị các thơng số về tốc độ của máy. Encoder là thành phần quan trọng của động cơ, giúp chúng ta đọc được tốc độ và vị trí của động cơ, nhờ các xung vng có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ của động cơ.
Trong ngành gia cơng cơ khí chính xác. Máy CNC là thiết bị được dùng gia cơng cơ khí chính xác hồn tồn tự động. Để điều khiển và xác định các góc quay của dao hoặc bàn gá, hiển thị trên máy tính là đường thẳng hoặc góc bao nhiêu độ. Thì bên trong các cánh tay robot máy CNC được bố trí các Encoder làm nhiệm vụ trên.
Có hai loại bộ mã hóa đó là bộ mã hóa tuyến tính và mã hóa quay. Encoder tuyến tính đáp ứng chuyển động dọc theo một đường dẫn, cịn Encoder quay thì đáp ứng với chuyển động quay.
3.5.2. Cấu tạo của encoder.
Các bạn có thể quan sát hình ảnh mơ tả bên dưới để phần nào hiểu thêm về cấu tạo của encoder nhé. Cụ thể thì chúng bao gồm:
1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ. 1 đèn Led dùng làm nguồn phát sáng.
1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng. Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu.
Hình 3. 13: Cấu tạo của encoder
3.5.3. Nguyên lí làm việc của encoder.
Khi Encoder chuyển động bộ chuyển đổi sẽ xử lý các chuyển động và chuyển thành các tín hiệu điện. Các tín hiệu này sẽ được truyền đến các thiết bị điều khiển PLC