BÁO cáo bài tập lớn kỹ THUẬT lập TRÌNH TRONG cơ điện tử THIẾT bị đo vận tốc QUAY và ĐỘNG cơ QUAY điều KHIỂN tốc độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
*****************************

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TRONG
CƠ ĐIỆN TỬ
Sinh viên

: Tô Quang Trường

Mã số sinh viên
Mã Lớp

: 20170953

: 119202
HÀ NỘI 1-2021


THIẾT BỊ ĐO VẬN TỐC QUAY VÀ ĐỘNG CƠ
QUAY ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
I. Mở

đầu

Trong những năm qua, khoa học và cơng nghệ có những bước tiến
vượt bậc và ngày càng có những đóng góp to lớn vào cuộc cách mạng
khoa học kỹ thuật hiện đại. Đặc biệt là sự ra đời và phát triển của các hệ
thống như robot thông minh, thiết bị tự động làm cho ngành điện tử trở
nên phong phú và đa dạng hơn. Nó góp phần rất lớn đưa kỹ thuật hiện

đại thâm nhậm rộng rãi vào mọi lĩnh vực của đời sống như hoạt động sản
xuất, kinh tế, đời sống xã hội. Từ những hệ thống máy móc lớn đến
những hệ thống cơng cụ sản xuất, hỗ trợ nhỏ. Từ các máy công nghiệp
đến những thiết bị phục vụ đời sống hàng ngày của con người. Và với
các thiết bị thơng minh đó cảm biến đóng vai trị vơ cùng quan trọng. Là
một loại thiết bị có khả năng cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào ra, có
vai trị đo đạc giá trị, cảm nhận các đại lượng vật lý cần đo. Do vậy cảm
biến là một phần cực kỳ quan trọng và không thể thay thế trong tất cả các
máy công cụ hiện đại trong đời sống hiện nay, dù trong công nghiệp
nặng, nhẹ hay trong các máy móc hỗ trợ cuộc sống hàng ngày như máy
hút bụi thông minh, máy cắt cỏ, .v.v..
Và trong đề tài này sẽ trình bày về một loại cảm biến đó là cảm biến
đo vận tốc encoder quang.
II. Chuẩn

bị và thiết kế sản phẩm

1. Cấu tạo thiết bị
- Module counter IR FC-03
- Arduino UNO R3
- Màn hình LCD 1602
- Module LCD I2C
- Động cơ DC


2. Cấu tạo của module counter IR FC-03
a. Cấu tạo
Cảm biến được cấu tạo gồm một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. trên
đĩa được đục lỗ (rãnh), khi đĩa này quay và chiếu đèn led lên trên mặt đĩa
thì sẽ có sự ngắt qng. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt

một con mắt thu (photosensor) để thu nhận tín hiệu từ đĩa quay.

Module counter IR FC-03 có tính năng chính là phát hiện vật cản đi
quang khe hở giữa 2 đầu thu-phát tia hồng ngoại của module. Với tính
năng này, người dùng có thể sử dụng module cho các tính năng đo tốc độ
động cơ, đếm xung,…


Thông số kỹ thuật:

b, Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của Encoder được dựa trên nguyên tắc vật lý
đĩa quay quanh trục cố định, trên phần mặt đĩa sẽ có các rãnh hở để tín
hiệu quang của đèn LED trước mặt đĩa sẽ đi xuyên qua được và phần
không có rãnh thì ánh sáng sẽ khơng thể đi qua.
Với các tín hiệu là có hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua. Lúc này, có
thể ghi nhận rằng ánh sáng của đèn led có chiều được qua lỗ hay là
khơng. Tín hiệu xung đếm được và tăng lên sẽ được tính bằng chính số
lần ánh sáng của đèn LED bị cắt. Cảm biến ở mặt đối diện sẽ thu được
tín hiệu ánh sáng và sẽ đóng cắt liên tục và tạo ra các tín hiệu xung
vng.


Sử dụng các bộ mã hóa sẽ thu được số xung và tốc độ xung. Các tín
hiệu xung này sẽ được đưa về bộ phận xử lý trung tâm như các bộ vi xử
lý hoặc PLC,… Lúc này, người dùng có thể thu được vị trí và tốc độ hiện
tại của động cơ.
Thơng thường, với 1 Encoder thì có 2 dạng tín hiệu xung giúp bạn có
thể xác định chính xác được chiều quay của động cơ đó là tín hiệu xung
A và B. Cịn 1 tín hiệu khe Z là tín hiệu được xuất ra khi động cơ đã quay

được 1 vịng.
Để có thể xác định một cách chính xác nhất chiều quay của động cơ,
khi đèn LED bắt đầu xuất tín hiệu thì 2 pha A và B lúc này sẽ có nhiệm
vụ thu tín hiệu và chúng sẽ tạo ra các xung vng để đóng cắt theo trình
tự. Sự chênh lệch tần số xung giữa A và B sẽ giúp cho người dùng có thể
phân biệt được chiều quay của một động cơ.
3. Màn

hình LCD 1602
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được
sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK. LCD 1602 có rất nhiều
ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa
dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều
giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài ngun hệ thống, giá
thành rẻ,…
Thơng số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:


- Điện áp MAX : 7V
- Điện áp MIN : - 0,3V
- Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V
- Điện áp ra mức cao : > 2.4
- Điện áp ra mức thấp : <0.4V
- Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA
- Nhiệt độ hoạt động : - 30 - 75 độ C

Chức năng của từng chân LCD 1602:
- Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của
mạch điều khiển
- Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với

VCC=5V của mạch điều khiển
- Chân số 3 - VE : điều chỉnh độ tương phản của LCD
- Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc
logic "1":
+ Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD
(ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ
“đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên
trong LCD
- Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối
với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
- Chân số 6 - E : chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được
đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho
phép của chân này như sau:
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi
bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu
chân E


+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát
hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus
đến khi nào chân E xuống mức thấp
- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để
trao đổi thơng tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là:
Chế độ 8 bit (dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit
DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7,
bit MSB là DB7)
- Chân số 15 - A : nguồn dương cho đèn nền
- Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn nền
4. Module I2C

Để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780(LCD 1602, LCD
2004, ... ), cần có ít nhất 6 chân của MCU kết nối với các chân RS, EN,
D7, D6, D5 và D4 để có thể giao tiếp với LCD. Nhưng với module
chuyển giao tiếp LCD sang I2C, chỉ cần 2 chân (SDA và SCL) của
MCU kết nối với 2 chân (SDA và SCL) của module là đã có thể hiển thị
thơng tin lên LCD. Ngồi ra có thể điều chỉnh được độ tương phản bởi
biến trở gắn trên module. Vì vậy sử dụng module I2C tối ưu hơn rất
nhiều.

Kết nối module với Arduino UNO R3:
Module

MCU

Vcc

Vcc

GND

GND

SDA

A4

SCL

A5

5. Kết nối với Arduino và LCD 1602 và cảm biến đo vận tốc
Sơ đồ kết nối:

Module IR FC-03

Arduino

LCD 1602 + I2C

VCC

5V

VCC

GND

GND

GND

D0

2
A4

SDA

A5

SCL

Nguyên lý:
Trong bài này em sẽ dùng đĩa tròn có độ phân giải 20 xung/vịng.


Khi ta cấp nguồn cho thiết bị và bắt đầu đo, Module IR FC-03 sẽ đếm
số xung trong một giây và trả giá trị đếm được về cho Arduino và ở đây
ta sẽ xử lí để chuyển từ xung/s về các đơn vị khác như vòng/phút hoặc
m/s,….. bằng cách lập trình cho Arduino
Trong bài này em đưa về đơn vị vịng/phút với cơng thức đổi như
sau:
V= (rpm)
V: vận tốc quay của động cơ với đơn vị vòng/phút
N: số xung đếm được trong 1 giây
Sau quá trình xử lý Arduino sẽ gửi tín hiệu thơng qua module giao
tiếp I2C đến màn hình LCD1602 để hiển thị giá trị đo được lên màn
hình. (việc hiển thị lên màn hình cũng được lập trình trên Arduino).
5. Kết

nối Arduino với động cơ DC
Sơ đồ kết nối:

Nguyên Lý:
Ở đây em sẽ lập trình cho Arduino sao cho khi mà bấm nút, động cơ
sẽ tăng dần tốc độ và khi ngừng bấm thì vận tốc của động cơ sẽ giảm dần
cho đến 0. Nếu như trong khi vận tốc động cơ giảm dần mà tiếp tục bấm
nút thì động cơ sẽ chuyển sang trạng thái vận tốc tăng dần.
7. Chương

trình xử lý



III. Kết

quả thu được
- Đọc được giá trị đo của cảm biến encoder quang.
- Truyền nhận ổn định thông tin giữa Arduino với màn hình LCD
1602 qua module I2C.
- Điều khiển được tốc độ của động cơ tuy nhiên còn thiếu ổn định.
IV. Kết luận
Sau khi thực hiện đề tài, chúng em có thêm kinh nghiệm thiết thực
trong việc thiết kế phần cứng, xử lý các vấn đề xảy ra, tăng thêm khả
năng tự viết code cũng như đọc hiểu các thư viện sẵn có.
Hướng phát triển đề tài
- Ứng dụng lên đo vận tốc của xe (ở đây em hướng đến xe ô tô điều
khiển từ xa qua bluetooth). Điều khiển và hiển thị vận tốc của xe lên màn
hình điện thoại cũng như có thể thay đổi vận tốc động cơ của xe một
cách ổn định.