Đồ án: Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298 (Ghép lại như một ô tô đồ chơi 4 bánh) sử dụng họ VĐK MCS51

Đề 6. Thiết kế mạch điều khiển 2 động cơ bước dùng L298. (ghép lại như một
oto đồ chơi 4 bánh). Sử dụng họ VĐK MCS51.

1, Vũ Mậu Dương
2, Vũ Văn Hải
3, Võ Anh Thắng
4, Nguyễn Văn Hùng

Nhóm Trưởng

Nhiệm vụ thiết kế : Chuyển động động cơ bước theo ý muốn của người lập trình,
bao gồm
• Chuyển động thẳng : tiến, lùi.
• Chuyển động quay : trái, phải.
• Điều khiển được tốc độ chuyển động của động cơ.
• Có các phím chức năng tương ứng để Dừng, Tiến, Lùi, Quay trái, Quay phải,
Tăng tốc, Giảm tốc theo đường Line.
• Hiển thị các chức năng tương ứng khi chạy lên màn hình LCD.
Yêu cầu:
• Chương 1: Đặt vấn đề và nhiệm vụ thư.

(1 tuần)

• Chương 2: Tổng quan các phương pháp điều khiển động cơ bước và cảm
biến dò đường.

(2 tuần)

• Chương 3: Thiết kế phần cứng.

(2 tuần)

• Chương 4: Thiết kế phần mềm.

(2 tuần)

• Chương 5: Kết luận và phương hướng phát triển.

(1 tuần)

Thời gian làm đồ án: Từ 21/09/2015 đến 16/11/2015
Email liên hệ:

1


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ....................................2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG........................................4
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG....................................................14
Chức năng của từng phím bấm:..................................................................31
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM......................................................32
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN.........41
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................42

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, nhờ sự phát triển của nền khoa học kĩ thuật, quá trình công nghiệp
hóa hiện đại hóa diễn ra một cách nhanh chóng trên toàn cầu .
Các nhà máy cũng dần thay thế sức lao động con người bằng những máy móc

và dây chuyền sản xuất .Trong cuộc sống thường nhật cũng đang phát triển các ứng
dụng, đưa robot làm các công việc thường ngày lặp đi lặp lại hay những công việc
dọn dẹp trong nhà..v.v.
Trong các máy móc và những con robot đều có trong nó các động cơ để giúp
các cơ cấu hoạt động. Thực tế, những con robot nhỏ thì thường dùng động cơ một
chiều. Với yêu cầu điều khiển chính xác thì người ta thường dùng các động cơ bước
do đặc điểm cấu tạo của nó cũng như cách thức hoạt động của nó mang đến sự
chính xác lớn và ít sai số trong những trường hợp cụ thể nhất định chúng em sẽ cụ
thể hơn ở chương tiếp theo.
2
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Từ sự phát triển này cùng với kiến thức được học tập tại trường, chúng em
muốn tìm hiểu và thực hành điều khiển động cơ bước. Đây là cơ sở cho những phát
triển những con robot đa nhiệm phục vụ cuộc sống hàng ngày. Đồng thời hiển thị
lên LCD để thuận lợi cho việc giao tiếp giữa con người và các thiết bị cần điều
khiển.
1.2. NHIỆM VỤ THƯ
1.2.1.Đối Tượng Đề Tài.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án:
•
•
•
•

Động cơ bước.
IC L298.
Màn hình LCD.
Vi điều khiển AVR .

1.2.2.Mục Đích Đề Tài.
• Thiết kế được mạch điều khiển động cơ bước.
• Áp dụng kĩ thuật dò đường.

1.2.3.Nội Dung Cần Triển Khai.
Chức năng của hệ thống là chuyển động động cơ bước theo ý muốn của người
lập trình, bao gồm:
• Chuyển động thẳng : tiến, lùi.
• Chuyển động quay : trái, phải.
• Điều khiển được tốc độ chuyển động của động cơ.
• Có các phím chức năng tương ứng để Dừng, Tiến, Lùi, Quay trái, Quay
phải, Tăng tốc, Giảm tốc theo đường Line.
• Hiển thị các chức năng tương ứng khi chạy lên màn hình LCD.
1.2.4.Phương Pháp Tiếp Cận.
• Tham khảo tài liệu: tài liệu tham khảo chủ yếu qua internet.
• Tự nghiên cứu: thu thập tài liệu.

3
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG
2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC
Động cơ bước là một thiết bị cơ điện dùng để biến đổi xung điện một chiều
thành chuyển động quay cơ học rời rạc. Góc quay và tốc độ quay tương ứng với số
xung và tần sỗ xung điện cấp cho động cơ. Mỗi một vòng quay của trục động cơ
được thiết lập bởi một số lượng hữu hạn các góc bước, là góc quay của roto mỗi khi
cuộn dây stato bị đảo cực tính.

Động cơ bước có 3 loại:
- Động cơ biến từ trở.
- Động cơ nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ lai.
Theo quan điểm điều khiển thì động cơ lai giống với động cơ nam châm vĩnh
cửu. Vì vậy ta chỉ nghiên cứu động nam châm vĩnh cửu và động cơ biến từ trở.
Để phân biệt các loại động cơ ta xoay rôto bằng tay. Động cơ nam châm vĩnh
cửu có từ dư trong stato nên sẽ làm rôto bị giật trục như đang ăn khớp bánh răng.
Trong khi đó động cơ biến từ trở hầu như quay trơn. Ngoài ra ta còn có thể phân
biệt bằng ôm kế. Động cơ biến từ trở có ba (đôi khi bốn) cuộn dây stato với 1 đầu
nối chung. Trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu có hai cuộn dây stato độc
lập , có hoặc không phân nấc giữa mỗi cuộn.
Động cơ bước phong phú về góc quay (góc bước). Những động cơ thông
thường có góc bước lớn như 90, 30, 15 hoặc 7,5. Những động cơ mịn thường có góc
bước 1,8 hoặc 0,72. Ngoài ra, bằng việc điều khiển các tín hiệu xung điện một chiều
với những tuần tự giá trị thích hợp có thể điều khiển động cơ quay nửa bước hoặc
thậm chí vi bước.
Động cơ bước thường được sử dụng trong điều khiển vòng hở bởi những ưu
điểm:
- Góc quay tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển.
- Momen động cơ luôn ở mức danh định.
- Vị trí góc quay chính xác vì không có sai số tích lũy ở mỗi góc bước.
- Dễ dàng điều khiển khởi động dừng và đảo chiều quay .
- Không có chổi than nên làm việc tin cậy.
- Chi phí thấp.
- Có một dải rộng về độ phân giải góc quay.
Ngoài ra, động cơ bước có một số nhược điểm cần chú ý khi sử dụng:
- Cộng hưởng sẽ xảy ra khi điều khiển không đúng cách.
4
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN

- Tốc độ quay không cao.
2.1.1. Động Cơ Biến Từ Trở.
Động cơ biến từ trở có stato làm từ các lá thép kỹ thuật điện không bị dư từ có
rãnh để đặt các cuộn dây. Rôto làm bằng thép non không bị từ dư, có dạng như
bánh răng. Cấp một dòng điện một chiều vào cuộn stato sẽ tạo thành một nam châm
điện. Từ trường stato từ hóa các bánh răng rôto nằm gần đó và hút các răng này tới
vị trí của nó. Ngắt dòng điện cuộn dây này và cấp cho cuộn dây kế tiếp sẽ làm thay
đổi từ trường stato và làm rôto quay một góc bước. Vì sao stato và rôto làm bằng
vật liệu không bị từ dư nên khi ngắt dòng khỏi cuộn dây stato thì từ trường stato và
rôto bị triệt tiêu hoàn toàn. Điều này làm tối thiểu hóa từ trở trong động cơ khi vận
hành. Và cũng chính vì vậy mà rôto quay bằng tay khi không cấp điện ta thấy rôto
hầu như quay trơn. Mối quan hệ giữa góc bước, số răng rôto và số cực stato được
biểu diễn bằng công thức sau:
=(

) 360

Trong đó :
-

: góc bước.

-

S

: số cực stato.

-

R

: số răng rôto.

Hình 2.1 : Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ biến từ trở ba cuộn dây.
Động cơ biến từ trở có ba cuộn dây stato được đâu nối theo sơ đồ hình 2.1 với
một đầu nối chung cho tất cả các cuộn dây. Đầu này được nối với cực dương của
nguồn và đầu còn lại được luân phiên nối đất để các cuộn dây được cấp điện một
cách trình tự.
Mặt cắt ngang trong hình 1.1 là của một động cơ biến từ trở có góc bước 30 ,
rôto có 4 răng, stato có 6 cực và mỗi cuộn dây stato được quấn quanh hai cực đối
diện nhau. Khi cuộn dây số 1 được cấp điện. Các cực stato có ký hiệu 1 sẽ trở thành
5
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


nam châm điện và hút các răng rôto có ký hiệu X. Ngắt các dòng qua cuộn 1 và cấp
dòng cho cuộn 2, rôto sẽ quay một góc 30

theo chiều kim đồng hồ. Khi đó, các

răng rôto có ký hiệu Y sẽ nằm thẳng hàng với các cực stato có ký hiệu 2.
Để làm quay động cơ liên tục, ta phải cấp dòng cho 3 cuộn dây một cách tuần
tự. Bằng việc sử dụng các ký hiệu logic, trong đó “1” nghĩa là cấp dòng và “0” là
ngắt dòng qua một cuận dây, toán tử sau sẽ quay động cơ minh họa hình.....theo
chiều kim đồng hồ 24 bước hay 2 vòng quay:
Cuộn dây 1: 1001001001001001001001001
Cuộn dây 2: 0100100100100100100100100

Cuộn dây 3: 0010010010010010010010010
Thời gian --Cũng có những động cơ biến từ trở có 4 hoạc 5 cuộn dây. Nguyên stắc hoạt
động của những động cơ này tương tự như loại có 3 cuộn dây nói trên.
2.1.2. Động Cơ Nam Châm Vĩnh Cửu

Hình 2.2: cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu.
Động cơ nam châm vĩnh cửu có rôto là một nam châm vĩnh cửa với các cực
bắc nam xen kẽ nhau xung quanh biên dạng hình trụ của rôto. Các cực rôto đối diện
hoặc cạnh nhau hoặc đối diện nhau thì ngược dấu nhau. Stato có các cuộn dây quấn
quanh các rãnh đối diện nhau tạo thành các cực stato. Khi cấp dòng điện một chiều
cho cuộn dây, cực stato sẽ hình thành một nam châm điện và hút các cực từ của rôto
làm rôto quay đi một góc bước. Động cơ có càng nhiều cực rôto và stato thì có góc
bước càng nhỏ.
Động cơ nam châm vĩnh cửu có nhiều loại : động cơ đơn cực, động cơ lưỡng
cực, động cơ hai dây song song và động cơ nhiều pha. Vì động cơ đơn cực, động cơ
lưỡng cực và động cơ hai dây song song có hai cuộn dây stato nên đôi khi người ta
còn gọi động cơ nay là động cơ hai pha, để phân biệt với động cơ có nhiều pha có
số cuộn dây stato lớn hơn.
6
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


2.1.2.1.Động Cơ Đơn Cực
Động cơ đơn cực là động cơ nam châm vĩnh cửu có 2 cuộn dây stato được đấu
nối theo sơ đồ hình 2.2 với một nấc phân ở giữa mỗi cuộn dây. Nấc phân ở giữa các
cuộn dây này được nối với cực dương của nguồn và hai đầu còn lại của cuộn dây
được luân phiên nối đất để đảo chiều của từ trường sinh ra bởi các cuộn dây đó.

Hình 2.2 : Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ đơn cực rôto có 6 cực.
Hình 2.2 là mặt cắt ngang và sơ đồ đấu dây của động cơ nam châm vĩnh cửu

có góc bước 30 . cuộn dây số 1 quấn quanh các cực stato trên và dưới, cuộn dây số
2 quấn quanh các cực stato trái và phải. Rôto là một nam châm vĩnh cửu có 6 cực
( 3 cực nam và 3 cực bắc ).
Như chỉ ra ở hình 2.2 dòng điện chay từ nguồn qua các điểm phân nấc từ đầu a
của cuộn dây dây 1 làm cho cực stato trên trở thành cực bắc và cực stato dưới thành
cực nam của các nam châm điện. Các cực nay sẽ hút các cực của rôto ngược dấu
làm rôto quay tới vị trí như đã chỉ trên hình vẽ. Nếu cắt dòng qua cuộn 1 và cấp
dòng cho cuộn 2 thì rôto sẽ quay một góc 30 (hay một bước).
Để làm cho động cơ quay liên tục, ta phải cấp dòng cho các cuộn dây một
cách tuần tự. Bằng việc sử dụng ký tự logic, trong đó “1” là cấp dòng và “0” là
không cấp dòng qua cuộn dây, hai điều khiển tuần tự sau sẽ làm quay động cơ minh
họa hình 2.3 theo chiều kim đồng hồ 24 bước hay 4 vòng quay:
Cuộn dây 1a: 1000100010001000100010001
Cuộn dây 1b: 0010001000100010001000100
Cuộn dây 2a: 0100010001000100010001000
Cuộn dây 2b: 0001000100010001000100010
Tuần tự --Cuộn dây 1a: 1100110011001100110011001
Cuộn dây 1b: 0011001100110011001100110
7
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Cuộn dây 2a: 0110011001100110011001100
Cuộn dây 2b: 1001100110011001100110011
Vì hai nửa của mỗi cuộn dây đêu được quấn quanh hai cực stato tương ứng
nhưng ngược chiều nên nếu cấp dòng cùng một lúc cho cả hai nửa của một cuộn
dây thì cuộn dây stato tương ứng sẽ vừa hình thành cực bắc và nam của một nam
châm điện. Do đó sẽ không làm rôto to quay được.
Cả hai tuần tự trên đều làm quay động cơ mỗi lân một bước. Tuần tự đầu , tại
một thời điểm chỉ cấp dòng cho một cuộn dây (như minh họa hình vẽ 2.3) vì nó sử

dụng ít năng lượng. Tuần tự thứ hai , tại một thời điểm cấp dòng cho 2 cuộn dây ,
do đó tạo ra mômen xoắn cao gấp 1,4 lần và tiêu thụ năng lượng gấp 2 lần so với
tuần tự đầu.
Vị trí bước được tạo ra bởi hai tuần tự bên trên là không giống nhau. Nên kết
hợp hai tuần tự đó sẽ cho phép việc tạo ra việc quay nửa bước của động cơ. Bằng
việc dừng luân phiên động cơ tại vị trí được chỉ ra bởi tuần tự nay tuần tự kia ta sẽ
có tuần tự kết hợp sau:
Cuộn dây 1a: 11000001110000011100000111
Cuộn dây 1b: 00011100000111000001110000
Cuộn dây 2a: 01110000011100000111000001
Cuộn dây 2b: 00000111000001110000011100
Tuần tự --2.1.2.2. Động Cơ Lưỡng Cực.

Hình 2.3 : Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ lưỡng cực.
Động cơ lưỡng cực là động cơ nam châm vĩnh cửu có 2 cuộn dây stato được
đấu nối theo sơ đồ như hình 2.3. động cơ lưỡng cực có cấu tạo giống động cơ đơn
cực, chỉ khác là không có phân nấc giữa các cuộn dây.
Vì không có phân nấc giữa mỗi cuộn dây nên để đảo chiều từ trường tại các
cặp cực stato ta phải đảo chiều dòng điện chạy qua cuộn dây tương ứng. Để làm
được điều này cần một cầu H (H-bridge) cho mỗi một cuộn dây. Hiểu một cách
ngắn gọn, cầu H là một mạch điện có tác dụng thiết lập cực tính của nguồn cấp tới
8
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


mỗi đầu dây. Dùng dấu + và – để chỉ cực tính của nguồn cấp tới mỗi đầu cực của
cuộn dây, ta có hai tuần tự điều khiển giống với trường hợp động cơ đơn cực như
sau:
Đầu cực 1a: +---+---+---+--++--++--++--++-Đầu cực 1b: --+---+---+---+--++--++--++--++
Đầu cực 2a: -+---+---+---+--++--++--++--++Đầu cực 2b: ---+---+---+---+

+--++--++--++--Tuần tự --Nhiều chip cầu H có chân Enable dùng để kích hoạt kí hiệu ra output và chân
Direction điều khiển chiều dòng điện qua chân outputđó. Cần hai cầu H cho động
cơ lưỡng cực, mỗi cầu cho một cuộn dây. Các tuần tự điều khiển dưới đây sẽ điều
khiển động cơ quay giống như các tuâng tự bên trên.
Enable
1 1010101010101010
1111111111111111
Direction 1 1 0 1 0 1 0 1

1100110011001100

2.1.2.3.Động Cơ Hai Dây Song song

Hình 2.4 : Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ hai song song.
Động cơ hai dây song song và một nam chân vĩnh cửu có 4 dây quấn stato .có
cấu tạo giống động cơ lưỡng cực. Chỉ khác chỗ là các cực stato được quấn bởi hai
dây bện song song với nhau. Như vậy , động cơ này có 8 đầu cực.
Trong thực tế , động cơ hai dây song song được dùng như là động cơ đơn cực
hoặc độngc ơ lưỡng cực tùy thuộc vào cách đấu nối các đầu cuộn dây. Hình 2 .4 chỉ
ra những cách đấu nối như vậy.
Để sử dụng động cơ hai dây song song như một động cơ đơn cực, hai dây
quấn của mỗi cuộn dây được mắc nối tiếp với nhau và điểm nối được sử dụng như 1
điểm nấc. Cuộn dây 1 trên hình 2.4 biểu diễn cách đấu nối nay.
Để sử dụng động cơ hai dây song song như một động cơ lưỡng cực thì hai dây
quấn của mỗi cuộn dây được mắc song song hoặc nối tiếp với nhau. Cuộn 2 trên
9
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


hình 2.4 biểu diễn cách đấu song song. Cuộn 1 trong hình 2.4 biểu diễn cách đấu

nối tiếp (bỏ qua điểm phân nấc).
Các động cơ lưỡng cực có 6 đầu ra được quấn bằng cách sử dụng hai dây bện
song song với nhau và được đấu nối như cuộn 1 trong hình 2.4. Bởi vậy, bất cứ
động cơ lưỡng cực nào cũng có thể sử dụng như là một động cơ lưỡng cực.
Khi sử dụng động cơ hai dây song song như là một động cơ đơn cực hoặc
lưỡng cực cần chú ý 3 điểm : giới hạn dòng điện của dây quấn, làm mát động cơ
tránh vận hành mạch từ của động cơ tới trạng thái bão hòa. Khi động cơ chạy với
điện áp và dòng điện danh định thì mạch từ (tạo bởi cuộn dây và cực stato) đã gần
như ở trạng thái bão hòa nên khi mắc nối tiếp hai dây của một cuộn dây thì dung
lượng ampe phòng sẽ tăng lên gấp đôi nhưng cũng sẽ không làm tăng nhiều từ
trường của các cực từ. Vì vậy, nên vận hành các cuộn dây ở một nửa dòng điện
danh định hoặc đặt điện áp danh định và giữa hai cuộn dây. Nếu mốn tăng điện áp
chỉ nên tăng

lần.

Để xác định 8 đầu cực của động cơ, dùng một vôn kê, một vôn kế xoay chiều
và một nguồn xoay chiều điện áp thấp. Đầu tiên, sử dụng ôm kế để xác đinh các cặp
đầu cực của mỗi dây quấn. Sau đó, nối nguồn xoay chiều điện áp thấp vào một
trong những dây quấn này, điện áp xoay chiều nên đặt dưới mức danh định của
động cơ. Tốt nhất là nên đặt dưới 1V. Điện áp xoay chiều này sẽ cảm ứng lên cho
các dây cuốn còn lại. Dùng vôn ké xoay chiều để đo điện áp tại hai đầu cực của mỗi
dây quấn. Với dây quấn bện song song sẽ có tín hiệu điện áp mạnh như tín hiệu
nguồn xoay chiều điện áp thấp. Còn hai dây quấn sẽ còn lại có tín hiệu điện áp yếu
hơn.
2.1.2.4. Động Cơ Nhiều Pha.

Hình 2.5 : Sơ đồ đấu dây động cơ 5 pha.
Động cơ nhiều pha là động cơ nam châm vĩnh cửu có các cuộn dây stato được
mắc với nhau thành một vòng nối tiếp với một điểm phân nấc ở giữa mỗi cặp cuộn

dây. Là loại động cơ ít phổ biến và thường chỉ sử dụng nhiều nhất trong động cơ 3
10
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


pha và 5 pha. Việc điều khiển đòi hỏi cần có nửa cầu H(Half H-Bridge) cho mỗi
đầu cực của động cơ. Những loại động cơ này cung cấp nhiều mômen xoắn bởi vì
tất cả các cuộn dây đều được cấp điện cùng một lúc( có thể có một cuộn dây không
được cấp điện) trong tuần tự điều khiển. Một vài động cơ 5 pha có độ phân giải góc
quay cao lên tới 0.72 /bước (tức 500 bước/vòng quay).
Dưới đây là tuần tự điều khiển của động cơ 5 pha có chu kỳ 10 bước:
Đầu cực 1: +++-----+++++-----++
Đầu cực 2: --+++++-----+++++-Đầu cực 3: +-----+++++-----++++
Đầu cực 4: +++++-----+++++----Đầu cực 5: ----+++++-----+++++Tuần tự --Cũng giống như động cơ lưỡng cực, cực tính của mỗi đầu cực được xác định
bởi cầu H. Chú ý rằng, tại mỗi cầu bước chỉ có một đầu cực thay đổi cực tính sự
thay đổi này lấy đi năng lượng của cuộn dây nối tiếp với đầu cực đó( vì lúc này cả
hai đầu cực của cuộn dây có cùng cực tính) và cung cấp năng lượng cho cuộn dây
khác đang chưa hoạt động.
Để phân biệt động cơ 5 pha với động cơ 5 đầu cực khác , ta dùng một ôm kế.
Nếu điện trở của hai đầu cực liên tiếp của động cơ 5 pha là R thì điện trở giữa hai
đầu cực không kề nha là 1,5R.
Một vài vòng động cơ 5 pha có 5 cuộn dây riêng biệt với 10 đầu ra. Những
cuộn dây nay có thể được đấu nối theo hình sao như trên hình 2.5 sử dụng 5 nửa cầu
H. Như vậy, mỗi cuộn dây được vận hành bởi một mạch cầu H hoàn chỉnh..
2.1.3. Động Cơ Lai.

Hình 2.6: Mặt cắt ngang động cơ lai.
Động cơ lai là một sự kết hợp giữa động cơ nam châm vĩnh cửu va động cơ
biến từ trở. Rôto là một nam châm vĩnh cửu với các cực bắc nam được bố trí theo
11

GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


chu vi hình trụ của rôto hình bánh răng. Stato có cấu tạo giống động cơ biến từ trở
nhưng khác ở chỗ hai cuộn dây của hai pha khác nhau cùng quấn chung trên một
cực stato và các đấu nối hai cuộn dây trên cùng một cực stato này giống với cách
đấu nối động cơ hai dây song song. Mỗi một cực stato có hình dạng như các bánh
răng cách đều nhau. Mômen xoắn được tạo ra bởi lực hút của từ trường nam châm
vĩnh cửu và từ trường sinh ra ở stato.
Cách điều khiển động cơ lai giống hệt cách điều khiển động cơ nam châm
vĩnh cửu. Vì vậy trong đồ án chúng em chỉ giới thiệu về cách điều khiển động cơ
biến từ trở và động cơ nam châm vĩnh cửu.
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
-

Điều khiển đủ bước
Điều khiển nửa bước
Điều khiển vi bước.

2.2.1. Điều Khiển Đủ Bước.

-

Khi cấp điện cho từng pha thì motor sẽ dịch chuyển từng bước.

-

Kích một cuộn dây: tại mỗi một thời điểm chỉ có 1 cuộn dây được cấp
điện.

-

Step

1a

1b

2a

2b

1

1

0

0

0

2

0

1

0

0

3

0

0

1

0

4

0

0

0

1

Kích hai cuộn dây: tại mỗi thời điểm sẽ có hai cuộn dây được cấp điện.

Step

1a

1b

2a

2b

1

1

0

0

1

2

1

1

0

0

3

0

1

1

0

4

0

0

1

1

2.2.2. Điều Khiển Nửa Bước.
12
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


-Nếu cấp đồng thời 2 pha bằng nhau thì motor sẽ dịch chuyển nửa bước.
Step
1
2
3
4
5
6
7
8

1a
1
1
1
0
0
0
0
0

1b
0
0
1
1
1
0
0
0

2a
0
0
0
0
1
1
1
0

2b
1
0
0
0
0
0
1
1

2.2.3. Điều Khiển Vi Bước.
Cùng là chế độ điều khiển nửa bước nhưng cấp nguồn cho 2 pha không bằng
nhau motor sẽ dịch chuyển ít hơn nửa bước và cũng dừng lại ở giữa 2 cực ab
nhưng nghiêng về phía bên a hay b một chút tùy theo điện áp cấp cho pha nào cao
hơn.
2.3. CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG.
2.3.1. Khái Niệm.
Cảm biến dò đường được hiểu cơ bản là một hệ thống giác quan của robot.
Robot cần xác định trạng thái môi trường bên ngoài (như vật cản , màu sắc của các
vật,...) để gửi trạng thái môi trường tới bộ xử lý rồi đưa ra các phản ứng điều khiển
robot để đối phó với các điều kiện bên ngoài.
2.3.2. Các Loại Cảm Biến.
Trong kỹ thuật robot thường dùng những cảm biến như:
- Led hồng ngoại (bộ thu phát hồng ngoại).
- Quang điện trở (PHOTORESISTANCE) : cds hoặc cdse.
- Tế bào quang điện.
- Cammera số trong công nghệ xử lý hình ảnh.
- Cảm biến siêu âm.
Trong nội dung đồ án ở chúng em chỉ giới thiệu về cảm biến thông dụng nhất,
đó là led hồng ngoại: cảm biến đóng vai trò như “mắt” của robot có khả năng nhận

biết môi trường xung quanh(vạch trắng, chướng ngại vật) để có biện pháp xử lý.
2.3.3. Led Hồng Ngoại.
Led hồng ngoại bao gồm một cặp led thu phát, trong đó một led phát và một
led thu.
13
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Hình 2.7: Led phát hồng ngoại.
Hình 2.8: Led thu hồng ngoại.
Đối với led phát hồng ngoại cần chú ý đến 2 chân nối với mạch điện của led,
chân anode nối với cực dương của nguồn điện, chân cathode được nối với cực âm
của nguồn điện. Qua hình 2.7 có thể thấy chân dài hơn là anode còn chân ngắn hơn
là chân cathode. Lưu ý dòng qua led là từ 5mA đến 20mA và điện áp rơi vào
khoảng 1,7V đến 2,4V.
Đối với led thu hồng ngoại (photodiode) có cấu tạo là một loại bán dẫn đơn
giản nhưng vỏ có gắn thấu kính để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mặt tiếp giáp.
Photodiode có đặc điểm là một loại diode làm việc theo chế độ nghịch lưu, dòng
nghịch lưu qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào. Khi ánh
sáng chiếu qua diode tăng thì dòng nghịch lưu qua nó cũng tăng theo.
Chế độ hoạt động như hình 2.9 có thể thấy khi led phát tia hồng ngoại chiếu
ánh sáng hồng ngoại tới gặp vật cản thì tia hồng ngoại sẽ bị dội ngược trở lại, và khi
đó đầu thu detector sẽ nhận được một lượng ánh sáng hồng ngoại bị bắt ngược trở
về, và truyền tín hiệu tới mạch xử lý, tín hiệu thu được ở đầu ra cảm biến thu được
là tín hiệu tương tự, để vi điều khiển có thế xử lý được tín hiệu này thì tín hiệu thu
cần thông qua bộ khuếch đại so sánh. Lượng tín hiệu thu được phụ thuộc rất nhiều
vào độ bóng , màu sắc của bề mặt phản xạ. Độ bóng càng lớn, màu càng sáng thì độ
phản xạ càng nhiều, tín hiệu thu được càng lớn và ngược lại.

Hình 2.9: Cơ chế hoạt động.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
14
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Với những tiêu chí công nghệ và chức năng chính của xe mô hình ta có sơ đồ
khối của hệ thống điều khiển sau:

KHỐI
NGUỒN

KHỐI SENSOR
(IC LM324, led
thu phát hồng
ngoại...)

KHỐI HIỂN
THỊ
(LCD)
KHỐI ĐIỀU
KHIỂN
(Atmega16)

KHỐI ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG
CƠ
(Module L298 V3)

KHỐI BÀN
PHÍM

ĐỘNG CƠ
BƯỚC

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động cơ bước.
3.1.1. Khối Điều Khiển.
Khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ lấy dữ liệu từ khối sensor để có được
trạng thái hiện tại của hệ thống và xử lí thông tin thu được từ đó đưa ra các tín hiệu
điều khiển cho động cơ, đồng thời thông báo cho khối hiển thị cho người quan sát
thấy trạng thái hoạt động của hệ thống. Việc hoạt động có nhịp nhàng hay không,
tốt hay không phụ thuộc vào khối điểu khiển này. Việc xây dựng khối điều khiển
cho hệ thống , chúng em đưa ra là lựa chọn vi điều khiển.
Có rất nhiều loại vi điều khiển khác nhau để điều khiển cho bài toán. Đối với
họ vi điều khiển 8051 về cơ bản là dễ tiếp cận và thao tác đễ dàng hơn. Tuy nhiên
khi sử dụng vi điều khiển để điều khiển động cơ chúng ta cần tính đến tín hiệu điều
chế độ rộng xung PWM để thay đổi tốc độ động cơ. Về mặt này, nếu sử dụng họ vi
điều khiển 8051 , do không hỗ trợ bộ phận phát tín hiệu PWM nên ta phải thiết kế
mạch điều chế độ rộng xung bên ngoài. Phần này làm tăng độ phức tạp cho mạch
cũng như kém sự nhỏ gọn. Ngoài ra khó đảm bảo độ chính xác.
15
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Do đó yêu cầu bài toán đặt ra là càng nhỏ gọn càng tốt, nên chúng em đã lựa
chọn họ vi điều khiển AVR. Với AVR mặc dù khó tiếp cận hơn , tuy nhiên đây đây
cũng là cơ hội để tìm hiểu về AVR, do ứng dụng của AVR tương đối lớn và có tốc
độ xử lý tương đối cao. AVR có nhiều loại như Atmega8, 8L, 16, 16L, 32, 128...
Tùy vào từng yêu cầu bài toán đặt ra mà ta sử dụng loại nào cho phù hợp. Đối với

đề tài này, do yêu cầu bộ nhớ và số chân. Do đó nhóm lựa chọn sử dụng Atmega16.
3.1.1.1. Giới Thiệu Chung Về ATmega16.

Hình 3.2: Ảnh của ATmega16.
ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với khả năng thực
hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ
1MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz).
ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trong
khi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng
chung, 32 đường vào ra chung, 3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại,
USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit,....ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ
các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, macro
assemblers, chương trình mô phỏng,sửa lỗi, kit thử nghiệm...
-

Dưới đây là sơ đồ khối của Atmega16:

16
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Hình 3.3: Sơ đồ khối của Atmega16.
- Sơ đồ chân:

Hình 3.4: Sơ đồ chân Atmega16.
Ý nghĩa các chân:
17
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN

• ChânVcc: Chân số 10 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển. Nguồn
điện cấp là +5V±0.5.
• Chân GND:Chân số11 và chân số 31 nối GND(hay nối Mass). Khi thiết kế
cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng
IC ổn áp 7805.
• Port A (PA): Port A gồm 8 chân (từ chân 33 đến 40) có chức năng: đầu vào
cho chuyển đổi ADC.
• Port B (PB): Port PB gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), ngoài có chức
năng làm các đường xuất/nhập thì còn có nhiều chức năng phụ khác.
• Port C (PC): Port C gồm 8 chân (từ chân 22 đến chân 29) : Nếu giao tiếp
JTAG được kích hoạt điện trở trên các PC5(TDI), PC3 (TMS) ,PC2 (TCK) sẽ được
kích hoạt ngay cả khi khởi động lại (reset).
• Port D (PD): Port D gồm 8 chân (từ chân 14 đến 21):chưc năng xuất nhập
• Chân RESET(RST): Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết
lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển. Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị
ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy.
• Chân XTAL1 và XTAL2 : Hai chân này có vị trí chân là 12 và 13 được sử
dụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối
với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định.
• Chân AVCC : Nguồn cấp cho cổng A và bộ chuyển đổi ADC , chân này
nên được nối với nguồn cấp VCC bên ngoài , ngay cả khi bộ chuyển đổi ADC
không được sử dụng. Nếu bộ chuyển đổi ADC không được sử dụng , chân AVCC
nên được nối với nguồn qua bộ lọc.
• Chân AREF : AREF là chân chuẩn analog cho bộ chuyển đổi ADC.
- Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển:

18
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển Atmega16
3.1.1.2. Cấu Trúc Nhân AVR Của ATmega16.
CPU của AVR có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác của các chương
trình. Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán,
điều khiển các thiết bị ngoại vi và quản lý ngắt.
• Cấu trúc tổng quát :

Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc CPU của Atmega16.
AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình
và dữ liệu. Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock. Bộ nhớ
chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash.
19
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


• ALU:
ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung. Các phép toán
được thực hiện trong một chu kỳ xung clock. Hoạt động của ALU được chia làm 3
loại: đại số, logic và theo bit.
• Thanh ghi trạng thái:
Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phép
tính số học và logic.

Hình 3.7: Thanh ghi trạng thái SREG.
C: Carry Flag ;cờ nhớ (Nếu phép toán có nhớ cờ sẽ được thiết lập).
Z: Zero Flag ;Cờ zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0).
N: Negative Flag (Nếu kết quả của phép toán là âm).
V: Two’s complement overflow indicator (Cờ được thiết lập khi tràn số bù 2V)
For signed tests (S=N XOR V) S: N.
H: Half Carry Flag (Được sử dụng trong một số toán hạng sẽ được chỉ rõ sau)

T: Transfer bit used by BLD and BST instructions (Được sử dụng làm nơi
chung gian trong các lệnh BLD,BST).
I: Global Interrupt Enable/Disable Flag (Đây là bit cho phép toàn cục ngắt.
Nếu bit này ở trạng thái logic 0 thì không có một ngắt nào được phục vụ).
• Các thanh ghi chức năng chung:

•

Hình 3.8: Thanh ghi chức năng.
Con trỏ ngăn xếp (SP):

20
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Là một thanh ghi 16 bit nhưng cũng có thể được xem như hai thanh ghi chức
năng đặc biệt 8 bit. Có địa chỉ trong các thanh ghi chức năng đặc biệt là $3E (Trong
bộ nhớ RAM là $5E). Có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ trong RAM chứa ngăn xếp.

Hình 3.9: Vùng nhớ của RAM trong ngăn xếp.
Khi chương trình phục vu ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu
vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí. Và con trỏ ngăn xếp sẽ
giảm 1 khi thực hiện lệnh push. Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn
xếp sẽ tăng 1 và khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2.
Như vậy con trỏ ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp
trước khi một chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ. Và
giá trị ngăn xếp ít nhất cũng phải lơn hơn hoặc bằng 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là
vùng các thanh ghi.
•

Quản lý ngắt:

Ngắt là một cơ chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết về tình trạng sẵn
sàng cho đổi dữ liệu của mình.Ví dụ:Khi bộ truyền nhận UART nhận được một byte
nó sẽ báo cho CPU biết thông qua cờ RXC, trường hợp khi nó đã truyền được một byte
thì cờ TX được thiết lập…Khi có tín hiệu báo ngắt CPU sẽ tạm dừng công việc đạng
thực hiện lại và lưu vị trí đang thực hiên chương trình (con trỏ PC) vào ngăn xếp sau đó
trỏ tới vector phục vụ ngắt và thức hiện chương trình phục vụ ngắt đó cho tới khi gặp
lệnh RETI (return from interrup) thì CPU lại lấy PC từ ngăn xếp ra và tiếp tục thực
hiện chương trình mà trước khi có ngăt nó đang thực hiện. Trong trường hợp mà có
nhiều ngắt yêu cầu cùng một lúc thì CPU sẽ lưu các cờ báo ngắt đó lại và thực hiện lần
lượt các ngắt theo mức ưu tiên .Trong khi đang thực hiện ngắt mà xuất hiện ngắt mới
thì sẽ xảy ra hai trường hợp. Trường hợp ngắt này có mức ưu tiên cao hơn thì nó sẽ
được phục vụ. Còn nó mà có mức ưu tiên thấp hơn thì nó sẽ bị bỏ qua.Bộ nhớ ngăn xếp
là vùng bất kì trong SRAM từ địa chỉ 0x60 trở lên. Để truy nhập vào SRAM thông
21
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


thường thì ta dùng con trỏ X,Y,Z và để truy nhập vào SRAM theo kiểu ngăn xếp thì ta
dùng con trỏ SP. Con trỏ này là một thanh ghi 16 bit và được truy nhập như hai thanh
ghi 8 bit chung có địa chỉ : SPL :0x3D/0x5D(IO/SRAM) và SPH:0x3E/0x5E. Khi
chương trình phục vụ ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào ngăn xếp
trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí. Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1 khi thực
hiện lệnh push. Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 1 và
khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2. Như vậy con trỏ
ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước khi một
chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ. Và giá trị ngăn
xếp ít nhất cũng phải lớn hơn 60H (0x60).
3.1.2. Khối Nguồn.

- Có nhiệm vụ cấp nguồn cho động cơ và toàn bộ mạch điện trên hệ thống.
- Do đó tiêu chí của khối nguồn là phải tạo được công suất đủ lớn và có
cường độ ổn định cao.
- Nguồn được lấy từ ăc quy 12V sau đó đưa qua IC ổn áp 7805 để lấy nguồn
nuôi cấp cho vi điều khiển. Trong giới hạn của đề tài, động cơ có công suất nhỏ do
đó nhóm đã lựa chọn nguồn 12V cấp cho động cơ, sử dụng nguồn 5V nuôi mạch.
- Với những đặc tính đó nhóm lựa chọn sơ đồ nguyên lý khối nguồn như
sau:

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn.
Trong mạch nguồn này ta dùng nguồn đất chung cho toàn bộ hệ thống, sử
dụng IC ổn áp LM7805, một số tụ lọc để giảm độ gợn của điện áp. Trên mạch
nguồn nhóm cũng lắm đặt thêm led ở đầu vào và đầu ra để báo hiệu có nguồn cấp.
3.1.3. Khối Sensor.
22
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Để giải quyết bài toán, có nhiều phương pháp được đưa ra nhưng nhóm đã
lựa chọn sử dụng cặp led thu-phát hồng ngoại.

Hình 3.11 : Led thu phát hồng ngoại.
Chúng ta sẽ sử dụng một cặp led thu phát, trong đó gồm một led phát và một
led thu, lượng tín hiệu thu được phụ thuộc rất nhiều vào độ bóng, màu sắc của bề
mặt phản xạ. Độ bóng càng lớn, màu càng sáng thì độ phản xạ càng nhiều, tín hiệu
thu được càng lớn và ngược lại. Tín hiệu thu được ở đầu ra cảm biến thu được chỉ là
tín hiệu tương tự, để vi điều khiển có thể xử lý được tín hiệu này, thì tín hiệu thu
được cần qua một mạch so sánh mức. Ở đây nhóm sử dụng một mạch thuật toán,
được tích hợp trong IC LM324.
LM324 được tạo bởi 4 bộ khuếch đại thuật toán độc lập được tích hợp trên

chíp đơn. Đặc điểm đặc biệt của LM324 là nó được thiết kế để hoạt động với nguồn
nuôi đơn có vùng điện áp rộng. LM324 cũng có thể hoạt động cả ở nguồn đôi.
Nguồn cấp cho cực máng thấp và độc lập với biên độ điện áp cung cấp. Một đặc
điểm nữa của LM324 là ở chế độ tuyến tính thì vùng điện áp đầu vào ở mode chung
sẽ bao gồm cả đất, và điện áp đầu ra cũng dao động quanh điểm đất ngay cả khi
mạch được nuôi bởi nguồn đơn.

Hình 3.12 : Ảnh thực tế LM324N.
Dưới đây là sơ đồ chân của IC LM324:

23
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Hình 3.13 : sơ đồ chân của LM324.
Số chân
1
2
3
4
5
6
7

Chức năng
Đầu ra (1)
Lối vào đảo (1)
Lối vào không đảo (1)
Nguồn
Lối vào không đảo (2)

Lối vào đảo (2)
Đầu ra (2)

Số chân
8
9
10
11
12
13
14

Chức năng
Đầu ra (3)
Lối vào đảo (3)
Lối vào không đảo (3)
Đất
Lối vào không đảo (4)
Lối vào đảo (4)
Đầu ra (4)

Vấn đề đặt ra là quét các led. Có hai phương pháp chính là quét led song song
và quét led tuần tự:
- Quét song song: quét đồng thời tất cả các led và so sánh các mức tín hiệu thu
được. Phương pháp này có ưu điểm là tốc độ nhanh
- Quét tuần tự : quét lần lượt từng led. Quét tuần tự tuy tốc độ chậm.
Do yêu cầu cấu trúc động cơ không đòi hỏi tốc độ quá cao đồng thời yêu cầu
hệ thống là chính xác nên nhóm lựa chọn phương pháp quét song song.
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý khối sensor:

24
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN


Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch sensor.
Mạch in của senser:

Hình 3.15: Mạch in khối sensor.

25
GVHD: Th.S BÙI THỊ DUYÊN