thiết kế và chế tạo mazing robot ìm đường trong mê cung

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH
BAN CHẤP HÀNH TP. HỒ CHÍ MINH
LẦN 8, 2006

TÊN CÔNG TRÌNH

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MAZING ROBOT
TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV77-2005

S KC 0 0 1 6 6 9

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10/2006

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH
BAN CHẤP HÀNH TP. HỒ CHÍ MINH
LẦN 8, NĂM 2006

Tên công trình:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MAZING ROBOT
TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG

Nhóm thực hiện:

TP HCM, THÁNG 10/2006

NGUYỄN HỮU LỘC
PHÙNG TUẤN HƯNG


A. THÔNG TIN CHUNG...................................................................................................1
B. PHẦN TÓM TẮT NỘI DUNG GIẢI PHÁP ................................................................1
1. Mô tả tóm tắt nội dung của giải pháp – kết quả ứng dụng.......................................1
2. Điểm mới – Điểm sáng tạo ........................................................................................1
3. Hiệu quả kinh tế – xã hội...........................................................................................1
4. Khả năng áp dụng, triển vọng áp dụng .....................................................................1
C. PHẦN MÔ TẢ NỘI DUNG CHÍNH CỦA GIẢI PHÁP ..............................................2
1. Tên giải pháp: Thiết kếvà chế tạo Mazing Robot tìm đường trong mê cung..........2
2. Mô tả giải pháp kỹ thuật đã biết ...............................................................................2
3. Mục đích của giải pháp dự thi....................................................................................2
4. Mô tả giải pháp dự thi ................................................................................................2

4.1 Nguyên lý của giải pháp ......................................................................................2
4.1.1 Dàn ý nghiên cứu3. Mục đích của giải pháp dự thi ...................................2
4.1.2 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................3
4.1.3 Phương tiện nghiên cứu ...............................................................................3
4.1.4 Các yếu tố tác động đến giải pháp .............................................................3
4.2 Các nội dung công nghệ chủ yếu..........................................................................3
4.2.1 Sơ đồ khối của Mazing Robot.....................................................................3
4.2.2 Nguồn nuôi ..................................................................................................5
4.2.3 Động cơ bước ...............................................................................................7
4.2.4 Vi mạch chuyên dụng SLA7026 .................................................................11
4.2.5 Thiết bò hiển thò LCD (Liquid crystal character display) ..........................15
4.2.6 Cảm Biến Hồng Ngoại ................................................................................21
4.2.7 Khái Quát Về Vi Điều Khiển Atmega8535 ...............................................25
4.2.8 Thiết kế và thi công sân ..............................................................................29
4.2.9 Thiết kế và thi công robot ...........................................................................30
4.2.10 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ......................................32
5. Đánh giá giải pháp .....................................................................................................35
5.1 Tính mới và sáng tạo ............................................................................................35
5.2 Khả năng áp dụng ................................................................................................35
5.3 Hiệu quả ...............................................................................................................35
D. KẾT LUẬN ....................................................................................................................35
E. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .........................................................................35


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1: Một số micromouse trên thế giới..........................................................................2
Hình 2: Sơ đồ khối tổng quát của Mazing Robot ..............................................................3
Hình 3: Hình dạng tổng quát của Mazing Robot. .............................................................4
Hình 4: Board sensor. .........................................................................................................4
Hình 5: Board điều khiển công suất ..................................................................................4

Hình 6: Board xử lý trung tâm ...........................................................................................5
Hình 7: Sơ đồ khối chức năng của Lm2575.......................................................................6
Hình 8: Hình dạng và sơ đồ chân của Lm2575 .................................................................6
Hình 10: Sơ đồ tạo nguồn 5V bằng Lm2575 .....................................................................6
Hình 11: Hình dạng của LM7812. .....................................................................................7
Hình 12: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 12V. .............................................................7
Hình 13: Hình dạng bên ngoài của động cơ bước. ...........................................................7
Hình 14: Cấu tạo của động cơ bước nam châm vónh cửu .................................................8
Hình 15: Sơ đồ chức năng của động cơ bước. ..................................................................9
Hình 16: Thông số kích thước khi chạy thẳng. .................................................................10
Hình 17: Thông số kích thước khi quay 45 độ...................................................................10
Hình 18: Sơ đồ chân của SLA7026. ..................................................................................11
Hình 19: Sơ đồ khối chức năng của SLA7026. .................................................................12
Hình 20: Sơ đồ mạch ứng dụng điều khiển môtơ bước. ...................................................12
Hình 21: Sơ đồ khối mạch điều khiển PWM. ...................................................................13
Hình 22: Dạng sóng ngõ ra trên pha A. ............................................................................13
Hình 23: Sơ đồ khối GAL16V. ..........................................................................................14
Hình 24: Sơ đồ chân GAL16V8 .........................................................................................14
Hình 25: GAL16V8 đã lập trình ........................................................................................14
Hình 26: Sơ đồ khối của LCD. ..........................................................................................15
Hình 27: Hình dạng của LCD.............................................................................................15
Hình 28: Điều chỉnh độ tương phản ...................................................................................16
Hình 29: Sơ đồ của hệ thống cảm biến. ...........................................................................22
Hình 30: Cấu tạo của loại cảm biến quang điện. .............................................................22
Hình 31: Cấu tạo của EL-1KL3. .......................................................................................23
Hình 32: Cấu tạo của ST-1KL3B. .....................................................................................24
Hình 33: Sơ đồ nguyên lý của mạch phát. .......................................................................24
Hình 34: Sơ đồ nguyên lý của mạch thu. ..........................................................................24
Hình 35: Sơ đồ chân của Atmega8535. .............................................................................25
Hình 36: Sơ đồ khối của Atmega8535. .............................................................................26

Hình 37 : Bản đồ bộ nhớ của Atmega8535. .....................................................................28
Hình 38 : Tệp thanh ghi của Atmega8535. .......................................................................29
Hình 39: Hình dạng sân nhìn góc nghiêng.........................................................................29
Hình 40: Hình dạng các góc cua của sân. .........................................................................30
Hình 41: Thông số kích thước của sân. .............................................................................30
Hình 42: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển.. ....................................................31
Hình 43: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển công suất. ....................................31
Hình 44: Sơ đồ nguyên lý của mạch thu-phát cảm biến. .................................................32
Hình 45: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch thu-phát hồng ngoại. ......................................32


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1: Bảng luật điều khiển đầy bước. ..........................................................................9
Bảng 2: Bảng luật điều khiển 2 pha. ................................................................................9
Bảng 3: Bảng luật điều khiển nửa bước. ..........................................................................10
Bảng 4: Các chân LCD (pinout). ......................................................................................15
Bảng 5: Bảng mã lập trình LCD. .....................................................................................17
Bảng 6 Bảng mã ghi đọc dữ liệu từ LCD. ........................................................................18
Bảng 7: Đòa chỉ của DD RAM . ........................................................................................19
Bảng 8: Đòa chỉ của CG RAM............................................................................................19
Bảng 9: Đặc điểm quang điện của EL-1KL3. ..................................................................23
Bảng 10.: Đặc điểm quang điện của ST-1KL3B. ............................................................24
Bảng 11 : Bảng các vectơ ngắt của Atmega8535. ...........................................................28


BẢN MÔ TẢ GIẢI PHÁP DỰ THI

A. THÔNG TIN CHUNG:
CHUNG:
1. Tên giải pháp: Thiết kếvà chế tạo Mazing Robot tìm đường trong mê cung

2. Thuộc lónh vực: Điện – Điện tử
3. Người dự thi: Nguyễn Hữu Lộc – Phùng Tuấn Hưng
Tên cơ quan: ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM
Số điện thoại: 0919382365 (Lộc) – 0902927580 (Hưng)
B. PHẦN TÓM TẮT NỘI DUNG GIẢI PHÁP:
1. Mô tả tóm tắt nộ
nội dung của giải pháp – kết quả ứng dụng:
g:
- Trong lónh vực sản xuất ngày nay cũng như trong nhiều lónh vực hoạt động khác thì tự động
hóa đã và đang là yếu tố rất quan trọng và cần thiết, nó đã thể hiện nhiều ưu điểm rất lớn,
hiệu quả thiết thực mà nó mang lại chính là sự gia tăng về năng suất, sự an toàn và dễ dàng
trong sử dụng, sự chính xác và thông minh trong vận hành,… Tự động hóa cơ bản là sự kết
hợp của ba lónh vực chủ yếu Cơ-Điện-Tin. Nghiên cứu về tự động hóa cũng chính là nghiên
cứu về Cơ-Điện-Tin, và Robot chính là sản phẩm đặc trưng cho sự kết hợp này. Ngược lại
nghiên cứu về Robot cũng chính là tìm hiểu một giải pháp cho vấn đề tự động hóa.
- Nhóm nghiên cứu đã thiết kế hoàn chỉnh sân chạy và Mazing Robot để làm mô hình giảng
dạy cho các ngành nghề liên quan đến vi điều khiển
- Mazing robot là một robot có kiểu dáng gọn, đẹp, dễ tháo lắp và thay thế. Với phần cứng
được thiết kế và thi công hợp lý giúp cho robot hoạt động an toàn, dễ dàng và chắc chắn.
Mazing robot còn là một robot linh hoạt và thông minh, ưu điểm này có được là do người sử
dụng có thể thay đổi phương thức hoạt động của robot và đưa ra các giải thuật giúp Mazing
robot có thể hoạt động trong các mê cung khác nhau bằng cách nạp chương trình mới xuống vi
điều khiển thông qua board điều khiển trung tâm.
2. Điểm mới – Điểm sáng tạo:
- Đề tài sử dụng dòng vi điều khiển mới và mạnh của hãng chip nổi tiếng Atmel, cụ thể là
con Atmega8535.
- Board mạch gọn ,đẹp, được thiết kế thành các module giúp cho việc tháo lắp, thay thế rất
dễ dàng và đặc biệt là ta có thể thay thế module điều khiển để sử dụng các dòng vi điều
khiển của các hãng khác như: Motorola, Microchip,…
Các thuật toán tìm đường đi, tốc độ di chuyển sẽ do người dùng lập trình và có thể nạp

vào Mazing Robot giúp cho người học nâng cao khả năng tư duy lập trình để giải quyết vấn
đề.
- Sử dụng màn hình LCD làm cho việc giao tiếp với Robot trở nên dễ dàng.
3. Hiệu quả kinh tế – xã hội:
- Giá thành sản phẩm thấp hơn nhiều so với sản phẩm của nước ngoài
- Có thể sử dụng để tham gia các cuộc thi Micromouse tìm đường trong mê cung.
4. Khả năng áp dụng, triển vọng áp dụng:
- Mazing Robot tuy vẫn còn một vài điểm cần cải tiến nhưng hiện tại vẫn có thể được ứng
dụng để giảng dạy cho sinh viên các ngành kỹ thuật liên quan.
- Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ phát triển Mazing Robot ở tầm cao hơn với những
tinh năng mới, hiện đại và ưu việt hơn nhằm mở rộng phạm vi nghiên cứu của người học trên
mazing Robot.

1


C. PHẦN MÔ TẢ NỘI DUNG CHÍNH CỦA GIẢI PHÁP:
1. Tên giải pháp: Thiết kếvà chế tạo Mazing Robot tìm đường trong mê cung
2. Mô tả giải pháp kỹ thuật đã biết:
- Mazing Robot được lấy ý tưởng từ các Micromouse trên thế giới
- Mỗi loại micromouse có chức năng và nhiệm vụ khác nhau, nhưng về căn bản chúng có
được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm, di chuyển bằng động cơ, và sử dụng cảm biến
đóng vai trò phát-thu các tín hiệu để xử lý một cách tự động.
- Phần lớn chúng được sử dụng trong các cuộc thi và phục vụ cho việc giảng dạy.

Hình 1: Một số micromouse trên thế giới
Nhược điểm của các micromouse:
micromouse:
- Giá thành quá cao so với điều kiện ở Việt Nam
- Một số linh kiện trên robot không có trên thò trường nước ta

- Chương trình cho robot đã được viết sẵn nên người sử dụng chỉ có thể sử dụng các hàm do
nhà sản xuất cung cấp
3. Mục đích của giải phá
pháp dự thi:
- Đào tạo đội ngũ cán bộ kỹ thuật tự động hóa để kế thừa và phát huy những tri thức tiên
tiến là một yêu cầu cấp bách và cần thiết. Để việc đào tạo ấy đạt kết quả cao thì ngoài trình
độ của người giáo viên thì phương pháp giảng dạy là rất quan trọng. Việc sử dụng các mô
hình trong giảng dạy sẽ giúp người học có cái nhìn rõ ràng hơn về vấn đề tự động hóa, đồng
thời cũng tạo nên sự đam mê, hứng thú cho người học đặc biệt là trong lónh vực vi điều khiển.
- Nghiên cứu về Robot để phục vụ giảng dạy môn vi điều khiển là điều rất cần thiết và phù
hợp cho sinh viên các ngành nghề liên quan. Ở các nước phát triển như Singapor, Hàn Quốc,
Nhật Bản… thì vấn đề này đã được triển khai và thực hiện. Về mức độ và qui mô ở mỗi nước
sẽ khác nhau nhưng đều có chung mục đích là giúp cho người học tiếp thu kiến thức một cách
trực quan, cụ thể. Ở nước ta cũng cần thiết phải phát triển mô hình dạy và nghiên cứu học
này.
- Qua việc thực hiện đề tài này nhóm nghiên cứu muốn ứng dụng những kiến thức đã được
học và tham khảo từ nhiều nguồn hoàn thành sản phẩm để nâng cao trình độ học hỏi và
nghiên cứu của nhóm
- Giải pháp "Thiết kế và chế tạo Mazing Robot tìm đường trong mê cung" ra đời nhằm giải
quyết các yêu cầu trên.
4. Mô tả giải pháp dự thi:
thi:
4.1 Nguyên lý của giải pháp:
4.1.1 Dàn ý nghiê
nghiên cứu:
- Tham khảo tài liệu.
2


- Thiết kế và thi công sân.

- Thiết kế mạch và thi công robot.
- Lập trình.
4.1.2 Phương pháp nghiên cứu:
- Tham khảo tài liệu: Chủ yếu là các tài liệu có kiến thức liên hệ đến kỹ thuật số, kỹ thuật
điện tử, ngoại vi và vi điều khiển.
- Tham khảo ý kiến của các thầy cô, các bạn sinh viên có kinh nghiệm..
- Thử nghiệm và sửa lỗi.
4.1.3 Phương tiện nghiên cứu:
- Trong đề tài sử dụng các phương tiện cần thiết như: máy vi tính, máy dao động ký,
testboard, VOM,…cũng như các chương trình phần mềm để lập trình và mô phỏng.
4.1.4 Cá
Các yếu tố tác động đến giải pháp:
- Kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế
- Tài liệu kỹ thuật liên quan đến đề tài rải rác và không nhiều
- Việc chống nhiễu cho cảm biến cũng gây khó khăn cho nhóm
Trong điều kiện đó, đề tài đã được thực hiện với những đặc điểm sau:
+ Thiết kế và chế tạo sân chạy robot với khổ 1.2m x 2.4m.
+ Nguồn nuôi robot cho robot là pin có khả năng sạc lại.
+ Sử dụng Atmega8535 là trung tâm để điều khiển robot.
+ Dùng cảm biến hồng ngoại để dò đường.
+ Kết hợp với bộ ADC 10 bit để xử lý tín hiệu cảm biến.
+ Giao tiếp với người dùng qua thiết bò hiển thò LCD 16x2.
+ Điều khiển động cơ bước bằng vi mạch công suất chuyên dụng SLA7026
+ Sử dụng phần mềm BascomAVR để lập trình cho Atmega8535.
4.2 Các nội dung công nghệ chủ yếu:
4.2.1 Sơ đồ khối của Mazing Robot:
Robot:
Cảm biến
Phát từng cặp
Thiết bò hiển

thò LCD

Chọn kênh thu
Các led hiển thò
trạng thái

Bộ xử lý
trung tâm

Vi mạch điều
khiển công suất
động cơ
Động cơ bước

Hình 2: Sơ đồ khối tổng quát của Mazing Robot.

3


Hình 3: Hình dạng tổng quát của Mazing Robot.

- Mazing Robot là một micromouse được thiết kế và chế tạo với hình dạng phù hợp để dò
đường trong mê cung.
- Cảm biến: là loại cảm biến quang phản xạ hồng ngoại.
- Bộ xử lý trung tâm: là “bộ não” xử lý chương trình và điều khiển mọi hoạt động của robot
bằng vi điều khiển Atmega8535.
- Để dễ dàng trong việc sử dụng, điều khiển và thay thế lắp ráp, Mazing robot được thiết kế
trên ba board mạch:
+ Board cảm biến.
+ Board điều khiển công suất.

+ Board xử lý trung tâm.

Hình 4: Board sensor.

Hình 5: Board điều khiển công suất.

4


Hình 6: Board xử lý trung tâm

- Board cảm biến: phát tín hiệu và thu tín hiệu phát đưa về bộ xử lý trung tâm.
- Board điều khiển công suất: điều khiển công suất động cơ.
Việc điều khiển hoạt động của robot đòi hỏi phải có nguồn nuôi thích hợp
4.2.2 Nguồn nuôi:
- Trong đề tài này ta sử dụng 3 nguồn:
+ Nguồn 20V cung cấp cho động cơ bước.
+ Nguồn 12V cung cấp cho các cảm biến để phát tín hiệu.
+ Nguồn 5V cho các yêu cầu còn lại để mạch hoạt động.
Thiết kế nguồn 5V:
- Để tạo nguồn 5V ta không dùng Lm7805 vì nó không đáp ứng được các yêu cầu về thiết kế,
cụ thể là:
V0 − Vi ≤ 13V đối với Lm7805trong khi ta cần V0 − Vi = 20 − 5 = 15V > 13V
Khi sử dụng thường bò nóng, có khả năng hư hỏng hoặc làm việc không chính xác
- Ta thay thế Lm7805 bằng Lm7525, nó có các đặc điểm sau:
+ Là nguồn ổn áp xung.
+ Là một IC ổn áp có dòng tải lớn.
+ Có khả năng cung cấp các điện áp ngõ ra cố đònh: 3.3V, 5V, 12V và15V, ngoài ra ta có
thể chọn điện áp tùy y.ù
- Khi sử dụng phải kết hợp với các linh kiện khác: cuộn dây, điện trở, tụ điện.

- Có tầm điều chỉnh điện áp ngõ ra lớn.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp ngõ vào tối đa:
+ Lm2575
45V
+ Lm2575HV
60V
- Điện áp ngõ vào chân ON / OFF : −0.3 ≤ V ≤ + Vin
-

Khoảng nhiệt độ hoạt động:
Cường độ dòng tải:

-650C đến 1500C
I LOAD ≤ 1A

-

Tần số dao động nội cố đònh:
Sơ đồ khối chức năng:

52kHz

5


Hình 7: Sơ đồ khối chức năng của Lm2575.

Hình dạng, sơ dồ chân và ký hiệu:

Hình 8: Hình dạng và sơ đồ chân của Lm2575.
FB
OUT

4
2

5

3

GND

VIN

ON/OFF

LM2575
1

Hình 9: Ký hiệu của Lm2575 trong Orcad.

-

Ứng dụng điển hình:
Tạo nguồn 5V
+ Ta sử dụng sơ đồ dưới đây cho đồ án.
+ Kết hợp Lm2575 với các linh kiện khác.

Hình 10: Sơ đồ tạo nguồn 5V bằng Lm2575.

Thiết kế nguồn 12V
12V:
- Ta không dùng nguồn 5V để cấp cho cảm biến phát mà dùng nguồn 12V để cảm biến có
thể phát xa hơn, và giảm dòng tải cho nguồn 5V.
- Ta sử dụng IC Lm7812 để tạo nguồn 12V
Đặc điểm của Lm7812
Lm7812:
7812:
6


-

Dòng ngõ ra có thể đạt tới 1A.
Có khả năng chòu nhiệt khi bò quá dòng.
Không cần các linh kiện ngoại vi khi sử dụng.
Sơ đồ chân và hình dạng:

Hình 11: Hình dạng của LM7812.

Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 12Vù
12Vù:
1

VIN

GND

LM7812/TO

Vin

VOUT

12V
2
0.1uf

3

0.33uf

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 12V.

Để robot di chuyển được thì phải sử dụng động cơ, loại động cơ phù hợp được sử dụng trong
đề tài này là động cơ bước
4.2.3 Động cơ bước:
Đặc tính của động cơ bước:
- Là loại động cơ cho phép chuyển đổi những tín hiệu xung điều khiển thành chuyển động
quay của trục rototheo từng bước đều nhau.
- Động cơ bước một cực (uninpolar) hay còn gọi là động cơ 6 dây có một cực chung.
- Có khả năng điều khiển chính xác, nó thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển tự
động như trong máy in, máy photocopy…
- Điều khiển được cả tốc độ lẫn vò trí.
- Rất thích hợp với tín hiệu số do máy tính cung cấp,việc điều khiển vò trí mạch hở rất đơn
giản không cần đến cảm biến vò trí, nhưng vẫn có thể điều khiển vò trí mạch kín cùng với cảm
biến vò trí.
- Có công suất nhỏ hay momen xoắn nhỏ, lý do là lực giữ cho roto dừng ở vò trí giữa các
bước là lực hút giữa 2 cực cùng tên khác nhau.

Hình dạng của động cơ bước:

Hình 13: Hình dạng bên ngoài của động cơ bước.

-

Thông số kỹ thuật:
Góc quay
1.80

7


-

Khối lượng
0.2kg
Điện trở
3.15(Ω / phase)
Momen giữ
0.147(N.m)
3.15V
Điện áp
1A
Dòng điện
Cấu tạo của động cơ bước:
Có ba loại động cơ bước khác nhau:
+ Động cơ có roto bằng nam châm vónh cửu (hình 14).
+ Động cơ có roto từ trường cưỡng bức.
+ Động cơ tổ hợp.

Hình 14: Cấu tạo của động cơ bước nam châm vónh cửu.

Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước nam châm vónh cửu:
- Nó hoạt động theo nguyên tắc tác động giữa một trường điện từ và một hoặc nhiều nam
châm vónh cửu. Stato bao gồm một số cặp cực (gọi là các pha) do các cuộn dây tạo ra, còn
roto là nam châm vónh cửu. Khi một trong các cuộn dây bò kích hoạt, một trong các cặp cực
của stato sẽ hình thành nên nam châm điện với hai cực Bắc (B) và Nam (N). Cực B và N của
stato sẽ hút lấy cực N và B của roto làm roto quay. Khi cặp cực N và B của roto thẳng đứng
với hướng từ trường của nam châm điện do một pha của stato tạo ra, roto sẽ dừng lại.
- Để làm cho động cơ bước loại này quay theo chiều kim đồng hồ thì ta lần lượt kích các
xung vào các cực A( với xung IA = Imax), B (với xung IB = Imax), A(IA = -Imax), B(IB = -Imax). Ta
có thể viết gọn lại theo ký hiệu A+, B+, A-, B- (dấu”+” tương ứng với dòng điện dương, dấu
“-“ tương ứng với dòng điện âm. Để làm động cơ quay ngược chiều, ta cho kích thứ tự xung
theo chiều ngược lại: A+, B-, A-, B+
- Nếu động cơ bước có số pha là p và số răng là nr thì số bước của động cơ này là:
S = p.n r
Vd: Trên hình 14, p = 2, nr = 10, nên S = 2 x 10 = 20 bước
- Góc quay đủ một bước tính như sau:
360
θs =
S
Sơ đồ chức năng:

8


Hình 15: Sơ đồ chức năng của động cơ bước.

Cách điều khiển động cơ bước:

- Góc bước lớn nhất là 900 ứng với một môtơ có 4 bước trên một vòng quay, phần lớn các
môtơ bước sản xuất gần đây đều có 200 bước trên một vòng quay. Số bước trên một vòng
quay càng lớn thì độ phân giải càng cao và việc đònh vò càng chính xác. Nhưng việc nâng cao
độ phân giải bò giới hạn bởi ứng suất cơ học trên môtơ. Để khắc phục sự hạn chế này người ta
đã áp dụng các phương pháp điện tử để thu nhỏ kích thước một bước, đó là phương pháp điều
khiển nửa bước hoặc 2 pha.
- Ta có 3 phương pháp điều khiển môtơ bước:
+ Điều khiển 1 pha (Full Step)
+ Điều khiển 2 pha
+ Điều khiển nửa bước (Half Step)
Phương pháp điều khiển 1 pha:
pha:

Bảng 1: Bảng luật điều khiển đầy bước.

Phương pháp điều khiển 2 pha:
pha:

Bảng 2: Bảng luật điều khiển 2 pha.

Phương pháp điều khiển nửa bước:
- Thực chất phương pháp điều khiển nửa bước là sự kết hợp hai phương pháp điều khiển 1
pha và 2 pha. Đây là phhương pháp được nhóm nghiên cứu sử dụng trong đề tài

9


Bảng 3: Bảng luật điều khiển nửa bước.

Cách tính bước cho các góc quay:

Chạy thẳng:
- Động cơ bước mà ta sử dụng có góc bước đủ là1.80, nếu ta dùng phương pháp điều khiển
nửa bước thì mỗi bước của nó là 0.90

Hình 16: Thông số kích thước khi chạy thẳng.

- Nếu động cơ có đường kính là d (mm), khoảng cách giữa hai bánh xe là w (mm) cứ một
vòng quay hết 400 bước thì động cơ sẽ đi được quãng đường là π d . Khi đó mỗi bước sẽ đi
được:
 πd 
1 bước = 

 400 
- Vậy để đi được quãng đường là x (mm) thì số bước là:
 400 
n = x

 πd 
Quay 45 độ:

-

Hình 17: Thông số kích thước khi quay 45 độ

Khi đó tỉ lệ về tốc độ giữa bánh xe ngoài và bánh xe trong là:
w+r
r

10

-

Từ đó ta sẽ tính ra được số bước của mỗi động cơ để đi được bằng cách thay
1
x1 = 2 π ( w + r ) 
4
1
x 2 = ( 2 πr )
4
Để dễ dàng cho việc điều khiển động cơ bước người ta dùng vi mạch chuyên dụng SLA7026
để điều khiển
4.2.4 Vi mạch chuyên dụng SLA7026
SLA7026:
7026:
- Công suất lái môtơ bước sử dụng vi mạch tích hợp SLA7026 Allegro điều khiển lái dòng
cao theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
Hai động cơ bước sử dụng trong đồ án này là các động cơ của hãng KOREA SERVO
CORPORATION.
- Để board mạch điều khiển nhỏ gọn, có tính ổn đònh cao nhưng vẫn đảm bảo công suất thì
người thiết kế đã chọn vi mạch công suất lái động cơ bước SLA7026 có các đặc tính và thông
số sau:
Đặc tính:
- Được thiết kế để lái các stepper motor 2 pha và đơn cực.
- Mạch công suất sử dụng các NMOS FETS cho dòng và điện áp lái ngõ ra cao, chuyển mạch
nhanh.
- Không cần gắn cánh tản nhiệt để giải nhiệt cho vi mạch.
- Dòng tải theo phương pháp PWM được điều hòa bằng cách so sánh tương thích với dòng
thông qua điện trở dò dòng tải và điện áp tham chiếu.
- Ngõ vào tương thích với mức logic 5V và với vi xử ly.ù

Thông số:
- Điện áp cung cấp tải : VBB = 46V
- Điện áp ngõ ra trên FET : VDS = 100V
- Nguồn cung cấp điều khiển VCC = 46V
- Dòng đỉnh ngõ ra I OUTM = 5.0A ( tW < 100µs )
- Dòng hoạt động ngõ ra I OUT = 3.0A
- Tầm điện áp ngõ vào VIN = - 0.3V đến 7.0V
- Điện áp tham chiếu VREF = 2V
Sơ đồ chân:

Hình 18: Sơ đồ chân của SLA7026.

11


Sơ đồ khối chức năng:

Hình 19: Sơ đồ khối chức năng của SLA7026.

Ứng dụng điều khiển động cơ bước:

Hình 20: Sơ đồ mạch ứng dụng điều khiển môtơ bước.

Điều hòa dòng ngõ ra PWM:
Sơ đồ khối mạch điều khiển PWM:

12


Hình 21: Sơ đồ khối mạch điều khiển PWM.

Dòng ngõ ra ( dòng trên cuộn dây động cơ ) có dạng sóng như hình sau:
Ví dụ cho pha A

Hình 22: Dạng sóng ngõ ra trên pha A.

-

Việc thiết lập mốc giá trị cho dòng PWM bao gồm các giá trị thành phần sau:
Nguồn cung cấp cho điện áp tham chiếu, Vb thường là 5V
Điện trở phân áp trong mạch cung cấp điện áp tham chiếu R1, R2
Điện trở dò dòng RS
Dòng ngõ ra I OUT được tính bởi công thức sau:
hay

Thiết kế phần điều khiển SLA7026
SLA7026
- Để điều khiển một SLA7026 thì phải dùng 4 ngõ điều khiển : A, A\, B và B\. Do đó một
board điều khiển công suất với 2 motor bước thì phải cần đến 8 đường tín hiệu, do vậy sẽ hạn
chế số đường tín hiệu của vi điều khiển khi muốn giao tiếp điều khiển các đối tượng khác. Để
giải quyết vấn đề này người thiết kế đãsử dụng một vi mạch số lập trình được PLD GAL16V8B
giao tiếp điều khiển SLA7026. GAL16V8 có chức năng nhận tín hiệu xung nối tiếp sau đó
chuyển thành tín hiệu song song điều khiển SLA7026.
GAL16V8 có sơ đồ khối như sau:

13


Hình 23: Sơ đồ khối GAL16V.

GAL16V8 có sơ đồ chân như sau:

-

Hình 24: Sơ đồ chân GAL16V8

Chương trình nạp cho GAL16V8 được viết bằng ngôn ngữ ABEL
Sau khi lập trình GAL16V8 sẽ có chức năng như sau:

Hình 25: GAL16V8 đã lập trình

Trong đó:
CLK_A: Chân ngõ vào xung clock
DIR_A: Chân chọn hướng cho động cơ quay thuận hay nghòch
EN_A: Chân cho phép động cơ hoạt động
PHRASE_A: Chân cho phép điều khiển động cơ theo phương pháp nửa bước hay một bước
14


Khi sử dụng robot có một vấn đề mà ta không thể bỏ qua đó là khả năng giao tiếp giữa người
và robot. Để thuận tiện cho việc trao đổi với người dùng, thiết bò hiển thò LCD được sử dụng
trong đề tài
4.2.
4.2.5 Thiết bò hiển thò LCD (Liquid crystal character display):
display :
- Trong đề tài sử dụng LCD 2 dòng x 16 ký tự, sử dụng chíp HD44780 của Hitachi, là LCD
phổ biến và thông dụng trên thò trường . Bên cạnh loại LCD sử dụng chíp HD44780 thì còn có
LCD 162A sử dụng chíp KS0066U của SamSung , tuy khác loại chíp nhưng cả hai loại có chân
ra giống nhau và cách sử dụng hoàn toàn tương tự nhau. LCD có là một thiết bò ngoại vi có
thể xuất (để hiện thò), nhập (đọc giá trò từ

về), có sơ đồ chân như hình sau:
Sơ đồ khối của LCD :

Hình 26: Sơ đồ khối của LCD.

LCD có hình dạng bên ngoài như sau:

Hình 27: Hình dạng của LCD
Chân số
1
2

Ký hiệu
Vss
Vdd

Mức logic Chức năng
0V
Mass
5V
Nguồn cung cấp

3
4
5

Vo
RS
R/W

-H/L
H/L

6
7.14

E
DB0..DB7

H, H→L
H/L

Tín hiệu cho phép
Đường dữ liệu

15
16

LED+
LED-

4.2V
0V

Cực dương đèn nền
Cực âm đèn nền

Nguồn cung cấp cho chữ
H: tín hiệu dữ liệu, L: tín hiệu cho lệnh
H: chế độ đọc, L: chế độ ghi

Bảng 4: Các chân LCD (pinout).

15


Một số đặc tính :
• Hiển thò: 16 x 2 hàng.
• Bộ điều khiển: KS0066U hoặc tương đương.
• Hỗ trợ đèn nền, đèn chữ.
• Hỗ trợ bảng lệnh để lập trình .
• Thời gian đáp ứng nhanh.
Sơ đồ mạch cấp nguồn 5V , điều chỉnh contrast (độ tương phản):

Hình 28: Điều chỉnh độ tương phản

- Còn đối với mạch cấp nguồn cho LED nền, ta có thể cấp trực tiếp hoặc dùng một biến trở
để có thể điều chỉnh sáng tối khi cần.
Bảng mã lệnh để lập trình LCD:

16


Mã lệnh

Lệnh

Ghi chú

Tmax với fpc hay

fosc=270 KHz

RS

R/W

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

Xóa màn
hình

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

Ghi “20H” vào DDRAM và đưa con trỏ đòa
chỉ về 0h

1.53ms

Trở về đầu
dòng

0

0

0

0

0

0

0

0

1

--

Đưa con trỏ về đầu dòng và con trỏ đòa chỉ về
0. Nội dung hiển thò không mất

1.53ms
39µs

Chọn chế độ
nhập

0

0

0

0

0

0

0

1

I/D

SH

Thiết lập chiều chuyển động của con trỏ và
cho phép xuất dòch toàn bộ; I/D: tăng, I/D:
giảm, SH=1 thực hiện cùng với dòch màn hình

Điều khiển
hiển thò

0

0

0

0

0

0

1

D

C

B

Chọn hiển thò toàn bộ màn hình (D), hiển thò
con trỏ (C), và tắt/mở nhấp nháy (B)

39µs

--

Di chuyển con trỏ và dòch toàn bộ nội dung
hiển thò LCD mà không làm thay đổi nội
dung. R/L=1: dòch phải, R/L=0: dòch trái,
S/C=1: hiển thò dòch, S/C=0: di chuyển con trỏ

39µs

Qui đònh chiều dài dữ liệu (DL=1: 8bit,
DL=0: 4bit), số hàng hiển thò (N=1: 2dòng,
N=0: 1 dòng) và font chữ hiển thò (F=1: 5x10,
F=0: 5x7)

39µs

Set lại đòa chỉ CG RAM

39µs

Con trỏ hoặc
hiển thò

0

0

0

0

0

1

S/C

R/L

--

Thiết lập
kiểu truyền
DATA

0

0

0

0

1

DL

N

F

--

--

SET đòa

0

0

0

1

AC

AC

AC

AC

AC

AC

Bảng 5: Bảng mã lập trình LCD.

17


Đòa chỉ CG
RAM
SET đòa chỉ DD
RAM
Cờ đọc bận và
đòa chi’

Ghi Data vào
RAM
Đọc Data
RAM

5

4

3

2

1

0

0

0

0

AC
6

AC
5

AC
4

AC
3

AC
2

AC
1

AC
0

0

1

BF

AC
6

AC
5

AC
4

AC
3

AC
2

AC
1

AC
0

1

0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

1

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

0µs

D0

43µs

D0

Đọc Data từ RAM
(DD/CG RAM)

43µs

Bảng 6: Bảng mã ghi đọc dữ liệu từ LCD.
Ghi chú
- Khi tần số thay đổi thì thời gian thực hiện tối đa sẽ thay đổi theo.
Chẳng hạn với fpc hay fosc=250 KHz thì thời gian thực hiện tối đa là
39*270/250=42µs .
- LCD có hai RAM là CG và DD RAM. DD RAM chứa nội
dùng hiển thò còn CG RAM là RAM chứa kiểu chữ (font) cần xuất.
"--" Không quan tâm, nó có thể là "1" hay "0".
Thiết lập hướng di chuyển con trỏ:

ID –Tăng hay giảm con trỏ sau mỗi byte được nhập để hiển thò.
S – Dòch chuyển màn hình khi byte được gửi để hiển thò.
Cho phép màn hình và con trỏ:
D – Mở màn hình(1) / Tắt màn hình (0).
C – Hiển thò con trỏ(1) / Tắt con trỏ (0).
B – Mở con trỏ nhấp nháy (1)/ Tắt (0).
Di chuyển con trỏ và dòch màn hình:
SC – Dòch màn hình On(1)/Off(0).
RL - Hướng dòch màn hình Phải(1)/Trái(0).
Thiết lập chiều dài dữ liệu:
DL – kiểu giao tiếp 8(1)/4(0).
N – số dòng hiển thò 1(0)/2(1).
F – kiểu Font chữ hiển thò 5x10(1)/5x7(0).
Cờ báo bậne "Busy Flag":
BF – Cờ này được set = 1 trong khi LCD đang xử lý dữ liệu.
Set đòa chỉ CGRAM/Display:
A – đòa chỉ.
Đọc /Ghi ASCII.
18

39µs

Ghi Data vào RAM
(DD/CG RAM)

từ
1

Set lại đòa chỉ DD
RAM

Cờ BF=1 chỉ rằng
lệnh đang được thực
hiện bên trong LCD.
Nội dung bộ đếm đòa
chỉ cũng có thể đọc.


D – dữ liệu.
Lưu ý: LCD có hai RAM là CG và DD RAM. DD RAM chứa nội dung hiển thò còn CG RAM
là RAM chứa kiểu chữ (font) cần xuất.
Số

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15 16

Hàng
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
1
Hàng
40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 4A 4B 4C 4D 4E 4F
2

Bảng 7: Đòa chỉ của DD RAM .
Đòa chỉ của CGRAM:

Bảng 8: Đòa chỉ của CG RAM
19


Giải thuật lập trình với 4-bit data: So với cách lập trình 8-bit, thì quá trình khởi động LCD
theo sơ đồ lập trình 4-bit cũng tương tự, nhưng chỉ khác ở chỗ mỗi lần truyền một byte dữ liệu ta
phải chia thành hai rồi truyền lên tiếp nhau.

20