KHẢO SÁT THƯỚC QUANG HỌC THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ HIỂN THỊ TỌA ĐỘ XYZ CHO MÁY NC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT THƯỚC QUANG HỌC &
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ HIỂN THỊ TỌA ĐỘ XYZ
CHO MÁY NC

Họ và tên sinh viên : CAO TRẦN NGỌC BẢO
Ngành : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Tháng 06/2013


KHẢO SÁT THƯỚC ĐO QUANG & THIẾT KẾ CHẾ TẠO
BỘ HIỂN THỊ TỌA ĐỘ XYZ CHO MÁY NC

Tác giả :

CAO TRẦN NGỌC BẢO

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Điều Khiển Tự Động

Giáo viên hướng dẫn :
Th.s LÊ VĂN BẠN

Tháng 06/2013
i 

 


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM
và Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí – Công nghệ Trường Đại Học Học Nông Lâm
TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian em theo học tại trường.
Em xin cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động nói riêng và
quý thầy cô trong khoa Cơ khí – Công nghệ nói chung đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt
kiến thức, cũng như kinh nghiệm sống trong những năm em theo học tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.s Lê Văn Bạn đã tận tình hướng dẫn, chỉ
bảo và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài đúng thời hạn.
Cuối cùng em xin cảm ơn cha mẹ, người thân và bạn bè đã động viên, giúp đỡ
trong những lúc khó khăn.
Em xin chân thành cảm ơn.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Cao Trần Ngọc Bảo

ii 
 


TÓM TẮT
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các loại máy
móc tối tân, hiện đại xuất hiện ngày càng nhiều và đa dạng về chủng loại. Trong đó
các loại máy NC được sử dụng rộng rãi do nó có ưu điểm là độ chính xác cao và cải
thiện đáng kể năng suất lao động. Tuy nhiên đối với các loại máy NC này thì nước ta
thường phải nhập khẩu từ nước ngoài, vì thế giá thành rất cao. Trong các máy NC hiện
đại ngày nay, người ta đều sử dụng thước đo quang học thay vì thước đo chia vạch như

những máy NC của thế kỷ trước. Thước đo quang học có nhiều ưu thế so với thước đo
chia vạch, như : độ chính xác cao, sai số thấp, giao tiếp giữa máy và con người dễ
dàng hơn…
Do đó em đã chọn đề tài “Khảo sát thước đo quang và thiết kế chế tạo bộ hiển
thị tọa độ 3 trục XYZ”, với mục đích đầu tiên là vận dụng tốt những kiến thức đã được
học, thứ hai là góp phần giúp cho việc giám sát, theo dõi máy NC được thao tác dễ
dàng hơn và thân thiện với người sử dụng. Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Điều
Khiển Tự Động, khoa Cơ khí – Công nghệ, trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM từ
ngày 28/02/2013 đến ngày 25/06/2013.
Kết quả đạt được :
 Chế tạo thành công bộ hiển thị 3 trục tọa độ XYZ, kết cấu đơn giản, dễ sử dụng,
kích thước nhỏ gọn.
 Độ phân giải của bộ hiển thị có thể đạt 5 µm.
 Độ chính xác của bộ hiển thị : +/-10 µm.
 Mạch chạy ổn định, độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh.
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

Th.s Lê Văn Bạn

Cao Trần Ngọc Bảo

iii 
 


MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU ................................................................................................1

1.1.

Đặt vấn đề ..........................................................................................................1

1.2.

Mục đích đề tài ..................................................................................................2

1.2.1.

Mục đích chung ...........................................................................................2

1.2.2.

Mục đích cụ thể ...........................................................................................2

1.3.

Hạn chế đề tài ....................................................................................................2

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN ........................................................................................3
2.1.

Tổng quan về thước đo quang học.....................................................................3

2.1.1.

Một số máy NC trong thực tế ......................................................................3

2.1.2.

Một số bộ hiển thị và thước quang ..............................................................5

2.1.3.

Khái niệm chung .........................................................................................6

2.1.4.

Cấu tạo.........................................................................................................6

2.1.5.

Phân loại ......................................................................................................7

2.1.5.1.

Theo nguyên lý đo dịch chuyển trong thước quang ................................7

2.1.5.2.

Độ phân giải ............................................................................................8

2.1.5.3.

Số dây ra của thước..................................................................................8

2.2.

Phương pháp hiển thị trên LED 7 đoạn .............................................................9

2.2.1.

LED 7 đoạn ................................................................................................9

2.2.2.

Phương pháp quét LED 7 đoạn ................................................................10

2.3.

Tra cứu các linh kiện điện tử ...........................................................................11

2.3.1.

Ổn áp LM2576 – 5V .................................................................................11

2.3.2.

Ổn áp LD1117 – 3.3V ...............................................................................11

2.3.3.

IC 74HC14 ................................................................................................12

2.3.4.

ULN2803 ...................................................................................................12

2.4.

Nghiên cứu về vi điều khiển ARM Cortex-M3 32bit ......................................12

2.4.1.

Giới thiệu về dòng vi điều khiển ARM Cortex-M3 ..................................12

2.4.2.

Tìm hiểu vi điều khiển STM32F100C8T6 ................................................14
iv 

 


2.4.2.1.

Tổng quan ..............................................................................................14

2.4.2.2.

Sơ đồ chân và chức năng của vi điều khiển STM32F100C8T6 ............15

2.4.2.3.

Thanh ghi Timer/Counter trên chip ARM STM32f100C8T6 ...............16

2.5.

Tìm hiểu phần mềm Keil ARM lập trình cho vi điều khiển ARM..................16

2.6.

Tìm hiểu phần mềm biên soạn chương trình Souce Insight ............................17

2.7.

Chương trình SEGGER J-FLASH ARM nạp cho vi xử lý .............................18

2.8.

Giới thiệu về mạch nạp Cortex-M/R J-Link ....................................................19

CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ............................................20
3.1

Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài :...........................................................20

3.1.1

Địa điểm : ..................................................................................................20

3.1.2 Thời gian : .....................................................................................................20
3.2.

Phương pháp nghiên cứu : ...............................................................................20

3.2.1.

Chọn phương pháp thiết kế bộ hiển thị .....................................................20

3.2.2 Phương pháp thiết kế phần điện tử ..............................................................20
3.3.

Phương tiện thực hiện : ....................................................................................21

3.3.1.

Các thiết bị phần cứng...............................................................................21

3.3.2.

Các phần mềm được sử dụng ....................................................................21

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ - THẢO LUẬN .................................................................22
4.1.

Sơ đồ khối bộ đọc và hiển thị giá trị ................................................................22

4.2.

Sơ đồ khối riêng cho từng trục tọa độ .............................................................22

4.3.

Thực hiện phần điện tử ....................................................................................23

4.3.1. Làm mạch nguồn .........................................................................................23
4.3.2.

Mạch quét Led 7 đoạn ...............................................................................24

4.3.3.

Mạch xử lý xung từ Linear Encoder .........................................................24

4.3.4.

Mạch xử lý chính.......................................................................................26

4.3.5.

Mạch hiển thị tổng hợp .............................................................................27

4.4.

Thực hiện phần mềm .......................................................................................28

4.4.1.

Sơ đồ đọc tín hiệu Encoder .......................................................................28

4.4.2.

Sơ đồ quét led bảy đoạn ............................................................................28

4.4.3.

Lưu đồ giải thuật mạch đọc và hiển thị .....................................................29
v 

 


4.5.

Chương trình cho vi xử lý................................................................................30

4.6.

Kiểm tra và chạy thử........................................................................................31

4.6.1.

Kiểm tra bộ hiển thị...................................................................................31

4.6.1.1.

Phần điện tử ...........................................................................................31

4.6.1.2.

Phần cơ khí ............................................................................................32

4.6.2.
4.7.

Chạy thử nghiệm bộ hiển thị .....................................................................34

Khảo nghiệm ....................................................................................................34

4.7.1.

Mục đích khảo nghiệm ..............................................................................34

4.7.2.

Phương pháp bố trí khảo nghiệm ..............................................................34

4.7.3.

Xử lý số liệu ..............................................................................................37

4.8.

Kết quả .............................................................................................................37

4.9.

Thảo luận .........................................................................................................40

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ .....................................................................41
5.1.

Kết luận ............................................................................................................41

5.2.

Đề nghị.............................................................................................................41 

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vi 
 


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Máy phay NC MAKINO ..................................................................................3
hiệu FANUC M6 ..............................................................................................3
Hình 2.2 Máy phay NC Nhật Bản ................................... ………...
Hình 2.3 Máy NC DIY Rules

4

................................................................4

Hình 2.4 : Thước quang và bộ hiển thị của Mitutoyo .....................................................5
Hình 2.5 : Thước quang và bộ hiển thị của Jenix ............................................................5
Hình 2.6 : Thước quang và bộ hiển thị của Sterling........................................................6
Hình 2.7 : Cấu tạo thước đo quang học ...........................................................................6
Hình 2.8 : Phương pháp phản xạ ánh sáng ......................................................................7
Hình 2.9 : Phương pháp giao thoa ánh sáng ....................................................................8
Hình 2.10 : Phương pháp cho ánh sáng truyền qua .........................................................8
Hình 2.11 : Sơ đồ chân của LED 7 đoạn .........................................................................9
Hình 2.12 : Sơ đồ chân và hình thực tế của LM2576 – 5V ...........................................11
Hình 2.13 : Sơ đồ chân và hình thực tế LD1117 3.3V ..................................................11
Hình 2.14 : Sơ đồ chân và hình thực tế 74HC14 ...........................................................12
Hình 2.15 : Sơ đồ chân và hình thực tế ULN2803 ........................................................12

Hình 2.16 : Sơ đồ khối chung của cấu trúc nhân ARM Cortex-M3 ..............................13
và các thiết bị ngoại vi ..............................................................................13
Hình 2.17 : Sơ đồ chân và hình thực tế của STM32F100C8T6 ....................................14
Hình 2.18 : Hoạt động đếm xung trong chế độ encoder................................................16
Hình 2.19 : Cửa sổ phần mềm Keil ARM .....................................................................17
Hình 2.20 : Cửa sổ phần mềm Source Insight ...............................................................18
Hình 2.21 : Giao diện phần mềm J-Flash ......................................................................19
Hình 2.22 : Mạch nạp Cortex-M/R J-Link ....................................................................19
Hình 3.1 : Sơ đồ hệ thống bộ hiển thị của thước quang ................................................20
vii 
 


Hình 4.1 : Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V .................................................................23
Hình 4.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 3.3V ..............................................................23
Hình 4.3 : Sơ đồ nguyên lý mạch quét Led 7 đoạn .......................................................24
Hình 4.4 : Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý xung ................................................................24
Hình 4.5 : Sơ đồ đấu dây thước quang ..........................................................................26
Hình 4.6 : Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chính ......................................................26
Hình 4.7 : Sơ đồ nguyên lý mạch đọc và hiển thị chung cho bộ hiển thị......................27
Hình 4.8 : Chương trình Source Insight 3.5 ..................................................................30
Hình 4.9 : Trình biên dịch Keil uVision ARM 4.20......................................................30
Hình 4.10 : Board mạch in ............................................................................................31
Hình 4.11 : Board mạch in của 3 trục ............................................................................31
Hình 4.12 : Mặt trước bộ hiển thị ..................................................................................32
Hình 4.13 : Mặt bên bộ hiển thị .....................................................................................32
Hình 4.14 : Bộ hiển thị 3 trục XYZ sau khi hoàn thành................................................33
Hình 4.15 : Phần hiển thị của trục X .............................................................................34
Hình 4.16 : Phần hiển thị của trục Y .............................................................................34
Hình 4.17 : Phần hiển thị của trục Z ..............................................................................34

Hình 4.18 : Máy phay CNC
Hình 4.19 : Thước chia vạch trên máy CNC .................................................................35
Hình 4.20 : Đồng hồ so..................................................................................................36
Hình 4.21 : Thước quang đo trục X
Hình 4.22 : Thước quang đo trục Z ...............................................................................36
Hình 4.23 : Thước quang đo trục Y...............................................................................36
Hình 4.24 : Chi tiết hình chữ nhật bằng phíp ................................................................38
Hình 4.25 : Chi tiết hình chữ nhật bằng mica................................................................39
 

viii 
 


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1 . Thông số kỹ thuật máy FANUC M6 ................................................................ 3 
Bảng 2. Thông số kỹ thuật máy phay NC Nhật Bản ...................................................... 4 
Bảng 3. Thông số kỹ thuật máy NC DIY Rules

 ..................................................... 4 

Bảng 4 : Thông số của thước quang Mitutoyo ............................................................... 5 
Bảng 5 : Thông số của thước quang Jenix ..................................................................... 5 
Bảng 6 : Thông số của thước quang Sterling ................................................................. 6 
Bảng 7 : Bảng mã của LED 7 đoạn Anode chung .......................................................... 9 
Bảng 8 : So sánh tính năng các bộ Timer/Counter ....................................................... 16 
Bảng 9 : Thông số kỹ thuật của thước quang trục X .................................................... 25 
Bảng 10 : Thông số kỹ thuật của thước quang trục Y .................................................. 25 
Bảng 11 : Thông số kỹ thuật của thước quang trục Z .................................................. 25 

Bảng 12 : Số liệu khảo nghiệm lần 1 ........................................................................... 37 
Bảng 13 : Số liệu khảo nghiệm lần 2 ........................................................................... 38 
Bảng 14 : Số liệu khảo nghiệm lần 3 ........................................................................... 39 
Bảng 15 : Số liệu khảo nghiệm lần 4 ........................................................................... 40 
 
 

ix 
 


CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề
Việt Nam đang trên đà phát triển thực hiện quá trình công nghiệp hoá, hiện đại

hoá đất nước, chính vì vậy những năm gần đây ngành cơ khí ở nước ta rất được coi
trọng và đầu tư phát triển. Ngành cơ khí chế tạo máy bao gồm nhiều công đoạn, nhiều
ngành trong đó ngành gia công cơ khí giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực chế tạo chi
tiết máy đặc biệt trong sản xuất chế tạo hàng loạt.
Máy NC (viết tắt cho Numerical Control - Điều khiển không sử dụng máy tính)
ra đời là một bước ngoặt đáp ứng tương đối đầy đủ các yêu cầu trong sản xuất chế tạo
chi tiết máy với đặc điểm ưu việt hơn các dòng máy khác là khả năng sản xuất với độ
chính xác khá cao, hạn chế tương đối sai sót. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong
thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc. Ngoài ra máy NC
có giá thành không quá đắt, sử dụng cũng khá đơn giản, rất thích hợp với những nước
đang phát triển như Việt Nam, không có khả năng đầu tư cho những máy móc thiết bị
tối tân.

Với các loại máy NC đời đầu, khả năng tương tác giữa con người và máy còn
rườm rà, phức tạp, ngoài ra độ chính xác dịch chuyển vị trí còn thấp, sai số nhiều. Vì
thế để nâng cao năng suất, cải thiện khả năng tương tác giữa người và máy móc, người
ta đã ứng dụng thước đo quang học (Linear Encoder) vào máy NC. Với thành tựu khoa
học kỹ thuật hiện nay, các thước đo quang học đều có độ phân giải cao, sai số thấp, có
thể sử dụng dễ dàng và có độ bền khá cao. Đi kèm với thước đo quang là bộ giải mã,
hiển thị tọa độ trục tọa độ giúp con người dễ dàng theo dõi các thông số đo, từ đó giúp
con người thuận lợi hơn trong việc điều khiển, giám sát hoạt động của máy.
Được sự chấp nhận của Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí & Công nghệ - Trường Đại
Học Nông Lâm Tp.HCM, từ đó em tiến hành thực hiện đề tài: “Khảo sát thước đo
quang & Thiết kế chế tạo bộ hiển thị ba trục XYZ cho máy phay NC” với mục tiêu
giải quyết những vấn đề trên.
1 
 


1.2. Mục đích đề tài
1.2.1. Mục đích chung
 Tìm hiểu một số máy NC có trên thị trường.
 Tìm hiểu các loại thước quang và bộ hiển thị của một vài hãng sản xuất.
 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của thước quang.
 Từ đó tiến hành thiết kế, chế tạo bộ hiển thị 3 trục XYZ ứng dụng thước đo
quang học.
1.2.2. Mục đích cụ thể
 Trên cơ sở khảo sát các mẫu máy khác để từ đó tìm hiểu cấu tạo, kết cấu, mạch
điều khiển, chương trình điều khiển bộ hiển thị.
 Làm chủ được việc thiết kế, giá thành thiết bị hợp lý.
 Tìm hiểu và ứng dụng dòng vi điều khiển ARM Cortex-M3.
 Thiết kế, chế tạo cấu trúc bộ hiển thị.
 Thiết kế mạch điều khiển chung cho bộ đo, hiển thị kết quả đo được bằng dãy

Led bảy đoạn.
 Viết chương trình điều khiển bằng phần mềm Source Insight 3.5 và biên dịch
chương trình bằng KEIL - C.
1.3. Hạn chế đề tài
 Bộ hiển thị thiếu nhiều nút nhấn chức năng.
 Khả năng lọc nhiễu kém, làm ảnh hưởng quá trình đọc xung từ encoder.
 Chưa tích hợp các thiết bị ngoại vi và giao tiếp máy tính.

2 
 


CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN – TRA CỨU TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về thước đo quang học
2.1.1. Một số máy NC trong thực tế

Bảng 1 . Thông số kỹ thuật máy FANUC M6
Hành trình trục X
700 mm
Hành trình trục Y

400 mm

Hành trình trục Z

350 mm

Tốc độ làm việc
tối đa

40 m/phút

Sai số tối đa

+/-0.05 mm

Kích thước bàn máy

800 x 410 mm

Khối lượng

3100 kg

Nguồn điện

220V/50Hz

Hình 2.1 Máy phay NC MAKINO
hiệu FANUC M6
Máy phay NC MAKINO làm việc công suất khá cao. Khung máy được thiết kế
chắn chắc, bền bĩ, chịu lực tốt. Máy có thể phay nhiều loại vật liệu từ gỗ, mica đến
nhôm, thép.

3 
 


Hình 2.2 Máy phay NC

Nhật Bản

Bảng 2. Thông số kỹ thuật
máy phay NC Nhật Bản
Hành trình trục X

640 mm

Hành trình trục Y 

500 mm

Hành trình trục Z 

350 mm

Tốc độ tối đa

32 m/phút

Sai số tối đa

+/- 0.03 mm

Kích thước

1260x1180x2000 mm

Trọng lượng

1280 kg

Máy phay NC Nhật Bản đạt tiêu chuẩn quốc tế về chất lượng có hệ thống khung
máy được thiết kế chắc chắn, chịu lực tốt. Máy có độ chính xác cao khi gia công rất đa
dụng khi gia công sản phẩm có hình dạng phức tạp.
Hình 2.3 Máy NC
DIY Rules

Bảng 3. Thông số kỹ thuật máy
NC DIY Rules
Hành trình trục X
900 mm
Hành trình trục Y

410 mm

Hành trình trục Z

550 mm

Tốc độ làm việc tối đa

42 m/phút

Sai số tối đa

+/-0.02 mm

Kích thước

2020x1800x3016 mm

Khối lượng

2500 kg

Nguồn điện

220V/50Hz

Máy NC DIY Rules có kết cấu đơn giản, chắc chắn và dễ sử dụng. Bên cạnh đó
máy còn tích hợp thêm bảng hiển thị và điều khiển, với nhiều chức năng và nhiều cấu
hình giúp cho việc thao tác máy trở nên tiện lợi.
4 
 


2.1.2. Một số bộ hiển thị và thước quang
 

Hình 2.4 : Thước quang và bộ hiển thị của Mitutoyo
Độ phân giải
Độ chính xác
Chiều dài
Tốc độ
Chiều dài cable
Tín hiệu
Nhiệt độ làm việc

1 µm

+/-5 µm
100 mm
50 – 70 m/phút
3m
5V DC
0 – 400C

Bảng 4 : Thông số của thước quang Mitutoyo

Hình 2.5 : Thước quang và bộ hiển thị của Jenix
Độ phân giải
Độ chính xác
Chiều dài
Tốc độ
Chiều dài cable
Tín hiệu
Nhiệt độ làm việc

10 µm
5 µm
620 mm
72 m/phút
3m
5V DC
0 – 450C

Bảng 5 : Thông số của thước quang Jenix
5 
 

Hình 2.6 : Thước quang và bộ hiển thị của Sterling
Độ phân giải
5µm & 1µm
Độ chính xác
+/-10µm , +/-5µm
Chiều dài
1000 mm – 1500mm
Tốc độ
60 – 120 m/phút
Chiều dài cable
3m
Tín hiệu
5V DC
Nhiệt độ làm việc 0 – 450C
Bảng 6 : Thông số của thước quang Sterling
Ngày nay các loại thước đo quang học đều có độ chính xác cao, thuận lợi cho
việc giám sát và điều khiển vị trí. Vì thế thước đo quang học thường được ứng dụng
trong các máy gia công chính xác (CNC).
2.1.3. Khái niệm chung
Linear Scale (bộ mã hóa tuyến tính) là một bộ cảm biến đọc tỉ lệ để chuyển đổi
các vị trí mã hóa thành tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Chuyển động được xác định
bởi sự thay đổi của vị trí.
2.1.4. Cấu tạo

Hình 2.7 : Cấu tạo thước đo quang học
6 
 

Gồm ba phần chính :
- Thước chia vạch : bên trong là một cái thước trong suốt có chia vạch, dài bằng
chiều dài trục. Thước này nằm giữa mắt phát và thu tín hiệu của đầu đọc tín hiệu.
- Đầu đọc tín hiệu : bên trong bố trí các con mắt phát và thu, khi đầu đọc dịch
chuyển, các mắt thu nhận tín hiệu rồi truyền về bộ xử lý.
- Dây cable : truyền tín hiệu từ các cảm biến về bộ giải mã.

2.1.5. Phân loại
2.1.5.1. Theo nguyên lý đo dịch chuyển trong thước quang
 Phương pháp phản xạ ánh sáng :
Dựa vào khả năng phản xạ của bề mặt vật liệu, vạch khắc được làm từ vật liệu
có khả năng phản xạ cao trên thước để ngăn không cho ánh sáng truyền qua. Ánh sáng
chiếu lên thước dịch chuyển và phản xạ trở lại tới bộ thu. Từ đó sẽ biết được sự dịch
chuyển.

Hình 2.8 : Phương pháp phản xạ ánh sáng
 Phương pháp giao thoa ánh sáng :
Sử dụng nguồn sóng đơn sắc mà mặt sóng là mặt sóng phẳng. Khi đặt bộ thu
quang điện tại tâm giao thoa kế sẽ nhận được sự thay đổi cường độ và sẽ xác nhận
được sự dịch chuyển thẳng.

7 
 


Hình 2.9 : Phương pháp giao thoa ánh sáng

 Phương pháp cho ánh sáng truyền qua:
Thước chính bao gồm các vạch đen có bước T và có độ truyền qua là 0% - 1%,
độ rộng là T/2. Thước phụ cũng chia như thước chính và chuyển động tương đối với

thước chính.

Hình 2.10 : Phương pháp cho ánh sáng truyền qua
2.1.5.2. Độ phân giải :
Mỗi xung dịch chuyển có thể từ 0.01µm trở lên. Do đó tùy thuộc vào mục đích
sử dụng, yêu cầu về độ chính xác mà có lựa chọn thích hợp.
2.1.5.3. Số dây ra của thước
- 4 dây : nguồn, mass, pha A, pha B.
- 5 dây : nguồn, mass, pha A, pha B, pha Z.
8 
 


Thực chất việc phân biệt số dây cho ta xác định được số pha của Linear
Encoder đó. Càng nhiều dây ra thì càng có nhiều pha và Linear Encoder đó càng có sự
chính xác cao hơn.
2.2.

Phương pháp hiển thị trên LED 7 đoạn

2.2.1. LED 7 đoạn :
Led 7 đoạn là 7 con led đơn dạng thanh ghép lại với nhau tạo thành một con số
. Bảy con led này nối chung với nhau Anode hoặc Catode. Mỗi thanh led có một
chân đưa ra để điều khiển. Ví dụ như led loại Anode chung có chân chung được nối
lên mức cao khi hiển thị. Các thanh led muốn sáng thì chân điều khiển phải ở mức áp
thấp. Nếu sáng số 3 thì chân chung câu lên Vcc, các chân còn lại có mức áp tương
ứng: abcdefg = 0000110 (mức 0 là thanh led sáng). Led loại Catode chung tương tự
nhưng khi chọn led thì chân chung nối xuống GND, thanh led sáng tương ứng tín hiệu
điều khiển có mức cao.

Hình 2.11 : Sơ đồ chân của LED 7 đoạn
Số dp

h

g

f

d

c

b

a

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

1
1

0
0
0
0
0
1
0
0

0
1
1
1
0
0
0
1
0
0

0
1
0
1
1
1
0
1
0
1

0
1
0
0
1
0
0
1
0
0

0
0
1
0
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
0
1
1

0
0
0

0
1
0
0
1
0
0
0
0
0

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

 

Mã
Mã

TP Hex
504 1F8
48
30
728 2D8
632 278
816 330
872 368
1000 3E8
56
38
1016 3F8
888 378

Bảng 7 : Bảng mã của LED 7 đoạn Anode chung
9 
 


2.2.2. Phương pháp quét LED 7 đoạn :
Có 2 cách chính để hiển thị LED 7 đoạn : phương pháp chốt và quét. Thực chất
phương pháp kết hợp cả chốt và quét là tối ưu nhất và được dùng nhiều hiện nay, đặc
biệt là mạch hiển thị bảng báo tỉ giá. Tuy nhiên với yêu cầu đề tài đặt ra thì phương
pháp quét mới là sự lựa chọn hợp lý nhất.
Dựa trên độ lưu ảnh của mắt, một hình ảnh mắt ta thấy nhưng phải mất 40ms
mới xử lý xong (cỡ 24-25 hình/1 giây), do đó nếu các hình xuất hiện trước mắt ta mà
chớp tắt nhanh hơn 25 hình/giây thì ta không thấy nó chớp nữa, có thể hiểu như mắt ta
bị thừa thông tin.
Như vậy nếu bằng cách nào đó ta cho một con led đơn chớp tắt thật nhanh (tần
số trên 25 Hz, nhanh hơn nữa càng tốt, vài trăm Hz, thậm chí vài KHz càng tốt miễn là

con led có thể chớp tần số đó). Ta sẽ thấy con led đó luôn luôn sáng, mà thực chất chu
kỳ sáng tắt của nó rất nhanh.
Bằng cách cho luân phiên nhiều led hiển thị thông tin khác nhau ta có cảm giác
nhiều led 7 đoạn đang sáng đồng thời, với cách này ta chỉ cần một bus dữ liệu nối song
song cho tất cả các led (gồm 7 dây a,b,c,d,e,f,g) mỗi led được điều khiển bằng một tín
hiệu khác sao cho tại một thời điểm chỉ có duy nhất một led 7 đoạn được phép hiển thị
và lúc này bus cũng đang truyền dữ liệu ứng với Led này. Đối với đề tài này, ta chỉ cần
luân phiên 6 con led 7 đoạn, và vi xử lý STM32F100C8T6 đáp ứng tốt nhu cầu nên ta
không cần thêm các IC giải mã chọn kênh như : 74138, 74154…
Nếu chỉnh tần số nhỏ 25 Hz, ta sẽ thấy các led luân phiên sáng tắt, thời gian
mỗi led khá lâu (lâu hơn thời gian lưu ảnh của mắt). Như hình sau :

Nếu chỉnh tần số lớn hơn 25 Hz, ta sẽ thấy các led sáng liên tục, thời gian cho
mỗi led ngắn. Thực chất là các led sáng tắt quá nhanh, mắt chúng ta không nhận biết
được.

10 
 


Phương pháp này tiện dụng ở phần cứng lẫn phần mềm, tuy nhiên nếu số lượng
led quá nhiều thì thời gian sáng trung bình của mỗi led là T lại giảm đi (T = 1/n, với n
là số led 7 đoạn). Điều này dẫn đến các led bị suy giảm độ sáng vì thế phương pháp
quét chỉ áp dụng với số lượng led 7 đoạn là dưới 20 con.
2.3.

Tra cứu các linh kiện điện tử

2.3.1. Ổn áp LM2576 – 5V

Hình 2.12 : Sơ đồ chân và hình thực tế của LM2576 – 5V
Hoạt động ổn định với điện áp ngõ ra 5V.
Nguyên lý hoạt động : Khi cấp một điện áp chênh lệch từ 7-40V vào chân Vin
và GND cho chân số 3 và 5, ngõ ra Vout sẽ cung cấp một điện áp ổn định ở 5V.
2.3.2. Ổn áp LD1117 – 3.3V

Hình 2.13 : Sơ đồ chân và hình thực tế LD1117 3.3V
Hoạt động ổn định với mức điện áp ngõ ra 3.3V

11 
 


Nguyên lý hoạt động: Khi cấp một điện áp chênh lệch từ 4-15V vào chân Vin và
GND, ngõ ra Vout sẽ cung cấp một điện áp ổn định ở 3.3V.
2.3.3. IC 74HC14

Hình 2.14 : Sơ đồ chân và hình thực tế 74HC14
Cấu tạo của 74HC14 gồm 6 cổng NOT riêng biệt, có chức năng nghịch đảo giá
trị đầu vào (mức 1 đảo thành mức 0, mức 0 đảo thành mức 1).
2.3.4. ULN2803

Hình 2.15 : Sơ đồ chân và hình thực tế ULN2803
ULN2803 là một vi mạch đệm dòng – áp, bản chất cấu tạo là các mảng
Darlington có thể chịu được dòng điện lớn (mỗi chân có thể cho dòng 0.5A đi qua).
2.4.

Nghiên cứu về vi điều khiển ARM Cortex-M3 32bit

2.4.1. Giới thiệu về dòng vi điều khiển ARM Cortex-M3

Bộ xi xử lý nhúng ARM được ứng dụng vào rất nhiều thị trường khác nhau bao
gồm các ứng dụng doanh nghiệp, các hệ thống ô tô, mạng gia đình và công nghệ mạng
không dây... Dòng vi xử lý ARM Cortex dựa trên một kiến trúc chuẩn đủ để đáp ứng
hầu hết các yêu cầu về hiệu năng làm việc trong tất cả các lĩnh vực trên. Dòng ARM
Cortex bao gồm ba cấu hình khác nhau của kiến trúc ARMv7: cấu hình A cho các ứng
dụng tinh vi, yêu cầu cao chạy trên các hệ điều hành mở và phức tạp như Linux,
Android…; cấu hình R dành cho các hệ thống thời gian thực và cấu hình M được tối
ưu cho các ứng dụng vi điều khiển, cần tiết kiệm chi phí.
12 
 


Bộ vi xử lý Cortex-M3 là bộ vi xử lý ARM đầu tiên dựa trên kiến trúc ARMv7M và được thiết kế đặc biệt để đạt được hiệu suất cao trong các ứng dụng nhúng cần
tiết kiệm năng lượng và chi phí, chẳng hạn như các vi điều khiển, hệ thống cơ ô tô, hệ
thống kiểm soát công nghiệp và hệ thống mạng không dây. Thêm vào đó là việc lập
trình được đơn giản hóa đáng kể giúp kiến trúc ARM trở thành một lựa chọn tốt cho
ngay cả những ứng dụng đơn giản nhất.

 

Hình 2.16 : Sơ đồ khối chung của cấu trúc nhân ARM Cortex-M3
và các thiết bị ngoại vi
Những ưu điểm nổi bật của dòng ARM Cortex-M3 so với các dòng AVR, PIC:
 Hiệu suất cao, có thể làm việc nhiều hơn hoặc thông minh hơn. Năng lượng tiêu
tốn ít hơn. Hiệu năng vượt trội (điểm Dhrystone là 1,25 DMIPS/MHz).
 Giá thành thấp hơn, với nhiều thiết bị ngoại vi hơn: Timer, ADC, DAC 12bit,
USART, SPI…
 Tần số hoạt động cao hơn cho khả năng xử lý nhanh hơn (từ 24-140MHz). Khả
năng chống nhiễu tốt hơn và nhiều ưu điểm khác.

13 
 


2.4.2. Tìm hiểu vi điều khiển STM32F100C8T6
2.4.2.1. Tổng quan
Vi điều khiển STM32F100C8T6 của hãng STMicroelectronics là vi điều khiển
với nhân ARM, thuộc dòng Value line với các đặc tính như sau:
 Nhân ARM 32-bit Cortex-M3, hoạt động với tần số tối đa 24MHz.
 Bộ nhớ Flash 64KB lưu chương trình chạy; Bộ nhớ SRAM 8KB.
 Nguồn nuôi từ 2-3.6V; Hỗ trợ thạch anh ngoại 4-24MHz, dao động nội 8MHz và
40kHz cho dao động chính của CPU. Ngoài ra còn có bộ nhân tần (PLL) lập trình
được với hệ số nhân từ 2 đến 16, giúp đạt được tần số hoạt động cao chỉ với
thạch anh tần số thấp.
 Tích hợp 1 bộ Timer 16-bit đa chức năng với 6 ngõ PWM với dead time (khoảng
thời gian được chèn vào giữa hai đầu tín hiệu xuất PWM bù nhau trong điều
khiển mạch cầu H) lập trình được và 6 bộ timer 16-bit khác với khả năng đếm
lên/xuống với 4 ngõ PWM, Input capture cho mỗi timer.
 Các thiết bị ngoại vi giao truyền nhận nối tiếp: 2 bộ SPI, 2 bộ I2C, 3 bộ USART.
 Bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) với 10 kênh, độ phân giải 12-bit .
 Bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC) với 2 kênh, độ phân giải 12-bit .
 Hệ thống xử lý ngắt chồng nhau Nested vectored interrupt.
 Có thể cấu hình lại các chân của phần cứng bằng chương trình.

 

Hình 2.17 : Sơ đồ chân và hình thực tế của STM32F100C8T6
14 
 

2.4.2.2. Sơ đồ chân và chức năng của vi điều khiển STM32F100C8T6
Các cổng hai hướng PA (PA15÷PA0), PB (PB15÷PB0), PC (PC15÷PC13), PD
(PD1÷PD0) là cổng vào/ra 16 bit, tổng cộng 37 chân, các chân của các cổng này có thể
được cấu hình bằng phần mềm với các chế độ sau:
 Ngõ vào trở kháng cao (input floating).
 Ngõ vào với điện trở kéo lên bên trong (input pull-up).
 Ngõ vào với điện trở kéo xuống bên trong (input pull-down).
 Ngõ vào tương tự (analog).
 Ngõ ra hở (open-drain).
 Ngõ ra đẩy-kéo (output push-pull).
 Ngõ ra các chức năng phụ đẩy-kéo (alternate function push-pull).
 Ngõ ra các chức năng phụ hở (alternate function open-drain).
Ngõ ra/vào của các bộ định thời (Timer), SPI, I2C, USART... được cấu hình mặc
định lên một số chân của PA, PB, PC. Ngoài ra, các chân của các thiết bị ngoại vi này
cũng có thể được tái cấu hình (remap) vào chân của cổng khác để tiện cho việc sử
dụng. Ví dụ: chân USART1_TX và USART1_RX mặc định nằm trên 2 chân PA9 và
PA10, tuy nhiên, có thể cấu hình lại 2 chân này sang PB6 và PB7 trong chương trình.

Một số chân thường sử dụng:


TIM1_CH1, TIM1_CH2..., TIM1_CH4, TIM2_CH1..., TIM8_CH1: các

chân được sử dụng cho các chức năng đọc độ rộng xung (input capture), xuất xung
(PWM), đếm xung (counter), đọc encoder (quadrature encoder)... của các bộ Timer
1 đến 8.


USART_TX, USART_RX: các chân truyền, nhận cho bộ truyền nối tiếp

không đồng bộ chuẩn RS232.


SPI_MOSI, SPI_MISO, SPI_SCK, SPI_SS: các nhận truyền, nhận cho

bộ truyền nối tiếp đồng bộ chuẩn SPI.
15