Báo cáo đồ án điều khiển động cơ bước

ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..

Thái Nguyên, Ngày Tháng
Năm 2011
Giáo viên hướng dẫn
(Ký ghi rõ họ tên)

Nhận xét của giáo viên chấm
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………..………………..

Thái Nguyên, Ngày Tháng
Giáo viên chấm
(Ký ghi rõ họ tên)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

Năm 2011

1


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................3
CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG...................................................4
1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC................................................4
1.1.1
Vai trò của động cơ bước...........................................................4
1.1.2
Cấu tạo của động cơ bước.........................................................4
1.1.3
Hoạt động....................................................................................5
1.1.4
Ứng dụng....................................................................................6
1.1.5
Các đặc tính cơ bản của động cơ bước....................................6
1.1.6
Một số loại động cơ bước...........................................................7
1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN..............................11
1.2.1
Phân tích và lựa chọn giải pháp..............................................11

1.2.2
Xác định bài toán và giới hạn của đề tài................................12
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG....................................................14
2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG..............................14
2.2 SƠ ĐỒ CALL GRAPH.....................................................................15
2.3 SƠ ĐỒ ĐẶC TẢ CỦA HỆ THỐNG................................................15
2.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CÁC MODULE....................................16
2.4.1
Sơ đồ nguyên lý tổng thể.........................................................16
2.4.2
Module điều khiển....................................................................16
2.4.3
Module động cơ........................................................................17
2.4.4
Module hiển thị........................................................................19
2.4.5
Module cảm biến......................................................................19
2.4.6
Module nguồn...........................................................................20
2.5 LỰA CHỌN LINH KIỆN.................................................................20
2.5.1
Khối điều khiển........................................................................21
2.5.2
Khối nguồn...............................................................................23
2.5.3
Khối hiển thị:............................................................................24
2.5.4
IC đệm dòng ULN2803:...........................................................25
2.6 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG.........................................................................27
2.7 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN.....................................................................28

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG..................................................29
3.1 XÂY DỰNG PHẦN MỀM................................................................29
3.1.1
Chương trình nạp vào vi điều khiển AT89C52......................29
3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...................................................................34
3.3 XÂY DỰNG PHẦN CỨNG..............................................................35
3.3.1
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống..................................................35
3.3.2
Sơ đồ mạch in...........................................................................35
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................38

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

2


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên
phổ biến: từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giao
thông định thời, đếm sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc
độ động cơ điện một chiều, thiết kế một biển quảng cáo dùng Led ma trận,
một đồng hồ thời gian thực….đến các ứng dụng phức tạp như hệ thống điều
khiển robot, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy
năng lượng hạt nhân. Các hệ thống tự động trước đây sử dụng nhiều công
nghệ khác nhau như các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén,

thủy lực, rơle cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị máy móc tự động bằng các
cam chốt cơ khí... các thiết bị, hệ thống này có chức năng xử lý và mức độ tự
động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền tảng
của các hệ thống nhúng.
Với mong muốn giới thiệu những ứng dụng cơ bản của hệ thống nhúng
trong đời sống hiện đại và để mọi người biết đến một vài ứng dụng cụ thể
cũng như tầm quan trọng của các hệ thống nhúng, nhóm chúng em đã tìm hiểu
và đưa ra mô hình điều khiển động cơ bước, ứng dụng phục hồi robots tự
hành của Bộ môn Kỹ thuật máy tính.
Trong quá trình thực hiện đồ án môn học, do kiến thức còn hạn hẹp
cũng như kỹ năng phân tích thiết kế chưa cao nên còn nhiều thiếu sót, kính
mong thầy cô và các bạn đóng góp thêm ý kiến để đề tài của chúng em thành
công hơn.
Nhóm thực hiện đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn
tận tình của ThS. Nguyễn Văn Huy – Bộ môn Kỹ thuật máy tính - Khoa Điện
Tử đã giúp nhóm hoàn thành đề tài một cách tốt nhất.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm thực hiện đề tài:

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

Dương Thanh Hoàng
Trần Xuân Kỳ
Trần Văn Linh

3


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1.1 Vai trò của động cơ bước

Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyển động
kỹ thuật số, tự động hóa,… vì nó là cơ cấu chập hành trung thành với những
lệnh đưa ra dưới dạng số, nó chấp hành chính xác. Ta cớ thể điều khiển nó
quay một góc bất kỳ, chính xác, dừng lại ở một vị trí nào đó ta muốn. Vì vậy
nó được ứng dụng nhiều trong tự động hóa và điều khiển số
Một số ứng dụng như : máy CNC, máy in, ổ cứng , ổ đĩa quang, robot,
…
Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao,
chuyển động êm cho thấy vai trò của động cơ bước rất quan trọng.
1.1.2 Cấu tạo của động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác
biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ
không đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung
điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển
động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động
cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất
nhỏ.
Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dung
chuyển mạch
Cụ thể, các mấu trong động cơ là rô to và stato là các năm châm vĩnh
cửu hoăc trong trường hợp của động cơ biến từ trở nó là những khối răng làm
bằng vật liệu nhẹ có từ tính, cho phép chúng quaykhá nhanh và với một mộ

điều khiển thích hợp cho phép chúng khởi động và dừng lại ở bất kỳ vị trí nào
ta muốn một cách dễ dàng.

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

4


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

Hình mẫu của một động cơ bước trong thực tế
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống vòng hở đơn giản
những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng
tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn
dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước một chiều không tiếp xúc và
động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
1.1.3 Hoạt động

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo
từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc
nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ
tự và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng
như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và
tần số chuyển đổi.
Một số ưu và nhược điểm của động cơ bước:
 Ưu điểm:
- Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho điều khiển vị trí

và vận tốc.
- Thích hợp với các thiết bị điều khiển số.với khả năng điều khiển số trực
tiếp (động cơ bước trở thành thông dụng trong kĩ thuật robot)
- Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh,
 Nhược điểm:
- Công xuất thấp (việc nâng cao công xuất của động cơ bước đang được
rất quan tâm hiện nay)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

5


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

1.1.4 Ứng dụng

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu
chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa
ra dưới dạng số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hóa chúng
được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển
robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các
hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều
khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái
phương và chiều trong máy bay…
Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ
đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in …

1.1.5 Các đặc tính cơ bản của động cơ bước

Brushlesss (không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than.
Load Independent (độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn
định trong tầm moment của động cơ.
Open loop positioning (điều khiển vị trí vòng hở): thông thường chúng
ta có thể đếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có
cảm biến hồi tiếp vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính
chính xác cao STEP thường được sử dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như:
encoder, biến trở …
Holding Torque (moment giữ ): STEP có thể giữ được trục quay của nó,
so với động cơ DC không có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất
nhiều.
Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động,
dừng lại và đảo chiều quay một cách dễ dàng.

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

6


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

1.1.6 Một số loại động cơ bước

Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn
các cuộn dây trên stator.
Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

7


ĐAMH Hệ thống nhúng
Dựa

GVHD Nguyễn Văn Huy

Động cơ bước từ trở biến thiên.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Động cơ bước lai.
theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành hai

loại:
- Động cơ bước đơn cực.
- Động cơ bước lưỡng cực.

Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước.
Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo.
Trong phương pháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường. Stator
có các răng tương tự để giữ các cuộn dây. Trong phương pháp thứ hai, Hình
1.3b, mặt răng của rotor và stator có nhiều răng nhỏ hơn. Ưu điểm của các
răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn.

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

8

ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

Trên đây là một số loại động cơ bước, nhưng trong phạm vi đồ án nhóm
em tập trung vào cấu tạo và nguyên tắc của loại động cơ bước được sử dụng
trong đồ án, cụ thể là loại: Động cơ đơn cực như hình dưới đây.

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với
5,
6
hoặc
8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, với một đầu nối trung tâm trên
các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương
nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ
trường tạo bởi cuộn đó.
Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng
hơn.
Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động
cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5
độ là khá lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với
mỗi bước là 1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt
được là 3.6 độ đến 1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ.
Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a
tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu
điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay
động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của
động cơ theo dãy.

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

9


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

Mấu 1a 1000100010001000100010001
Mấu 1a 1100110011001100110011001
Mấu 1b 0010001000100010001000100
Mấu 1b 0011001100110011001100110
Mấu 2a 0100010001000100010001000
Mấu 2a 0110011001100110011001100
Mấu 2b 0001000100010001000100010
Mấu 2b 1001100110011001100110011
thời gian 
thời gian 

*Chú ý :
Hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai
dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời
điểm.
Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả
trong hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp
điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một mô men xoáy lớn hơn
dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.
Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả kết
hợp hai chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một

cách lần lượt ở các vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên.
Chuỗi kết hợp như sau:
Mấu 1a 11000001110000011100000111
Mấu 1b 00011100000111000001110000
Mấu 2a 01110000011100000111000001
Mấu 2b 00000111000001110000011100
Thời gian 

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

10


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN
1.2.1 Phân tích và lựa chọn giải pháp

a)

Khảo sát và phân tích bài toán
Hiện nay trong thực tế thì việc điều khiển động cơ bước có nhiều
phương pháp, tùy vào mục đích sử dụng , tùy vào yêu cầu mà người ta có
những phương pháp điều khiển động cơ bước sao cho phù hợp với yêu cầu
công nghệ cũng như tính tối ưu hóa sản phẩm. Trên thị trường cũng có nhiều
modul điều khiển được thiết kế sẵn, chuyên biệt phù hợp cho từng sản hẩm
riêng
Dựa vào nguyên lý hoạt động và các đặc tính của động cơ bước , người

ta đã thiết kế sẵn các mạch số, các IC chuyên dụng để điều khiển động cơ
bước , kết hợp với các modul khác để có một sản phẩm hoàn thiện. Với các IC
chuyên dụng thì người ta thiết kế các mạch điều khiển động cơ bước nhanh
gọn , đơn giản, độ chính xác cao. Tuy nhiên ngoài việc sử dụng các vi mạch
chuyên dụng để điều khiển nó, ta hoàn toàn có thể dụng vi điều khiển để điều
khiển nó, kết hợp với các IC số khác và lập trình ta hoàn toàn có thể điều
khiển được động cơ bước tùy theo ý mình, chủ động thiết kế phần cứng hơn,
không như việc sử dụng các IC chuyên dụng. Việc thiết kế mạch điều khiển
động cơ bước dùng vi điều khiển cũng đơn giản, thông qua lập trình ta có thể
thiết kế mạch tùy ý sao cho tối ưu nhất, và với việc sử dụng vi điều khiển để
điều khiển động cơ bước thì ta có thể tích hợp thêm cho nó nhiều chức năng
khác cho từng ứng dụng cụ thể cũng chỉ với cùng một bộ điều khiển đó mà
không cần tốn thêm nhiều modul khác dễ dàng , linh hoạt.
Với một vi điều khiển thì ngoài việc dùng nó làm modul điều khiển
động cơ ta hoàn toàn có thể dùng nó để điều khiển các modul khác cùng hoạt
động song song mà không cần tốn thêm nhiều modul khác. Năng lượng để cấp
cho vi điều khiển cũng rất nhỏ, khả năng xử lý của thì tùy vào từng loại mà
cho ta tốc độ khác nhau, nhưng đảm bảo yêu cầu để giải quyết bài toán này.
b)
Lựa chọn giải pháp
o Giải pháp công nghệ
Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải pháp điều khiển động
cơ bước sử dụng vi điều khiển thông qua việc điều khiển các chuỗi xung đưa
đến các cuộn dây của động cơ bước để nó quay được những góc tùy theo ý
mình, qua đó ta hoàn toàn có thể xác định được góc quay của động cơ, và xác
định được vị trí cụ thể của nó khi chuyển động.
Bộ môn Kỹ thuật máy tính

11

ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

o Giải pháp thiết kế
Để điều khiển ta dùng vi điều khiển để xuất các chuỗi xung và đưa đến
các cuộn dây của động cơ, với tần số hợp lý thì động cơ sẽ quay với tốc độ hợ
lý, và theo yêu cầu thiết kế. Qua đó, ta xác định được tốc độ thực tế của động
cơ.
Thông qua việc điều khiển các dãy xung đưa đến các cuộn dây của
động cơ thì ta hoàn toàn có thể điều khiển cho động cơ quay được các góc như
ý muốn va dừng lại ở vị trí mong muốn.
Ứng dụng củ thể trong đề tài là phục hồi robot tự hành, thì ta hoàn toàn
có thể điều khiển cho nó chạy theo một lộ trình được đặt sẵn, thiết kế thêm
các công tắc hành trình để nó có thể tránh được vật cản khi xảy ra va chạm
trong quá trình hoạt động của nó.
1.2.2 Xác định bài toán và giới hạn của đề tài

a)

Các yêu cầu
Điều khiển động cơ quay đến một vị trí xác định, dừng ở vị trí bất kỳ ta
muốn
- Tốc độ quay điều chỉnh được
- Hoạt động với điện áp 12V/DC
- Tốc độ ổn định, sai số nhỏ
Thông qua điều khiển động cơ ứng dụng vào việc phục hồi robot tự
hành :
- Điều khiển cho robot di theo một lộ trình đặt sẵn

- Có khả năng tránh được vật cản trong khu đang chạy
- Có khả năng cải tiến và nâng cấp
- Kết nối với các modul khác
b)
Giới hạn của đề tài
Do những đặc thù của động cơ bước nên hệ thống làm việc với tốc độ
không cao, momen quay nhỏ
Mô men của động cơ nhỏ nên chỉ mang được những tải nhỏ, việc tăng
tải trọng làm quá trình chuyển động ko chính xác
Nguồn nuôi là động cơ là 12V nên việc cấp nguồn cho động cơ gặp khó
khăn
Việc mở rộng thêm các modul gặp khó khăn do khả năng mang tải của
động cơ không lớn.

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

12


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG
Khối nguồn

Khối
cảm
biến

Khối

Khối
chấp
hành

xử lý
Khối
hiển
thị

Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Khối nguồn: Lấy AC (hoặc DC) đầu vào từ 5 – 15V chỉnh lưu thành
nguồn DC cấp cho khối chấp hành đồng thời biến đổi thành nguồn DC 5V
cung cấp cho khối điều khiển, hiển thị, cảm biến
Khối cảm biến: Nhận ra các vật cản thông qua việc tác động của các
công tắc, gửi tín hiệu về khối xử lý.
Khối xử lý: Tiếp nhận thông tin từ khối cảm biến, từ đó xuất tín hiệu
điều khiển gửi đến khối hiển thị và khối chấp hành theo các chương trình đã
lập sẵn.
Khối chấp hành: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý, thực hiện các
lệnh điều khiển do khối xử lý đưa ra để tạo ra sự di chuyển của robot.
Khối hiển thị: Nhận tín hiệu từ khối xử lý, hiển thị các vị trí va chạm
tương ứng khi khối cảm biến có tín hiệu tác động.

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

13

ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

2.2 SƠ ĐỒ CALL GRAPH
CT
điều khiển
chính

Module
Xử lý
Cảm biến

Module
Xử lý
Chương
trình

Cảm biến

Chấp hành

Hiển thị

Sơ đồ Callgraph
2.3 SƠ ĐỒ ĐẶC TẢ CỦA HỆ THỐNG
Chạy thẳng
Gặp
vật

cản

Vật
cản
bên
trái

Rẽ phải

Lùi

Vật
cản
bên
phải

Rẽ trái

Sơ đồ đặc tả của hệ thống điều khiển động cơ bước

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

14


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

2.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CÁC MODULE

2.4.1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể

Với đồ án môn học Hệ thống nhúng với đề tài là ‘‘Điều khiển động cơ
bước, ứng dụng phục hồi robot tự hành KTMT’’, việc thiết kế phần cứng của
mạch hệ thống cụ thể được chia làm 5 khối cơ bản là :
- Khối nguồn.
- Khối cảm biến.
- Khối hiển thị.
- Khối động cơ.
- Khối điều khiển.
Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quát của hệ thống như sau :

Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể
2.4.2 Module điều khiển

Khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển AT89C52. Khi có tín hiệu
tác động vào các công tắc hành trình gắn ở chân P1.0 đến P1.3, vi điều khiển
sẽ xuất tín hiệu để điều khiển khối hiển thị (Led đơn) và khối chấp hành
(module động cơ) theo các chương trình đã lập trình sẵn.

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

15


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

IC ULN2803 là IC đệm dòng, nhằm tạo ra dòng lớn hơn cung cấp cho 2

động cơ thông qua 2 jump nối J3 và J4, các tín hiệu từ vi điều khiển sẽ đưa
vào 8 cổng vào (từ chân 1 tới chân 8) của ULN2803 điều khiển mức tín hiệu ở
8 cổng ra (từ chân 11 tới chân 18) nối với động cơ.
Bộ tạo dao động dùng thạch anh 12MHz cung cấp ngồn dao động cho
vi điều khiển
Bộ reset như trong hình vẽ dưới nhằm tạo ra xung reset, xác lập trạng
thái ban đầu cho vi điều khiển khi nút reset được nhấn.

Sơ đồ nguyên lý module điều khiển
2.4.3 Module động cơ

Sơ đồ cấu tạo đông cơ

Bảng trạng thái logic đưa vào các đầu dây
Bộ môn Kỹ thuật máy tính

16


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

1. Điều khiển cả bước
Step
0
1
2
3

Full step
B
1
1
0
0

A\
0
1
1
0

B\
0
0
1
1

Half mode sequen
B
1
1
1
0
0
0
0
0

A\
0
0
1
1
1
0
0
0

B\
0
0
0
0
1
1
1
0

A
1
0
0
1

2. Điều khiển nửa bước
Step
0
1

2
3
4
5
6
7

A
1
0
0
0
0
0
1
1

Dựa vào bảng trạng thái trên ta đưa vào các đầu dây lần lượt các chuỗi
xung có mức logic tương ứng, với phương pháp điều khiển cả bước để điều
khiển động cơ quay theo 1 chiều nhất định
B1: 1100
B2:0110
B3:0011
B4:1001
Để động cơ quay được 1 vòng thì ta lặp lại quá trình trên 50 lần vì mỗi
bước động cơ quay được 1.8 độ nên ta phải cho động cơ thực hiện 200 bước.
2.4.4 Module hiển thị

Để tiện cho việc theo dõi công tắc nào đã được tác động, ta sử dụng 4
led đơn, các chân Anode được mắc nối tiếp qua các điện trở hạn dòng lên

dương nguồn, đầu Ktode nối vào các chân P1.4, P1.5, P1.6, P1.7. Khi công
tắc nào tác động ta sẽ bật led sáng tương ứng vị chí của công tắc đó

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

17


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

Sơ đồ nguyên lý module hiển thị
2.4.5 Module cảm biến

Bộ phận cảm biến của hệ thống sử dụng 4 công tắc hành trình SW1,
SW2, SW3, SW4. Các công tắc nối trực tiếp vào các chân P0.0, P0.1, P0.2,
P0.3 của vi điều khiển và các đầu còn lại nối xuống âm nguồn. Các chân này
của vi điều khiển được treo lên dương nguồn thông qua các điện trở R3, R4,
R5, R6 để xác định điện áp mức cao ở chân vi điều khiển khi chưa tác động
vào các công tắc. Khi công tắc nào đó được tác động, chân vi điều khiển
tương ứng sẽ được nối xuống âm nguồn, xác định điện áp mức thấp trên chân
vi điều khiển. Thông qua vị trí đặt các công tắc và việc tác động vào các công
tắc vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu điều khiển các module khác theo chương
trình đã lập trình trước.

Sơ đồ nguyên lý module cảm biến
2.4.6 Module nguồn

Module này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn xoay chiều 12 – 15V để

cung cấp cho các linh kiện trong hệ thống, dùng diode cầu chỉnh lưu từ điện

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

18


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

áp xoay chiều sang điện áp một chiều, dùng IC ổn áp 7805 để lấy ra điện áp
ổn định 5V ở ngõ ra. Phía sau cầu diode và sau IC7805 có tụ chống sụt áp

Sơ đồ nguyên lý module nguồn

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

19


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

2.5 LỰA CHỌN LINH KIỆN
2.5.1 Khối điều khiển

Vi điều khiển 89C52 là một vi điều khiển thuộc họ 8051 (MCS-51). Họ
vi điều khiển MCS-51 do Intel sản xuất đầu tiên vào năm 1980 là các IC thiết

kế cho các ứng dụng hướng điều khiển. Các IC này chính là một hệ thống vi
xử lý hoàn chỉnh bao gồm các các thành phần của hệ vi xử lý: CPU, bộ nhớ,
các mạch giao tiếp, điều khiển ngắt.
MCS-51 là họ vi điều khiển sử dụng cơ chế CISC (Complex Instruction
Set Computer), có độ dài và thời gian thực thi của các lệnh khác nhau. Tập
lệnh cung cấp cho MCS-51 có các lệnh dùng cho điều khiển xuất / nhập tác
động đến từng bit.
AT89C52 là vi điều khiển do Atmel sản xuất, chế tạo theo công nghệ
CMOS có các đặc tính như sau:
- 8 KB PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only
Memory), có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá
- Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz
- mức khóa bộ nhớ lập trình
- 256 Byte RAM nội.
- Port xuất /nhập I/O 8 bit.
- bộ Timer/counter 16 Bit.
- 8 nguồn ngắt.
- Giao tiếp nối tiếp điều khiển bằng phần cứng.
- 64 KB vùng nhớ mã ngoài
- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài.
- Cho phép xử lý bit.
- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit.
- chu kỳ máy (4 µs đối với thạch anh 12MHz) cho hoạt động nhân hoặc
chia.
- Có các chế độ nghỉ (Low-power Idle) và chế độ nguồn giảm (Powerdown).

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

20

ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

Sơ đồ chân Vi điều khiển AT89C52



Hình ảnh thực tế Vi điều khiển AT89C52
Chip AT89C52 có các tín hiệu điều khiển cần phải lưu ý như sau:
Tín hiệu vào /EA trên chân 31 thường đặt lên mức cao ( +5V) hoặc

mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội
trong khoảng địa chỉ thấp (4K với 89C51 hoặc tối đa 8k đối với 89C52). Nếu
ở mức thấp, chương trình được thi hành từ bộ nhớ mở rộng (tối đa đến
64Kbyte). Ngoài ra người ta còn dùng /EA làm chân cấp điện áp 12V khi lập
trình EEPROM trong 8051.



Chân PSEN (Program store enable): PSEN là chân tín hiệu ra trên chân

29. Nó là tín hiệu điều khiển cho phép chương trình mở rộng, PSEN thường
được nối đến chân /OE (Output Enable) của một EPROM hoặc ROM để cho
Bộ môn Kỹ thuật máy tính

21

ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

phép đọc các bytes mã lệnh. Hãy nhớ rằng : bình thường chân /PSEN sẽ được
thả trống ( No Connect).Chỉ khi nào cho /EA ở mức thấp thì lúc đó: /PSEN sẽ
ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được
lấy từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8951 để
giải mã lệnh. /PSEN ở mức thụ động (mức cao) nếu thi hành chương trình
trong ROM nội của 89C52.



Các chân nguồn: AT89C52 hoạt động ở nguồn đơn +5V. Vcc được nối

vào chân 40, và Vss (GND) được nối vào chân 20.
2.5.2 Khối nguồn

Khối nguồn của mạch sử dụng IC ổn áp LM7805 thuộc dòng 78xx.
78xx là loại IC dùng để ổn định điện áp dương với điều kiện điện áp đầu vào
luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V. Dòng IC 78xx có nhiều loại, ổn định nhiều mức
điện áp khác nhau, cụ thể ở đây 7805 là dùng để ổn định điện áp đầu ra ở mức
5V.

Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế IC 7805
7805 đóng gói dạng TO-220 gồm có 3 chân:
1. Vin: Chân đầu nguồn vào
2. GND: Chân nối đất
3. Vo: Chân đầu nguồn ra
Như chúng ta biết, mạch ổn áp dùng Diode Zener tuy nhỏ gọn, đơn giản

nhưng có nhược điểm cho dòng điện nhỏ (~20mA). Để tạo ra một điện áp cố
định nhưng dòng điện lớn hơn người ta mắc thêm một Tranzitor để khuếch đại
như sơ đồ dưới đây:

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

22


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

Sơ đồ cấu tạo IC ổn áp 7805
Đây cũng chính là sơ đồ cấu tạo của IC 7805. Thông qua R và Dz ghim
điện áp cố định trên chân E của Tranzitor Q1
Mạch ổn áp dùng trên ổn áp 7805 (78xx nói chung) rất ổn định và hiệu
quả nên được sử dụng rộng rãi, sơ đồ lắp mạch đơn giản như sau:

Sơ đồ mạch ổn áp dùng IC ổn áp 7805
2.5.3 Khối hiển thị:

LED – viết tắt của cụm từ Light Emitting Diode, tạm dịch là Điốt phát
quang. Là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại.
Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một bán dẫn loại P ghép với một
bán dẫn loại N. Tương tự như bóng đèn tròn dùng sợi đốt nhưng không phải
chiếu sáng bằng sợi đốt, đèn LED được coi là loại đèn tiết kiệm điện năng
nhất, tạo ra hiệu suất ánh sáng tốt nhất , tỏa nhiệt ít hơn so với các thiết bị
chiếu sáng thông thường.
Hoạt động của LED:

- Giống như nhiều loại điốt bán dẫn khác
- Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh
sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng
Bộ môn Kỹ thuật máy tính

23


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

(và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các
nguyên tử chất bán dẫn
- Tùy vào từng loại LED mà điện áp phân cực thuận khác nhau. Đối với
LED thường thì điện áp phân cực thuận khoảng 1,5V đến 2,5V; còn đối với
LED siêu sáng thì điện áp phân cực thuận có thể lên tới 5V
- Khi LED hoạt động bình thường thì cường độ dòng điện từ 10mA đến
50mA.

Sơ đồ, ký hiệu và hình ảnh thật của LED
2.5.4 IC đệm dòng ULN2803:

Đây là IC gồm 8 transistor NPN ghép Darlington gắn mạch điện tử
trong dãy này của chuổi là một bộ lý tưởng để giao tiếp với mạch điện dạng số
mức logic thấp như: TTL, CMOS hoặc PMOS/NMOS

Sơ đồ khối IC ULN2803
ULN2803 được thiết kế để phù hợp với chuẩn TTL
Vài chỉ số kĩ thuật của IC ULN2803:

 Dòng điện ngõ vào khoảng 25mA
 Điện áp ngõ vào khoảng 0.5V – 30V
 Dòng ra tới 500 mA/ 50 V
Bộ môn Kỹ thuật máy tính

24


ĐAMH Hệ thống nhúng

GVHD Nguyễn Văn Huy

 Đệm 8 kênh riêng biệt
 Đầu ra đảo.

Sơ đồ cấu tạo 1 kênh đệm dòng của ULN2803

Hình ảnh thực tế IC ULN2803

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

25