Thiết kế thiết bị đo và điều khiển tốc độ của động cơ DC

MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ VI ĐIỀU
KHIỂN ATMEGA16 ............................................................................................ 2
1.1. Động cơ điện một chiều ................................................................................. 2
1.1.1. Cấu tạo......................................................................................................... 2
1.1.2. Nguyên lý làm việc ..................................................................................... 2
1.1.3. Phân loại ...................................................................................................... 3
1.2. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều ................................... 3
1.2.1. Điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều ................................... 3
1.2.2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ................................................. 5
1.3. Vi điều khiển ATmega16 ............................................................................. 10
1.3.1. Vi điều khiển ATmega16 .......................................................................... 10
1.3.2. Cấu trúc nhân ............................................................................................ 11
1.3.3. Sơ đồ khối ................................................................................................. 14
1.3.4. Bộ định thời ............................................................................................... 15
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ DC SỬ DỤNG
ATMEGA16 ........................................................................................................ 19
2.1. Cấu trúc của bộ điều khiển ........................................................................... 19
2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển ....................................................... 19
2.3. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển động cơ DC ....................................... 20
CHƢƠNG 3. CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC ............................ 22
3.1. Chuẩn bị các thiết bị chính ........................................................................... 22
3.2. Thiết kế mạch ............................................................................................... 22
3.3. Lập trình cho vi điều khiển .......................................................................... 25
3.4. Một số hình ảnh về sản phẩm ....................................................................... 32
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạch cầu H sử dụng ............................................................................. 4
Hình 1.2: Dịng điện chạy trong mạch cầu H ở chế độ quay thuận. ..................... 4
Hình 1.3: IC L298 và sơ đồ chân. ......................................................................... 5
Hình 1.4: Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lƣu: ................................. 6
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý và tƣơng đƣơng của bộ điều chỉnh xung áp............... 6
Hình 1.6: Biểu đồ thời gian điện áp và dịng điện. ............................................... 7
Hình 1.7: Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ. ..................................................... 8
Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều khơng đảo chiều
dùng transistor. ...................................................................................................... 8
Hình 1.9: Mạch đảo chiều động cơ dùng transistor và khuếch đại thuật toán
Mạch gồm 2 tầng khuếch đại: ............................................................................... 9
Hình 1.10: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng diode và thyristor.
............................................................................................................................. 10
Hình 1.11: Hình ảnh thực tế vi điều khiển Atmega16. ....................................... 11
Hình 1.12: Sơ đồ chân của ATmega16 ............................................................... 11
Hình 1.13: Cấu trúc tổng quát Atmega16. .......................................................... 12
Hình 1.14: Thanh ghi trạng thái. ......................................................................... 12
Hình 1.15: Các thanh ghi chức năng chung. ....................................................... 13
Hình 1.16: Thanh ghi con trỏ ngăn xếp. ............................................................. 13
Hình 1.17: Sơ đồ khối ......................................................................................... 14
Hình 1.18: Sơ đồ đơn vị đếm .............................................................................. 16
Hình 1.19: Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra .............................................................. 17
Hình 1.20: Lựa chọn nguồn xung cho bộ định thời ............................................ 17
Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển động cơ DC. ........................................ 19
Hình 2.2: mơ phỏng mạch trên proteus ............................................................... 21
Hình 2.3: mạch broad sau khi đã đi dây hồn chỉnh ........................................... 21
Hình 3.1: Mạch hồn chỉnh ................................................................................ 24

LỜI MỞ ĐẦU
Nƣớc ta đang đang trong công cuộc công nghiệp hóa, tự động hóa, đổi mới phát
triền tồn diện. Phục vụ cho cơng cuộc đổi mới này đó là các máy móc hiện đại đƣợc
điều khiển vơ cùng phức tạp, nhƣng cũng vì thế mà làm giảm đƣợc tối đa sự góp mặt
của con ngƣời vào các q trình sản xuất đó. Tự động hóa phát triển kéo theo những
công nghệ điều khiển tiên tiến cũng phát triển và đóng góp vai trị vơ cùng quan trọng
trong sản xuất. Có thể kể đến đó là những robot cơng nghiệp, tay máy hay các dây
chuyền tự động đƣợc lập trình sẵn đó là những q trình lớn. Ở trong một phạm vi nhỏ
hơn, việc điều khiển đƣợc thực hiện một cách dễ dàng với những vi xử lý hoặc những
vi điều khiển đƣợc lập trình sẵn cũng góp mặt vơ cùng nhiều trong các ứng dụng thực
tế trong cuộc sống.
Trong các ứng dụng liên quan đến truyền động, một thành phần gần nhƣ khơng
thể thiếu đó là các động cơ điện, nó có tác dụng gây ra các lực làm các cơ cấu chấp
hành hoạt động. Động cơ điện có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, nhất là trong sản
xuất công nghiệp. Việc điều khiển đƣợc tốc độ cũng nhƣ chiều quay của nó cũng là
một vấn đề cần giải quyết. Kết hợp với vi điều khiển, việc điều khiển động cơ trở lên
dễ dàng hơn rất nhiều.
Chính vì lẽ đó sinh viên đã chọn đề tài “ Thiết kế thiết bị đo và điều khiển tốc
độ của động cơ DC” cũng nhƣ sử dụng và tiếp cận vi điểu khiển ATMEGA16. Đồ án
gồm 3 chƣơng:
Chƣơng I: Tổng quan về động cơ điện một chiều và vi điều khiển ATmega16
Chƣơng II: Thiết kế bộ điều khiển động cơ DC sử dụng ATmega16
Chƣơng III: Chế tạo bộ điều khiển động cơ DC
Sinh viên xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy cơ đặc
biệt là ThS. Đinh Hải Lĩnh và KS. Nguyễn Thành Trung trong suốt thời gian thực hiện
đề tài.

1

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ VI ĐIỀU KHIỂN
ATMEGA16
1.1. Động cơ điện một chiều
1.1.1. Cấu tạo
Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp.
Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn
kích thích) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt. Số lƣợng cực từ chính phụ
thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ, ngƣời ta có thể kích từ bằng nam
châm vĩnh cửu.
Rotor (cịn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để
đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều đƣợc đƣa vào phần ứng qua
lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mịn của chổi than.
Chổi than – vành góp có chức năng đƣa điện áp một chiều vào cuộn dây phần
ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lƣợng chổi than bằng số
lƣợng cực từ (một nửa có cực tính dƣơng và một nửa có cực tính âm).
1.1.2. Ngun lý làm việc
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn
kích từ sẽ xuất hiện dịng kích từ ik và do đó mạch từ của mách sẽ có từ thơng Φ. Tiếp
đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một
dịng điện I chạy qua. Tƣơng tác giữa dòng điện phần ứng và từ thơng kích thích tạo
thành moment điện từ. Moment điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục. Giá trị
của moment điện từ đƣợc tính bằng cơng thức:

m

p.n
I  k  I
2 a

Trong đó: p là số đôi cực của động cơ điện; n là số thanh dẫn phần ứng dƣới
một cực từ; a là số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng; k là hệ số kết cấu
của máy.
Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều
Khi có một dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non,
cạnh phía bên cực dƣơng sẽ bị tác động bởi một lực hƣớng lên, trong khi cạnh đối diện
lại bị tác động bằng một lực hƣớng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming.
2


Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor
quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dịng điện sau
mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các
đƣờng sức từ trƣờng. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 0 so
với phƣơng ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo qn tính.
Trong các máy điện một chiều lớn, ngƣời ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều
phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay đƣợc liên tục và hầu
nhƣ khơng bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor.
Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều

E  K
V  E  Ru I u
M  K I u
Với: Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb)
Iu: dòng điện phản ứng (A)
V: điện áp phản ứng (V)
Ru: điện trở phản ứng (Ω)
ω: tốc độ của động cơ (rad/s)
M: moment động cơ (N/m)

K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ.
1.1.3. Phân loại
- Động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ một chiều kích từ độc lập (phần ứng và phần kích từ đƣợc cung cấp
bởi hai nguồn riêng rẽ).
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích đƣợc mắc nối tiếp
với phần ứng.
- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích đƣợc mắc song
song với phần ứng.
- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có 2 cuộn dây kích thích, một cuộn
mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần ứng.
1.2. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều
1.2.1. Điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều
Đảo chiều quay của động cơ điện một chiều đƣợc thực hiện dễ dàng bằng cách
thay đổi chiều dòng điện cấp vào động cơ điện là có thể thay đổi đƣợc chiều quay của
động cơ.
3


Một số phƣơng pháp điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều:
- Sử dụng công tắc: nối vào một cơng tắc có 3 nấc, khi gạt cơng tắc sang phải
thì động cơ quay theo chiều thuận, gạt về giữa thì động cơ dừng, gạt sang trái thì động
cơ quay ngƣợc lại. Nguyên tắc đó là đảo chiều của nguồn cung cấp vào động cơ.
- Sử dụng mạch cầu H điều khiển: linh kiện sử dụng trong mạch cầu có thể là
diode, transistor BJT, transistor trƣờng ( nhƣ hình 1.1).

Hình 1.1: Mạch cầu H sử dụng
a- transistor PNP – NPN; b- MOSFET; c- Relay
Nguyên tắc hoạt động: (phân tích với hình a, các hình khác tƣơng tự) ở chế độ
quay thuận, tín hiệu điều khiển cấp vào 4 transistor với điều kiện là vào Q1 = 0, Q2 =

1; Q3 = 0; Q4 = 1, dòng điện sẽ đi theo chiều từ nguồn cấp vào Q1, qua động cơ vào
Q4 xuống đất ( nhƣ hình 1.2).

Hình 1.2: Dịng điện chạy trong mạch cầu H ở chế độ quay thuận.
Ở chế độ quay ngƣợc, Q1 = 1, Q2 = 0; Q3 = 1; Q4 = 0, dòng điện sẽ đi từ Q2 qua
động cơ về Q3 xuống đất. Nhƣ vậy là đã làm cho động cơ quay theo chiều ngƣợc lại.
Muốn cho động cơ dừng khơng quay thì cho Q1, Q3 và Q2, Q4 cùng mức là đƣợc.

4


- Sử dụng các IC chuyên dụng: các IC chuyên dụng dùng để điều khiển động
cơ có thể dễ dàng tìm thấy nhƣ L293, L293D, L298, L298N, …

Hình 1.3: IC L298 và sơ đồ chân.
IC L298 đƣợc tích hợp sẵn bên trong hai mạch cầu H do đó có thể điều khiển
đƣợc hai động cơ một chiều với chỉ một IC L298. Hai chân OUTPUT1 và OUTPUT2
cho động cơ 1 và hai chân OUTPUT3 và OUTPUT4 là cho động cơ thứ 2. Chân
INPUT1 đƣa tín hiệu điều khiển động cơ 1, chân INPUT2 đƣa tín hiệu điều khiển
động cơ 2. Để điều khiển chiều quay của động cơ một chiều thì cần đƣa chân INPUT
lên mức 1, khi đó, với 1 động cơ, giả sử ở chân OUT1 và OUT2, đề điều khiển quay
thuận thì cho OUT1 = 1, OUT2 = 0; điều khiển quay ngƣợc thì cho OUT1 = 0, OUT2
= 1; dừng động cơ thì cho đồng thời OUT1 = OUT2 = 1 hoặc OUT1 = OUT2 = 0. Với
hai chân OUT3 và OUT4 thì làm tƣơng tự sau khi đã đƣa INPUT2 lên mức 1.
1.2.2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Điều khiển tốc độ động cơ điện là một yêu cầu cần thiết vì có những máy móc
hoạt động với những tốc độ khác nhau, nhanh chậm tùy loại, tùy công việc và điều
kiện làm việc. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp nguồn cung
cấp có thể sử dụng cho các động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ. Tuy vậy thì
nó đƣợc sử dụng chủ yếu cho động cơ một chiều kích từ độc lập. Phƣơng trình đặc tính

cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:



U Ru  Rpu

M
k
(k )2

Trong đó:
Ru và Rpu là điện trở phần ứng và điện trở phụ mắc nối tiếp trong phần ứng.
K: hằng số
M: moment của động cơ
Φ: từ thông trên mỗi cực
5


U: điện áp cung cấp.
Nhƣ vậy, khi Ru, Rpu, M, k, Φ khơng đổi, nếu thay đổi U thì tốc độ góc ω của
động cơ sẽ thay đổi.
Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn:
Để thực hiện phƣơng pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung cấp
mà điện áp của nó có thể thay đổi đƣợc để cung cấp cho phần ứng của động cơ. Các
nguồn điện áp này thƣờng đƣợc tạo ra bởi một bộ chỉnh lƣu bán dẫn có điều khiển
(dùng thyristor) hoặc khơng có điều khiển (dùng diode).

Hình 1.4: Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu:
a- khơng có điều khiển; b- có điều khiển.
Hình a: thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ bằng sử dụng bộ điều chỉnh

điện áp.
Hình b: điện áp đặt lên phần ứng động cơ phụ thuộc góc mở của thyristor của
bộ chỉnh lƣu có điều khiển.
Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp
Phƣơng pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một
cách có chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lƣợng đƣợc đƣa từ nguồn
vào động cơ. Năng lƣợng này phần chủ yếu đƣợc truyền qua trục của động cơ, phần
còn lại đƣợc tích ở dạng động năng và năng lƣợng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi
nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lƣợng tích lũy đó.

Hình 1.5: Sơ đồ ngun lý và tương đương của bộ điều chỉnh xung áp.
6


Hình 1.6: Biểu đồ thời gian điện áp và dịng điện.
Nhờ một khóa chuyển đổi K mà phần ứng động cơ đƣợc đóng, ngắt một cách có
chu kỳ vào nguồn điện một chiều có điện áp khơng đổi. Trong khoảng thời gian t1
khóa K đóng, động cơ đƣợc cấp nguồn, nếu bỏ qua sự sụt áp trên khóa K thì Ut = U.
Trong khoảng thời gian t2 khóa K ngắt. Do ảnh hƣởng của các điện cảm phía một
chiều, dịng điện cảm ứng iu tiếp tục chạy qua diode D. Điện áp Ut ở giai đoạn này
bằng sụt áp thuận trên diode nhƣng ngƣợc dấu Ut = UD.
Từ đồ thị, nhận thấy trị số trung bình của dịng điện trong phần ứng itb quyết
định tốc độ động cơ. Do đó để thay đổi tốc độ động cơ chỉ cần thay đổi trị số của dịng
điện trung bình trong phần ứng itb. Để thay đổi dịng điện trung bình itb có thể thay đổi
t1 hoặc t2 hoặc cả t1 và t2. Nếu giữ nguyên chu kỳ đóng cắt của khóa (Tck = const)
thay đổi t1 thì có phƣơng pháp điều chỉnh xung theo độ rộng. Nếu giữ nguyên thời
gian đóng khóa (t1 = const) và thay đổi t2 thì có phƣơng pháp điều chỉnh tần số xung.
Phƣơng pháp biến đổi độ rộng xung đƣợc xử dụng phổ biến hơn vì nó cho
phạm vi điều chỉnh rộng hơn. Phƣơng pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản
hơn nhƣng phạm vi điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì T ck sẽ tiến đến vơ cực,

nghĩa là về thực chất ý nghĩa điều chỉnh xung khơng cịn tác dụng.
Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp một chiều và có đổi chiều quay
7


Sơ đồ nguyên lý thực hiện đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập
theo phƣơng pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ:

Hình 1.7: Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ.
Các cặp van K1 và K3, K2 và K4 thay nhau đóng, ngắt. Thực hiện đảo chiều
bằng cách: trong thời gian t1 cho K1 và K3 đóng (K2 và K4 ngắt) đầu A của phần ứng
đƣợc nối với dƣơng nguồn, đầu B đƣợc nối âm nguồn. Trong khoảng thời gian t2 cho
K2 và K4 đóng (K1 và K3 ngắt) thì đầu B của phần ứng đƣợc nối với dƣơng nguồn
còn đầu A của phần ứng đƣợc nối với âm nguồn. Khi đó điện áp trung bình trên phần
ứng động cơ đƣợc tính bằng cơng thức:

U tb 

U (t1  t2 )
Tck

Nhƣ vậy bằng cách biến đổi t1 và t2 thì có thể biến đổi đƣợc trị số của Utb và
còn thay đổi đƣợc dấu của nó, nhƣ vậy là có thể điều chỉnh đƣợc cùng lúc tốc độ và
chiều quay.
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều dùng transistor

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều
không đảo chiều dùng transistor.
8

T1 đóng vai trị tầng khuếch đại sơ bộ mắc theo kiểu Collector chung (mạch lặp
Emiter). T2 và T3 là tầng khuếch đại công suất mắc theo kiểu Darlington để có cơng
suất lớn. Chức năng của mchj do T2 quyết định cịn T3 có tác dụng khuếch đại dịng
điện ra.
Ngun lý hoạt động: khi có xung điều khiển Uv đƣa vào bazor của T1 sẽ tạo
thiên áp cho T1 do đó T1 mở. Tín hiệu ra trên emitor của T1 đƣa vào bazor của T2 làm
cho T2 và T3 làm việc dẫn đến điện áp phần ứng của động cơ đƣợc khuếch đại lên.
Xung điều khiển có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh tần số xung dẫn đến U be của T1
thay đổi làm cho Uce của T1 thay đổi theo, qua khuếch đại công suất T2 và T3 làm cho
điện áp đặt vào phần ứng của động cơ một chiều thay đổi do đó tốc độ thay đổi.
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều dùng transistor và OPAM

Hình 1.9: Mạch đảo chiều động cơ dùng transistor và khuếch đại thuật toán.
Mạch gồm 2 tầng khuếch đại:
- Tầng 1 là khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng khuếch đại thuật toán uA741.
- Tầng 2 là tầng khuếch đại công suất dùng T1, T2, T3, T4 ghép kiểu
darlington. Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là ±12V. Mạch phản hồi
âm đƣợc báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán. D1, D2 là 2 diode ổn định
điện áp cho khuếch đại thuật toán. Tụ C1 và C2 cùng với R10 có tác dụng lọc thành
phần xoay chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát phát ra khi đổi chiều quay. Rf
là điện trở mạch phản hồi.
Nguyên lý làm việc:
Khi Udk có cực tính dƣơng thì ở chân 6 của KĐTT có điện áp âm đặt vào
bazor của T1 và T2 do T1 là loại NPN và T2 là loại PNP do đó T1 khóa cịn T2 dẫn.
Khi T2 dẫn thì nguồn âm (-12V) qua R5, qua T2 (đang dẫn) đặt vào bazor của T3 và
9


T4. Do T3 cũng là loại NPN, T4 là PNP do đó T3 bị khóa cịn T4 dẫn.. Do T2 và T4

dẫn nên có dùng điện đi từ 0 qua động cơ, qua T4 rồi về nguồn âm (-12V), động cơ
quay theo một chiều nhất định.
Nguyên tắc giữ ổn định tốc độ động cơ: giả sử tốc độ động cơ giảm dòng điện
Id tăng làm điện áp tại đầu ra là UR giảm. Thông qua điện trở phàn hổi Rf, điện thế ở
đầu vào chân 2 của khuếch đại thuật tốn tăng lên vì U2 = Udk – UR và Udk = const nên
UR giảm thì U2 tăng. Khi điện áp ở đầu vào 2 của khuếch đại thuật toán tăng lên thì
điện áp ở đầu ra 6 cũng tăng theo làm cho UR tăng làm tốc độ động cơ tăng. Ngƣợc lại
khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp dƣơng đặt vào bazo của T1 và T2. Lúc
này T1 và T3 dẫn còn T2 và T4 khóa, do đó sẽ có dịng đi từ nguồn (+12V) qua T3
qua động cơ rồi về 0 làm động cơ quay chiều ngƣợc lại.
Điều chỉnh tốc độ động cơ dùng thyristor.
Thyristor đƣợc dùng trong điều khiển động cơ công suất lớn và điện áp phần
ứng cao. Trong điều khiển động cơ cơng suất thấp thì ít dùng vì giá thành cao.

Hình 1.10: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng diode và thyristor.
D1, D2, D3, D4 phối hợp tạo thành mạch cầu chỉnh lƣu hai nửa chu kỳ.
L và D5 có tác dụng san bằng dịng điện.
Thyristor T có tác dụng điều chỉnh điện áp ra của bộ chỉnh lƣu.
1.3. Vi điều khiển ATmega16
1.3.1. Vi điều khiển ATmega16
ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với khả năng thực
hiện mỗi lệnh trong vịng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt đƣợc tốc độ
1MIPS trên mỗi MHz.

10


Ngồi ra ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc
trong khi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng
chung, 32 đƣờng vào ra chung, 3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại,

USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit,...ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ các
chƣơng trình và cơng cụ phát triển hệ thống nhƣ: trình dịch C, macro assemblers,
chƣơng trình mơ phỏng/sửa lỗi,…

Hình 1.11: Hình ảnh thực tế vi điều khiển Atmega16.

Hình 1.12: Sơ đồ chân của ATmega16
1.3.2. Cấu trúc nhân
CPU của Atmega16 có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác các chƣơng
trình. Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính tốn,
điều khiển các thiết bị ngoại vi và quản lý ngắt.
Cấu trúc tổng quát:

11


AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chƣơng trình
và dữ liệu. Các lệnh đƣợc thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock. Bộ nhớ chƣơng
trình đƣợc lƣu trong bộ nhớ Flash.

Hình 1.13: Cấu trúc tổng quát Atmega16.
ALU:
ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung. Các phép toán đƣợc
thực hiện trong một chu kỳ xung clock. Hoạt động của ALU đƣợc chia làm 3 loại: đại
số, logic và theo bit.
Thanh ghi trạng thái:
Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lƣu trữ trạng thái của ALU sau các phép tính
số học và logic.

Hình 1.14: Thanh ghi trạng thái.

Trong đó:
+ C: Carry Flag: cờ nhớ (Nếu phép tốn có nhớ cờ sẽ đƣợc thiết lập).
+ Z: Zero Flag: Cờ zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0).
+ N: Negative Flag: (Nếu kết quả của phép toán là âm).
+ V: Two’s complement overflow indicator (Cờ này đƣợc thiết lập khi tràn số
bù 2)
12


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

Hình 1.15: Các thanh ghi chức năng chung.
Con trỏ ngăn xếp (SP):
Là một thanh ghi 16 bit nhƣng cũng có thể đƣợc xem nhƣ hai thanh ghi chức
năng đặc biệt 8 bit. Có địa chỉ trong các thanh ghi chức năng đặc biệt là $3E (trong bộ
nhớ RAM là $5E) và có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ trong RAM chứa ngăn xếp.

Hình 1.16: Thanh ghi con trỏ ngăn xếp.
Quản lý ngắt:
Ngắt là một cơ chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết về tình trạng
sẵn sàng cho đổi dữ liệu của mình.Ví dụ: khi bộ truyền nhận UART nhận đƣợc một
byte nó sẽ báo cho CPU biết thơng qua cờ RXC, hoặc khi nó đã truyền đƣợc một byte
thì cờ TX đƣợc thiết lập…Khi có tín hiệu báo ngắt CPU sẽ tạm dừng công việc đạng
thực hiện lại và lƣu vị trí đang thực hiên chƣơng trình (con trỏ PC) vào ngăn xếp sau
13

đó trỏ tới vector phuc vụ ngắt và thức hiện chƣơng trình phục vụ ngắt đó chơ tới khi
gặp lệnh RETI (return from interrup) thì CPU lại lấy PC từ ngăn xếp ra và tiếp tục
thực hiện chƣơng trình mà trƣớc khi có ngăt nó đang thực hiện.
Trong trƣờng hợp mà có nhiều ngắt u cầu cùng một lúc thì CPU sẽ lƣu các cờ
báo ngắt đó lại và thực hiện lần lƣợt các ngắt theo mức ƣu tiên.Trong khi đang thực
hiện ngắt mà xuất hiện ngắt mới thì sẽ xảy ra hai trƣờng hợp. Trƣờng hợp ngắt này có
mức ƣu tiên cao hơn thì nó sẽ đƣợc phục vụ. Cịn nó mà có mức ƣu tiên thấp hơn thì
nó sẽ bị bỏ qua.
Bộ nhớ ngăn xếp là vùng bất kì trong SRAM từ địa chỉ 0x60 trở lên. Để truy
nhập vào SRAM thơng thƣờng thì ta dùng con trỏ X,Y,Z và để truy nhập vào SRAM
theo kiểu ngăn xếp thì ta dùng con trỏ SP. Con trỏ này là một thanh ghi 16 bit và đƣợc
truy nhập nhƣ hai thanh ghi 8 bit chung có địa chỉ: SPL:0x3D/0x5D(IO/SRAM) và
SPH:0x3E/0x5E.
Khi chƣơng trình phục vụ ngắt hoặc chƣơng trình con thì con trỏ PC đƣợc lƣu
vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí.Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1
khi thực hiện lệnh PUSH. Ngƣợc lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ
tăng 1 và khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2. Nhƣ vậy
con trỏ ngăn xếp cần đƣợc chƣơng trình đặt trƣớc giá trị khởi tạo ngăn xếp trƣớc khi
một chƣơng trình con đƣợc gọi hoặc các ngắt đƣợc cho phép phục vụ. Và giá trị ngăn
xếp ít nhất cũng phải lớn hơn 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh ghi.
1.3.3. Sơ đồ khối

Hình 1.17: Sơ đồ khối

14


Ý nghĩa các chân:

+ ChânVCC: Chân số 10 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển.
Nguồn điện cấp trong khoảng +5V± 0,5.
+ Chân GND:Chân số11 và chân số 31 nối GND(hay nối Mass). Khi thiết
kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng
IC ổn áp 7805.
+ Port A (PA):Port A gồm 8 chân (từ chân 33 đến 40) có chức năng: đầu
vào cho chuyển đổi ADC
+ Port B (PB):Port PB gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), ngồi có chức
năng làm các đƣờng xuất/nhập thì cịn có nhiều chức năng phụ khác.
+ Port C (PC):Port C gồm 8 chân (từ chân 22 đến chân 29) : Nếu giao tiếp
JTAG đƣợc kích hoạt điện trở trên các PC5(TDI), PC3 (TMS) ,PC2 (TCK) sẽ đƣợc
kích hoạt ngay cả khi khởi động lại (reset)
+ Port D (PD): Port D gồm 8 chân (từ chân 14 đến 21):chƣc năng xuất nhập
+ Chân RESET(RST):Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để
thiết lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển. Hệ thống sẽ đƣợc thiết lập lại các giá trị
ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy.
+ Chân XTAL1 và XTAL2: Hai chân này có vị trí chân là 12 và 13 đƣợc sử
dụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thƣờng đƣợc ghép nối với
thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định.
+ Chân AVCC: Nguồn cấp cho cổng A và bộ chuyển đổi ADC , chân này
nên đƣợc nối với nguồn cấp VCC bên ngoài , ngay cả khi bộ chuyển đổi ADC không
đƣợc sử dụng. Nếu bộ chuyển đổi ADC không đƣợc sử dụng , chân AVCC nên đƣợc
nối với nguồn qua bộ lọc.
+ Chân AREF: AREF là chân chuẩn analog cho bộ chuyển đổi ADC.
1.3.4. Bộ định thời
Bộ định thời (timer/counter) là một module định thời/đếm 8 bit, có các đặc
điểm sau:
+ Bộ đếm một kênh
+ Xóa bộ định thời khi trong mode so sánh
+ PWM

+ Tạo tần số

15


+ Bộ đếm sự kiện ngoài
+ Bộ chia tần 10 bit
+ Nguồn ngắt tràn bộ đếm và so sánh
TCNT0 và OCR0 là các thanh ghi 8 bit. Các tín hiệu yêu cầu ngắt đều nằm
trong thanh ghi TIFR. Các ngắt có thể đƣợc che bởi thanh ghi TIMSK.
Bộ định thời có thể sử dụng xung clock nội thơng qua bộ chia hoặc xung clock
ngoài trên chân T0. Khối chọn xung clock điều khiển việc bộ định thời bộ đếm sẽ
dùng nguồn xung nào để tăng giá trị của nó. Ngõ ra của khối chọn xung clock đƣợc
xem là xung clock của bộ định thời.
Thanh ghi OCR0 luôn đƣợc so sánh với giá trị của bộ định thời/bộ đếm. Kết
quả so sánh có thể đƣợc sử dụng để tạo ra PWM hoặc biến đổi tần số ngõ ra tại
chân OC0.
Phần chính của bộ định thời 8 bit là một đơn vị đếm song hƣớng có thể lập trình
đƣợc. Cấu trúc của nó nhƣ hình 1.18:

Hình 1.18: Sơ đồ đơn vị đếm
+ Count: tăng hay giảm TCNT0:1
+ Direction: lựa chọn giữa đếm lên và đếm xuống
+ Clear: xóa thanh ghi TCNT0
+ TOP: báo hiệu bộ định thời đẫ tăng đến giá trị lớn nhất
+ BOTTOM: báo hiệu bộ định thời đã giảm đến giá trị nhỏ nhất
Bộ so sánh 8 bit liên tục so sánh giá trị TCNT0 với giá trị thanh ghi so sánh
ngõ ra (OCR0). Khi giá trị TCNT0 bằng với OCR0, bộ so sánh sẽ tạo một báo hiệu.
Báo hiệu này sẽ đặt giá trị cờ so sánh ngõ ra (OCF0) lên 1 vào chu kỳ xung clock
tiếp theo. Nếu đƣợc kích hoạt (OCIE0=1), cờ OCF0 sẽ tạo ra một ngắt so sánh ngõ

ra và sẽ tự động đƣợc xóa khi ngắt đƣợc thực thi. Cờ OCF0 cũng có thể đƣợc xóa
bằng phần mềm.
16


Hình 1.19: Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra
Mơ tả các thanh ghi
 Thanh ghi điều khiển bộ định thời/bộ đếm TCCR0

+ Bit 7 (FOC0): so sánh ngõ ra bắt buộc: bit này chỉ tích cực khi bit
WGM00 chỉ định chế độ làm việc khơng có PWM. Khi đặt bit này lên 1, một báo hiệu
so sánh bắt buộc xuất hiện tại đơn vị tạo dạng sóng.
+ Bit 6 (WGM00) – bit 3 (WGM01): chế độ tạo dạng sóng: các bit này điều
khiển hoạt động của chân OC0. Nếu một hoặc cả hai bit COM01, COM00 đƣợc đặt
lên 1, ngõ ra OC0 sẽ hoạt động.
+ Bit 2 (CS02), bit 1 (CS01), bit 0 (CS00): chọn xung đồng hồ: ba bit này
dùng để lựa chọn nguồn xung cho bộ định thời/bộ đếm

Hình 1.20: Lựa chọn nguồn xung cho bộ định thời

17


 Thanh ghi bộ định thời/bộ đếm

Thanh ghi bộ định thời/bộ đếm cho phép truy cập trực tiếp vào bộ đếm 8 bit
 Thanh ghi so sánh ngõ ra – OCR0

Thanh ghi này chứa một giá trị 8 bit và liên tục đƣợc so sánh với giá trị của bộ
đếm

 Thanh ghi mặt nạ ngắt

+ Bit 1 (OCIE0): cho phép ngắt báo hiệu so sánh
+ Bit 0 (TOIE0): cho phép ngắt tràn bộ đếm
 Thanh ghi cờ ngắt bộ định thời

+ Bit 1 (OCF0): Cờ so sánh ngõ ra 0
+ Bit 0 (TOV0): Cờ tràn bộ đếm
Bit TOV0 đƣợc đặt lên 1 khi bộ đếm bị tràn và đƣợc xóa bởi phần cứng khi
vector ngắt tƣơng ứng đƣợc thực hiện. Bit này cũng có thể đƣợc xóa bằng phần mềm.

18


CHƢƠNG 2
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ DC SỬ DỤNG ATMEGA16
2.1. Cấu trúc của bộ điều khiển
Bộ điều khiển động cơ một chiều gồm các khối chính nhƣ sau:
- Khối nút ấn: Button
- Khối hiển thị: Màn hình LCD
- Khối loa
- Khối nguồn: nguồn 5V, Led
- Khối điều khiển: VDK Atmega16, modoule LM298, Led
- Khối moto: Động cơ Encoder 333 xung

Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển động cơ DC.
2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển
Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển là: Khi điện áp đƣợc cấp đủ cho mạch ta
ấn nút tăng (+) thì chip nhận đƣợc tín hiệu đồng thời chạy hàm cho con băng xung
PWM thong qua module điều khiển dộng cơ LM298 làm cho động cơ quay nhanh hơn,

tƣơng tự khi ấn nút giảm(-) thì chip cũng nhận tín hiệu và chạy hàm băng xung PWM
thông qua module LM298 làm cho động cơ chạy chậm đi.
19


2.3. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển động cơ DC
Altium Designer

Altium ngày nay đang là một trong những phần mềm vẽ mạch điện tử mạnh và
đƣợc ƣa chuộng ở Việt Nam.Ngoài việc hỗ trợ tốt cho hoạt động vẽ mạch,Altium cịn
hỗ trợ tốt trong việc quản lý mạch,trích xuất file thống kê linh kiện.
Altium Designer cung cấp một ứng dụng kết hợp tất cả công nghệ và chức năng
cần thiết cho việc phát triển sản phẩm điện tử hoàn chỉnh, nhƣ thiết kế hệ thống ở mức
bo mạch và FPGA, phát triển phần mềm nhúng cho FPGA và các bộ xử lý rời rạc, bố
trí mạch in (PCB)… Altium Designer thống nhất tồn bộ các q trình lại và cho phép
bạn quản lý đƣợc mọi mặt quá trình phát triển hệ thống trong mơi trƣờng tích hợp duy
nhất. Khả năng đó kết hợp với khả năng quản lý dữ liệu thiết kế hiện đại cho phép
ngƣời sử dụng Altium Designer tạo ra nhiều hơn những sản phẩm điện tử thơng minh,
với chi phí sản phẩm thấp hơn và thời gian phát triển ngắn hơn.Thực ra điều này khiến
Altium khá nặng nề,nhiều chức năng ngƣời dùng không dùng đến.
Các điểm đặc trƣng của Altium Designer :
 Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý
file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế.
 Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật tốn tối ƣu,
phân tích lắp ráp linh kiện.
 Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có
sẵn từ trƣớc theo các tham số mới.
 Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện,
netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thƣớc, số lƣợng…
 Hệ thống các thƣ viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất

cả các linh kiện nhúng, số, tƣơng tự…
20


 Đặt và sửa đối tƣợng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh
các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB.
 Mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong khơng
gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm tra
khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D.
 Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngƣợc lại.
Có thể thấy rằng Altium Designer có nhiều điểm mạnh so với các phần mềm khác nhƣ
đặt luật thiết kế, quản lý dự án dễ dàng ,giao diện thân thiện ….
Thiết kế mơ phỏng trên Altium:

Hình 2.2: mơ phỏng mạch trên proteus

Hình 2.3: mạch broad sau khi đã đi dây hồn chỉnh

Hình 2.4: mạch 3D sau khi lắp những thiết bị
21


CHƢƠNG 3
CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC
3.1. Chuẩn bị các thiết bị chính
Để thiết kế bộ điều khiển sinh viên cần chuẩn bị:
-

Vi điều khiển Atmega16

: Flash 16 Kbytes, tấn số hoạt động 16MHz, CPU 8-

bit AVR
-

Động cơ DC

: động cơ encoder 334 xung, điện áp hoạt động 5V,

dịng tiêu thụ 20mA ,áp tối đa 31V, cơng dụng đếm số vòng quay động cơ.
-

: điện áp 5V,RS=0 chọn thanh ghi lệnh,RS=1 chọn

LCD

thanh ghi dữ liệu,R/W=0 ghi dữ liệu,R/W=1 đọc dữ liệu.
-

LM 298

: điện áp điều khiển 5V ~12V, dịng điện tối đa ở

cầu H=2A,điện áp của tín hiệu điều khiển 5V ~7V, dịng của tín hiệu điều khiển 0
~36mA, cơng suất hao phí 20W
-

Led & Button

:button loại 4 chân ,led 3mm

-

Mạch nguồn

: đầu vào 9V, đầu ra 5V

-

Mạch và các linh kiện khác

:điện trở, dây điện ...

3.2. Thiết kế mạch
Thực hiện: Làm mạch bằng phƣơng pháp ủi thủ công
Bƣớc 1: Vẽ PCB
PCB viết tắt của từ Printed Circuit Board có nghĩa là mạch in, để ngắn
gọn, board mạch hay mạch in mình đều viết là PCB
Sử dụng phần mềm Altium để vẽ board mạch in.

22


Bƣớc 2: Uỉ mạch
Sau khi có mạch in ,ta in mạch ra giấy chuyên dụng để làm.
Chuẩn bị bo đồng vừa với mạch vừa in ra
Ốp giấy in vào board đồng, chú ý phải căn chỉnh cho khớp, lấy phần thừa của
mạch in Tận dụng cố định chặt giấy với board đồng, lấy băng keo dán cố định 2 mặt lại
Sau đó lấy bàn là và ủi mạch

Chú ý: nếu ủi xong mà bị đứt nét thì lấy bút thiên long tô lại các đƣờng dây mạch
bị đứt, hoặc nếu mực dính vào nhau thì lấy dao cắt cạnh nhẹ xóa phần dính đi
Bƣớc 3: Ngâm mạch và ăn mịn
Pha thuốc rửa mạch: lấy khay nhựa đổ bột sắt và hịa từ từ nƣớc vào ( nƣớc rửa có
màu nâu đên là đƣợc )

Sau khi pha thuốc rửa mạch xong, bạn cho mạch in vào, lắc đều dung dịch để q
trình phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn.

Đƣợc một lúc thì những phần đồng khơng có mực in sẽ bị ăn mịn hồn tồn, khi
đó bạn dùng kẹp gắp mạch in ra và rửa bằng nƣớc sạch. chỉ còn lại phần đồng đƣợc
che phủ bởi mực in, những phần đồng không đƣợc che phủ bởi mực in đều đã bị ăn
mịn hồn tồn. Dùng xăng thơm và bơng gịn để chà lớp mực in này
23