Bài Đồ Án Vxl Đã Sửa.docx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN MÔN HỌC VI XỬ LÝ ĐỀ TÀI Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước dùng L298 Giảng viên hướng dẫn TS BÙI THỊ DUYÊN Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN MÔN HỌC VI XỬ LÝ

ĐỀ TÀI : Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước dùng L298

Giảng viên hướng dẫn: TS BÙI THỊ DUYÊN

Nhóm sinh viên thực hiện:

ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯThiết kế mạch hai điều khiển động độ động cơ bước sử dụng L298

Nhiệm vụ thiết kế :

 Chuyển động động cơ bước theo ý muốn của người lập trình, bao gồm

 Chuyển động thẳng: tiến, lùi Nút bấm

 Chuyển động quay: trái, phải nút bấm

 Điều khiển được tốc độ chuyển động của động cơ ( dùng chiết áp)

 Có các phím chức năng tương ứng để chạy (nút ấn 1), Dừng( nút ấn2),Tiến(nút ấn 3), Lùi(nút ấn 4), Quay trái, Quay phải,

(Tăng tốc, Giảm tốc ) (dụng chiết áp)

 Hiển thị các chức năng tương ứng khi chạy lên màn hình LCD

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành

kỹ thuật và trong dân dụng Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhiều hoạt động phứctạp mà chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạpbằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng

Vi điều khiển không những góp phần vào kỹ thuật điều khiển mà còn góp phần tolớn vào việc phát triển thông tin Chính vì các lý do trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi điềukhiển là điều mà các sinh viên ngành điện phải hết sức quan tâm Đó chính là một nhucầu cần thiết và cấp bách đối với mỗi sinh viên, đề tài này được thực hiện chính là đápứng nhu cầu đó

Mặc dù vi điều khiển đã đi được những bước dài như vậy nhưng để tiếp cận đượcvới kỹ thuật này không thể là một việc có được trong một sớm một chiều Để tìm hiểu bộ

vi điều khiển một cách khoa học và mang lại hiệu quả cao làm nền tảng cho việc xâmnhập vào những hệ thống tối tân hơn Việc trang bị những kiến thức về vi điều khiển cho

sinh viên là hết sức cần thiết Xuất phát từ thực tiển này em đã đi đến quyết định Thiết kế mạch điều khiển 2 động độ động cơ bước sử dụng L298 nhằm đáp ứng nhu cầu ham

muốn học hỏi của bản thân và giúp cho các bạn sinh viên dễ tiếp cận và hiểu sâu hơn về

vi điều khiển họ 8051

Tuy nhiên vì thời gian có hạn và kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên trong quátrình thực hiện đồ án không thể tránh những thiếu sót nhất định Vì vậy, chúng em rấtmong sự giúp đỡ, ý kiến đóng góp của thầy cô cùng tất cả các bạn để đồ án này đượchoàn thiện hơn

Chúng em chân thành cảm ơn!

Nhóm Sinh Viên

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến cô Bùi Thị Duyên Cô đã

hướng dẫn và giúp đỡ tận tình chúng em nghiên cứu và hoàn thành tốt đồ án này Nhữnglời nhận xét góp ý và hướng dẫn của thầy đã giúp chúng em có định hướng đúng đắntrong quá trình thực hiện đồ án, giúp chúng em nhìn ra được ưu khuyết điểm của đồ án vàtừng bước khắc phục để có được kết quả tốt nhất Chúng em cũng xin cảm ơn thầy côtrong khoa Điều Khiển và Tự Động Hóa, bộ môn Vi Xử Lý trong Đo Lường Điều Khiểntận tình chỉ bảo, truyền đạt cho chúng em các kiến thức chuyên ngành, những công nghệmới cũng như cách làm việc nhóm đề hoàn thành tốt đồ án môn học này

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN.

Trong các máy móc và những con robot đều có trong nó các động cơ để giúp các

cơ cấu hoạt động Thực tế, những con robot nhỏ thì thường dùng động cơ một chiều Với yêu cầu điều khiển chính xác thì người ta thường dùng các động cơ bước do đặc điểm cấu tạo của nó cũng như cách thức hoạt động của nó mang đến

sự chính xác lớn và ít sai số trong những trường hợp cụ thể nhất định chúng em sẽ

cụ thể hơn ở chương tiếp theo.

Từ sự phát triển này cùng với kiến thức được học tập tại trường, chúng em muốn tìm hiểu và thực hành điều khiển động cơ bước Đây là cơ sở cho những phát triển những con robot đa nhiệm phục vụ cuộc sống hàng ngày Đồng thời hiển thị lên LCD để thuận lợi cho việc giao tiếp giữa con người và các thiết bị cần điều khiển.

1.2 Vai trò của động cơ điện trong sản xuất.

Hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực đời sống và sản xuất các loại động cơ điện ngàycàng được ứng dụng rộng rãi hơn so với những loại động cơ sử dụng năng lượng nhưxăng, dầu khí, khi đốt…

Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượngcơ

Động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ dùngtrong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hayDVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự hoạtđộng của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựa vào động cơ điện.

Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệttrong các đầu máy xe lửa.Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trongcác ổ cứng, ổ quang, chúng là các động cơ bước rất nhỏ Sở dĩ, động cơ điện được đánhgiá cao và ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực hiện nay là bởi nguyên tắc hoạt động

vô cùng thông minh của nó

Động cơ điện bao gồm 2 bộ phận chính được gọi là rotor và stator Khi cuộn dâytrên rotor và stator được nối với nguồn điện, các từ trường sẽ được tạo ra xung quanh vàtạo ra sự chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen Đa số các động cơ điệnđều hoạt động theo nguyên lý điện từ Các động cơ điện từ

Dựa vào nguyên lí hoạt động là có một lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điệnchạy qua nằm trong một từ trường Nhờ đó mà động cơ có thể hoạt động liên tục, bền bỉ

và tiết kiệm năng lượng

1.2.1.Vai trò của động cơ điện một bước trong sản xuất

a Ưu điểm

- Có thế điều khiển mạch hở

- Duy trì mô men rất tốt (không cần phanh, biến tốc)

- Giá thành rẻ

- Mômen xoắn cao ở tốc độ thấp

- Chi phí bảo dưỡng thấp (không có chổi quét)

- Định vị chính xác

b Nhược điểm

- Động cơ làm việc không đểu, đặc biệt là ỏ tốc độ thấp (điều khiển đầy bước)

- Tiêu thụ dòng điện không phụ thuộc vào tải

- Kích cỡ hạn chế

- Làm việc ồn

- Mô men giảm theo tốc độ.

- Không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số

1.2.2 Các phương pháp điều khiển được sử dụng động cơ bước

Động cơ bước có thể được điều khiển bởi nhiều cách khác nhau từ những thiết bịthô sơ nhất như nút bấm, mạch điện-điện tử tuy cách sử dụng vận hành các thiết bị nàyđơn giản nhưng đòi hỏi người vận hành phải có mặt trực tiếp tại hiện trường để sử dụngthiết bị điều khiển

Ngày nay, công nghệ kỹ thuật điện-điện tử, công nghệ thông tin phát triển, giảipháp tự động hóa trong điều khiển ngày càng được áp dụng rộng rãi trong đời sống , sảnxuất Việc sử dụng tự động hóa trong điều khiển đáp ứng được việc có thể điều khiểnthiết bị khác ở mọi lúc mọi nơi mà không cần có mặt tại hiện trường, tiết kiệm được thờigian, công sức cho người sử dụng

 Vì vậy, để đáp ứng yêu cầu đề tài chúng em tập trung vào những vấn đề sau:

- Tìm hiểu, lựa chọn động cơ một chiều

- Tìm hiểu, lựa chọn các linh kiện, thiết bị trong hệ thống điều khiển như: LCD16x2, module ULN2003, , các loại nút bấm, điện trở, tụ điện…

Thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ bước sử dụng vi điều khiển theo yêu cầucông nghệ của đề tài

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC NHÓM THIẾT BỊ TRONG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

1 Đặc điểm của động cơ bước

1.1 Khái niệm chung

Động cơ bước là loại động cơ điện được dùng để biến đổi các lệnh cho dưới dạngxung điện thành sự dịch chuyển dút khoát về góc quay hay đường thẳng –như là bướctừng bước mà không cần cảm biến phản hồi

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa, chúng được ứngdụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ : điều khiển robot, điều khiển tiêu

cự trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển lập trính trong các thiết bị gia công cắtgọt, 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, máy in,

…

Hình 2.1: Động cơ bước

Với nhiệm vụ và chức năng nói trên, động cơ bước đòi hỏi những yêu cầu riêng về

kĩ thuật , ngoài những yêu cầu chung

- Có bước dịch chuyển bé

- Moment đồng bộ hóa đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất khi thực hiện bước

di chuyển

- Không tích lũy sai số khi tăng bước

- Tác động nhanh

- Làm việc đảm bảo khi có cuộn dây điều khiển ít nhất

- Động cơ và cả bộ điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản

Tùy theo cấu tạo động cơ bước có những loại như:

- Chỉ thị hay động lực

- Thuận nghịch hay không thuận nghịch

- Có một stato hay nhiều stato

- Có một hay nhiều cuộn dây điều khiển

- Roto phản kháng và roto tác dụng

1.2 Cấu tạo

Gồm có 2 phần chinh: phần quay (Rotor) và được bao quanh là phần tĩnh (Stator)

Hình 2.2: Cấu tạo động cơ bước

a Stator

Hai bộ phận chính của Stator là lõi thép (mạch từ) và dây quấn:

- Lõi thép làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dập theo khuôn rồi ghép lại dạng hìnhtrụ rỗng, mặt trong có phay rãnh Trong rãnh là dây quấn máy điện có thể là dâyquấn 2 pha, 3 pha Phía ngoài Stator có vỏ bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm,

hai đầu Stator có 2 nắp làm cùng vật liệu với vỏ và bắt chặt với vỏ Trên nắp máy

có lắp ổ trục để đỡ trục quay của Rotor

- Dây quấn Stator của động cơ bước nam châm vĩnh cửu là loại dây điện từ, có tiếtdiện hình tròn hoặc hình chữ nhật Dây quấn Stator được chia thành nhiều pha dâyquấn, mỗi pha có một tổ bối dây, mỗi tổ bối dây có W số vòng dây và được lồngvào cực từ của Stator

b Rotor

Rotor của động cơ bước có cấu tạo thường không có răng cực từ, được từ hóa vĩnhcửu vuông góc với trục và được lồng vào phía trong của Stator Cực từ của Rotor thường

là 2 hoặc 6 cực từ (N – S) xen kẽ nhau

1.3 Nguyên lý hoạt động và các chế độ hoạt động

a Nguyên lý hoạt động

Khác với động cơ đồng bộ bình thường, rotor của động cơ bước không có cuộn dâykhởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số Rotor của động cơ bước cóthể kích thích (rotor tích cực) hoặc không được kích thích (rotor thụ động) Động cơ bướckhông quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xácrất cao về mặt điều khiển Động cơ bước làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưacác tính hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quaycủa rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ của rotorphụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

b Các chế độ hoạt động

 Chế độ full step

Động cơ bước tiêu chuẩn có rotor 200 răng, hoặc 200 full step cho mỗi trục xoay củađộng cơ Chia 200 bước cho 360 sẽ được một góc full step 1,8 Thông thường, chế độ fullstep được thực hiện bằng cách tiếp điện theo thứ tự liên tiếp theo số chẵn cuộn dây hoặc

số lẻ cuộn dây, trong khi duy trì dòng thay đổi Về cơ bản mỗi đầu vào từ trình điều khiểntương đương một bước

 Chế độ half step

Half step đơn giản chỉ có nghĩa là động cơ quay ở 400 bước mỗi vòng Trong chế độ

này, một trong những cuộn dây được tiếp điện và sau đó hai cuộn dây được tiếp điện thayphiên (đây được cấp điện theo thứ tự số lẻ cuộn dây rồi tới số chẵn cuộn dây hoặc ngượclại), làm trục quay ở nửa khoảng cách hoặc 0,9.

2 tìm hiểu về Arduino

1.2.1 Arduino là gì ?

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các dự án điện

tử Arduino bao gồm cả bảng mạch lập trình (thường được gọi là vi điều khiển) và một phần mềm ( IDE ) được sử dụng để lập trình viết và tải mã máy tính lên bo mạch.

Nhờ sự đơn giản và dễ tiếp cận, Arduino đã được sử dụng trong hàng nghìn dự án

và ứng dụng khác nhau Phần mềm Arduino rất dễ sử dụng cho người mới bắt đầu, nhưng đủ linh hoạt cho người dùng nâng cao Không giống như hầu hết các bo mạch lập trình trước đây, Arduino không cần phần cứng riêng để tải mã mới lên bo mạch - bạn có thể chỉ cần sử dụng cáp USB

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit,… Hiện phần cứng của Arduino có tất

cả 6 phiên bản, Tuy nhiên phiên bản thường được sử dụng nhiều nhất là Arduino Uno và Arduino Mega.

1.2.2 Cấu tạo của Arduino

Có rất nhiều các phiên bản mạch Arduino khác nhau và chúng có thể được sử dụng với nhiều mục đích Nhưng hầu hết các mạch đều giống nhau về các thành phần

Hình 2.5 cấu tạo của Arduino.

1.  Nguồn (USB / Barrel Jack):

Mỗi mạch Arduino đều có cổng kết nối với nguồn điện Cụ thể trên đây mà mạch Arduino UNO có thể được lấy nguồn từ dây cáp USB từ máy tính của bạn, hoặc một số nguồn DC khác có Jack DC Trong hình trên nguồn kết nối qua cổng USB được dán nhãn (1) và Jack DC được dán nhãn (2).

Lưu ý: Tuyệt đối không được sử dụng nguồn lớn hơn 20V vì với nguồn điện áp này sẽ có thể phá hủy mạch Arduino của bạn Điện áp được các nhà sản xuất đề nghị cho hầu hết các bo mạch Arduino là từ 6 – 12V. 

2 Các chân (5V, 3.3V, GND, Digital, Analog, PWM, ISF)

Các chân trên là nguồn ra mà bạn có thể kết nối dây đầu ra với các tải hoặc một số mạch kết nối bên ngoài Với các loại Arduino sẽ có thể một số loại chân khác

nhau Ở mỗi chân đều được in các nhãn và ký tự để người sử dụng có thể phân biệt được. 

GND (3) : Viết tắt của ‘Ground’ là mass Có một số chân GND trên Arduino, bất

kỳ các chân GND trong số đó có thể được sử dụng để nối mass mạch của bạn.

5V (4) & 3.3V (5) : Chân 5V cung cấp năng lượng 5 volt và chân 3,3V cung cấp

3,3 volt Hầu hết các thành phần đơn giản được sử dụng với Arduino đều hoạt động bình thường ở mức 5 hoặc 3,3 volt.

Analog (6) : Các chân được dán nhãn ‘Analog In’ (A0 đến A5 trên UNO) là các

chân Analog In Các chân này có thể đọc tín hiệu từ các cảm biến tương tự (như cảm biến nhiệt độ ) và chuyển đổi nó thành một giá trị Digital mà chúng ta có thể đọc được.

Digital (7): Các chân Digital được dán nhãn từ 0 – 13 trên Arduino UNO, các chân

này có thể được sử dụng cho cả đầu vào digital nếu như là các nút nhấn và đầu ra digital nếu như cấp nguồn cho LED. 

PWM (8):  Bạn có thể nhìn thấy những dấu (~) nằm ở bên cạnh các chân 3, 5, 6, 9,

10 và 11 trên mạch Các chân này đều có chức năng hoạt động như các chân Digital thông thường, nhưng cũng có thể sử dụng để điều chế độ rộng xung PWM Bạn có thể hình dung các chân này có thể được sử dụng mô phỏng đầu ra tín hiệu Analog.

ISF (9): Được viết tắt của cụm từ Analog Reference, hầu hết chân này thường

không được sử dụng Đôi khi nó được sử dụng để có thể đặt điện áp tham chiếu trong khoảng từ 0 – 5V làm giới hạn cho các chân đầu vào Analog. 

2 Nút Reset (Reset Button)

Nút reset (10) có nhiệm vụ khởi động lại bất kỳ đoạn code nào được tải trên Arduino Điều này rất hữu ích nếu code của bạn không có vòng lặp nhưng bạn lại muốn kiểm tra chương trình đó nhiều lần

3 Đèn LED báo nguồn (Power LED Indicator)

Đèn báo được nắp ngay bên phải của chữ UNO, đó là một đèn LED nhỏ được dán nhãn ON (11). 

Đèn báo này có nhiệm vụ báo khi có nguồn cấp vào Arduino Trong một số trường hợp đèn không sáng thì chắc chắn có vấn đề xảy ra Bạn có thể kiểm tra lại dây cáp USB, nguồn cấp và cả mạch nữa. 

4 LED TX và RX (TX RX LEDs)

TX là LED hiển thị tín hiệu truyền đi và RX là hiển thị tín hiệu nhận về Những tín hiệu này xuất hiện khá nhiều trong các thiết bị điện tử để có thể chỉ ra những chân thực hiện nhiệm vụ truyền tải nối tiếp Trong trường hợp này, có 2 vị trí trên Arduino UNO là TX và RX (12).

Các LED này có nhiệm vụ thông báo cho người dùng bất cứ khi nào Arduino được nhận hoặc truyền dữ liệu đi Ví dụ như tải một chương trình lên thì đèn sẽ hiển thị. 

5 IC chủ (Main IC)

IC chủ là vị trí số 13 Đây được coi là bộ não của Arduino IC thường được sử dụng là dòng IC ATmega của công ty ATMEL sản xuất Việc nhận biết được IC chủ cũng là điều rất quan trọng, vì bạn cần biết mạch của bạn đang sử dụng IC nào

để bạn có thể nạp chương trình thích hợp từ phần mềm Arduino. 

Thông tin về tên của IC thường được tìm thấy ở phía mặt trên Nếu bạn muốn tìm hiểu sâu hơn về thông tin của IC bạn có thể đọc thêm tài liệu từ nhà sản xuất. 

6 Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Regulator)

Bộ điều chỉnh điện áp (14), không được sử dụng nhiều Nhiệm vụ của nó là điều chỉnh điện áp, kiểm soát nguồn điện áp đưa vào mạch Arduino.

Bạn hãy coi rằng nó giống như một người canh gác, nó sẽ làm biến mất những điện

áp phụ có thể gây tổn hại cho các linh kiện trong mạch Nhưng bạn cũng cần phải hết sức chú ý là bộ điều chỉnh điện áp này cũng có giới hạn của nó Vì vậy, tuyệt đối không nên kết nối mạch Arduino với nguồn điện DC lớn hơn 20V.