ứng dụng dùng trong các hệ thống chỉ báo góc lái thuật toán và mô hình đề xuất cũng cho phép có thể áp dụng trên tàu thủy

Ngày nay công nghệ vi xử lý phát triển, với ưu điểm về tốc độ, độ chính xác, tính linh hoạt và ổn định, thì việc xây dựng một hệ thống chỉ báo góc lái bằng vi điều khiển hoàn toàn có thể

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ

rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo ở khoa Điện – Điện tử tàu biển, trường đại học Hàng Hải Việt Nam, đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô giáo của khoa đào tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện và khích lệ để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS LƯU KIM THÀNH của

khoa Điện – Điện tử trường đại học Hàng Hải đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin cảm ơn các Thầy giáo, các anh chị em phòng thí nghiệm, trường đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tác giả thực hiện thành công bản luận văn

Những lời cảm ơn chân thành tiếp theo xin được đến tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên, khuyến khích và chia sẻ khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học của mình

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ADC Analog digital converter PWM Pulse width modultion

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Thông số màn hình GLCD 240x128 26 2.3 Mô tả các chân GLCD 240x128 27

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái điện - cơ 5 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái điện – thủy lực 6

1.4 Sơ đồ cấu trúc của chế độ lái tự động 12 1.5 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lái tàu thủy 13 1.6 Các loại đồng hồ kim hiển thị góc bẻ lái 15 1.7 Các loại đồng hồ số hiển thị góc bẻ lái 16 2.1 Cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy 17 2.2 Thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở 18 2.3 Sơ đồ nguyên lí của thiết bị chỉ báo góc lái dùng xen xin 19

2.5 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho vi điều khiển 21

2.7 Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm 22 2.8 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của chíp ATmega16 23 2.9 Sơ đồ nguyên lý màn hình GLCD 240x128 25

2.14 Sơ đồ cầu điện trở Wheatstone của Ic HMC1501 29

2.16 Sơ đồ bố trí nam châm vĩnh cửu với HMC 1501 30

2.20 Sơ đồ nguyên lý của Module xây dựng trên phần mềm

3.5 Sơ đồ chân và hình ảnh của vi mạch MAX485 41 3.6 Sơ đồ kết nối các điểm đầu cuối sử dụng mạng RS485 41

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ v

PHẦN MỞ ĐẦU 1

2 Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài 1

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÍ CỦA HỆ THỐNG LÁI TRÊN TÀU THỦY 3

1.1 Chức năng, đặc điểm, phân loại, yêu cầu cơ bản đối với hệ thống lái Error! Bookmark not defined 1.2 Các chế độ hoạt động của hệ thống lái Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ THIẾT BỊ CHỈ BÁO GÓC LÁI TRÊN TÀU THỦY 16

2.1 Cấu trúc, chức năng và giới thiệu một số thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy. 16

2.1.1 Chức năng, cấu trúc thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy Error! Bookmark not defined 2.1.2 Giới thiệu một số thiết bị chỉ báo góc lái Error! Bookmark not defined 2.2 LỰA CHỌN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ THIẾT BỊ CHỈ BÁO GÓC LÁI TRÊN TÀU THỦY 16

2.2.1 Các tài nguyên sử dụng trong mô hình 17

2.3 Xây dựng module thiết bị chỉ báo góc lái Error! Bookmark not defined 2.3.1 Xây dựng mạch in 29

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO TIẾP

VỚI MÁY TÍNH CỦA MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHỈ BÁO GÓC LÁI 31

3.1 Xây dựng chương trình điều khiển cho thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy 31

3.1.1 Đề xuất lưu đồ thuật toán đo góc quay bánh lái tàu thủy 31

3.2 Xây dựng chương trình truyền, nhận dữ liệu 33

3.2.1 Đề xuất lưu đồ thuật toán truyền, nhận dữ liệu 33

3.2.2 Giới thiệu về chuẩn truyền thông RS 485 36

3.2.3 Hoạt động của thiết bị chỉ báo góc lái dùng vi điều khiển 38

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tàu thủy là một trong những phương tiện giao thông được dùng rộng rãi và

có lịch sử lâu đời nhất Tàu thủy có khả năng chở hàng hóa, hành khách với khối lượng lớn và độ tin cậy cao So với vận tải đường bộ và đường không thì vận tải bằng đường thủy có độ tin cậy cao và giá thành thấp hơn Một trong những hệ thống cơ bản của tàu thuỷ đó là hệ thống lái Hệ thống lái của tàu thuỷ giúp định hướng tàu theo hướng nhất dịnh hoặc thay đổi hướng đi theo ý muốn của người điều khiển Một hệ thống lái muốn kiểm soát được góc lái trong chế độ lái lặp hoặc lái tự động cần có một hệ thống chỉ báo góc lái với độ chính xác cao và tin cậy

Ngày nay công nghệ vi xử lý phát triển, với ưu điểm về tốc độ, độ chính xác, tính linh hoạt và ổn định, thì việc xây dựng một hệ thống chỉ báo góc lái bằng

vi điều khiển hoàn toàn có thể thực thi dưới dạng mô hình làm tiền đề cho việc phát triển thành các sản phẩm thương mại trên tàu thủy

2 Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy, ứng dụng xây dựng mô hình vật

lý của thiết bị chỉ báo góc lái dùng vi điều khiển

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu là thiết bị chỉ báo góc lái, cảm biến Hall, vi điều khiển AVR

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung nghiên cứu thiết bị chỉ báo góc lái, cảm biến Hall, vi điều khiển AVR, chuẩn truyền thông RS 485

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tìm hiểu hoạt động của các loại thiết bị chỉ báo góc lái, hoạt động của các loại cảm biến Tác giả đã kế thừa và phát triển kinh nghiệm của mình cho việc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho thiết bị cụ thể

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài đƣợc ứng dụng dùng trong các hệ thống chỉ báo góc lái Thuật toán và

mô hình đề xuất cũng cho phép có thể áp dụng trên tàu thủy

Đề tài cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến thiết bị chỉ báo góc lái, vi điều khiển AVR, chuẩn truyền thông RS 485

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ THIẾT BỊ CHỈ BÁO GÓC LÁI

TÀU THỦY

Hệ thống chỉ báo góc lái là một hệ thống riêng biệt so với hệ thống lái, hệ thống này chỉ thực hiện chức năng hiển thị góc lệch của bánh lái so với vị trí mặt phẳng đối xứng Theo qui định IMO thì trong mỗi hệ thống lái bắt buộc phải có hệ thống chỉ báo góc lái Hệ thống chỉ báo góc lái được yêu cầu lắp đặt tại các vị trí điều khiển hệ thống lái, và được đặt tại vị trí lái sự cố trong buồng máy lái

1.1 Chức năng, phân loại, yêu cầu cơ bản của hệ thống chỉ báo góc lái

1.1.1 Chức năng của hệ thống chỉ báo góc lái

Trong quá trình điều khiển tàu phải luôn luôn xác định và kiểm soát được vị trí của bánh lái Việc xác định vị trí bánh lái phải được thực hiện trên buồng lái Để phục

vụ cho việc điều khiển tàu vì khoảng cách từ buồng lái đến buồng máy lái phụ là

xa nên người ta sử dụng hệ thống chỉ báo góc lái Có hai hệ thống chỉ báo góc lái phổ biến là: Hệ thống chỉ báo góc lái sử dụng Xenxin, hệ thống chỉ báo góc lái sử dụng cầu điện trở

Thiết bị chỉ báo góc lái có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ bộ đo góc lái và hiển thị góc quay lái thực của bánh lái đến người điều khiển quan sát để điều khiển hướng

đi của tàu

1.1.2 Phân loại của hệ thống chỉ báo góc lái

Theo dạng hiển thị: Thiết bị chỉ báo góc lái trong thực tế thường gặp có 2 dạng là

dạng hiển thị tương tự (analog) và hiển thị dạng số (digital)

Dạng tương tự (analog) (hình 1.1) là dạng hiển thị ngay góc quay bằng các đồng hồ kim quay, không phải xử lí gì thêm về tín hiệu

Hình 1.1 Các loại đồng hồ kim hiển thị góc bẻ lái

Dạng số (digital) (hình 1.2 ) là dạng hiển thị góc quay bằng màn hình LCD hoặc led 7 đoạn

Hình 1.2 Các loại đồng hồ số hiển thị góc bẻ lái Theo loại cảm biến:

Chỉ báo góc lái loại dùng cầu điện trở

Chỉ báo góc lái loại dùng xenxin

Chỉ báo góc lái loại dùng động cơ bước

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống chỉ báo góc lái

Hoạt động tin cậy, chắc chắn

Độ chính xác cao

Thuận lợi, dễ sử dụng

1.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống chỉ báo góc lái

Sơ đồ khối của hệ thống chỉ báo góc lái trên tàu thủy đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống chỉ báo góc lái tàu thủy

Cấu trúc của hệ thống chỉ báo góc lái bao gồm:

Khối nguồn đồng bộ dùng để cấp nguồn cho khối phát và khối thu của hệ thống

Khối phát đƣợc nối với bánh lái dùng để phản ánh góc quay của bánh lái và gửi tín hiệu góc quay thực của bánh lái tới khối thu

Khối thu trong hệ thống thực hiện chức năng nhận tín hiệu từ khối phát sau

đó tiến hành biến đổi, sau đó thực hiện truyền đến các đồng hồ để thực hiện chỉ báo

Khối chỉ báo thực hiện chức năng hiển thị góc lệch của bánh lái so với vị trí mặt phẳng đối xứng Khối chỉ báo này đƣợc gắn ở nhiều vị trí khác nhau trên tàu

Trong thực tế sơ đồ cấu trúc của một hệ thống chỉ báo góc lái đƣợc thực hiện nhƣ hình 1.4

Thu

chỉ báo

nguồn đồng bộ

Phát Bánh lái

chỉ báo

O

Hình 1.4 Cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy

Trong cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái hình 2.1 bao gồm một khối phát tín hiệu góc quay thực của bánh lái Bộ phát này lấy tín hiệu góc quay thực của bánh lái sau đó thực hiện biến đổi thành tín hiệu điện sau đó gửi tới các thiết bị thu (đồng hồ chỉ báo) để hiển thị, các đồng hồ chỉ báo góc lái được đặt tại trung tâm buồng lái và hai bên cánh gà trái, cánh gà phải Để thực hiện lấy tín hiệu góc quay thực của bánh lái trong thực tế ta có thể thực hiện bằng: biến trở, xen xin hoặc dùng động cơ bước, cảm biến đo góc dựa theo sự thay đổi của từ trường (cảm biến Hall)…

Các đồng hồ chỉ báo góc lái được đặt tại nhiều vị trí trên tàu như: đặt tại buồng lái, buồng điều khiển trung tâm, buồng thuyền trưởng, buồng máy lái…tất

cả các đồng hồ và bộ phát tín hiệu phải được cấp nguồn từ nguồn đồng bộ

1.3 Giới thiệu nguyên lý làm việc của thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở,

Hình 1 5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống chỉ báo góc lái

Bộ đo góc lái là mạch điện có nhiệm vụ đo góc bẻ lái và biến đổi thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện có thể đo và xử lí được Tín hiệu này được gia công thành các dạng chuẩn để đưa đến bộ chỉ thị góc lái hiển thị cho người điều khiển biết Để đo góc bẻ lái có thể dùng các loại cảm biến như: cảm biến điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến dựa theo nguyên lí thay đổi

từ trường, cảm biến xenxin…

1.3.1 Thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở

Thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở [1] có sơ đồ nguyên lý như hình 1.6

Hình 1.6 Thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở

Thiết bị bao gồm một biến trở đƣợc cấp nguồn một chiều, con chạy của biến trở đƣợc gắn cơ khí với bánh lái Khi bánh lái quay sang trái hoặc sang phải sẽ làm cho con chạy a dịch chuyển sang trái hoặc sang phải, khi con chạy a dịch chuyển

sẽ làm cho ∆Uaa’ (điện thế giữa a và a’) thay đổi cả về dấu và trị số Khi đó đồng

hồ sẽ chỉ theo chiều trái hoặc chiều phải Trong hệ thống này đồng hộ đƣợc sử dụng là đồng hồ chỉ điện áp nhƣng trên mặt đồng hồ ta tiến hành khắc vạch chia độ

để hiển thị góc lệch của bánh lái

1.3.2 Thiết bị chỉ báo góc lái dùng xen xin

Thiết bị chỉ báo góc lái dùng xen xin ở chế độ chỉ báo [1] đƣợc thể hiện nhƣ hình

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lí của thiết bị chỉ báo góc lái dùng xen xin

Thiết bị gồm nhiều xen xin, trong đó có 1 xen xin phát và có thể có hai hay nhiều xen xin thu Xen xin phát có trục rotor được gắn cơ khí với bánh lái, khi bánh lái quay sẽ làm cho trục rotor xenxin phát quay, trục của rotor xen xin thu được gắn vào một mặt đồng hồ được khắc vạch chia độ và bên trên được gắn kim

để thực hiện chỉ báo góc quay bánh lái

Các cuộn dây một pha của các xen xin được nối với nhau và cấp bằng 1 nguồn đồng bộ xoay chiều U, các cuộn ba pha của các xen xin cũng được nối với nhau

Nguyên lý làm việc:

Khi bánh lái ở vị trí 0 tức rotoe xen xin phát lúc này ở vị trí 0 thì rotor của xen xin thu chỉ 0 Khi đó cuộn dây một pha cảm ứng sang stato những giá trị suất điện động EF, ET như nhau làm cho từ thông 1 pha và từ thông 3 pha tác động lẫn nhau tạo Mq = 0.Tức là khi 2 rôto của XX ở vị trí O (là vị trí cân bằng) thì sự chênh giữa các cuộn 3 pha của xen xin phát và các xen xin thu ΔE=0

Nếu rôto xen xin phát lệch 1 góc δ thì xuất hiện ΔE = EF = ET làm cho từ thông

1 pha sinh ra trên các cuộn 1 pha sẽ tương tác với từ thông 3 pha của các cuộn 3 pha sinh ra momen quay Mq , Mq sẽ làm cho rotor xen xin thu quay Rotor xen xin

thu sẽ quay 1 góc δ’ đúng bằng góc δ của xen xin phát, khi đó ET = EF →ΔE=0→

Mq=0

1.4 Giới thiệu một số hệ thống chỉ báo góc lái điển hình

1.4.1 Hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani

Hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani bao gồm một bộ phát tín hiệu góc quay bánh lái và một thu Bộ phát được gắn cơ khí với bánh lái thông qua cơ cấu đòn bẩy Thông qua cơ cấu đòn bẩy bộ phát sẽ được quay cùng hướng với bánh lái, khi đó cơ cấu quay trong bộ phát sẽ được quay với góc quay tương ứng của bánh lái, và nó cũng thực hiện làm quay cơ cấu quay trong khối thu đồng bộ về góc với khối phát

Cấu trúc của hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani như hình 1.8

Hình 1.8 Hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani

Hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani có các thông số kĩ thuật nhƣ sau:

Điện áp nguồn cấp: 100/110V, 200/220V, 50/60Hz, 1ø

Công suất: 25VA

Tín hiệu vào: Tín hiệu đồng bộ xoay chiều

Tín hiệu đầu ra:

Tín hiệu áp: 0 đến +5V, +1V đến +5V, 0 đến +10V, 5V đến +5V, 10V đến +10V

-Tín hiệu dòng: 4 đến 20mA

Hỗ trợ chuẩn truyền thông RS – 422S

1.4.2 Hệ thống chỉ báo góc lái ST60 hãng RAYMARINE

Hệ thống chỉ báo góc lái ST60 đƣợc chế tạo để có thể công tác trong mọi điều kiện thời tiết, ST60 đƣợc trang bị một màn hình Analog (hình 1.9) có độ nhạy và độ ổn định rất cao để cung cấp thông tin về góc quay bánh lái một cách chính xác nhất trong mọi điều kiện thời tiết, trạng thái mặt biển…

Hình 1.9 Màn hình hiển thị dạng analog của hệ thống ST60

ST60 có thể đƣợc sử dụng hoặc là một thiết bị hoạt động độc lập hoặc nhƣ

Hệ thống ST60 chỉ được kết nối với bánh lái để thực hiện hiển thị góc quay bánh lái hoặc cũng có thể được dùng để cung cấp thông tin cho các thiết bị khác trong hệ thống lái

Hệ thống chỉ báo góc lái chỉ vị trí thực của bánh lái bằng cách hiển thị thông tin lên màn hình hiển thị, thang đo của hệ thống là từ - 400 đến + 400

Sơ đồ kết nối các đồng hồ của ST60 được thể hiện như hình 1.10 Khi kết nối các thiết bị cân lưu ý đảm bảo được điện áp nguồn là 12VDC và nguồn này được bảo vệ bằng cầu chì 5A

Hình 1.10 Sơ đồ kết nối các đồng hồ của ST60

Thông số kĩ thuật của hệ thống ST60 như sau:

Điện áp nguồn cấp: 12VDC

Dải đo: -40 đến 400

1.4.3 Thiết bị chỉ báo góc lái RI 35 hãng SIMRAD

Thiết bị chỉ báo góc lái RI 35 (hình 1.11) được thiết kế để làm việc với tín hiệu áp hoặc tần số được tạo ra bởi thiết bị phản hồi của hệ thống lái tự động

Thiết bị tương thích với tín hiệu goc quay bánh lái NMEA Bên trong mỗi thiết bị được gắn một khối dùng để biến đổi tín hiệu và một khối dùng để hiển thị

Nó cũng cấp liên tục vị trí thực của bánh lái, góc chỉ tối đa có thể lên đến 450

Hình 1.11 Thiết bị chỉ báo góc lái RI35 hãng SIMRAD

Các thiết bị RI35 có thể tương thích với các tín hiệu điện áp hoặc tần số được phát ra từ các khối phản hồi góc bánh lái Sơ đồ kết nối giữa các thiết bị RI35 với nhau và với khối phản hồi góc bẻ lái được thể hiện như hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ ghép nối các thiết bị RI35 với tín hiệu vào là tín hiệu áp/ tần số

đƣợc sử dụng với một thiết bị phản hồi góc quay bánh lái xuất dữ liệu NMEA (RSA), 20Hz

Hình 1.13 Ghép nối các thiết bị RI 35 với nhau và với thiết bị phản hồ góc quay

bánh lái qua cổng NMEA

1.4.4 Thiết bị chỉ báo góc lái hãng SEAFIRST

Thiết bị chỉ báo góc lái Seafirst (hình 1.14) bao gồm cảm biến góc, hộp phân phối và thiết bị chỉ báo góc lái

Hình 1.14 Hệ thống chỉ báo góc lái hãng SeaFirst

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT XÂY DỰNG CẤU HÌNH THIẾT BỊ

CHỈ BÁO GÓC LÁI TRÊN TÀU THỦY

Trong nội dung luận văn tác giả tiên hành lựa chọn và xây dựng mô hình vật

lý của thiết bị chỉ báo góc lái trên tàu thủy sử dụng cảm biến đo góc dựa theo sự thay đổi của từ trường (cảm biến Hall), góc bánh lái sẽ được hiển thị trên các màn hình GLCD của mô hình và được hiển thị trên máy tính thông qua truyền thông RS

485

2.1 Đề xuất sơ đồ cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái

Sơ đồ cấu trúc chung của mô hình được thể hiện như hình 2.1

Khối điều khiển

Khối nguồn

Bánh lái Transmiter

Khối hiển thị

Tín hiệu góc quay bánh lái đƣợc đƣa về vi điều khiển thông qua cảm biến Hall, khi có tín hiệu đƣa về vi điều khiển thực hiện tính toán góc quay thực của bánh lái sau đo thực hiện hiển thị lên trên khối hiển thị, đồng thời cũng gửi tín hiệu góc quay của bánh lái đến hiển thị trên các khối hiển thị khác và trên máy tính

Mô hình vật lý thiết bị chỉ báo góc lái đƣợc xây dựng nhƣ hình 2.4

Hình 2.2 Mô hình hệ thống chỉ báo góc lái

Trong đó:

1: Khối trung tâm xử lí tín hiệu và màn hình GLCD

2: Cảm biến đo góc (cảm biến Hall đƣợc gắn trong 2)

Hình 2.3 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho vi điều khiển

Với mạch nguồn thiết kế như hình vẽ 2.5 đầu vào của nguồn có thể là điện áp xoay chiều từ 12V đến 24V, đầu ra ta có mức điện áp một chiều ổn định là 5V cấp cho vi điều khiển

Trong mạch nguồn đã thiết kế sử dụng một số linh kiện bán dẫn:

Đi ốt D1 có tác dụng chống ngược nguồn cấp vào module

C1, C2, C3, C4, L1 tạo thành mạch lọc thông thấp, loại bỏ các thành phần nhiễu đầu vào

C6, C7, C8, C9, C10, C11, L2 tạo thành mạch lọc đầu ra duy trì điện áp ổn định

LM7805: IC ổn áp, duy trì điện áp ổn định ở 5V ± 5%,

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx - 79xx, với xx là điện áp cần ổn áp Ví

dụ 7805 ổn áp 5V,7808 ổn áp 8V, 7812 ổn áp 12V hay ổn áp điện áp âm có 7905

ổn áp điện áp -5V,7912 ổn áp -12V Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau hay đối với 79xx cũng tương tự, dưới đây là minh họa cho IC ổn áp 7805

Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện áp đầu ra nhứ 5V, 6V

Hình 2.4 là một IC ổn áp họ 78xx

Hình 2.4 IC ổn áp họ 78xx

2.2.2 Khối xử lý trung tâm

Để thực hiện chức năng lưu trữ chương trình điều khiển và giao tiếp trực tiếp với các modul mở rộng, với máy tính, với “thế giới thực”, hoặc gián tiếp qua mạng với các modul mở rộng, đồng thời cho phép lưu trữ trạng thái hoạt động của các động cơ thực hiện khi nguồn động lực bị mất Ở hệ thống này vi điều khiển

AVR Atmega16L là trung tâm điều khiển [3],[8], nó thu thập dữ liệu nhận được từ

các đối tượng, xử lý tín hiệu theo chương trình đã được lập trình, và xuất tín hiệu

ra điều khiển đối tượng và hiển thị các trạng thái của đối tượng Do đó thuật toán thực hiện và điều khiển đối tượng có thể được thay đổi một cách mềm dẻo bằng phần mềm Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm như hình vẽ 2.7

DATA_IN1 DATA_IN3 L1

DATA_IN5 L2

DATA_IN6 L3

DATA_IN15 L4

DATA_IN14 L5

DATA_IN12 SCK

DATA_IN11 RXD

DATA_IN9 TXD

U2

ATMega16L

PB0 (XCK/T0) 1

PB1 (T1) 2 PB2(INT2/AIN0) 3

PB3(OC0/AIN1) 4

PB4(SS) 5 PB5(MOSI) 6 PB6(MISO) 7 PB7(SCK) 8 RESET 9 VCC 10 GND 11 XTAL2 12 XTAL1 13 PD0 (RXD) 14 PD1 (TXD) 15 PD2 (INT0) 16

PD3 (INT1) 17

PD4 (OC1B) 18

PD5 (OC1A) 19

PD6 (ICP1) 20

(OC2) PD7 21(SCL) PC0 22(SDA) PC1 23(TCK) PC2 24(TMS) PC3 25(TDO) PC4 26(TDI) PC5 27(TOSC1) PC6 28(TOSC2) PC7 29AVCC 30GND1 31AVEF 32

(ADC0) PA0 40(ADC1) PA1 39(ADC2) PA2 38(ADC3) PA3 37(ADC4) PA4 36(ADC5) PA5 35(ADC6) PA6 34(ADC7) PA7 33

DATA_IN8 XTAL2

OUT2 XTAL1

OUT1 DIR

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm

AVR là họ vi điều khiển do hãng Amtel ( Mỹ ) sản xuất Là chip vi điều khiển

8 bit với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa RISC (Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí, với những tính năng rất mạnh, nó mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, Pisoc Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới

đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051, 89xx sẽ có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và rất tiện lợi

Chip AVR được sử dụng trong module là dùng loại Atmega16L, Atmega16L đóng gói dưới dạng 40chân, 2hàng Sơ đồ chân như hình 2.5

Hình 2.6 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của chíp ATmega16

So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn

cả trong tính sử dụng ( dễ sử dụng ) và đặc biệt là các chức năng :

Ngoài ra, họ AVR còn có một số tính năng :

Giao diện SPI đồng bộ;

Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được;

Giao tiếp I2C;

Bộ biến đổi ADC 10 bit;

Các kênh băm xung PWM;

Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by vv;

Một bộ định thời Watchdog;

3 bộ Timer/Counter 8 bit;

1 bộ Timer/Counter 16 bit;

Bộ nhớ flash được tích hợp ngay trên chip có khả năng lập trình ngay trên hệ thống được sử dụng làm bộ nhớ chương trình Điều này có nghĩa là ta không cần phải dùng đến các bộ nhớ EEPROM hoặc ROM bên ngoài để chứa mã chương trình Hơn nữa bộ nhớ chương trình có thể nạp được chương trình trong khi bộ vi

xử lý vẫn ở nguyên trên bản mạch, không cần nhấc ra ngoài để nạp

Bộ nhớ dữ liệu ngay trên chip loại EEPROM và RAM có trong hầu hết các thành viên của họ AVR Đơn vị CPU có kiến trúc Harvard, còn có các bộ nhớ EEPROM và RAM được nhìn nhận như là bộ nhớ dữ liệu và được dùng để cất giữ các hằng và biến

Hoạt động với xung giữ nhịp có tần số từ 0 đến 10 MHz Hầu hết lệnh được thực hiện trong 1 chu kì đồng hồ làm cho tốc độ xử lý lớn hơn khoảng 10 lần so với 8501 ở cùng tần số của đồng hồ giữ nhịp Có mạch đặt lại trạng thái mỗi khi cấp lại nguồn điện cho hệ thống

Có bộ định thời ngày trên chip và lập trình được với mạch chia tần số tách biệt

Bộ định thời này được sử dụng cho các ứng dụng cần có sự phân định thời gian của các sự kiện

Có các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài Có bộ định thời watchdog ngay trên chip và lập trình được với bộ dao động độc lập

2.2.3 Khối hiển thị

Để thực hiện chức năng hiển thị góc quay thực của bánh lái trong mô hình tác giả lựa chọn màn hình GLCD 240x128 [10],[11], sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị GLCD được thể hiện như hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý màn hình GLCD 240x128

Graphic LCD (gọi tắt là GLCD) loại chấm không màu là các loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ, số hoặc hình ảnh Khác với Text LCD, GLCD không được chia thành các ô để hiển thị các mã ASCII vì GLCD không có

bộ nhớ CGRAM (Character Generation RAM) GLCD 240x128 có 240 cột và 128 hàng tương ứng có 240x128=30720 chấm (dot) Mỗi chấm tương ứng với 1 bit dữ liệu, và như thế cần 30720 bits hay 3840 bytes RAM để chứa dữ liệu hiển thị đầy mỗi 240x128 GLCD Tùy theo loại chip điều khiển, nguyên lý hoạt động của GLCD có thể khác nhau, trong đồ án này em dùng loại GLCD 240x128 chấm, không màu được điều khiển bởi chip T6963C của TOSHIBA

Thông số kĩ thuật của GLCD 240x128

Các thông số của màn hình GLCD 240x128 được thể hiện như bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số màn hình GLCD 240x128

Khi thực hiện xây dựng phần cứng với màn hình GLCD ta cần lưu ý đến thứ

tự và sơ đồ chân của màn hình (hình 2.9), sơ đồ chân của màn hình GLCD được thể hiện như hình 2.11 và bảng 2.2

Hình 2.9 Sơ đồ chân GLCD 240x128

Chức năng của các chân của màn hình GLCD được mô tả như bảng 2.2