THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ BƯỚC HỆ THỐNG NHÚNG( LẤY CODE PIC + MẠCH MÔ PHỎNG PROTEUS+ VIDEO THUYẾT MINH LIÊN HỆ ZALO 0327697318)

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ BƯỚC HỆ THỐNG NHÚNG( LẤY CODE PIC + MẠCH MÔ PHỎNG PROTEUS+ VIDEO THUYẾT MINH LIÊN HỆ ZALO 0327697318)THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ BƯỚC HỆ THỐNG NHÚNG( LẤY CODE PIC + MẠCH MÔ PHỎNG PROTEUS+ VIDEO THUYẾT MINH LIÊN HỆ ZALO 0327697318)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

MSSV: K175520114105 SVTH2: CAO VĂN QUYẾT MSSV: K175520114042

Thái Nguyên - năm 2021

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

1 Đặt vấn đề 4

2 Mục đích đề tài 4

a Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

b Phương hướng thực hiện 5

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI 6

1 Tóm tắt đề tài 6

2 Sơ đồ khối 6

3 Chức năng của từng khối 7

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 8

1 Khối hiển thị 8

2 Khối Driver 9

3 Khối nguồn 13

4 Khối Xử Lý 13

5 Khối chấp hành (Động cơ bước) 15

6 Sơ đồ mạch nguyên lý 16

7 Code chương trình 18

8 Cách vận hành 24

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ khối 6

Hình 2: Màn hình LCD 16x2 8

Hình 3: IC L297 9

Hình 4: Thông số kỹ thuật IC L297 10

Hình 5: IC L298 11

Hình 6: Sơ đồ chân IC L298 12

Hình 7: Sơ đồ năng lượng sử dụng trong mạch 13

Hình 8: Động cơ bước đơn cực 15

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý mạch 16

Hình 10: PCB Mạch in 17

Hình 11: 3D mô phỏng 17

Hình 12: Lưu đồ thuật toán điều khiển 18

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1 Đặt vấn đề

Ngày nay kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kỹ thuật

và trong dân dụng Các vi điều khiển có khả năng xử lý những hoạt động phức tạp màchỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các mô hình điều khiển lớn và phức tạpbằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng Vi điều khiển không nhữnggóp phần vào kỹ thuật điều khiển mà còn góp phần to lớn vào việc phát triển thôngtin Chính vì các lý do trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi điều khiển là điều mà các sinhviên ngành điện mà đặc biệt là chuyên ngành kỹ thuật điện - điện tử phải hết sức quantâm Đó chính là một nhu cầu cần thiết với mỗi sinh viên, đề tài này được thực hiệnchính là đáp ứng nhu cầu đó

Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sửdụng đươc lại là một điều rất phức tạp Phần công việc xử lý chính vẫn phụ thuộc vàocon người, đó chính là chương trình hay phần mềm Nếu không có sự tham gia củacon người thì hệ thống vi điều khiển cũng chỉ là một vật vô tri Do vậy khi nói đến viđiều khiển cũng giống như máy tính bao gồm 2 phần là phần cứng và phần mềm Mặc

dù vi điều khiển đã đi được những bước dài như vậy nhưng để tiếp cận được với kỹthuật này không thể là một việc có được trong một sớm một chiều Để tìm hiểu bộ viđiều khiển một cách khoa học và mang lại hiệu quả cao làm nền tản cho việc xâmnhập vào những hệ thống tối tân hơn Việc trang bị những kiến thức về vi điều khiểncho sinh viên là hết sức cần thiết Xuất phát từ thực tiển này em đã đi đến quyết định

thực hiện đề tài Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước sử dụng PIC 16F877A

nhằm đáp ứng nhu cầu ham muốn học hỏi của bản thân và hiểu sâu hơn về vi điềukhiển PIC

2 Mục đích đề tài

Lập trình PIC 16F877A, thiết kế mạch điều khiển động cơ bước

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Xây dựng mạch điều khiển động cơ bước bước theo phương pháp sử dụng độ rộng xung., sử dụng PIC 16F877A là vi điều khiển trung tâm Dùng chương trình CCSlập trình C và biên dịch chương trình

Sử dụng khối nút nhấn gồm 6 nút để điều khiển trạng thái động cơ bước:

 2 nút để điều khiển động cơ quay thuận và quay nghịch

 2 nút để điều khiển động cơ tăng tốc hoặc giảm tốc.

 1 nút để điều khiển động cơ bước hoạt động ở chế độ full bước hay nửa bước

 1 phím Stop để dừng động cơ

Hiển thị tốc độ và trạng thái dùng màn hình LCD 16x2, lập trình ở chế

độ 4 bit (sử dụng 4 chân để nhận tín hiệu từ PIC)

Sử dụng hai kênh PWM của vi điều khiển PIC 16F877A thay đổi tần số để điều khiển tốc độ động cơ

Sử dụng IC L298 và IC L297 làm driver điều khiển

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI

1. Tóm tắt đề tài

a) Mục đích

Sử dụng vi điều khiển Pic 16f877A thiết kế mạch điều khiển động cơ bước

b) Yêu cầu

- Điều khiển động cơ bước quay thuận, quay ngược, tăng tốc, giảm tốc

- Hiển thị các thông số trạng thái lên màn hình LCD 16X2

- Mạch đơn giản, nhỏ gọn, dễ dàng thao tác, dễ dàng sử dụng

c) Chức năng

- Điều khiển động cơ bước ở hai chế độ làm việc là quay toàn bước và quaynửa bước

- Điều khiển động cơ bước có thể quay thuận và quay ngược

- Điều khiển động cơ bước có thể tăng tốc hoặc giảm tốc

- Hiển thị các trạng thái của động cơ lên màn hình LCD 16x2

Hình 1: Sơ đồ khối

3. Chức năng của từng khối

a) Khối nguồn: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống.Nguồn một chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ Vớicác động cơ có công suất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từnguồn xoay chiều

b) Khối hiển thị: Hiển thị các trạng thái và thông số trạng thái

c) Khối Driver: Có nhiệm vụ cấp nguồn điện đã được điều chỉnh để đưa vàođộng cơ Nó lấy điện từ nguồn cung cấp và xung điều khiển từ khối điềukhiển để tạo ra dòng điện cấp cho động cơ hoạt động

d) Khối xử lý: Đây là khối điều khiển logic Có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điềukhiển động cơ Khối logic này có thể là một nguồn xung, hoặc có thể là một

hệ thống mạch điện tử Nó tạo ra các xung điều khiển Động cơ bước có thểđiều khiển theo cả bước hoặc theo nửa bước

e)

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Thông số kĩ thuật của mà hình LCD 1602:

- Chân số 1 - VSS: chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điềukhiển.

- Chân số 2 - VDD: chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V củamạch điều khiển

- Chân số 3 - VE: điều chỉnh độ tương phản của LCD

- Chân số 4 - RS: chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1":

o Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ởchế độ “ghi”- write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ

o Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bêntrong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệuchân E

o Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiệncạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở busđến khi nào chân E xuống mức thấp

- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổithông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit(dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7)

- Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn nền

- Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn nền

2 Khối Driver

a) IC L297

Hình 3: IC L297.

L297 là IC điều khiển động cơ thường dùng trong các ứng dụng điện tử Nó

có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 pha củađộng cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ bước đơn cực

IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linh kiệnrời) trong ứng dụng điều khiển động cơ bước Các tín hiệu vào là xung clock, tínhiệu chiều quay, chế độ quay và xuất tín hiệu ra điều khiển phần công suất.Nguyên lý làm việc của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logicđơn giản thành thành tín hiệu điều khiển các pha động cơ phù hợp

Thông số kỹ thuật:

Hình 4: Thông số kỹ thuật IC L297

b) IC L298

Hình 5: IC L298

IC L298 là một trình điều khiển toàn cầu kép với điện áp cao, hiện tại được thiết

kế để tương thích với mức logic TTL và truyền động tải cảm ứng như rơle, solenoids,

DC vàđộng cơ bước. IC L298 đã tích hợp sẵn mạch cầu H, ứng dụng trong việc điềukhiển cùng lúc 2 động cơ theo chiều quay bất kì, kết hợp với điều xung PWM có thểđiều chỉnh tốc độ xoay của động cơ

IC điều khiển động cơ L298 thường dùng trong việc điều khiển các loại động cơ

 Dải điện áp hoạt động: +5 đến + 46V

 Điện áp cung cấp tối đa: 50V

 Điện áp đầu vào và kích hoạt tối đa: + 7V

 Dòng điện tối đa được phép rút qua mỗi đầu ra: 3A

 Đầu vào điều khiển TTL

 Tổng công suất tiêu tán: 25W

 Nhiệt độ hoạt động: -23 ° C đến 130 ° C

 Nhiệt độ bảo quản: -40 ° C đến 150 ° 

 Dòng điện: 3A

Nguyên lí hoạt động của các thành phần trên mạch:

Hình 6: Sơ đồ chân IC L298.

- OUT 1, OUT 2 là 2 đầu ra tương ứng khi kết nối động cơ 1

- OUT 3, OUT 4 là 2 đầu ra tương ứng khi kết nối động cơ 2

- Trên IC có các chân ENA, IN1, IN2, IN3, IN4, ENB với các chức năng điềukhiển tương ứng với 2 động cơ kết nối với 2 vị trí OUT 1,2 và OUT 3,4

- ENB: có chức năng điều khiển tốc độ động cơ khi kết nối vào 2 vị trí OUT 3,OUT 4

- ENA: có chức năng điều khiển tốc độ động cơ khi kết nối vào 2 vị trí OUT 1,OUT 2

- IN1, IN2, IN3, IN4: là chân kết nối tín hiệu với VĐK như Arduino, … để điềukhiển động cơ xoay

- Nguyên tắc hoạt động của IN1, IN2 và IN3, IN4 như sau: cấp tín hiệu vào IN1

và IN2 chênh lệch nhau, mức cao/thấp điều khiển động cơ dừng/quay (có 2 THcấp là: IN1 - cao và IN2 - thấp và IN1 - thấp và IN2 - cao) Cấp tín hiệu vàoIN1 = IN2 thì động cơ dừng quay Tương tự với cặp còn lại là IN3 và IN4 đềuhoạt động tương tự như vậy

3 Khối nguồn

Hình 7: Sơ đồ năng lượng sử dụng trong mạch

- Khối chấp hành sử dụng động cơ bước 42BYGH47-401A góc bước 1.8 độ với

P= 36 W

- Khối xử lý sử dụng vi điều khiển PIC 16f877a với mức điện áp 5 V

- Khối điều khiển sử dụng hai IC L297 với mức điện áp 5 V, và L298 với mứcđiện áp 5 V

- Khối hiển thị sử dụng LCD 16x2 với điện áp sử dụng là 5 V

 Qua đó nhóm chúng em lựa chọn sử dụng adapter 12V - 5A và IC ổn áp 7805

rời BJT hoặc vi mạch số nên mạch điện phức tạp, khó đạt được độ chính xác cao.Ngày nay việc sử dụng các vi mạch khả lập trình như vi xử lý trong các thiết bịđiều khiển trở thành một xu thế quan trọng, mang lại hiệu quả cao, tốc độ xử lýnhanh, độ chính xác cao, mạch phần cứng tinh gọn, giảm giá thành sản phẩm, hạnchế rủi ro

Nguyên tắc cơ ản của phương pháp điều khiển PWM là giữ nguyên giá trịđiện áp và thay đổi thời gian đặt điện áp vào động cơ Điều này có nghĩa, với tần

số đóng ngắt công tắc đủ lớn, thời gian cấp điện áp vào động cơ càng lâu thì điện

áp trung bình càng cao, ngược lại thời gian cấp điện vào động cơ ngắn điện áptrung bình giảm Như vậy, PWM là một kỹ thuật so sánh tỷ lệ phần trăm điện ápnguồn bằng cách đóng ngắt nhanh nguồn điện cấp vào động cơ tạo ra một tín hiệuxung, với độ rộng xung (thời gian cấp điện áp) xác định sẽ tạo ra một điện áp trungbình xác định

Vi điều khiển PIC16F877A có hỗ trợ kênh điều xung bằng phần cứng ở 2chân C1 (CCP2) và C2(CCP1) sử dụng TIMER2 Khi khai báo điều chế xungPWM ở một tần số và độ rộng xung cụ thể nào đó thì vi điều khiển sẽ thực hiệncông việc xuất xung một cách liên tục và tự động cho đến khi có sự thay đổi cácgiá trị độ rộng xung mới

Các hàm hỗ trợ tạo xung PWM trong CCS:

 setup_timer_2 (mode, period, postscale) // hàm thiết lập timer 2

- mode: T2_DIV_BY_1, T2_DIV_BY_4, T2_DIV_BY_16

 set_pwm1_duty(value) và set_pwm2_duty(value) // hàm thiết lập giá trị PWM

Nếu value là giá trị kiểu int 8 bit:

dut y cycle = value pariod+1

Nếu value là giá trị long int 16 bit:

dut y cycle = value∧1023

4.( pariod+1)

5 Khối chấp hành (Động cơ bước)

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khácbiệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơđồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rờirạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động củarôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Các thông số của động cơ gồm có: Bước góc, sai số bước góc, mômen kéo,mômen hãm, mômen làm việc Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó làmột hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi Điều này có được vìđộng cơ bước trong quá trình hoạt động không gây ra sai số tích lũy, sai số củađộng cơ do sai số trong khi chế tạo Việc sử dụng động cơ bước tuy đem lai độchính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến Vì công suất và độchính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện

Nguyên tắc điều khiển động cơ bước

Động cơ bước đơn cực, (có thể là động cơ vĩnh cửu hoặc động cơ hỗn hợp)

có 5,6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ dưới Khi dùng, các đầu nốitrung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗimấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi quận đó

Hình 8: Động cơ bước đơn cực

Tín hiệu điều khiển

- Điều khiển đủ bước (full step):

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý mạch

Hình 10: PCB Mạch in.

Hình 11: 3D mô phỏng

7 Code chương trình

Hình 12: Lưu đồ thuật toán điều khiển.

a) Code chương trình

#include <16f877a.h>

#use delay(clock=20M)

//pin LCD

#define LCD_ENABLE_PIN PIN_B2

#define LCD_RS_PIN PIN_B0

#define LCD_RW_PIN PIN_B1

#define LCD_DATA4 PIN_B4

#define LCD_DATA5 PIN_B5

#define LCD_DATA6 PIN_B6

#define LCD_DATA7 PIN_B7

a++; //Cứ 1 ms thì a sẽ tăng thêm 1 đơn vị

if(a==td){ //Kiểm tra a = nửa chu kì xung

output_toggle(PWM); //Chuyển mức xung

trang_thai=0; //đặt biến trạng thái =0

while(!input(stop)){} //chờ nhả nhút

}

- Hàm Setup ban đầu:

void setup(){//Hàm setup ban đầu

lcd_init(); //Khởi động LCD

//setup timer

setup_timer_0(T0_INTERNAL|T0_DIV_64|T0_8_BIT); //Bật chế độ đếmxung nội cho timer 0, độ chia 64, chế độ 8 bit

set_timer0(218); //Nạp giá trị cho timer

//Stop Step

output_bit(ENBLE,0); //Dừng động cơ

output_bit(DIR,1); //Chiều thuận

output_bit(HALF,1); //Quay nửa bước

output_bit(PWM,0); //Xung =0

}

- Hàm loop:

void loop(){

kiem_tra_nut(); //gọi hàm kiểm tra nút

if(trang_thai==0){ //nếu trạng thái bằng 0 thì hiển thị đoạn lệnh sau:

lcd_gotoxy(1,1); //Chọn vị trí bắt đầu hiển thị

lcd_putc("STOP");//Hiển thị nội dung

 Bước 1: Cấp nguồn cho mạch điện

 Bước 2: Nhấn nút “Chế độ” để chọn phương thức điều khiển nửa bước hay

đủ bước

 Bước 3:

o Nếu muốn động cơ quay theo chiều thuận thì nhấn nút “Quay thuận”.

o Nếu muốn động cơ quay theo chiều ngược thì nhấn nút “Quay

ngược”

 Bước 4: Chọn tốc độ động cơ bằng cách nhấn 2 nút tăng hoặc giảm tốc độ.

 Bước 5: Để dừng động cơ ta nhấn nút STOP

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Qua khảo sát trên mô phỏng trên phần mềm proteus cũng như thử nghiệm thực tế,mạch được thiết kế về cơ bản đáp ứng được các yêu cầu đề ra Có thể thực hiện điềukhiển động cơ bước sử dụng các nút chức năng điều khiển các chế độ và trạng tháihoạt động Mạch chạy ổn định, điều khiển đảo chiều quay và tốc độ tốt, đồng thời hiểnthị các thông số và trạng thái lên màn hình LCD 16x2 Mạch nhỏ gọn, hoạt động trơnchu, dễ dàng điều khiển dựa thông qua điều chế độ rộng xung để thay đổi tần số, dễdàng chế tạo với chi phí thấp Bên cạnh đó, trong quá trình tìm hiểu, xây dựng và thiết

kế mạch, chúng em đã được củng cố lại kiến thức đã học, hiểu biết thêm nhiều kiếnthức mới, nâng cao kỹ năng chuyên môn đồng thời tự đánh giá được năng lực bảnthân

Tuy nhiên, cùng với những gì đã đạt được, mạch vẫn còn một số hạn chế cần phảikhắc phục Ví dụ như, IC L298N và IC L297 hay bị nóng, tỏa nhiệt nhiều, tốc độ quaycòn chưa ổn định do điện áp mạch sử dụng nhiều cấp điện áp, và tốc độ đáp ứngchậm

Chúng em cũng xin đề suất một số biện pháp khắc phục điểm còn tồn tại phía trên như

sử dụng nhôm tản nhiệt để tiêu tán bớt lượng nhiệt phát sinh trong quá trình điềukhiển động cơ, sử dụng tụ lọc để ổn áp và giảm nhiễu

Do thời gian có hạn và kiến thức vẫn còn thiếu xót, sản phẩm vẫn còn rất nhiềuthiếu xót và hạn chế Qua đây em mong nhận được nhiều ý kiến phản hồi và góp ý, đểsản phẩm có thể hoàn thiện và có nhiều hướng phát triển hơn Chúng em xin chânthành cảm ơn!