ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
KHOA TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU NÂNG HẠ VẬT
BẰNG TỪ TRƯỜNG

Hà Nội, năm 2023
1


MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................2
A. Giới thiệu công nghệ nâng hạ vật bằng từ trường. ........................................3
1.Giới thiệu .........................................................................................................3
2. Tàu đệm từ. .....................................................................................................3
3. Ổ bi từ. ............................................................................................................4
4.Tìm hiểu các sản phẩm phục vụ hiện đang có mặt trên thị trường. ................5
5. Tính năng. .......................................................................................................5
B. Thiết kế sơ bộ........................................................................................................6
1. Yêu cầu............................................................................................................6
2. Ý tưởng thiết kế thiết bị...................................................................................7
 Tính năng kĩ thuật:.............................................................................................8
C. Thiết kế phần cứng...............................................................................................8
1. Ý Tưởng Thiết Kế Mạch Điện:.......................................................................8
2. Thiết kế phần cứng..........................................................................................9
2.1. DI...........................................................................................................9
2.2. DO........................................................................................................12
2.3. AI.........................................................................................................14

2.4. AO........................................................................................................17
2.5. Cảm biến..............................................................................................20
2.6. LCD......................................................................................................20
2.7. Ma trận phím 4x4.................................................................................21
2.8. Khối nguồn...........................................................................................22
2.9. Vi điều khiển........................................................................................23
D. Thiết kế phần mềm.............................................................................................23
1. Sơ đồ giao diện người dùng..........................................................................24
2. Sơ đồ trạng thái điều khiển............................................................................25
3.Phần lập trình cho vi điều khiển stm32f103c8t6............................................26

2


A. Giới thiệu công nghệ nâng hạ vật bằng từ trường. 
1.Giới thiệu 
Hệ thống nâng hạ vật bằng từ trường ( tên tiếng Anh là: Magnetic leviation
system) có nhiều ứng dụng trong thực tế với yêu điểm là giảm được ma sát. Các hệ
thống này được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, giao thông vận tải; đặc
biệt là sử dụng công nghệ chế tạo tàu đệm từ trường, các ổ bi từ, trong công nghệ
chế tạo loa, … Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu hiện nay. 
 
 

2. Tàu đệm từ. 
Hiện nay tại Nhật Bản họ đã phát triển hệ thống tàu điện sử dụng đệm từ trường,
đệm từ trường giúp cho tốc độ của tàu được tăng lên vì đệm từ trường hạn chế ma
sát giữa tàu và vật khác, với đệm từ trường nâng tàu lợ lửng trên khơng khí dẫn
đến chỉ cịn mỗi ma sát giữa tầu và khơng khí là làm giảm tốc độ của tàu. Nhờ có
đệm từ trường mà tốc độ của tầu điện có thể 499Km/h ) và chạy êm hơn, phát ra ít

tiếng động hơn tàu bánh xe bình thường. Sử dụng đệm từ trường ta không phải
quan tâm đến vấn đề bánh xe và thời tiết để tàu hoạt động, ngồi ra đệm từ trường
cịn giảm tốc và điều khiển được tốt hơn so với tàu bánh xe thông thường.

3


 

3. Ổ bi từ. 

Các hệ thống và vòng bi từ tính lý tưởng dùng cho những ứng dụng địi hỏi tốc độ
cao và độ rung động thấp. Khơng có tiếp xúc vật lý, nên không cần bôi trơn, sửa chữa
hoặc thay vòng bi. Mức tiêu thụ điện thấp, quản lý chủ động, tái định vị và quản lý độ
rung động tích hợp sẵn cũng là những lợi ích của các hệ thống và vịng bi từ tính.

4


 

4.Tìm hiểu các sản phẩm phục vụ hiện đang có mặt trên thị trường. 
-Cảm biến: Tìm hiểu các loại cảm biến xác định vị trí, đo khoảng cách có mặt trên
thị trường. Trong khuôn khổ đề tài ta sử dụng cảm biến siêu âm SRF04.
- Nam châm điện: là các cuộn sắt từ có điện cảm 15mH và có điện trở 2 omh. 
- Quả cầu sắt: nặng 0.2kg 

5. Tính năng. 
+ Sử dụng nam châm điện hình chữ I, thay đổi dịng điện vào cuộn dây dẫn đến
thay đổi cảm ứng từ -> thay đổi lực từ tác động lên vật -> thay đổi vị trị của vật. 

+ Vị trí của của cầu được đo bởi cảm biến siêu âm HC-SR04 và đưa lại bộ điều
khiển. 
+ Lực điện tác dụng lên quả cầu có hướng đi lên, khi cân bằng, lực điện cân bằng
với trọng lượng của quả cầu. 
+Có các nút để nhập đầu vào theo khoảng cách được hiển thị trên màn hình LCD
(sử dụng ma trận Keypad 4x4).
+ Có nút reset để đặt lại vị trí cho vật, trong khi đặt lại vị trí thì dịng điện đi qua
nam châm sẽ được delay khoảng 15s và thay đổi từ từ sau khi ấn RESET. 

B. Thiết kế sơ bộ
1. Yêu cầu
Để thiết kế được một hệ thống đệm từ trường trước tiên ta phải có 2 phần từ.
5


- Nam châm vĩnh cửu: Ta sẽ gắn vật cần lơ lửng lên nam châm vĩnh cửu nhờ lực
hút giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu sẽ làm cho vật đó lơ lửng theo.

- Nam châm điện: Nam châm điện là phần tạo ra từ trường và tạo ra một lực hút
tác động vào nam chạm vĩnh cửu, giữ cho vật cần lợ lừng không bị rơi.

Ta cho nam châm điện và nam châm vĩnh cửu tương tác với nhau

6


2. Ý tưởng thiết kế thiết bị
Bao gồm :
-Khối Nam Châm Điện + Sensor đặt trên cùng có tác dụng tạo lực hút và xác
định vị trí của nam châm vĩnh cửu.

-Nam châm vĩnh cửu được gắn trực tiếp vào vật cần Lơ Lửng.
-Mạch điều khiển cho toàn bộ hệ thống được đặt bên dưới cùng, vừa hạn chế ảnh
hưởng của từ trường tới mạch, vừa tận dụng làm đế cho hệ thống

 Tính năng kĩ thuật:
Các đầu vào:
 2 cổng DI: 24V
 1 cổng DI dung để nhận tín hiệu từ cảm biến
 4 cổng AI: 2 loại 4-20mA, 2 loại 0-10V
Các đầu ra:
 2 cổng DO: 24V
 2 cổng AO: 1 loại 0-10V, 1 loại 2-20mA
Giao diện người dùng:
7


 Hiển thị trên màn hình LCD giá trị thực, giá trị đặt và các giao diện cài đặt.
 16 nút bấm

C. Thiết kế phần cứng
Yêu Cầu Của Hệ Thống Là:
-Vật cần lơ lửng phải đứng yên, lơ lửng trên không mà không căng giữ bằng một
vật hoặc dây nào.
- Nam châm điện và nam châm vĩnh cửu có một khoảng cách gần như không đổi.

1. Ý Tưởng Thiết Kế Mạch Điện:
- Khối ma trận nút nhấn Keypad 4x4: nhập dữ liệu khoảng cách đầu vào từ vật tới
cảm biến(ở đây cảm biến được đặt sát với đầu dưới của nam châm điện).
-Khối cảm biến siêu âm: HC-SR04 đọc vị trí của vật dựa vào cách tính khoảng thời
gian truyền đi và nhận phản hồi: s = t/2*v; v là vận tốc siêu âm.

- Khối LCD đọc giá trị nhập vào của Keypad ở dòng thứ nhất và hiển thị giá trị
thực của vật ở dòng thứ 2.
- Khối khuếch đại dòng: do dòng điện đầu ra của vi điều khiển tương đối thấp nên
để đảm bảo đủ điều kiện nâng vật thì cần dịng điện đủ lớn.
- Mặt khác các khối AI,AO,DI,DO đảm bảo cho vi điều khiển tránh sự nhiễu loạn
đột ngột do sự thay đổi của các khối bên ngoài.

8


-

2. Thiết kế phần cứng
2.1. DI
a) yêu cầu
- Đầu vào mức cao 10-36V, mức thấp 0V
- Bảo vệ điện áp đầu vào, bảo vệ tĩnh điện ESD
- Cách li với bộ điều khiển
b) phương án sử dụng
-Sử dụng Opto-coupler PC817 để cách ly đầu vào số với vi điều khiển. Khi đầu
vào mức cao có dải rộng (10-36 VDC), để đảm bảo yêu cầu về mức logic, ta cần
một mạch phân áp và so sánh ở trước nhằm cố định đầu vào.
-Sử dụng OPAM giúp có thể thay đổi được Dead-band của mạch Trigger-Smith.
Lựa chọn OPAM LM324.
9


-Bảo vệ điện áp cao và thấp đầu vào bằng diode SMAJ40CA.
c) Sơ đồ thiết kế


d) Lựạ chọn linh kiện chính
Diode TVS:
Dùng để bảo vệ mạch chống các xung điện áp cao từ quá trình quá độ hay xả tĩnh
điện. Diode TVS được lựa chọn dựa trên điện áp làm việc, điện áp đánh thủng.
Điện áp vào max là 36V nên phải chọn diode có điện áp làm việc >36V
Chọn Diode SMAJ40CA có thơng số:
+Điện áp làm việc: 40V
+Điện áp đánh thủng: 49,1V

Diode bảo vệ điện áp đầu vào:
Bảo vệ áp cao: Khi điện áp vào chân không đảo của OPAM lớn hơn 12.6V
=> D 5 ≥ 0.6 V => D5dẫn.
→Điện áp vào OPAM lớn nhất là: 12.6V.
Bảo vệ áp thấp: Khi điện áp vào nhỏ hơn -0.6V
=> D 5 ≥0.6 V => D5 dẫn
→Điện áp vào OPAM thấp nhất là: -0.6V.
Vậy chọn Diode 1N4005 có: VRSM: 400V, IR: 5µA
Điện trở mạch phân áp

10


Do điện áp mức logic cao đầu vào mạch phân áp có dải rộng 10-36V nên ta chọn
điện trở sao cho điện áp đặt vào OPAM lớn nhất là 10V.
V P=

R7
V =10 V
R8 + R7 DI


V DI =10 ÷ 36V →

R7
10
≤
R 8 + R7 36

¿> R 8 ≥ 2.6 R7

Chọn R8 =27 kΩ và R7 =10 kΩ.
Điện trở mạch so sánh
Điệp áp nguồn cấp cho OpAmp là 12V
V

R

CC
15
Chọn ∆ V ≈ 10 =1.2V → R + R ≈ 0.1
15
1

Chọn R15=47 kΩ, R1=470 kΩ .
Mà điện áp DI vào bằng 10 V thì đầu ra của mạch so sánh vẫn phải lên mức cao.
Ta có:
V DI =10 V → V P=
→ V N < 2.7V →

V ref =5 V →
→


R7
V =2,7 V
R 8 + R7 DI

R9
V <2.7 V
R 8+ R 9 ref

R9
.5<2,7 V
R8 + R 9

R9
<1,17
R8

Chọn R8 =R 9=100 kΩ .
Điện trở cho PC817, Led, vi điều khiển
Với mạch so sánh có V P >V N → V o=+V CC−1.5 V =10.5 V
V P
Khi đầu vào tích cực cao Vo = 10.5V,
I LED =

V CC−V LED
và V LED=1.8 ÷ 2.5 V .
R17

Để I LED =9 ÷ 15 mA thì

11


9 mA ≤ I LED =

Vcc−V LED
≤ 15 mA →580 ≤ R 8 ≤ 889 Ω .Chọn điện trở R17 = 820 Ω.
R17

V o =10.5V , khi đó: I F =

V CC−V F
và V F=1.2 ÷ 1.4 V .
R16

Để I F = 10 ÷15 mA thì
10 mA ≤

V CC −V F
≤ 15 mA => 607 Ω ≤ R 16 ≤ 930 Ω .
R 16

Chọn R16 ¿ 820 Ω
Điện trở R10 để giới hạn dòng vào vi điều khiển khi opto-coupler khóa.
Chọn R10=10 kΩ .

2.2. DO
a) yêu cầu
- Đầu ra mức cao 24V, mức thấp 0V

- Bảo vệ điện áp, bảo vệ tĩnh điện ESD
- Cách li với bộ điều khiển
b) Phương án sử dụng
- Sử dụng Opto PC817 (tích hợp sẵn led, sáng khi có tín hiệu 3,3V, dịng đầy vào
khoảng 5-20mA) để cách ly đầu ra số với vi điều khiển.
- Có 2 loại DO: dạng sink và Relay
- Sử dụng MPSA14 – một transitor NPN Darlington, chứ 2 transitor ghép với nhau
cho ra dòng lớn.
 Điện áp tối đa cực góp – cực phát (VCE): 30V
 Điện áp tối đa cực góp – cực gốc (VCB): 30V
 Điện áp tối đa cực phát – cực gốc (VEB): 10V
 Dịng cực góp tối đa (IC): 500mA
 Độ lợi dịng điện (hFE): β = 10.000

c) Sơ đồ thiết kế
12


d) Tính tốn và lựạ chọn linh kiện chính
Để led của opto mở bão hịa thì dịng điện tối thiểu đi qua nó phải là 10mA, dịng
ra max là 20mA.
Sụt áp trên led là 1,2÷1,4V, đầu ra MCU là 3.3V. Suy ra:

{

3.3−1.2
10 mA ≤
≤ 20 mA
U ra −U Led
R 10

10 mA ≤
≤ 20 mA ⟺
R3
3.3−1.4
10 mA ≤
≤ 20 mA
R 10
⟶ 105≤ R3 ≤190

Chọn R3 = 150Ω → IF = 12.6mA (thoả mãn)
2

Công suất tiêu thụ đi qua R3: I F 2∗R10=( 12.6∗10−3 ) ∗150=0.024 W
Công suất tiêu thụ đi qua Led: I F∗U Led =( 12.6∗10−3 )∗1.4=0.018 W
→ P=0.024+0.018=0.042W
Điện trở
Khi đầu ra vi điều khiển mức tín hiệu thấp, xuất hiện dòng điện đi qua LED trong
PC817, transitor dẫn làm cho đầu vào của MPSA14 ở mức tích cực thấp. Từ đó
dịng điện qua relay bị hở mạch, tiếp điểm relay ở trạng thái thường hở.
Khi đèn led sáng, dòng điện ngõ ra của Opto có Ic ∈ 1 ÷ 50𝑚𝐴, sụt áp trên đầu ra
của Opto là 0.2. Ta có:
1 mA ≤ I c 1 ≤ 50 mA⇔ 1mA ≤

12−0.2
≤ 50 mA ⇔ 236 Ω≤ R2 ≤11800 Ω
R2

Chọn R2 = 1kΩ
Khi đèn led tắt, dòng điện đi vào cực base của transitor MPSA14:

13


{

I c 2max
β (Với I
c 2max=500 mA ; V BE =2 V )
12−V BE
Ib =
R 2+ R 4
I bmax =

12−2
500∗10−3
⇔ R 11 ≥199 k Ω
⇔
≤
1000+ R 4
10000

Chọn R4 = 200kΩ
Công suất tiêu thụ:
 Khi đèn Led sáng, dòng điện Ic1 đi qua R6:
2
P=I cmax2∗R2=( 50∗10−3 ) ∗1000=2.5 W
- Do đặc tính cảm cuộn dây relay, diode được mắc thêm để tránh điện áp ngược
sinh ra từ cuộn khi đóng cắt relay. Diode này phải chịu được điện áp ngược lớn
hơn 24V.
Chọn diode 1N4001 có điện áp ngược chịu được 50V.

2.3. AI
a) yêu cầu
- Đầu vào dạng điện áp: 0-10V, dạng dịng điện 4-20mA
- Có bộ lọc nhiễu, bảo vệ điện áp, bảo vệ tĩnh điện ESD
- Cách li với bộ điều khiển
b) Phương án sử dụng
- Sử dụng bộ lọc nhiễu, điode bảo vệ
- Sử dụng ADC MCP3208
- Sử dụng cách ly ADUM4151
c) Đầu vào dạng áp 0-10V
Sơ đồ thiết kế

14


Tính tốn và lựa chọn linh kiện linh kiện
- Chọn mạch phân áp để dịng vào nhỏ (Ivmax = 50µA)
I vmax =50 µA=

10
→ R11 + R 10=200 k Ω
R11 + R 10

Chọn R11 = R10 = 100kΩ
- Sử dụng OPAM LM324.
- Dùng bộ lọc thông thấp để lọc nhiễu tần số cao.
Mạch lọc thông thấp RC
1
Chọn tần số cắt f = 2 πRC =100 Hz

Có dịng ra của LM324 là 20mA, nếu chọn R6 =10 k Ωthì cơng suất trên điện trở là
I 2 R=4 W
Chọn R6 =10 k Ω → C=1 μF

Diode TVS, diode bảo vệ áp chọn giống như phần DI.
d) đầu vào dạng dòng 4-20mA
Sơ đồ thiết kế

Tính tốn và lựa chọn linh kiện linh kiện
- Dùng điện trở R6 = 250Ω để chuyển về dạng điện áp 1-5V.
- Các linh kiện khác chọn giống đầu vào dạng điện áp.
e) ADC
- Do có 4 cổng AI (2 loại 4-20mA, 2 loại 0-10V) nên ta lựa chọn ADC MCP3204

15


- Thông số:





ADC 12 bit
4 đầu vào Analog
Truyền dữ liệu nối tiếp qua SPI
Điện áp hoạt động :2.7−5.5 V

- Kết nối: ADC 12 bit
 4 kênh CH0 →CH3 cho 4 đầu vào AI.

 Các chân CLK, Din, Dout, CS để nối sang chân của cách li.
f) Cách li
- Chọn IC ADUM4154 có thơng số:





Điện áp hoạt động: 3.3 V / 5.5V
Hỗ trợ 4 thiết bị slave
7 kênh tín hiệu tốc độ cao
Hỗ trợ tốc độ tần số clock SPI lên tới 17MHz

16


- Các tụ C 6=C 7=0.1 µF ởV DD có tác dụng lọc các sóng tần số cao do các linh kiện
khác trên mạch gây ra
-Các chân SCLK, SI, SO, SS0 của ADUM4154 nối với ADC MCP3204.
-Các chân MCLK, MO, MI, SSA0 của ADUM4154 nối với vi điều khiển.

2.4. AO
a) Yêu cầu
- Đầu ra dạng điện áp: 0-10V, dạng dòng điện 4-20mA
- Có bộ lọc nhiễu, bảo vệ điện áp, bảo vệ tĩnh điện ESD
- Cách li với bộ điều khiển
b) Phương án sử dụng
- Sử dụng bộ lọc nhiễu, điode bảo vệ
- Đầu ra dạng điện áp 0-10V
+ Sử dụng DAC MCP4922

+ Sử dụng cách ly ADUM4151
- Đầu ra dạng dòng 4-20mA
+ Sử dụng DAC MCP4922 (dung chung với đầu ra dạng điện áp)
+ Sử dụng IC XTR116U để tạo nguồn dịng 4=20mA
Thơng số XTR116U
Dịng ra tối đa: 25 mA
Dải điện áp cấp rộng: 7.5V – 36V
c) Sơ đồ thiết kế

17


d) Tính tốn và lựạ chọn linh kiện chính
Cách li
Sử dụng IC ADUM4151 như ở phần AI.
DAC
- Sử dụng DAC MCP4922 với thông số:
 DAC 12 bit
 Truyền tin SPI với tần số clock cao nhất là 20 MHz
 Thời gian xác lập nhanh: 4.5 μs
 Lựa chọn hệ số khuếch đại điện áp ra: x 1 , x 2
 Điện áp hoạt động: 2.7 V −5.5 V

Đầu ra dạng điện áp 0-10V
- Chọn chế độ x2 điện áp của MCP4922 để điện áp ra của DAC ở chân VOUTA là:
0-10V
- Diode TVS, diode bảo vệ áp chọn giống như phần DI.
- Tụ C3 = 0.1uF có tác dụng lọc các sóng có tần số cao từ bên ngồi, lọc các sóng
có tần số cao do các linh kiện khác trên mạch gây ra và ổn định điện áp.
Đầu ra dạng dòng 4-20mA

- Chọn chế độ x1 điện áp của MCP4922 để điện áp ra của DAC ở chân VOUTB là:
0-5V
- Theo datasheet, ta có: IO = 100 IIN
Dịng ra IO=4 ÷ 20 mA → IIN =40 μA−200 μA
DAC sử dụng Vref=4.096 của XTR116U để tạo ra. Để sử dụng toàn bộ dải điện áp
ra 0 - 4,096V, ta sử dụng điện trở để tạo dòng điện offset.
18


Khi DAC = 0V:
I ¿=

V ref
4.096
=
=40 μA
R9 + R10 R 9 + R10

→ R 9 + R10=102.4 kΩ

Chọn R9 = 100kΩ , R10 = 2,4kΩ (là các giá trị điện trở phổ biến)
Khi DAC = 4,096V:
I ¿=

V ref
V
+ DAC =200 μA
R9 + R10 R7 + R 8

→ R 7 + R8=25.6 kΩ

Chọn: R7 =20 kΩ; R8 =5.6 kΩ (là các giá trị điện trở phổ biến)
- Transistor chịu hoàn toàn dòng ra nên cần chọn transistor chịu được điện áp 36 V
và dòng điện 20 mA .
Chọn transistor 2N222 với thơng số:
 Điện áp: V CE =40VDC
 Dịng điện I C =600 mA
Khuếch đại dòng
Sử dụng transistor MPSA 14 và A1015.
Ta có cơng thức khuếch đại : Iout = β 1* β 2* Iin.
β 1 β 2 là hệ số khuếch đại của transistor.

2.5. Cảm biến
- Sử dụng cảm biến siêu âm SRF04 để đo khoảng cách của vật.
- Cảm biến siêu âm SRF05 có 5 chân, bao gồm:
+ Chân cấp nguồn VCC: 5V.
+ Chân Trigger: Chân kích hoạt sóng siêu âm.
+ Chân Echo: Sử dụng để nhận biết có sóng siêu âm phản hồi.
+ Chân GND: Cấp nguồn 0V.
- Sử dụng mode 1 của cảm biến (Tách chân TRIGGER & ECHO dùng riêng)

2.6. LCD

- Sử dụng LCD 1602 để hiển thị khoảng cách mong muốn và khoảng cách thực
tế của vật.
- Sơ đồ chân:
19


1. VSS: tương đương với GND – cực âm

2. VDD: tương đương với VCC – cực dương (5V)
3. Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình
4. Register Select (RS): điều khiển địa chỉ nào sẽ được ghi dữ liệu
5. Read/Write (RW): Quyết định việc sẽ đọc (read mode) hay ghi (write mode)

dữ liệu?
6. Enable pin: Cho phép ghi vào LCD
7. D0 – D7: 8 chân dư liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn

đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếu
đang ở chế độ ghi (write mode)
8. Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn

hình LCD.
- Sơ đồ kết nối

20