TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG
--------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU
KHIỂN
Đề tài: Điều khiển - đo tốc độ động cơ và giao tiếp với
máy tính.
Giáo viên hướng dẫn

:Ths. Lê Thị Vân Anh

Lớp: D7 – CNTD 2
Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Tùng
Nguyễn Hữu Tùng
Lê Đức Vượng
Nguyễn Thị Hồng Vân

Hà Nội - Ngày 15 tháng 9 năm 2015.


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

Mục Lục

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 2

Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu học tập và nghiên cứu các ứng dụng công nghệ Vi điều khiển ngày
càng tăng trưởng mạnh mẽ. Các công trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này đều rất
phong phú, đa dạng. Vi điều khiển đang dần dần thay thế con người trong các ứng dụng
trong thực tiễn, và một số ứng dụng thực tiễn của Vi điều khiển như: Điều khiển tốc độ
động cơ, thiết kế bảng led điện tử, đếm sản phẩm, đo và khống chế nhiệt độ…
Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động cơ một
chiều đã được sử dụng khá phổ biến như: truyền động cho một số máy như máy nghiền
,máy nâng vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển các robot…
Để điều khiển tốc độ của động cơ một chiều thì có rất nhiều phương pháp, trong đồ án của
mình chúng em xin trình bày điều khiển động cơ dùng họ vi điều khiển 8051 bằng phương
pháp đếm xung (dùng động cơ có sử dụng encoder). Trong đồ án của mình chúng em sử
dụng IC 89S52 để lập trình điều khiển động cơ một chiều DC nhỏ hơn 24V, sử dụng IC
L298N để tăng công suất.
Tuy chúng em đã có nhiều cố gắng song bản báo cáo Điều khiển - đo tốc độ động cơ và
giao tiếp với máy tính của chúng em không tránh được những khiếm khuyết, thiếu sót. Kính
mong các thầy cô giáo thông cảm và có ý kiến đóng góp giúp chúng em rút kinh nghiệmvà
để bài báo cáo hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Lê Thị Vân Anh đã trực tiếp
giảng dạy và hướng dẫn chúng em hoàn thành bài đồ án này.
Hà Nội – 2015
Nhóm SV thực hiện

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 3


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.


CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Đặt vấn đề.

Trong sản xuất cũng như cuộc sống hàng ngày động cơ một chiều được sử dụng rất rộng
rãi. Vì vậy vấn đề đặt ra là chúng ta cần phải tìm cách đo và điều khiển tốc độ của động cơ
điện một chiều sao cho động cơ hoạt động một cách phù hợp với mục đích sử dụng. Ngày
nay có nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ nhưng vẫn sử dụng hai phương pháp đo phổ
biến là:
• Phương pháp dùng encoder
• Phương pháp dùng cảm biến tiệm cận
Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang hay còn
gọi là encoder. Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần sốthay đôi vào tốc
độ động cơ. Do đó các xung vuông này được đưa vào bộvi xử lý để đếm số xung trong
khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trịvận tốc của động cơ. Đây cũng là
phương pháp mà người ta sửdụng để ổn định tốc độ động cơhay điều khiển
nhanh chậm....
Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cần tiếp xúc
như công tắc hành trình mà dựa trên những mối quan hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể cần
phát hiện. Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật
thể thành tín hiệu điện.
Có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này: hệ thốngsử dụng dòng điện
xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng
sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện, hệ thống sử dụng nam châm và hệ
thống chuyển mạch cộng từ.
Trong đồ án này chúng em xin trình bày phương pháp đo và điều khiển tốc độ động cơ
điện một chiều sử dụng encoder và vi điều khiển 8051 cụ thể là vi điều khiển AT89S52 của
hãng ATMEL sản xuất.
Nguyên lý đo tốc độ động cơ :
để đo tốc độ ta dùng phương pháp đếm số xung trong một khoảng thời gian đo (T). Như vậy
với phương pháp này thì ta lựa chọn encorder để biến tốc độ thành một dãy xung có tần số

tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ.
Tính toán kết quả đo :
Phương pháp đo là đếm số xung trong một khoảng thời gian đo (T), số xung đếm được trong
thời gian đo T là NX.
Thời gian
T
1 phút

Số xung
NX

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 4

Số vòng
NX/l
n=?


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

n=
Trong đó:

n là tốc độ của động cơ.
l là số vòng/xung
Vi điều khiển AT89S52:
• 4 Kbyte bộ nhớ Flash có thể lập trình lặp vơi 1000 chu kỳ đọc xoá
• Hoạt động tĩnh đầy đủ : Từ 0 HZ đến 24 MHZ
• Khoá bộ nhớ chương trình ba cấp
• 128x8 bit RAM nội

• 32 đường xuất nhập lập trình được
• Hai timer / counter không bit
• Một port nối tiếp sang cổng có thể lập trình được
• Mạch đồng hồ và bộ dao động trên chíp
AT89S52 là một dòng trong họ 8051, nó có đầy đủ tính chất cũng như tính năng của họ 8051.
2. Sơ lược về họ vi điều khiển 8051.
Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

Hình 1.1: Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 5


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
2.1. Port 0 ( P0.0- P0.7)
Port 0 gồm 8 chân, ngoài các chức năng xuất nhập, Port 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa
chỉ(AD0-AD7)

Hình 1.2: Sơ đồ chân Port 0
2.2. Port 1 ( P1.0- P1.7)
Port 1 có chức năng xuất nhập theo bit và byte. Ngoài ra, ba chân P1.5, P1.6, P1.7 được
dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, hai chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2.

Hình 1.3: Sơ đồ chân Port 1
2.3. Port 2 (P2.0-P2.7)
Là một port có công dụng kép, là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với
các thiết bị đồng bộ nhớ mở rộng.

Hình 1.4: Sơ đồ chân Port 2
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 6



Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
2.4. Port 3 (P3.0- P3.7)
Mỗi chân trên Port 3 ngoai chớc năng xuất nhập còn có chớc năng riêng, cụ thể như sau :
Bit
Tên
Chức năng
P3.0
RXD
Dữ liệu nhận cho port nối tiếp
P3.1
TXD
Dữ liệu truyền cho port nối tiếp
P3.2
INT0
Ngắt bên ngoài 0
P3.3
INT1
Ngắt bên ngoài 1
P3.4
T0
Ngõ vào của Timer/counter 0
P3.5
T1
Ngõ vào của Timer/ counter 1
P3.6
/WR
Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài
P3.7

/RD
Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài.
2.5. Chân /PSEN ( Program store Enable)
/PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân /OE để
cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài . /PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọc
mã lệnh . Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu (Port 0) thanh ghi lệnh để được
giải mã. Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì /PSEN ở mức cao.
2.6. Chân ALE (Address Latch Enable)
ALE là tín hiệu điều chỉnh chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của vi điều
khiển. Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như 74373, 74573 chốt
byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0).
2.7. Chân /EA (External Access)
Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển.
Nếu EA ở mức cao (nối với vcc), thì vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội .
Nếu /EA ở mức thấp (nối với GND), thì vi điều khiển thi hành chương trình từ bộ nhớ ngoài
2.8. RST (Reset), VCC, GND
Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao,
các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống .
8051 dùng nguồn điện áp một chiều có dải điện áp từ 4V đến 5,5V được cấp qua chân 20
và 40.
2.9. XTAL1, XTAL2
8051 có một bộ dao động trên chíp, nó thường được nối với với bộ dao động bằng thạch
anh có tần số lớn nhất là 33MHZ, thông thường là 12MHZ.

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 7


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

Hình 1.5: Hình trên là cách nối bộ dao động thạch anh

3. Sơ lược về Encoder

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay. Đĩa quay có thể là bánh xe,
trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Trong các bài toán đo tốc
độ động cơ, trong các máy CNC dùng để xác định khoảng dịch chuyển của 1 đối tượng
thông qua đếm số vòng quay của trục.
3.1. Khái niệm
Encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc. Đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị
trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được vị trí trục hoặc
bàn máy. Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu số. Encoder được sử dụng làm
phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot. Trong máy công cụ điều
khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một động cơ qua vít me đai ốc bi tới
bàn máy. Vị trí của bàn máy có thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn.
3.2. Phân loại
a. Encoder tuyệt đối (absolute encoder): sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray
b.Encoder tương đối (incremental encoder): có tín hiệu tăng dần hoặc theo chu kỳ
• Encoder tương đối kiểu thẳng
• Encoder tương đối kiểu quay
3.3. Chi tiết và nguyên lý hoạt động
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ
(rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ, đèn
led không chiếu xuyên qua được. Chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt
bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu( photosensor). Với các tín hiệu có hoặc không
có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 8


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín
hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Đây là nguyên lý rất cơ bản của

encoder. Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là làm sao để xác định chính xác hơn vị trí
của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó
chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder.

Hình 1.6: Cấu tạo chung encoder
Các bạn thấy trong hình có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố định. Thực ra là để che
khe hẹp ánh sáng đi qua, giúp cho việc đọc encoder được chính xác hơn mà thôi. Chúng tôi
không để cập đến đĩa này ở đây. Vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây chính là vấn đề về độ
mịn của encoder. Có nghĩa là làm thế nào biết đĩa đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng hay
1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng. Dưới đây chúng ta sẽ đi vào
cụ thể từng loại encoder.
 .Encoder tuyệt đối (absolute encoder)
Sơ đồ nguyên lý, kết cấu:
Encoder kiểu tuyệt đối, kết cấu gồm các phần sau: bộ phát ánh sáng(LED phát), đĩa mã hóa
(chứa các dải băng mang tín hiệu) và một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ
thu thường là photosensor).

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 9


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

Hình 1.7: Nguyên lý và kết cấu
Đĩa mã hóa được chế tạo từ vật liệu trong suốt. Người ta chia mặt đĩa thành các góc đều
nhau và các đường tròn đồng tâm. Các đường tròn đồng tâm và bán kính giới hạn các góc
hình thành các phân tố diện tích. Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởi hai vòng
tròn đồng tâm gọi là dảy băng. Số dải băng trên mặt đĩa tùy thuộc khả năng công nghệ, ứng
với một dải băng ta có một đèn LED và một photosenser. Trên các dải băng, các diện tích
phân tố có phân tố trong suốt (ánh sáng có thể xuyên qua được) và cũng có phân tố được
phủ lên một lớp mà ánh sáng không thể chiếu xuyên qua được. Sự trong suốt và không trong

suốt đặc trưng đặc tính của các phân tố.
Nguyên lý hoạt động:
Ba bộ phận quan trọng nhất cấu thành encoder tuyệt đối là đèn LED, đĩa mã hóa và các
photosensor. Ánh sáng được chiếu từ đèn LED qua đĩa mã hóa đến các photosensor. Số đèn
LED bằng với số dải băng (hay còn gọi là vòng lỗ) trên đĩa mã hóa và cũng bằng với số
photosensor ( hoặc cũng có thể dùng một đèn LED nhưng công suất của đèn này phải lớn,
ánh sáng của nó phải chiếu phủ hết các dải băng trên đĩa mã hóa). Trên encoder, đèn LED,
dải băng và photosensor phải sắp xếp nằm trên một đường thẳng. Đèn LED và photosensor
được gắn cố định trên vỏ encoder. Còn đĩa mã hóa thì quay quanh trục mang các tín hiệu mã
hóa nhằm xác định góc quay.
Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa, nếu đối diện với tia sáng là vùng diện
tích trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa đến photosensor làm xuất hiện dòng chảy qua
photosensor ( lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 1 trong mã nhị phân). Nếu đối
diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không đến được
photosensor (lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 0 trong mã nhị phân).
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 10


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo một cách hoàn toàn
toán học:
Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái. Điều đó
có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau. Và khi
quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng (góc đo nhỏ nhất trong trường
hợp này là 90 độ).
Tương tự vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/
(2^n) vòng. Thế làm sao để xác định 2^n trạng thái này của đĩa encoder. Ở đây, tôi đưa ra ví
dụ với đĩa encoder có 2 vòng lỗ (2 dải băng). Các bạn sẽ thấy rằng, ở vòng trong cùng, có
một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa. Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau. Như vậy,
chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2 vòng lỗ, và 2 đèn thu ( photosensor ).

Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (trong cùng), đèn đọc đang nằm ở vị trí có lỗ hở, thì tín hiệu
nhận được từ con mắt thu sẽ là 1. Và ở vòng lỗ thứ hai, thì chúng ta đang ở vị trí không có
lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị 0.

Hình 1.8: Đĩa encoder 2 vòng lỗ
Và như vậy, với số 10, chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư nào. Cũng
có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng.
Trong ví dụ
trên, nếu đèn LED đọc được 10 thì vị trí của LED phải nằm trong góc phần tư thứ hai, phía
trên, bên trái.
Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta sẽ quản lý được đến 1/(2^10) tức là
đến 1/1024 vòng. Hay người ta nói là độ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng
(pulse per revolution – ppr).
Sau đây là ví dụ encoder 8 vòng lỗ:
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 11


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

Hình 1.9: Đĩa encoder 8 vòng lỗ
Vậy cách thiết kế encoder như thế nào?
Các bạn luôn chú ý rằng, để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit thứ N
(đối với encoder có N vòng lỗ) nằm ở trong cùng, có nghĩa là lỗ lớn nhất có góc rộng 180
độ, nằm trong cùng. Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit 0 (nếu xem là số nhị phân) sẽ thay đổi
liên tục mỗi 1/2^N vòng quay. Vì thế chúng ta cần rất nhiều lỗ. Nếu đặt ở trong thì không
thể nào vẽ được vì ở trong bán kính nhỏ hơn. Ngoài ra, nếu đặt ở trong thì về kết cấu cơ khí,
nó quá gần trục và quá nhiều lỗ nên sẽ rất yếu. Vì hai điểm này, nên bit 0 luôn đặt ở ngoài
cùng, và bit N-1 luôn đặt trong cùng như hình trên.
Với encoder có 8 vòng lỗ ta sẽ quản lý được 1/2^8 của đĩa (tức là quản lý được 1/256 của
đĩa, tương đương với góc 360/256=1,4 độ). Vậy với encoder 8 vòng lỗ này ta sẽ biết được

góc quay của đĩa với độ chính sác là 1,4 độ.
 Encoder tương đối (incremental encoder)
Encoder tương đối kiểu quay:
Sơ đồ nguyên lý, kết cấu:

Hình 1.10: Đĩa encoder tương đối kiểu quay
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 12


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Về cơ bản thì encoder tương đối và encoder tuyệt đối đều giống nhau chỉ khác nhau ở đĩa
mã hóa. Ở encoder tương đối đĩa mã hóa gồm 1 dải băng tạo xung. Trên dải băng này được
chia ra làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể được thây bằng vật liệu trong
suốt cho ánh sáng truyền qua). Khi đĩa từ quay qua một lỗ thì photosensor nhận được tín
hiệu từ đèn LED chiếu qua thì encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm.
Chẳng hạn như với đĩa mã hóa gồm 360 lỗ, khi đĩa quay qua 90 lỗ thì photosensor nhận
được 90 lần tín hiệu do đó biến đếm sẽ tăng lên 90. Từ đó ta biết được đĩa đã quay được một
góc là 90 độ. Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết một vòng?
Nếu cứ đếm vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết một
vòng. Chưa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý được, encoder sẽ bị
sai một xung. Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy. Ngày hôm nay sai một
xung, ngày hôm sau sai một xung. Đến cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi các bạn
mới đếm được 1 vòng.

Hình 1.11: Lỗ định vị trên encoder tương đối kiểu quay
Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đã
quay của encoder. Như vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng encoder đi ngang
qua lỗ định vị này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu đó. Nếu vì một rung
động nào đó mà chúng ta không thấy encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung và việc đi
qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder.


Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 13


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động encoder tương đối kiểu quay
Encoder tương đối cũng gồm các bộ phận cơ bản là nguồn phát( đèn LED), đĩa quay( đĩa
mã hóa), cảm biến (photosensor). Khi đĩa quay qua một lỗ thì cảm biến trên nhận được tín
hiệu lúc đó encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm. Cho đến khi cảm biến bên dưới
nhận được tín hiệu thông qua lỗ định vị thì ta biết được đĩa đã quay song một vòng. Giá trị
biến đếm mà encoder nhận được sẽ cho ta biết được góc độ mà đĩa đã quay. Ứng với dải
băng có càng nhiều lỗ thì góc đếm nhỏ nhất mà encoder đếm được sẽ càng nhỏ (càng mịn).
Encoder tương đối kiểu thẳng:
Encoder kiểu thẳng cũng có các thành phần cơ bản và nguyên lý hoặc động như encoder
kiểu quay nhưng chỉ khác ở chổ đĩa mã hóa là một thước thẳng và dùng để đo kích thước
thẳng. Chiều dài Encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động thẳng tương ứng có nghĩa là
chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước. Vì vậy Encoder thẳng thường đắt hơn nhiều so
với Encoder dạng quay.
3.4. Ứng dụng thực tiễn của encoder:
Trên máy CNC encoder được trang bị để đo và tìm được chính xác vị trí của các trục máy
cũng như vị trí dao cắt. Nhờ đó quá trình gia công được thực hiện chính xác. Kết quả
encoder đo được sẽ gửi về bộ phận kiểm tra tích cực trên máy để điều chỉnh lại vị trí chi tiết
hay vị trí của dao cắt nhằm sữa chữa lỗi và hạn chế được phế phẩm.
Encoder còn được trang bị trên động cơ của thang máy để biết được chính xác vị trí của
thang máy. Đảm bảo được thang máy sẽ dừng ở đúng cửa ra vào.
Trên các rô bốt công nghiệp encoder không thể thiếu. Nó dùng để quản lý các cử động của
các khớp nối, cử động của cánh tay rô bốt để đảm bảo chính sác vị trí của các cử động.
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 14



Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Trong các cuộc thi robocon. Tín hiệu gởi về của encoder giúp ta biết được vị trí của
robocon trên sân đấu. Ở các khúc cua thì vận tốc của 2 bánh xe phải và bánh xe trái sẽ
không giống nhau. Nhờ có encoder mà ta có thể tính toán và lập trình được số vòng quay
của 2 bánh xe ở các khúc cua.

4. Lựa chọn linh kiện
4.1.
LCD

Hình 1.13: Màn hình LCD
LCD được nói trong mục này có 16 chân, chức năng của các chân được cho trong bảng 3.
Bảng 1.1: Các chân của màn hình LCD.
Chân
1
2
3

Ký hiệu
Vss
Vcc
Vee

I/O
-

4


RS

I

5

R/W

I

6

Mô tả
Đất
Dương nguồn 5 V
Cấp nguồn cho điều khiển
RS= 0 chọn thanh ghi lệnh.
RS= 1 chọn thanh ghi dữ liệu
R/W= 1 đọc dữ liệu.
R/W = 0 ghi dữ liệu
Cho phép

E
I/O
DB0, 1, 2, 3, 4,
7
I/O
Các bit dữ liệu
5, 6, 7, 8
Chân RS được dùng để chọn các thanh ghi này như sau: Nếu RS = 0 thì thanh ghi mã lệnh

được chọn để cho phép người dùng gửi đến một lệnh như xóa màn hình, con trỏ về đầu
dòng… Nếu RS = 1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ liệu cần
hiển thị trên LCD.
Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt thông tin hiện hữu trên chân dữ liệu của
nó, khi dữ liệu được cấp đến chân đữ liệu thì một mức xung từ cao xuống thấp phải được áp

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 15


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân chốt dữ liệu. Xung này phải rộng tối thiểu
450ns.
4.2.
Led và Button
LED (viết tắt của : Light Emitting Diode) được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p
ghép với một khối bán dẫn loại n, đèn LED tạo ra nhiều ánh sáng hơn, tỏa nhiệt ít hơn so
với các thiết bị chiếu sáng khác vì vậy cũng tiêu thụ ít điện năng hơn.

Hình 1.14: led
4.3.
L298N
L298N là một drive chip tích hợp sẵn
hai mạch cầu H bên trong với chuẩn
điều khiển TTL, không có diode nội
bảo vệ Mosfet. Chịu tải tối đa trên mỗi
cầu là 2A, điện áp 40VDC. Logic ‘0’ ở
ngõ vào lên tới 1.5V (khả năng khử
nhiễu cao).

Hình 1.15: Buttom


Hình 1.16: L298N

Hình 1.17: Sơ đồ chân của L298N

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 16


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

Encoder, Trở băng
Encoder mục đích dùng để đọc
các xung xung trong một khoảng
thời gian đo (T).
4.4.

Hình 1.18: Encoder
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 17


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Trong mạch người ta
dùng các điện trở thanh để treo
áp.

Hình 1.19: Trở băng
5. Động cơ một chiều
5.1.
Cấu tạo máy điện một chiều


Sau đây là một số sơ đồ của máy điện 1 chiều:

Hình 1.20: Sơ đồ của một máy điện 1 chiều với bộ phận kích từ song song

Hình 1.21: Mạch từ của một máy điện 2 cực

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 18


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

Hình 1.22: Cuộn dây kích từ trên một cực từ

Hình 1.23: Cấu tạo cổ góp

Hình 1.24: Cấu tạo chổi than
Máy điện một chiều cơ bản gồm 2 phần mạch điện: mạch kích từ và mạch phần ứng.
Mạch kích từ hay còn hay gọi là stator gồm phần tĩnh là cuộn dây quấn quanh các cực từ của
stator.
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 19


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Số cực từ là chẵn chúng sắp xếp xen kẽ theo cực tính nam-bắc. Cuộn kích từ, dòng điện cũng như
thông lượng của các cực từ là như nhau
Các cuộn dây kích từ nối tiếp với nhau.
Dòng điện cung cấp cho cuộn kích từ nhằm tạo ra từ thông trong động cơ. Mạch kích từ không
phải là mạch tiêu thụ công suất nguồn chính trong động cơ. Mạch phần ứng là mạch tiêu thụ công
suất chính trong động cơ và nó nằm trên phần roto. Các cuộn của dây của phần ứng đặt trong đặt
trong các rảnh phân bố trên bề mặt của roto, độ rộng của một cuộn dây gọi là bước cuộn. Các cuộn

dây trên phần mạch ứng nối với nhau thành một mạch kín, kết thúc của cuộn này sẽ là bắt đầu của
cuộn tiếp theo và kết thúc của cuộn cuối cùng sẽ là bắt đầu của cuộn đầu tiên, dòng một chiều đưa
vào hay lấy ra từ dây cuốn phần ứng thông qua các chổi than tỳ lên cổ góp.Cổ góp là một kết cấu
hình trụ trên bề mặt có nhiều phiến góp, số phiến góp bằng số cuộn dây và chúng được cách điện với
nhau bằng mica
5.2.
Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều
Khi đặt vào trong từ trường một giây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác
dụng một lựcvào dòng điện và làm dây dẫn chuyển động.Chiều của lực được xác định bằng quy tắc
bàn tay trái. Đây chính là nguyên lý làm việc của động cơ nói chung
Về động cơ một chiều :
Từ trường trong động cơ tạo ra từ các cuộn dây gọi là cuộn cảm hay cuộn kích từ .Do stator của
động cơ có đặt các cuộn cảm nên thường gọi là phần cảm.Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng
một lực vào các dây dẫn rotor đặt trong các rảnh của rotor khi có dòng điện chạy qua. Cuộn dây này
gọi là cuộn ứng. Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than và cổ góp.Phần rotor mang phần
ứng nên gọi là phần ứng

Hình 1.25: Sơ đồ cấu tạo động cơ 1 chiều
Giả sử các dây dẫn cuộn ứng nữa trên của rotor có dòng điện hướng vào còn các dây dẫn của cuộn
ứng ở nửa dưới rotor có dòng điện hướng ra như hình vẽ. Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có
chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra một mômen làm rotor quay ngược chiều kim đồng
hồ.

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 20


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.

Khi động cơ làm việc cuộn cảm tạo ra một từ trường Φ d dọc trục cực từ và phân bố đối xứng với
cực từ. Mặt phẳng 00’ trên đó có đặt chổi than ,vừa là mặt phẳng trung tính hình học và cũng là mặt

phẳng trung tính vật lý. Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra một từ trường riêng Φn
hướng ngang trục cực từ. Từ trường tổng trong động cơ mất đi tính đối xứng dọc trục và khi này mặt
phẳng trung tính vật lý quay đi một góc β ( ngược chiều quay của rotor) so với mặt phẳng trung tính
hình học.
Dòng điện cuộn ứng càng lớn thì Фn càng mạnh đồng thời góc quay β càng lớn
Phạm vi ứng dụng của động cơ một chiều

5.3.

5.3.1. Ưu điểm
Động cơ một chiều có:
- Mômen mở máy lớn.
- Khả năng điều chỉnh tốc độ bằng phẳng.
- Phạm vi điều chỉnh rộng, dễ điều chỉnh.
- Tiết kiệm điện năng.
- Tuổi thọ lớn.
5.3.2. Nhược điểm
- Giá thành đắt.
- Công suất không cao.

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 21


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
5.3.3. Phạm vi ứng dụng
Động cơ điện một chiều được sử dụng trong các máy công nghiệp có yêu cầu cao về điều
chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải...và có tầm quan trọng nhất định
trong sản xuất..
6. Các phương pháp điều chỉnh (tốc độ) động cơ một chiều
6.1. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng.


Sơ đồ :

Phương trình cân bằng áp:
= +(+)
Do = k.

nên

= k. + ( + )
ω= -

Do M = k.Φ nên =
ω= -.M
ω = () Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi,
còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống.
Xác định dải điều chỉnh tốc độ:
D=
Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:
= = Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 22


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen
ngắn mạch là:
= =.
là hệ số quá tải về mômen
Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng
đặc tính cơ ta có thể viết như sau:
= ( – ) = ( - 1)

D= =

Hình 1.27 : Xác định phạm vi điều chỉnh.
Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị , Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều
chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng
động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai
lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó:
.||/ ≤ 10
Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng
không vượt quá 10.
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên,
do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi:
= K.. = Mđm
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 23


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường thẳng
ω =, M = và các trục tọa độ. Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu
bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ.

Hình 1.28:Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen.
Vậy điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trường
hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh.
6.2. Phương pháp điều chỉnh từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ
của động cơ M=KΦ và sức điện động quay của động cơ = KΦω. Mạch kích từ của động cơ
là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến.
=

Trong đó:

: điện trở dây quấn kích thích.
: điện trở của nguồn điện áp kích thích.
: số vòng dây của dây quấn kích thích.

Trong chế độ xác lập:
=

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 24

; = f[]


Đồ án môn học : Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển.
Khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do
đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần
ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản. Tốc độ lớn nhất của dải
điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ
thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp
cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì phải giảm dòng
điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động cơ cũng giảm rất nhanh.
Khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm
từ thông kích thích.
=

Hình 1.29: Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ.
Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ thông định
mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hòa của đặc tính từ hóa thì có
thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy

điện.
� = C. =
6.3. Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng
Đặc điểm của phương pháp:
- Điện trở mạch điện phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng
mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Thị Vân Anh 25