ĐỒ ÁN 2

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ DÙNG PIC VÀ
ĐỘNG CƠ BƯỚC DÙNG PIC


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


DANH MỤC BẢNG BIỂU


ĐỒ ÁN 2
Trang 4/31

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu
Hiện nay, có rất nhiều loại động cơ với nhiều nguyên lý hoạt động khác nhau và
được ứng dụng rất tốt trong thực tế từ nhà máy, cơ quan hay xí nghiệp. Điển hình
như động cơ bước là một trong số những động cơ đó. Có thể kể đến một vài ứng
dụng thực tế sử dụng đến động cơ bước như là: Điểu khiển Robot, điều khiển góc
quay, lập trình cho những thiết bị cắt gọt, điều khiển các cơ chế lái trong xe hơi,
máy bay, hay như trong lĩnh vực máy tính, động cơ bước được dùng nhiều cho các
loại ổ đĩa, maý in.
Như đã nêu ở trên, để một động cơ bước có thể được sử dụng nhiều và rộng rãi
trong các ứng dụng thì động cơ bước đó phải có độ chính xác gần như tuyệt đối

trong mọi góc quay hay vị trí quay của nó. Trong đề tài này, chúng ta sẽ nói về một
hệ thống điều khiển vị trí góc quay của động cơ bước sử dụng vi điều khiển và
mạch Driver điều khiển với các thông số được nhập từ một bàn phím cụ thể và hiển
thị qua LCD. Để dễ dàng thực hiện đề tài hơn và nhanh gọn hơn, trong đề tài này,
động cơ bước được sử dụng là một động cơ bước 5 dây kết hợp với một module
driver điều khiển Uln2003, sau đó viết code, thi công mạch cứng.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 5/31

1.2 Yêu cầu đề tài
• Sử dụng VDK PIC, step motor 5 dây, module điều khiển động cơ.
• Nhập các góc quay trên bàn phím keypad, sau đó cho motor quay thuận hoặc
nghịch theo vị trí mong muốn, toàn bộ thông số sẽ được hiển thị qua một
LCD.
• Hệ thống vận hành một cách chính xác, gọn gàng, ổn định, dễ lắp đặt, giá cả
hợp lí.

1.3 Định hướng thực hiện
• Tiến hành thiết lập sơ đồ khối hệ thống.
• Quy trình xử lí, vận hành của động cơ bước, nguyên lý hoạt động như thế
nào.
• Ngoài ra còn có các linh kiện liên quan.
• Thực hiện lắp đặt phần cứng sau đó viết code lập trình theo yêu cầu.
• Cho hệ thống hoạt động, set góc quay, nhấn nút để động cơ quay thuận hoặc
nút để động cơ quay nghịch.


Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 6/31

CHƯƠNG 2.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Khối

Khối bàn

Khối hiển

phím

thị (LCD)

Khối

Driver

VDK

ULN200


(Pic16F8

3

nguồn

77A)
Động cơ

Hình 2-1: Sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống điều khiển động cơ bước sẽ được kết nối như sơ đồ khối trên, đầu tiên,
nguồn vào sẽ được cung cấp cho từng khối: khối VDK, khối bàn phím, khối hiển
thị, module điều khiển ULN2003 và động cơ. Các khối còn lại sẽ được tương tác
với nhau, khối bàn phím có nhiệm vụ nhập dữ liệu, khối VDK nhận dữ liệu, khối
LCD xuất dữ liệu và khối ULN2003 và động cơ hoạt động sau cùng.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 7/31

2.2 Tìm hiểu linh kiện
1.1.1 Vi điều khiển Pic 16F877A

Hình 2-2: Vi điều khiển PIC 16F877A

Sơ đồ chân


Hình 2-3: Sơ đồ chân VDK PIC 16F877A

[Hình ảnh lấy từ trang svcokhi.blogspot.com ]

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 8/31

Thông số kỹ thuật
•
•
•
•
•
•

8K FLASH ROM
368 Bytes RAM
256 Bytes EEPROM
5 Port I/O (A, B, C, D, E) với tín hiệu điều khiển độc lập
2 bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2
Một bộ định thời 16 bit hoạt động ở chế độ tiết kiệm năng lượng với nguồn

•
•
•
•
•

•
•
•
•
•

xung CLOCK ngoài
1 bộ chuyển đổi AD 10bit với 8 ngõ vào
2 bộ CCP (Capture/ Compare/ PWM)
1 bộ WatchDog Timer (bộ định thời giám sát)
2 bộ Compartor
Một cổng nối tiếp và 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển
15 nguồn ngắt
35 tập lệnh với độ dài 14 bit
Tần số hoạt động tối đa 20Mhz
Được chế tạo bằng công nghệ CMOS
Chương trình được nạp bằng cổng nối tiếp ICSP

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 9/31

Sơ đồ khối chức năng của PIC16f877a

Hình 2-4: Các khối chức năng của VDK

[Hình ảnh lấy từ trang svcokhi.blogspot.com ]
Lập trình cho VDK PIC16f877a

Hiện tại thì có khá nhiều phần mềm dùng để viết code lập trình cho vi điều
khiển, đối với vi điều khiển Pic 16f877a thì có điển hình 2 phần mềm viết code đó
là phần mềm MikroC và CCS được viết bằng ngôn ngữ lập trình C.
Trong đề tài này, code lập trình cho PIC được viết trên phần mềm CCS sau đó
được biên dịch và nạp chương trình vào PIC để test mạch.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 10/31

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 11/31

Hình 2-5: Giao diện CCS Compiler

Trình biên dịch CCS dùng ngôn ngữ lập trình C hiện đang được áp dụng chủ yếu
cho dòng vi điều khiển PIC. Khi sử dụng trình biên dịch CCS, người dùng có thể
tạo một project, viết code, build chương trình, debug và lập trình cho PIC một cách
dễ dàng.
Nạp chương trình cho PIC
Hiện tại có 2 loại mạch nạp chủ yếu đang được sử dụng để nạp chương trình cho
PIC đó là PICKIT và BURNE. Trong đề tài này code chương trình sẽ được nạp vào
vi điều khiển PIC 16f877a qua PICKIT
Quy trình nạp ở đây là sau khi biên dịch code ở trình biên dịch CCS sang một
file.HEX, ta dùng PICKIT để đưa code vào vi điều khiển PIC để thực hiện chạy

code trên mạch ngoài thực tế.
Trước khi muốn thi công mạch cứng thì cần phải mô phỏng trước, ở đây phần
mềm mô phỏng được dùng là Proteus.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 12/31

Hình 2-6: Mô phỏng trên proteus

Như hình trên, khi ta dùng CCS để biên dịch 1 source code thì sau khi biên dịch
sẽ được 1 file hex, file hex này sẽ được đưa vào phần program file trong phần EditComponent như hình trên vì để vi điều khiển PIC mô phỏng được trên proteus thì
cần phải có file hex đó.

1.1.2 Động cơ bước

Hình 2-7: Một số loại động cơ bước

[Hình ảnh được lấy từ Arduino.vn]
Khái niệm động cơ bước

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 13/31

Một động cơ bước có thể hiểu là một động cơ biến đổi những tín hiệu dạng xung

rời rạc nối tiếp nhau thành các chuyển động góc quay mà có thể cố định phần roto
tới những vị trí cần thiết.
Nguyên lý hoạt động không giống với các loại động cơ khác. Khi muốn một
động cơ bước hoạt động được thì người dùng phải quy định số góc quay và vị trí
quay để động cơ bước làm việc. Ưu điểm của một động cơ bước đó là có thể quay
bao nhiêu độ tùy thích, và mỗi lần quay sẽ quay được 1 bước (step).
Mỗi động cơ bước sẽ có các thông số kỹ thuật như:
•
•
•
•
•
•
•

Góc bước
Momen kéo
Momen hãm
Điện áp hoạt động
Pha
Tỉ lệ mỗi bánh răng
Góc tương đương một bước

Tiêu chuẩn góc bước của step motor:

Bảng 1-1: bảng tiêu chuẩn góc bước của động cơ

Các phương pháp điều khiển động cơ bước

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước



ĐỒ ÁN 2
Trang 14/31

•
•

Full - Step
Half - Step

Trong đề tài này, động cơ bước được sử dụng là động cơ bước 28BYJ-48.

Hình 2-8: Động cơ bước 28BYJ-48

[Hình ảnh lấy từ Arduino.vn ]
Thông số kỹ thuật
•
•
•
•
•
•

Hoạt động ở điện áp 5V
Số pha: 4
Tỷ lệ bánh răng: *64
Có góc bằng 5.625 tương đương với mỗi bước quay
Tần số hoạt động: 100hz
Điện trở trong: 50ohm cộng trừ 7%


Đối với động cơ bước 28BYJ-48 này thì số dây tất cả là 5 dây, trong đó có một
dây chung nối với nguồn, các dây còn lại nối với mỗi cuộn dây stator.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 15/31

Hình 2-9: Sơ đồ dây động cơ 28BYJ-48

Nguyên lý hoạt động
Động cơ 28BYJ-48 quay 1 vòng hết tổng cộng 64 bước (số bước mặc định cho 1
vòng), cho nên mỗi một bước sẽ có góc là 5.625 độ.
Vì do có 1 dây nối chung vs nguồn nên sẽ có dòng điện đi qua các cuộn dây khi
cấp một điện áp bằng 0V, và khi cấp điện áp bằng 5V thì sẽ không cho dòng điện đi
qua.

1.1.3 Module ULN2003

Hình 2-10: ULN2003

Cấu tạo

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 16/31


Hình 2-11: sơ đồ chân ULN2003

[Hình ảnh lấy từ robocon.vn ]

ULN2003 là một IC đệm dòng với cấu tạo ở bên trong bao gồm bảy cặp
transistor npn được ghép Darlington, các cấu tạo Darlington này có khả năng chịu
được điện áp và dòng điện lớn, bản chất của 1 con Pic thì không đủ dòng cung cấp
để mà điều khiển một động cơ bước cho nên phải sử dụng đến con ULN2003 để
đệm them dòng để điều khiển.
ULN2003 hay được ứng dụng trong các mạch điều khiển động cơ DC, step
motor, ma trận led, v.v…

1.1.4 LCD16x2

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 17/31

Hình 2-12: LCD 16x2

Ký hiệu
1. Vss – nối nguồn âm (GND)
2. Vdd – nối nguồn dương (5V)
3. Vee – dùng để chỉnh độ tương phản màn hình
4. Rs – chân chọn thanh ghi
5. R/w – đọc và ghi dữ liệu
6. E – enable

7 đến 14. Các chân dữ liệu
15. A – nguồn dương
16. K – nguồn âm

Hình 2-13: LCD đang hoạt động

1.1.5 Keypad 4x4 (bàn phím ma trận)

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 18/31

Hình 2-14: Hình ảnh và cấu tạo của keypad 4x4

Bởi các nút nhấn cùng hàng, cột được nối với nhau, cho nên keypad 4x4 có tất
cả 8 ngõ ra bao gồm 4 hàng và 4 cột.
Thông số kỹ thuật
Điện áp tối đa: 24Vdc, dòng tối da: 30mA, thời gian phản hồi: 5ms, hoạt động ở
nhiệt độ từ 0 đến 70 độ C, kích thước chung: 77x69mm.
Các ứng dụng
• Có trong các hệ thống bảo mật sủ dụng khóa mật khẩu.
• Các hệ thống điều khiển thiết bị.
• Trong hệ thống nhúng cho việc nhập data.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2

Trang 19/31

CHƯƠNG 3.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

1.1 Sơ đồ giải thuật

Hình 3-1: Sơ đồ giải thuật

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 20/31

1.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 3-2: Sơ đồ mạch nguyên lý

Để bắt đầu, trước tiên thiết kế mạch như sơ đồ hình 3-2 dựa trên phần mềm
proteus. Tiếp theo, viết code lập trình trên trình biên dịch CCS, kế tiếp khi code
không có lỗi gì, tiến hành Build và nạp vào pic 16f877a trong sơ đồ mạch nguyên
lý. Khi các thao tác đã xong, nhấn nút run, sau đó bắt đầu kiểm tra nguyên lý của hệ
thống xem có đúng với yêu cầu đề tài không.
Đầu tiên, nhập một giá trị góc bất kỳ từ 0 đến 360, sau đó tiến hành mô phỏng
cho động cơ quay thuận hoặc nghịch, để quay thuận, ta nhấn phím A tương đương
với phím thứ 4 (hàng 1x cột 4), để quay nghịch ta nhấn phím D tương đương với
phím thứ 16 (hàng 4 x cột 4). Để thực hiện thao tác xóa và thay đổi giá trị, ta nhấn
phím B tương đương với phím thứ 8 (hàng 2 x cột 4), sau đó tiếp tục với một giá trị

khác.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 21/31

Sau khi hoàn thành mô phỏng trên proteus, bước tiếp theo là tiến hành thi công
mạch cứng bên ngoài, khi hoàn thành mạch thi công, tiến hành nạp code vào Pic
thông qua phần mềm nạp PICKIT. Cuối cùng cấp nguồn cho hệ thống, test lại hệ
thống, hệ thống chạy đúng với yêu cầu đề ra, hoàn thành hệ thống.

Hình 3-3: Mô phỏng tại góc quay bằng 45 độ

Hình 3-3 là hình mô phỏng khi set góc quay bằng 45, và nhấn phím A để động
cơ quay thuận. tổng số bước để quay được 45 độ là 8 bước với mỗi bước có số góc
là 5.625 độ.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 22/31

CHƯƠNG 4.

•

KẾT QUẢ THI CÔNG


1.3 Sơ đồ mạch in
Mạch thiết kế

Hình 4-1: mạch thiết kế
•

Mạch in

Hình 4-2: mạch in

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 23/31

1.4 Mạch thực tế

Hình 4-3: mạch thực tế

CHƯƠNG 5.

KẾT LUẬN

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 24/31


5.1 Nhận xét
Sau khi kết thúc quá trình thực hiện thì kết quả thu được là:
• Về phần thiết kế và gia công mạch đã hoàn thành đầy đủ, tuy tính ổn định của
mạch chưa đạt mức tuyệt đối nhưng nhìn chung đã đáp ứng vận hành đúng yêu
cầu đề tài đưa ra.
• Xét về mặt ứng dụng của hệ thống này thì hệ thống chủ yếu dung để kiểm tra
tính chính xác cũng như hiệu quả của một động cơ bước. Khảo sát được sự
linh hoạt của động cơ, như việc nhập bất kỳ một góc quay nào từ 0 đến 360 thì
đã nêu ra được khái quát về quá trình chạy cũng như nguyên lý vận hành của
một động cơ bước.
5.2 Hướng phát triển
Mạch sản phẩm được làm ra tuy đã đạt được những yêu cầu đề tài đề ra nhưng
chưa thể được nghiên cứu vào kĩ càng và chuyên sâu hơn vì lí do hạn chế về thời
gian và kiến thức chưa đủ vững nên mạch thi công ra còn thiếu tính chuyên môn và
còn khá sơ sài. Nếu có thêm nhiều thời gian hơn, có cơ hội nghiên cứu kỹ lưỡng
hơn, em rất mong đề tài này sẽ được củng cố hơn như:
• Có thể điều khiển một lúc được nhiều động cơ hơn.
• Thực hiện được thêm nhiều chức năng hơn chỉ trên một hệ thống.
Và sau cùng, mong rằng với hướng đi phát triển như trên đồng thời cùng với sự
góp ý chân tình từ các thầy, các cô, đề tài này sẽ càng phát triển và mở rộng hơn,
tiên tiến hơn nữa để phục vụ được tốt hơn cho nhu cầu của con người.

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước


ĐỒ ÁN 2
Trang 25/31

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

/>%C6%B0%E1%BB%9Bc

[2]

/>
[3]

/>
[4]

/>
1.1.6

Điều khiển vị trí dùng PIC và động cơ bước