THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TAY MÁY PHỤC VỤ ĐÀO TẠO NGHỀ SỬ DỤNG
VI ĐIỀU KHIỂN AVR ATmel

KS. ĐÀO ANH TUẤN
Học viên cao học lớp KTĐT K13
PGS. TS. LÊ HÙNG LÂN
Bộ môn Điều khiển học
Khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một số kinh nghiệm trong nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển
cho tay máy 3 bậc tự do sử dụng vi điều khiển AVR. Điều này góp phần làm sáng tỏ khả năng
tự thiết kế, chế tạo trong nước các loại robot sử dụng trong đào tạo và sản xuất.
Summary: The paper presents some experiences in the design of a controller for robot-
arm with 3 degrees of freedom using AVR microcontroller. This helps to prove the possibility
of robot self designing and manufacturing in Viet Nam.

ĐT

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hơn nửa thế kỷ qua kể từ khi ra đời, robot đã phát triển mạnh mẽ và đã góp phần đáng kể
làm thay đổi bộ mặt của nền sản xuất – xã hội. Trong ứng dụng công nghiệp, từ những tay máy
điều khiển từ xa cho ngành hoá phóng xạ ban đầu, ngày nay robot đã được sử dụng rộng khắp
trong các lĩnh vực gia công, lắp ráp của nhiều ngành sản xuất như năng lượng, ô tô, máy bay,
sản phẩm điện - điện tử,…
Ở các nước tiên tiến (G8), số lượng robot công nghiệp được ứng dụng trong thập niên qua
tăng gấp đôi (từ 400.000 /1991 đến 800.000 chiếc/2000). Các nước phát triển khác cũng có mức

3 kênh cho tay gắp, được kết nối với bộ điều khiển chung có ghép nối với máy tính.
ĐT
- Phần mềm bao gồm:
+ Phần mềm điều khiển vận hành tay máy từ máy tính hoặc từ thiết bị điều khiển trực tiếp.
+ Phần mềm ứng dụng phục vụ đào tạo – huấn luyện, xây dựng theo các kiểu thuật toán
điều khiển: PID, PIV.
Hệ thống cho phép thực hành và giám sát hoạt động của tay máy (bằng biểu đồ và bảng số)
theo các giá trị điều khiển và trạng thái điều khiển, cung cấp các phương tiện phần cứng và phần
mềm cho phép phát triển các nghiên cứu ứng dụng và thực hành (Điều khiển theo thuật toán của
người sử dụng (trên nền C# cho hệ thống mở).
Để thiết kế phần cứng bộ điều khiển về nguyên tắc có thế sử dụng các phương án: vi xử lý,
PLC hay thủy lực, nhưng ở đây vi điều khiển AVR của ATmel, cụ thể là vi mạch ATmega 32
của Atmel Corporation được lựa chọn.
ATmega 32 thuộc loại vi điều khiển 8 bit, có kiến trúc
RISC (Reduced Intruction Set Computer) tiên tiến. Đây là kiến trúc phổ biến của các bộ vi điều
khiển hiện đại. ATmega 32 còn nổi bật với cấu trúc Hardvard cải tiến là cấu trúc có bộ nhớ
chương trình và bộ nhớ dữ liệu riêng, có hiệu suất cao, công suất thấp, có tốc độ xử lý lên đến
16 MIPS (million instructions per second) tại 16MHz, …
Các công cụ phục vụ công tác thiết kế được sử dụng gồm có: AVR Studio và KIT phát
triển STK500 (hình 1) của hãng ATmel. AVR Studio, version 4.14 là công cụ đang được sử dụng hiệu quả nhất để gỡ rối các chương trình dùng cho tất cả các vi điều khiển AVR còn KIT
phát triển STK 500 là thiết bị hoàn hảo cho phép lập trình cho tất cả vi điều khiển AVR. KIT
STK500 có một vi điều khiển chủ, đóng vai trò điều khiển tất cả quá trình trên bản mạch và
truyền thông với máy tính qua cổng RS232. Một cổng RS232 thứ 2 chờ đón người dùng đưa
vào sử dụng. Phần mềm AVR Studio và vi điều khiển chủ người dùng có thể thiết lập điện áp
làm việc, điện áp so sánh hay điện áp chuẩn và tần số xung cklock trong một phạm vi rộng. KIT
STK500 có khả năng đặt chế độ hoạt động cho vi điều khiển AVR cần nạp chương trình đ63
đưa vào ứng dụng (khác với các vi điều khiển khác) hoặc bằng chu kỳ xng clock được thiết lập ĐT

Bộ V Đ K chính AVR3
Chỉ thịBàn phím
Máy tính
Bus nối tiếp
(serial bus)
Bus nối tiếp
(serial bus / RS-232)
µC - MAIN µC - PC
Tầng
Công suất
Tầng
Công suất

µC-DRIVER2.2
µC-DRIVER2.3
Bộ V Đ K
2.3
Bộ V Đ K 2.2
Bộ V Đ K 2.1
AVR2
AVR1
Hình 2. Sơ đồ khối hệ điều khiển tay máy MENTOR
- Cấu hình cho mỗi kênh:
+ Mỗi bậc tự do và tay kẹp được điều khiển bởi một bộ vi điều khiển riêng, tạo xung điều rộng (PWM) qua tầng công suất ra cho motor DC.
+ Các biến tr
ở vị trí được phản hồi về bộ vi điều khiển tương ứng.
+ Cấu hình này cho phép thực hành điều khiển từ mức thấp nhất đến mức cao nhất, cho
phép phân đoạn các mức thực hành.
- Cấu hình hệ thống:
+ Hệ thống sử dụng 1 bộ vi điều khiển chính kết nối bus nối tiếp với 6 bộ vi điều khiển
cho mỗi kênh riêng (tốc độ 625 Kbit/s) và liên kết bus nối tiếp với máy tính qua ổ RS-232 ( tốc
độ 115 Kbit/s). Việc tổ chức liên kết bus nối tiếp cho phép đơn giản phần cứng.
+ Bộ vi điều khiển chính có bộ LED chỉ thị và có thể phát triển thêm bàn phím để vận hành
toạ độ ở mức thấp.

Hình 3. Mạch công suất điều khiển động cơ
ĐT
Nguyên lý của các bộ Vi điều khiển 1.1 – 2.3 hoạt động trên cơ sở mạch ADC của vi điều
khiển AVR. Mỗi kênh sử dụng một cặp ADC của vi điều khiển AVR, trong đó một ADC biến
đổi giá trị đặt được điều khiển bằng tay hoặc nhập trực tiếp từ máy tính, một ADC biến đổi giá

Nhà xuất bản Thống Kê.
[3]. Lê Hoài Quốc. Kỹ thuật người máy, Tập 1, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003.
[4]. Nguyễn Tăng Cường, Phạm Quốc Thắng. Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051. NXB Khoa
học và Kỹ thuật, 2004.
[5]. Ngô Diện Tập. Vi điều khiển với lập trình C, NXB KHKT Hà Nội, 2006
♦ ĐT