Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:
Tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc
xây dựng mô hình robot tự hành đơn giản
Giáo viên hướng dẫn: TRỊNH TUẤN DƯƠNG
Sinh viên thực hiện: DƯƠNG VĂN ĐIỆP
Lớp : Cơ điện tử - k51
Mã sinh viên: 1002892
1
Nhiệm vụ
Đề tài đặt ra là “tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô
hình robot tự hành đơn giản”. Kết quả đạt được là một robot tự hành bám đường đơn
giản có khả năng di chuyển theo một đường đã định sẵn. Việc di chuyển của robot sẽ
được lập trình sẵn dựa trên vi điều khiển. Vi điều khiển sử dụng trong đề tài là vi điều
khiển PIC18F4550, các đặc tính của vi điều khiển này sẽ được trình bày ở phần sau.
Đề tài “tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô hình
robot tự hành đơn giản” chủ yếu tìm hiểu về cách hoạt động và phương pháp điều
khiển động cơ bước, giúp cho sinh viên làm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩ
năng lập trình, phương pháp thu thập dữ liệu từ các cảm biến sensor, điều khiển động
cơ và các mạch phụ trợ khác.
2
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo Trường Đại Học
Giao Thông Vận Tải Hà nội đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức,
kinh nghiệm quý giá trong suốt bốn năm chúng em học đại học.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trịnh Tuấn Dương, đã tận tình hướng
dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Và xin gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp cơ điện tử - K51, những người đồng hành
trong khóa học và có nhiều ý kiến đóng góp.

Chương 1: Tổng quan về vi điều khiển PIC 11
1.1 Lịch sử phát triển 11
1.2 Phân loại 12
1.2.1 Họ cấp thấp (low-end) 12
1.2.2 Họ cấp chung (Mid-range) 13
1.2.3 Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx 13
1.2.4 Họ cấp cao (High- performance) 14
1.3 Ưu thế của PIC 15
1.4 Cấu trúc vi điều khiển PIC 16
1.5 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC18F4550 18
1.5.2 Sơ đồ chân 20
Chương 2: Tìm hiểu về động cơ bước 26
2.1 Giới thiệu động cơ bước 26
2.2 Các loại động cơ bước và cấu tạo của từng loại 28
5
2.2.1Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 28
2.2.2Động cơ bước biến trở từ 30
2.2.3Động cơ bước lai (động cơ hỗn hợp) 30
2.2 Nguyên lí hoạt động 32
2.3 Momen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước 33
2.4 Cấu tạo động cơ bước 34
2.5Cơ sở lí thuyết điều khiển động cơ bước 34
2.5.1 Ba chế độ (mode) điều khiển đông cơ bước 34
2.5.2 Điều khiển motor lưỡng cực với cầu H 40
2.6 Động cơ bước sử dụng trong đồ án là step motor 28BYJ-48 5VDC 43
Chương 3: Tìm hiểu về robot dò đường tự động 46
3.1 Robot dò đường tự động 46
3.1.1 Phần cơ khí 46
3.1.2 Mạch điện tử 46
3.1.3 phần lập trình 46

Chương 1: Tìm hiểu về vi điều khiển PIC và cách xây dựng bản mạch điện tử.
Chương 2: Tìm hiểu về động cơ bước, cách điều khiển động cơ bước.
Chương 3: Tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của robot bám đường tự động.
Chương 4: Ứng dụng xây dựng robot đơn giản.
Kết quả đạt được và hướng phát triển đề tài.
10
Chương 1: Tổng quan về vi điều khiển PIC
1.1 Lịch sử phát triển
PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính
thông minh khả trình) là một họ vi điều khiển RISC (Reduced Instruction Set
Computer) được sản xuất bởi công ty Microchip Technology.
Năm 1965 hãng Genneral Instrument thành lập ban vi điện tử nhằm tập trung
nghiên cứu công nghệ chế tạo bộ nhớ kiểu EPROM và EEPROM, đó là các linh kiện
thu hút nhiều đầu tư của các phòng thí nghiệm bán dẫn. Đầu những năm 70 Genneral
Instrument cũng chế tạo vi xử lý 16 bit PC1600. Bộ xử lý này khá tốt nhưng có nhược
điểm là khả năng vào ra không mạnh để thích ứng bộ xử lý PC1600 trong các ứng
dụng cần có tính nâng cao. Năm 1975 Genneral Instrument thiết kế vi mạch điều
khiển giao tiếp ngoại vi (Peripheral interface controler) viết tắt là PIC, đó là linh kiện
hỗ trợ các tính năng vào ra cho vi xử lý PIC không cần nhiều chức năng vì chỉ xử lý
các công việc vào ra do đó bộ mã lệnh của nó khó nhỏ gọn. Những vi điều khiển PIC
đầu tiên có điểm yếu là chế tạo theo công nghệ n-MOS nên tiêu thụ nhiều năng lượng,
bộ nhớ chương trình là loại ROM mặt nạ chỉ nạp được một lần, do đó chương trình
điều khiển được nạp ngay khi chế tạo vi mạch nên chỉ thích hợp với các khách hàng
đặt mua với số lượng lớn, để lắp ráp trong sản xuất những sản phẩm cụ thể.
Những năm đầu thập ki 80 Genneral Instrument gặp khó khăn trong thương mại
và tổ chức lại. Hãng tập trung vào chế tạo linh kiện bán dẫn công suấtt lớn là thế mạnh
cho tới hiện nay của hãng. Genneral Instrument đã chuyển nhượng Ban vi điện tử và
nhà máy tại Chandle, bang Anizona cho các nhà đầu tư. Họ lập ra một công ty mới, đặt
tên là Arizona Microchip technology hiện nay là Microchip technology Inc.
Chiến lược của các nhà đầu tư là tập trung vào vi điều khiển và các bộ nhớ bán

12
- Không có các ngắt cứng.
- Không có các lối ra tăng cường.
- Nạp trình song song, trừ PIC12C5xx và PIC16C505 được nạp trình nối
tiếp theo giao thực ICSP.
1.2.2 Họ cấp chung (Mid-range)
Bao gồm 12C6xx, 14C000, 16C55x, 16C6x, 16C62x, 16F62x, 16C67x, 16C8x,
16F87x và 16C9xx
 Độ dài từ lệnh 14 bit
 Là họ vi điều khiển PIC thông dụng nhất hiện nay.
 Bố chí các thanh ghi: 128 byte trên một bank, tối đa 4 bank.
 Là vi điều khiển vạn năng tinh năng mạnh.
 Có rất nhiều biến thể khắc nhau, với các kiểu đóng vỏ đa dạng: DIP, PLCC,
SSOP…
Đặc điểm:
- Tốc độ cao, thực hiện được 5 triệu chỉ thị /s ở xung nhịp 20MHz.
- Có các ngắt phần cứng.
- Có từ 1 đến 3 bộ đếm – timer
- Có rất nhiều kiểu khác nhau về chân vào/ra tăng cường bao gồm các
vào/ra tương tự, giao diện truyền thông nối tiếp: đồng bộ, không đồng bộ,
12C, SPI, CAN, USB…, bộ điều khiển LCD.
- Bộ nhớ chương trình flash ở hầu hết các vi mạch.
- Khả năng nạp trình nối tiếp ICSP.
- Có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình (self-programming).
- Có phần cứng gỡ rối chương trình ICD ở một số loại.
1.2.3 Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx
- Gồm các loại 17Cxxx
13
- Độ dài từ lệnh 16 bit
- Bố trí các thanh ghi: 224 byte trên một bank, tối đa 8 bank, 48 thanh ghi

• Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam.
• Giá thành không quá đắt.
• Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập.
• Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển PIC được xử dụng
khá rộng rãi. Điều này tạo thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng
dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thành
công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn,
• Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chương
trình từ đơn giản đến phức tạp,
• Có nhiều tính năng đa dạng và các tính năng này không ngừng được phát triển.
Bộ nạp trình cho PIC có thể tự lắp ráp một các dễ dàng với chi phí thấp do PIC
chủ yếu nạp trình theo chuẩn ICSP (In-Circuit Siral Programming) là phương thức nạp
trình nối tiếp: các dữ liệu được nạp vào bộ nhớ chương trình thông qua 2 chân vào/ra
được gán là cổng truy nhập đến bộ nhớ chương trình trong quá trình nạp trình. Do đó
nhờ có bộ nhớ flash và nạp trình theo chuẩn ICSP mà những người nghiên cứư và sử
dụng PIC đã tiết kiệm được đáng kể chi phí mua các công cụ nạp. Với bộ nhớ flash thì
thời gian nạp trình cũng được cải thiện đáng kể ( chỉ khoảng vài chục giây) so với UV
EPROM (cỡ hơn chục phút).
Microchip cung cấp rất đầy đủ và chi tiết các tài liệu kỹ thuật về tất cả các loại
vi điều khiển PIC. Ngoài ra còn cung cấp phần mềm công cụ miễn phí MPLAB-IDE
15
được đánh giá là tốt nhất so với các công cụ phát triển tương tự của các hãng sản xuất
vi điều khiển khác (các tài liệu công cụ này được cung cấp miễn phí trên
www.microchip.com). Ngoài ra còn có rất nhiều sách viết về PIC và các trang web nói
về vi điều khiển này. Tài liệu hỗ trợ cho vi điều khiển PIC chỉ dùng sau máy tính cá
nhân PC và về doanh số bán ra thi trường hiện nay. Microchip đã đứng đầu về doanh
số bán PIC 8 bit, vượt lên trên cả các vi điều khiển của motorola.
1.4 Cấu trúc vi điều khiển PIC
Cấu trúc phần cứng của vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng cơ bản là cấu trúc
Havard và cấu trúc Von-Neumann. Điểm khác biệt giữa hai dạng cấu trúc này là cấu

- Có thể hoạt động với tần số 48 MHz.
- Có 35 chân vào/ra.
- Có sẵn vỏ bọc gồm DIP-40 nên rất thuận tiện.
- Với bộ nhớ, có 32kb Flash lưu trữ chương trình, 2kb bộ nhớ SRAM bay
hơi và 256 byte EEPROM (bộ nhớ không bay hơi) để lưu trữ dài hạn dữ
liệu như cấu hình …
18
- Và một bộ chỉ thị kiểu RISC mạnh.
- Do cho phép sử dụng USB, bạn có thể có sẵn 1024 byte RAM để lưu dữ
liệu (có thể 2048 byte).
Điểm riêng biệt của vi xử lý PIC18F4550 là nó là một trong những PIC hỗ trợ
toàn thể cho USB, nghĩa là có USB gắn trong có sẵn các chân đầu ra để nối trực tiếp
với máy tính mà không cần mạch kéo hay bất cứ mạch gắn ngoài nào khác.
Hình 1. 4: giao tiếp USB
Hỗ trợ tinh thể và dao động ký nhiều tần số như đầu vào và bộ cân bằng nên bộ
xử lý có thể hoạt động với tần số 48 MHz của dao động ký độc lập khi kết nối. Khi kết
thúc hoạt động thì chỉnh dao động ký được kết nối (thông qua các bit cấu hình). Làm
việc với tốc độ 48 MHz là điều kiện tiên quyết để chuyển sang chế độ toàn tốc nhờ
cổng USB. Vì vậy, driver USB chuyển sang chế độ toàn tốc (1.5 Mbyte/giây) qua USB
và tương thích với chuẩn USB 2.0. Nó cũng có 35 chân vào/ra số chung (xem sơ đồ
chân ở phần dưới) và có sẵn vỏ bọc gồm DIP-40 nên rất thuận tiện cho nhà phát triển
và những người nghiệp dư quan tâm.
Các chỉ thị dài 1 byte với một số ngoại lệ dài 2 byte (CALL, MOVFF, GOTO
LSFR). Sử dụng cơ chế đường ống để thực thi mã bằng việc khiến các chỉ thị liên tiếp
hoạt động trong 4 xung (độ dài xung) và có 4 lần nhảy xung được thêm vào.
Các đặc tính đáng chú ý khác là có đồng hồ, ngắt (đồng hồ gắn trong và gắn
ngoài) với hai mức ưu tiên và dùng cả hai mức như bộ so sánh tương tự kèm theo với
bộ phát điện thế chuẩn có 16 mức (hữu ích khi dùng trigger ở mức phần cứng).
Cuối cùng, CIP cũng có một bộ chuyển đổi tương tự 10 bit nhưng dao động ký
19

CSCK
CSDI
CSDO
I/O
I/O
I
O
Cổng giao tiếp chuyển đổi dữ liệu đồng bộ
khung.
Cổng giao tiếp chuyển đổi dữ liệu Clock vào ra nối
tiếp.
Lối vào dữ liệu nối tiếp.
Lối ra dữ liệu nối tiếp.
C1
RX
C1
TX
I
O
Cổng nhận bus CAN1
Cổng phát bus CAN1
EMUD
EMUC
EMUD1
I/O
I/O
I/O
Cổng vào ra dữ liệu kênh truyền thông sơ cấp của
ICD.
Vào ra xung nhịp kênh sơ cấp.

Vào ra dữ liệu của ICSP.
Lối vào Clock của ICSP.
RA11 I/O Port A.
RB0-
RB12
I/O PortB.
RC13-
RC15
I/O PortC.
RD0-RD3,
RD8, RD9
I/O PortD.
24
RF0-RF5 I/O PortF.
SCK1
SDI1
SDO1
SS1
I/O
I
O
I
Vào ra Clock đồng bộ của khối SPI1.
Lối vào dữ liêu của khối SPI1.
Lối ra dữ liệu của SPI1.
Slaver đồng bộ.
SCL
SDA
I/O
I/O

Vref-
I
I
Lối vào Vref+ (cao) thế analog chuẩn.
Lối vào Vref- (thấp) thế chuẩn.
25