CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 1 Bộ vi điều khiển 89C51:

Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng trăm biếnthể (derrivatives) được sản xuất bởi hơn 20 hãng khác nhau, trong đó phải kể đến các đạigia trong làng bán dẫn (Semiconductor) như ATMEL, Texas Instrument, Philips,Analog Devices… Tại Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51,AT89C52, AT89S51, AT89S52… đã có thời gian xuất hiện trên thị trường khá lâu và cóthể nói là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit

Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát cấu trúc AT89.

 Ngắt( interrupt):

8051 chỉ có một số lượng khá ít các nguồn ngắt (interrupt source) hoặc có thể gọi làcác nguyên nhân ngắt Mỗi ngắt có một vector ngắt riêng, đó là một địa chỉ cố định nằmtrong bộ nhớ chương trình, khi ngắt xảy ra, CPU sẽ tự động nhảy đến thực hiện lệnh nằmtại địa chỉ này

Với 8052, ngoài các ngắt trên còn có thêm ngắt của timer2 (do vi điều khiểnnày

có thêm timer2 trong số các ngoại vi onchip)

Mỗi ngắt được dành cho một vector ngắt kéo dài 8byte Về mặt lý thuyết, nếuchương trình đủ ngắn, mã tạo ra chứa đủ trong 8 byte, người lập trình hoàn toàn có thểđặt phần chương trình xử lý ngắt ngay tại vector ngắt Tuy nhiên trong hầu hết các trườnghợp, chương trình xử lý ngắt có dung lượng mã tạo ra lớn hơn

8byte nên tại vector ngắt, ta chỉ đặt lệnh nhảy tới chương trình xử lý ngắt nằm ở vùng nhớkhác Nếu không làm vậy, mã chương trình xử lý ngắt này sẽ lấn sang, đè vào vector ngắt

kế cận

Bảng tóm tắt các ngắt trong 8051 như sau:

Bảng 1.1: Các cấu trúc ngắt trong 8051.

3

Bảng 1.2: Thanh ghi IE trong 8051.

Để cho phép một ngắt, bit tương ứng với ngắt đó và bit EA phải được đặt bằng 1.Thanh ghi IE là thanh ghi đánh địa chỉ bit, do đó có thể dùng các lệnh tác động bit để tácđộng riêng rẽ lên từng bit mà không làm ảnh hưởng đến giá trị các bit khác Cờ ngắt hoạtđộng độc lập với việc cho phép ngắt, điều đó có nghĩa là cờ ngắt sẽ tự động đặt lên bằng 1khi có sự kiện gây ngắt xảy ra, bất kể sự kiện đó có được cho phép ngắt hay không Dovậy, trước khi cho phép một ngắt, ta nên xóa cờ của ngắt đó để đảm bảo sau khi cho phép,các sự kiện gây ngắt trong quá khứ không thể gây ngắt nữa

8051 có 2 ngắt ngoài là INT0 và INT1 Ngắt ngoài được hiểu là ngắt được gây rabởi sự kiện mức logic 0 (mức điện áp thấp, gần 0V) hoặc sườn xuống (sự chuyểnmức điện áp từ mức cao về mức thấp) xảy ra ở chân ngắt tương ứng (P3.2 với ngắt ngoài 0

và P3.3 với ngắt ngoài 1) Việc lựa chọn kiểu ngắt được thực hiện bằng các bit IT (InterruptType) nằm trong thanh ghi TCON Đây là thanh ghi điều khiển timer nhưng 4 bit LSB (bit0 3) được dùng cho các ngắt ngoài

Khi bit ITx = 1 thì ngắt ngoài tương ứng được chọn kiểu là ngắt theo sườn xuống,ngược lại nếu bit ITx = 0 thì ngắt ngoài tương ứng được sẽ có kiểu ngắt là ngắt theo

mức thấp Các bit IE là các bit cờ ngắt ngoài, chỉ có tác dụng trong trường hợp kiểu ngắtđược chọn là ngắt theo sườn xuống Khi kiểu ngắt theo sườn xuống được chọn thì ngắt sẽxảy ra duy nhất một lần khi có sườn xuống của tín hiệu, sau đó khi tín hiệu ở mức thấp,hoặc có sườn lên, hoặc ở mức cao thì cũng không có ngắt xảy ra nữa cho đến khi có sườnxuống tiếp theo Cờ ngắt IE sẽ dựng lên khi có sườn xuống và tự động bị xóa khi CPU bắtđầu xử lý ngắt Khi kiểu ngắt theo mức thấp được chọn thì ngắt sẽ xảy ra bất cứ khi nào tínhiệu tại chân ngắt ở mức thấp Nếu sau khi xử lý xong ngắt mà tín hiệu vẫn ở mức thấp thìlại ngắt tiếp, cứ như vậy cho đến khi xử lý xong ngắt lần thứ n , tín hiệu đã lên mức cao rồithì thôi không ngắt nữa Cờ ngắt IE trong trường hợp này không có ý nghĩa gì cả.Thôngthường kiểu ngắt hay được chọn là ngắt theo sườn xuống.

1 đơn vị, cứ như vậy cho đến khi giá trị tăng lên vượt quá giá trị max mà thanh ghi đếm

có thể biểu diễn thì giá trị đếm lại được đưa trở về giá trị min (thông thường min = 0)

Sự kiện này được hiểu là sự kiện tràn timer (overflow) và có thể gây ra ngắt nếu ngắttràn timer được cho phép (bit ETx trong thanh ghi IE = 1) Việc cho timer chạy/dừng đượcthực hiện bởi các bit TR trong thanh ghi TCON (đánh địa chỉ đến từng bit)

Bảng 1.3: Thanh ghi TCON.

Khi bit TRx = 1, timerx sẽ đếm, ngược lại khi TRx = 0, timerx sẽ không đếm mặc

dù vẫn có xung đưa vào Khi dừng không đếm, giá trị của timer được giữ nguyên Các bitTFx là các cờ báo tràn timer, khi sự kiện tràn timer xảy ra, cờ sẽ được tự động đặt lên bằng

1 và nếu ngắt tràn timer được cho phép, ngắt sẽ xảy ra Khi CPU xử lý ngắt tràn timerx, cờngắt TFx tương ứng sẽ tự động được xóa về 0 Giá trị đếm 16bit của timerx được lưu trong

5

hai thanh ghi THx (byte cao) và TLx (byte thấp) Hai thanh ghi này có thể ghi/đọc được bất

kỳ lúc nào Tuy nhiên nhà sản xuất khuyến cáo rằng nên dừng timer (cho bit TRx = 0)trước khi ghi/đọc các thanh ghi chứa giá trị đếm Các timer có thể hoạt động theo nhiềuchế độ, được quy định bởi các bittrong thanh ghi TMOD (không đánh địa chỉ đến từng bit)

Để xác định thời gian, người ta chọn nguồn xung nhịp (clock) đưa vào đếm trongtimer là xung nhịp bên trong (dành cho CPU) Nguồn xung nhịp này thường rất đều đặn (cótần số ổn định), do đó từ số đếm của timer người ta có thể nhân với chu kỳ xung nhịp đểtính ra thời gian trôi qua Timer lúc này được gọi chính xác với cái tên “timer”, tức bộ địnhthời Để đếm các sự kiện bên ngoài, người ta chọn nguồn xung nhịp đưa vào đếm trongtimer là tín hiệu từ bên ngoài (đã được chuẩn hóa về dạng xung vuông (0V/5V)

Các tín hiệu này sẽ được nối với các bit cổng có dồn kênh thêm các tính năngT0/T1/T2 Khi có sự kiện bên ngoài gây ra thay đổi mức xung ở đầu vào đếm, timer sẽ

tự động tăng lên 1 đơn vị giống như trường hợp đếm xung nhịp bên trong Lúc này, timerđược gọi chính xác với cái tên khác: “counter”, tức bộ đếm (sự kiện) Nhìn vào bảng mô tảthanh ghi TMOD bên trên, ta có thể nhận thấy có 2 bộ 4 bit giống nhau (gồm GATEx,C/Tx, Mx0 và Mx1) dành cho 2 timer0 và 1 Ý nghĩa các bit là như nhau đối với mỗi timer

Bit GATEx quy định việc cho phép timer đếm (run timer) Nếu GATEx =0,timerx sẽ đếm khi bit TRx bằng 1, dừng khi bit TRx bằng 0 Nếu GATEx = 1, timerx sẽchỉ đếm khi bit TRx = 1 và tín hiệu tại chân INTx = 1, dừng khi một trong hai điều kiệntrên không còn thỏa mãn Thông thường người ta dùng timer với GATE = 0, chỉ dùng timervới GATE = 1 trong trường hợp muốn đo độ rộng xung vì lúc đó timer sẽ chỉ đếm thời giankhi xung đưa vào chân INTx ở mức cao Bit C/Tx quy định nguồn clock đưa vào đếm trongtimer Nếu C/Tx = 0, timer sẽ được cấu hình là bộ định thời, nếu C/Tx = 1, timer sẽ đượccấu hình là bộ đếm sự kiện Hai bit còn lại (Mx0 và Mx1) tạo ra 4 tổ hợp các giá trị(00,01,10 và 11) ứng với 4 chế độ hoạt động khác nhau của timerx

Trong 4 chế độ đó thường chỉ dùng chế độ timer/counter 16bit (Mx1 = 0,

Mx0 = 1) và chế độ Auto Reload 8bit timer/counter (Mx1 = 1, Mx0 = 0).Trong chế độtimer/counter 16bit, giá trị đếm (chứa trong hai thanh ghi THx và TLx) tự động đượctăng lên 1 đơn vị mỗi lần nhận được thêm một xung nhịp Khi giá trị đếm tăng vượt quágiá trị max =65535 thì sẽ tràn về 0, cờ ngắt TFx được tự động đặt = 1

Chế độ này được dùng trong các ứng dụng đếm thời gian và đếm sự kiện Trong chế

độ Auto Reload 8bit, giá trị đếm sẽ chỉ được chứa trong thanh ghi TLx, còn giá trị củathanh ghi THx bằng một số n (từ 0 đến 255) do người lập trình đưa vào Khi có thêm 1xung nhịp, giá trị đếm trong TLx đương nhiên cũng tăng lên 1 đơn vị như bình thường Tuynhiên trong trường hợp này, giá trị đếm lớn nhất là 255 chứ không phải 65535 nhưtrường hợp trên vì timer/counter chỉ còn 8bit Do vậy sự kiện tràn lúc này xảy ra nhanh hơn,chỉ cần vượt quá 255 là giá trị đếm sẽ tràn Cờ ngắt TFx vẫn được tự động đặt = 1 nhưtrong trường hợp tràn 16bit Điểm khác biệt là thay vì tràn về 0, giá trị THx sẽ được tựđộng nạp lại (Auto Reload) vào thanh ghi TLx, do đó timer/counter sau khi tràn sẽ có giátrị bằng n (giá trị chứa trong THx) và sẽ đếm từ giá trị n trở đi Chế độ này được dùngtrong việc tạo Baud rate cho truyền thông qua cổng nối tiếp

Để sử dụng timer của 8051, hãy thực hiện các bước sau:

- Quy định chế độ hoạt động cho timer bằng cách tính toán và ghi giá trị cho các bittrong thanh ghi TMOD

- Ghi giá trị đếm khởi đầu mong muốn vào 2 thanh ghi đếm THx và TLx Đôi khi takhông muốn timer/counter bắt đầu đếm từ 0 mà từ một giá trị nào đó để thời điểm tràn gầnhơn, hoặc chẵn hơn trong tính toán sau này Ví dụ nếu cho timer đếm từ 15535 thì sau

50000 xung nhịp (tức 50000 micro giây với thạch anh

12MHz) timer sẽ tràn, và thời gian một giây có thể dễ dàng tính ra khá chính xác = 20 lầntràn của timer (đương nhiên mỗi lần tràn lại phải nạp lại giá trị (15535)

- Đặt mức ưu tiên ngắt và cho phép ngắt tràn timer (nếu muốn)

- Dùng bit TRx trong thanh ghi TCON để cho timer chạy hay dừng theo ý muốn

7

1.2 IC photocoupler 6N137:

Photocoupler là loại linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led và một photo diodecùng cổng logic nand Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện haycông suất như khối công suất nhỏ (dòng nhỏ, điện áp 5V) với khối điện áp lớn dòng lớn và

và được xác định theo bảng chân trị

Sơ đồ chân của 7805: chân 1 là chân điện áp vào(V in), chân 2 (chân mass GND),chân 3( chân điện áp ra V out).

Hình 1.3: Hình vẽ thực tế của 78xx.

1.4 IC IR2101:

- Chịu được dòng điện âm dV/dt

- Dải cấp cho cổng điều khiển từ 10V-20V

- Khóa điện áp thấp

- 3,3V, 5V và 15V là đầu vào cổng logic tương ứng

- Trễ lan truyền trên cả hai kênh

Hình 1.5: Sơ đồ chân IC IR2101.

Hình 1.6: Cấu trúc bên trong IC IR2101 Bảng 1.4: Các đặc tính điện động IC IR2101.

11

Bảng 1.5: Các đặc tính điện tĩnh IC IR2101.

Bảng 1.6: Chú thích chân linh kiện IC IR2101.

1.5 MOSFET:

 Giới thiệu về Mosfet:

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistorthông thường mà ta đã biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường đểtạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuếch đại cácnguồn tín hiệu yếu, Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồnmáy tính

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn ,còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS).

Khi điện áp UGS= 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng

từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ

 Nguyên tắc hoạt động của Mosfet:

M ạ c h đ i ệ n t h í n gh i ệ m :

Hình 1.10: Mạch điện thí nghiệm hoạt động của mosfet.

Thí nghiệm : Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực D và S củaMosfet Q (Phân cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa là không

có dòng điện đi qua cực DS khi chân G không được cấp điện

Khi công tắc K1 đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V

RDS giảm xuống

 IRF540: Là mosfet loại N:

- Điện áp hoạt động cực đại: Umax = 100v, dòng tối đa: Imax = 22A

- Những ứng dụng:

+Bộ biến đổi DC - DC hiệu quả cao

+UPS và điều khiển mô tơ

15

1.6 Động cơ một chiều :

 Khái niệm:

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện từ quay,làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điệnchạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) và làmdây dẫn chuyển động Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng

 Ưu điểm của động cơ một chiều:

Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phátđiện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điệnmột chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng

bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đikèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điềuchỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lạiđạt chất lượng cao Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ khoảng75% - 85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn khoảng 85% - 94% Công suấtlớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trămcho đến 1000v Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế củađộng cơ và chế tạo những máy công suất lớn hơn đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp

vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp của mình trong phạm vi đề tài này em không thể đềcập nhiều vấn đề lớn mà chỉ đề cập tới vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có đảo chiềucủa động cơ một chiều kích từ độc lập

Phương pháp được chọn là bộ băm xung đây có thể chưa là phương pháp mang lạihiệu quả kinh tế cao nhất nhưng nó được sử dụng rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm

mà ta sẽ phân tích và đề cập sau này

 Cấu tạo của động cơ điện một chiều:

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh (stato) và phầnđộng (roto)

- phần tĩnh hay stato: Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ

trường Gồm có mạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ( nếu động cơ đượckích từ bằng nam châm điện)

Mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc ).

Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từCác cuộn dây điện từ này được nối tiếp với nhau

- Phần quay hay roto:

Là phần sinh ra suất điện động Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ( láthép kĩ thuật) xếp lại với nhau Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng(làm bằng dây điện từ )

Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhấtđịnh Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiếnđồng gọi là phiến góp

Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổgóp hay vành góp

- Các bộ phận khác:

+ Cực từ chính:

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõisắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắnchặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện

và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặttrên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

+ Cực từ phụ:

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thépcủa cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấurạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

+ Gông từ:

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

17