nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ biến đổi dc-ac chất lượng cao

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/PHẠM ĐÌNH LỊCH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT C

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

PHẠM ĐÌNH LỊCH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƢỢNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THÁI NGUYÊN - 2014

Trang 2

PHẠM ĐÌNH LỊCH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC CHẤT LƯỢNG CAO

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA

THÁI NGUYÊN - 2014

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và thể hiện trong đề tài là của riêng tôi, không sao chép các đề tài khác, nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường đề ra

Thái nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014

Người viết

Phạm Đình Lịch

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển vì

sự giúp đỡ và dìu dắt tận tình của thầy trong suốt quá trình em thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Xuân Minh vì những chỉ bảo của thầy

đối với những vấn đề kỹ thuật mà em gặp phải

Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa điện, trường Đại học

kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, những Nhà giáo đã truyền dạy cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện và động viên tôi hoàn thành đề tài này

Do thời gian hoàn thành đề tài có hạn, nên khó tránh khỏi những khiếm khuyết Em rất mong được sự động viên và đóng góp ý kiên của các thầy cô giáo

Thái Nguyên, ngày 03 tháng 03 năm 2014

Người viết

Phạm Đình Lịch

Trang 5

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ khối cơ bản trong bộ chuyển đổi DC-AC 4

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 5

Hình 1.3: Sơ đồ nghịch lưu môt pha có điểm giữa…… 6

Hình 1.4: Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu ……….7

Hình 1.5: Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin (SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE)……… 8

Hình 1.6: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM ……… …9

Hình 1.7a: Nguyên lý điều chế theo mẫu; thay thế hình sin bằng nấc thang………10

Hình 1.7b: Điều chế đối xứng ……… 10

Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng ……… 11

Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc ……… 11

Hình 1.9: Cấu tạo Ắc quy … ……… 12

Hình 1.10: Sơ đồ chân chíp Atmega8……….… 16

Hình 1.11: Sơ đồ khối Atmega8……… ….18

Hình 1.12: Cấu trúc bộ nhớ AVR……….19

Hình 1.13: Timer/Counter1……… 22

Hình 1.14: Thanh ghi TCCR1A ……… 23

Hình 1.15: Thanh ghi TCCR1B 23

Hình 1.16: Thanh ghi OCR1A 24

Hình 1.17: Thanh ghi OCR1B .24

Hình 1.18: Thanh ghi TIMSK 24

Hình 1.19: Thanh ghi TIFR 25

Hình 1.20: Ví dụ về tín hiệu PWM……… 26

Hình 1.21: Các mốc giá trị của T/C1………26

Hình 1.22: Dạng ngõ ra chế độ Fast PWM……… 27

Hình 1.23: Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B……… 27

Hình 1.24: Fast PMW mode 14…… ……… 28

Hình 1.25: Cấu trúc thanh ghi SREG 30

Trang 6

Hình 1.26: Cấu trúc thanh ghi ADMUX……… 31

Hình 1.27: Cấu trúc thanh ghi ADCSRA……… …… 32

Hình 1.28: Cấu trúc thanh ghi ADCH……… ………34

Hình 1.29: Cấu trúc thanh ghi ADCL…… ……… 34

Hình 1.30: Cấu trúc thanh ghi ADCSRB 34

Hình 2.1: Đặt các ngõ vào, ra tại các chân của VĐK……… 38

Hình 2.2: Hình ảnh và sơ đồ chân LM7805+LM7812 ……… 39

Hình 2.3: Mạch LM7805 tạo ra 5v……….… 39

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn……… ….39

Hình 2.5: Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại) 40

Hình 2.6: Mạch đo điện áp nguồn cấp cho BBĐ 41

Hình 2.7: Mạch phản hồi điện áp 41

Hình 2.8: Sơ đồ mạch bảo vệ quá nhiệt độ của BBĐ 42

Hình 2.9: Mạch bảo vệ quá tải 43

Hình 2.10: Các đèn led 44

Hình 2.11: Hệ thống còi báo hiệu 44

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý BBĐ……….45

Hình 2.13: Mạch in ……… 46

Hình 2.14: Sơ đồ khối về tín hiệu vào, ra……… … 46

Hình 2.15: Sơ đồ khối phần lập trình điều khiển……… 47

Hình 2.16: Lưu đồ thuật toán chương trình chính……….48

Hình 2.17.Sơ đồ thuật toán khối bảo vệ quá dòng điện trên tải……… 49

Hình 2.18: Chương trình ngắt của Timer1………49

Hình 2.19: Chương trình ngắt của Timer0………49

Hình 2.20: Chương trình ngắt ADC……… 50

Hình 2.21: Mạch in chưa lắp ráp linh kiện………51

Hình 2.22: IC Atmega8 và chân đế……… 51

Hình 2.23: IC khuếch đại thuật toán LM393N……….51

Hình 2.24: Hình ảnh Mosfet công suất IRF3205……… 52

Hình 2.25: Tranzitor 2SC2383 và 2SA1013……… 52

Trang 7

Hình 2.26: Đi ốt chỉnh lưu và đi ốt ổn áp……… 52

Hình 2.27: Hình ảnh về tụ điện……….52

Hình 2.28: Hình ảnh về Jắc cắm trong mạch………53

Hình 2.29: Hình ảnh rơ le 5 chân……… 53

Hình 2.30: Điện trở……… 53

Hình 2.31: Quạt làm mát……… 53

Hình 2.32a: Phía dưới của mạch điện……… 54

Hình 2.32b: Phía trên của mạch điện………54

Hình 2.33: Vật liệu chế tạo biến áp phản hồi dòng điện……… 55

Hình 2.34: Biến áp phản hồi dòng điện………55

Hình 2.35: Tôn silic làm biến áp công suất……… 55

Hình 2.36: Khung của biến áp……… 56

Hình 2.37: Cuộn dây của biến áp công suất……….56

Hình 3.1: Đồng hồ vạn năng……….57

Hình 3.2: Đòng hồ đo R,L,C 58

Hình 3.3: Máy hiện sóng (Oscilloscope) 59

Hình 3.4: Kết nối mạch lưc……….……… 59

Hình 3.5: Điện áp ra trên tải là 220V………60

Hình 3.6 Dạng sóng của dòng điện trên tải……… 60

Hình 3.7: Dạng sóng của điện áp ra khi không tải……… 61

Hình 3.8: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là bóng đèn sợi đốt công suất 300W…… 61

Hình 3.9: Hình chụp riêng dạng sóng của hình 3.8……… 62

Hình 3.10: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 bóng đèn tuýp……… 62

Hình 3.12: Dạng sóng ra trên tải, khi tải là 02 quạt điện……… 63

Hình 3.14: Hình chụp 1 chu kỳ, dạng sóng của hình 3.12………64

Hình 3.15: Chụp BBĐ từ trên xuống………65

Hình 3.16: Chụp mặt trước của BBĐ………65

Trang 8

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu: ……….………01

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BBĐ… ………… ……….……….04

1.1 Khái niệm chung về BBĐ……… ……….04

1.1.1.Khái niệm……… …… 04

1.1.2.Phân loại và công dụng ….…….……… …… 04

1.1.3.Sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối……….…….….04

1.1.4.Nguyên lý làm việc cơ bản của BBĐ……… 05

1.2 Nguyên lý làm việc của từng khối trong BBĐ……….….….05

1.2.1.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu……….…….… 05

1.2.1.1 Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu dòng một pha ……… …05

1.2.1.2.Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu 1 pha có điểm giữa……….…06

1.2.1.3.Nguyên lý nghịch lưu 1 pha dạng cầu……….….07

1.2.1.4.Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu……….……07

1.2.1.5.Mạch công suất của bộ nghịch lưu dạng cầu H………11

1.2.2.Nguyên lý làm việc của khối nguồn DC….……….………11

1.2.2.1.Giới thiệu chung về Ắc quy……….…… …… 11

1.2.2.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN:4472:93……….……….12

1.3 Giới thiệu về Atmega8……….… ……… 15

1.3.1.Tổng quan về Atmega8 ……… …….……….15

1.3.2.Sơ đồ khối của Atmega8……….……….18

1.3.3.Cấu trúc bộ nhớ……….………… 19

1.3.4.Timer/Counter trong Atmega8 và cách sử dụng……….………….20

1.3.4.1.Giới thiệu về Timer/Counter……….…………20

1.3.4.2.Sử dụng Timer/Counter……….…………21

1.3.4.3.Tạo PWM tần số cao (Fast PWM)……… ….27

1.3.5.Ngắt và sử dụng ngắt trong Atmega8……… 29

1.3.6.Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - Số trong Atmega8……….……….30

1.3.6.1.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRA……… … 32

Trang 9

1.3.6.2.Thanh ghi dữ liệu của bộ chuyển đổi ADC – ADCH và ADCL….……… 33

1.3.6.3.Thanh ghi trạng thái và điều khiển ADC ADCSRB……… … 34

1.3.7.Các thanh ghi PORT xuất nhập………35

1.3.7.1.Giới thiệu chung……… ……….35

1.3.7.2.Các chân Port dùng như các chân I/O số thông thường… ……….36

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BBB… ………… ……… 37

2.1.Thiết kế phần cứng BBĐ……….………37

2.1.1.Thiết kế bộ phận tổng hợp, xử lý và điều khiển BBĐ……… 37

2.1.2.Thiết kế khối nguồn cho VĐK……….……… 39

2.1.3.Mạch điều khiển (mạch tiền khuếch đại)……….40

2.1.4.Mạch đo điện áp vào………41

2.1.5.Mạch phản hồi điện áp……….41

2.1.6.Mạch bảo vệ quá nhiệt độ………42

2.1.7.Mạch bảo vệ quá tải……….43

2.1.8.Mạch hiển thị……… …… 44

2.1.9.Lựa chọn biến áp……… 45

2.1.10.Sơ đồ nguyên lý và mạch in……… 45

2.1.10.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện………45

2.1.10.2.Mạch in sau khi thiết kế……… ……… 46

2.2.Lưu đồ thuật toán………46

2.2.1.Sơ đồ khối tín hiệu vào ra……… ……… 46

2.2.2.Sơ đồ khối phần lập trình điều khển………47

2.2.3.Lưu đồ giải thuật điều khiển………48

2.2.4.Lưu đồ thuật toán chương trình bảo vệ quá dòng điện trên tải……… 49

2.2.5.Chương trình ngắt Timer1, Timer0 và ADC………49

2.3.Chế tạo BBĐ……… ……….50

2.3.1.Công tác chuẩn bị……….50

2.3.2.Lắp ráp mạch điện………50

2.3.3.Chế tạo biến áp BBĐ… ……….…55

2.3.3.1.Biến áp phản hồi dòng điện……… 55

Trang 10

2.3.3.2.Biến áp công suất……… 55

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG BBĐ……… 57

3.1.Thiết bị kiểm tra……… 57

3.1.1 Đồng hồ vạn năng……… 57

3.1.2.Đồng hồ đo R,L,C………58

3.1.3.Máy hiện sóng (Oscilloscope) 59

3.2.Kết quả thực nghiệm 59

3.3.Hướng phát triển 66

Tài liệu tham khảo 67

Trang 11

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, Ngành điện đóng vai trò hết sức quan trọng Vì không có điện, mọi mặt của đời sống xã hội, bị đình trệ Vậy thì điện năng của nước ta được sản xuất từ đâu? Phần lớn là từ các nguồn năng lượng truyền thống, như sức nước, nhiệt (than đá, khí đốt…) và khi nguồn năng lượng truyền thống này dần bị cạn kiệt, hoặc gây ra ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống, thì chúng ta cần có nguồn năng lượng mới để thay thế; như sức gió, hạt nhân hoặc năng lượng tái tạo

Với nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng, mà nguồn cung cấp điện năng từ thủy điện và nhiệt điện còn hạn chế, điện năng từ sức gió lại chỉ có thể áp dụng theo vùng, miền và có quy mô nhỏ, trong khi đó dự án điện hạt nhân phải đến

2020 mới có thể đi vào hoạt động và nguy cơ thiếu điện vẫn có thể xảy ra Mặt khác

do đường truyền dẫn của lưới điện, do kỹ thuật hoặc thiên tai nên xảy ra sự cố mất điện cục bộ là điều không tránh khỏi Để khắc phục sự cố này người ta phải tính đến các nguồn điện dự phòng như; Máy phát điện hoặc sử dụng bộ biến đổi DC-AC(BBĐ) Tuy nhiên những thiết bị này lại có những ưu nhược điểm khác nhau Với máy phát điện, có ưu điểm là đáp ứng được với tải có công suất vài KW đến hàng trăm KW, nhược điểm là giá thành khá cao, vận hành phức tạp, đặc biệt gây ra tiếng ồn BBĐ lại có nhiều ưu điểm hơn là đáp ứng nhanh, tính cơ động và không gây tiếng ồn nhưng có công suất nhỏ Vậy là giải pháp khắc phục cho sự cố mất điện bằng BBĐ, với phụ tải có công suất đến vài KW là hoàn toàn có khả thi

Hàng ngày chúng ta gặp nhiều các BBĐ; Trong kỹ thuật có BBĐ điện áp chất lượng cao dùng trong phòng thí nghiệm, trong các trạm viễn thông, trong quân

sự hoặc cung cấp cho các thiết bị chuyên dụng khác Trong dân dụng chúng ta thường gặp như các bộ lưu điện dùng cho máy vi tính, hay trong các bộ đèn tích điện sử dụng khi sự cố mất điện lưới

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều chủng loại, loại do công ty nước ngoài sản xuất, loại do công ty liên doanh sản xuất và loại do trong nước sản xuất;

- Trên thế giới: Nhiều công ty đã nghiên cứu sản xuất, điển hình như Công

Trang 12

ty APC sản xuất các BBĐ, loại có điện áp ra dạng sóng vuông, loại có điện áp ra chất lượng cao thuần sin[7] Tuy nhiên các sản phẩm được nhập khẩu đều có giá thành rất cao so với thu nhập của người dân Việt Nam Một số công ty của Trung Quốc sản xuất ra bộ biến đổi có chất lượng điện áp ra khá tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là khả năng chịu quá tải thấp, độ bền còn hạn chế

- Sản xuất trong nước: Hiện trong nước có một số công ty đã sản xuất và bán sản phẩm ra thị trường, tuy nhiên đa phần là nhập khẩu phụ kiện hoặc nhập khẩu dạng module sau đó lắp ráp tại Việt Nam Những loại sản phẩm này có giá thành khá cao, đặc biệt là các linh kiện thay thế khi sửa chữa thì không thông dụng tại thị trường Việt Nam Ví dụ Hồ điện, Power…

Với nhu cầu cao của thị trường về bộ BBĐ để giải quyết tình huống mất điện

lưới hoặc sử dụng pin năng lượng mặt trời nên em chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết

kế và chế tạo bộ biến đổi DC-AC chất lượng cao” là hết sức cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu

Hiện nay, trên thị trường Việt Nam có khá nhiều chủng loại BBĐ, đáp ứng khá tốt các yêu cầu của các phụ tải Tuy nhiên với kiến thức đã học em muốn vận dụng để nghiên cứu, chế tạo ra BBĐ với các linh kiện sẵn có tại Việt Nam, đảm bảo

về chất lượng điện áp ra, làm việc ổn định, dễ sử dụng và giá thành phù hợp với thu nhập của người dân Việt Nam

3 Ý nghĩa của đề tài

- Ứng dụng của BBĐ dùng trong điện sinh hoạt (không hòa lưới điện)

- Ứng dụng trong giảng dạy và học tập

5 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

- Sau khi lựa chọn và chính xác hóa đề tài với đề cương nghiên cứu đã soạn thì bắt tay vào thu thập dữ kiện dùng làm những chất liệu hình thành công trình nghiên cứu một cách khoa học

- Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo BBĐ và sử dụng các thiết bị đo như máy hiện sóng để kiểm tra chất lượng điện áp ra, sau đó đưa ra các giải pháp hiệu chỉnh đến khi đạt yêu cầu

- Phương pháp khảo sát: Khảo sát một số bộ biến đổi có trên thị trường để

Trang 13

tìm hiểu về nguyên lý làm việc, vận dụng chế tạo mạch điện, lựa chọn linh kiện và

sử dụng thiết bị đo để khảo sát chất lượng điện áp ra

- Phương pháp phân tích: Phân tích yêu cầu của đề tài và dựa vào kiến thức

cơ bản của bản thân để từ đó chọn phương án thực hiện đề tài

- Chương 2: Thiết kế và chế tạo BBĐ

- Chương 3: Khảo sát chất lượng BBĐ

- Kết luận

Trang 14

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC 1.1.Khái niệm chung về BBĐ

1.1.1.Khái niệm

BBĐ có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều

với tần số là tùy ý (còn gọi là bộ nghịch lưu).

1.1.2.Phân loại và công dụng

a Phân loại

- Phân loại theo điện áp: Loại 1 pha và 3pha

- Phân loại theo dạng sóng điện áp ra: Điện áp ra dạng sóng vuông và loại sóng sin

- Phân loại theo tình chất của BBĐ:

+ Trực tiếp hay gián tiếp

+ BBĐ dòng điện hay điện áp

Nguồn

ra

Tổng hợp

và Điều khiển

Trang 15

- Khối nguồn DC là nguồn một chiều (Pin, Ắc quy, Siêu tụ điện)

- Khối nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều

- Khối Đầu ra: Là khối cung cấp trực tiếp hay gián tiếp thông qua chuyển mạch, đưa điện áp xoay chiều đến phụ tải

- Khối tổng hợp và điều khiển:

+ Tổng hợp tín hiệu như bảo vệ như: Bảo vệ dòng điện, điện áp, nhiệt độ + Điều khiển đóng, mở các van trong bộ nghịch lưu

1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ biến đổi

BBĐ là bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, tức là; Khi đưa nguồn một chiều tới đầu vào của bộ nghịch lưu, thì đầu ra của bộ nghịch lưu có điện áp xoay chiều tương ứng, tần số có thể thay đổi được theo yêu cầu của phụ tải

1.2 Nguyên lý làm việc của từng khối trong BBĐ

1.2.1, Nguyên lý làm việc khối nghịch lưu

Tùy theo yêu cầu của phụ tải mà ta thiết kế bộ nghịch lưu là một pha hay ba pha Trong phạm vi của đề tài ta chỉ nghiên cứu bộ nghịch lưu một pha

1.2.1.1 Nghịch lưu dòng một pha:

Là mạch nghịch lưu có L bằng vô cùng ở đầu vào, làm cho tổng trở trong của nguồn có giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng Hình 1.2 trình bày sơ đồ nguyên

lý và mạch điện tương đương của Nghịch lưu nguồn dòng 1 pha tải RL Dòng i n

phẳng, không đổi ở một giá trị tải, được đóng ngắt thành nguồn AC cung cấp cho tải

Trang 16

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng

S1, S4 đóng: i0>0; S2, S3 đóng: i0<0

Vậy tải nhận được dòng AC là những xung vuông có biên độ phụ thuộc tải Và với dòng điện AC trên tải là những xung vuông thì chưa đáp ứng được yêu cầu của

đề tài này

1.2.1.2 Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa:

- Sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa có sơ đồ nguyên lý như hình 1.3 Nối điện áp một chiều vào các nửa dây quấn sơ cấp của các máy biến áp, bằng cách đổi nối luân phiên hai thyristor làm điện áp cảm ứng bên thứ cấp của máy biến áp

có dạng hình chữ nhật cung cấp cho động cơ Tụ điện C có vai trò giúp các thyristor chuyển mạch Vì tụ C mắc song song với tải qua máy biến áp nên phải mắc nối tiếp một cuộn dây L nối tiếp với nguồn để ngăn không cho tụ C phóng ngược trở lại nguồn trong quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn

- Khi một thyristor dẫn điện, điện áp nguồn một chiều E đặt vào một nửa cuộn dây sơ cấp Điện áp tổng cộng 2E được nạp cho tụ C Mở thyristor tiếp theo sẽ làm khoá thyristor trước, nhờ quá trình chuyển mạch qua tụ được mắc song song

Trang 17

- Trong trường hợp máy biến áp là lý tưởng, sức từ động của máy biến áp luôn cân bằng Trong thực tế, điện áp một chiều trên hai đầu dây quấn chỉ có thể được duy trì bằng từ thông biến thiên, do đó cần có dòng điện từ hoá ban đầu

- Để cải thiện dạng sóng của điện áp tải cho gần với sóng hình sin nên chọn các phần tử một cách thích hợp sao cho tránh được phần nằm ngang của điện áp, nghĩa là kích mở một thyristor gần thời điểm dẫn của thyristor khác, làm cho điện

áp tải có trị số cực đại

- Với sơ đồ nghịch lưu một pha có điểm giữa cho chất lượng điện áp ra chưa đạt yêu cầu của đề tài, nên ta phân tích thêm một số sơ đồ khác để đi đến lựa chọn

sơ nào có chất lượng điện áp ra tốt hơn

1.2.1.3 Nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu:

- Nguyên lý chung: Bộ nghịch lưu nguồn áp 1 pha dạng cầu (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng chữ H) chứa 4 công tắc và 4 diod mắc đối song (hình 1.4) Trong dạng này, trị trung bình áp tải phụ thuộc vào thời gian đóng, ngắt các khóa trong mạch

Nhưng phải luôn lưu ý rằng các cặp khóa S1, S3 và S2, S4 không được đóng

đồng thời, nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn gây nguy hiểm cho người và thiết bị

C

V

Tai

Vo

Hình 1.4 Sơ đồ dạng nghịch lưu áp 1 pha dạng cầu

1.2.1.4.Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

Trang 18

- Có nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp Có thể kể đến như phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM), phương pháp điều chế theo mẫu, phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu (optimum PWM), phương pháp điều rộng…Các phương pháp trên nhằm mục tiêu duy nhất là cho điện áp đầu ra có dạng càng gần sin càng tốt Thông thường dạng sóng tạo ra có 2 loại: tạo ra sóng sin

mô phỏng và true sin (thuần sin)

a.Dạng sóng sin mô phỏng:

Một sóng sin mô phỏng có dạng sóng gần với sóng vuông nhưng có giai đoạn chuyển đổi nên gần với sóng hình sin Hình dạng của các dạng sóng được vẽ trong Hình 1.5 dưới đây Sóng sin mô phỏng có thể được tạo dễ dàng bằng cách chuyển đổi bởi 3 mức tần số xác định Do đó, giá thành rẻ Tuy nhiên không phải thiết bị nào cũng có thể sử dụng loại nghịch lưu này

Hình 1.5: Các dạng sóng: sin mô phỏng (MODIRED SINE WAVE), thuần sin

(SINE WAVE), xung vuông (SQUARE WAVE) [3]

b, Dạng sóng true sin:

Để tạo ra dạng sóng true sin thì cũng có nhiều phương pháp

* Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM) bằng linh kiện điện tử số:

- Tín hiệu PWM tương tự[5], sử dụng bộ so sánh hai tín hiệu vào, gồm tín hiệu chuẩn và tín hiệu sóng mang để tạo ra tín hiệu dựa trên sự sai khác Tín hiệu chuẩn phải có dạng sin tần số cùng với tần số yêu cầu ở đầu ra, trong khi tín

Trang 19

hiệu sóng mang ở dạng sóng răng cưa hay tam giác và thường có tần số lớn hơn tần

số chuẩn

Khi tín hiệu sóng mang lớn hơn tín hiệu chuẩn, đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái (mức hấp) còn ngược lại đầu ra của bộ so sánh ở trạng thái thứ hai (mức cao) Quy trình này được mô tả trong hình1.6

-Trong đó, tín hiệu sóng mang là xung tam giác, tín hiệu chuẩn là tín hiệu sin

Hình 1.6: Sơ đồ cách tạo ra tín hiệu sin PWM [4]

Sau khi qua bộ so sánh xuất ra tín hiệu ở bên dưới để đóng ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu (ở đây là các khóa trong mạch cầu H sẽ được nói ở phần tiếp theo)

- Sự thay đổi của độ rộng xung trong tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và biến đổi nguồn Tín hiệu PWM có thể được tạo ra khi sử dụng các bộ vi điều khiển hoặc các bộ tạo tín hiệu chuyên dụng

* Điều biến độ rộng xung (Pusle Width Modulation - PWM), dùng vi điều khiển(VĐK) hay vi xử lý để điều biến theo phương pháp điều chế theo mẫu[3]:

- Dựa trên nguyên lý so sánh hai tín hiệu sin và sóng mang như đã giới thiệu

ở phần trên, khác biệt ở đây là sử dụng các timer/counter trong VĐK để tao ra các kênh PWM, điều khiển đóng, mở các khóa điện tử trong bộ cầu H

- Trong thực tế ngày nay thường dùng VĐK hoặc PIC để tạo tín hiệu PWM thay cho cách trước đây là tạo ra sóng mang và sóng chuẩn rồi đem so sánh với nhau

Trang 20

- Dùng VĐK để tạo sóng sin, thực chất là thay thế sóng sin bằng dạng sóng nấc thang như hình sau:

Hình 1.7a:Nguyên lý điều chế theo mẫu; thay thế hình sin bằng nấc thang[4]

- Có thể điều chế đối xứng hay không đối xứng Khi điều chế đối xứng, số

giá trị hình sin trong một chu kỳ bằng bội số điều chế N = f c / f 0 (tần số lấy mẫu

bằng tần số sóng tam giác) như hình 1.7b

Hình 1.7b: Điều chế đối xứng[3] Hình 1.7c: Điều chế không đối xứng[3]

- Bề rộng xung ở kỳ lấy mẫu thứ n được tính theo công thức sau:

- Trong đó: T S là chu kỳ lấy mẫu, u n (n) là áp chuẩn lấy mẫu kỳ thứ n,

UC, UM là biên độ sóng mang tam giác và áp chuẩn hình sin Từ các biểu thức trên có thể tính trước hàm sin(n.2π/N) chứa vào ROM và tính theo độ rộng các TS, tỉ số U M / U C

- Khi điều chế không đối xứng số lần tính hàm sin tăng lên gấp đôi (như hình 1.7c)

- Để nâng cao biên độ tín hiệu PWM nhằm tránh nhiễu cho các khóa, người

ta thường sử dụng transistor hoặc các linh kiện chuyển mạch khác

Trang 21

- Sử dụng VĐK có ưu điểm sau:

+ Tín hiệu ra gần đúng với tín hiệu sin chuẩn (true sin)

+ Lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều

+ Giá thành không quá đắt

+ Giải thuật tính toán cũng không quá phức tạp

+ Có thể cùng một lúc tạo nhiều tín hiệu PWM

+ Ngoài ra, còn có thể sử dụng các cổng còn lại của VĐK để thực hiện các chức năng khác như giám sát, điều khiển, hiển thị…

Với những ưu điểm của VĐK như đã phân tích ở trên, nên chọn VĐK Atmega8 (AVR) để ứng dụng trong đề tài này

1.2.1.5 Mạch công suất của bộ nghịch lưu (cầu H)

- Mạch cầu H là một mạch chuyển mạch tạo bởi 4 linh kiện sắp xếp theo hình chữ H Bằng cách điều khiển các khóa trong mạch ta có thể tạo điện áp dương,

âm và 0V trên tải Mạch cầu H cơ sở được thể hiện qua hình 1.8

Hình 1.8: Sơ đồ đơn giản của mạch cầu H sử dụng Mosfet làm công tắc

- Quan hệ giữa tình trạng hoạt động của các linh kiện trong mạch và điện áp trên tải được mô tả trong bảng 1.1

- Lưu ý là các trường hợp khác đã được loại trừ, ví dụ ngắn mạch

Bảng 1.1 Sơ đồ trạng thái đóng ngắt các khóa trên mạch cầu H

Trang 22

1.2.2.Nguyên lý làm việc của khối nguồn DC

Thực tế có nhiều cách để cấp nguồn DC cho BBĐ, như dùng điện thu được

từ pin mặt trời, pin nhiên liệu hay ắc quy, siêu tụ điện… Với mục tiêu của đề tài là chế tạo BBĐ dùng trong sinh hoạt cho các hộ gia đình, để thuận tiện trong việc ứng dụng nên ắc quy là lựa chọn phù hợp

1.2.2.1, Giới thiệu chung về Ắc quy

- Đối với ắc quy, trên thị trường cũng có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên loại

ắc quy được đề cập đến trong đề tài là ắc quy axit

- Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Dòng điện trong bình ắc quy tạo ra do phản ứng điện phân giữa vật liệu trên bản cực và dung dịch H2SO4

- Bình ắc quy được làm từ nhiều tế bào ắc quy (cell), ta gọi đó là những ắc quy đơn, được đặt trong 1 vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng

- Mỗi ắc quy đơn có điện thế khoảng 2V Ắc quy 12V có 6 ắc quy đơn mắc nối tiếp

- Muốn có điện thế cao hơn ta mắc nối tiếp nhiều ắc quy lại với nhau như hình sau

Hình 1.9: Cấu tạo Ắc quy

- Khi sử dụng hay nạp điện và bảo dưỡng cho ắc quy, cần tuân thủ nghiêm ngặt theo quy định của nhà sản xuất

- Những dấu hiệu cho thấy ắc quy đã đầy điện khi nạp

Trang 23

+ Hiện tượng sủi bọt rất mạnh xảy ra xung quanh cực âm và cực dương + Tỷ trọng chất điện phân so với nước đạt 1.12 – 1.22 đối với ắc quy cố định

và 1.25 – 1.30 đối với ắc quy di động

+ Hiệu điện thế đạt 2.7 – 2.8 và ổn định trong suốt 3h

+ Dung lượng nạp vào gấp 1.2 – 1.3 lần dung lượng định mức

1.2.2.2.Tiêu chuẩn ắc quy: TCVN : 4472 : 93 [6]

- Tiêu chuẩn này áp dụng cho các loại ắc quy chì dùng cho mục đích khởi động có điện áp danh định 6V và 12V

- Bình ắc quy phải đảm bảo gắn kín, không thoát hơi ở quanh chân đầu điện cực và quanh nắp, áp suất chân không trong bình 21 ± 1.33 Kpa (160 ± 10 mmHg)

- Khi đặt nghiêng bình ắc quy một góc 450 so với vị trí làm việc, điện dịch không được chảy ra ngoài

- Nhựa gắn kín nắp bình ắc quy phải đồng nhất, chịu được axit, không thấm nước và chịu được sự thay đổi nhiệt độ từ (-30) đến 600

Điện áp đầu ra (V)

Sau 5-7s từ lúc bắt đầu phóng

Điện áp cuối

Loại bình 6v

Loại bình 12v

Loại bình 6v

Loại bình 12v

C Bình ắc quy phải ngừng phóng điện khi điện áp ở hai đầu điện cực giảm đến 5.25V (đối với bình 6V) và 10.5V (đối với bình 12V)

Trang 24

- Khả năng phóng điện khởi động của ắc quy

- Khả năng phóng điện khởi động được xác định bằng khả năng phóng điện ở chu kì thứ 4 với dòng phóng Ip = 3C20 (A) Chỉ tiêu này để áp dụng cho ắcquy

không thuộc loại tích điện khô Các thông số của ắc quy phải đạt như theo bảng 1.4

Bảng 1.3: Khả năng phóng điện của ắc quy

Thời gian tối

Điện áp đầu ra Sau 5-7s từ lúc bắt đầu

phóng

Điện áp cuối

Loại bình 6V

Loại bình 12V

Loại bình 6V

Loại bình 12V

- Khả năng nhận nạp điện: được xác định bằng dòng điện nạp Bình ắc quy mới chưa qua sử dụng sau khi nạp no, phóng điện 5 giờ với Ip = 0.1C20 (A), sau đó nạp với điện áp 7.2V (đối với bình 6V) và 14.4V (đối với bì.nh 12V), trong 10 phút, dòng điện nạp không nhỏ hơn 0.1C20 (A)

- Khả năng chịu được nạp quá áp của ắc quy: Bình ắc quy phải chịu được nạp quá bằng dòng điện liên tục không đổi In = 0.1C20 (A) trong 100 giờ với 4 chu

kỳ liên tục Sau mỗi chu kì nạp 100 giờ để hở mạch 68 giờ và phóng kiểm tra bằng dòng điện Ip = 3C20 (A) ở nhiệt độ 40±30C để đến điện áp cuối của ắc quy theo bảng 2.2 Thời gian phải đạt trên 4 phút

- Tổn thất dung lượng (tự phóng) của bình ắc quy: tổn thất dung lượng so với dung lượng danh định sau 14 ngày đêm không giảm quá 14%

- Tuổi thọ của ắc quy (tính theo chu kỳ phóng nạp điện): Tuổi thọ ắc quy phải đạt thấp nhất 240 chu kỳ theo phép thử quy định trong tiêu chuẩn này

- Ghi nhãn: Tên mỗi bình ắc quy phải ghi rõ và bền:

+ Tên nhà máy sản xuất

+ Dấu hiệu hàng hóa sản xuất

+ Kí hiệu quy ước ắc quy; dung lượng danh định (Ah); điện áp (V)

+ Kí hiệu đầu cực: Cực dương “+” và âm “ - ”

+ Thời gian sản xuất

Trang 25

+ Kí hiệu tiêu chuẩn này (TCVN:4472:93)

1.3 Giới thiệu về Atmega8

1.3.1.Tổng quan về Atmega8

* Giới thiệu về vi điều khiển AVR

- AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất AVR là chip vi điều khiển 8 bit với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa – RISC (Reduced Instruction Set Computer) AVR có nhiều ưu điểm so với các chip vi điều khiển 8 bit khác, cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:

- Gần như không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR

- Mạch nạp đơn giản Một số AVR còn hỗ trợ lập trình on-chip bằng bootloader không cần mạch nạp

- Bên cạnh lập trình bằng ngôn ngữ ASM (Assembly), cấu trúc AVR được thiết kế tương thích với ngôn ngữ C

- Hầu hết chip AVR có những tính năng (features) sau:

+ Có thể sử dụng xung clock lên đến 12MHz, hoặc sử dụng xung clock nội

lên đến 8MHz

+ Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại nhiều lần và dung lượng lớn,

có SRAM lớn và có bộ nhớ lưu trữ lập trình được EEPROM

+ Nhiều ngõ vào ra (I/O Port) 2 hướng

+ Timer/counter 8 bít, 16 bít; tích hợp PWM

Trang 26

+ Các bộ chuyển đổi ADC (Analog – Digital) gồm 8 kênh, độ phân giải 10

bit

+ Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)

+ Giao diện nối tiếp USART

+ …

* Sơ đồ chân chíp Atmega8

Chip Atmega8 được đóng gói trong hai dạng vỏ khác nhau như hình 1.10

Hình 1.10: Sơ đồ chân chíp Atmega8.[8]

* Thông số kỹ thuật :

- 32 x 8 thanh ghi làm việc mục đích chung

- Tốc độ hoạt động lên đến 12 triệu lệnh/s tại tần số 12MHz

- Bộ nhớ;

+ 8KB bộ nhớ chương trình dạng flash có thể tự lập trình trong hệ thống

Trang 27

+ 512 Bytes EEPROM

+ 1KB SRAM trên chip

+ 1 timer/counter 16 bít với bộ Prescaler độc lập, chế độ so sánh

+ 2 kênh điều chỉnh độ rộng xung PWM

+ Khối chuyển đổi tương tự - số (ADC) 8 kênh

+ Giao tiếp nối tiếp

*Mô tả các chân và tính năng:

- VCC: điện áp nguồn nuôi

- GND: nối mass

- PortB và PortD có thể dùng làm ngõ vào/ra

- PortC nhận vào tín hiệu Analog và chuyển đổi thành tín hiệu Digital Ngoài

ra còn dùng làm ngõ vào/ra

- Reset: Lối vào đặt lại Bộ VĐK sẽ được đặt lại khi chân này ở chế độ thấp

- Xtal1, Xtal2: lần lượt là lối vào và lối ra của bộ khuếch đại đảo bộ khuếch đại này được bố trí để làm bộ tạo dao động trên chip (có thể sử dụng thạnh anh) Để điều khiển bộ VĐK từ một nguồn xung nhịp bên ngoài, chân XTAL2 để trống, còn chân XTAL1 được nối với nguồn dao động bên ngoài

AREF: Là chân chuyển đổi tín hiệu analog cho bộ chuyển đổi Analog digital

AVCC là chân nguồn

Trang 28

1.3.2.Sơ đồ khối

Trang 29

Hình 1.11 Sơ đồ khối Atmega8[8]

Trang 30

- Atmega8 có tập lệnh phong phú về số lượng với 32 thanh ghi làm việc đa năng Toàn bộ 32 thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy cập 2 thanh ghi độc lập bằng một chu kỳ xung nhịp

- Khi sử dụng VĐK Atmega8, có rất nhiều phần mềm được dùng để lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio của Atmel, Trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C… Trình dịch C đã được nhiều người dụng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR C Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt hơn

1.3.3.Cấu trúc bộ nhớ

- AVR có cấu trúc Havard trong đó đường truyền cho bộ nhớ dữ liệu (data memory bus) và đường truyền cho bộ nhớ chương trình (Program memory bus) được tách riêng Data memory bus chỉ có 8 bit và được kết nối với hầu hết các thiết

bị ngoại vi, các Register File Trong khi đó, program memory bus có độ rộng 16 bit

và chỉ phục vụ cho thanh ghi lệnh (instruction register)

- Bộ nhớ chương trình (program memory) là bộ nhớ Flash lập trình được

32 Gen Perpose Working Registers

64 I/O Registers

Internal SRAM (512x8)

S0000

S001F S0020

S005F S0060

S000

S1FF

Trang 31

Hình 1.12: Cấu trúc bộ nhớ AVR[8]

- Bộ nhớ dữ liệu (data memory) : Đây là phần chứa các thanh ghi quan trọng nhất của chip Bộ nhớ dữ liệu trên các chip AVR có độ lớn khác nhau tùy theo mỗi loại chip Tuy nhiên về cơ bản bộ nhớ này được chia làm các phần :

- Tệp thanh ghi (Register file) : Gồm 32 thanh ghi 8 bit có địa chỉ tuyệt đối

từ 0x0000 đến 0x001F Các thanh ghi này được đặt tên là từ R0 đến R31

Chúng có đặc điểm :

+ Được truy cập trực tiếp trong các instruction

+ Các toán tử, phép toán thực hiện trên các thanh ghi này chỉ cần một xung Clock

+ Tệp thanh ghi được kết nối trực tiếp với bộ xử lý trung tâm, CPU chip + Chúng là nguồn chứa các số hạng trong các phép toán và cũng là đích chứa kết quả

+ Các thanh ghi vào ra (thanh ghi I/O hay còn gọi là vùng nhớ I/O) là cổng giao tiếp giữa CPU với thiết bị ngoại vi Tất cả các thanh ghi điều khiển, trạng thái

… của thiết bị ngoại vi đều nằm ở đây

+ RAM ngoại (External RAM) : Các chip vi điều khiển AVR cho phép người dùng có thể gắn thêm RAM ngoài để chứa biến, vùng này thực chất chỉ tồn tại khi nào người sử dụng gắn thêm bộ nhớ ngoài vào chip

+ EEPROM (Electrical Erasable Programmable ROM) là một phần quan trọng của các chip AVR mới, vì là ROM nên bộ nhớ này không bị xóa ngay cả khi không cấp nguồn nuôi chip, rất thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ dữ liệu

1.3.4 Timer/Counter trong atmega8 và cách sử dụng

1.3.4.1 Giới thiệu về Timer/Counter

- Timer/Counter là một module độc lập với CPU Chức năng chính của các

bộ Timer/Counter, như tên gọi của chúng, là định thì (tạo ra một khoảng thời gian, đếm thời gian ) và đếm sự kiện Trên các chip AVR, các bộ Timer/Counter còn có thêm chức năng tạo ra các xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation), ở một

số dòng AVR, một số Timer/Counter còn được dùng như các bộ canh chỉnh thời gian (calibration) trong các ứng dụng thời gian thực Các bộ Timer/Counter được

Trang 32

chia theo độ rộng thanh ghi chứa giá trị định thời hay giá trị đếm của chúng, cụ thể trên chíp Atmega8 có 2 bộ timer 8 bit (Timer/Counter0 và Timer/Counter2) và 1 bộ

16 bit (Timer/Counter1) Chế độ hoạt động và phương pháp điều khiển của từng Timer/Counter cũng không hoàn toàn giống nhau

- Timer/Counter0: Là một bộ định thời, đếm đơn giản với 8 bit Gọi là đơn

giản vì bộ này chỉ có một chế độ hoạt động (mode) so với 5 chế độ của Timer/Counter1 Chế độ hoạt động của Timer/Counter0 thực chất có thể coi như hai chế độ nhỏ (và cũng là hai chức năng cơ bản) đó là tạo ra một khoảng đếm thời gian

và đếm sự kiện

- Timer/Counter1: Là bộ định thời, đếm đa năng 16 bit Bộ Timer/Counter có

5 chế độ hoạt động chính Ngoài các chức năng thông thường, Timer/Counter1 còn được dùng để tạo ra xung điều rộng PWM dùng cho các mục đích điều khiển Có thể tạo ra 2 tín hiệu PWM độc lập trên các chân OC1A (chân15) và OC1B (chân 16) bằng Timer/Counter1

- Timer/Counter2: Tuy là module 8 bit như Timer/Counter0 nhưng

Timer/Counter2 có đến 4 chế độ hoạt động như Timer/Counter1, ngoài ra nó còn được sử dụng như môt module canh chỉnh thời gian cho các ứng dụng thời gian thực (chế độ asynchronous) Chế độ asynchronous của Timer/Counter2 sẽ được bỏ qua vì chế độ này không được sử dụng phổ biến Trước khi khảo sát hoạt động của các Timer/Counter, ta thống nhất cách gọi các Timer/Counter là T/C, ví dụ T/C1 để chỉ Timer/Counter1…

1.3.4.2 Sử dụng Timer/Counter

a, Một số khái niệm:

+ BOTTOM: Là giá trị thấp nhất mà T/C có thể đạt được, giá trị này luôn là0 + MAX: Là giá trị lớn nhất mà T/C có thể đạt được, giá trị này được quy định bởi giá trị lớn nhất mà thanh ghi T/C có thể chứa được Ví dụ một bộ T/C 8 bit thì giá trị MAX là 0xFFF (tức là 255 trong hệ thập phân), với T/C 16 bit thì MAX là 0xFFFF (65535) Như thế MAX là giá trị trong mỗi T/C

Trang 33

- TOP: Là giá trị mà khi T/C đạt đến nó có thể thay đổi trạng thái, giá trị này không nhất thiết là lớn nhất 8 bit hay 16 bit như MAX, giá trị của TOP có thể bằng cách điều khiển các bit điều khiển tương ứng hoặc có thể nhập trực tiếp thông qua một số thanh ghi

- Như đã giới thiệu ở phần trên Timer/Counter1 có chức năng tạo ra xung điều rộng PWM dùng cho các mục đích điều khiển Vì vậy ta chỉ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của nó và phương pháp tạo ra tín hiệu PWM bằng Timer/Counter1

b,Timer/Counter1:

- Timer/Counter1 là bộ thanh ghi 16 bit, đa chức năng Đây là bộ T/C lý tưởng cho lập trình đo lường và điều khiển vì có độ phân giải cao (16bit) và có khả năng tạo xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation)

- Thanh ghi: Có nhiều thanh ghi liên quan đến T/C1 Vì là T/C1 16 bit trong khi độ rộng bộ nhớ dữ liệu của AVR là 8 bit nên đôi khi cần dùng những cặp thanh ghi 8 bít tạo thành 1 thanh ghi 16 bit, 2 thanh ghi 8 bit sẽ có tên kết thúc bằng ký tự

L và H Trong đó L là thanh ghi chứa 8 bit thấp (LOW) và H là thanh ghi chứa 8 bit cao (High) của giá trị 16 bit mà chúng tạo thành

- TCNT1H và TCNT1L (Timer/Counter Register): Là 2 thanh ghi 8 bit tạo thành thanh ghi 16 bit (TCNT1) chứa giá trị vận hành của T/C1 cả hai thanh ghi này cho phép ta đọc và ghi giá trị một cách trực tiếp Hai thanh ghi được kết hợp với nhau như sau:

TCNT1H TCNT1L

Trang 34

Generating Mode – WGM), các bit quy định dạng ngõ ra (Compare Output Match- COM), các bit chọn giá trị chia prescaler cho xung nhịp (Clock Select-CS) Cấu trúc của 2 thanh ghi được trình bày như sau:

Bảng 1.4: chức năng các bit CS12, CS11 và CS10.

0 0 0 No clock soure (Timer/Counter stopped)

0 0 1 ClkI/O (No prescaling)

0 1 0 ClkI/O/8 (From prescaler)

1 1 0 Extemal clock soure on T1 pin clock on palling edge

1 1 1 Extemal clock soure on T1 pin clock on rising edge

- OCR1A và OCR1B (Output Compare Register A và B): Cần phải lưu ý đến khái niệm là Output Compare Trong lúc T/C hoạt động, giá trị thanh ghi TCNT1 tăng, giá trị này được liên tục so sánh với các thanh ghi OCR1A và OCR1B (so sánh độc lập với từng thanh ghi), việc so sánh này trên AVR gọi là Output Compare Khi giá trị so sánh bằng nhau thì 1 “Match” xảy ra, khi đó 1 ngắt hoặc 1

TCCR1A

TCCR1B

Trang 35

sự thay đổi trên chân OC1A (hoặc/và chân OCR1B) xảy ra (đây là cách tạo PWM bởi T/C1)

- Tóm lại, cơ bản hai thanh ghi này chứa các giá trị để so sánh, chức năng và các chế độ hoạt động cụ thể của chúng được khảo sát trong phần sau:

Hình 1.17: Thanh ghi OCR1B

- ICR1 ( Input Capture register 1): Khái niệm mới thứ 2 của T/C1 là Input Capture Khi có một sự kiện trên chân ICP1 (chân 14 VĐK), thanh ghi ICR1 sẽ

„Capture” giá trị của thanh ghi đếm TCNT1 Một ngắt có thể xảy ra trong trường hợp này, vì thế Input Capture có thể dùng để cập nhật giá trị TOP của T/C1

- TIMSK (Timer/Conter Interrupt Mask Register): Các bộ T/C trên AVR dùng chung thanh ghi mặt nạ ngắt, vì thế TIMSK cũng được dùng để quy định ngắt cho T/C1

7 6 5 4 3 2 1 0

R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

0 0 0 0 0 0 0 0

Hình 1.18: Thanh ghi TIMSK

+ Bit 2 trong TIMSK là TOIE1, bit quy định ngắt tràn cho thanh ghi T/C1 + Bit 3, OCIE1B là bít cho phép ngắt khi có 1 „„Match‟‟ xảy ra trong việc so sánh TCNT1 với OCR1B

OCR1AH OCR1A1L

OCR1BH OCR1BL

TIMSK

Trang 36

+ Bit 4, OCR1A là bit cho phép ngắt khi có 1 „„Match‟‟ xảy ra trong việc so sánh TCNT1 với OCR1A

+ Bit 5, TICE1 là bit cho phép ngắt trong trường hợp Input Capture được

dùng

+ Cùng với việc set các bit trên, bit I trong thanh ghi trang thái phải được set nếu muốn sử dụng ngắt

- TIFR (Timer/Counter Interrupt Flag Register): Là thanh ghi cờ nhớ cho tất

cả các bô T/C Các bít từ 2 đến 5 trong thanh ghi này là các cờ trạng thái của T/C1

7 6 5 4 3 2 1 0

R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

0 0 0 0 0 0 0 0

Hình 1.19: Thanh ghi TIFR

- Các mode hoạt động: Có tất cả 5 chế độ hoạt động chính trên T/C1 Các chế độ hoạt động cơ bản được quy định bởi 4 bit (WGM13, WGM12, WGM11, WGM10) và một số bit phụ khác Các chế độ hoạt động của T/C1 được tóm tắt trong bảng sau;

Bảng 1.5: Các bit WGM và các chế độ hoạt động của T/C1[8].

Mode WGM 13 WGM12

(CTC1)

WGM11 (PWM11)

WGM10 (PWM10)

Timer/counter Mode of

OCR1x

TOV1 Flag Set on

0 0 0 0 0 Nomal 0xFFFF Immediate Max

1 0 0 0 1 PWM phase correct, 8 bit 0x00FF TOP BOTTOM

5 0 1 0 1 Fast PWM, 8 bit 0x00FF TOP TOP

8 1 0 0 0 PWM,Phase and frequency

correct

ICR1 BOTTOM BOTTOM

9 1 0 0 1 PWM,Phase and frequency

correct

OCR1A BOTTOM BOTTOM

10 1 0 1 0 PWM, Phase correct ICR1 TOP BOTTOM

11 1 0 1 1 PWM, Phase correct OCR1A TOP BOTTOM

12 1 1 0 0 CTC ICR1 Immediate Max

15 1 1 1 1 Fast PWM OCR1A TOP TOP

* Chế độ thường (Normal mode);

TIFR

Trang 37

Đây là chế độ hoạt động đơn giản nhất của T/C1 Trong chế độ này, thanh ghi TCNT1 được tăng từ giá trị 0 đến 65535 và quay về 0 Chế độ này hoàn toàn giống cách mà T/C0 hoạt động chỉ có khác là giá trị đếm cao nhất là 65535 thay vì

255 như T/C0 Nhìn vào bảng 1.5, để set T/C1 ở nomal mode ta cần set 4 bit WGM

về 0, vì 0 là mặc định của thanh ghi nên thực tế ta khong cần tác động đến các bit WGM Duy nhất một việc quan trọng cần làm là set các bit clock select (CS12, CS11CS10) trong thanh ghi TCCR1B

* Tạo ra PWM bằng Timer/Counter1

- Trước khi bắt đầu tìm hiểu các chế độ PWM ta cần hiểu thế nào là PWM và nhắc lại các khái nệm giá trị đếm của Timer1 trên AVR Trước hết, PWM được hiểu là ‟‟xung điều rộng“ là khía niệm chỉ tín hiệu xung mà thường thì chu kỳ (Time period) của nó được cố định, Duy cycle (thời gian tín hiệu ở mức HIGH) của

nó có thể thay đổi Mô tả hình 1.20

Hình 1.21: Các mốc giá trị của T/C1

Trang 38

- BOTTOM luôn được cố dịnh là 0, MAX luôn là 0xFFFF (65535) TOP là giá trị người dùng định nghĩa, giá trị TOP có thể được cố định là 0xFF, 0x1FF, 0x3FF hoặc định nghĩa bởi các thanh ghi ICR1 hoặc OCR1A Thực chất đối với ứng dụng PWM thì TOP chính là Timer period của PWM Do mục đích sử dụng mà

ta có thể chọn TOP là các giá trị cố định hay các thanh ghi Ouput Compare là giá trị so sánh bộ Timer

- Trong chế độ PWM thì Output Compare quy định Duty cycle Với T/C1, Output Compare là giá trị trong thanh ghi OCR1A và OCR1B Do đó có 2 thanh ghi độc lập A và B, tương ứng chúng ta có thể tạo ra 2 tín hiệu trên chân OC1A và OC1B bằng T/C1

1.3.4.3 Tạo PWM tần số cao (Fast PWM)

- Trong chế độ Fast PWM, 1 chu kỳ được tính trong 1 lần đếm từ BOTTOM lên TOP (single-slope), vì thế mà chế độ này gọi là Fast PWM (PWM nhanh) Hình 1.22: mô tả ngõ ra qua biểu đồ thời gian như sau:

7 6 5 4 3 2 1 0

Trang 39

7 6 5 4 3 2 1 0

Hình 1.23: Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B

- Chú ý các bit COM1A1, COM1A0 và COM1B1, COM1B0 là các bit chọn dạng tín hiệu ra của PWM (Compare Output Mode bits)

- COM1A1, COM1A0 dùng cho kênh A và COM1B1, COM1B0 dùng cho kênh B Hãy đối chiếu bảng 1.6

Bảng 1.6 : Mô tả các bit COM trong chế độ fast PWM[8]

COM1A1/

COM1B1

COM1A0/

0 0 Normanl port operation, OC1A/OC1B dicsconnected

0 1 WGM13:0=15; Toggle OC1A on Compare Match, OC1B

disconnected (nomal port operation) For all other WGM1 settings, normal port operation, OC1A/OC1B disconnected

1 0 Clear OC1A/OC1B on Compare Match, set OC1A/OC1B at

TCCR1B

Trang 40

0 đến OCR1A và “HIGH” từ OCR1A đến ICR1, đây gọi là “set OC1A/OC1B on Compare Match, clear OC1A/OC1B at TOP” (ngược với tín hiệu trên hình 1.24) Hoạt động của fast PWM kênh B hoàn toàn tương tự, trong đó thanh ghi ICR1 cũng chứa TOP của PWM kênh B và thanh ghi ICR1B chứa duty cycle Như vậy 2 kênh

A và B có cùng tần số hay Time period và duty cycle được điều khiển độc lập Chân xuất tín hiệu PWM của kênh B là chân OC1B (chân 16 trên AVR)

- Vậy, trong đề tài này ta chọn mode 14 để tạo xung PWM

1.3.5.Ngắt và sử dụng ngắt trong Atmega8

- Interrupts, thường được dịch là Ngắt, là một “tín hiệu khẩn cấp” gửi đến bộ

xử lí, yêu cầu bộ xử lí tạm ngừng tức khắc các hoạt động hiện tại để “nhảy” đến một nơi khác thực hiện một nhiệm vụ “khẩn cấp” nào đó, nhiệm vụ này gọi là trình phục

vụ ngắt – isr (interrupt service routine) Sau khi kết thúc nhiệm vụ trong isr, bộ đếm chương trình sẽ được trả về giá trị trước đó để bộ xử lí quay về thực hiện tiếp các nhiệm vụ còn dang dở Như vậy, ngắt có mức độ ưu tiên xử lí cao nhất, ngắt thường được dùng để xử lí các sự kiện bất ngờ nhưng không tốn quá nhiều thời gian Các tín hiệu dẫn đến ngắt có thể xuất phát từ các thiết bị bên trong chip (ngắt báo bộ đếm timer/counter tràn, ngắt báo quá trình gửi dữ liệu hay do các tác nhân bên ngoài

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	2,49 MB