Thiết kế và thi công máy khoan mạch in

Như thế: Máy NC là loại máy công cụ hoạt động tự động một phần hoặc toàn phần với cáclệnh được thể hiện bằng dạng tín hiệu là các chữ số được mã hóa xác định ghi trên băng từ, đĩatừ hoặc

Chương 1 Tổng Quan

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

Ngày nay bên cạnh sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp máy tính thì lĩnh vựcđiều khiển tự động cũng không ngừng phát triển theo Các máy tự động đã ra đời và dần dầnthay thế lao động thủ công của con người Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển của ngành côngnghệ thông tin cả phần cứng lẫn phần mềm thì các máy công cụ đã hoàn toàn trở nên thực sự tựđộng, gia công nhanh và đảm bảo độ chính xác cao như các máy tiện, phay, khoan CNC…với sựhỗ trợ của phần mềm Cad-Cam Sự phát triển của công nghệ không ngoài mục đích nào khác làphục vụ nhu cầu lợi ích con người, cũng cùng một mục đích như vậy người thực hiện đã chọn đề

tài: “Thiết kế và thi công máy khoan mạch in tự động”.

1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI:

Với các phần mềm mạch in như: Eagle hay Orcad … thì ta có thể dễ dàng tạo ra các boardmạch in, bên cạnh đó các phần mềm này còn cho phép xuất ra các file hỗ trợ cho việc gia côngmạch in với các máy gia công chuyên dùng Các thiết bị này cùng với phần mềm hỗ trợ từ chínhnhàsản suất thường có gia rất cao và không thích hợp với tình hình nước Việt Nam chúng ta.Nước ta đang trên con đường công nghiệp hoá- hiện đại hoá đất nước thì việc nghiên cứu và chếtạo các thiết bị hoạt động tự động là cần thiết

Xuất phát từ nhu cầu ấy, thì ở đề tài: “ Thiết kế và thi công máy khoan mạch in tự động” người thực hiện sẽ phải thiết kế và thi công mô hình máy khoan có khả năng gia công

mạch in, cùng với việc xây dựng chương trình phần mềm có khả năng xử lý các file hỗ trợ từ cácphần mềm vẽ điện phổ biến Bên cạnh đó phần mềm chạy trên máy tính phải có khả năng bắttay cùng mô hình máy khoan để nó có thể gia công mạch in tự động theo đúng tên của đề tài

Chương 2 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN

TỐT NGHIỆP

 Mục đích và các chỉ tiêu phải đạt được qua đề tài Luận văn tốt nghiệp

Thiết kế và chế tạo mô hình máy khoan mạch in tự động

Lập trình điều khiển đầu máy khoan di chuyển tới điểm cần khoan theo một toạ độcho trước

Việc điều khiển đầu khoan phải đảm bảo chính

Máy khoan có thể được điều khiển từ phần mếm máy tính hoặc từ bàn điều khiển bằng tay

Máy khoan phải hoàn toàn tự động trong khi thực thi công việc với bảng toạ độ lỗ khoan đã được định sẵn từ máy tính Bên cạnh đó thì người gia công mạch có thể

ra lệnh ngừng máy khoan khẩn cấp khi xảy ra lỗi

 Các giải pháp đề ra để đạt được các mục tiêu trên

Chọn động cơ có độ chính xác cao

Chọn vật liệu làm mô hình là vật liệu nhẹ, dễ gia công

Dữ liệu về tọa độ lỗ khoan được lấy từ phần mềm vẽ điện và được xử lý với phần mềm Nc Drill, phần mềm hỗ trợ điều khiển máy khoan

Chọn giải pháp truyền dữ liệu từ máy tính đến mô hình bằng cổng RS232

Chọn ma trận phím và màn hình hiển thị LCD trong chế độ máy khoan được điều khiển bằng tay

Chương 3

KHÁI NIỆM VỀ MÁY ĐIỀU KHIỂN

THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ

3.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ (NC) :

NC (Number control) là dạng tự động hóa có thể lập trình Trong đó thiết bị xử lí được điềukhiển bởi các phương tiện số, chữ, hay những kí hiệu khác Các số, chữ (kí tự) được mã hóa xácđịnh chương trình chỉ thị công việc riêng biệt Khi công việc thay đổi, chương trình chỉ thị cũngthay đổi

Như thế: Máy NC là loại máy công cụ hoạt động tự động một phần hoặc toàn phần với cáclệnh được thể hiện bằng dạng tín hiệu là các chữ số được mã hóa xác định ghi trên băng từ, đĩatừ hoặc phim…

Hệ thống NC bao gồm 3 thành phần cơ bản:

Chương trình chỉ thị (Program of instruction): được chi tiết hóa từng bước, điều khiểntrực tiếp thiết bị xử lí Trong hầu hết các dạng thông thường, các lệnh điều khiển dựavào vị trí trục chính so với bàn của máy công cụ Các chỉ thị tiến bộ hơn bao gồm sựlựa chọn tốc độ trục chính, dụng cụ cắt và các chức năng khác Chương trình được mãhóa theo môi trường thích hợp để đưa đến bộ điều khiển

Bộ điều khiển (MCU:Machine Control Units): bao gồm phần cứng điện tử và điềukhiển Nó đọc và biên dịch chương trình chỉ thị, biến đổi chúng vào các chuyển động

cơ khí của máy công cụ hay các thiết bị xử lí khác

Thiết bị xử lí (Processing equipment): Thành phần thực hiện có ích, thực hiện cácchuyển động gia công Thiết bị xử lí bao gồm: bàn mang chi tiết, trục chính, động cơvà các bộ phận điều khiển cần thiết để điều khiển chúng

3.2 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG CNC

CNC tiêu biểu cho kỹ thuật máy tính và công nghệ NC (CNC = Computer + NC) Khi máy tínhcó những đặc tính vượt xa hơn so với những giai đoạn đầu, nó có tốc độ tăng không ngừng, cócông suất ngày càng lớn hơn, sử dụng ít tốn kém hơn, đáp ứng yêu cầu nhỏ gọn của thiết bị vàđiề khiển có tính kinh tế hơn Từ đó xuất hiện các máy tính loại microcomputer hayminicomputer Chúng được sử dụng điều khiển cho mỗi máy công cụ Dạng mới này được gọi làComputer Numberical Control(CNC)

Máy khoan được mô tả dưới đây cũng có chức năng tương tự như thế Điều này có nghĩa là máy tính sẽ truyền vị trí và lệnh đến máy khoan, máy khoan nhận các dữ liệu này và đi thực thi, sau đó nó sẽ báo lại cho máy tính biết khi nó đã thực hiện xong Trong trường hợp của chúng ta thì máy tính sẽ truyền cho phần cứng các dữ liệu sau : mã lệnh( động cơ bước nào được chọn và

chiều quay ), số xung quay, tốc độ quay; sau đó máy khoan sẽ thực thi lệnh và khi nào xong thì nó sẽ báo về máy tính mã lệnh mà nó đã nhận được để báo quá trình đã hoàn tất Khi máy tính nhận được mã lệnh này thì nó tiến hành thông báo với người dùng vị trí lỗ khoan đã được khoan, và gửi tiếp dữ liệu kế.

Máy khoan kết nối với máy tính thông qua port nối tiếp và được điều khiển bởi chương trình phần mềm viết trên Delphi và chạy trên môi trường hệ điều hành Windows Chương trình phần mềm sẽ truyền dữ liệu từ máy tính PC đến máy khoan vàkiểm tra xem nó có đáp lại hay không Máy khoan sẽ trả lời lại cho máy tính biết mỗi khi một lỗ khoan được khoan xong hay khi máy tính cần kiểm tra sự kết nối giữa PC và máy khoan Đối với mỗi lỗ khoan thì chương trình phần mềm sẽ lần lượt làm các công việc sau:

• Tính toán dữ liệu của tọa độ lỗ khoan cần khoan

• PC gửi dữ liệu liên quan đến trục Y đến phần cứng và yêu cầu motor bước trục Y thực thi công việc, sau đó nó sẽ chờ nhận thông tin hồi tiếp từ phần cứng báo với PC biết là trục Y đã hoàn tất

• Kế tiếp PC sẽ truyền dữ liệu đến trục X và cũng yêu cầu motor bước trục X thực hiện vàcũng chờ cho đến khi công việc hoàn tất

• Sau cùng là dữ liệu liên quan đến trục Z và cũng yêu cầu motor bước trục Z thực hiện, đồng thời mở nguồn cho motor đầu khoan hoạt động, sau khi công việc hoàn tất thì PC sẽ nhận được tín hiệu hồi tiếp và sẽ tiếp tục thực hiện khoan lỗ khoan kế tiếp

Như vậy, trục X và Y sẽ quyết định tọa độ lỗ khoan, trục Z sẽ quyết định chiều sâu mà mũikhoan sẽ khoan Chương trình làm việc trên máy khoan sẽ được điều khiển bởi chíp Vi điềukhiển AT89C51 của hảng Atmel Với chương trình viết bằng ngôn ngữ Asm trên chip thì ở đâynó có nhiều thứ để làm Khi thực thi chương trình thì nó luôn phải thực thi các công việc liên tục:quét ma trận phím, chờ nhận dữ liệu từ máy tính, thực thi công việc, thông báo với máy tính khiquá trình đã hoàn tất đồng thời hiển thị ra LCD

3.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA MÁY NC VÀ MÁY CNC

3.3.1 Đặc điểm chung:

Sự phát triển mạnh mẽ của điện tử, tin học buộc những nhà khoa học đã đưa ra sángkiến làm thế nào để điều khiển các máy công cụ bằng các thiết bị mang tính chất tự động.Xuất phát từ yêu cầu giải quyết việc gia công những chi tiết lớn có hình dạng phức tạp,nhưng không dùng mẫu chép hình và thông thường chỉ qua một lần gá đặt và kẹp chặt là chitiết có thể được gia công xong Máy NC và CNC là kết quả của công trình nghiên cứu việcứng dụng các thành tựu về công nghệ điện tử, công nghệ thông tin, chương trình số để điềukhiển các máy công cụ

Các máy NC và CNC có khả năng thay đổi và lập các chương trình gia công chi tiếtnhanh, tính linh hoạt và tố độ thay đổi cao Loại máy này có thể lập trình tự do và phù hợpvới mô hình sản xuất đơn chiếc

Các hệ thống CNC phát triển đầu tiên từ các hệ thống NC có nối với một máy vi tính.Các máy CNC ngày nay hoàn toàn khác với các máy CNC ban đầu ở chỗ chúng kết hợp vớibộ xử lí được thiết kế chuyên dùng

Những thiết bị điều khiển lớn, cồng kềnh được thay thế bằng những mạch điện tử

3.3.2 Đặc điểm về cấu trúc:

Máy NC thực hiện việc cắt kim loại theo nguyên lí cắt với chuyển động tương đối giữadao và phôi

Chuyển động chính của máy tiện, phay, doa ,bào,… là chuyển động quay hoặcthẳng của dao hoặc của chi tiết

Chuyển động chạy dao có thể là chuyển động liên tục hay gián đoạn ,đồng bộhoặc không đồng bộ với chuyển động chính

3.3.3 Máy công cụ truyền thống

Ở loại máy này chuyển động chính và chuyển động chạy dao cần được điều chỉnh theotrị số yêu cầu Dựa vào bản vẽ chi tiết và qui trình công nghệ, người điều khiển tiến hành đolường, điều chỉnh, kiểm tra vị trí, kích thước Trong trường hợp này ta nhận thấy:

Độ chính xác và kích thước hình học của chi tiết gia công phụ thuộc vào chấtlượng kiểm tra và điều chỉnh

Sự can thiệp của người điều khiển phải tiến hành thường xuyên, thông thường cầnnhiều thời gian và tay nghề cao

3.3.4 Ưu và nhược điểm của máy NC và CNC so với máy công cụ truyền thống.

Từ những đặc điểm nêu trên ta có thể rút ra những ưu nhược điểm chính sau:

 Ưu điểm:

Có thể bỏ qua các mẫu để chép hình

Chương trình bằng số có thể thay đổi dễ dàng va nhanh chóng, rút ngắnthời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất tạo điều kiện thuận lợi choviệc tổ chức tự động hóa sản xuất qui mô nhỏ

Giảm phế phẩm do sai sót của con người, tăng năng suất lao động

Dễ dàng điểu khiển tập trung toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy Không phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân

 Nhược điểm:

Nhược điểm cơ bản của máy NC và CNC là hệ thống điều khiển phức tạp,chi phí đầu tư thiết bị cao

3.4.CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA MÁY CNC

3.4.1.Các bộ phận cơ bản:

Các bộ phận cơ bản của máy như thân máy,sóng trượt, bàn máy, … phải đạt độ chính xáccao về hình dáng hình học, các bề mặt lắp ghép, dẫn hướng,… Nhiều trường hợp phải tạo nênnhững dạng mới thay đổi cách lắp ghép truyền thống để đảm bảo thoát nhiệt tốt

3.4.2 Các bộ phận truyền động chính:

Các bộ phận truyền động trên máy NC có thể thực hiện bằng truyền động phân cấphoặc vô cấp.

Ở truyền động phân cấp, người ta dùng hộp tốc độ có bánh răng di trượt, hộp tốc độ tựđộng hoặc cơ điện có nhiều cấp tốc độ

Ở truyền động vô cấp, người ta dùng các cơ cấu cơ khí, khuếch đại từ,… Các cơ cấu dẫnđộng cần có độ cứng vững cao, chuyển động êm Với các yêu cầu trên nên cơ cấu vít me bi,sóng trượt bi được sử dụng rộng rãi trong các máy CNC

Hộp tốc độ tự động được dùng rất rộng trên máy CNC vì ở đây việc khởi động, hãm, đảochiều, thay đổi tốc độ đều được thực hiện tự động nhờ dùng li hợp điện từ

Trục chính máy CNC cần có độ chính xác, độ cứng vững, độ chịu mòn cổ trục cao

Các cơ cấu tháo lắp dao ở trục chính cần đảm bảo độ chính xác về chuyển động hướngtrục và hướng kính trong thời gian dài với những điều kiện làm việc thay đổi

3.4.3.Các bộ phận truyền động và dẫn động:

Các cơ cấu thực hiện truyền động cần có độ cứng vững cao, chuyển động êm ở tốc độthấp, tăng tốc nhanh Các yêu cầu này thực hiện được với với các cơ cấu có khe hở nhỏ nhưvít me_đai ốc bi, sóng lăn, …

Máy CNC thường được dẫn động bằng các động cơ tác động nhanh như động cơ bước,động cơ điện một chiều

3.4.5.Các cơ cấu phụ:

Trên máy CNC có nhiều cơ cấu phụ như: Cơ cấu thay dao tự động, cơ cấu bôi trơn, …Bên cạnh đó, để gia tăng tính chính xác khi gia công chi tiết thì các động cơ trên máy CNC còn được trang bị các đĩa Encoder dùng để hồi tiếp xung về thông báo vị trí , chiều quay và tốc độ của Rotor Ngoài ra trên bàn gá chi tiết còn có các thước chia quang học, hoặc các thước chia sử dung ADC, các cảm biến lực cắt… Chính vì vậy, máy CNC là loại máy có độ chính xác rất cao và cũng vì thế mà giá thành cũng rất đắt, nhất là phần mềm sử dụng máy

3.5 MỘT SỐ MÔ HÌNH MÁY CNC TỰ CHẾ.

Hình 3.2: Các sản phẩm từ mô hình máy gia công gỗ CNC.

3.5.2.Máy vẽ CNC (XYZ Penplot/Drill XYZ Table):

Hình 3.3: Mô hình máy vẽ CNC.

3.5.3 Máy CNC gia công chi tiết cơ khí:

Hình 3.4: Mô hình máy gia công cơ khí CNC

 Sau khi biết được đặc điểm của máy CNC, cũng như thấy được các sản phẩm chỉ có đượckhi gia công từ máy CNC thì trong chương tiếp theo chúng ta sẽ đi tìm hiểu về động cơ bước (Stepper Motor) được lựa chọn và sử dụng trong đề tài

Motor bước về cơ bản thì nó khác với các loại động cơ dc khác, chúng không có chổi than haymột chuyển mạch cơ khí nào Thay vào đó chuyển mạch bên ngoài bằng các switch transistor là cần thiết Hơn thế nữa rotor thì không có cuộn dây, chỉ đơn giản nó lànam châm vĩnh cửu.

Motor bước cho phép chuyển đổi ngững tín hiệu xung điều khiển thành chuyển động quay của trục rotor theo từng bước đều nhau Ngày nay các motor bước được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nhiều hệ thống điện tử, đặc biệt là các hệ thống điều khiển tự động Khi này các tín hiệu xuất ra từ máy tính và từ các port ngõ ra của vi xử lý rất thích hợp cho việc điều khiển motor bước

Trong một số ứng dụng cần sự chính xác, chúng ta có thể chọn lựa giữa động cơ servo và độïng cơ bước Nhưng chúng thì khác nhau, một số loại servomotor thì đòi hỏi phải có tín hiệu tương tự hồi tiếp về Khi chọn lựa giữa chúng thì tuỳ thuộc vào ứng dụng, khoảng vị trí thực hiện đối với motor bước thì phụ thuộc vào đặc tính hình học của rotor motor, còn đối với servomotor thì lại phụ thuộc vào thành phần tương tự trong mạch hồi tiếp

 Tóm lại, động cơ bước có các ưu điểm sau:

Động cơ bước có thể điều khiển chính xác mà không cần hồi tiếp Có thể điều khiển vòng hở

Biến đổi xung điện thành cơ

Không có chổi than, do đó để thực hiện một bước quay thì phải có chuyển mạch điện tử bên ngoài, vì vậy thích hợp giao tiếp với điện tử số

 Nhược điểm duy nhất là công suất của motor bước chưa cao, lý do là lực giữ cho rotor dừng ở vị trí giữa các bước là lực hút giữa hai cực từ khác tên nhau Công suất của motor càng lớn thì lực hút này càng lớn, trong khi nam châm gắn trên rotor cũng cần một lực giữ có độ lớn tương đương để không bị đẩy ra khỏi rotor

Hình 4.1: Hình dáng bên ngoài motor

bước

Trong để tài người thực hiện sử dụng motor bước dùng làm động cơ tải các trục X, Y, Z do nó đã có được các ưu điểm nổi bật trên và đặc biệt là motor bước được điều khiển bằng xung nên nórất thích hợp giao tiếp với Vi xử lý hay các vi mạch số chuyên dùng Bên cạnh đó, motor bước thường xuất hiện nhiều ở các máy kim, máy photo và các motor bước cũ được bày bán khá phổ biến ở thị trường Việt Nam vời giá thành rẻ thế Mặc dù về công suất thì motor bước còn bị hạn chế nhưng tải của mô hình không lớn lắm nên nhược điểm này không đáng kể ,và vì vậy motor bước là lựa chọn hàng đầu cho mô hình

Trong đề tài motor bước, các nhông vàcác dây đai được lấy từ máy in cũ do nó theo chuẩn đơn

vị inch và rất thích hợp dùng trong mô hình máy khoan mạch in

4.2.CẤU TẠO MOTOR BƯỚC:

Hình 4.2: Rotor và

Stator motor bước

Tuỳ theo kết cấu Rotor và Stator thì motor bước bao gồm 3 loại sau:

4.2 1 Motor bước nam châm vĩnh cửu ( permanent magnet ): hay còn gọi là động cơ bước kiểu

tác dụng và thường được ký hiệu là PM Chúng thường được chế tạo có Stato cực móng điều khiểnbước đủ, momen hãm từ 0,5 đến 25 Ncm, tần số khởi động lớn nhất 0,5 KHz và tần số làm việclớn nhất ở chế độ không tải là 5 KHz Mới đầu rotor của PM chỉ có một cặp cực, và độ phân giảihoàn toàn phụ thuộc vào số lượng các cực trên stator Việc sử dụng nam châm pha đất hiếm làmcho việc thiết kế và chế tạo motor bước PM được cải thiện rất nhiều Bộ phận quan trọng nhấtcủa motor bước loại này là một rotor có dạng đĩa mỏng làm bằng vật liệu từ tính coban pha đấthiếm Đĩa được chèn vào tới 50 cặp cực nam-bắc xen kẽ nhau Các loại motor bước áp dụng kĩthuật điều khiển vi bước đều sử dụng các nam châm pha đất hiếm để làm các cực từ trên rotor Nguyên lý làm việc của động cơ này là dựa vào tác động của một trường điện từ trên một mômen điện từ, tức là tác động giữa một trường điện từ và một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu.Roto của động cơ tạo thành một hoặc nhiều cặp từ và mômen điện từ của nam châm được dặt thẳng hàng trên từ trường quay do các cuộn dây tạo nên

Các cuộn dây của Stato gọi là các pha Động cơ bước có thể có nhiều pha: 2, 3, 4, 5 pha, nóđược cấp điện cuộn này sang cuộn khác với việc đảo chiều dòng điện sau mỗi bước quay.Chiều các động cơ phụ thuộc vào thứ tự cung cấp điện cho các cuộn dây và hướng của từtrường

4.2 2 Motor bước kiểu từ trở thay đổi( Variable Reluctance Motors): còn gọi là động cơ bước

phản kháng Loại motor này, thường được viết tắt là VR, có một rotor làm bằng vật liệu sắt từmềm với nhiều răng, làm cho nó có hình dáng của một bánh răng Stator cũng có một số điệncực dưới dạng răng Nguyên lý làm việc của động cơ bước cưỡng bức thay đổi dựa trên cơ sởđịnh luật cảm ứng điện từ, tức là dựa trên sự tác động giữa một trường điện từ và một Roto cótừ trở thay đổi theo góc quay

Cấu trúc tiêu biểu của động cơ VR :

Hình 4.3: Motor

bước VR ba cuộn

dây và sơ đồ mắc các cuộn

Roto động cơ điện được chế tạo bằng vật liệu dẫn từ, trên bề mặt Roto thường cónhiều răng Mỗi răng của Roto hoặc của Stato gọi là một cực Trên hai cực đối diện đượcmắc nối tiếp hai cuộn dây (ví dụ như cuộn dây AA') tạo thành một phần của động cơ Nhưvậy động cơ như hình vẽ có ba pha A, B, C, từ trở thay đổi theo góc quay của răng Khi

các răng của Roto đứng thẳng hàng với các cực của Stato, từ trở ở đó sẽ nhỏ nhất Nếu ta

cho dòng điện chạy vào cuộn dây BB' nó sẽ tạo nên từ trường kéo cực gần nó nhất củaroto và làm Roto quay một góc 300 theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Nếu dòng điệnđược đưa vào cuộn dây CC', Roto lại tiếp tục quay một góc 300 nữa … Các cuộn dây AA',

BB', CC' gọi là các pha

Hướng quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều của dòng điện mà phụ thuộcvào thứ tự cấp điện cho cuộn dây Nhiệm vụ này do các mạch logic trong bộ chuyển phátthực hiện Với cách thay đổi thứ tự hoặc thay đổi cách kích thích các cuộn dây ta cũng

làm thay đổi các vị trí góc quay

Động cơ bước có từ trở thay đổi có chuyển động êm, số bước lớn và tần số làmviệc cũng khá lớn (từ 2 đến 5 Khz)

Một số công thức tính cho động cơ bước từ trở thay đổi:

Nr : Số răng roto

Ns : Số răng stato

(độ / bước)

Giá trị bước

Nếu tần số xung là f thì tốc độ Roto là:

(vòng / phút)Số răng Roto cho mộtpha:

Nếu motor của bạn có ba cuộndây như hình 4.3, bạn thử nối chúng như sơ đồ trên, với một dây chung cho tất cả các

cuộn, và thường được nối lên nguồn dương +Vs Motor hình trên có 4 răng và 6 cực từ ,

mỗi cuộn dây sẽ được quấn cho 2 cực từ Với cuộn dây số 1 đang có năng lượng thì răng

s

3600

=φ

60

Nr Np

f Rs

và dòng qua cuộn 2 on thì rotor sẽ xoay một góc 30 theo chiều kim đồng hồ, khi này răngđược ký hiệu là Y nằm ở vị trí cực số 2.

Để motor xoay đều đặn thì chúng ta phải áp năng lượng đến 3 cuộn dây đều đặn.Tức là phải có mức logic 1, nghĩa là lúc này có dòng qua cuộn dây Để motor quay hếtmột vòng thì phải cần 24 xung, theo bảng sau:

4.2 3 Động cơ hổn hợp(hybrid stepping motors) :

Hình 4.4 :Motor bước hỗn hợp.

Động cơ hổn hợp là sự kết hợp nguyên tắt làm việc của động cơ có bước nam châm vĩnhcửu và động cơ bước có từ trở thay đổi nhằm có được đặt tính tốt nhất của hai loại kể trên làmomen lớn và số bước lớn Phần Stator được cấu tạo hoàn toàn giống Stator của động cơbước của từ trở thay đổi Trên các cực của Stato được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây,mỗi cuộn dây pha được quấn thành 4 cuộn dây hoặc được quấn thành hai cuộn dây đặt xenkẽ nhau để hình thành lên các cực N và cực S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây làrăng của Rôto và cũng được đặt xen kẽ giữa hai vành răng của Rôto

4.2.4 Các loại động cơ bước trên thực tế:

4.2.4.1.Động cơ bước đơn cực( Unipolar Motors):

Hình 4.5: Motor bước đơn cực hai cuộn dây và sơ đồ mắc các cuộn

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu lẫn động cơ bước hỗn hợp với 5 hay 6 đầu dây ra thường được đấu dây và sử dụng như hình trên, với dây giữa ra cho mỗi cuộn Trong khi sử dụng thì 2 dây giữa này thường được nối lên nguồn dương, và 2 đầu cuối cònlại của cuộn thường được nối xen kẽ nhau xuốn mass để đảo chiều của từ trường gây ra

do các cuộn dây

Động cơ bước trong hình trên có 30o cho mỗi bước, giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp thì sự khác nhau về góc cho mỗi bước thì không có sự chênh lệch lắm Cuộn dây thứ 1 của motor thì được phân bố giữa cực từ stator trên và dưới, trong khi cuộn dây số 2 thì được phân bố bên trái và bên phải cực từ Rotor là loại nam châm vĩnh cửu với 6 cực từ, 3 nam và 3 bắc, được xắp xếp bao quanh nó

Để có được góc cho mỗi bước nhỏ hơn thì đòi hỏi rotor phải có nhiều cực từ Góc 30o cho mỗi bước như trong hình trên là một trong những loại motor bước rotor nam châm vĩnh cửu được sản xuất phổ biến, bên cạnh đó thì motor bước với 15 và 7.5o cho mỗi bước thì cũng có mặt rộng rãi không kém Motor bước rotor nam châm vĩnh cửu với góc 1.8o cho mỗi bước thì vẫn được sản xuất Motor bước loại hỗn hợp có loại với góc 3.6 và 1.8o và loại có góc mịn hơn 0.72o cho mỗi bước thì vẫn có mặt trên thị trường

Như trong hình, dòng điện sẽ đi từ dây giữa của cuộn 1 đến tận cuối làm cực từ stator trên thành cực bắc trong khi đó cực từ stator dưới thành cực nam Lục hút này làm cho rotor di chuyển, Nếu như năng lượng trong cuộn 1 bị mất và trong cuộn 2 có năng lượng thì rotor sẽ quay 30o cho mỗi bước

Để rotor quay liên tục thì chúng ta phải áp năng lượng đến 2 cuộn dây cho mỗi lần.Với mức logic 1, nghĩa là có dòng chạy trong cuộn dây motor Khi đó để motor quay hếtmột vòng thì phải cần 24 xung, theo bảng sau:

4.2.4.2.Động cơ bước lưỡng cực( Bipolar Motors) :

Hình 4.5:Motor bướclưỡng cực haicuộn dây và sơđồ mắc cáccuộn

Motor bước rotor nam châm vĩnh cửu và loại hỗn hợp thì có cấu trúc cơ khí giốngnhư motor bước đơn cực, nhưng hai cuộn dây thì đơn giản hơn và không có điểm chung.D0 vậy, bản thân motor thì đơn giản nhưng mạch lái motor thì cần phải đảo chiều cựctính của mỗi cực từ, do đó sẽ phức tạp hơn

Mạch lái cho động cơ đòi hỏi mạch điều khiển cầu H cho mỗi cuộn dây, bởi vì cầu

H cho phép đảo cực tính của nguồn năng lượng áp vào mỗi đoạn cuối của mỗi cuộn dây và đươc điều khiển hoàn toàn độc lập Việc điều khiển nối tiếp cho một động cơ bước được cho bởi bảng sau, dùng dấu + và – để quyết định chiều nguốn áp vào mỗi đầu cuối motor

Terminal 1a + -+ -+ -+ - Terminal 1b + -+ -+ -+- ++ ++ ++ ++

++ ++ ++ ++ Terminal 2a -+ -+ -+ -+ Terminal 2b -+ -+ -+ -+ + ++ ++ ++ +

time ->

Lưu ý rằng mọt vài chíp có chứa đầy đủ cầu H thì có một ngõ vào điều khiển cho phép đối với ngõ ra và một ngõ vào khác dùng để điều khiển chiều di chuyển Một chípsẽ chứa hai cầu H, một cầu cho mỗi cuộn, và bảng điểu khiển sẽ như sau :

 Phương pháp điều khiển đơn cực: chiều dòng điện qua các cuộn dây không đổi.

 Phương pháp điều khiển lưỡng cực: chiều dòng điện trong cuộn dây thay đổi

Cả hai phương pháp điều khiển đơn cực và điều khiển lưỡng cực đều có những

ưu và nhươc điểm sau:

4.3.1 Điều khiển đơn cực:

Ưu điểm:

♦ Thường được sử dụng cho các mạch công suất thấp

♦ Có cấu trúc mạch điều khiển đơn giản.

♦ Chi phí tính cho một phần tử tạo công suất nhỏ là không đáng kể

Nhược điểm:

♦ Số cuộn dây đồng thời có dòng điện chạy qua tối đa là 50%

♦ Sự tổn thất công suất tăng do sử dụng điện trở phụ ở trong mạch công suất

♦ Sự giảm dòng điện bằng sự gia tăng điện trở làm tăng quá trình đốt nóng động cơ

4.3.2 Điều khiển lưỡng cực: được sử dụng chủ yếu ở các mạch công suất lớn và những mạch có

yêu cầu về tính động lực cao

Ưu điểm:

♦ Dòng điện đồng thời có thể được dẫn đến tất cả cuộn dây

♦ Không có chi phí thêm trên mỗi phần tử tạo công suất ở bộ điều chỉnh dòng

♦ Tổn hao công suất nhỏ không đáng kể

♦ Trong chế độ điều chỉnh dòng điện, không có sự phụ thuộc nhiệt độ của dòng điện

Nhược điểm:

♦ Chi phí trên một phần tử tạo công suất trong mạch cơ bản thường là cao hơn so vớiphương pháp điều khiển đơn cực,

♦ Chi phí cho bộ chuyển mạch lớn

Bên c ạnh đó còn có phương pháp điều khiển vi bư ớc :

4.3.3 Điều khiển Microstepping:

Nó cho phép động cơ bước dừng và giữ ở vị trí trung gian giữa ở bước đủ hay nữabước

Nó có tác dụng giảm xóc cho động cơ hoạt động với vận tốc chậm và tiếng ồn ở mứcđộ trung bình

Ngoài ra nó còn hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi làm việc của động cơ

Một vài bộ điều khiển Microstepping có thể cho ta hàng trăm vị trí trung gian giữacác bước, nhưng có hạn chế là việc điều khiến các vị trí này không hoàn toàn chínhxác

 Có ít nhất 3 nguyên nhân gây ra hạn chế này:

Thực tế trong hệ thống luôn có sự tồn tại của ma sát tĩnh (Static friction) do đó gócchính xác đạt được trong điều khiển Microstepping bị giới hạn

Vấn đề thứ hai liên quan hình dạng đường cong Momen xoắn theo góc trục thực tế của động cơ không hoàn toàn có hình dạng hình sin Đôi khi, ta coi đây là mô men hãm của động cơ nam châm vĩnh cữu và động cơ hỗn hợp Nhưng thực tế các thiết

bị điều khiển Microstepping coi đường cong này có dạng hình sin – cosin

Vấn đề thứ ba xuất hiện do hầu hết thiết bị điều khiển Microstepping được điềukhiển bằng tín hiệu xung và do đó dòng điện qua mỗi cuộn dây pha phải được sốhóa, do bộ chuyển đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc (A/D) Nhưng thực tếqua các cuộn dây pha không hoàn toàn là hằng số mà nó luôn dao động xungquanh một điểm giới hạn nào đó của mạch điều khiển Do đó, thực chất các xungdòng điện không có dạng xung vuông mà thường có dạng hàm mũ

Độ phân giải microstep: 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 một bước

Giá trị dòng điện qua hai pha của động cơ bước trong trường hợp điều khiển vibước

Ia = cos(90n/s).Imax

Ib = sin(90n/s).Imax

Imax: dòng cực đại, [A]

Ia: dòng điện qua pha A, [A]

Ib: dòng điện qua pha B, [A]

n: số vi bước từ vị trí bắt đầu

s: số vi bước trong một bước

Ví dụ chế độ vi bước với độ phân giải 1/10

Bảng 4.1: Phân loại động cơ

bước thì để chúng hoạt động tốt thì chúng ta cần có các mạch công suất, mạch logic điềukhiển Ở chương tiếp theo chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu các vi mạch logíc và các mạchcông suất lái motor bước

5.1.1 Giới thiệu mạch logic motor bước:

Như chúng ta đã biết : ngõ vào mạch công suất motor bước ở dạng các tín hiệu xung Dovậy, để motor bước hoạt động thì cần phải có mạch logic tạo ra các tín hiệu này Mạch logicmotor bước có ngõ vào và ra cơ bản như hình sau:

Hình 5.1: Ngõ vào và ra cơ bản mạch logic motor bước

EN: Ngõ vào cho phép

Half/ Full : Ngõ vào chọn chế độ điều khiển nửa bước hay đủ bước

CW/CCW: chọn quay cùng chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim

HOME: Ngõ ra báo hiệu quay hết một vòng

5.1.2.Các phương án lựa chọn:

Để tạo ra mạch logic thì ta có 3 phương án sau:

Sử dụng các IC số: flipflops và các cổng logic, phương án này có ưu điểm là dễ thicông nhưng gặp khuyết điểm là mạch cồng kềnh, giá thành cao không thích hợpkhi điều khiển cùng nhiều motor

Sử dụng vi xử lý : phương án này có ưu điểm là mạch gọn, chương trình mềm dẻonhưng đòi hỏi người thi công phải có kiến thức về viết chương trình vi xử lý Đócũng không phải là khuyết điểm hạn chế lắm, mà hạn chế chính là trong một hệthống lớn thì số đường vào/ ra của vi xử lý bị hạn chế, do phải giao tiếp với cácthiết vị ngoại vi khác Do đó chia sẽ công việc với các vi mạch chuyên điều khiểnmotor bước là cần thiết, và đó cũng là phương án 3 và là phương án được sử dụngtrong đề tài

Trong mô hình máy khoan, khối xử lý phải giao tiếp với bàn phím, máy tính, mànhình LCD, loa, do đó số đường vào/ ra còn lại là không nhiều để điều khiển 3motor bước cho ba trục X, Y, Z Việc sử dụng vi xử lý giao tiếp với các vi mạchchuyên lái motor bước là phương án khả thi nhất, chúng vừa ít tốn đường vào racủa vi xử lý mà còn giảm bớt gánh nặng công việc cho vi xử ly.ù Vì thế, chươngtrình trên vi xử lý sẽ đơn giản hơn Ở phương án này chỉ có khuyết điểm duy nhấtlà nâng giá thành.

 Ở phần sau, chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu vi mạch L297 của hãng Thomson là

vi mạch chuyên dùng cho motor bước

5.2.VI MẠCH LOGIC L297.

5.2.1.Đặc tính kĩ thuật: L297 làvi mạch điều khiển động cơ bước chuyên dụng, nó có các đặc

tính sau:

Chế độ lái Normal/ Wave

Hai chế độ điều khiển chọn bước và nữa bước

Chọn được chiều chuyển động thuận chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồnghồ

Chế độ chuyển mạch để điều hoà dòng tải

Dòng tải có thể lập trình được

Ít thành phần phụ bên ngoài

Có ngõ vào Reset và ngõ ra Home( báo động cơ bước quay đủ moat vòng)

Có ngõ vào cho phép

Đặc trưng của thiết bị này là ngõ vào chỉ cần có tín hiệu xung clock, chọn chiều chuyểnđộng và các tín hiệu chế độ ngõ vào Khi này, các tín hiệu điều khiển trên các pha đã được tạotự động do đó sẽ giảm bớt độ phức tạp chương trình trên bộ vi xử ly L297 được đóng gói dướivỏ 20 chân, có thể được sử dụng với các mạch công suất cầu đơn tích hợp sẵn như là L298Nhay L293E, với các cầu Transistor và Darlingtons

5.2.3.Sơ đồ chân:

Hình 5.2 : Sơ đồ chân L297

5.2.4.Sơ đồ khối:

Hình 5.3 : Sơ đồ khối L297

5.2 5.Chức năng của các chân :

Bảng 5.1 : Chức năng của các chân L297

Chân SYNC của tất cả các L297 phải đồng bộ bằng cáchnối chung với nhau khi này chỉ cần một mạch dao độngngõ vào

3 HOME Là loại ngõ ra cực thu để hơ, chân này sẽ ở mức cao khi

L297 ở trang thái ABCD = 0101

4 A Tín hiệu lái pha A dùng kích mạch công suất motor

5 Khi chân này ở mức thấp thì nó sẽ hãm pha A và B Và

khi mạch lái công suất cầu lưỡng cực sử dụng tín hiệunày thì nó được dùng để đảm bảo độ giảm nhanh củadòng tải khi cuộn dây đang giải phóng năng lượng.Ngoài ra nó còn dùng để điều hòa dòng tải nếu như ngõ

vào CONTROL ở mức thấp

6 B Tín hiệu lái pha B dùng kích mạch công suất motor

7 C Tín hiệu lái pha C dùng kích mạch công suất motor

D Chức năng thì tương tự như chân

9 D Tín hiệu lái pha D dùng kích mạch công suất motor

10 ENABLE Ngõ vào cho phép chip hoạt động Khi nó ở mức

thấp thì các chân , , A, B, C và D cũng ở mức thấp

11 CONTROL Ngõ vào CONTROL được định nghĩa như là hoạt động

của mạch xén

Khi đó xén thấp xảy ra trên , và xén cao xảy ra

13 SENS2 Ngõ vào của điện áp dòng tải từ mạch công suất của pha

C và D

14 SENS1 Ngõ vào của điện áp dòng tải từ mạch công suất của pha

A và B

15 Vref Điện áp tham chiếu dành cho mạch xén Một điện áp

được áp vào chân này sẽ quyết định đỉnh của dòng tải

Vcc, C đến đất) nối đến chân này sẽ quyết định tỉ lệxén Chân này sẽ được nối đến đất trên tất cả các thiết

bị chỉ trừ một trong chế độ đồng bộ nhiều chíp L297 Và

17 Ngõ vào điều chỉnh hướng chuyển động thuận và ngược

Hướng chuyển động của động cơ còn phụ thuộc vào việc

kết nối các cuộn dây

18 Xung clock cấp cho động cơ bước Khi xung này ở mức

thấp làm mạch đếm bên trong tăng lên một Và bước sẽ

xảy ra khi xảy ra sườn lên của tín hiệu

19 Ngõ vào lựa chọn chế độ hoạt động nửa bước/ trọn bước

Khi đặt ở mức cao thì thì hoạt động là nửa bước, còn khi

ở mức thấp thì hoạt động là đủ bước

20 Ngõ vào Reset Khi ngõ này ở mức thấp thì nó sẽ lưu lại

vị trí của động cơ bước so với Home( ABCD = 0101)

5.2 6 Các chế độ hoạt động:

5.2.6.1.Chế độ nửa bước: chế độ này

được lựa chọn bằng cách đặt mức caolên chân chọn ngõ vào

Hình 5.4 : Giảng đồ xung trong chế độ nửa bước

5.2.6.2:Chế độ lái bình thường: còn

được gọi là lái trên hai pha, được lựachọn bằng cách đặt mức thấp lên chân ngõ vào, khi này việc chuyển xảy ra tại các trạng tháisố lẻ( 1, 3, 5 hay 7) Trong chế độ này các ngõ ra , được giữ ở mức cao xuyên suốt

CLOCK

FULLHALF/

RESET

FULLHALF/

FULLHALF/INH1

Hình 5.5 : Giảng đồ xung trong chế độ bình thường.

5.2.5.3Chế độ lái Wave: còn được gọi

là lái trên một pha, có thể chọn nóbằng cách đặt mức thấp trên , khi này việc chuyển xảy ra tại các trạng thái số lẻ( 2, 4, 6 hay8)

FULLHALF/

Chương 6 MẠCH CÔNG SUẤT MOTOR

BƯỚC

6.1 L298N VI MẠCH CÔNG SUẤT HAI CẦU LÁI ĐỘNG CƠ.

6.1.1 Đặt tính kĩ thuật: L298N làvi mạch công suất hai cầu lái động cơ bước chuyên dụng, nó

có các đặc tính sau:

Điện áp cung cấp hoạt động lên tới 46V

Tổng dòng một chiều lên tới 4A

Điện áp bão hoà thấp

Bảo vệ quá nhiệt

Điện áp ngõ vào mức logic lên tới 1.5V( độ chống nhiễu cao)

6.1.2 Mô tả :

Vi mạch L298N đầy đủ hai cầu với điện áp cao và dòng cao, được thiết kế theo chuẩn mứclogic TTL và lái được các tải như là relay, cuộn dây, động cơ DC và động cơ bước Hai ngõ vàocho phép có thể cho phép hoặc không cho phép thiết bị hoạt động mà không phụ thuộc ngõvào Cực E của các transistor của mỗi cầu được nối chung với nhau và được đưa ra ngoài, vìvậy có thể dùng để nối với điện trở dò sai bên ngoài Thêm vào ngõ nguồn cung cấp, do vậymức logic làm việc tại điện áp thấp

6.1.3 Sơ đồ khối:

Hình 6.1: Sơ đồ khối L298N

6.1.4.Các giới hạn thông số:

Bảng 6.1: Thông số L298N

mạch logic

7V

VI, Ven Điện áp ngõ vào và

điện áp cho phép

Ptot Tổng công suất tiêu

6.1.5.Sơ đồ chân:

Hình 6.2:

Sơ đồ chânL298N

6.1.6.Chức năng của các chân:

Bảng 6.2 :

Chức năngcác chânL298N

GVHD: Nguyễn Thanh Bình SVTH: Lê Tấn Cường – Nguyễn Quốc

1; 15 2; 19 Sense A; Sense B Giữa chân này và đất được nối bằng

một điện trở dò sai để điều khiển dòng tải

suất Tụ 100nF phải được nối giữa chân này và đất

5; 7 7; 9 Input 1, Input 2 Ngõ vào của cầu A theo chuẩn TTL

100nF phải được nối giữa chân này và đất

10; 12 13; 15 Input 3, Input 4 Ngõ vào của cầu B theo chuẩn TTL

6.2 CÁC LƯU Ý VỚI L298N:

6.2.1 Nâng dòng ngõ ra:

Cho mục đích dòng cao thì các ngõ ra có thể được nối song song Cẩn thận nối kênh 1 với 4, kênh 2 với kênh 3 :

Hình 6.3 : Nâng dòng ngõ ra L298N.

6.2.2 Mạch ứng dụng L298N lái động cơ DC:

Hình 6.4 : Mạch ứng dụng L298N lái động cơ DC.

Khi này chỉ có một cầu được sử dụng, các diode bên ngoài của cầu phải là các diode đáp ứng nhanh (trr ≤ 200nsec), diode shottky là cần thiết Điện áp dò sai ngõ ra có thể được dùng để

điều khiển dòng ngõ vào, hay tác động đến mạch bảo vệ.

Khi đỉnh dòng tải cần lớn hơn 2A thì việc ghép nối song song có thể được chọn

6.2.3.Một mạch ứng dụng L298N lái động cơ bước lưỡng cực hai pha:

Mạch lái động cơ bước này có thể cho dòng qua các cuộn dây lên tới 2A Do vậy diode phải là loại 2A

Hình 6.5 : Mạch ứng dụng L298N lái động cơ bước lưỡng cực hai pha.

6.2 4.Nối động cơ bước với vi mạch công suất như thế nào?

Như chúng ta đã biết thì có hai nhóm motor bước cơ bản, được nhận dạng từ sự kết nốicủa các cuộn dây Motor đơn cực có bốn cuộn dây( hoặc hai cuộn với hai dây giữa rangoài) và sẽ có 6 đầu dây ra Một số chúng thì có dây giữa các cuộn được nối chung với nhauvà vì vậy chúng chỉ có 5 đầu dây ra Motor bước lưởng cực thì chỉ có hai cuộn và có bốn dây

ra Mạch công suất thì dự định sẽ lái motor lưỡng cực và sẽ không có vấn đề gì cho việc kếtnối motor bước lưỡng cực trong mạch

Hình 6.6 :Cách nối với

motor bước lưỡng cực

Nếu muốn nối motor bước đơn cựcthì sẽ phải sửa đổi một chút ít Motorbước đơn cực thì có

dây chung cho mỗi cho mỗi cuộn, chúng ta có thể không sử dụng dây chung này, khi đó chúng ta đã chuyển motor này thành đơn cực

Hình 6.7 :Cách nối với

motor bước đơn cực

Chỉ có vấn đề làtrở kháng của cuộndây, do trở khángcuộn dây thấp vàmotor chỉ hoạtđộng cho điện ápchỉ từ 3 đến 5V Nếu như nó quá cao thì dòng sẽ không đạt đến mức bình thường và khiđó moment tải không đủ do đó motor sẽ bị bỏ bước Trong trường hợp này thì chúng ta cóthề hoán đổi kết nối motor bằng cách nối song song hai cuộn chung như trong hình :

Hình 6.8 :Cách nối song

song hai cuộn với motor

bước đơn cực

Nếu như không cần

moment tải lớn, thì có thể

chỉ lấy một cuộn dây như

trong hình:

Hình 6.8 :Cách nối chỉ với

một cuộn trong motor bước

đợn cực

6.3 MẠCH CÔNG SUẤT L298N RÁP BẰNG CÁC TRANSISTOR VÀ CỔNG LOGIC

Điều đàng tiếc cho chúng ta là tên thị trường Việt Nam thì IC L298N không có bán, do đó trong đồ án này mạch công suất L298N sẽ được vẽ lại board bằng các transistor và các cổng logic theo sơ đồ khối của vi mạch L298N đã cho Mạch công suất kết hợp với L297, ta sẽ có một board điều kiển động cơ bước lưỡng cực hai pha hoàn chỉnh, với các ngõ vào tối thiểu : xung clock, chọn chiều chuyển động, xung cho phép

6.3.1.Sơ đồ lắp ráp linh kiện:

Hình 6.9: Sơ lắp ráp linh kiện board công suất

6.3.2 Sơ đồ mạch in:

Hình 6.10: Sơ mạch in board công suất.

 Sau khi đã tìm hiểu về mạch công suất motor bước thì ở chương sau ta sẽ đi tìm hiểu về viđiều khiển A89C51 của Atmel, đây là vi điều khiễn linh hoạt và thông dụng

Chương 7

Vi Điều Khiển AT89C51

7.1.GIỚI THIỆU CHUNG

MCS-51 là họ vi điều khiển của Intel và 8051 là vi điều khiển đầu tiên của họ này Dòng MCS-51 không ngừng cải tiến và phát triển Cho đến ngày nay, với công nghệ bộ nhớ không mấtnội dung thì có độ tích hợp cao của Atmel thì chip AT89C51 đã được sản xuất theo công nghệ này

Chi AT89C51 hàon toàn tương thích với tập lệnh và các chân ra của chuẩn công nghiệp MCS-51, được chế tạo theo công nghệ CMOS có hiệu suất cao và công suất nguồn tiêu thụ thấp Bộ nhớ Flash trên chip cho phép bộ nhớ chương trình được sửa đổi và lập trình lại nhiều lần Bằng cách kết hợp một CPU linh hoạt 8 bit với bộ nhớ Flash trên chip thì AT89C51 của Atmel làmột giải pháp có hiệu quả về chi phí và rất linh hoạt trong các ứng dụng điều khiển

7.2 ĐẶT TÍNH KĨ THUẬT CỦA VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51.

7.2.1 Giới thiệu cấu trúc phần cứng họ MSC-51:

 4 k byte bộ nhớ ROM Flash (bộ nhớ chương trình)

 128 byte RAM

 4 port xuất nhập (i/o port) 8 bit, tổng cộng 32 đường

 2 bộ định thời/ đếm 16 bit

 Mạch giao tiếp nối tiếp

 Không gian nhớ chương trinh (mã) ngoài 64k

 Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64k

 Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng rẽ)

 210 vị trí được định địa chỉ , mỗi vị trí 1 bit

 Cấu trúc ngắt 2 mức ưu tiên

 Mạch dao động và tạo xung clock trên chip

 Có lệnh nhân và chia

Ngoài ra , AT89C51 còn được thiết kế với logic tĩnh cho hoạt động có tần số giảm xuống

0 và hỗ trợ 2 chế độ tiết kiệm năng lượng được chọn bằng phần mềm

Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM , các bộ định thời / đếm , port nối tiếp và các ngắt tiếp tục hoạt động

Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của RAM nhưng không cho mạch dao động cung cấp xung clock nhằn vô hiệu hoá các hoạt động khác của chip cho đến khi có reset cứng tiếp theo Nó có thể nạp xoá khoảng 10000 lần

7.2.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân:

7.2.2.1.Sơ đồ chân:

Hình 7.1: Sơ đồ chân chip

Chân 40 Vcc : chân cung cấp điện

Chân 20 Gnd chân nối mass (0 v)

Port 0 (số tự chân 32 – 39 ):

Port 0 là port xuất nhập 8-bit hai chiều cực D hở Khi làm nhiệm vụ là port xuất , mỗi chân có thể hút dòng của 8 ngõ vào TTL Khi các logic 1 được ghi vào các chân của port 0 Các chân này có thể được sử dụng làm các ngõ vào tỗng trở cao

Port 0 còn được cấu hình làm bus địa chỉ (byte thấp) và bus data đa hợp AD7 – AD0 trong khi truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và bộ nhớ chương trình ngoài Trong chế độ đa hợp này , port 0 có các điện trở kéo lên bên trong

Port 0 cũng nhận được các byte mã trong khi lập trình cho F lash và xuất các byte mã trong khi kiểm tra chương trình Các điện trở kéo lên bên ngoài được cần đến trong khi kiểm tra chương trình

Port 1 (số thứ tự chân 1- 8 ):

Là port xuất nhập 8 bit 2 chiều có các điện trở kéo lên bên trong Các bộ đệm xuất của port1 có thể hút và cấp dòng với 4 ngõ vào TTL Khi các logic được ghi lên chân của port

1 ,các chân này được kéo lên mức cao bởi các điện trở kéo lên bên trong và có thể được sử dụng như là các ngõ vào , khi làm nhiệm vụ port nhập , các chân của port 1 đang được kéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kép lên bên trong.Port1 cũng nhận byte thấp trong thời gian lập trình cho Flash và kiểm tra chưoơng trình

Port 2

Port 2 là port xuất nhập 8 bit 2 chiều có các điện trở kéo lên bên trong Các bộ đệm xuất của port 2 có thể hút và cấp dòng cho 4 ngõ vào TTL Khi các logic 1 được gji lên các chân của port2 , các chân này được kéo lên mức cao bởi các điện trỡ kéo lên bên trong , và có thể được sử dụng như là các ngõ vào Khi làm nhiệm vụ port nhập các chân của port 2 đang đượckéo xuống mức thấp do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở lên bên trong

Port 2 tạo ra byte cao của bus địa chỉ cao A8-A15 trong thời gian tìm nạp lệnh từ nạp lệnhtừ bộ nhớ chương trình ngoài và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 16 bit (movx @dptr ) Trong ứng dụng này , port2 sử dụng các địa chỉ 8 –bit (movx

@ri), port 2 sử dụng các điện trở kéo lên bên trong khi phát các bit 1 Trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 8-bit (movx @ri), port 2 phát các nội dung của thanh ghi chức năng đặc biệt p2

Port 2 cũng nhận các bit địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển trong thời gian lập trình choFlash và kiểm tra chương trình

Port 3

Port 3 là port xuất nhập 8-bit hai chiềàu có các điện trở kéo lên bên trong Các bộ đệm xuất của port 3 có thể hút và cấp dòng với 4 ngõ vào TTL Khi các logic 1 được ghi lên các chân của port 3 các chân này được kéo lên mức cao bởi các điện trở kéo lên ở bên trong và có thể được sử dụng như các ngõ vào , khi làm nhiệm vụ port nhập , các chân của port 3 đangđược kéo xuống mức thpấ do tác động bên ngoài sẽ cấp dòng do có các điện trở kéo lên ở bên trong

Các chân của port 3:

Bảng 7.1 : Chân port3 của AT89C51

T0T1

Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếpNgõ ra xuất dữ liệu nối tiếp

Ngõ vào ngắt cứng thứ 0Ngõ vào ngắt cứng thứ 1Ngõ vào của TIMER/COUNTER thứ 0Ngõ vào của TIMER/COUNTER thứ 1Tín hiệu điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoàiTín hiệu điều khiển đọc dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

Các ngõ tín hiệu điều khiển:

o Ngõ tín hiệu PSEN (Program store enable):

PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng thường nối đến chân OE\ (output enable) của Eprom cho phép đọc các byte mã lệnh.PSEN ở mức thấp trong thời gian vi điều khiển AT89C51 lấy lệnh Các mã lệnh của chương trình đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh trong

AT89C51 để giải mã lệnh

Khi AT89C51 thi hành chương trình trong bộ nhớ Eprom nội thì PSEN ở mức 1

o Ngõ tín hiệu điều khiển ALE (Address latch enable):

Khi vi điều khiển truy xuất bộ nhớ bên ngoài , port 0 có chức năng là bus địa chỉ và

thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt

Tín hiệu ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa chỉ thấp nên việc chốt địa chỉ được thực hiện một cách hoàn toàn tụ động

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cung cấp cho các phần khác của hệ thống

Trong chế độ lập trình cho bộ nhớ nội thì chân ALE được dùng làm ngõ vào xung lập trình cho bộ nhớ Flash Rom trong chíp AT89C51

o Ngõ tín hiệu (External Access):

Tín hiệu vào ở chân 31 thường nối lên mức 1 hoặc mức 0

Nếu nối lên mức logic 1 (+5v) thì vi điều khiển AT89C51 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 4 Kbyte

Nếu nối với mức logic 0 (mass) thì vi điều khiển AT89C51 sẽ thi thành chương trình chương trình từ bộ nhớ ngoài

o Ngõ vào tín hiệu RST (RESET):

Ngõ vào RST ở chân số 9 là ngõ vào Reset của AT89C51 Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất là 2 chu kỳ máy (mỗi chu kỳ máy là 1µs ) , các thanh khi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống thì mạch tự động Reset

o Các ngõ vào bộ dao động X1,X2:

Bộ dao động được tích hợp bên trong AT89C51 , khi sử dụng người thiết kế chỉ cần kết nối thạch anh bên ngoài

Hình 7.2: Sơ đồ kết nối bộ dao động thạch anh cho 8951 7.3 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA AT89C51.

7.3.1 Chế độ nghỉ :

Trong chế độ nghỉ CPU đi vào trạng thái ngủ trong khi tất cả các ngoại vi bên trong chip vẫn

tích cực Chế độ này được điều khiển bởi phần mềm Nội dung của RAM trên chip và tất cả cácthanh ghi chức năng đặc biệt vẫn không đổi trong thời gian tồn tại chế độ này Chế độ nghỉ có thể được kết thúc bởi ngắt bất kỳ nào được phép hoặc Reset cứng

EA EA EA EA

7.3.2 Chế độ nguồn giảm:

Trong chế độ này mạch dao động ngừng hoạt động và lệnh yêu cầu chế độ nguồn giảm là

lệnh sau cùng được thực thi RAM trên chip và các thanh ghi chức năng đặc biệt vẫn duy trì các

giá trị của chúng cho đến khi chế độ nguồn giảm kết thúc Chỉ có một cách ra khỏi chế độ nguồngiảm đó là Reset cứng

7.4 CẤU TRÚC BỘ NHỚ TRONG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN

Hình 7.3 : Bảng tóm tắt các vùng nhớ AT89C51

AT89C51 có bộ nhớ theo cấu trúc Hardware : có những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chươngtrình và dữ liệu Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong AT89C51 nhưng AT89C51 vẫncó thể kết nối với 64K byte bộ nhớ chương trình va 64K byte dữ liệu

Trong 8951 bao gồm nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ có thểtruy xuất từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt

Cấu trúc Ram bên trong AT89C51

Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H – 1FH

Ram địa chỉ hoá từng bit có địa chỉ từ 20H – 2FH

Ram đa dụng từ 30H – 7FH

Các thanh ghi có chức năng đặc biệt 80H - FFH

Mặc trên hình vẽ cho thấy 80 byte đa dụng chiếm các địa chỉ từ 30H - 7FH, 32 byte từ00H – 1FH cũng có thể dùng với mục đích tương tự

Mọi địa chỉ trong vùng ram đa dụng đều có thể truy xuất tự do dùng kiểu địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

Ram có thể truy xuất từng bit: vi điều khiển 8951 có 210 bit có thể truy xuất từng bit,

FF

00

On -Chip Memory

FFFF

0000

Code Memory

Enable via PSEN

FFFF

0000

Data Memory

Enable via RD&WR

External Memory

trong đó có 128 bit nằm ở các byte có địa chỉ từ 20H – 2FH và các bit còn lại chứa trongnhóm thanh ghi có chức năng đặc biệt.

Các bank thanh ghi: 32 byte thấp có bộ nhớ nội được dành cho các bank thanh ghi Bộlệnh 8951 hổ trợ 8 thanh ghi có tên là R0 và R7 và theo mặc định sau khi reset hệ thốngthì các thanh ghi R0 đến R7 được gán cho 8 ô nhớ có địa chỉ từ 00H đến 07H

Các lệnh dùng các thanh ghi R0 đến R7 sẽ ngắn hơn và nhanh hơn so với các lệnh cóchức năng tương ứng nếu dùng kiểu địa chỉ trực tiếp, các dữ liệu được dùng thường xuyênnên dùng một trong các thanh ghi này

Do có 4 bank thanh ghi nên tại một thời điểm chỉ có một bank thanh ghi được truy xuấtbởi bởi các thanh ghi R0 đến R7, để chuyển đổi việc truy xuất các bank thanh ghi ta phảithay đổi các bit chọn bank trong các thanh ghi trạng thái

GVHD: Nguyễn Thanh Bình SVTH: Lê Tấn Cường – Nguyễn Quốc

F0 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 BRAM đa dụng

E0 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC

D0 D7 D6 D5 D4 D

3D2 D1 D0 PSW

B

BA

23 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18 8D không được địa chỉ hoá bit TH1

22 17 16 15 14 13 12 11 10 8C không được địa chỉ hoá bit TH0

21 0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08 8B không được địa chỉ hoá bit TL1

20 07 06 05 04 03 02 01 00 8A không được địa chỉ hoá bit TL0

Bảng 7.2 : Bảng đồ bộ nhớ Data trên chip

7.5 HOẠT ĐỘNG PORT NỐI TIẾP

Bên trong của 8951 có 1 port nối tiếp hoạt động ở vài chế độ trên một tầm tần số rộng chứcnăng cơ bản của port nối tiếp là thực hiện chuyển đổi dữ liệu song song thành nối tiếp khi phátvà chuyển đổi dữ liệu từ nối tiếp thành song song khi thu

Việc truy xuất port nối tiếp thông qua các chân TxD (phát dữ liệu) và RxD (thu dữ liệu) Cácchân này đa hợp với hai chân củu port 3 : p3.0 (RxD) và p3.1 (TxD)

Đặc trưng của port nối tiếp là hoạt động song công nghĩa là có thể phát và thu đồng thời.Ngoài ra, port nối tiếp còn có đặc trưng khác , việc đệm dữ liệu khi thu của port này cho phépmột ký tự được nhận và lưu giữ trong bộ đệm thu trong khi ký tự tiếp theo được nhận vào NếuCPU đọc ký tự thứ nhất trước khi ký tự thứ hai được nhận đầy đủ , dữ liệu sẽ không bị mất Phần mềm sử dụng hai thanh ghi chức năng đặc biệt sbuf và scon để truy xuất port nối tiếp.Bộ đệm của port nối tiếp sbuf có địa chỉ byte là 99h Việc ghi lên sbuf sẽ nạp dữ liệu để phát vàviệc đọc sbuf sẽ truy xuất dữ liệu đã nhận được Điều này cho ta thấy có hai thanh ghi riêng rẽvà phân biệt: thanh ghi phát (chỉ ghi) và thanh ghi thu (chỉ đọc) hay là bộ nhớ đệm thu

Thanh ghi điều khiển port nối tiếp Scon có địa chỉ byte là 98h, là thanh ghi được định địa chỉtừng bit, thanh ghi này chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển Các bit điều khiển sẽ thiếtlập chế độ hoạt động cho port nối tiếp còn các bit trạng thái chỉ ra sự kết thúc việc thu hoặc phát

1 ký tự Các bit trạng thái được kiểm tra bởi phần mềm hoặc được lập trình để tạo ngắt

Tần số hoạt động của port nối tiếp hay còn gọi là tốc độ baud (baud rate) có thể cố địnhhoặc thay đổi Khi tốc độ baud thay đổi được sử dụng, bộ định thời 1 cung cấp xung clock tốc độbaud và phải lập trình sao cho phù hợp

QCLK SBUF(write-only)

RxD (P3.0)

DShift-registerCLKBaud rate

Clock (receive) SBUF

(read-only)

TxD (P3.0)

Baud rate

clock (transmit)