Bài giảng do an mon hoc

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ---Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử, đặc biệt là việcphát triển các bộ vi điều khiển, đã làm thay đổi sâu sắc đời sống conngười.Tro

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

-Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử, đặc biệt là việcphát triển các bộ vi điều khiển, đã làm thay đổi sâu sắc đời sống conngười.Trong sản xuất, những dây chuyền được tự động hóa, con người đã hạnchế được việc tham gia trực tiếp vào các công việc nguy hiểm

Nói chung, Vi điều khiển tham gia vào rất nhiều lĩnh vực trong đời sống vàsản xuất Trong các thiết bị điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển điều khiểnhoạt động của TV, máy giặt, lò vi-ba…Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ viđiều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Nhưng cho dù hoạtđộng ở lĩnh vực nào thì vi điều khiển cung cần có nguồn DC để hoạt động Do

đó, các bộ vi điều khiển luôn có một bộ chỉnh lưu Đây cũng chính là đề tài củanhóm em

Bộ chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều.Việc chuyển đổi này có nhiều cách để thực hiện như: dùng diode để chỉnh lưubán kỳ, toàn kỳ, hay dùng Thyristor, Triac để tạo ra điện áp một chiều theo góckích Nhóm em sử dụng Triac kết hợp với cầu diode để làm bộ chỉnh lưu

Nhóm em sẽ sử dụng 89C51 kết hợp với ADC để điều khiển Triac Việckết hợp ADC trong mạch điều khiển Triac sẽ tạo ra một bộ điều khiển kín, tínhiệu ngỏ ra luôn được hồi tiếp về và so sánh, nhờ đó tín hiệu ngỏ ra luôn đượcđảm bảo

Bộ chỉnh lưu này có thể được sử dụng ở những nơi mà điện áp một chiềungỏ ra luôn phải thay đổi như trong các phòng thí nghiệm, thực hành của cáctrung tâm điện tử hay ở các trường dạy kỹ thuật

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN

-I) Yêu cầu của đề tài:

Đối với đề tài này khi thực hiện cần đảm bảo hai yêu cầu cơ bản:

- Hiển thị phải rõ ràng

- Điện áp chỉnh lưu phải được hồi tiếp để dảm bảo tính ổn định

II) Sơ đồ khối:

Dựa vào các yêu cầu của đề tài, chúng em có sơ đồ khối như sau:

- Nút nhấn: giao tiếp với vi xử lí, dùng để nhập giá trị điện áp

- Bộ chuyển đổi ADC: chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thànhtín hiệu Digital

- Khối hiển thị led 7 đoạn: hiển thị giá trị đặt và giá trị đo

- Vi xử lí: nhận dữ liệu từ bộ chuyển đổi ADC, giao tiếp nút nhấn, điềukhiển khối công suất và hiển thị dữ liệu lên led 7 đoạn

- Khối công suất: thực thi tín hiệu điều khiển từ vi xử lí

Ngoài các khối cơ bản trên, chúng ta còn có một khối quan trọng khác là khốinguồn và mạch đồng bộ

- Khối nguồn: dùng để cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

- Mạch đồng bộ: mạch này có tác dụng giúp vi xử lí tính toán góc kích choTriac của khối công suất

III) Chức năng các khối:

A Khối nguồn:

1) Chức năng: cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

2) Sơ đồ nguyên lí khối nguồn: điện áp 9VAC được lấy từ máy biến áp,được chỉnh lưu toàn kỳ, qua IC 7805 để tạo nguồn 5VDC

Nút nhấn

Bộ chuyển đổi

ADC

Khối hiển thịled 7 đoạn

Vi xử lí

Khối công suất

3) Các thành phần trong khối nguồn:

- Kí hiệu:

- Các loại Diode: diode zener, diode quang, diode biến dung, diodenắn điện,…

- Diode dẫn khi được phân cực thuận (UAK > 0)

- Diode phát quang ( Light Emiting Diode: LED): là Diode phát ra ánhsáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 đến 2,2Vdòng qua LED khoảng từ 5mA đến20mA Led được sử dụng để làm đèn báonguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện vv…

- Trong mạch chỉnh lưu, Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu

b) Tụ điện:

-Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, là phần tử có giá trị dòngđiên qua nó tỷ lệ với tốc độ biến đổi của điện áp trên nó theo thời gian Tụ điệnđươc chia thành hai loại: tụ phân cực và tụ không phân cực

-Tụ điện có hai bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song, ở giữa

có lớp cách điện

- Các loại tụ thường gặp ở hai nhóm có trị số cố định hay có trị số thayđổi được Theo đặc điểm laọi vật liệu sử dụng khi chế tạo, tụ điện đựơc phânchia thành các loại sau:

+ Tụ gốm

+ Tụ mica+ Tụ polistiren

+ Tụ polycacbonat

+ Tụ poyeste + …

- Tụ điện có giá trị điện dung thay đổi được bao gồm hai dạng cơ bản + Dạng tụ điều chuẩn dung điện môi là lớp không khí giữa 2 bộcánh cách kim loại nhôm lắp xen kẽ nhau một cách cố định, bộ kia có thể xoay

ổn định điện áp +5V đầu ra

- Output (3): Chân điện áp ra 5V

- Command (2): Chân nối mass

- Input (1) : Chân điện áp vào

- Điện áp ngõ vào Vin>=5V (lớn hơn

từ 3V hay 4V), điện áp ngõ ra Vout =5V

- Chân nối mass cũng rất quan trọng,

nếu chân này bị hở thì áp tại ngõ ra sẽ có thể bằng

với điện áp ngõ vào Điều này sẽ rât nguy hiểm

nếu vi xử lý nhận được mức điện áp này

C Khối hiển thị LED 7 đoạn:

1) Chức năng: hiển thị giá trị đặt và giá trị điện áp sau khi chỉnh lưu (trongtài liệu này giá trị sau khi chỉnh lưu được gọi là VDC)

2) Thành phần của khối hiển thị:

a) LED 7 đoạn:

- LED 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 LED đơn có dạng thanh xếp theohình bên dưới và có thêm một LED đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ởgóc dưới, bên phải của LED 7 đoạn 8 LED đơn trên LED 7 đoạn có Anodehoặc Cathode được nối chung với nhau (COM) 8 cực còn lại trên mỗi LED đơnđược đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện.Nếu LED 7 đoạn có Anode chung, COM được nối với +Vcc, các chân c ̣n lạidùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các LED đơn, LED chỉ sáng khi tínhiệu đặt vào các chân này ở mức 0 Nếu LED 7 đoạn có Cathode chung, COMđược nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạngthái sáng tắt của các LED đơn, LED chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ởmức 1

Anode chung:

LED 7 đoạnCathode chung:

3) Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LED 7 đoạn:

- Trên sơ đồ nguyên lý, LED 7 đoạn là loại Anode chung, các chânAnode chung lần lượt nối với cực C của 3 Transistor PNP (Q1,Q2,Q3), cực Ecủa Transistor nối nguồn 5V, các cực B lần lượt nối chân P2.0, P2.1, P2.2 của

Vi xử lí Các chân còn lại của LED 7 đoạn được nối với Port 0 (data led)

- Phương pháp quét LED: Khi kết nối chung data LED của LED 7đoạn như trên, ta không thể cho các LED này sáng đồng thời (do ảnh hưởng lẫnnhau giữa các LED) mà phải thực hiện phương pháp quét, nghĩa là tại mỗi thờiđiểm chỉ sáng một LED và tắt các LED còn lại Do hiện tượng lưu ảnh của mắt,

ta sẽ thấy các LED sáng đồng thời Lúc này, các Transistor hoạt động giống như

"công tắc" Muốn LED nào sáng thì Transistor tương ứng với LED đó phải dẫn

4) Tính toán linh kiện:

- Chọn dòng qua LED là 15mA

Ta có, RLED= VCC / 15mA= 5/15mA= 0.333KΩ Chọn RLED= 330Ω

- Chọn dòng qua cực B của A1013 là 0.5mA

Ta có, RB= VCC / 0.5mA= 5/0.5mA= 10KΩ Chọn RB= 10KΩ

D Nút nhấn:

1) Chức năng: dùng để nhập giá trị điện áp cần chỉnh lưu

2) Sơ đồ nguyên lý mạch nút nhấn:

E Vi xử lí - AT89C51:

1) Chức năng: nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi ADC0804 và nút nhấn Sau

đó tính toán và xuất tín hiệu điều khiển cho khối công suất Đồng thời xử lí tínhiệu để hiển thị lên LED 7 đoạn

- 4k byte ROM,128 byte RAM

- 4 Port I/O 8 bit

- 2 bộ đếm/ định thời 16 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64k byte không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

- 64k byte không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

- Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bít đơn)

- 210 bit được địa chỉ hóa

- Bộ nhân / chia trong 4µs

b) Chức năng các chân:

Port 0: từ chân 32 đến chân 39 (P0.0 _P0.7) Port 0 có 2 chức năng:

trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như cácđường IO, đối với thiết kế lớn có bộ nhớ mở rộng nó được kết hợp giữa bus địachỉ và bus dữ liệu

Port 1: từ chân 1 đến chân 8 (P1.0 _ P1.7) Port 1 là port IO dùng cho

giao tiếp với thiết bị ngoài nếu cần

Port 2: từ chân 21 đến chân 28 (P2.0 _ P2.7) Port 2 là một port có

tác dụng kép dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đốivới các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng

Port 3: từ chân 10 đến chân 17 (P3.0 _ P3.7) Port 3 là port có tác

dụng kép Các chân của port này có nhiều chức năng, có công dụng chuyển đổi

có liên hệ đến các đặc tính đặc biệt của 8051 như ở bảng sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổiP3.0

P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7

RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD

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

PSEN (Program store enable):

PSEN là tín hiệu ngõ ra có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chươngtrình mở rộng và thường được nối đến chân OE\ của Eprom cho phép đọc cácbyte mã lệnh

PSEN ở mức thấp trong thời gian 8051 lấy lệnh Các mã lệnh củachương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu, được chốt vào thanh ghi lệnhbên trong 8051 để giải mã lệnh Khi 8051 thi hành chương trình trong ROM nộiPSEN ở mức cao

ALE (Address Latch Enable):

Khi 8051 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0 có chức năng là bus địachỉ và dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ởchân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữliệu khi kết nối chúng với IC chốt

Tín hiệu ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóngvai trò là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động

EA\ (External Access): tín hiệu vào EA\ ở chân 31 thường được mắc

lên mức 1 hoặc mức 0 Nếu ở mức 1, 8051 thi hành chương trình từ ROM nội.Nếu ở mức 0, 8051 thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng Chân EA\ đượclấy làm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 8051

RST (RESET): Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất 2

chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởiđộng hệ thống Khi cấp điện mạch phải tự động reset

Các ngõ vào bộ dao động X1, X2: Bộ tạo dao động được tích hợp

bên trong 8051 Khi sử dụng 8051, người ta chỉ cần nối thêm tụ thạch anh và các

tụ Tần số của thạch anh thường là 12 Mhz còn tụ thường là 33 pF

c) Tổ chức bộ nhớ RAM: Ram bên trong 8051 được phân chia như sau:

- Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1Fh

- Ram địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH

- Ram đa dụng từ 30H đến 7FH

- Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH

d) Trạng thái các thanh ghi sau khi reset:

Đếm chương trình PCThanh ghi tích lũy AThanh ghi B

Thanh ghi trạng thái PSWSP

DPTRPort 0 đến Port 3IP

0000H00H00H00H07H0000HFFHXXX0 0000B

IECác thanh ghi định thờiSCON

SBUF

0X0X 0000B00H

00H00H

Thanh ghi quan trọng nhất là thanh ghi bộ đếm chương trình PC đượcReset tại địa chỉ 0000H Khi ngõ vào RST xuống mức thấp, chương trình luônbắt đầu tại địa chỉ 0000H của bộ nhớ chương trình Nội dung của Ram trongchip không bị hay đổi bởi tác động của ngõ vào Reset

e) Hoạt động định thời: 8951 có hai timer 16 bit, mỗi timer có bốn cáchlàm việc Người ta sử dụng các timer để:

- Định khoảng thời gian

- Đếm sự kiện

- Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp trong 8951

Truy xuất các timer của 8951 dùng sáu thanh ghi chức năng đặc biệtcho trong bảng sau:

SFR Mục Đích Địa chỉ Địa chỉ hóa từng bit

TL0 Byte thấp của Timer 0 90H Không

TL1 Byte thấp của Timer 1 91H Không

TH0 Byte cao của Timer 0 92H Không

TH1 Byte cao của Timer 1 93H Không

Các thanh ghi chức năng của timer trong 8031

f) Hoạt động ngắt:

- Một ngắt là sự xảy ra một điều kiện, một sự kiện mà nó gây ra treotạm thời thời chương trình chính trong khi điều kiện đó được phục vụ bởi mộtchương trình khác Các ngắt đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế và càiđặt các ứng dụng vi điều khiển Chúng cho phép hệ thống đáp ứng bất đồng bộvới một sự kiện và giải quyết sự kiện đó trong khi một chương trình khác đangthực thi

- Có 5 nguồn ngắt ở 8951: 2 ngắt ngoài, 2 ngắt từ timer và 1 ngắt portnối tiếp Tất cả các ngắt theo mặc nhiên đều bị cấm sau khi reset hệ thống vàđược cho phép từng cái một bằng phần mềm

- Mỗi nguồn ngắt được cho phép hoặc cấm ngắt qua một thanh ghichức năng đặt biệt có định địa chỉ bit IE ( Interrupt Enable : cho phép ngắt ) ởđịa chỉ A8H.

- Các cờ ngắt:

Port nối tiếp TI và RI 0023H

Vector reset hệ thống (RST ở địa chỉ 0000H) được để trong bảng này vìtheo nghĩa này, nó giống ngắt : nó ngắt chương trình chính và nạp cho PC giá trịmới

3) Tính toán linh kiện:

- Bộ phận dao động của vi xử lý được kết nối như hình dưới: IC 89C51với tần số làm việc là 12 MHz Chân 18, 19 của 89C51 được nối với thạch anh(cũng có thể thay thế thạch anh bằng tín hiệu xung clock) 1 chu kỳ máy của89C51 là 1µs

s s

10 12

VRST =

2 1 2

R R

V

R V R

Chọn VRST = 4.939V, R2 = 8.2K

R1 = 58.24.49.98.2 = 0.101KChọn R1 = 0.1K

4) Sơ đồ kết nối với AT89C61

ZERO

WR INTR

KICH P1.0

P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6

SEG1 SEG2 SEG3 nut nhan nut nhan nut nhan nut nhan nut nhan

XTAL2 18

XTAL1 19

ALE 30 EA 31

PSEN 29

RST 9

16 15 14 13 12 11 10 9

RN1

4.7K

F Khối công suất:

1) Chức năng: tạo ra điện áp VDC theo tín hiệu hiệu điều khiển của 89C51.2) Các thành phần trong khối:

ADC1 KICH

CL2

680UF 200V

J1

CONN-H2

G Bộ chuyển đổi ADC0804:

1) Chức năng: chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thành tín hiệuDigital, đưa vào 89C51 89C51 sẽ so sánh giá trị này với giá trị đặt để điềukhiền góc kích SCR sao cho điện áp VDC luôn được ổn định

2) Thành phần chính trong khối:

a) Tổng quan về ADC0804:

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 củahãng NationalSemiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất.Chip có điện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gianchuyển đổi cũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gianchuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vàotương tự thành một số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụthuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN và không bé hơn110s Các chân khác của ADC0804 có chức năng như sau:

- CS (Chip select):Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cựcmức thấp được sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 thìchân này phải ở mức thấp

- RD (Read):Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp.Các bộ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanhghi trong RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra củaADC0804 Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữliệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)

- WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp

- CLK IN và CLK R:CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng

hồ ngoài được sử dụng để tạo thời gian.Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộ tạoxung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) được nối với một tụ điện và một điện trở (như hình vẽ) Khi ấy tần

số được xác định bằng biểu thức:

f RC

1 1

RD để đưa dữ liệu ra

- Vin(+) và Vin(-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương

tự vi sai, trong đó Vin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) được nối tới đất

và Vin(+) được dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số

- Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V Chân này còn đượcdùng làm điện áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở

- Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 - +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0 - +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu

ra khác 0 - +5V

- Bảng quan hệ điện áp Vref/2 với Vin:

3) Tính toán linh kiện:

- Chân Vin(+) được nối với cầu phân áp tạo bởi R16 và R17, sao choVDC = 0 - 250V tương ứng với Vin(+) = 0 - 5V Ta suy ra công thức:

17 16

17 )

(

R R

R VDC Vin







 với Vin(+) = 5V, VDC = 250VSuy ra: R16 = 50R17 Chọn R17 = 10KΩ thì R16 = 500KΩ

Chọn R16 = 510 KΩ

Nhưng thực tế, các giá trị điện trở đều có sai số nên ngỏ vào củaADC0804 không như tính toán Sai số trên điện trở cộng với sai số trong quátrình tính toán chọn linh kiện sẽ tạo ra sai số không nhỏ đối với ADC0804 Điềunày sẽ tạo ra sai lệch giữa giá trị hiển thị trên Led 7 đoạn và giá trị thực tế (ở đây

là giá trị VDC thực tế)

Để giảm sai số ở ngỏ vào của ADC0804, ta cần mắc thêm biến trở RV2như sơ đồ nguyên lý Theo tính toán thì R17 = 10 KΩ, ta chọn R17 = 4.7 KΩnên chọn RV2 = 10 KΩ

- Chân Vref/2 được nối với biến trở RV1 để có thể điều chỉnh điện áp từ1.6V đến 3.75V Theo tính toán thì chân Vref/2 = 2.5V nhưng do chân Vin(+)thực tế có sai số (sai số chủ yếu trên cầu phân áp R16 và R17) nên chân Vref/2thực tế sẽ không bằng 2.5V Do đó biến trở RV1 được sử dụng để giảm sai sốnày Thay đổi Vref/2 đồng nghĩa với việc thay đổi dãy điện áp ngỏ vào

- Tốc độ chuyển đổi ADC0804 (TC):

f

T

CLK C

1 66

 Chọn TC = 100µs = 0.1ms Suy ra fCLK = 660KHz

Ta lại có:

RC

f CLK 1.11 với fCLK = 660KHz = 660000HzSuy ra, RC ≈ 1.4×10-6 Chọn R = 10KΩ suy ra C = 1.4×10-10 F

Chọn C = 150pF

- Diode D4