Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

Mục Lục

1

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết yêu cầu điều khiển càng cao thì hệ thống càng phức tạp
và nếu yêu cầu điều khiển có đơn giản ví dụ như điều khiển tốc độ động cơ điện 1
chiều nhiều cấp tốc độ khác nhau thì hệ thống vi xử lý cũng phải có đầy đủ các
khối : bộ vi xử lý, bộ nhớ ,các IC ngoại vi.
Để kết nối các khối trên tạo nên một hệ thống đòi hỏi người thiết kế phải hiểu
biết các khối .Hệ thống khá phức tạp ,chiếm nhiều không gian mạch in và in ấn.
Một lý do nữa là vi xử lý thường xử lý dữ liệu theo byte hoặc word trong đó các
đối tượng điều khiển trong công nghiệp thường theo bit.
Chính vì sự phức tạp này các nhà thiết kế đã tích hợp một ít bộ nhớ và một số
các thiết bị ngoại vi cùng với vi xử lý tạo thành một IC gọi là vi điều khiển.
Vi điều khiển ra đời đã mang lại sự tiện lợi dễ dàng sử dụng tron điều khiển
công nghiệp, việc sử dụng vi điều khiển không đòi hỏi người sử dụng phải hiểu
biết về một lượng kiến thức quá nhiều như sử dụng vi sử lý.
Ứng dụng củ vi điều khiển rất nhiều trong hệ thống điều khiển công nghiệp
,các dây truyền sản xuất ,các bộ điều khiển lập trình,máy giặt,…….
Sau đây nhóm chúng em xin trình đề tài “ứng dụng VĐk 8051 xây dựng hệ
thống điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều(24 VDC) gồm các cấp độ khác
nhau”
Chúng em xin trân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Vinh đã giúp chúng em

hoành thành đồ án này!

2

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ 8051 VÀ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG
1.1.Vi điều khiển AT89C51
1.1.1 Mô tả
AT9C51 là một hệ vi tính 8 bit đơn chíp CMOS có hiệu suất cao,công
suấtnguồn tiêu thụ thấp và có 4Kbyte bộ nhớ ROM Flash xoá được lập trình được.
Chip này được sản xuất dựa vào công nghệ bộ nhớ không mất nội dung có độ tích
hợp cao của Atmel.
Chip AT89C51 cũng tương thích với tập lệnh và các chân ra của chuẩn công
nghiệp MCS-51. Flash trên chip này cho phép bộ nhớ chương trình được lập trình
lại trên hệ thống hoặc bằng bộ lập trình bộ nhớ không mất nội dung qui ước. Bằng
cách kết hợp một CPU linh hoạt 8 bit với Flash trên một chip đơn thể, Atmel
89C51 là một hệ vi tính 8 bit đơn chip mạnh cho ta một giải pháp có hiệu quả về
chi phí và rất linh hoạt đối với các ứng dụng điều khiển.
AT89C51 có các đặc trưng sau: 4Kbyte Flash, 128 byte Ram, 32 đường xuất
nhập, hai bộ định thời / đếm 16 bit, một cấu trúc ngắt 2 mức ưu tiên và 5 nguyên
nhân ngắt, một port nối tiếp song công, mạch dao động và tạo xung clock trên
chip.
Ngoài ra AT8951 được thiết kế với logic tĩnh cho hoạt đông có tần số giảm
xuống 0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm năng lượng được lựa chọn bằng phần mềm.
Chế độ nghĩ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ định thời /
đếm, port nối tiếp và hệ thống 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 nhằm vô hiệu hoá các hoạt động khác của chip cho
đến khi có reset cứng tiếp theo.
Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau:


KB bộ nhớ có thể lập trình lại nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá.



Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24MHz.
3

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển



3 mức khóa bộ nhớ lậptrình.



2 bộ Timer/counter 16Bit.



128 Byte RAMnội.




4 Port xuất /nhập I/O 8bit.



Giao tiếp nối tiếp.



64 KB vùng nhớ mãngoài.



64 KB vùng nhớ dữ liệungoại.



Xử lý Boolean (hoạt động trên bitđơn).



210 vị trí nhớ có thể định vịbit.



4 µs cho hoạt động nhân hoặcchia.

1.1.2 Các cấu hình chân ra
Sơ đồ khối của AT89C51


-

Port 0: gồm 8 chân 32-39 (P0.0…P0,7)
4

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

Port 0 là port có 2 chức năng. Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ
mở rộng nó có chức năng như các đường IO. Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ
nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu.
-

Port1: chân 1-8 (P1.0…P1.7)
Port 1 là port IO. Có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần.

Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với
các thiết bị bên ngoài.
-

Port 2: chân 21-28 (P2.0….P2.7)
Port 2 là port có tác dụng kép. Được dùng như các đường xuất nhập hoặc

byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.
-

Port 3: chân 10-17 (P3.0…P3.7)

Port 3 là port xuất nhập 8 bit 2 chiều có các điện trở kéo lên bên trong. Các

chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có lien hệ với
các đặc tính đặc biệt của 8951.
-

RST
Ngõ vào reset. Mức cao trên chân này trong 2 chu kỳ máy trong khi bộ dao

động đang hoạt động sẽ reset AT89C51.
-

ALE\
Xung của ngõ ra cho phép chốt địa chỉ ALE (address latch enable) cho

phép chốt byte thấp của địa chỉ trong thời gian truy xuất bộ nhớ ngoài. Chân
này cũng được dùng làm ngõ vào xung lập trình ( PROG ) trong thời gian lập
trình Flash.
Khi hoạt động bình thường, xung của ngõ ra ALE luôn luôn có tần số
bằng 1/6 tần số của mạch dao động trên chip, có thể được sử dụng cho các mục
đích định thời từ bên ngoài và tạo xung clock. Tuy nhiên cần lưu ý là một xung
ALE sẽ bị bỏ qua trong mỗi chu kỳ truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài.
Khi cần, hoạt động cho phép chốt byte thấp của địa chỉ sẽ được vô hiệu
5

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển


hoá bằng cách set bit 0 của thanh ghi chức năng đặc biệt có địa chỉ byte là 8EH.
Khi bit này được set, ALE chỉ tích cực tring thời gian thực thi lệnh MOVX hoặc
MOVC.
Ngược lại chân này sẽ được kéo lên mức cao. Việc set bit không
chophép hoạt động chốt byte thấp của địa chỉ sẽ không có tác dụng nếu bộ vi
điều khiển đang chế độ thực thi chương trìnhngoài.
-

PSEN\
Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (program store enable) điều

khiển truy xuất bộ nhớ chuơng trình ngoài. Khi AT89C51 đang thực thi chương
trình trong bộ nhớ chương trình ngoài, PSEN tích cực 2 lần cho mỗi chu kỳ máy,
ngoại trừ trường hợp 2 tác động của PSENbị bỏ qua cho mỗi truy xuất bộ nhớ dữ
liệu ngoài.
-

AE/Vpp
Chân cho phép truy xuất bộ nhớ ngoài EA (external access enable) phải

được nối với GND để cho phép chip vi điều khiển tìm nạp lệnh từ các vị trí
nhớ của bộ nhớ chương trình ngoài, bắt đầu từ địa chỉ 0000H cho đến FFFFH.
Tuy nhiên cần lưu ý là nếu có bit khoá 1(clock bit 1) được lập trình, AE sẽ
được chọn bên trong khi reset.
EA nên nối với Vcc để thực thi chương trình trong chip.
Chân AE/Vpp còn nhận điện áp cho phép lập trình Vpp trong thời gian
lập trình cho Flash, điện áp này cấp cho các bộ phận có yêu cầu điện áp 12V.
-

XTAL 1

Ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo dao động và ngõ vào đến mạch tạo

xung clock bên trong chip.
-

XTAL 2
Ngõ ra từ mạch khuyết đại đảo của mạch dao động.

6

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

Hình: Mạch dao động.

7

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

1.1.3 CẤU TRÚC RAM NỘI CỦA 89c51
Bản đồ bộ nhớ Data trên Chip như sau:

8

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8



Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển
-

AT8951 có 128 byte RAM nội có địa chỉ từ 00H đến FFH.

Vùng bank thanh ghi:
Bao gồm 32 byte bắt đầu từ 00H → 1FH được chia thành 4 bank, mỗi bank
bao gồm 8 thanh ghi:
+ Bank 0: từ 00H → 07H
+ Bank 1: từ 08H → 0FH
+ Bank 2: từ 10H → 17H
+ Bank 3: từ 18H → 1FH
Mỗibankgồm8thanhghitừR0 đến R7.
+ Bank 0: R0=00H; R1=01H…
+ Bank 1: R0=08H; R1=09H…
Tại một thời điểm chương trình chỉ có thể hoạt động với một bank thanh ghi
mặc định là bank 0.
Vùng RAM định vi bit:
Gồm 16 byte có địa chỉ từ 20H đến 2FH trong vùng này ta có thể tác động
tớitừng bit. Có nghĩa la có thể set bit đó lên 1 hoặc clear bit đó về 0.
Có 128 bit trong vùng RAM định vị bit có địa chỉ từ 00H đến 7FH.
Vùng RAM đa dụng:
Có địa chỉ từ 30H đến 7FH(80 byte) có thể sử dụng làm bất cứ công việc gì
trong chương trình.
Vùng các thanh ghi đặc biệt:
Có dịa chỉ từ 80H đến FFH.
•


Thanh ghi A(ACC: Accumulartor) là thanh ghi trung gian thường

được sử dụng để chứa lưu giá trị trong các lệnh chương trình có địa chỉ là
E0H.
Vd: Mov A, #3FH.
Lấy 3FH đưa vào A.
Mov A, 3FH.
9

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

Lấy nội dung của 3FH đưa vào A.
•

Thanh ghi B:có địa chỉ là F)H là thanh ghi được dùng kết hợp với thanh

ghi A trong các phép toán. Vd: Mul AB
Nhân thanh ghi A và B với nhau, đươc kết quả đưa vào A.
Div AB
Chia A với B, kết quả đưa vào A, số dư đưa vào B.
•

Thanh ghi PSW (Program statusword): Là thanh ghi chứa trạng thái của

chương trình.
Trạng thái chương trình địa chỉ D0H được tóm tắt như sau:




CY: là cờ nhớ, CY sẽ set lên 1 khi thực hiện phép cộng có xảy ra

nhớ, hoăc khi thực hiện phép trừ có xảy ramượn.


AC (Auxiliary carrier) là cờ nhớ phụ khi cộng các số BCD. Cờ

nhớ phụ sẽ set lên 1 nếu kết quả của 4 bit thấp nằm trong khoảng từ 0AH
đến 0FH.
10

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển


F0: là cờ nhớ dành cho người sửdụng.



RS1, RS0: quyết định dãy thanh ghi tích cực. Chúng được xoá

saukhi reset hệ thống và được thay đối bởi phần mềm khi cần thiết.

RS1

RS0


BANK

0

0

0

0

1

1

1

0

2

1

1

3

Dựa vào bảng trên ta có thể chọn thanh ghi bank nào muốn chọn.



OV (Over flow): sẽ set lên 1 khi thực hiên phép toán với số có dấucó xảy

ra tràn.


P (Parity): là bit kiểm tra chẳn lẽ, bit P sẽ bằng 0 hoặc 1 theodạng parity

chẵn với nội dung của thanh ghi A.
•

Con trỏ Ngăn xếp SP (Stack Pointer):
+ Con trỏ ngăn xếp là một thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H. Nó chứa địa chỉ

của của byte dữ liệu hiện hành trên đỉnh ngăn xếp. Các lệnh trên ngăn xếp bao
gồm các lệnh cất dữ liệu vào ngăn xếp (PUSH) và lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp
(POP). Lệnh cất dữ liệu vào ngăn xếp sẽ làm tăng SP trước khi ghi dữ liệu và
lệnh lấy ra khỏi ngăn xếp sẽ làm giảm SP. Ngăn xếp của 8031/8051 được giữ
trong RAM nội và giới hạn các địa chỉ có thể truy xuất bằng địa chỉ gián tiếp,
chúng là 128 byte đầu của 8951.
+ Để khởi động SP với ngăn xếp bắt đầu tại địa chỉ 60H, các lệnh sau đây
được dùng:MOV SP, #5F
+ Với lệnh trên thì ngăn xếp của 8951 chỉ có 32 byte vì địa chỉ cao nhất
của RAM trên chip là 7FH. Sở dĩ giá trị 5FH được nạp vào SP vì SP tăng lên
11

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển


60H trước khi cất byte dữliệu.
Thanh ghi con trỏ dữ liệu Data Pointer (DPTR):
Là thanh ghi 16 bit kết hợp của 2 thanh ghi 8 bit là DPH và DPL.
•

Thanh ghi DPTR thường được dùng để lưu các địa chỉ 16 bit, thông thường là
các địa chỉ khi truy xuất bộ nhớ ngoài.
•

Các thanh ghi xuất nhập Port:
Các Port của 8951 bao gồm Port0 ở địa chỉ 80H, Port1 ở địa chỉ 90H,

Port2 ở địa chỉ A0H, và Port3 ở địa chỉ B0H. Tất cả các Port này đều có thể truy
xuất từng bit nên rất thuận tiện trong khả năng giao tiếp.
8951 chứa một Port nối tiếp cho việc trao đổi thông tin với các thiết bị nối
tiếp như máy tính, modem hoặc giao tiếp nối tiếp với các IC khác. Một thanh ghi
đệm dử liệu nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H sẽdữ cảhai dữ liệu truyền và dữ liệu
nhập. Khi truyền dữ liệu ghi lên SBUF, khi nhận dữ liệu thì đọc SBUF. Các mode
vận khác nhau được lập trình qua thanh ghi điều khiển Port nối tiếp (SCON) được
địa chỉ hóa từng bit ở địa chỉ 98H.
•

Thanh ghi điều khiển nguồn PCON (Power controlRegister):
Thanh ghi PCON không có bit định vị. Nó ở địa chỉ 87H chứa nhiều bit

điều khiển. Thanh ghi PCON được tóm tắt như sau:
 Bit 7 (SMOD): Bit có tốc độ Baud ở mode 1, 2, 3 ở Port nối tiếp khiset.
 Bit 6, 5, 4: Không có địa chỉ.
 Bit 3 (GF1): Bit cờ đa năng1.
 Bit 2 (GF0): Bit cờ đa năng2.

 Bit 1 (PD): Set để khởi động mode Power Down và thoát đểreset.
 Bit0(IDL):SetđểkhởiđộngmodeIdlevàthoátkhingắtmạchhoặc reset.

Các bit điều khiển Power Down và Idle có tác dụng chính trong tất cả các IC
họ MSC-51 nhưng chỉ được thi hành trong sự biên dịch của CMOS.
12

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

1.1.4

Bộ nhớ ngoài
8951 có khả năng mở rông bộ nhớ lên đến 64K byte bộ nhớ chương trình và

64k byte bộ nhớ dữ liệu ngoài. Do đó có thể dùng thêm RAM và ROM nếucần.
Khi dùng bộ nhớ ngoài, Port0 không còn chức năng I/O nữa. Nó được kết
hợp giữa bus địa chỉ (A0-A7) và bus dữ liệu (D0-D7) với tín hiệu ALE để chốt
byte của bus địa chỉ chỉ khi bắt đầu mỗi chu kỳ bộ nhớ. Port được cho là byte cao
của bus địa chỉ.
•

Truy xuất bộ nhớ mã ngoài (Acessing External CodeMemory)

Bộ nhớ chương trình bên ngoài là bộ nhớ ROM được cho phép của tínhiệu
PSEN\. Sự kết nối phần cứng của bộ nhớ EPROM như sau:

Hình: Accessing External Code Memory (Truy xuất bộ nhớ mã ngoài)

Trong một chu kỳ máy tiêu biểu, tín hiệu ALE tích cực 2 lần. Lần thứ nhất
cho phép 74HC373 mở cổng chốt địa chỉ byte thấp, khi ALE xuống 0 thì byte
thấp và byte cao của bộ đếm chương trình đều có nhưng EPROM chưa xuất vì
PSEN\ chưa tích cực, khi tín hiệu lên một trở lại thì Port 0 đã có dữ liệu là
Opcode. ALE tích cực lần thứ hai được giải thích tương tự và byte 2 được đọc từ
bộ nhớ chương trình. Nếu lệnh đang hiện hành là lệnh 1 byte thì CPU chỉ đọc
13

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

Opcode, còn byte thứ hai bỏ đi.
•

Truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài (Accessing External DataMemory)
Bộ nhớ dữ liệu ngoài là một bộ nhớ RAM được đọc hoặc ghi khi được

cho phép của tín hiệu RD\ và WR. Hai tín hiệu này nằm ở chân P3.7 (RD) và
P3.6 (WR). Lệnh MOVX được dùng để truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và dùng
một bộ đệm dữ liệu 16 bit (DPTR), R0 hoặc R1 như là một thanh ghi địachỉ.
Các RAM có thể giao tiếp với 8951 tương tự cách thức như EPROM
ngoại trừ chân RD\ của 8951 nối với chân OE\ (Output Enable) của RAM và
chân WR\ của 8951 nối với chânWE \của RAM. Sự nối các bus địa chỉ và dữ
liệu tương tự như cách nối củaEPROM.

•

Sự giải mã địa chỉ (AddressDecoding):

SựgiảimãđịachỉlàmộtyêucầutấtyếuđểchọnEPROM,RAM,8279.Sự giải mã

địa chỉ đối với 8951 để chọn các vùng nhớ ngoài như các vi điều khiển. Nếu các
con EPROM hoặc RAM 8K được dùng thì các bus địa chỉ phải được giải mã để
chọn các IC nhớ nằm trong phạm vi giới hạn 8K: 0000H÷1FFFH, 2000H ÷
3FFFH, …
Một cách cụ thể, IC giải mã 74HC138 được dùng với những ngõ ra của nó
14

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

được nối với những ngõ vào chọn Chip CS (Chip Select) trên nhữngIC nhớ.

Hình: Address Decoding (Giải mã địa chỉ)
Vậy một chương trình có thể được tải vào RAM bằng cách xem nó như bộ
nhớ dữ liệu và thi hành chương trình băng cách xem nó như bộ nhớ chương trình.
1.2.Động cơ bước
1.2.1 Khái quát
Động cơ bước cho phép xác định vị trí mà không cần dùng mạch hối tiếp.
Động cơ bước khác động cơ bình thường ở chổ, trục giữa của chúng không quay tự
do, mà quay theo từng bước khi các cuộn dây của chúng được cấp nguồn theo thứ
tự thích hợp.
Bước của động cơ (giá trị của góc giữa hai vị trí ổn định kề nhau của
Roto) càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao. Bước của động cơ phụ
thuộc vào số cuộn dây phần ứng, số cực của Stato, số răng của Roto và phương
pháp điều khiển bước đủ hoặc điều khiển nữa bước. Tùy theo yêu cầu về độ chính
15


Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

xác và kết cấu của động cơ, mà bước của động cơ thay đổi trong giới hạn từ 180

0

0
- 0,18 . Trong đó: động cơ bước nam châm vĩnh cửu dạng cực móng và có từ trở
0
0
thay đổi từ 6 - 45 , động cơ bước có từ trở thay đổi có góc bước nằm trong giới
0
0
hạn từ: 1,8 - 30 , và động cơ bước hỗn hợp có góc bước thay đổi trong khoảng
0
0
0,36 - 15 . Các giá trị góc của các loại động cơ kể trên được tính trong chế độ
điều khiển bướcđủ.
Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy
trong các cuộn dây phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộn dây phần ứng được
cấp xung điều khiển. Nhiệm vụ này do bộ chuyển phát thựchiện.
Số cuộn dây phần ứng (hay cò gọi là cuộn dây pha) của động cơ bước
được chế tạo từ 2 - 5 cuộn dây pha (hay còn gọi là bối dây) và được đặt đối diện
nhau trong các rãnh ở Stato. Đối với cuộn dây phải có hai cuộn dây thì chỉ dùng
cho điều khiển lưỡng cực (cuộn dây có cực tính thay đổi), với 4 cuộn dây có thể
dùng cho cả hai chế độ điều khiển lưỡng cực và điều khiển đơn cực.

1.2.2

Phân loại

Động cơ bước được phân thành các loại như sau:
a)

Động cơ bước nam châm vĩnhcữu

Cấutrúc:
Các cuộn dây quấn trên stator, roto là nam châm vĩnh cữu, giống động cơ AC
16

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

đồng bộ.
Phân loại: đơn cực và lưỡngcực
Đơn cực:là động cơ có chiều dòng điện qua mỗi cuộn dây khôngđổi.
Lưỡng cực là động cơ có chiều dòng điện qua mỗi cuộn dây thay đổi.
b)

Động cơ bước có từ trở biếnthiên
Roto làm bằng sắt nhẹ, số cực của roto ít hơn số cực của stato, mỗi cuộn

dây được quấn trên 2 cục của stato đối diện nhau.
Hay còn gọi là động cơ phản kháng. Kiểu động cơ này có góc nằm trong
0

0
giới hạn từ 1,8 ÷ 30 trong chế độ điều khiển bước đủ, mômen hãm từ 1÷ 50
Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 1 Khz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều
kiện không tải là 20 Khz. Stato được chế tạo thành dạng răng với bước cực βs,
roto của động cơ cũng được chế tạo thành dạng răng có bước cực βr.

c)

Động cơ bước loại hỗnhợp

Hay còn gọi là động cơ bước cảm ứng, có góc bước thay đổi trong khoảng
17

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

0
0,36 - 15 trong chế độ bước đủ, mômen hãm từ 3 - 1000 Ncm, tần số khởi động
lớn nhất là 40 khz. Trong các loại động cơ bước kể trên thì động cơ bước hổn hợp
được sử dụng nhiều hơn cả. Vì loại động cơ này kết hợp các ưu điểm của hai loại
động cơ trên đó là: Động cơ nam châm vĩnh Cửu với dạng cực móng, và động cơ
có từ trở thay đổi.
Cấu tạo của động cơ bước thay đổi hổn hợp là sự kết hợp giữa động cơ
bước nam châm vĩnh cữu và động cơ bước có từ trở thay đổi. Phần Stato được cấu
tạo hoàn toàn giống Stator của động cơ bước có từ trở thay đổi. Trên các cực của
Stato được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha được quấn thành 4 cuộn dây
hoặc được quấn thành 2 cuộn dây đặt xen kẻ nhau để hình thành lên các cực N và
S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của Roto và cũng được đặt

xen kẽ giữa hai vành răng số 3 củaRoto.
Động cơ hổn hợp cũng được chế tạo với 2, 4 và 5 pha, động cơ 2 và 4 pha



thường cho góc bước từ αs = 0,90-150 cò động cơ 5 pha thường có có góc bước từ
αs = 0,180-0,270.


Động cơ hổn hợp có tần số bước và độ phân giải cao, có mômen

quay vàmômen hãmlớn.


Trong chế tạo động cơ bước ngoài ba loại chính kể trên, để có góc

bước thay rất nhỏ người ta còn chế tạo động cơ bước từ trở thay đổi có
nhiều tầng, kết cấu của loại này được trình bày ở hình.


Loại động cơ này thường được chế tạo 2, 3, 4 tầng trình bầy kết cấu của
động cơ bước từ trở thay đổi có ba tầng. Trong mỗi tầng số răng của Stato
và Roto giống nhau. Vị trí răng của 3 Stato được đặt giống nhau và được cố
định trên trục Roto, nhưng vị trí răng của 3 Stato được đặt lệch nhau 1/3
bướcrăng.



Khi có một xung dòng điện điều khiển đặt vào tầng 1 thì răng của Roto và
Stato đối đỉnh nhau (vì từ thông chỉ khép kín tại vị trí có từ trở nhỏ nhất).


18

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

0
Lúc này răng của Roto và Stato ở tầng 2 lệch nhau 1 góc là 10 , còn răng
0
của Roto và Stato ở tầng 3 lệch nhau là 20 . Cắt xung dòng điện điều khiển
vào tầng 1 và các xung dòng điện điều khiển vào tầng thì Roto của tầng 2
0
quay một góc 10 để đỉnh răng của Roto trùng với đỉnh răng của stato ở
tầng 2, lúc này răng của Roto và Stato của tầng 3 lệch nhau một góc là 10

0

so với tầng 2. Quá trình điều khiển tiếp tục cho tới khi trở lại tầng 1. Cuối
cùng ta có quá trình điều khiển theo trình tự1-2-3-1.
1.2.3 Phương pháp điều khiển đủ bước và nửa bước

a)

Phương pháp điều khiển nguyên bước

Thể hiện trình tự điều khiển bước đủ của dộng cơ bước nam châm vĩnh cửu được
từ hóa với các cực từ xen kẽ. Nguyên lý làm việc của động cơ bước là dựa trên sự
tác động tương hổ giữa từ trường của Stato và Roto, hình thành mômen điện từ làm

quay Roto đi một góc nhất định.
Bảng làm việc của chế độ nguyên bước:
Dạng điều khiển này được gọi là điều khiển bước đủ hay còn gọi là điều
khiển đối xứng.
b)

Phương pháp điều khiển nửa bước
Thể hiện trình tự điều khiển nửa bước, quá trình điều khiển nửa bước
19

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

tương tự như quá trình điều khiển bước đủ, nhưng trình tự chuyển mạch các cuộn
dây điều khiển như bảngsau:

Với việc điều khiển nửa bước, mỗi bước của động cơ quay được nhỏ hơn ở
chế độ nguyên bước. Như ta thấy, với cung 1 loại động cơ, nếu họat động ở chế
độ nguyên bước, thì chỉ cần 4 bước để thực hiện 1 vong quay, còn ở chế độ nữa
bước là 8.
Xét về yêu cầu đảm bảo độ chính xác trong điều khiển, thì phương pháp
điều khiển nửa bước dễ dàng đáp ứng hơn, nhưng bộ chuyển phát xung điều khiển
phức tạp hơn nhiều so với phương pháp điều khiển bước đủ.
1.2.4 Nguyên lý hoạt động
a)

Động cơ nam châm vĩnh cửu
Nguyên lý làm việc của động cơ này là dựa vào tác động của một trường


điệntừ 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.

Xét cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu như:
Động cơ có hai cuộn dây lắp ở hai cực của Stato, và một nam châm vĩnh
cửu ở Roto. Khi kích thích một cuộn dây của Stato (đồng thời ngắt điện cuộn kia)
sẽ tạo nên hai cực Bắc (North) và Nam (South) của nam châm. Roto sẽ thẳng
20

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

đứng với hướng từtrường
Nếu ta cho dòng điện vào cuộn dây W thì vị trí 1 và 3 của Stato tương ứng
1
sẽ là cực Nam và cực Bắc.
Giả sử trục của nam châm vĩnh cửu của Roto đang lệch với trục 1-3 một
góc α dưới tác dụng của lực hút do các cực trái dấu của nam châm sẽ sinh ra một
lực quay Roto về vị trí 1, vị trí này gọi là vị trí cân bằng. Sau đó cho dòng điện I2
vào cuộn dây W

2

(lúc này dòng điện ở cuộn W


1

bị ngắt), thanh nam châm sẽ

quay nhanh đến vị trí 2 một góc 900nếu việc cấp điện liên tục và tuần tự vào cuộn
dây W , W , W , W , …. Và đảo chiều dòng điện sau mỗi bước, thanh nam
1
2
1
2
châm sẽ quay thành những vòng tròn, từ một phần tư vòng tròn đến một phần tư
vòng tròn khác.
Các cuộn dây của Stato gọi là các pha. Động cơ bước có thể có nhiều pha:
2, 3, 4, 5 pha, nó được 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.
b)

Động cơ bước từ trở thay đổi
Nguyên lý làm việc của động cơ bước từ trở thay đổi dựa trên cơ sở định

luật cảm ứng điện từ, tức là dựa trên sự tác động giữa một trường điện từ và một
Roto có từ trở thay đổi theo góc quay.
Roto động cơ điện được chế tạo bằng vật liệu dẫn từ, trên bề mặt Roto
thường có nhiều răng. Mỗi răng của Roto hoặc của Stato gọi là một cực. Trên hai
cực đối diện được mắc hai cuộn dây tao thành một phần của động cơ. Như vậy
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

0
cực gần nó nhất của roto và làm Roto quay một góc 30 theo chiều ngược chiều
21

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

'
kim đồng hồ. Nếu dòng điện được đưa vào cuộn dây CC , Roto lại tiếp tục quay
một góc 300 nữa … Các cuộn dây AA’, BB’, CC’ gọi là cácpha.
Hướng quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều của dòng điện mà phụ
thuộc vào thứ tự cấp điện cho cuộn dây. Nhiệm vụ này do các mạch logic trong bộ
chuyển phát thực 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 làm
việc cũng khá lớn (từ 2 đến 5 Khz).
c) Động cơ nhiều stator

Động cơ gồm nhiều stato trên cùng một trục. Nếu ta dịch chuyển stato đi
một góc đồng thời giữ Roto thẳng hàng hoặc ngược lại có bước rất nhỏ. Khi cung
cấp điện cho stato một cách liên tục, ta sẽ có một động cơ (quay liên tục), đặc tính
của nó không tốt bằng động cơ có từ trở thay đổi.
1.2.5 Điều khiển động cơ bước

Điều khiển động cơ bước do một thiết bị điện tử gọi là bộ chuyển phát
thực hiện nó bao gồm các chức năng sau đây:
+


Tạo các xung với các tần số khácnhau.

+

Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tựkích.

+

Làm giảm dao động cơhọc.

Bộ điều khiển đưa ra các tín hiệu điều khiển đến mạch công suất của động
cơ. Bộ điều khiển đưa ra tín hiệu quay thuận, quay ngược hay đứng yên. Bộ điều
22

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

khiển ở đây ta dung là vi điều khiển 8951.
Dưới đây là mạch công suất của động cơ:

Ta có thể sử dung transistor hay motfet, để điều khiển động cơ. Khi T dẫn,
dòng điện từ nguồn chạy thẳng xuống đất, không có dòng điện qua cuôn dây, khi T
không dẫn, dòng điện chạy qua cuôn dây của động cơ bước. Tương tự ta kích tuần
tự các cuôn dây còn lại, động cơ sẽ quay, động cơ sẽ quay ngược lại nếu ta kích
theo thứ tự ngượclại.
Ở vị trí khóa của động cơ bước, ta cho dòng diện chạy qua tất cả các cuộn
dây của động cơ. Lúc đó động cơ sẽ không chuyển động, va bị khóa cứng ở vị trí
đó.



Ứngdụng:
Do mạch điều khiển đơn giản, không phức tạp như cac loại động cơ khác,

lại chính xác. Nên động cơ bước được sử dụng nhiều trong cac ứng dụng công
nghiệp như: máy in, đồng hồ v.v….


Một số động cơ thường gặp:

23

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

1.3.Nút ấn

Khái

quát và công

dụng
+

Là 1 khí cụ dùng để đóng ngắt

từ


+
+

thiết bị điện.
Thường đặt trên bảng điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút nhấn...
Khi thao tác cần dứt khoát để mở hoặc đóng mạch điện.

xa

các

Cấu tạo
+

Nút nhấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường hở, đóng và vỏ

+

bảo vệ.
Khi tác động vào nút nhấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái, khi không có tác
động, các tipế điểm trở về trạng thái ban đầu.

Phân Loại
+

Theo chức năng trạng thái hoạt đỗng của nút nhấn: nút nhấn đơn, nút nhấn

+


kép.
Theo hình dạng: loại hở, bảo vệ, loại bảo vệ chống nước và chống bụi, loại

+

bảo vệ khỏi nổ.Theo yêu cầu điều khiển: 1 nút, 2 nút, 3 nút.
Theo kết cấu bên trong: có và ko có đèn báo.

24

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8


Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển

1.4.Cảm biến hồng ngoại
Hồng ngoại là loại tia có bản chất sóng điện từ nằm ngoài vùng ánh sáng có
thể nhìn thấy có bước sóng lớn hơn bước sóng của tia đỏ. Sóng hồng ngoại được
tạo ra dễ dàng bằng cách tao dao động cho diode phát hồng ngoại chuyên dụng. Do
đó hồng ngoại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tia hồng ngoại với bản chất
sóng điện từ nên có thể phản xạ khi gặp bề mặt vật thể. Ta có thể sử dụng đặc điểm
này để phát hiện vật thể, cảm biến hồng ngoại sẽ phát xạ ra các tia hồng ngoại, sau
đó dựa trên tín hiệu phản xạ về thì nó sẽ phân tích xem có chuyển động hay không.
Còn đối với các cơ thể sống, không hoạt động trong vùng phát xạ thì nó vẫn phát
hiện được sự xuất hiện của cơ thể sống, vì các cơ thể cũng tự bức xạ nhiệt và cảm
biến cũng thu được bức xạ này. Trong mạch phát hiện vật thể hoạt động trên
nguyên lý thu phát hồng ngoại người ta bố trí các diode và sensor thu hồng ngoại
thành từng cặp theo một số cách sau:
- Bố trí cạnh nhau:
Trong cách bố trí này tia hồng ngoại từ diode phát ra khi gặp bề mặt vật cản

sẽ phản xạ lại. Do sensor thu được đặt cạnh diode phát nên sẽ thu được tín hiệu
phản xạ này.
- Bố trí đối diện:
Trong cách bố trí này khi không có vật chắn, tia hồng ngoại từ diode phát
luôn tới và được sensor thu. Khi có vật chắn, tia hồng ngoại sẽ không đi thẳng mà
phản xạ lại do đó không tới được sensor thu.
Ngoài ra hồng ngoại còn được sử dụng để truyền tin không dây do đó có khả
năng chống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thường, do đó có thể mang thông tin mã
hóa.
Thiết bị thu phát hồng ngoại lại khá đơn giản, gọn nhẹ, giá thành rẻ. Với
những ưu điểm trên hồng ngoại được lựa chọn như một giải pháp tối ưu trong việc
thiết kế mạch phát hiện vật thể.

25

Nhóm 1-Lớp Điện 1- K8