Điều khiển tôc độ động cơ một chiêu

vấn đề lý thuyết có liên quan và cùng tiến hành thực hành để hoàn thành đề tài. IV.Kết quả dự kiến Thứ nhất là tìm hiểu và biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều. Thứ hai là biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng của các linh kiện điện tử. Thứ ba là điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều và có đảo chiều động cơ dùng vi điều khiển. Thứ tư là có thể hiểu và lập trình thành thạo với vi điều khiển AT89C51. Hoàn thành mô hình đề tài đảm bảo đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu đã được đề ra. Phần II: Nội Dung Chính Chương I: Tìm Hiểu Về Linh Kiện Điện Tử Trong Đề Tài I.Mosfet      1.1 Giới thiệu về Mosfet Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính . Hình 1.1 Transistor hiệu ứng trường Mosfet Những ứng dụng: + Bộ biến đổi DC – DC hiệu quả cao + UPS và điều khiển động cơ IRF 9540 là mosfet loại P + Hoạt động với điện áp VDSSMAX = -100V, RDS(ON) = 0,20Ω, ID = -19A. 1.2 Cấu tạo và ký hiệu của Mosfet. Hình 1.2 Ký hiệu và sơ đồ chân tương đương giữa Mosfet và Transistor    * Cấu tạo của Mosfet. Hình 1.3 Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N G : Gate gọi là cực cổng S : Source  gọi là cực nguồn D : Drain gọi  là cực máng Mosfet kện N có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N, giữa hai lớp P-N được cách điện bởi lớp SiO2  hai miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G. Mosfet có điện trở  giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D  là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào  điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0  => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ. II. Vi Điều Khiển AT89C51 2.1 Tìm hiểu về IC 89C51 Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng trăm biến thể (derrivatives) được sản xuất bởi hơn 20 hãng khác nhau, trong đó phải kể đến các đại gia trong làng bán dẫn (Semiconductor) như ATMEL, Texas Instrument, Philips, Analog Devices… Tại Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51, AT89S52… đã có thời gian xuất hiện trên thị trường khá lâu và có thể nói là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit. 2.1.1 Cấu trúc bus Bus địa chỉ của họ vi điều khiển 8051 gồm 16 đường tín hiệu (thường gọi là bus địa chỉ 16 bit). Với số lượng bit địa chỉ như trên, không gian nhớ của chip được mở rộng tối đa là 65536 địa chỉ, tương đương 64K. Bus dữ liệu của họ vi điều khiển 8051 gồm 8 đường tín hiệu (thường gọi là bus dữ liệu 8 bit), đó là lý do tại sao nói 8051 là họ vi điều khiển 8 bit. Với độ rộng của bus dữ liệu như vậy, các chip họ 8051 có thể xử lý các toán hạng 8 bit trong một chu kỳ lệnh. 2.1.2 CPU (Central Processing Unit) CPU là đơn vị xử lý trung tâm, đó là bộ não của toàn bộ hệ thống vi điện tử được tích hợp trên chip vi điều khiển. CPU có cấu tạo chính gồm một đơn vị xử lý số học và lôgic ALU (Arithmethic Logic Unit) - nơi thực hiện tất cả các phép toán số học và phép lôgic cho quá trình xử lý. 2.1.3 Bộ nhớ chương trình (Program Memory) Không gian bộ nhớ chương trình của AT89 là 64K byte, tuy nhiên hầu hết các vi điều khiển AT89 trên thị trường chỉ tích hợp sẵn trên chip một lượng bộ nhớ chương trình nhất định và chiếm dải địa chỉ từ 0000h trở đi trong không gian bộ nhớ chương trình. AT89C51/AT89S51 có 4K byte bộ nhớ chương trình loại Flash tích hợp sẵn bên trong chip. Đây là bộ nhớ cho phép ghi/xóa nhiều lần bằng điện, chính vì thế cho phép người sử dụng thay đổi chương trình nhiều lần. Số lần ghi/xóa được thường lên tới hàng vạn lần. Bộ nhớ chương trình dùng để chứa mã của chương trình nạp vào chip. Mỗi lệnh được mã hóa bởi 1 hay vài byte, dung lượng của bộ nhớ chương trình phản ánh số lượng lệnh mà bộ nhớ có thể chứa được. Địa chỉ đầu tiên của bộ nhớ chương trình (0x0000) chính là địa chỉ Reset của 8051. Ngay sau khi reset (do tắt bật nguồn, do mức điện áp tại chân RESET bị kéo lên 5V...), CPU sẽ nhảy đến thực hiện lệnh đặt tại địa chỉ này trước tiên, luôn luôn là như vậy. Phần còn trống trong không gian chương trình không dùng để làm gì cả. Nếu muốn mở rộng bộ nhớ chương trình, ta phải dùng bộ nhớ chương trình bên ngoài có dung lượng như ý muốn. Tuy nhiên khi dùng bộ nhớ chương trình ngoài, bộ nhớ chương trình onchip không dùng được nữa, bộ nhớ chương trình ngoài sẽ chiếm dải địa chỉ ngay từ địa chỉ 0x0000. 2.1.4 Bộ nhớ dữ liệu (Data Memory) Vi điều khiển họ 8051 có không gian bộ nhớ dữ liệu là 64K địa chỉ, đó cũng là dung lượng bộ nhớ dữ liệu lớn nhất mà mỗi chip thuộc họ này có thể có được (nếu phối ghép một cách chính tắc, sử dụng các đường tín hiệu của bus địa chỉ và dữ liệu). Bộ nhớ dữ liệu của các chip họ 8051 có thể thuộc một hay hai loại: SRAM hoặc EEPROM. Bộ nhớ dữ liệu SRAM được tích hợp bên trong mọi chip thuộc họ vi điều khiển này, có dung lượng khác nhau tùy loại chip, nhưng thường chỉ khoảng vài trăm byte. Đây chính là nơi chứa các biến trung gian trong quá trình hoạt động của chip. khi mất điện, do bản chất của SRAM mà giá trị của các biến này cũng bị mất theo. Khi có điện trở lại, nội dung của các ô nhớ chứa các biến này cũng là bất kỳ, không thể xác định trước. Bên cạnh bộ nhớ loại SRAM, một số chip thuộc họ 8051 còn có thêm bộ nhớ dữ liệu loại EEPROM với dung lượng tối đa vài Kbyte, tùytừng loại chip cụ thể. Dưới đây là một vài ví dụ về bộ nhớ chương trình của một số loại chip thông dụng thuộc họ 8051. STT Tên chip Bộ nhớ SRAM Bộ nhớ EEPROM 1 AT89C51 128 byte O 2 AT89C52 256 byte 0 3 AT89C2051 128 byte 0 4 AT89S51 128 byte 0 5 AT89S8252 256 byte 0 6 AT89S8252 256 byte 2028 byte Đối với các chip có bộ nhớ SRAM 128 byte thì địa chỉ của các byte SRAM này được đánh số từ 00h đến 7Fh. Đối với các chip có bộ nhớ SRAM 256 byte thì địa chỉ của các byte SRAM được đánh số từ 00h đến FFh. Ở cả hai loại chip, SRAM có địa chỉ từ 00h đến 7Fh được gọi là vùng RAM thấp, phần có địa chỉ từ 80h đến FFh (nếu có) được gọi là vùng RAM cao. Bên cạnh các bộ nhớ, bên trong mỗi chip 8051 còn có một tập hợp các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR – Special Function Register). Các thanh ghi này lien quan đến hoạt động của các ngoại vi onchip (các cổng vào ra, timer, ngắt ...). Địa chỉ của chúng trùng với dải địa chỉ của vùng SRAM cao, tức là cũng có địa chỉ từ 80h đến FFh. 2.2 Các thanh nghi đặc biệt SFR 2.2.1 Cổng vào ra song song (I/O Port) 8051 có 4 cổng vào ra song song, có tên lần lượt là P0, P1, P2 và P3. Tất cả các cổng này đều là cổng vào ra hai chiều 8bit. Các bit của mỗi cổng là một chân trên chip, như vậy mỗi cổng sẽ có 8 chân trên chip dùng cổng đó làm cổng ra hay cổng vào) là độc lập giữa các cổng và giữa các chân (các bit) trong cùng một cổng. Ví dụ, ta có thể định nghĩa cổng P0 là cổng ra, P1 là cổng vào hoặc ngược lại một cách tùy ý, với cả 2 cổng P2 và P3 còn lại cũng vậy. Trong cùng một cổng P0, ta cũng có thể định nghĩa chân P0.0 là cổng vào, P0.1 lại là cổng ra tùy ý. Cổng P0 không có điện trở treo cao (pullup resistor) bên trong, mạch lái tạomức cao chỉ có khi sử dụng cổng này với tính năng là bus dồn kênh địa chỉ/dữ liệu. Như vậy với chức năng ra thông thường, P0 là cổng ra open drain, với chức năng vào, P0 là cổng vào cao trở (high impedance). Nếu muốn sử dụng cổng P0 làm cổng vào/ra thông thường, ta phải thêm điện trở pullup bên ngoài. Giá trị điện trở pullup bên ngoài thường từ 4K7 đến 10K. Các cổng P1, P2 và P3 đều có điện trở pullup bên trong, do đó có thể dùng với chức năng cổng vào/ra thông thường mà không cần có thêm điện trở pullup bên ngoài. Thực chất, điện trở pullup bên trong là các FET, không phải điện trở tuyến tính thông thường, tuy vậy nhưng khả năng phun dòng ra của mạch lái khi đầu ra ở mức cao (hoặc khi là đầu vào) rất nhỏ, chỉ khoảng 100 micro Ampe. 2.2.2 Cổng vào ra nối tiếp (Serial Port) Cổng nối tiếp trong 8051 chủ yếu được dùng trong các ứng dụng có yêu cầu truyền thông với máy tính, hoặc với một vi điều khiển khác. Liên quan đến cổng nối tiếp chủ yếu có 2 thanh ghi: SCON và SBUF. Ngoài ra, một thanh ghi khác là thanh ghi PCON (không đánh địa chỉ bit) có bit 7 tên là SMOD quy định tốc độ truyền của cổng nối tiếp có gấp đôi lên (SMOD = 1) hay không (SMOD = 0). 2.2.3 Ngắt (Interrupt) 8051 chỉ có một số lượng khá ít các nguồn ngắt (interrupt source) hoặc có thể gọi là các nguyên nhân ngắt. Mỗi ngắt có một vector ngắt riêng, đó là một địa chỉ cố định nằm trong bộ nhớ chương trình, khi ngắt xảy ra, CPU sẽ tự động nhảy đến thực hiện lệnh nằm tại địa chỉ này. Với 8052, ngoài các ngắt trên còn có thêm ngắt của timer2 (do vi điều khiển này có thêm timer2 trong số các ngoại vi onchip). Mỗi ngắt được dành cho một vector ngắt kéo dài 8byte. Về mặt lý thuyết, nếu chương trình đủ ngắn, mã tạo ra chứa đủ trong 8 byte, người lập trình hoàn toàn có thể đặt phần chương trình xử lý ngắt ngay tại vector ngắt. Tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp, chương trình xử lý ngắt có dung lượng mã tạo ra lớn hơn 8byte nên tại vector ngắt, ta chỉ đặt lệnh nhảy tới chương trình xử lý ngắt nằm ở vùng nhớ khác. Nếu không làm vậy, mã chương trình xử lý ngắt này sẽ lấn sang, đè vào vector ngắt kế cận. Để cho phép một ngắt, bit tương ứng với ngắt đó và bit EA phải được đặt bằng 1. Thanh ghi IE là thanh ghi đánh địa chỉ bit, do đó có thể dùng các lệnh tác động bit để tác động riêng rẽ lên từng bit mà không làm ảnh hưởng đến giá trị các bit khác. Cờ ngắt hoạt động độc lập với việc cho phép ngắt, điều đó có nghĩa là cờ ngắt sẽ tự động đặt lên bằng 1 khi có sự kiện gây ngắt xảy ra, bất kể sự kiện đó có được cho phép ngắt hay không. Do vậy, trước khi cho phép một ngắt, ta nên xóa cờ của ngắt đó để đảm bảo sau khi cho phép, các sự kiện gây ngắt trong quá khứ không thể gây ngắt nữa. 8051 có 2 ngắt ngoài là INT0 và INT1. Ngắt ngoài được hiểu là ngắt được gây ra bởi sự kiện mức lôgic 0 (mức điện áp thấp, gần 0V) hoặc sườn xuống (sự chuyển mức điện áp từ mức cao về mức thấp) xảy ra ở chân ngắt tương ứng (P3.2 với ngắt ngoài 0 và P3.3 với ngắt ngoài 1). Việc lựa chọn kiểu ngắt được thực hiện bằng các bit IT (Interrupt Type) nằm trong thanh ghi TCON. Đây là thanh ghi điều khiển timer nhưng 4 bit LSB (bit0..3) được dùng cho các ngắt ngoài. Khi bit ITx = 1 thì ngắt ngoài tương ứng được chọn kiểu là ngắt theo sườn xuống, ngược lại nếu bit ITx = 0 thì ngắt ngoài tương ứng được sẽ có kiểu ngắt là ngắt theo mức thấp. Các bit IE là các bit cờ ngắt ngoài, chỉ có tác dụng trong trường hợp kiểu ngắt được chọn là ngắt theo sườn xuống. Khi kiểu ngắt theo sườn xuống được chọn thì ngắt sẽ xảy ra duy nhất một lần khi có sườn xuống của tín hiệu, sau đó khi tín hiệu ở mức thấp, hoặc có sườn lên, hoặc ở mức cao thì cũng không có ngắt xảy ra nữa cho đến khi có sườn xuống tiếp theo. Cờ ngắt IE sẽ dựng lên khi có sườn xuống và tự động bị xóa khi CPU bắt đầu xử lý ngắt. Khi kiểu ngắt theo mức thấp được chọn thì ngắt sẽ xảy ra bất cứ khi nào tín hiệu tại chân ngắt ở mức thấp. Nếu sau khi xử lý xong ngắt mà tín hiệu vẫn ở mức thấp thì lại ngắt tiếp, cứ như vậy cho đến khi xử lý xong ngắt lần thứ n , tín hiệu đã lên mức cao rồi thì thôi không ngắt nữa. Cờ ngắt IE trong trường hợp này không có ý nghĩa gì cả.Thông thường kiểu ngắt hay được chọn là ngắt theo sườn xuống. 2.2.4 Bộ định thời/Bộ đếm (Timer/Counter) 8051 có 2 timer tên là timer0 và timer1. Các timer này đều là timer 16bit, giátrị đếm max do đó bằng 65536 (đếm từ 0 đến 65535). Hai timer có nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống nhau và độc lập. Sau khi cho phép chạy, mỗi khi có thêm một xung tại đầu vào đếm, giá trị của timer sẽ tự động được tăng lên 1 đơn vị, cứ như vậy cho đến khi giá trị tăng lên vượt quá giá trị max mà thanh ghi đếm có thể biểu diễn thì giá trị đếm lại được đưa trở về giá trị min (thông thường min = 0). Sự kiện này được hiểu là sự kiện tràn timer (overflow) và có thể gây ra ngắt nếu ngắt tràn timer được cho phép (bit ETx trong thanh ghi IE = 1). Việc cho timer chạy/dừng được thực hiện bởi các bit TR trong thanh ghi TCON (đánh địa chỉ đến từng bit). Khi bit TRx = 1, timerx sẽ đếm, ngược lại khi TRx = 0, timerx sẽ không đếm mặc dù vẫn có xung đưa vào. Khi dừng không đếm, giá trị của timer được giữ nguyên. Các bit TFx là các cờ báo tràn timer, khi sự kiện tràn timer xảy ra, cờ sẽ được tự động đặt lên bằng 1 và nếu ngắt tràn timer được cho phép, ngắt sẽ xảy ra. Khi CPU xử lý ngắt tràn timerx, cờ ngắt TFx tương ứng sẽ tự động được xóa về 0. Giá trị đếm 16bit của timerx được lưu trong hai thanh ghi THx (byte cao) và TLx (byte thấp). Hai thanh ghi này có thể ghi/đọc được bất kỳ lúc nào. Tuy nhiên nhà sản xuất khuyến cáo rằng nên dừng timer (cho bit TRx = 0) trước khi ghi/đọc các thanh ghi chứa giá trị đếm. Các timer có thể hoạt động theo nhiều chế độ, được quy định bởi các bit trong thanh ghi TMOD (không đánh địa chỉ đến từng bit). Để xác định thời gian, người ta chọn nguồn xung nhịp (clock) đưa vào đếm trong timer là xung nhịp bên trong (dành cho CPU). Nguồn xung nhịp này thường rất đều đặn (có tần số ổn định), do đó từ số đếm của timer người ta có thể nhân với chu kỳ xung nhịp để tính ra thời gian trôi qua. Timer lúc này được gọi chính xác với cái tên “timer”, tức bộ định thời. Để đếm các sự kiện bên ngoài, người ta chọn nguồn xung nhịp đưa vào đếm trong timer là tín hiệu từ bên ngoài (đã được chuẩn hóa về dạng xung vuông 0V/5V). Các tín hiệu này sẽ được nối với các bit cổng có dồn kênh thêm các tính năng T0/T1/T2. Khi có sự kiện bên ngoài gây ra thay đổi mức xung ở đầu vào đếm, timer sẽ tự động tăng lên 1 đơn vị giống như trường hợp đếm xung nhịp bên trong. Lúc này, timer được gọi chính xác với cái tên khác: “counter”, tức bộ đếm (sự kiện). Nhìn vào bảng mô tả thanh ghi TMOD bên trên, ta có thể nhận thấy có 2 bộ 4 bit giống nhau (gồm GATEx, C/Tx, Mx0 và Mx1) dành cho 2 timer0 và 1. Ý nghĩa các bit là như nhau đối với mỗi timer. Bit GATEx quy định việc cho phép timer đếm (run timer). Nếu GATEx = 0,timerx sẽ đếm khi bit TRx bằng 1, dừng khi bit TRx bằng 0. Nếu GATEx = 1, timerx sẽ chỉ đếm khi bit TRx = 1 và tín hiệu tại chân INTx = 1, dừng khi một trong hai điều kiện trên không còn thỏa mãn. Thông thường người ta dùng timer với GATE = 0, chỉ dùng timer với GATE = 1 trong trường hợp muốn đo độ rộng xung vì lúc đó timer sẽ chỉ đếm thời gian khi xung đưa vào chân INTx ở mức cao. Bit C/Tx quy định nguồn clock đưa vào đếm trong timer. Nếu C/Tx = 0, timer sẽ được cấu hình là bộ định thời, nếu C/Tx = 1, timer sẽ được cấu hình là bộ đếm sự kiện. Hai bit còn lại (Mx0 và Mx1) tạo ra 4 tổ hợp các giá trị (00,01,10 và 11) ứng với 4 chế độ hoạt động khác nhau của timerx. Trong 4 chế độ đó thường chỉ dùng chế độ timer/counter 16bit (Mx1 = 0, Mx0 = 1) và chế độ Auto Reload 8bit timer/counter (Mx1 = 1, Mx0 = 0).Trong chế độ timer/counter 16bit, giá trị đếm (chứa trong hai thanh ghi THx và TLx) tự động được tăng lên 1 đơn vị mỗi lần nhận được thêm một xung nhịp. Khi giá trị đếm tăng vượt quá giá trị max = 65535 thì sẽ tràn về 0, cờ ngắt TFx được tự động đặt = 1. Chế độ này được dùng trong các ứng dụng đếm thời gian và đếm sự kiện. Trong chế độ Auto Reload 8bit, giá trị đếm sẽ chỉ được chứa trong thanh ghi TLx, còn giá trị của thanh ghi THx bằng một số n (từ 0 đến 255) do người lập trình đưa vào. Khi có thêm 1 xung nhịp, giá trị đếm trong TLx đương nhiên cũng tăng lên 1 đơn vị như bình thường. Tuy nhiên trong trường hợp này, giá trị đếm lớn nhất là 255 chứ không phải 65535 như trường hợp trên vì timer/counter chỉ còn 8bit. Do vậy sự kiện tràn lúc này xảy ra nhanh hơn, chỉ cần vượt quá 255 là giá trị đếm sẽ tràn. Cờ ngắt TFx vẫn được tự động đặt = 1 như trong trường hợp tràn 16bit. Điểm khác biệt là thay vì tràn về 0, giá trị THx sẽ được tự động nạp lại (Auto Reload) vào thanh ghi TLx, do đó timer/counter sau khi tràn sẽ có giá trị bằng n (giá trị chứa trong THx) và sẽ đếm từ giá trị n trở đi. Chế độ này được dùng trong việc tạo Baud rate cho truyền thông qua cổng nối tiếp. Để sử dụng timer của 8051, hãy thực hiện các bước sau: - Quy định chế độ hoạt động cho timer bằng cách tính toán và ghi giá trị cho các bit trong thanh ghi TMOD. - Ghi giá trị đếm khởi đầu mong muốn vào 2 thanh ghi đếm THx và TLx. Đôi khi ta không muốn timer/counter bắt đầu đếm từ 0 mà từ một giá trị nào đó để thời điểm tràn gần hơn, hoặc chẵn hơn trong tính toán sau này. Ví dụ nếu cho timer đếm từ 15535 thì sau 50000 xung nhịp (tức 50000 micro giây với thạch anh 12MHz) timer sẽ tràn, và thời gian một giây có thể dễ dàng tính ra khá chính xác = 20 lần tràn của timer (đương nhiên mỗi lần tràn lại phải nạp lại giá trị 15535). - Đặt mức ưu tiên ngắt và cho phép ngắt tràn timer (nếu muốn). - Dùng bit TRx trong thanh ghi TCON để cho timer chạy hay dừng theo ý muốn. III. Động cơ điện một chiều. 3.1 Khái niệm động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM. Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ điện một chiều: cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm theo hoặc bộ chỉnh lưu. Cấu tạo: Gồm hai phần: - phần đứng yên (gọi là phần tĩnh ) . - phần chuyển động (gọi là phần quay ). 3.2- Cấu tạo của động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh(stato) và phần động(roto) 3.2.1- Phần tĩnh ( stato ). Stator hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường .Gồm có mạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ(nếu động cơ được kích từ bằng nam châm điện). Mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc ) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ (êmay).Các cuộn dây điện từ này được nối tiếp với nhau. a- Cực từ chính Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. b- Cực từ phụ Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c- Gông từ Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. d- Các bộ phận khác Bao gồm: - Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. - Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. 3.2.2- Phần quay( roto ). Là phần sinh ra suất điện động .Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ ( lá thép kĩ thuật ) xếp lại với nhau .Trên mạch từ có xẻ rãnh đẻ lồng dây quấn phần ứng (làm bằng dây điện từ ). Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bôi dây nối vơi nhau theo một qui luật nhất định .Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp . Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo. a- Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b- Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. c- Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. 3.3- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng : Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ đẻ sinh ra từ thông kích từ Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp của phần ứng . Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay. Chiều của lực được xác định bằng qui tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có phiếu góp nhiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi. Khi quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải, ở động cơ một chiếu sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động . Phương trình cân bằng điện áp : U = Eư + Rư.Iư +Iư. Lõi thép Chổi than Trục Cổ góp Mạch roto 3.4- Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen quay của động cơ: v = f(M) hoặc n = f(M) trong đó : v - tốc độ góc(rad/s) n - tốc độ quay (v/ph) Có hai loại đặc tính cơ : đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính M wđm wntđm wo v0 w v0 Mđm v0 M v0 Mđm v0 w v0 wo v0 a)Đặc tính cơ tự nhiên b) Đặc tính cơ nhân tạo M – momen(Nm) 3.5- Phân loại Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại: Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng : Động cơ điện một chiều kích từ độc lập . Động cơ điện một chiều kích từ song song. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp . - Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp . 3.5.1- Kích thích độc lập khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên : I = Iư. 3.5.2- Kích thích song song khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên : I = Iu +It 3.5.3- Kích thích nối tiếp cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có : I = Iư =It. 3.5.4- Kích thích hỗn hợp Ta có: I = Iu +It Với mỗi loại động cơ trênlà tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố, ở đề tài này ta chỉ xét đên động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này. 3.6- Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều Đặc tính cơ n = f(M) của động cơ điện một chiều n = = (1-1) và vì M = CMIư , biểu thức (37-1) có thể viết dưới dạng n = - (1-2) Trong truyền động điện lực một vấn đề tương đối quan trọng đặt ra là phair phối hợp tốt đặc tính cơ của động cơ điện và đặc tính cơ của tải hoặc của máy công tác. Tùy theo tính chất của truyền động có thể có những yêu cầu khác nhau đối với động cơ điện, thí dụ tốc độ không thay đổi hoặc thay đổi nhiều khi mômen cản thay đổi và để thỏa mãn những yêu cầu đó cần phải dùng các loại động cơ điện khác nhau có đặc tính cơ thích hợp. Sự phối hợp các đặc tính cơ của động cơ điện và tải còn phải sao cho luôn đảm bảo được tính ổn định công tác trong chế độ làm việc xác lập cũng như quá trình quá độ, thí dụ như khi điều chỉnh tốc độ. Để nghiên cứu điều kiện làm việc ổn định của hệ truyền động, ta xét đặc tính M = f(n) của động cơ điện và Mc = f(n) của tải . ở trường hợp của hình 35-3 , ta thấy sự tăng tốc độ ngẫu nhiên nào đó (n = nlv + Dn) thì Mc>M và động cơ điện bị hãm lại để trở về tốc độ ban đầu nlv, ứng với điểm P. Cũng như vậy, khi xảy ra sự giảm tốc độ đột nhiên Mc< M động cơ điện được gia tốc và đạt tốc độ nlv. Đây là trường hợp động cơ làm việc ổn định và từ hình vẽ đó ta thấy điều kiện làm việc ổn định của động cơ như sau : < (1- 3) Ngược lại, nếu M = f(n) và Mc = f(n) có dạng như ở hình 3-3b thì việc tăng tốc độ đột nhiên sẽ khiến cho động cơ điện có mômen gia tốc dương làm cho tốc độ tiếp tục tăng mãi, hoặc sự giảm tốc độ sẽ đưa lại hậu quả làm cho tốc độ tiếp tục giảm. Như vậy là truyền động làm việc không ổn định ứng với điều kiện : < (1-4) Từ biểu thức 1-2 ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách tha đổi các đại lượng f, Rư, và U. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi f được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi tốc độ được liên tục và kinh tế. Trong quá trình điều chỉnh hiệu suất h » Cte vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có công suất rất nhỏ so với công suất động cơ. Cần chú ý rằng, bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tói đa (f=fmax) nên chỉ có thể điều chỉnh theo chiều hướng giảm f, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiêu của máy. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch cơ điện có công suất nhỏ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện. Phương pháp này không gây thêm tổn hao trong động cơ điện, nhưng đòi hỏi phải có nguồn riêng có điện áp điều chỉnh được. IV. Diode 4.1- Khái niệm về diode Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn. 4.2- Cấu tạo của diode Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode . Hình 1.4 cấu tạo của diode Hình 1.5 hình dạng của diode 4.3- Nguyên lý hoạt động của diode Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyễn động khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương ( thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bướcsónggầnđó).Điện áp tiếp xúc hình thành.Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối p nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge. Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện. Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của điốt. Điệp áp ngoài cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện.Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt. Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do. Nói cách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định. 4.4- Ứng dụng của diode Vì điốt có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt đến ca-tốt khi phân cực thuận nên điốt được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.Ngoài ra điốt có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối tắt), phân cực nghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều khiển mức điện áp, được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử. Chương II: Thiết Kế Và Chế Tạo Phần Cứng I .Tổng quát về các phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là rất quan trọng nó có thể giúp ta rễ ràng chọn lựa phương phù hợp cho từng hệ thống riêng biệt . Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ rễ ràng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ. - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Động cơ DC sử dụng trong dân dụng thường chỉ hoạt động ở điện áp 24V trở lại. Một trong những phương pháp để điều khiển mô tơ là sử dụng mạch điều chế độ rộng xung (PWM circuit – Pulse Wide Modulation). PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Lấy điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ băm xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ. Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM nó còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định .Như vậy PWM nó được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện điện tử. Điều mà dân điện điện tử dễ dàng nhận ra là PWM chính nhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ. Mạch điều khiển động cơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho mô tơ bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh. Nguồn DC được chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông (chỉ gồm hai mức 0 volt và xấp xỉ điện áp hoạt động). Tín hiệu xung vuông này được cấp cho mô tơ. Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn mô tơ sẽ chạy với một tốc độ đều đặn phụ thuộc vào mô men của trục quay. Với phương pháp PWM, điều chỉnh tốc độ của mô tơ thông qua việc điều chế độ rộng của xung, tức là thời gian “đầy xung” (“on”) của chuỗi xung vuông cấp cho mô tơ. Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp cho mô tơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ của mô tơ cần điều khiển. Như trên  hình, với dãy xung điều khiển trên cùng, xung ON có độ rộng nhỏ nên động cơ chạy chậm. Nếu độ rộng xung ON càng lớn (như dãy xung thứ 2 và thứ 3) động cơ DC chạy càng nhanh. II- Điều chế PWM để điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều. Để điều khiển được tốc độ động cơ thì ta chỉ cần thay đổi độ rộng xung trong vi điều khiển. Độ rộng xung càng lớn thì động cơ quay càng nhanh. Như chúng ta đã biết thì việc điều khiển nhấp nháy 1 con LED cũng là chúng ta đã điều chế được PWM rồi nhưng xung đó có độ rộng thay đổi và tần số lớn và có thể điều khiển nó bằng hàm trễ (delay). Tuy nhiên khi dùng hàm delay thì trong thời gian xung lên 5V và xuống 0V thì vi điều khiển không làm gì cả hơn nữa việc tạo xung hàm delay thì nếu ta muốn phát xung ở 2 kênh có độ rộng thay đổi là rất khó khăn cho nên chúng ta sử dụng bộ định thời timer ở đây là phương pháp tối ưu nhất . Động cơ ở đây chúng em sử dụng loại udm=24V idm=1.4A.Điều chỉnh động cơ ở ba mức tốc độ khác nhau: - Mức chậm:Từ công thức tính độ rộng xung Tck=255-TL0*1μs.ta có Tck=255-180*1μs=75 μs.Ta có điện áp đặt vào hai đầu động cơ khhi này là u1=75255*12=3,5V.tốc độ của động cơ khi đó là ω1=u1-idm*Ruk*∅dm. lại có ∅dm*k=udm-idm*Ruωdm.nếu biết được ωdm thì ta sẽ tính được tốc độ quay của động cơ điện một chiều. -Mức trung bình: Từ công thức tính độ rộng xung Tck=255-TL0*1μs.ta có Tck=255-80*1μs=175 μs.Ta có điện áp đặt vào hai đầu động cơ khhi này là u2=175255*12=8V.tốc độ của động cơ khi đó là ω2=u2-idm*Ruk*∅dm. lại có ∅dm*k=udm-idm*Ruωdm.nếu biết được ωdm thì ta sẽ tính được tốc độ quay của động cơ điện một chiều. -Mức nhanh: Từ công thức tính độ rộng xung Tck=255-TL0*1μs.ta có Tck=255-0*1μs=255 μs.Ta có điện áp đặt vào hai đầu động cơ khhi này là u3=255255*12=12V.tốc độ của động cơ khi đó là ω3=u3-idm*Ruk*∅dm. lại có ∅dm*k=udm-idm*Ruωdm.nếu biết được ωdm thì ta sẽ tính được tốc độ quay của động cơ điện một chiều. Ta có công thức n=ω*9,55. 2.1-Ngắt của bộ định thời Timer Ngắt là sự đáp ứng những sự kiện bên trong và bên ngoài nhằm thông bào cho bộ vi điều khiển biết thiết bị đang cần phục vụ. Một chương trình không có ngắt thì chạy liên tục, còn chương trình mà có ngắt thì cứ khi nào có ngắt được đảm bảo thì con trỏ sẽ nhảy sang hàm ngắt thực hiện xong thì hàm ngắt quay trở về đúng chỗ cũ và thực hiện tiếp chương trình chính Ví dụ : bạn đang học bài mà có tiếng chuông điện thoại kêu , bạn dừng việc học lại để nghe điện thoại và nghe xong là bạn lại trở về học bài tiếp. Như vậy bạn đang học bài là chương trình chính còn bạn nghe điện thoại là điều kiện ngắt. Bạn nghe điện thoại là thực hiện chương trình ngắt sau đó quay về học bài là chương trình chính Nhìn vào tiến trình của hàm main và có ngắt : Chương trình chính đang chạy, ngắt xẩy ra, thực hiện hàm ngắt rồi quay lại chương trình chính . Thời gian thực hiện hàm ngắt rất nhỏ cho nên thời gian thực hiện hàm ngắt không ảnh hưởng gì đến chức năng của hàm chính như vậy là trong hàm ngắt thực hiện 1 công việc và trong hàm chính chúng ta thực hiện 1 công việc. Ví dụ : với ngắt của bộ định thời Timer hay bộ đếm couter là khi tràn bộ đếm thì phần cứng của vi điều khiển sẽ bào là có ngắt xảy ra và nhảy đến chương trình phục vụ ngắt Với ngắt ngoài nếu ta khai báo chân sử dụng ngắt ngoài (P3_2) mà chân sử dụng cho ngắt mà không sử dụng cho IO thì cứ 1 xung xuất hiện ở chân này thì vi điều khiển nhận ra rằng là có điều kiện tắc động vào phần cứng và vi điều khiển thực hiện chương trình ngắt Với ngắt cổng nối tiếp thì cứ khi thu song 1 kí tự hay truyền song 1 kí tự ở cổng nối tiếp , nếu ta có sử dụng ngắt để truyền dữ liệu nối tiếp thì chương trình sẽ nhảy đến chương trình phục vụ ngắt. 2.2 Tạo PWM từ ngắt Timer 0 a- Cách tạo hàm ngắt Để tạo được hàm ngắt ta phải làm những công việc sau đây: - Khởi tạo hàm ngắt Dùng ngắt nào thì cho phép ngắt đó hoạt động bằng cách gán giá trị cho thanh ghi cho phép ngắt IE . - Cấu hình ngắt Trong 1 ngắt có nhiều chế độ . Với ngắt Timer0 cấu hình cho nó chạy ở chế độ nào, chế độ timer hay counter, chế độ 8bit ,16bit…bằng cách gán cho giá trị tương ứng TMOD. - Bắt đầu chương trình có ngắt. + Trước khi chạy chương trình ngắt ta phải cho phép ngắt toàn cục được xẩy ra bằng cách gán EA =1 thì ngắt mới xẩy ra + Các giá trị thanh ghi TCON b- Tạo PWM có chu kì max : 100us -Tạo timer 0 : Do yêu cầu của bài toán là điều khiển tốc độ động cơ quay nhanh và quay chậm trong khi chạy thuận nghịch nên dữ nguyên chu kì và thay đổi thời gian mở. Yêu cầu như: + Động cơ quay thuận nghịch bình thường : 1000us + Động cơ tăng tốc lớn nhất : 100us + Động cơ giảm tốc lớn nhất : 2000us Khi bắt đầu cho timer 0 chạy thì bộ đếm của timer sẽ đếm dao động thạch anh, cứ 12 dao động cửa thạch anh thì bộ đếm timer 0 TL0 sẽ đếm tăng 1 , có thể nói timer 0 đếm chu kì máy đối với chế độ 8bit TL0 là thanh ghi 8 bit nó đếm từ 0 đến 255 . Nếu nó đếm đến 256 thì nó tràn bộ đếm . TL0 lại quay về 0 và cờ ngắt TF0 tự động nạp lại giá trị 1 và ngắt được xảy ra Như đối với bài toán này thì ta chỉ cần tạo timer 0 là 100us nên ta tính theo công thức ta có : Timer0 = (255 – TL0) * 1us Như vậy để tạo được timer0 là 100us thì cần phải gán giá trị TL0=155 thì nó đếm từ 155 – 255 tức là 100 lần thì ngắt mới xẩy ra Để điều khiển nhanh chậm của động cơ ta phải tạo ra các xung có độ rộng là 5%, 10%.......95%,100%. Như trên ta có khoảng thời gian kéo lên 5V là T1. Xung có độ rộng 10% tức là T1/T=10%...... 2.3- Nguyên lý hoạt động PWM * PWM : Đưa ra để mở các transitor , xung có độ rộng lớn hơn thì transitor sẽ mở lâu hơn động cơ sẽ quay nhanh hơn nhưng mà không tuyến tính . Không có xung thì động cơ sẽ không quay, xung có độ rộng 100% thì động cơ quay là lớn nhất. Tuy nhiên xung phải lớn hơn 1 mức nào đó mới đủ khởi động động cơ. Để có thể thay đổi được độ rộng xung theo 10 cấp khác nhau ( lấy giá trị quay thuận nghịch lúc bình thường là 1000us) với chu kì là 2000us.ta phải khởi tạo timer cứ 1000us lại ngắt 1 lần. Do yêu cầu bài toán là điều khiển thuận nghịch nên ta cần phải lưu biến PWM này. Do PWM có chu kì không đổi nên do đó ta chỉ cần thay đổi phantram_PWM là có thể thay đổi được độ rộng xung. III- Đảo chiều động cơ điện một chiều. Có nhiều phương pháp đảo chiều động cơ điện một chiều,ở đây chúng em sử dụng phương pháp dùng mạch cầu H để đảo chiều động cơ.Ở đây chúng em sử dụng transistor và mosfet để đảo chiều động cơ MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Hình 11 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p. Hình 1.6 MOSFET:      MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và C của BJT. Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các tài liệu về điện tử, ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET. Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện áp dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng. Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện áp dẫn cũng rất nhỏ. Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1).     MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp. Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS). Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên. Để giải thích, hãy ví dụ một MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor DC như trong hình 4.5. Hình 1.7 Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC.      Ban đầu MOSFET ko được kích, ko có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0. Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V. Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V. Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch cầu H (ít nhất là theo cách giải thích trên). MOSFET loại P thường được dùng trong trường hợp này. Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào. Hình 4.6 thể hiện một mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET tương đồng. Hình 1.8 Mạch cầu H dùng MOSFET.      Ta dùng 2 MOSFET kênh N của IRF540 và 2 kênh P của IRF9540 của hãng International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H. Các MOSFET loại này chịu dòng khá cao (có thể đến 30A, danh nghĩa) và điện áp cao nhưng có nhược điểm là điện trở dẫn tương đối cao (bạn tìm đọc datasheet của chúng để biết thêm). Phần kích cho các MOSFET kênh N bên dưới thì không quá khó, chỉ cần dùng vi điều khiển kích trực tiếp . IV-Thiết k ế 4.1- Sơ đồ khối và chức năng từng khối: Khối Nguồn Động Cơ Khối Vi Xử Lý Khối Công Suất Khối Phím Nhấn Chức năng các khối: Khối Phím Nhấn: có các nút bấm dung để thực hiện chức năng điều khiển động cơ quay thuận, quay nghịch, tăng tốc độ, giảm tốc độ, và dừng . Khối Vi Xử Lý: là phần mạch điều khiển chính gồm IC AT89C51, với các linh kiện phụ khác như bộ tạo dao động thạch anh tần số 11.0592 MHz. Phần nguồn: gồm 2 cấp điện áp: một nguồn cấp cho vi điều khiển, một nguồn cấp cho khối công suất để chuyển tới động cơ, để đảm bảo an toàn ta dùng hai nguồn riêng và cách ly chúng. Phần mạch công suất : trực tiếp điều khiển các cuộn dây động cơ, gồm có trantor H1061 kích xung điều khiển cho IRF9540 hoạt động, transistor trường chịu dòng ngược cao là FET IRF540. Động cơ 4.2- Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn và điều khiển Hình 2.0 -Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn và điều khiển 4.3- Sơ đồ nguyên lý mạch công suất ( mạch chấp hành ) Hình 2.1 sơ đồ nguyên lý mạch công suất 4.4- Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh Hình 1.9 Mạch điều khiển chung Chương III: Chương Trình Điều Khiển 3.1 Giới thiệu về phần mềm và ngôn ngữ lập trình Để lập trình cho vi điều khiển thì có nhiều phần mềm và ngôn ngữ lập trình.Mỗi phần mềm và ngôn ngữ lập trình có ưu điểm và nhược điểm riêng. Ở đây chúng em sử dụng phần mềm lập trình là ride,ngôn ngữ lập trình là assembly . 3.2 Lưu đồ thuật toán Ở đây chúng em thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều với 5 nút nhấn. Trong đó một nút nhấn dùng để reset mạch điện,một nút nhấn dùng để đảo chiều động cơ,ba nút nhấn còn lại để điều khiển động cơ với ba mức tốc độ khác nhau:mức chậm ,mức trung bình,mức nhanh. Nút nhấn chậm sẽ được kết nối với bit P3.3 của vi điều khiển,nút nhấn thuận sẽ được kết nối với bit P3.4,nút nhấn nghịch sẽ được kết nối với bit P3.5 nút nhấn nhanh sẽ được kết nối với bit P3.2 của vi điều khiển.bit P2.0 sẽ là bit cấp xung để điều khiển động cơ,bit P2.1sẽ đưa ra tín hiệu đảo chiều để điều khiển động cơ. Lưu đồ chương trình: Khai báo các biến Khởi tạo ngat_ngoai_0 Khởi tạo timer0 start Ngat_ngoai0 Ngat_timer0 Dao_chieu pwm=1= slow Thuan fast Nghich stop P3.5 P3.2 P3.4 P3.3 P3.6 3.3 Chương trình điều khiển $include(reg51.inc) ;----------GAN BIEN-------------------------- TANG EQU P3.2 GIAM EQU P3.3 THUAN EQU P3.4 NGUOC EQU P3.5 STOP EQU P3.6 DC_THUAN EQU P2.0 DC_NGUOC EQU P2.1 DL_QUAY EQU 30H DL_TOCDO EQU 31H ;--------CHUONG TRINH CHINH-------------------- ORG 00H MOV P3,#0ffH MOV P2,#0ffH MOV 31H,#50 MOV 32H,#50 MOV R7,#00H KT2: CJNE R7,#01H,KT SETB DC_NGUOC CALL QUAY_THUAN KT: CJNE R7,#02H,KT1 SETB DC_THUAN CALL QUAY_NGUOC KT1: CALL QUET_PHIM JMP KT2 ;--------CHUONG CON TRINH KT PHIM-------------- QUET_PHIM: JB THUAN,X CALL DELAY MOV R7,#01H X: JB NGUOC,X1 CALL DELAY MOV R7,#02H X1: JB TANG,X2 CALL DELAY MOV R6,31H CJNE R6,#100,H1 JMP X2 H1: INC 31H DEC 32H MOV R6,31H X2: JB GIAM,X3 CALL DELAY MOV R6,31H CJNE R6,#01,H2 JMP X3 H2: DEC 31H INC 32H X3: JB STOP,X4 CALL DELAY CLR DC_THUAN CLR DC_NGUOC MOV R7,#00H X4: RET ;------CHUONG TRINH CON QUAY THUAN------------- QUAY_THUAN: SETB DC_THUAN CALL DELAY1 CLR DC_THUAN CALL DELAY2 RET QUAY_NGUOC: SETB DC_NGUOC CALL DELAY1 CLR DC_NGUOC CALL DELAY2 RET ;-------CHUONG TRINH CON TAO TRE QUET BAN PHIM------- DELAY: MOV R0,#0FFH DJNZ R0,$ RET ;-------CHUONG TRINH CON TAO TRE XUNG DUONG PWM----- DELAY1: MOV R0,31H X5: MOV R1,#100 DJNZ R1,$ DJNZ R0,X5 RET ;-------CHUONG TRINH CON TAO TRE XUNG AM PWM------ DELAY2: MOV R0,32H X6: MOV R1,#100 DJNZ R1,$ DJNZ R0,X6 RET Phần III : Kết Luận Và Hướng Phát Triển Của Đề Tài. I.Kết luận Sau một thời gian đi tìm hiểu, nghiên cứu, được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Đặng Văn Khanh, cùng các thầy cô giáo và các bạn sinh viên, chúng em đã hoàn thành được đồ án của mình. Nội dung thuyết minh đồ án của chúng em gồm ba phần chính: Phần một: Gới thiệu chung Phần hai :Nội dung chính -Tìm hiểu về các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch điều khiển. -Tìm hiểu về vi điều khiển AT89C51. -Mạch điều khiển -Chương trình điều khiển. Phần ba : Kết luận và hướng phát triển của đề tài. Đươc sự quan tâm tận tình của thầy Đặng Văn Khanh và sư tham khảo giúp đỡ của các thầy cô giáo lên chung em đã hoàn thành đồ án này.Do quá trình làm còn nhiều vướng mắc, sai sót, trình độ cũng như kiến thức của chúng em còn có hạn. Mong các thầy cô thông cảm. Một lần nữa chung em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo đã giúp đỡ chúng em để chúng em hoàn thành dược đồ án này. II.Hướng phát triển của đề tài Ở đây chúng em điều khiển động cơ với công suất cỡ nhỏ, bởi vậy sản phẩm chỉ ở mức độ mô hình nhỏ. Tuy nhiên với đề tài này thì hoàn toàn có thể phát triển để điều khiển động cơ một chiều với công suất lớn hơn có thể sử dụng trong công nghiệp như điều khiển băng tải, các hệ thống điều khiển khác cần sự thay đổi tốc độ của động cơ cũng như cần đảo chiêu động cơ. Do làm mô hình nhỏ nên động cơ chúng em chỉ điều khiển với các mức tốc độ khác nhau và có đảo chiều, tuy nhiên với vi điều khiển thì có thể điều khiển tốc độ động cơ ở rất nhiều mức khác nhau, có thể đáp ứng cho sản suất công nghiệp. Ở đây để thực hiện đảo chiều của động cơ thì chúng em sử dụng phương pháp mạch cầu H. Tuy nhiên để đảo chiều động cơ thì có thể dung rơle. Dù đảo chiều động cơ theo cách nào thì cũng có những ưu và nhược điểm khác nhau. Tùy từng bài toán mà ta sử dụng phương pháp cho phù hợp. Tài liệu tham khảo: 1.Giáo trình Kỹ thuật điện tử. 2.Giáo trình vi điều khiển. 3.Giáo trình kỹ thuật xung số. 4.Giáo trình truyền động điện. 5.Các phần mềm hỗ trợ như: eagle,protus,phần mềm lập trình vi điêu khiển ride…cùng . các tài liệu tham khảo trên mạng internet. Hết.