1. 1
Lời nói đầu
Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi và thâm nhập ngày
càng nhiều trong các lĩnh vực kĩ thuật và đời sống xã hội. Hầu hết các thiếp bị kĩ thuật từ
phức tạp đến đơn giản như thiếp bị điều khiển tự động, thiếp bị văn phòng đến các thiếp bị
trong gia đình điều có dùng các bộ vi điều khiển. Mặc dù có nhiều ứng dụng thực tế như vậy
nhưng những ứng dụng của vi điều khiển trong điện tử công suất cũng chưa được phổ biến
như trong các ngành điều khiển tự động.
Xuất phát từ đó, nhóm chúng em thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch ứng dụng vi
điều khiển để điều khiển góc mở thyristor cho bộ chỉnh lưu có điều khiển” nhằm tìm
hiểu thêm những ứng dụng của vi điều khiển trong điện tử công suất. Qua đó, cũng có thêm
những kiến thức về điện tử công suất cũng như vi điều khiển để có thể nâng cao tay nghề
trình độ sau này.
Nhóm chúng em rất cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Ts. Chu Đức Toàn đã
giúp chúng em hoàn thành đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm chúng em cũng
không thể trách khỏi những sơ xuất nên cúng em rất mong được sự góp ý của các thầy cô để
những đề tài sau được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 2 tháng 12 năm 2015
2. 2
Mục lục
Chương 1: Đặt vấn đề........................................................................................................................3
1.1. Các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển.......................................................................................3
1.1.1. Chỉnh lưu hình tia hai pha.............................................................................................3
1.1.2. Chỉnh lưu hình tia ba pha ..............................................................................................3
1.1.3. Chỉnh lưu cầu ba pha .....................................................................................................4
1.1.4. Chỉnh lưu cầu một pha...................................................................................................4
1.2. Chọn phương án .....................................................................................................................4
Chương 2: Thiết kế phần cứng.........................................................................................................5
2.1. Thyristor (SCR)......................................................................................................................5
2.1.1. Cấu tạo và đặc tính:........................................................................................................5
2.1.2. Các thông số của SCR: ..................................................................................................6
2.1.3. Đặc tính điều khiển của thyristor.................................................................................8
2.1.4. Chọn thyristor.................................................................................................................9
2.2. Vi điều khiển 8051.............................................................................................................. 10
2.2.1. Sơ lượt phần cứng....................................................................................................... 10
2.2.2. Cấu trúc bên trong của Vi điều khiển....................................................................... 14
2.3. Mạch dao động.................................................................................................................... 20
2.4. Mạch reset............................................................................................................................ 20
2.5. Mạch đồng bộ...................................................................................................................... 21
2.6. Mạch nguồn......................................................................................................................... 24
2.7. Sơ đồ vi điều khiển............................................................................................................. 24
2.8. Mạch cách ly và khuếch đại xung..................................................................................... 25
Chương 3: Thiết kế phần mềm...................................................................................................... 27
3.1. Thuật toán điều khiển......................................................................................................... 27
3.2. Chương trình điều khiển .................................................................................................... 27
Chương 4: Kết quả mô phỏng....................................................................................................... 31
4.1. Tín hiệu đồng pha ............................................................................................................... 31
4.2. Phát xung.............................................................................................................................. 31
4.3. Dạng điện áp đầu ra............................................................................................................ 32
Tài liệu tham khảo .......................................................................................................................... 33
3. 3
Chương 1: Đặt vấn đề
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật, công nghệ bán dẫn cũng được
phát triển nhanh chóng nên ứng dụng của các linh kiện bán dẫn trong các hệ thống sản xuất,
nhất là trong lĩnh vự tự động hóa càng ngày càng không thể thiếu.
Sự ra đời của các bộ biến đổi điện tử công suất có kích thước gọn nhẹ, tác động nhanh
chóng, dễ dàng ghép nối với các vi mạch điều khiển hoặc máy tính là cuộc cách mạng lớn
trong điều khiển thiếp bị, máy móc.
Trong các hệ thống sản suất, các hệ truyền động sử dụng điện áp một chiều rất phổ biến do
việc điều khiển dễ dàng, làm việc ổn định chắc chắn. Tuy nhiên, điện áp truyền tải lại là
điện áp xoay chiều nên bắt buộc cần có bộ chỉnh lưu để biến đổi điện áp xoay chiều thành
một chiều.
1.1. Các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển
1.1.1. Chỉnh lưu hình tia hai pha
Được sử dụng trong mạch có công suất nhỏ và điện áp tải thấp, có công suất nhỏ, nhất là
thành phần nguồn cho mạch điều khiển. Trong mạch này tổn hao trên van bán dẫn ít hơn,
nên tổn hao công suất trên van so với công suất tải nhỏ hơn, hiệu suất thiết bị cao hơn.
Nhược điểm chính của chỉnh lưu tia là buộc phải có biến áp nguồn để tạo điểm giữa cho
mạch hoạt động được. Mặt khác công suất của máy biến áp lớn gấp 1,5 lần so với công suất
của tải một chiều cần thiết của tải.
1.1.2. Chỉnh lưu hình tia ba pha
Được ứng dụng trong mạch có công suất trung bình và điện áp tải thấp.
*Ưu điểm:
+So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn
+ Biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn
+Việc điều khiển các van tương đối đơn giản
* Nhược điểm:
+ Cần biến áp nguồn
+ Khi cần chất lượng điện áp ra tốt hơn thì dùng sơ đồ nhiều pha hơn
4. 4
1.1.3. Chỉnh lưu cầu ba pha
Có bộ tham số tốt nhất, được ứng dụng rộng rãi nhất trong toàn bọ dải công suất từ nhỏ
tới lớn nhưng không phù hợp với tải có điện áp thấp.
* Ưu điểm:
+ Cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha.
+ Độ đập mạch rất nhỏ (5,7%).
+ Công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất tải đồng thời gây méo lưới điện ít hơn
những mạch công suất khác.
*Nhược điểm:
+ Sử dụng số van lớn nên giá thành cao.
+ Sụt áp trên van lớn nên không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V.
+ Sơ đồ này chỉ dùng cho tải công suất lớn.
1.1.4. Chỉnh lưu cầu một pha
Chỉnh lưu cầu được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế, nhất là với cấp điện áp ra từ 10V
trở lên.
*Ưu điểm
Sơ đồ mạch lực mạch điểu khiển đơn giản
Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha
Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục
Không nhất thiết phải có biến áp nguồn.
*Nhược điểm
Sử dụng mạch chỉnh lưu công suất nhỏ, trung bình.
Do dòng tải đi qua hai van nối tiếp nên tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn.
1.2. Chọn phương án
Dựa vào đặc điểm của các mạch chỉnh lưu chúng em quyết định chọn mạch chỉnh lưu cầu
một pha để thực hiện để tài.
5. 5
Sơ đồ mạch lực:
Hình 1.1:Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển
Chương 2: Thiết kế phần cứng
2.1. Thyristor (SCR)
2.1.1. Cấu tạo và đặc tính:
2.1.1.1. Cấu tạo:
Hình 1: Cấu tạo SCR
Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp,
một Transistor thuận và một Transistor ngược ( như sơ đồ tương đương ở trên ) . Thyristor
có 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G, Thyristor là Diode có điều khiển , bình
thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân
G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới
ngưng dẫn.
2.1.1.2. Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR:
Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod IA theo điện thế anod-catod
VAK với dòng cổng IG coi như thông số.
6. 6
- Khi SCR được phân cực nghịch (điện thế anod âm hơn điện thế catod), chỉ có một dòng
điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR.
- Khi SCR được phân cực thuận (điện thế anod dương hơn điện thế catod), nếu ta nối tắt
(hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), khi VAK còn nhỏ, chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua
SCR (trong thực tế người ta xem như SCR không dẫn điện), nhưng khi VAK đạt đền một trị
số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là điện thế quay về VBO thì điện thế VAK tự động sụt
xuống khoảng 0,7V như diode thường. Dòng điện tương ứng bây giờ chính là dòng điện duy
trì IH. Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện và có đặc tuyến gần giống như
diode thường.
Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dòng kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khi dòng
kích IG càng lớn, điện thế quay về VBO càng nhỏ.
Hình 2: Đặc tuyến V-A của SCR
2.1.2. Các thông số của SCR:
1. Itb – giá trị dòng điện trung bình tối đa cho phép chảy qua van trong điều kiện chuẩn : van
hoạt động trong mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ, tải thuần trở, dòng điện dạng sin
kéo dài trong 180o điện ( góc điều khiển α = 0 ) , chế độ làm mát chuẩn.
2. Ixung – dòng điện quá tải ngắn hạn cho phép qua van trong thời gian không quá vài ms.
3. Iđỉnh – trị số biên độ dòng điện dạng sin cho phép một lần qua van ,sau đó phải ngắt điện
áp đặt lên van.
4. Irò – dòng điện rò khi van ở trạng thái khoá .
7. 7
5. Cấp điện áp – phân cấp theo điện áp tối đa mà van chịu được lâu dài ở cả hai chiều
thuận và ngược. Giá trị thực bằng số cấp nhân 100V ( thí dụ van cấp 5 chịu được 500V)
6. Cấp du/dt – phân cấp theo tốc độ tăng điện áp thuận lớn nhất đặt lên van mà van sẽ rơi
vào hiện tượng tự dẫn không cần dòng điều khiển.
7. Cấp tph – phân cấp theo thời gian phục hồi tính chất khoá cho van.
8. Cấp di/dt – cấp theo tốc độ tăng dòng lớn nhất qua van mà van không bị đánh thủng.
9. ∆U – sụt áp thuận trên van ở dòng định mức.
10. Uđk – điện áp điều khiển nhỏ nhất đảm bảo dòng điều khiển mở van.
11. Iđk – dòng điều khiển nhỏ nhất vẫn đảm bảo mở được van.
12. tm – thời gian van mở để van chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn.
13. T ( o
C vỏ) – nhiệt độ vỏ van tương ứng chế độ dòng trung bình tối đa cho phép Itb.
Dưới đây là bảng thông số của Thyristor Sindopower / Semikron SKKT 250 / 16E
8. 8
2.1.3. Đặc tính điều khiển của thyristor
Vùng giữa cực G (gate) và cực K (katot) là miền điều khiển của thyristor. Quá trình điều
khiển van có thể chưa làm 3 giai đoạn:
2.1.3.1. Thyristor đang khóa
Khi Thyristor chưa dẫn dòng thì dòng điện Ia = 0, miền điều khiển có thể thay thế băng sơ
đồ hình và có đặc tính dạng parabol (đường 1, hình 2.1d). Trong đó: Rg đặc trưng cho điện
9. 9
trở dọc theo lớp bán dẫn P2; Rs đặc trưng cho các điện trở xuyên ngẫu nhiên giữa GK (gọi là
hiệu ứng shunt emiter), trị số Rg, Rs phụ thuộc cụ thể vào từng loại thyristor. Miền quá độ
p2- n2 đặc trưng bằng đi ôt ổn áp chứ không phải diode vì khi thyristor chịu điện áp ngược
thì nó sẽ thông ở mức điện áp từ 5 đến 20 V.
Hình 2.1:Đặc tính điều khiển của Thyristor
2.1.3.2. Khi thyristor vừa mở (chưa mở hoàn toàn)
Khi đặt điện áp thuận lên Thyristor (Uak > 0) và cho dòng điển điều khiển xuất hiện sẽ làm
mở thyristor ra, dòng ia xuất hiện làm đăc tính miền này khác đi (đường 2 hình 2.1d) vì qua
quá độ còn có dòng van ia đi qua. Càng tăng Ugk thì dòng qua van càng lớn càng làm cho
điện trở động của miền quá độ giảm dần tới bằng không. Khi đường đặc tính tải (đường 3)
của nguồn Gk tiếp tuyến với đặc tính của cực điều khiển (đường 2) thì thyristor chuyển từ
khóa sang dẫn; trên đồ thị là điểm M.
2.1.3.3. Đặc điểm khi van đã dẫn
Khi van đã dẫn hoàn toàn và trị số dòng qua van lớn hơn dòng duy trì thì van vẫn giữ trang
thái mở.
Điện áp rơi trên quá độ GK sẽ xấp xỉ điện áp rơi trên van: UGK U AK.
Điện trở vùng GK sẽ còn lại bằng Rg
2.1.4. Chọn thyristor
Chọn thyristor từ thư viện proteus có thông số như sau:
10. 10
Hình 2.2: bảng thông số Thyristor
2.2. Vi điều khiển 8051
2.2.1. Sơ lượt phần cứng
2.2.1.1. Khảo sát sơ đồ chân
Mặc dù các thành viên của họ MSC-51 có nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau, chẳng hạn như hai
hàng chân DIP (Dual In-line Pakage) dạng vỏ dẹt vuông QFP (Quad Flat Pakage) và dạng
chíp không có chân đỡ LLC (Leadless Chip Carrier) và đều có 40 chân cho các chức năng
khác nhau như vào ra I/0, đọc, ghi, địa chỉ, dữ liệu và ngắt. Tuy nhiên, vì hầu hết các nhà
phát triển chính dùng chíp đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP, nên chúng ta cùng khảo
sát Vi điều khiển với 40 chân dạng DIP.
11. 11
Hình 2.3: sơ đồ chân 8051
Chân Vcc: Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển. Nguồn điện cấp
là +5V±0.5.
Chân GND: Chân số 20 nối GND(hay nối Mass). Khi thiết kế cần sử dụng một mạch
ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng IC ổn áp 7805.
Port 0 (P0) Port 0 gồm 8 chân (từ chân 32 đến 39) có hai chức năng : Chức năng
xuất/nhập :các chân này được dùng để nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lí, hoặc dùng để
xuất tín hiệu ra bên ngoài, chẳng hạn xuất tín hiệu để điều khiển led đơn sáng tắt.
Port 1 (P1) Port 1 gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), chỉ có chức năng làm các đường
xuất/nhập, không có chức năng khác.
Port 2 (P2) Port 2 gồm 8 chân (từ chân 21 đến chân 28) có hai chức năng: Chức năng
xuất/nhập Chức năng là bus địa chỉ cao (A8-A15): khi kết nối với bộ nhớ ngoài có dung
lượng lớn, cần 2 byte để định địa chỉ của bộ nhớ, byte thấp do P0 đảm nhận, byte cao do P2
này đảm nhận.
Port 3 (P3) Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17) :
Chức năng xuất/nhập
Với mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau:
12. 12
Bit Tên Chức năng
P3.0 RxD Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp
P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp
P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt cứng thứ 0
P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt cứng thứ 1
P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0
P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1
P3.6 WR Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài
P3.7 RD Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài
P1.0 T2 Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2
P1.1 T2X Ngõ nạp lại/thu nhận của Timer/Counter thứ 2
Chân RESET (RST) Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết lập trạng
thái ban đầu cho vi điều khiển. Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này
ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy.
Chân XTAL1 và XTAL2 Hai chân này có vị trí chân là 18 và 19 được sử dụng để
nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và
các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định.
Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (Program Store Enable) tín hiệu được xuất
ra ở chân 29 dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài. Chân này thường được nối với
chân OE (output enable) của ROM ngoài. Khi vi điều khiển làm việc với bộ nhớ chương
trình ngoài, chân này phát ra tín hiệu kích hoạt ở mức thấp và được kích hoạt 2 lần trong
một chu kì máy.
Khi thực thi một chương trình ở ROM nội, chân này được duy trì ở mức logic không
tích cực (logic 1) (Không cần kết nối chân này khi không sử dụng đến).
Chân ALE: (chân cho phép chốt địa chỉ-chân 30) có chức năng là bus dữ liệu do đó
phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu ở chân ALE dùng làm tín hiệu điều khiển
để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt.
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào Vi điều khiển, như
vậy có thể dùng tín hiệu ở ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp cho các phần khác của hệ
thống.
Ghi chú: khi không sử dụng có thể bỏ trống chân này.
Chân EA: Chân EA dùng để xác định chương trình thực hiện được lấy từ ROM nội
hay ROM ngoại. Khi EA nối với logic 1(+5V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy
từ bộ nhớ nội Khi EA nối với logic 0(0V) thì Vi điều khiển thực hiện chương trình lấy từ bộ
nhớ ngoại.
13. 13
Hình 2.4:Mạch Reset vi điều khiển
2.2.1.2. Kết nối phần cứng của 8051
2.2.1.2.1. Kết nối trên hai chân XTAL1 và XTAL2:
Mạch dao động được đưa vào hai chân này thông thường được kết nối với dao động thạch
anh như sau:
Ghi chú: C1,C2= 30pF±10pF (thường được sử dụng với
C1,C2 là tụ 33pF) dùng ổn định dao động cho thạch anh.
Hoặc có thể cấp tín hiệu xung clock lấy từ một mạch tạo
dao động nào đó và đưa vào Vi điều khiển vào chân XTAL1
chân XTAL2 để trống.
2.2.1.2.2. Chu kì máy
Gọi fosc là tần số dao động của thạch anh. Đối với 89Sxx có
thể sử dụng thạch anh có tần số fosc từ 2MHz đến 33MHz.
Chu kì máy là khoảng thời gian cần thiết được qui định để Vi điều khiển thực hiện hoàn
thành một lệnh cơ bản. Một chu kì máy bằng 12 lần chu kì dao động của nguồn xung dao
động cấp cho nó.
12
12.ck osc
ost
T T
f
Trong đó: Tck là chu kì máy
Tosc là chu kì của thạch anh
Ví dụ : fosc = 12 MHz thì 6
12
1 ( )
12.10
ckT s
Do chu kì máy là số chẵn như vậy dễ tính thời gian trễ lập trình sau này nên loại thạch anh
này thường được sử dụng. Tuy nhiên nếu giao tiếp với máy tính thì lại sử dụng loại thạch
anh có f = 11.0592 MHz.
2.2.1.2.3. Kết nối chân RESET-chân 9
Khi bị cúp điện, hoặc đang hoạt động mà hệ thống bị
lỗi cần tác động cho Vi điều khiển hoạt động trở lại,
hoặc do người sử dụng muốn quay về trạng thái hoạt
động ban đầu. Vì vậy chân RESET được kết nối như
sau:
Với Vi điều khiển sử dụng thạch anh có tần số
fzat = 12MHz sử dụng C=10µF và R=10KΩ.
14. 14
2.2.2. Cấu trúc bên trong của Vi điều khiển
2.2.2.1. Bộ nhớ chương trình - bộ nhớ ROM
Bộ nhớ ROM dùng để lưu chương trình do người viết chương trình viết ra. Chương trình là
tập hợp các câu lệnh thể hiện các thuật toán để giải quyết các công việc cụ thể, chương trình
do người thiết kế viết trên máy vi tính, sau đó được đưa vào lưu trong ROM của vi điều
khiển, khi hoạt động, vi điều khiển truy xuất từng câu lệnh trong ROM để thực hiện chương
trình. ROM còn dùng để chứa số liệu các bảng, các tham số hệ thống, các số liệu cố định
của hệ thống. Trong quá trình hoạt động nội dung ROM là cố định, không thể thay đổi, nội
dung ROM chỉ thay đổi khi ROM ở chế độ xóa hoặc nạp chương trình (do các mạch điện
riêng biệt thực hiện).
Bộ nhớ ROM được tích hợp trong chip Vi điều khiển với dung lượng tùy vào chủng loại cần
dùng, chẳng hạn đối với 89S52 là 8KByte, với 89S53 là 12KByte.
Bộ nhớ bên trong Vi điều khiển 89Sxx là bộ nhớ Flash ROM cho phép xóa bộ nhớ ROM
bằng điện và nạp vào chương trình mới cũng bằng điện và có thể nạp xóa nhiều lần.
Bộ nhớ ROM được định địa chỉ theo từng Byte, các byte được đánh địa chỉ theo số hex-số
thập lục phân, bắt đầu từ địa chỉ 0000H, khi viết chương trình cần chú ý đến địa chỉ lớn nhất
trên ROM, chương trình được lưu sẽ bị mất khi địa chỉ lưu vượt qua vùng này. Ví dụ:
AT89S52 có 8KByte bộ nhớ ROM nội, địa chỉ lớn nhất là 1FFFH, nếu chương trình viết ra
có dung lượng lớn hơn 8KByte các byte trong các địa chỉ lớn hơn 1FFFH sẽ bị mất.
Ngoài ra Vi điều khiển còn có khả năng mở rộng bộ nhớ ROM với việc giao tiếp với bộ nhớ
ROM bên ngoài lên đến 64Kbyte (địa chỉ từ 0000H đến FFFFH).
2.2.2.2. Bộ nhớ dữ liệu- bộ nhớ RAM
Bộ nhớ RAM dùng làm môi trường xử lý thông tin, lưu trữ các kết quả trung gian và kết
quả cuối cùng của các phép toán, xử lí thông tin. Nó cũng dùng để tổ chức các vùng đệm dữ
liệu, trong các thao tác thu phát, chuyển đổi dữ liệu.
RAM nội trong Vi điều khiển được tổ chức như sau:
▪ Các vị trí trên RAM được định địa chỉ theo từng Byte bằng các số thập lục phân (số
Hex)
▪ Các bank thanh ghi có địa chỉ 00H đến 1FH
▪ 210 vị trí được định địa chỉ bit
▪ các vị trí RAM bình thường
▪ Các thanh ghi có chức năng đặc biệt có địa chỉ từ 80H đến FFH.
Các byte RAM 8 bit của vi điều khiển được gọi là "ô nhớ", nếu các ô nhớ có chức năng đặc
biệt thường được gọi là "thanh ghi", nếu là bit thì được gọi là "bit nhớ".
15. 15
Vùng RAM định địa chỉ bit
AT89C51 chứa 210 vị trí bit được định địa chỉ trong đó 128 bit chứa trong các byte ở
địa chỉ tò 20H đến 2FH và phần còn lại chứa trong các thanh ghi chức năng đặc biệt.
Các dãy thanh ghi
32 vị trí thấp nhất của bộ nhớ nội chứa các dãy thanh ghi.
Bộ nhớ ngoài
Các bộ vi điều khiến cần có khả năng mở rộng các tài nguyên trên chip (bộ nhớ, I/O,
Y.v...) để tránh hiện tượng cổ chai trong thiết kế. cấu trúc của MCS-51 cho ta khả năng mở
rộng không gian bộ nhớ chương trình đến 64K và không gian bộ nhớ dữ liệu đến 64Kb.
- Truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài
16. 16
Bộ nhớ chương trình ngoài là bộ nhớ chỉ đọc, được cho phép bởi tín hiệu PSEN.
- Truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài
Bộ nhớ dữ liệu ngoài là bộ nhớ đọc/ghi được cho phép bởi các tín hiệu RD và WR ở
các chân P3.7 và P3.6.
- Giải mã địa chỉ
Nếu có nhiều EPROM hoặc nhiều RAM hoặc cả hai giao tiếp với 89C51 ta cần phải
giải mã địa chỉ. Một IC giải mã điển hình là 74HC138.
Thanh ghi điều khiển bộ định thời/bộ đếm TCON ( Timer/Counter Control Register):
Thanh ghi này bao gồm các bit trạng thái và các bit điều khiển bởi Timer 0, Timer 1.
Thanh ghi TCON có bit định vị.
Ký hiệu: TCON
Chức năng: điều khiển bộ định thời/bộ đếm.
Địa chỉ byte: 88H Định địa chỉ bit: có.
TF1 TRI TF0 TRO IE1 IT1 IEO ITO
7 6 5 4 3 2 1 0
Định nghĩa bit:
Ký
hiệu
Vị trí Địa chỉ Mô tả
TF1 TC0N.7 8FH
Cờ tràn bộ định thời 1. Được Set bởi phân cứng khi
bộ định thời/đếm bị tràn, được xóa bởi phần mềm hoặc
phần cứng khi trình phục vụ ngắt được
TRI TC0N.6 8EH
Bit điều khiển bộ định thời 1 hoạt động. Được
SetClear bởi phần mềm để điều khiển bộ định thời 11
hoạt động hoặc ngưng hoạt động.
TFO TC0N.5 8DH Cờ tràn bộ định thời 0
TRO TC0N.4 8CH Bit điều khiểnbộ định thời 0 hoạt động.
IE1 TC0N.3 8BH
Cờ ngắt ngoài 1 tác động cạnh. Được Set bởi phân
cứng khi phát hiện có ngắt ngoài tác động cạnh, được
xóa bởi phần cứng khi ngắt được xử lý.
IT1 TCON.2 8AH
Bit điều khiển chọn ngắt. Được Set/Clear đê xác định
ngắt ngoài thuộc loại tác động cạnh xuống hay tác động
mức thấp.
IEO TCON.l 89H Cờ ngắt ngoài 0 tác động cạnh.
ITO TCON.O 88H Bit điều khiển chọn loại ngắt.
17. 17
Thanh ghi TMOD (Timer/Counter Mode Control Register):
Thanh ghi này gồm 2 nhóm 4 bit: 4 bit thấp đặt mode hoạt động cho Timer 0 và 4 bit
cao đặt mode hoạt động cho Timer 1.
Ký hiệu: TMOD
Chức năng: điều khiển chọn chế độ định thời/bộ đếm.
Địa chỉ byte: 89H Định địa chỉ bit: không.
Định nghĩa bit:
Hai bit MI, M0 dùng để chọn mode Timer 0 và Timer1 :
0 0 0 Bộ định thời 13 bit (tương thích họ 8048).
0 1 1 Bộ định thời/đêm 16 bit.
1 0 2 Bộ định thời/đêm 8 bit tự động nạp lại.
1 1 3
Bộ định thời TL0 là bộ định thời đếm 8 bit
được điều khiển bởi các bit điều khiển bộ định
thời 0. TH0 là bộ định thời 8 bit được điều
khiển bởi các bit điều khiển bộ định thời 1.Bộ
định thời 1: bộ định thời đếm 1 ngưng hoạt
động
Timer 1 Timer 0
GATE C/T MI MO GATE C/T MI MO
7 6 5 4 3 2 1 0
Ký
hiệu
Mô tả
GATE
Bit điều khiển cộng. Khi bit TRx trong TCON được Set bằng 1
và GATE = 1, bộ định thời/đếm chỉ hoạt động trong khi chân INTx
ở mức cao(điều khiển cứng). Khi bit GATE = 0, bộ định thời/đếm
chỉ hoạt động trong khi chân TRx ở mức cao(điều khiển mềm).
C/T
Bit chọn chức năng đêm hay định thời cho bộ định thời/đêm.
Khi C/T = 0, bộ định thời/đếm hoạt động định thời(dùng xung
Clock nhận từ ngõ vào Tx).
MI Bit chọn chế độ.
MO Bit chọn chế độ.
18. 18
Hệ các thanh ghi phục vụ định thời:
Hệ thanh ghi này gồm 4 thanh ghi nó cho phép lập trình viên nạp giá trị cho bộ định thời.
Thực tế chỉ 2 thanh ghi 16 bit nhưng nó được cắt đôi thành 4 thanh ghi 8 bit. Trong đó 2
thanh phục vụ cho Timer 0 và 2 thanh phục vụ cho Timer 1.
Bộ Timer 0 có hai thanh ghi là THO và TLO, hai thanh ghi này không định địa chỉ bit.
Bộ Timer 1 có hai thanh ghi là TH1 và TL1, hai thanh ghi này không định địa chỉ bit.
Thanh ghi TIMER
Người ta dùng các timer để:
- Định khoảng thời gian
- Đếm sự kiện
- Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp.
- Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer ở những khoảng
đều đặn và đặt cờ tràn timer. Cờ được dùng để đồng bộ hóa chương trình để thực hiện một
tác đụng như kiểm tra trạng thái của các ngõ vào hoặc gửi sự kiện ra các ngõ ra. Các ứng
dụng khác có thể sử dụng việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa
2 sự kiện( ví dụ đo độ rộng xung).
Thanh ghi ngắt(INTERRUPT)
Một ngắt là sự xảy ra một điều kiện, một sự kiện mà nó gây ra treo tạm thời chương trình
chính trong khi điều kiện đó được phục vụ bởi 1 chương trình khác. Các ngắt đóng vai trò
quan trọng trong thiết kế và cài đặt các ứng dụng vi điều khiển. Chúng cho phép hệ thống
đáp ứng bất đồng bộ với một sự kiện và giải quyết sự kiện đó trong khi một chương trình
khác đang thực thi.
Có 5 nguồn ngắt: 2 ngắt ngoài, 2 ngắt từ timer và 1 ngắt port. Tất cả các ngắt theo mặc
nhiên đều bị cấm sau khi reset hệ thống và được cho phép từ cái một bằng phần mềm. Mức
độ ưu tiên của các ngắt được lưu trong thanh ghi IP(INTERRUPT Priority)
Bảng 1: tóm tắt thanh ghi IP
Bit Ký
hiệu
Địa chỉ
bit
Mô tả
IP.7 - - Không được mô tả
IP.6 - - Không được mô tả
IP.5 ET2 BDH Chọn mức ưu tiên cao (=1) hay thấp (=0)
tại timer 2
19. 19
IP.4 ES BCH Chọn mức ưu tiên cao (=1) hay thấp (=0)
tại cổng nối tiếp.
IP.3 ET1 BBH Chọn mức ưu tiên cao (=1) hay thấp (=0)
tại timer 1
IP.2 EX1 BAH Chọn mức ưu tiên cao (=1) hay thấp
(=0) tại ngắt ngoài 1
IP.l ETO B9H Chọn mức ưu tiên cao (=1) hay thấp
(=0) tại timer 0
IP.O EX
O
B8H Chọn mức ưu tiên cao (=1) hay thấp
(=0) tại ngắt ngoài 0
Nếu 2 ngắt xảy ra đồng thời thì ngắt nào có nào có mức ưu tiên cao hơn sẽ được phục vụ
trước.
Nếu 2 ngắt xảy ra đồng thời có cùng mức ưu tiên thì thứ tự ưu tiên được thực hiện từ cao
đến thấp như sau: ngắt ngoài 0 - timer 0 - ngắt ngoài 1 - timer 1 - cổng nối tiếp – timer.
Nếu chương trình của một ngắt có mức ưu tiên thấp đang chạy mà có một ngắt xảy ra
với mức ưu tiên cao hơn thì chương trình này tạm dừng để chạy một chương trình khác
có mức ưu tiên cao hơn
Cho phép và cấm ngắt:
Mỗi nguồn ngắt được cho phép hoặc cấm ngắt qua một thanh ghi chức nãng đặt biệt
có định địa chỉ bit IE (Interrupt Enable: cho phép ngắt) ở địa chỉ A8H.
Tóm tắt thanh ghi IE
Bit Kỷ hiệu Địa chỉ bỉt Mô tả
IE.7 EA AFH Cho phép / Cấm toàn bộ
IE.6 — AEH Không được mô tả
IE.5 ET2 ADH Cho phép ngắt từ Timer 2 (8052)
IE.4 ES ACH Cho phép ngắt port nối tiếp
IE.3 ET1 ABH Cho phép ngắt từ Timer 1
IE.2 EX1 AAH Cho phép ngắt ngoài 1
IE.l ETO A9H Cho phép ngắt từ Timer 0
20. 20
2.3. Mạch dao động
Tinh thể thạch anh (Quartz Crytal) là loại đá trong mờ trong thiên nhiên, chính là đyoxyt
silicium (SiO2).
Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng được cắt ra từ tinh thể. Tùy
theo mặt cắt lát mà thạch anh có đặc tính khác nhau. Lát thạch anh có diện tích nhỏ hơn 1
cm2 đến vài cm2 và được mài rất mỏng, khoảng vài mm và 2 mặt thật song song. Hai mặt
này được mạ kim loại và nối chân ra ngoài để dễ sử dụng.
Đặc tính của thạch anh là tính điện áp (Piezoelectric Effect) theo đó khi ta áp vào hai mặt
của lát thạch anh (nén hoặc kéo dãn) thì sẽ xuất hiện một điện thế xoay chiều giữa 2 mặt.
Ngược lại dưới tác dụng của một điện thế xoay chiều, lát thạch anh sẽ rung ở một tần số
không đổi. Tần số rung động của lát thạch anh tùy thuộc vào kích thước của nó đặc biệt là
độ dày mặt cắt. Khi nhiệt độ thay đổi tần số của thạch anh cũng thay đổi theo nhưng vẫn có
độ ổn định tốt hơn rất nhiều so với các mạch dao động không dùng thạch anh (tần số dao
động chỉ gần như chỉ phụ thuộc vào thạch anh mà không lệ thuộc vào bên ngoài).
2.4. Mạch reset
Chân Reset (chân 9) có tác dụng reset chip AT89C51, mức tích cực cao của chân này là
mức 1, để reset ta phải đưa mức 1 (5V) đến chân này với thời gian tối thiểu 2 chu kỳ máy
(tương đương 2us đối với thạch anh 12MHz).
Khi reset thì trạng thái của RAM nội không thay đổi, bảng trạng thái của các thanh ghi khi
reset.
21. 21
Thanh ghi Nội dung
Bô đếm chương trình PC 0000H
Thanh ghi tích luv A 00H
Thanh ghi B 00H
Từ trạng thái chương trình PSW 00H
Con trò stack SP 07H
Con trò dữ liêu DPTR 0000H
Port 0-3 FFH
Thanh ghi ưu tiên ngắt IP
xxxOOOOOB
(8031/8051)
xxOOOOOOB
(8032/8052)
Thanh ghi cho phép H2ăt IE
OxxOOOOOB
(8031/8051)
OxOOOOOOB
(8032/8052)
Các thanh ghi định thời 00H
Thanh ghi điêu khiên nôi tiêp SCON 00H
Bộ đệm dừ liệu nôi tiếp SBUF 00H
Thanh ghi điều khiển nguồn PCON
(HMOS)
OxxxxxxxB
(CMOS) OxxxOOOOB
2.5. Mạch đồng bộ
Khâu đồng bộ có hai chức năng:
Đảm bảo quan hệ về góc pha của mạch điều khiển cố định với điện áp của van lực nhằm xác
định thời điểm gốc để tính góc điều khiển α, nên mạch có tên mạch đồng pha.
Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của vi điều khiển, mạch
này có tên mạch đồng bộ.
Nhưng hai chức năng trên đã gộp lại thành một mạch duy nhất vừa làm chức năng đồng
pha vừa làm luôn chức năng đồng bộ.
22. 22
Hình 2.5: Sơ đồ mạch đồng bộ
Dạng tín hiệu đầu ra mạch đồng bộ:
Hình 2.6: tính hiệu của mạch đồng bộ
23. 23
Trong mạch đồng bộ, có hai mạch nhỏ được sử dụng đó là mạch so sánh không đảo và mạch
so sánh có trể lối vào đảo.
Mạch so sánh không đảo:
Điện thế ngõ vào (-) được dùng làm điện thế chuẩn và Ei là điện thế muốn đem so sánh
với điện thế chuẩn, Ei được đưa vào ngõ vào (+).
Khi Ei> Vref =0 thì Vout=+Vsat.
Khi Ei< Vref =0 thì Vout=-Vsat.
Thí dụ khi Ei có dạng tam giác thì dạng sóng ngõ ra Vout có dạng như hình 2.4.
Hình 2.7: dạng tín hiệu đầu vào và đầu ra của mạch so sánh mức 0 không đảo.
Mạch so sánh có trễ đầu vào đảo:
Là mạch so sánh theo 2 ngưỡng Vref và -Vref, khi điến áp đầu ra là bão hòa âm thì Vref trong
mạch trên dc tính như sau:
1 1
1 3 1 3
.( )ref out cc
R R
V V V
R R R R
Khi đầu ra báo hòa dương thì Vout = Vcc và điện áp lật lại lớn hơn không.
24. 24
2.6. Mạch nguồn
Mạch nguồn sử dụng 2 ic điều chỉnh điện áp là LM 317 và LM 337. Trong đó LM 317 để
điều chỉnh phía nguồn dương còn LM 337 để điều chỉnh điện áp âm.
Trong hình vẽ hai biến trở VR1 và VR2 dùng để điều chỉnh độ lớn của điện áp.
Hình 2.8: Sơ đồ nguồn nuôi
2.7. Sơ đồ vi điều khiển
Khi điều chỉnh góc mở bằng vi điều khiển thì ta chỉ sử dụng 2 đầu vào và 2 đầu ra cho 2
nhóm Thyristor. Tất cả các tính toán góc mở đều được lặp trình trong vi điều khiển.
Đầu vào: chân P0.1, P0.3
Đầu ra : chân P1.2, P1.5
25. 25
Hình 2.9: Ghép nối vi xử lý
2.8. Mạch cách ly và khuếch đại xung
Do xung điều khiển được vi điều khiển phát ra có công suất nhỏ nên không đủ công suất để
mở Thyristor. Vậy trước khi đưa vào cực điều khiển của thyristor nó cần được khuếch đại
lên công suất đủ lớn để mở thyristor.
Hơn nữa mạch lực có điện áp làm việc rất lớn so với mạch điều khiển nên cần phải cách ly
chúng không cho các xung điện áp cao xông vào mạch điều khiển có thể gây hỏng, cháy nổ
mạch điều khiển.
Do thyristor đã chọn có dòng điều khiển ig = 1mA nên ta không cần mạch khuếch đại, ta
dùng cách li quang vừa có tác dụng cách li mạch điều khiển vừa làm chức năng đóng mở
cấp xung cho thyristor từ nguồn.
27. 27
Chương 3: Thiết kế phần mềm
Để thuận tiện cho việc viết chương trình và mô phỏng, chúng em sử dụng phần mềm Keil C
và Proteus để thực hiện.
3.1. Thuật toán điều khiển
3.2. Chương trình điều khiển
#include <REGX52.H>
sbit out1=P1^2;
sbit out2=P1^5;
sbit in1=P0^1;
sbit in2=P0^3;
void delay (int time){
while(time--);
Bắt đầu
Nạp góc pha
Timer
Phát xung
Tín hiệu
đồng bộ
31. 31
Chương 4: Kết quả mô phỏng
4.1. Tín hiệu đồng pha
Hình 4.1: Tín hiệu sau mạch đồng pha
4.2. Phát xung
Hình 4.2: Xung phát ra bởi vi điều khiển
33. 33
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng - Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051
[2] Tống Văn On, Hoàng Đức Hải - Họ vi điều khiển 8051
[3] Phạm Quốc Hải - Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất
[4] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh – Điện tử công suất
