Tính toán thiết kế bộ điều khiển động cơ bước100w sử dụng vi xử lý đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐƠNG Á

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BƯỚC 100W DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN

Sinh viên thực hiên
Ngày sinh
Lớp
Khoa
Mã sinh viên
Giáo viên hướng dẫn

:
:
:
:
:
:

Phạm Xuân Nhân
11/07/1983
DLĐĐT10.12
Điều khiển và Tự động hóa
PGS. TS Nguyễn Quang Hùng

Bắc Ninh, Tháng 11 năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐƠNG Á

Phạm Xn Nhân
TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BƯỚC 100W DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN

Giáo viên hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Quang Hùng

Bắc Ninh, Tháng 11 năm 2021


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh mẽ
và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất lớn của ngành kĩ thuật
điện tử, kĩ thuật vi xử lý.
Với sự phát triển như vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử , kĩ thuật vi
xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và đã đáp ứng được
mọi nhu cầu của người dân. Sự ra đời của các vi mạch điều khiển với giá thành giảm
nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong
ngành kỹ thuật điện tử.
Và việc ứng dụng các kỹ thuật này vào thực tế sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi người.
Để góp một phần nhỏ vào việc này em đã thực hiện đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế mạch
điều khiển động cơ bước ” thơng qua đề tài này em sẽ có những điều kiện tốt nhất để
học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang của mình
trên con đường đã chọn.
Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua
một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cơ giáo và các
bạn đồ án của em đã hoàn thành. Mặc dù đã cố gắng nghiên cứu và trình bày nhưng khơng
thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn, vì vậy em rất mong các thầy, cơ giáo cùng các
bạn đóng góp những ý kiến quý báu để đồ án này hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày….tháng….năm 2021
Sinh viên thực hiện

Phạm Xuân Nhân

1


MỤC LỤC
Mục lục………………………………………………………………………………...1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC ................................................. 4
1.1 Động cơ bước ........................................................................................................ 4
1.1.1 Khái niệm ........................................................................................................ 4
1.1.2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động ..................................................................... 4
1.1.3 Các loại động cơ bước .................................................................................... 5

1.2. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC .................................................................... 10
1.2.1. Các cách điều khiển động cơ bước............................................................... 10
1.2.2. Tính tốn chọn động cơ bước....................................................................... 11
CHƯƠNG II: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH.............................. 12
2.1. ĐIỆN TRỞ ......................................................................................................... 12
2.1.1. Khái niệm ...................................................................................................... 12
2.1.2. Phân loại điện trở .......................................................................................... 12

2.2 TỤ ĐIỆN ............................................................................................................ 13
2.2.1 Khái niệm ....................................................................................................... 13
2.2.2 Phân loại tụ điện ............................................................................................ 13
2.2.3 Ứng dụng của tụ điện..................................................................................... 14

2.3 DIOD BÁN DẪN ............................................................................................... 14
2.3.1 Khái niệm ....................................................................................................... 14
2.3.2 Nguyên tắc hoạt động của diod bán dẫn ........................................................ 15

2.4 TRANSISTOR ................................................................................................... 16
2.4.1 Cấu tạo ........................................................................................................... 16
2.4.2 Nguyên lí làm việc .......................................................................................... 16
2.4.3 Ứng dụng của transistor: ................................................................................ 17
2.5 IC ULN2803 ....................................................................................................... 17
2.5.1 Cấu tạo ........................................................................................................... 17
2.5.2 Nguyên lí hoạt động ....................................................................................... 18

2.6 VI XỬ LÝ 89C51 ............................................................................................... 18
2.6.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 18
2.6.2 Khảo sát bộ vi điều khiển làm việc ............................................................... 19
2


CHƯƠNG III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
......................................................................................................................................... 32

3.1 Sơ đồ khối và chức năng của từng khối trong mạch điện ............................. 32
3.1.1 Sơ đồ khối của mạch điện............................................................................... 32
3.1.2 Chức năng nhiệm vụ từng khối ...................................................................... 32
3.2 Sơ đồ nguyên lí và mạch điều khiển động cơ bước ........................................ 32
3.2.1 Khối Nguồn.................................................................................................... 32
3.2.2 Khối điều khiển.............................................................................................. 33
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 35

3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1 Động cơ bước
1.1.1 Khái niệm
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt so
với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng
để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành
các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto vào các vị trí cần thiết.

Hình 1.1. Động cơ bước
Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyển động kĩ thuật số,
tự động hóa,… vì nó là cơ cấu chấp hành trung thành với nhừng lệnh đưa ra dưới dạng
số, nó chấp hành chính xác. Ta có thể diều khiển nó quay một góc bất kì, chính xác,
dừng ở vị trí ta muốn. Vì vậy, động cơ bước được ứng dụng trong cơ cấu địi hỏi có đọ
chính xác cao, chuyển động êm.

1.1.2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động
a. Cấu tạo:
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của 2 loại động cơ: Động
cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
Động cơ bước sử dụng là động cơ bước 4 pha, 5 dây điều khiển. 4 trong 5 dây
này được kết nối với 4 cuộn dây trong động cơ và 1 dây là dây nguồn cho cả 4 cuộn dây.
Mỗi bước động cơ quét 1 góc 1.8 độ, vậy để quay một vòng động cơ phải qt 200 bước.
Động cơ bước có thể được mơ tả như là một động cơ điện không dùng bộ
chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm
vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng
4

làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên
ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế
để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất
kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh,
cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có
thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.
b. Ngun lí hoạt động:
Động cơ bước khơng quay theo cơ chế thơng thường, chúng quay theo từng bước
nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Cúng làm việc nhờ các bộ chuyển
mạch điện tử đưa ra các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.
Tổng sơ góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và
tốc độ quay của roto phụ thuộc vạo thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
• Ưu điểm:
-Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho điều khiển vị trí và vận tốc.
-Thích hợp với các thiết bị điều khiển số với khả năng điều khiển sô trực tiếp (động cơ
bước trở thành thong dụng trơng robot).
-Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh.
• Nhược điểm:
-Cơng suất thấp (việc nâng cao công suất của động cơ bước đang được rất quan tâm
hiện nay).

1.1.3 Các loại động cơ bước
Động cơ bước được chia làm 2 loại: Nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có
loại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó khơng khác biệt gì với động cơ nam châm
vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại
động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam
châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của
chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm
thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có

thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3
mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường

5


có hai mấu phân biệt, có hoặc khơng có nút trung tâm. Nút trung tâm được
dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.
Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi
bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8
độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam
châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ
điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay cịn gọi là vi bước.

Hình 1.2. Động cơ biến trở từ
Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một
mấu của động cơ được kích, rotor (ở khơng tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và
sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment
xoắn giữ (hold torque) của động cơ.
Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 3.1, với một
đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở.
Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và
các cuộn được kích theo thứ tự liên tục.
Dấu thập trong hình 1.2 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.
Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai
cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu
dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dịng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo
chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2.
Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân
phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dịng

điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim
đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:
6


Cuộn 1 1001001001001001001001001
Cuộn 2 0100100100100100100100100
Cuộn 3 0010010010010010010010010
thời gian ‐‐>
Phần Điều khiển mức trung bình cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra các
dãy tín hiệu điều khiển như vậy, và phần Các mạch điều khiển bàn về việc
đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế.
Hình dạng động cơ được mơ tả trong hình 1.2, quay 30 độ mỗi bước, dùng số
răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho
phép động cơ quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các
răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ.

Hình 1.3 Động cơ bước đơn cực
Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc
8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.3, với một đầu nối trung tâm trên
các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương
nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ
trường tạo bởi cuộn đó.
Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn
hợp đơn cực khơng thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này. Từ đây,
khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu,
việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự.
7

Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và
bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc,
xếp xen kẽ trên vịng trịn. Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực
đối xứng hơn. Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ
nam
châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá
lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là
1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến
1.8 độ, cịn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ.
Như trong hình, dịng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra
cực Bắc trong stator trong khi đó cực cịn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở
mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ
một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy.
Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001
Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110
Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100
Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011
thời gian ‐‐> thời gian ‐‐>
Nhớ rằng hai nửa của một mấu khơng bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai
dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời
điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mơ tả trong
hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải địi hỏi cấp điện cho
cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên
trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.
Phần Điều khiển mức trung bình trong tài liệu này sẽ cung cấp chi tiết về
phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, cịn phần Các mạch
điều khiển nói về mạch đóng ngắt các mạch điện cần thiết để điều khiển các
mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên. Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không
giống nhau; kết quả, kết hợp 2 chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng

8


động cơ một cách lần lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết
hợp như sau:
Mấu 1a 11000001110000011100000111
Mấu 1b 00011100000111000001110000
Mấu 2a 01110000011100000111000001
Mấu 2b 00000111000001110000011100
Thời gian ‐‐>

Hình 1.4 Động cơ bước đơn cực
Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y
như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn,
không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng
mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn.
Hoạtđộng:
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên
có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch
điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng
số góc quay của rơto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ
quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Ứng dụng:
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc
biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng
trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự
9

trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám
mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt
gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay,trên ôtô ứng dụng trong
bộ tiết chế IC.
Trong cơng nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa
mềm, máy in ...
STEP có 5 đặc tính cơ bản sau:
• Brushlesss (khơng chổi than): STEP là loại động cơ khơng chổi than.
• Load Independent (độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm
moment của động cơ.
• Open loop positioning (điều khiển vị trí vịng hở): thơng thường chúng ta có thể đếm
xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà khơng cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí,
nhưng đơi khi trong những ứng dụng địi hỏi tính chính xác cao STEP thường được sử
dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như: encoder, biến trở …
• Holding Torque (moment giữ ): STEP có thể giữ được trục quay của nó, so với động
cơ DC khơng có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều.
• Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo
chiều quay một cách dễ dàng.

1.2. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.2.1. Các cách điều khiển động cơ bước
Có 2 cách điều khiển động cơ bước là:
- Điều khiển FULL bước.
-Điều khiển NỬA bước.
a. Điều khiển FULL bước:
Điều khiển FULL bước có nghĩa là mỗi lần cấp điện áp cho các cuộn dây, động cơ
sẽ quay đủ 1 bước (1.8 độ), thứ tự cấp xung điều khiển như sau (thứ tự từ trái sang
phải:
cuộn 1 -> cuộn 2 -> cuộn 3 -> cuộn 4):
Bước 1: 0110

Bước 2: 1100

10


Bước 3: 1001
Bước 4: 0011
b. Điều khiển NỬA bước:
Để điều khiển động cơ quay nửa bước, thứ tự các xung cấp vào các cuộn dây như
sau (thứ tự từ trái sang phải:
cuộn 1 ->...-> cuộn 4 cuộn 1 ->...-> cuộn 4)):
Bước 1: 0110 1110
Bước 2: 1100 1101
Bước 3: 1001 1011
Bước 4: 0011 0111
Khi điều khiển nửa bước, động cơ sẽ chạy mượt hơn so với khi chạy FULL bước.

1.2.2. Tính toán chọn động cơ bước
Chọn động cơ bước dựa vào các thông số sau: Điện áp, momen lực cực đại, khoảng điều
khiển số bước(ví dụ có thể chỉnh từ 1-1000 bước trong một giây),.
Động cơ bước còn phụ thuộc vào các thong sô liên quan như: Momen lực, cường độ,
điện trở, trở kháng cuộn dây.
Như vậy, điều quan trọng ở đây là phải đảm bảo tính tương thích của bộ điều khiển và
thông số động cơ để chọn ra được một động cơ bước phù hợp nhất.

11


CHƯƠNG II: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
2.1. Điện trở

2.1.1. Khái niệm
Điện trở là linh kiện điện tử thụ động, dùng để làm vật cản trở dòng điện theo mong
muốn của người sử dụng, đôi khi người ta dùng điện trở để tạo ra sự phân cấp điện áp ở
mỗi vị trí bên trong mạch điện. Đối với điệ trở thì nó có khả năng làm việc với cả tín
hiệu một chiều (DC) và xoay chiều (AC) và có nghĩa là nó khơng phụ thuộc vào tần số
của tín hiệu tác động nên nó.
Trường hợp đối với một dây dẫn thì trị số điện trở lớn hay nhỏ sẽ phụ thuộc vào vật
liệu làm dây dẫn (điện trở suất) và nó tỉ lệ thuận với chiều dài dây, tỷ lệ nghịch với tiết
diện dây dẫn.

2.1.2. Phân loại điện trở
- Điện trở thường: điện trở thường là các loại điện trở có cơng suất nhỏ từ 0,125W đến
0,5W.
- Điện trở cơng suất: là các điện trở có cơng suất lớn hơn từ 1W, 2W, 5W, 10W.
- Điện trở sứ, điện trở nhiệt: Là cách gọi khác của các điện trở cơng suất, điện trở này
có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng tỏa nhiệt.
- Điện trở dây cuốn: Loại điện trở này dùng dây điện trở quấn trên than lớp cách điện
thường bằng sứ, có trị số điện áp thấp nhưng công suất làm việc lớn từ 1W đến 25W.
- Điện trở màng kim loại: Chế tạo theo cách kết lắng màng Ni-Cr.

Hình 2.1 Các loại điện trở
12


2.2 Tụ điện
2.2.1 Khái niệm
- Khái niệm: Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các
mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền
tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động.
- Hình ảnh tụ điện:

Hình 2.2 Tụ điện.

2.2.2 Phân loại tụ điện
Đối với tụ điện có rất nhiều loại nhưng thực tế người ta phân ra thành hai loại chính là
tụ khơng phân cực và tụ phân cực.
- Tụ không phân cực: Gồm các lá kim loại ghép xen kẽ với lớp cách điện mỏng, giá trị
của nó thường từ 1,8pF - 1μF. Cịn giá trị tụ lớn hơn thì sẽ có kích thước rất lớn khơng
tiện chế tạo.
- Tụ phân cực:Có cấu tạ o gồm 2 cực điện cách ly nhau nhờ một lớp chất điệ phân mỏng
làm điệjn môi. Lớp điện môi càng mỏng thì trị số điện dung càng cao. Loại tụ này có sự
phân cực được ghi trên than của tụ, vì thế nếu nối nhầm cực tính thì lớp đijện môi sẽ bị
phá hủy làm hư hỏng tụ.
- Trong thực tế chúng ta thường gặp các loại tụ như sau:
+ Tụ gốm: Điện mơi bằng gốm thường có kích thước nhỏ, dạng ống hoặc dạng đĩa có
tráng kim loại lên bề mặt, trị số từ 1pF - 1μF và có điện áp làm việc tương đối cao.
+ Tụ mica: Điện mơi làm bằng mica có tráng bạc, trị số từ 2,2pF – 10nF và thường làm
việc ở tần số cao, sai số nhỏ, đắt tiền.
+ Tụ giấy polyste: Chất điện mơi làm bằng giấy ép tẩm polyester có dạng hình trụ, có
trị số từ 1nF - 1μF.
+ Tụ hóa (tụ điện phân): Có cấu tạo là lá nhơm cùng bột dung dịch điện phân cuộn lại
đặt trong vỏ nhôm, loại này có điện áp làm việc thấp, kích thước và sai số lớn, trị số
điện dung khoảng 0,1 μF – 4700 μF.
13


+ Tụ tan tang: Loại tụ này được chế tạo ở hai dạng hình trụ có đầu ra dọc theo trục và
dạng hình tan tan.
Tụ này có kích thước nhỏ nhưng trị số điện dung cũng lớn khoảng 0,1 μF - 100 μF.
+ Tụ biến đổi: Là tụ xoay trong radio hoặc tụ tinh chỉnh.

2.2.3 Ứng dụng của tụ điện
- Tính chất quan trọng của tụ điện là tính phóng nạp của tụ, nhờ tính chất này mà tụ có
khả năng dẫn điện xoay chiều.
- Tụ điện sẽ phóng điện từ dương cực sang âm cực, nó phóng điện qua tải sau đó về cực
âm của tụ điện. Điện dung của tụ càng lớn thì thời gian tích điện càng lâu.

2.3 Diod bán dẫn
2.3.1 Khái niệm
Diode là linh kiện điện tử thụ động, cho phép dịng điện đi qua nó theo một chiều , sử
dụng các tính chất của các chất bán dẫn.

Hình 2.3 Một số loại điode

14


2.3.2 Nguyên tắc hoạt động của diod bán dẫn
* Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
- Cấu tạo: Diode bán dẫn được cấu tạo dựa trên chuyển tiếp P – N của hai chất bán dẫn
khác loại. Điện cực nối với bán dẫn P gọi là Anot còn điện cực nối với bán dẫn N gọi là
Katot. Trong kỹ thuật điện thường được kí hiệu như sau:

K

A

- Nguyên lý hoạt động: Diode sẽ dẫn điện theo hai chiều không giống nhau. Nếu phân
cực thuận thì diode sẽ dẫn điện gần như bão hịa. Nếu phân cực nghịch thì diode dẫn
điện rất yếu, thực chất chỉ có dịng điện rị. Nói một cách gần đúng thì xem như diode

chỉ dẫn điện một chiều từ Anot sang Katot, và đây chính là đặc tính chỉnh lưu của Diode
bán dẫn.
* Phân loại:
-

Theo cơng dụng thì ta có: Diode ổn áp, Diode phát quang, Diode thu quang, Diode

biến dung, Diode xung, Diode tác song, Diode tách sóng.
+ Diode phát quang được sử dụng ở điều khiển tivi, đèn led ở biển quảng cáo, nó phát
ra ánh sang.

+ Diode chỉnh lưu được ứng dụng trong bộ đổi nguồn.

+ Diode biến dung được dùng nhiều trong các bộ thu phát sóng điện thoại, sóng cao tần,
siêu cao tần.
+ Diode tách sóng là loại diode nhỏ, vỏ bằng thủy tinh và còn được gọi là diode tiếp
điểm vì mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P-N tại một điểm để tránh điện dung kí sinh,
Diode tách sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách song tín hiệu.
+ Diode nắn điện: Là diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC
50 Hz. Diode này thường có 3 loại là: 1A, 2A và 5A.
- Diode Zenner có cấu tạo tương tự như diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P-N
ghép với nhau. Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược. Khi phân cực
15


thuận Diode zenner như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode Zenner sẽ ghim
lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên Diode.

2.4 Transistor
2.4.1 Cấu tạo

Gồm ba lớp bán dẫn ghép lại với nhau hình thành hai lớp tiếp giáp P-N nằm
ngược chiều nhau. Ba vùng bán dẫn nối ra ba chân gọi là ba cực. Cực nối với vùng bán
dẫn chung gọi là cực gốc, cực này mỏng và có nồng độ tạp chất thấp, hai cự còn lại nối
với vùng bán dẫn ở hai bên là cực phát (E) và cực thu (C), chúng có chung bán dẫn
nhưng nồng độ tạp chất là khác nhau nên khơng thể hốn vị cho nhau. Vùng cực E có
nồng độ tạp chất rất cao, vùng C có nồng độ tạp chất lớn hơn vùng B nhưng nhỏ hơn
vùng E.

Hình 2.4 Transistor PNP và Transistor NPN

2.4.2 Ngun lí làm việc
.+) Loại N có đặc điểm là:
- Miền emitor có nồng độ tạp chất lớn.
- Miền bazo có nồng độ tạp chất nhỏ nhất miền điện tích khơng gian của P-N. BJT có
miền này chỉ cỡ μm.
- Miền collector là miền có nồng độ pha tạp trung bình.
- Tiếp giáp P-N giữa miền E và B gọi là tiếp giáp emito (JB)
- Tiếp giáp P-N giữa C và E gọi là tiếp giáp colacto (JC)
- Ta chỉ xét với cấu trúc N-P-N cịn cấu trúc P-N-P thì hoạt động tương tự như hình vẽ
ở trên. Khi transistor được phân cực do JB phân cực thuận làm các hạt đa số từ miền E
phun qua tiếp giáp JB tạo nên dòng điện emitor IB các điện tử này tới vùng B trở thành
hạt thiểu số của vùng bazo và tiếp tục khuêchs tán sâu vào miền bazo hướng tới IC trên
miền bazo tạo ra dòng điện bazo IB. Nhưng do cấu tạo của miền B mỏng lên hầu hết số

16


lượng các điện tử từ miền E phun qua JB đều tới được bờ JC và đường trường gia tốc (Do
Jc phân cực ngược cuốn qua tới được miền C tạo nên dịng điện collector Ic).
Hình ảnh thực tế của một số transistor:

Hình 2.5 Một số loại Transistor

2.4.3 Ứng dụng của transistor:
-Dùng để làm các phần tử khuếch đại trong các mạch khuyếch đại công suất.
-Dùng để làm phần tử điều chỉnh trong các mạch ổn định điện áp.
-Đóng vai trị phần tử chuyển mạch làm việc như một khóa điện tử.
-Tạo sóng trong các mạch dao động.

2.5 IC ULN2803
2.5.1 Cấu tạo
ULN2803 là IC đảo, là loại IC hút dòng, có các điode tránh ngược dịng khi điều
khiển.
17


Hình 2.6 ULN2803

2.5.2 Ngun lí hoạt động
Con ULN là 8 con tran NPN trong 1 vỏ thôi mà,thêm 8 con diot bảo vệ nữa. đầu vào là
1 thì đầu ra là 0.
-Các chân Input từ 1-8, tương ứng là các chân Output từ 11-18
- Nếu đầu vào mức thấp (=0), đầu ra thả nổi
- Nếu đầu vào mức cao (=1), đầu ra bằng 0
ULN2803 là loại IC hút dòng, chân số 9 nối GND, chân số 10 nối VCC hoặc ko nối
cũng được.

Hình 2.7 Cấu trúc ULN2803

2.6 Vi xử lý 89c51

2.6.1 Giới thiệu
Bộ vi điều khiển viết tắt là Mircro-controller là mạch tích hợp trên một chíp có
thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh
của người lập trình bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thơng tin, đo
thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó.
Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng các bộ vi điều khiển điều khiển hoạt
động của TV, máy giặt, điện thoại, lò vi-ba…Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi
điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động. Các hệ thống càng “thơng
minh” thì vai trị của hệ vi điều khiển càng quan trọng.
18


IC vi điều khiển 8051(8951) thuộc họ MCS51 có các đặc điểm sau:
- 4Kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8951)
- 128 byte RAM
- 4 port I10 8 bit
- Hai bộ định thời 16bit
- Giao tiếp nối tiếp
- 64KB khơng gian bộ nhớ chương trình mở rộng
- 64KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng
- 1 bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bit đơn)
- 210bit được địa chỉ hoá
- Bộ nhân / chia 4µs

Hình 2.8 Vi điều khiển AT89C51

2.6.2 Khảo sát bộ vi điều khiển làm việc
2.6.2.1 Cấu trúc bên trong của AT89C51
Phần chính của vi điều khiển 8051(8951) là bộ vi xử lý trung tâm (CPU: Central
Processing Unit) bao gồm:

- Thanh ghi tích luỹ A
- Thanh ghi tích luỹ phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia.
- Đơn vị logic học (ALU: Arithmetic Logical Unit)
- Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word)
- Bốn băng thanh ghi
19


- Con trỏ ngăn xếp
- Ngồi ra cịn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic.

Hình 2.9 Sơ đồ khối họ vi điều khiển AT89C51
Đơn vị xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngồi ra cịn có khả năng
đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngồi.
Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt ở bên
trong. Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm định thời hoặc
cũng có thể là giao diện nối tiếp.
Hai bộ định thời 16bit hoạt động như một bộ đếm.
Các cổng (port0, port1, port2, port3) sử dụng vào mục đích điều khiển.
Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ bên
ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài.
Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ làm việc
độc lập với nhau. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong vảy rộng và được ấn
định bằng một bộ định thời.
Trong vi điều khiển 8051(8951) có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và
các thanh ghi:
- Bộ nhớ gồm có bộ nhớ RAM dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh.
20

- Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lý. Khi CPU làm việc nó
làm thay đổi nội dung của các thanh ghi.

2.6.2.2 Chức năng các chân vi điều khiển
*Port0: Là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ
(không dùng bộ nhớ mở rộng) có hai chức năng như các đường IO. Đối với các thiết
kế cỡ lớn (với bộ nhớ mở rộng) nó được kết hợp kênh giữa các bus.
*Port1: Là một port I/O trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2...
có thể dùng cho các thiết bị ngồi nếu cần. Port1 khơng có chức năng khác, vì vậy chúng
ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bị ngồi.
*Port2: Là một port cơng dụng kép trên các chân 21-28 được dùng như các đường xuất
nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng.

Hình 2.10 Sơ đồ chân vi điều khiển 8951
*Port3: là một port công dụng kép trên các chân 10-17. Các chân của port này có nhiều
chức năng, các cơng dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8951 như
ở bảng sau:

21


Bảng 2.11 Chức năng của các chân trên Port3
Bit

Tên

Chức năng chuyển đổi

P3.0

RXD

Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

P3.1

TXD

Dữ liệu phát cho port nối tiếp

P3.2

INTO

Ngắt 0 bên ngoài

P3.3

INT1

Ngắt 1 bên ngoài

P3.4

TO

Ngõ vào của Timer/Counter 0

P3.5

T1

Ngõ vào của Timer/Counter 1

P3.6

WR

Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7

RD

Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

*PSEN (Program Store Enable): 8951 có 4 tín hiệu điều khiển PSEN là tín hiệu
ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và
thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các
byte mã lệnh.
*PSEN: sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được
đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8951 để giải mã lệnh. Khi
thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao).
* ALE (Address Latch Enable):
Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các xử lý
8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một cách tương tự cho làm việc giải các kênh các
bus địa chỉ và dữ liệu khi port0 đựoc dùng trong chế độ chuyển đổi của nó: vừa là bus
dữ liệu vừa là bus thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi
bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau đó các đường port0 dùng để xuất hoặc
nhập dữ liểutong nửa sau chu kỳ của bộ nhớ.

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể
được dùng là nguồn xung nhịp cho các hệ thống. Nếu xung trên 8051(8951) là 12 MHz
thì ALE có tần số 2MHz. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bị
mất. Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong
8051(8951).
* EA (External Access):

22


Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức
thấp (GND). Nếu ở mức cao, 8051(8951) thi hành chương trình từ ROM nội trong
khoảng địa chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp, chương trình được thi hành từ bộ nhớ mở
rộng.Nếu EA được nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình 8051(8951) sẽ bị cấm
và chương trình thi hành từ EPROM mở rộng. Người ta còn dùng chân EA làm chân
cấp điện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong 8051(8951).
* SRT (Reset):
Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051(8951). Khi tín hiệu này được
đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi trong 8951 đựoc tải những
giá trị thích hợp để khởi động hệ thống.
* Các ngõ vào bộ dao động trên chip:
8051(8951) có một bộ dao động trên chip. Nó thường được nối với thạch anh
giữa hai chân 18 và 19. Các tụ giữa cũng cần thiết. Tần số thạch anh thông thường là 12
MHz.
* Các chân nguồn:
8051(8951) vận hành với nguồn đơn +5V. VCC được nối vào chân 40 và VSS
(GND) được nối vào chân 20.
2.6.2.3 Các thanh ghi chức năng đặc biệt
a. Từng trạng thái chương trình
- Cờ nhớ phụ:

Khi cộng các số BCD, cờ nhớ phụ (AC) được set nếu kết quả của 4 bit thấp trong khoảng
0AH đến 0FH. Nếu các giá trị cộng được là số BCD, thì sau lệnh cộng cần có DA A
(hiệu chỉnh thập phân thanh ghi tích luỹ) để mang kết quả lớn hơn 9 trở về tâm từ 0 ÷ 9.
- Cờ 0:
Cờ 0 (F0) là một bit cờ đa dụng dành các ứng dụng của người dùng.
- Các bit chọn bank thanh ghi:
Các bit chọn bank thanh ghi (RS0 và RS1) xác định bank thanh ghi được tích
cực. Chúng được xố sau khi reset hệ thống và được thay đổi bằng phần mềm nếu cần.
Ví dụ: ba lệnh sau cho phép bank thanh ghi 3 và di chuyển nội dung của thanh ghi R7
(địa chỉ byte 1FH) đến thanh ghi tích luỹ:
23